專利名稱：一種超臨界流體輔助聚合物加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高分子材料加工領(lǐng)域，一種超臨界流體輔助聚合物加工方法及裝置， 可用于輔助聚合物多相共混、聚合物/納米粒子復(fù)合材料制備、熱塑性彈性體制備、聚合物超臨界流體發(fā)泡等。
背景技術(shù)：
超臨界流體是指溫度和壓力均高于其臨界點(diǎn)的流體，超臨界流體具有類似氣體的擴(kuò)散性和類似液體的溶解能力，同時(shí)兼具低黏度，低表面張力的特性等，因此超臨界流體具有超強(qiáng)的滲透能力。超臨界CO2和N2具有無毒、不燃、價(jià)廉、化學(xué)上呈惰性等特點(diǎn)，應(yīng)用于聚合物的加工中能顯著夠降低聚合物加工粘度、降低聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、從而可以降低聚合物加工過程中的溫度，降低能耗?？捎糜谳o助聚合物多相體系的共混、聚合物/納米粒子復(fù)合材料制備。同時(shí)由于其自成核能力強(qiáng)，在熱力學(xué)不穩(wěn)定時(shí)(壓力突然降低或溫度升高時(shí))可以析出大量泡核，通過冷卻定型，可以制備聚合物微孔發(fā)泡材料。但是超臨界流體應(yīng)用于輔助聚合物加工及發(fā)泡的大量研究還處于研究階段，對(duì)這個(gè)過程中的許多科學(xué)問題還有待解決。在超臨界流體輔助聚合物加工的研究中沒有專門的設(shè)備來進(jìn)行研究，如果采用擠出或注射都需耗費(fèi)大量的原材料，并且加工過程中的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)加工過程及聚合物形態(tài)和性能的影響不易進(jìn)行獨(dú)立的控制。該方法利用密閉的腔室和能夠轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生剪切作用的剪切元件，在一定溫度下模擬超臨界流體輔助聚合物加工過程，并可進(jìn)行快速的冷卻，便于研究材料的微觀結(jié)構(gòu)。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、適應(yīng)范圍廣、各參數(shù)可獨(dú)立調(diào)節(jié)、節(jié)省塑料原材料等顯著優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
一種超臨界流體輔助聚合物加工的方法，將超臨界CO2通入填有聚合物的腔室，剪切元件作用下，實(shí)現(xiàn)超臨界流體向熔融聚合物內(nèi)部的快速剪切混合，可輔助進(jìn)行聚合物多相共混、納米復(fù)合材料制備、微孔發(fā)泡等，并可對(duì)聚合物材料在腔室內(nèi)快速冷卻。所述聚合物材料為熱塑性塑料或熱塑性彈性體。所述剪切作用的剪切形式、剪切強(qiáng)度可通過變換剪切元件結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。所述剪切元件可以是單螺桿形式或雙螺桿形式的剪切元件，剪切元件可以是螺桿、轉(zhuǎn)子、嚙合塊中的一種。所述腔室?guī)в卸帱c(diǎn)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，防止堵塞。所述腔室?guī)в心軌蛲ㄈ氤R界流體進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)聚合物材料的快速冷卻。所述腔室?guī)в屑訜峒皽囟瓤刂蒲b置，用于顯示和控制腔室內(nèi)溫度。所述腔室還帶有壓力顯示和壓力釋放裝置，且壓力釋放的速率是可調(diào)節(jié)的。一種實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，該裝置包括可承受壓力的腔室、剪切元件、多點(diǎn)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、冷卻結(jié)構(gòu)、超臨界流體輸送裝置、壓力釋放裝置、壓力顯示裝置、加熱元件及溫度控制系統(tǒng)等。所述剪切元件的結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)動(dòng)速度可調(diào)節(jié)，從而改變剪切作用的剪切形式、剪切強(qiáng)度。所述剪切元件可以是單螺桿形式或雙螺桿形式的剪切元件，雙螺桿形式的剪切元件可以是螺桿、轉(zhuǎn)子、嚙合塊中的一種。所述腔室?guī)в卸帱c(diǎn)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，防止堵塞。所述腔室?guī)в心軌蛲ㄈ氤R界流體進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)聚合物材料的快速冷卻。所述腔室?guī)в屑訜峒皽囟瓤刂蒲b置，用于顯示和控制腔室內(nèi)溫度。所述腔室還帶有壓力顯示和壓力釋放裝置，且壓力釋放的速率是可調(diào)節(jié)的。腔室?guī)в忻芊饨Y(jié)構(gòu)，可防止腔室內(nèi)部壓力損失。其優(yōu)點(diǎn)在于(I)在超臨界CO2及剪切元件作用下可進(jìn)行聚合物多相體系熔融共混、聚合物納米復(fù)合材料制備、聚合物微孔發(fā)泡等過程的研究。(2)采用夾套形式多點(diǎn)進(jìn)氣及排氣，不易堵塞。(3)利用此夾套結(jié)構(gòu)還可通入超臨界流體來進(jìn)行冷卻，可實(shí)現(xiàn)物料的快速冷卻。(4)可以通過調(diào)節(jié)腔室溫度、超臨界CO2壓力、剪切元件的剪切速率、剪切元件的構(gòu)型、壓力釋放的速率、反復(fù)剪切及釋壓的次數(shù)等主要參數(shù)來調(diào)控制備不同微觀結(jié)構(gòu)和性能的聚合物材料。(5)適應(yīng)范圍廣，該裝置除了可以采用超臨界CO2和N2外，還可以采用其他超臨界流體，可以采用不同的工藝參數(shù)和剪切元件的構(gòu)型來適應(yīng)多種聚合物材料的加工，如各種熱塑性塑料(如 PP、PE、PB、PS、PVC、PVDC, PA、PMMA, PC、PET、PBT, ABS, POM、PLA, EVA 等) 及熱塑性彈性體(如TPE、TPU、TPV)。


圖I為本發(fā)明超臨界CO2輔助聚合物加工裝置一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為偏心圓盤式剪切元件結(jié)構(gòu)示意圖，但不僅限于此種結(jié)構(gòu)及組合；圖3為高壓腔室可用于多點(diǎn)進(jìn)氣及冷卻的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為利用此方法和裝置制備的聚苯乙烯發(fā)泡材料脆斷面上泡孔形貌的電鏡掃描照片。
具體實(shí)施例方式I.聚合物多相共混及聚合物/納米粒子復(fù)合材料制備在所述腔室內(nèi)放入一定量的樹脂(或樹脂及納米粒子)，根據(jù)樹脂的種類設(shè)定溫度，利用加熱元件15進(jìn)行加熱至設(shè)定溫度后，恒溫一定時(shí)間，剪切元件14開始轉(zhuǎn)動(dòng)，使樹脂熔融塑化，然后通入一定壓力的超臨界CO2，將腔室內(nèi)部空氣排掉，繼續(xù)通超臨界CO2，關(guān)閉釋壓閥10，使腔室壓力保持恒定，關(guān)閉進(jìn)氣閥18。在剪切元件的作用下，經(jīng)過一段時(shí)間的剪切混合，超臨界CO2能夠快速擴(kuò)散滲透到聚合物基體中，聚合物體系的粘度降低，自由體積
4增大，使多相聚合物或聚合物與納米粒子混合。剪切元件14停止轉(zhuǎn)動(dòng)，打開釋壓閥10快速釋放壓力，超臨界CO2氣泡成核，在聚合物基體內(nèi)部形成大量泡孔，泡孔形成過程會(huì)進(jìn)一步均化聚合物多相體系或聚合物/納米粒子的混合。壓力釋放完畢，可繼續(xù)通入超臨界CO2, 進(jìn)一步在超臨界CO2作用下進(jìn)行剪切混合，根據(jù)聚合物種類加工一定時(shí)間后，加熱元件15 停止加熱，剪切元件繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，打開釋壓閥10釋放壓力，壓力釋放完畢，通入超臨界CO2冷卻或在室溫下風(fēng)冷，至聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，打開腔室得到多相共混的聚合物材料或聚合物/納米粒子復(fù)合材料。此過程可根據(jù)聚合物種類及不同的聚合物的制備調(diào)節(jié)重復(fù)加工的次數(shù)。2.聚合物發(fā)泡在所述腔室內(nèi)放入一定量的樹脂(可以是純的聚合物、加了各種助劑或納米粒子的聚合物及聚合物共混物)，根據(jù)樹脂的種類設(shè)定溫度，利用加熱元件15進(jìn)行加熱至設(shè)定溫度后，恒溫一定時(shí)間，剪切元件14開始轉(zhuǎn)動(dòng)，使樹脂熔融塑化，然后通入一定壓力的超臨界CO2,將腔室內(nèi)部空氣排掉，繼續(xù)通超臨界CO2,關(guān)閉釋壓閥10，使腔室壓力保持恒定，關(guān)閉進(jìn)氣閥18。在剪切元件14的作用下，經(jīng)過一段時(shí)間的剪切混合，超臨界CO2能夠快速擴(kuò)散滲透到聚合物基體中。加熱元件15停止加熱,剪切元件14停止轉(zhuǎn)動(dòng)，打開釋壓閥10快速釋放壓力，壓力釋放完畢，立即通入超臨界CO2冷卻至聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，打開腔室得到發(fā)泡的聚合物材料。聚苯乙烯(PS)的超臨界流體發(fā)泡，設(shè)定加工溫度為130°C 170°C，利用加熱元件 15加熱至設(shè)定溫度后，恒溫4 10分鐘，剪切元件14開始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度20 80轉(zhuǎn)/分， 使樹脂熔融塑化，通入壓力為7. 38 20MPa的超臨界CO2，將腔室內(nèi)部空氣排掉，繼續(xù)通超臨界CO2，關(guān)閉釋壓閥10，使腔室壓力保持在設(shè)定的壓力值，關(guān)閉進(jìn)氣閥18。在剪切元件14 的作用下，經(jīng)過3 10分鐘的剪切混合，超臨界CO2快速擴(kuò)散滲透到聚合物基體中。加熱元件15停止加熱，剪切元件14停止轉(zhuǎn)動(dòng)，打開釋壓閥10快速釋放壓力，壓力釋放完畢，立即通入超臨界CO2冷卻至25 50°C，打開腔室得到PS發(fā)泡材料。所得PS發(fā)泡材料脆斷面泡孔形貌的電鏡掃描照片如圖4所示，所得發(fā)泡材料密度在O. 3 O. 7g/cm3之間，平均泡孔直徑10 50微米，泡孔數(shù)量在IO7 IO11個(gè)/cm3之間。
權(quán)利要求
1.一種超臨界流體輔助聚合物加工的方法，其特征在于將超臨界CO2通入填有聚合物的腔室，剪切元件作用下，實(shí)現(xiàn)超臨界流體向熔融聚合物內(nèi)部的快速剪切混合，可輔助進(jìn)行聚合物多相共混、納米復(fù)合材料制備、微孔發(fā)泡等，并可在腔室內(nèi)快速冷卻。
2.根據(jù)權(quán)力要求I所述的方法，其特征在于所述聚合物材料為熱塑性塑料或熱塑性彈性體。
3.根據(jù)權(quán)力要求1、2任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述剪切作用的剪切形式、剪切強(qiáng)度可通過變換剪切元件結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同聚合物的加工。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述剪切元件可以是單螺桿形式或雙螺桿形式的剪切元件，剪切元件可以是螺桿、轉(zhuǎn)子、嚙合塊中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述腔室?guī)в卸帱c(diǎn)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，防止堵塞。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述腔室?guī)в心軌蛲ㄈ氤R界流體進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)聚合物材料的快速冷卻。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述腔室?guī)в屑訜峒皽囟瓤刂蒲b置，用于顯示和控制腔室內(nèi)溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述腔室?guī)в袎毫︼@示和壓力釋放裝置，且壓力釋放的速率是可調(diào)節(jié)的。
9.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)力要求1-8所述方法的裝置，其特征在于所述裝置包括可承受壓力的腔室、剪切元件、冷卻結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、超臨界流體輸送裝置、壓力釋放裝置、壓力顯示裝置、加熱元件及溫度控制系統(tǒng)等。
10.根據(jù)權(quán)力要求9所述的裝置，其特征在于所述剪切作用的剪切形式、剪切強(qiáng)度可通過變換剪切元件結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9、10任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述剪切元件可以是單螺桿形式或雙螺桿形式的剪切元件，剪切元件可以是螺桿、轉(zhuǎn)子、嚙合塊中的一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述腔室?guī)в卸帱c(diǎn)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)， 防止堵塞。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-12任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述腔室?guī)в心軌蛲ㄈ氤R界流體進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)聚合物材料的快速冷卻。
14.根據(jù)權(quán)利要求9-13任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述腔室?guī)в屑訜峒皽囟瓤刂蒲b置，用于顯示和控制腔室內(nèi)溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求9-14任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述腔室?guī)в袎毫︼@示和壓力釋放裝置，且壓力釋放的速率是可調(diào)節(jié)的。
16.根據(jù)權(quán)力要求9-15任一項(xiàng)所述裝置，其特征在于所述腔室?guī)в忻芊饨Y(jié)構(gòu)，可防止腔室內(nèi)部壓力損失。
全文摘要
本發(fā)明涉及超臨界流體輔助聚合物加工，屬于高分子材料加工領(lǐng)域。本發(fā)明提供一種多用途超臨界流體輔助聚合物加工方法及裝置，利用該裝置的加熱及剪切作用可實(shí)現(xiàn)熔融狀態(tài)下超臨界流體向聚合物內(nèi)部的快速剪切擴(kuò)散，輔助熱塑性塑料及熱塑性彈性體的加工，主要包括聚合物多相共混、聚合物/納米粒子復(fù)合材料制備及聚合物超臨界流體發(fā)泡等，加工完畢可進(jìn)行快速冷卻。本發(fā)明裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、便于操作、節(jié)省原材料、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適于實(shí)驗(yàn)研究。
文檔編號(hào)B29C47/08GK102601962SQ20121004655
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者冷秀江, 辛振祥, 高長(zhǎng)云 申請(qǐng)人:青島科技大學(xué)