專利名稱：一種多層材料制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種多層材料加工技術(shù)，更具體地說，是涉及一種用于對 材料進(jìn)行分割層疊制備多層材料的裝置。
技術(shù)背景現(xiàn)實(shí)當(dāng)中許多材料或者物體都具有層狀結(jié)構(gòu)。在這些材料或者物體當(dāng)中組 成成分以多層形式堆疊起來或者通過取向等方式形成最終的特殊層狀結(jié)構(gòu)。 具有層狀結(jié)構(gòu)的材料或者物體包括多層聚合物材料、含金屬或者半導(dǎo)體等組 分的多層電子材料、動物的骨頭等，甚至包括食品，例如多層蛋糕、餅干等。 對食品采用多層結(jié)構(gòu)可增加美觀、口味，減少成本等。但對其他功能性材料， 特別是聚合物材料，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)多層復(fù)合結(jié)構(gòu)使得材料在力學(xué)性能、光學(xué)性 能、阻隔性能、導(dǎo)電性能等方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。并已經(jīng)在光學(xué)薄膜、裝飾 材料、阻隔材料等方面取得了商業(yè)化應(yīng)用。因此，多層材料制備裝置以及技 術(shù)在許多國家得到越來越多的重視。以往一般采用多流道技術(shù)(即一個流道控制一層)將幾種材料共擠出形成層狀復(fù)合材料。該技術(shù)存在有如下缺點(diǎn)不但這些材料的層數(shù)很有限(一般 少于20層)，個體層厚度一般都在毫米級或者數(shù)百微米級，而且具有擠出裝 置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計精度要求高，擠出工藝不易掌控等一系列問題。針對上述的不足，有人提出了解決方案，如美國專利US3645837 、 US3773882、 US3884606、 US5094788, US6905324等，以及中國專利CN1511694 等。但是目前的這些多層擠出裝置和技術(shù)都仍然有許多不足和缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu) 單一，對層數(shù)、層厚度和層厚度比進(jìn)行多樣化、簡易化調(diào)控的能力有限等等。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種多層材料制備裝置，其克服了背景技術(shù)多層材料制 備裝置所存在的不足。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種多層材料制備裝置，它包括 至少兩臺能提供進(jìn)料料流的進(jìn)料器；一用以層疊匯合至少兩股進(jìn)料料流的供料頭，它具有與進(jìn)料料流等數(shù)的 進(jìn)料分支料流通道；一用以倍增層疊料流層的層倍增部，它包括至少一個能夠分割、調(diào)向、 橫截面調(diào)整和再層疊匯合料流層的層倍增器；其中，該層倍增器包括至少兩 個分支料流通道，該分支料流通道具有分流入口和分流出口，該些分流入口 沿料流層寬度方向排布，該些分流出口沿料流層高度方向排布；及一個擠出頭，它連接在層倍增部下游。本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，供料頭的進(jìn)料分支料流通道固定，且分 支料流通道內(nèi)任何一處的橫截面面積與其出口相比在5 0 % - 2 00 % 。本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，供料頭的進(jìn)料分支料流通道出口可調(diào)。 本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該些層倍增器串聯(lián)連接在一起。 本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該些層倍增器并聯(lián)連接在一起。 本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該些層倍增器串并聯(lián)連接在一起。 本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該些層倍增器的分支料流通道的橫斜面 從分流入口至分流出口逐漸調(diào)整，其中，該些分流道中任意一處的橫截面面 積與其分流入口相比在60% -150%。本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該些層倍增器還包括一在分支料流通道匯合的同時開始進(jìn)行對稱連續(xù)的橫截面調(diào)整并結(jié)束于層倍增器內(nèi)的匯合主料 流通道。本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該些層倍增器還包括一在分支料流通道 匯合的同時開始進(jìn)行對稱連續(xù)的橫截面調(diào)整至層倍增器出口結(jié)束的匯合主料 流通道。本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該些層倍增器的分支料流通道為重新堆 疊后同時進(jìn)行對稱連續(xù)的橫截面調(diào)整并匯合于層倍增器內(nèi)的分支料流通道， 而且，該層倍增器還包括一不再進(jìn)行橫截面調(diào)整的匯合主料流通道。本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該些層倍增器的分支料流通道為重新堆 疊后同時進(jìn)行對稱連續(xù)的橫截面調(diào)整并匯合于層倍增器出口的分支料流通 道。本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該每相鄰的分流入口之間都設(shè)有分割片， 該些分割片鋒口與料流層界面垂直，且該些分割片均勻間隔設(shè)置。本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該每相鄰的分流入口之間都設(shè)有分割片， 該些分割片鋒口與料流層界面垂直，且該些分割片不均勻間隔設(shè)置。本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該些分流道上下左右交錯。本實(shí)用新型的 一較佳實(shí)施例中，該擠出頭入口到出口之間對稱連續(xù)地過渡。本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該擠出頭內(nèi)任意一處的橫截面大小與其入口相比在10% - 200%。本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該擠出頭含有可調(diào)高度的出口，擠出頭 入口到可調(diào)模唇入口之間對稱連續(xù)地過渡。本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例中，該擠出頭入口到可調(diào)模唇入口之間任意一處的橫截面大小與其入口相比在10% - 200%。本技術(shù)方案與背景技術(shù)相比由于層倍增部中各個層倍增器能夠隨意組 合、操作方便，因此對多層材料的層數(shù)、層厚度、層厚度比以及其他結(jié)構(gòu)能 進(jìn)行多樣化調(diào)控。由于該些層倍增器串并聯(lián)連接在一起，因此能夠制備出任 何層數(shù)的多層材料。由于各個層倍增器可相同也可不相同，而且，供料頭和 擠出頭也可以是固定的或者是可調(diào)的，因此它具有如下優(yōu)點(diǎn)1、結(jié)構(gòu)多樣化， 利用多種不同的層倍增部組合以及供料頭和擠出頭，還可以更加靈活有效地 設(shè)計制備更加多樣性的層數(shù)和層厚度以及厚度比；2、采用高于雙重的層倍增 器時，能夠減少層倍增器數(shù)，能夠縮短物料在高溫的擠出裝置中停留時間， 能夠避免不均勻性、不連續(xù)性、不穩(wěn)定性被指數(shù)級地放大，能夠使多層材料 更順利的成功擠出，能夠保證成品質(zhì)量；3、簡易化調(diào)控能力強(qiáng)，例如要制備 層數(shù)增加512倍的材料，需要9個雙重層倍增部，而只需要4個四重層倍增 部加一個雙重層倍增部即可，更只需要3個八重層倍增部即可；4、供料頭的 進(jìn)料分支料流通道出口可調(diào)，實(shí)用性大大提高。本裝置，結(jié)構(gòu)簡單，可以適 用于任何適合采用擠出加工的材料，通過調(diào)整或者選擇進(jìn)料的種類和數(shù)量， 各進(jìn)料料流的流速，供料頭的進(jìn)料通道的數(shù)量和大小，層倍增部中層倍增器 的種類、數(shù)量以及放置方式，擠出頭口模的大小和形狀等，可以生產(chǎn)制備不 同層數(shù)、不同層厚度、不同層厚度比、不同結(jié)構(gòu)的多層復(fù)合材料或者其他類 層狀材料，因此與其他多層材料加工裝置相比具有顯著優(yōu)點(diǎn)。本裝置的多層 材料加工方法、過程操作簡單，效率高，成本低。本裝置所制備的產(chǎn)品功能 多樣，用途非常廣泛。

圖l是擠出設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-1是多層材料加工裝置中的一種具有三料流通道的供料頭的一種結(jié) 構(gòu)的剖面俯視圖。圖2-2是多層材料加工裝置中的一種具有三料流通道的供料頭的一種結(jié) 構(gòu)的剖面?zhèn)纫晥D。圖3-1多層材料加工裝置中的一種具有二料流通道的供料頭的一種結(jié) 構(gòu)的剖面俯視圖。圖3-2多層材料加工裝置中的一種具有二料流通道的供料頭的一種結(jié) 構(gòu)的剖面?zhèn)?見圖。圖4是一種雙重層倍增部的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是另一種三重層倍增部的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是一種由一個雙重和一個三重層倍增部組合成的層倍增部示意圖。圖7是雙元料流在被用圖5所示的層倍增部組進(jìn)行加工時料流橫截面結(jié) 構(gòu)在不同步驟的示意圖。圖8-l是層倍增器的連接排列組合方式示意圖之一。圖8-2是層倍增器的連接排列組合方式示意圖之二。圖8-3是層倍增器的連接排列組合方式示意圖之三。圖8-4是層倍增器的連接排列組合方式示意圖之四。圖8 - 5是層倍增器的連接排列組合方式示意圖之五。圖9-l是一種典型擠出頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9-2是一種典型的具有恒定截面面積的擠出頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖9 - 3是一種用于調(diào)節(jié)擠出頭出口高度的可調(diào)模唇的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。本實(shí)用新型的一種典型的多層材料制備裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括三臺進(jìn)料器l、 2、 3，在下游與一個供料頭4連接， 一個連接供料頭的層 倍增部5， 一個連接層倍增部的擠出頭6。進(jìn)料器的基本功能是向下游模塊輸送物料。作為擠出設(shè)備的源頭，這類 進(jìn)料器可以是有混合功能的也可以是沒有混合功能的，但進(jìn)料器必須能對物 料提供推進(jìn)力。這些裝置包括多螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)、單螺桿擠出機(jī)、 注射機(jī)，以及料斗或者料桶與流體泵的組合等。供料頭用于將一股或者多股料流層疊匯合后輸送到層倍增部進(jìn)行層倍增 操作。如背景技術(shù)中所提到的多種多流道結(jié)構(gòu)的供料頭以及具有增層能力(即 可以在供料頭中不依靠層倍增部實(shí)現(xiàn)層數(shù)的增加)的較為復(fù)雜的供料都可以 用于本多層擠出設(shè)備。這里優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單的具有固定或者可調(diào)料流通道 的供料頭(如參見美國專利US4152387、 US4533308、 US4144011、 US5375990、 US6767492、 US6783349等)。只有一個進(jìn)料通道的供料頭是一種特殊情況，適 用于對一股料流進(jìn)行特殊的層倍增操作。除非特別說明，以下描述的一般是 含有兩個或者兩個以上進(jìn)料分支料流通道的供料頭。不管供料頭內(nèi)的通道是否可以調(diào)整， 一般情況下在分流道出口的橫截面 是平行四邊形， 一般為矩形或者正方形，較好是長邊(寬度方向)是底邊、 短邊(高度方向/厚度方向)是側(cè)邊的矩形。底邊定義為與層平面或者層與層 之間界面平行，也即側(cè)邊在料流層的高度方向上。供料頭中的各分流道在其 出口上游的橫截面可以是任意形狀， 一般為圓形、矩形或者正方形。最好， 分流道入口截面為圓形，便于同進(jìn)料器連接。對于具有固定通道的供料頭， 分流道在任何一處的橫截面面積與該分流道出口相比一般沒有太大改變，較 好是在50%- 200%,最好相同；對于具有可調(diào)通道的供料頭，則一般沒有要求，因?yàn)椴糠址至鞯揽梢员煌耆P(guān)閉。對于具有固定通道的供料頭，各個分 支料流通道的出口橫截面面積可以設(shè)計成相同或者不相同。當(dāng)不相同時，則 可以通過調(diào)節(jié)物料輸送部分，例如擠出機(jī)或計量泵，進(jìn)行準(zhǔn)確控制。對于具 有可調(diào)通道的供料頭， 一般可以對各分流道的出口橫截面面積進(jìn)行隨意調(diào)節(jié)， 還可以對供料頭出口橫截面進(jìn)行調(diào)節(jié)。相同的分流道橫截面便于制備層厚度 相同的多層材料，不相同的分流道橫截面可以制備不同材料層厚度比的產(chǎn)品。 多個分流道中的材料可以相同也可以不相同，是否相同取決于所要生產(chǎn)制備 的材料產(chǎn)品。供料頭中各分支料流通道在供料頭內(nèi)進(jìn)行方向和位置以及橫截面調(diào)整， 使各分流道出口的底邊平行相鄰并且寬度相同，所以側(cè)邊也得到對齊。各分 流道在供料頭出口或者供料頭內(nèi)匯合。當(dāng)在供料頭出口處匯合時，供料頭出 口實(shí)際上是個包含兩個或者兩個以上分流道出口的復(fù)合通道出口 。 一般各分 流道在到達(dá)供料頭出口之前進(jìn)行匯合，在高度方向上堆疊。 一般情況下供料 頭中分流道出口到供料頭出口之間最好是一個矩形或者正方形的匯合主料流 通道，最好是長邊在料流寬度方向上的矩形主流道。當(dāng)兩個或者兩個以上分 支料流的物料組成相同，分支料流層疊匯合后，理論上不同的分支料流構(gòu)成 匯合主料流中的不同層，但最后相鄰的具有相同物料組成的層界面可能消失 而融合成一個層。所以理論上從供料頭出來的可以是一股單一組成的料流(單 一進(jìn)料通道的情景)或者是一股經(jīng)過層疊匯合但仍然具有單一組成的的層狀 復(fù)合料流，也可以是一股經(jīng)過層疊匯合后具有兩個或者兩個以上物料組成的 層狀料流。本實(shí)用新型的一個典型的具有固定流道的供料頭如圖2所示，它具有三 個分支料流通道及一匯合主流道。每個分流道均具有一圓形入口和一矩形出口。匯合主流道具有恒定的矩形截面。三個分支料流通道入口在不同方向上錯位設(shè)置，并可分別連接三臺進(jìn)料器；主流道入口連接三個分流道出口，用 以在供料頭出口之前匯合各進(jìn)料料流，將其匯合成一股具有矩形截面的層狀 主料流(層疊料流層)，被通過供料頭出口輸送到層倍增部入口 。本實(shí)用新型的一個典型的具有可調(diào)流道的供料頭如圖3所示，它具有兩 個分支料流通道及一個匯合主流道。每個分流道均有一矩形入口和一矩形出 口。匯合主流道具有恒定的矩形截面。兩個分支料流通道在上下方向上對齊 設(shè)置，并可分別連接兩臺進(jìn)料器。供料頭內(nèi)有一楔形的分隔片1，可沿著軸2 旋轉(zhuǎn)；楔形分隔片的尖口 3在匯合主流道入口的上下底邊之間進(jìn)行弧線移動， 達(dá)到控制兩個分支料流通道橫截面大小比例的作用，其中的任何一個分流道 都可以被完全關(guān)閉。匯合主流道入口連接兩個分流道出口，用以在供料頭出 口之前匯合各進(jìn)料料流，將其匯合成一股具有矩形截面的主料流(層疊料流 層)，被通過供料頭出口輸送到層倍增部入口.層倍增部是整套裝置的核心部分。層倍增部中可以含有一個或者多個相 同或者不相同的層倍增器，層倍增器之間可以以任意合適的方式和順序利用 任意合適的方法積木化組合連接。理論上任何一股料流通過某一個層倍增器 后其層數(shù)都得到倍增，但最后相鄰的具有相同物料組成的層之間的界面可能 消失而融合成一個層。除非特別指出，這里一般描述的是層與層之間界面未 消失融合的情況。雙重層倍增器一次可以將物料料流的層數(shù)增加到原來的兩 倍，而且一般情況下個體層厚度縮小到其原厚度的一半。三重層倍增器一次 可以將料流的層數(shù)增加到三倍，四重層倍增器一次可以將料流的層數(shù)增加到4 倍，相應(yīng)地n重倍增器一次可以將料流的層數(shù)增加到n倍。以下對層倍增器 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體描述。層倍增器具有一個入口和一個出口。入口和出口的輪廓、大小和取向可以 設(shè)計為相同或者不相同。輪廓一般為矩形或者正方形，較好是入口和出口都 是長邊(料流層/料流通道寬度方向)平行于料流層平面或者層界面的矩形。入口和出口的高度可以為1 nm-100 m，較好是1咖-1000咖；寬度可以為 1 nm-100 m，較好是10 mm- 10000咖。最好是入口和出口的寬度和高度分 別相等。入口和出口的取向包括其截面的方向以及層平面或者層界面(出入 口截面與層平面或者層界面的交線)的方向。入口和出口一般在相同的平面 方向，即入口截面和出口截面平4??；也可以在任意不同的平面方向，例如一 個在水平面上， 一個在豎直平面上。當(dāng)出口相對于入口發(fā)生以料流流向?yàn)檩S 的旋轉(zhuǎn)時，入口與出口處的層平面或者層界面可以有不同取向，較好是旋轉(zhuǎn) 90度或者180度或者沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 一個層倍增器的出口可以同另一個相同 的或者不相同的層倍增器直接或者通過其他元件連接，而且較好是上游出口 與下游入口的取向相同，即兩截面平行而且層界面在兩處不存在旋轉(zhuǎn)夾角。 直接連接可以通過螺絲、插槽、插銷、夾具等常用的固定裝置或者方法實(shí)現(xiàn)。 層倍增器設(shè)計為具有包括分割、調(diào)向、橫截面調(diào)整以及重新疊合功能。 分割是鋒口與層倍增器入口側(cè)邊相平行的分割片將主料流沿著層界面方向 (即料流層寬度方向)分割成兩股或者多股分支料流；調(diào)向是各分支料流通 道在不同空間方向上旋轉(zhuǎn)或者不旋轉(zhuǎn)地錯開，再逐漸靠近并以任何順序通過 底面相鄰堆疊起來，以達(dá)到料流層數(shù)的增加；橫截面調(diào)整是調(diào)整分支料流通 道或者主料流通道(特別是匯合主料流通道)的橫截面輪廓和大小，即形狀、 寬度和高度；重新疊合時，兩個或者兩個以上的分流道合并為一個匯合主流 道，即兩股或者兩股以上的分支料流從各分流道中流出重新疊合成一股層倍 增的匯合主料流； 一般情況下，橫截面調(diào)整完成后的分流道具有相同的截面寬度和平行的側(cè)邊，橫截面調(diào)整完成后的匯合主流道具有與層倍增器出口相 同的大小以及輪廓。對主料流進(jìn)行分割的分割片的鋒口可以放置在層倍增器入口處，或者， 放置在與層倍增器入口有一定距離處。分割片鋒口在層倍增器入口處時，層 倍增器的入口實(shí)際上是個包含至少兩個分流入口的復(fù)合入口 。分割片可以均 勻間隔放置，但并不以此為限。采用均勾間隔設(shè)置時，可將主料流平均地分 割成兩股或者多股分支料流。采用不均勻間隔設(shè)置時可將主料流不平均地分 割成兩股或者多股分支料流，能更有利于制備具有多樣性層厚度比的物品。 最好將分割片的鋒口放置于層倍增器入口處。層倍增器的分支料流通道的調(diào)向可以與分割同時發(fā)生，也可以在分割發(fā)生 后一定距離上開始，最好與分割同時發(fā)生并在所有分支料流重新層疊匯合之 前任意位置結(jié)束。各個分流道的調(diào)向不必同時發(fā)生或者同時結(jié)束。調(diào)向時， 分流道先沿相對于原方向的上下左右等不同方向分開，再逐漸靠近并使各分 流道在高度方向上堆疊，使各分流道橫截面的高度方向上的中線落入同一個 平面內(nèi)。堆疊時，各分流道的相鄰順序可以是任意的。最好是采取有利于調(diào) 向，有利于減少分流道路徑長度，有利于調(diào)整各分流道路徑長度比以及調(diào)整 其旋轉(zhuǎn)扭曲程度等的堆疊順序。調(diào)向過程中分流道發(fā)生的旋轉(zhuǎn)，有時有利于 調(diào)向，有時有利于設(shè)計特定功能的層倍增器結(jié)構(gòu)。例如當(dāng)有相鄰兩個分流道的旋轉(zhuǎn)角度差是180度時，有對疊情況發(fā)生，即兩個分支料流原本在同一主 料流底面上的兩個底面層疊匯合。這種情況下，當(dāng)利用具有兩個不同的物料 組成的初始料流進(jìn)行層倍增操作時，復(fù)合料流的邊界層將永遠(yuǎn)是同一個物料 組成。調(diào)向過程中可以發(fā)生部分分支料流通道的層疊匯合，合并為更大的分 支料流通道，例如當(dāng)有四個分流道時，其中的任意兩個或者三個可以先發(fā)生層疊匯合，然后繼續(xù)與剩下的兩個或者一個再層疊匯合。當(dāng)所有分流道完成 了匯合，或者這些分流道的橫截面中心在空間上的位置不再發(fā)生變化時，定 義為分支料流通道調(diào)向完成。層倍增器的各個分支料流通道的長度可以設(shè)計為相同或者不相同。相同 的分流道長度可以令料流在層倍增器當(dāng)中流過的路徑相同，有利于制^則、 穩(wěn)定的多層結(jié)構(gòu)。不相同的分流道長度可以令各分支料流到達(dá)出口的時間不 同，產(chǎn)生各種特殊的多層結(jié)構(gòu)。層倍增器的各個分支料流通道的入口與出口大小可以相同或者不相同， 并且入口與出口之間任意一處的橫截面輪廓可以是任意形狀， 一般是矩形或 者正方形，而且任意一處的橫截面面積與該分流道出口截面面積相比沒有太大改變，較好是在50%- 200%之間，更好在60%-150%，最好相同。層倍增器的分支料流通道以及主料流通道中的任何一面通道壁設(shè)計為曲 面，可以是連續(xù)或者不連續(xù)的平滑曲面或者不平滑曲面，最好是連續(xù)的平滑 曲面，以保證上述對分流道中橫截面輪廓和面積的要求，滿足分支料流在流 動過程當(dāng)中平穩(wěn)流動，并不被過度壓縮或者扭曲等。同時保證各分流道在空 間上錯開，不互相干擾，最好做到不過分扭曲旋轉(zhuǎn)。各分流道一般不相互平 行，可以在調(diào)向開始前和完成后以及疊合時的一處或者多處有部分平行。層倍增器中各分支料流通道以及主料流通道的橫截面調(diào)整包括輪廓的改 變、寬度或者高度的擴(kuò)展、寬度或者高度的收縮等，最重要的是寬度的擴(kuò)展 和高度的收縮，因?yàn)閷颖对龊髮訝盍狭髦械膫€體層厚度與層倍增前相比一般 變小。分流道橫截面的調(diào)整是為了調(diào)向的順利，以及為了在各分流道匯合時 有相同的寬度以及合適的高度。主流道的橫截面調(diào)整是為了層倍增器有合適 的出口輪廓和大小。分流道橫截面的調(diào)整一般伴隨調(diào)向進(jìn)行，為了調(diào)向的順利橫截面可以任意調(diào)整，例如可以先高度擴(kuò)展和寬度收縮，然后再寬度擴(kuò)展 和高度收縮，但以不被過度擴(kuò)展、壓縮或者扭曲為前提。各分流道橫截面的 調(diào)整可以同時或者不同時發(fā)生，可以在各分流道重新層疊匯合成一個主流道 之前任意處開始，并可以在各分流道重新層疊匯合之前或者同時完成。主流 道的橫截面可以不發(fā)生調(diào)整，或者其調(diào)整可以在各分流道匯合的同時或者之 后開始，并在層倍增器出口處或者出口上游完成。因此為了達(dá)到合適的層倍 增器出口輪廓和大小，料流通道的寬度擴(kuò)展和高度收縮可以部分或者全部發(fā) 生在分支料流通道內(nèi)，或者部分或者全部發(fā)生在匯合后的主料流通道內(nèi)，即 部分發(fā)生在分流道內(nèi)部分發(fā)生在主流道內(nèi)或者全部發(fā)生在分流道或主流道 內(nèi)。最好是在各分流道被調(diào)向并在高度方向上堆疊起來后開始寬度擴(kuò)展和高 度收縮，而且較好是寬度擴(kuò)展和高度收縮同時進(jìn)行，并且在所有分流道匯合 時完成或者開始，即全部發(fā)生在分流道或主流道內(nèi)。分流道的重新層疊匯合 與進(jìn)料料流在供料頭中的層疊匯合類似。各分流道可以在層倍增器出口或者 層倍增器內(nèi)匯合，最好在層倍增器出口處匯合，以縮短層倍增器的長度。當(dāng) 分流道在層倍增器出口處匯合時，層倍增器出口是一個復(fù)合出口。寬度擴(kuò)展 和厚度收縮可以是對稱的或不對稱的，可以是均勻的或不均勻的，可以是連 續(xù)的或不連續(xù)的。較好是對稱均勻連續(xù)的，有利于保持層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。圖4、圖5分別給出一個雙重和一個三重層倍增器的結(jié)構(gòu)示意圖。在這兩 種結(jié)構(gòu)中，分割片的鋒口在層倍增器入口處，調(diào)向與分割同時發(fā)生，各分流 道先被錯開向再重新靠近并在高度方向上沒有旋轉(zhuǎn)角度差地堆疊，然后合并 成一個主流道，合并的同時進(jìn)行對稱連續(xù)的寬度擴(kuò)展和高度收縮直至完成于 層倍增器出口。這兩種結(jié)構(gòu)中分流道的通道壁均為分段平面構(gòu)成，平面與平 面結(jié)合的地方有突兀，所以這里的通道壁為不光滑的曲面。圖6給出這兩個層倍增器首尾相連的情況，可以看出上游雙重層倍增器的出口和與^f目連的下游層倍增器入口輪廓和大小都相同。圖7給出一股二元層狀料流(含兩個 物料組成的初始料流)通過一個雙重和一個三重層倍增器組合時層倍增操作 的情況示意圖。如圖7所示，初始二元雙層主料流在第一個雙重層倍增器入 口處被分割成平均的兩股寬度減半的分支料流，分支料流被調(diào)向、寬度擴(kuò)展 和高度收縮以及重新層疊匯合后，成為層倍增到四層的復(fù)合主料流；該四層 的復(fù)合主料流作為下游三重層倍增器的初始料流，在三重層倍增器入口處被 平均分割成寬度為原來三分之一的三股分支料流，被調(diào)向、寬度擴(kuò)展和高度 收縮以及重新層疊匯合后，成為層倍增到12層的復(fù)合主料流；該復(fù)合主料流 可以被繼續(xù)層倍增下去，如果有必要。其他層倍增器的結(jié)構(gòu)沒有在本說明書 中畫出，比如通道壁是光滑曲面的，這對保持層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性應(yīng)該更加有利。 在該領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)半富的技術(shù)人貝可》 并有效地實(shí)現(xiàn)對裝置的加工制造。層倍增器在空間上可以采取任何合適的方式放置， 一般可以采取并聯(lián)連 接(包括兩種1、左右(側(cè)邊相鄰)，2、上下(底邊相鄰))、串聯(lián)連接(首 4^目鄰(上游的出口與下游的入口相連))三種方式中的一種或者多種在一維 或者多維空間上進(jìn)行排列組合放置，各個層倍增器之間可以有相互取向和位 移，即可以排成直線或者一定的曲線，并可以在空間上錯開。當(dāng)只有直線排 列時，左右相鄰排列組合成行(如圖8 - 1所示)，上下相鄰排列組合成列(如 圖8-2所示)，首尾相連排成串(如圖8-3所示)。 一般首尾連接都排列成 直線，左右上下除了排成直線外還可以排列成閉合或者不閉合的曲線，閉合 的曲線可以稱為一圈(如圖8-4所示)，不閉合的曲線稱為一條(如圖8-5 所示)。所以可以把層倍增器組合看成一個陣列中，在串方向上(料流擠出方向)可以有一層或者多層層倍增器組合，每一層含有一行、 一列、許多行， 許多列，許多行列、 一圖、許多圏或者許多條以及許多個排列組成。 一種特 殊情況是一個陣列中只有一串、 一行、 一列、 一圏或者一條層倍增器組合。 最特殊的情況是一個陣列中只有一個層倍增器。這些排列組合而成的層倍增 器的陣列可以作為一個層倍增部沖莫塊，該模塊可進(jìn)而與其他相同或者不相同 的層倍增部模塊繼續(xù)排列組合成更大的層倍增部模塊陣列，并可繼續(xù)排列組 合下去，只要有必要并且條件允許。所以層倍增部是含有至少一個層倍增器 單元的模塊。多個層倍增器在空間上放置時，不同的層倍增器之間的順序和 位置可以是任意的，例如當(dāng)一個上下、左右或者首尾直線連接的組合有一個雙重、 一個三重、 一個4重、 一個5重共四個層倍增器時，可以有24種排列 方式，對首尾連接方式這24種排列方式是等效的，但對上下以及左右連接方 式這24種排列方式則可能不等效。各個層倍增器的長度還可以不一樣，這樣 排列組合以及空間放置的方式等又可以更加多樣性。所以層倍增部模塊的層 倍增能力不僅與層倍增器的種類和數(shù)量有關(guān)，還與空間上的連接或者相鄰放 置方式以及層倍增器的結(jié)構(gòu)有關(guān)。這種多樣性正是本實(shí)用新型的優(yōu)勢所在。當(dāng)層倍增器組合陣列中的層倍增器只以首尾相鄰排成一串時，料流通過 層倍增器組合后，不管最后的層倍增器出口取向如何，層數(shù)被增加到原來的 倍數(shù)為2n2x3n3x4n4x... xn咖，其中指數(shù)m2， m3， m4，…，咖分別是在料流 擠出方向上所采用的雙重、三重、四重、…，n重層倍增器的數(shù)量。當(dāng)陣列中 的層倍增器只有一列而且最后出口與初始入口取向相同時，料流通過層倍增 器組合后，層數(shù)被增加到原來的倍數(shù)為2xm2 + 3xm3 + 4xm4 + ... +nxmn， 其中m2， m3， m4，…，mn分別是在料流擠出方向上所采用的雙重、三重、四 重、 ， n重層倍增器的數(shù)量；最后出口與初始入口平行且沒有位移但旋轉(zhuǎn)正交時，不同區(qū)域被層倍增的倍數(shù)不同，各個區(qū)域只被層倍增到其相應(yīng)的單個層倍增器的層倍增倍數(shù)，即2、 3、 4或者n;當(dāng)最后出口與初始入口取向即不 相同也不正交時，情況比較復(fù)雜，但仍然可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計算分析。 當(dāng)陣列中的層倍增器只有一行而且最后出口與初始入口取向相同時，不同區(qū) 域被層倍增的倍數(shù)不同，各個區(qū)域只被層倍增到其相應(yīng)的單個層倍增器的層 倍增倍數(shù)，即2、 3、 4或者n;當(dāng)最后出口與初始入口平行且沒有位移但旋轉(zhuǎn) 正交時，層數(shù)被增加到原來的倍數(shù)為2xm2 + 3xm3 + 4xm4 +… +nxmn， 其中m2， m3， m4，…，mn分別是在料流擠出方向上所采用的雙重、三重、四 重、…，n重層倍增器的數(shù)量；當(dāng)最后出口與初始入口取向既不相同也不正交 時，情況比較復(fù)雜，但也仍然可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計算分析。當(dāng)陣列含有 許多行、許多列以及許多串或者許多圏、許多條以及許多串時，并且有多種 取向時， 一般也可相應(yīng)地進(jìn)行計算分析。利用雙重以上的層倍增器，達(dá)到同 樣的材料層數(shù)可以用更少的層倍增器數(shù)量，減少了物料在制備裝置中的停留 時間，還可能使多層材料更順利的成功擠出。一般情況下層倍增部中不同層倍增器之間在首尾方向上按任意順序連接 組合，上游層倍增器的出口與下游層倍增器的入口直接相連。層倍增器的種 類以及數(shù)量依據(jù)需要加工的材料的物理化學(xué)性質(zhì)，例如熔點(diǎn)、粘度、穩(wěn)定性、 反應(yīng)性、外形、尺寸等，進(jìn)行選擇。當(dāng)對顆粒樣品進(jìn)行加工時，以個體層的 厚度不小于顆粒的某個方向上的最大尺寸為宜。該由至少一個層倍增器構(gòu)成的層倍增部可以有至少一個入口和至少一個 出口，最好是只有一個入口和一個出口。其入口截面面積、輪廓以及取向與 其出口截面面積、輪廓以及取向可以相同或不相同，最好相同。輪廓一般為 矩形或者正方形，較好是入口和出口都是長邊(料流層/料流通道寬度方向)平行于料流層平面或者層界面的矩形 入口和出口的高度可以為1 nm - 100 m， 較好是1咖-1000 mm;寬度可以為1 nm - 100 m，較好是10咖-10000 mm。 最好是入口和出口的寬度和高度分別相等。層倍增部的入口和出口不 一定是 其內(nèi)部層倍增器單元的入口和出口 。擠出頭可以是環(huán)形的也可以是扁平形的，可以是固定的也可以是具有可 調(diào)出口的裝置。固定的擠出頭一般要求其入口到出口之間任意一處的橫截面 大小與入口相比在1%至500%之間，較好是在10%- 200%,最好是相同。 具有可調(diào)出口的擠出頭， 一般要求其入口到可調(diào)模唇的入口之間任意一處的 橫截面大小與擠出頭入口相比在1 %至500 %之間，較優(yōu)選是在10 % - 200 % ， 最好是相同。擠出頭入口到其出口或者可調(diào)模唇的入口之間的過渡可以是連 續(xù)的或不連續(xù)的，可以是對稱的或不對稱的，最好是連續(xù)對稱的。兩種典型 的擠出頭如圖9-1和9-2所示，都具有連續(xù)對稱的過渡，但圖9-l中的橫 截面不恒定，圖9-2中的橫截面恒定。用于調(diào)節(jié)擠出頭出口大小特別是高度 的可調(diào)模唇可以有很多種設(shè)計， 一個典型的結(jié)構(gòu)如圖9-3所示。該可調(diào)模唇 具有兩片楔形唇片，可分別圍繞各自的軸轉(zhuǎn)動，以達(dá)到靈活地調(diào)節(jié)出口高度 的作用。其他特殊的擠出頭也可以被使用。除了以上所描述的進(jìn)料器、供料頭、含至少一個層倍增器單元的層倍增 部以及擠出頭外，還可以根據(jù)需要選擇其他特定的裝置，如計量泵、分流器 等。將各裝置都模塊化設(shè)置，于是該用于生產(chǎn)制備多層材料的制備裝置能夠 采用模塊化組合。各個模塊都可隨意拆卸更換，各個模塊分管不同的功能。 上游模塊的出口截面面積、輪廓以及取向與下游模塊的入口的截面面積、輪 廓以及取向可以是相同或不相同，最好是相同。如果不相同，則另配設(shè)中間 件，連接相應(yīng)模塊。各模塊的接合界面一般都在水平或者垂直于水平方向上，最好在垂直于水平方向(即豎直方向)上并且各界面的中心在一條直線上。該多層材料制備裝置中各模塊本身可以采用多種材料來制造而成，該材 料可以是金屬材料、高分子聚合物材料、有機(jī)材料、無機(jī)材料非金屬材料等 其中一種或多種。所采用制造材料不同，所制造的多層材料制備裝置可適用 于不同材料的制備加工。例如利用金屬材料制造，則工藝成熟，加工簡單，所制造的裝置能廣泛用于對多種材料進(jìn)行加工；采用陶瓷材料制造，則工藝 會比較復(fù)雜，但所得裝置可以用來制備原料具有腐蝕性的產(chǎn)品。該制備裝置能夠用以制備多層材料，這些材料包括高分子材料、有機(jī)材 料、金屬材料、無機(jī)非金屬材料等及其一種或者多種復(fù)合物或者混合物。各 種添加劑以及助劑等在需要的情況下，也可以按需要的量加入。在制備過程中，各模塊的溫度可控制在-200攝氏度至3000攝氏度之間， 最好是在-50度至500度之間，以保證裝置的構(gòu)造材料不發(fā)生明顯變形或者 結(jié)構(gòu)變化以及所需要加工的材料不發(fā)生變質(zhì)并且有利于加工為宜。材料經(jīng)過層倍增或者層疊混合、復(fù)合后，通過連接于層倍增部出口下游 的擠出頭出料；制備成各種薄膜以及片狀、板狀或者其他形狀的材料，并可 進(jìn)行后加工等。 實(shí)施例一本實(shí)施例的多層材料擠出裝置具有如圖l所示的結(jié)構(gòu)，它包括三臺擠出 機(jī)，連接三臺擠出機(jī)的具有如圖2所示的一個供料頭，含有四個層倍增器的 層倍增部，以及一個如圖9-l所示的擠出頭。其中層倍增部含有雙重層倍增 器一個，三重層倍增器兩個，四重層倍增器1個，以串聯(lián)連接。該層倍增部 中的層倍增器單元均具有如圖4至圖6所示的結(jié)構(gòu)，分支料流通道平均分布， 重新堆疊時沒有旋轉(zhuǎn)角度差，匯合的同時開始對主料流進(jìn)行對稱連續(xù)的寬度擴(kuò)展和高度收縮。當(dāng)由三種不同物料組成匯合成的初始料流通過該層倍增部后，層數(shù)被增加到原來的2x3x3x4-72倍，達(dá)到216層。 實(shí)施例二本實(shí)施例與實(shí)施例一不同之處在于供料頭的通道數(shù)量和組成層倍增部 的層倍增器的結(jié)構(gòu)、種類和數(shù)量。本實(shí)施例中，供料頭的分支料流通道只有 兩個，適用于對兩股相同或者不相同進(jìn)料料流的層疊匯合。供料頭中含有一 個楔形分隔器(請參見圖3)，可以調(diào)節(jié)兩個進(jìn)料料流的厚度比。其中層倍增 部由4個四重層倍增器串聯(lián)組合而成。4個層倍增器均具有四個入口相同的分 支料流通道，各分支料流通道的通道壁為光滑連續(xù)的弧面。各分支料流通道 在層倍增器出口處匯合，并此處完成橫截面調(diào)整。當(dāng)由兩種不同物料組成匯 合成的初始料流通過層倍增部后層數(shù)可被增加到原來的256倍，層數(shù)達(dá)到512 層，并由一個圖9-2所示的具有恒定截面的固定擠出頭擠出成片狀材料。 實(shí)施例三本實(shí)施例用于說明利用實(shí)施例一中所公開的多層材料制備裝置制備三元 多層高分子材料。三種不同的高分子材料PC (聚碳酸酯)、P醒A(聚甲基丙烯 酸酯)、PS (聚苯乙烯)按PC/P醒A/PS， PC/PS/P醒A， PS/PC/P畫A三種不同 的層疊順序進(jìn)料。設(shè)置擠出裝置各部分溫度，設(shè)置擠出機(jī)轉(zhuǎn)速，然后進(jìn)行擠 出，從擠出頭的可調(diào)出口處牽引冷卻，可制得具有三種具有不同表面層的216 層三元多層薄膜材料。 實(shí)施例四本實(shí)施例用于說明利用類似于實(shí)施例一中的多層材料制備裝置制備多層 蛋糕。所用的裝置類似于實(shí)施例一，但層倍增部只有一個四重層倍增器，而 且不連接擠出頭。將三種不同的預(yù)配好并調(diào)整好粘度的蛋糕原料用擠出機(jī)輸送到供料頭，匯合后通過層倍增部層倍增后直接收集?？局坪笾苽涑删哂?2層交替結(jié)構(gòu)的蛋糕。實(shí)施例五本實(shí)施例用于說明利用實(shí)施例二中所公開的多層材料制備裝置制備 PP/PS薄膜材料。設(shè)置好各模塊溫度，設(shè)置擠出機(jī)轉(zhuǎn)速和計量泵住料速度，然 后進(jìn)行擠出，從擠出頭的可調(diào)出口處牽引冷卻，可制得具有512層的二元多 層薄膜材料。擠出頭出口高度設(shè)置為1毫米，則所得薄膜的單層材料厚度僅 為2微米左右。以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳實(shí)施例而已，故不能以此限定本實(shí)用新 型實(shí)施的范圍，即依本實(shí)用新型申請專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化 與#"飾，皆應(yīng)仍屬本實(shí)用新型專利涵蓋的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種多層材料制備裝置，其特征是它包括至少兩臺能提供進(jìn)料料流的進(jìn)料器；一用以層疊匯合至少兩股進(jìn)料料流的供料頭，它具有與進(jìn)料料流等數(shù)的進(jìn)料分支料流通道；一用以倍增層疊料流層的層倍增部，它包括至少一個能夠分割、調(diào)向、橫截面調(diào)整和再層疊匯合料流層的層倍增器；其中，該層倍增器包括至少兩個分支料流通道，該分支料流通道具有分流入口和分流出口，該些分流入口沿料流層寬度方向排布，該些分流出口沿料流層高度方向排布；及一個擠出頭，它連接在層倍增部下游。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該供料頭 具有固定的料流通道。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該供料頭 具有大小可調(diào)的料流通道。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該些層倍 增器串聯(lián)連接在一起。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該些層倍 增器并聯(lián)連接在一起。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該些層倍 增器串并聯(lián)連接在一起。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該些層倍 增器的分支料流通道的橫斜面從分流入口至分流出口逐漸調(diào)整，其中，該些 分流道中任意一處的橫截面面積與其分流入口相比在6 0 % - 15 0 % 。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該些層倍增器還包括一在分支料流通道匯合的同時開始進(jìn)行對稱連續(xù)的橫截面調(diào)整并 結(jié)束于層倍增器內(nèi)的匯合主料流通道。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該些層倍 增器還包括一在分支料流通道匯合的同時開始進(jìn)行對稱連續(xù)的橫截面調(diào)整至 層倍增器出口結(jié)束的匯合主料流通道。
10. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該些層 倍增器的分支料流通道為重新堆疊后同時進(jìn)行對稱連續(xù)的橫截面調(diào)整并匯合 于層倍增器內(nèi)的分支料流通道，而且，該層倍增器還包括一不再進(jìn)行橫截面 調(diào)整的匯合主料流通道。
11. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該些層 倍增器的分支料流通道為重新堆疊后同時進(jìn)行對稱連續(xù)的橫截面調(diào)整并匯合 于層倍增器出口的分支料流通道。
12. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該每相鄰 的分流入口之間都設(shè)有分割片，該些分割片鋒口與料流層界面垂直，且該些 分割片均勻間隔設(shè)置。
13. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該每相 鄰的分流入口之間都設(shè)有分割片，該些分割片鋒口與料流層界面垂直，且該 些分割片不均勻間隔設(shè)置。
14. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該些分 流道上下左右交錯。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該擠出 頭入口到出口之間對稱連續(xù)地過渡。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該擠出頭內(nèi)任意一處的橫截面大小與其入口相比在10% - 200%。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該擠出 頭含有可調(diào)高度的出口 ，擠出頭入口到可調(diào)模唇入口之間對稱連續(xù)地過渡。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的一種多層材料制備裝置，其特征是該擠出 頭入口到可調(diào)模唇入口之間任意一處的橫截面大小與其入口相比在10% -200%。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種多層材料制備裝置，它包括至少兩臺進(jìn)料器，一個供料頭，一個用以倍增層疊料流層的含至少一個層倍增器單元以任何合適的方式放置的層倍增部以及一個擠出頭。其中層倍增器包含至少兩個分支料流通道，該分支料流通道具有分流入口和分流出口，該些分流入口沿層寬度方向排布，該些分流出口沿層高度方向排布。本實(shí)用新型可以隨意組合、操作方便，能夠?qū)Χ鄬硬牧系膶訑?shù)、層厚度、層厚度比以及其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行多樣化調(diào)控。
文檔編號B29C47/06GK201317092SQ20082022909
公開日2009年9月30日 申請日期2008年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者翁文桂 申請人:翁文桂