專利名稱：一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)材料加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置，可通過復(fù)合擠出或復(fù)合注射成型制備多層復(fù)合結(jié)構(gòu)高分子材料及制品。
背景技術(shù)：
微納疊層復(fù)合材料由于在力學(xué)性能、阻隔性能、導(dǎo)電性能、光學(xué)性能等方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛，因而成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前已公開的專利有最早的美國專利 3557265、3565985、3884606，及后來的中國專利 CN1511694A、200610022348. 6 等。最近一項(xiàng)發(fā)明專利2009202718783，公開了一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置，該裝置突破了原有技術(shù)一分為二的限制，可實(shí)現(xiàn)一分為三甚至更多，然而，采用這種技術(shù)方案，要獲得不同層數(shù)的復(fù)合材料，必須改變疊層復(fù)合發(fā)生器的串聯(lián)個(gè)數(shù)，操作復(fù)雜不靈活。而且，從實(shí)際出發(fā)考慮，疊層復(fù)合發(fā)生器的入口數(shù)m不能太多，因?yàn)榉挚跀?shù)過多不僅會給疊層復(fù)合發(fā)生器的加工帶來較大的難度，還會導(dǎo)致最終的熔體流動不均現(xiàn)象，從而影響疊層復(fù)合材料的成型質(zhì)量。另一方面，疊層復(fù)合發(fā)生器的串聯(lián)也不宜過多，因?yàn)殡S著串聯(lián)數(shù)的增大，流動阻力增大，產(chǎn)生的背壓也不斷增加，在復(fù)合熔體成型時(shí)甚至可能引起溢料。因此，要想獲得理想的高品質(zhì)納米級疊層復(fù)合材料，必須尋找更加有效的解決方案，以克服上述不足。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)在制備高性能納米層狀復(fù)合材料方面的不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種分割效率更高、流動對稱性好、分層過程中壓力損失小、且通過旋轉(zhuǎn)疊層器前端口模可簡單有效地改變復(fù)合材料成型層數(shù)的疊層器裝置。同時(shí)，可將該項(xiàng)技術(shù)從擠出成型領(lǐng)域拓展到注射成型領(lǐng)域；并可適應(yīng)于多種納米復(fù)合材料的制備與成型加工?？梢詫?shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的的具體技術(shù)方案如下一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置，主要包括前后依次串聯(lián)連接的塑化供料裝置、匯流器、分流器、口模、復(fù)合疊層器、后端匯流器和成型裝置，匯流器將來自η個(gè)塑化供料裝置的熔體疊合成η層的復(fù)合熔體，層間的厚度可相同也可不相同，由層間的流道間隙保證。匯流器的出口與分流器的入口對接，分流器有四個(gè)入口，復(fù)合熔體在離開匯流器進(jìn)入分流器時(shí)沿寬度方向平均分割成四等分，其中外側(cè)的兩個(gè)流道為水平直流道，且結(jié)構(gòu)相互對稱，而內(nèi)側(cè)的兩個(gè)流道分別向上和向下扭轉(zhuǎn)90度，都由入口時(shí)的水平流道轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹跁r(shí)的豎直流道，并且兩流道的結(jié)構(gòu)也相互對稱。并且，這四個(gè)流道在分流器的出口平面上分別位于同一圓周的O度、90度、180度和270度位置。從分流器每一流道出來的熔體繼續(xù)向前流至與之對接的口模內(nèi)。口模在上下和左右位置分別開有與分流器出口相對應(yīng)的豎直和水平方向的直流道，假設(shè)當(dāng)這四個(gè)入口與分流器的出口相對應(yīng)連接時(shí)為口模的初始位置，此外，在與該口模的水平流道成45度方向上還布有形狀大小相同的兩個(gè)圓周對稱流道，如果將口模由初始位置沿逆時(shí)針或順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過45度，則口模將只有兩個(gè)流道入口與分流器的出口連通，假設(shè)這一位置為口模的第二位置。所以，通過改變口模的連接位置，可以改變口模所連通的流道數(shù)目，從而改變最終成型的復(fù)合材料層數(shù)。復(fù)合疊層器的入口流道與口模初始位置的出口流道可完全對接，這四個(gè)流道同樣分布于同一圓周的O度、90度、180度和270度位置。每一流道的入口被平均分割成m等份，每一等份在疊層器中繼續(xù)向前流動時(shí)扭轉(zhuǎn)90度并且展寬m倍，在各自的出口端相互匯流成為nXm層的疊層結(jié)構(gòu)，復(fù)合疊層器入口熔體通道尺寸與旋轉(zhuǎn)90度后出口的熔體通道尺寸相同；再對接一個(gè)同樣的旋轉(zhuǎn)90度的復(fù)合疊層器，則出口處的每一流道可得到nXmXm層的疊層結(jié)構(gòu)；如果串聯(lián)k個(gè)同樣的復(fù)合疊層器，則最后一個(gè)復(fù)合疊層器出口處的每一流道可得到4XnXmk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，最后一個(gè)復(fù)合疊層器的出口與后端匯流器對接，后端匯流器中的一組流道為對稱直流道，而另一組對稱流道扭轉(zhuǎn)90度后展平匯合，從這四個(gè)流道出來的多層復(fù)合熔體最終疊合成4 X η X mk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(此時(shí)口模位于初始位置)或2XnXmk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(此時(shí)口模調(diào)至第二位置)，這些多層復(fù)合材料最后可繼續(xù)向前進(jìn)入成型裝置從而得到最終制品。η和m為不小于 2的整數(shù)，k為不小于I的整數(shù)。例如將兩種組分的高分子熔體匯流后經(jīng)過5等分的疊層復(fù)合發(fā)生器，串聯(lián)5個(gè)相同的復(fù)合疊層器，如果當(dāng)口模處于初始位置時(shí)，則可得到總層數(shù)為 4X2X55 = 25000層的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)體，該層狀熔體從Imm厚的成型裝置的出口擠出，兩種高分子材料的層間厚度平均值為40nm，如果進(jìn)一步將其拉伸到O. Imm厚度時(shí)，該復(fù)合材料的每種高分子材料的層間厚度可達(dá)4nm;而把口模旋轉(zhuǎn)至第二位置時(shí)，可獲得總層數(shù)為 2X2X55層的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)體，該層狀熔體從Imm厚的成型裝置的出口擠出，兩種高分子材料的層間厚度平均值為80nm，如果進(jìn)一步將其拉伸到O. Imm厚度時(shí)，該復(fù)合材料的每種高分子材料的層間厚度可達(dá)8nm。本發(fā)明一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置，如果將分流器、口模、復(fù)合疊層器、后端匯流器整個(gè)當(dāng)作一個(gè)串聯(lián)循環(huán)單元，那么可成型的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的層數(shù)為 nX (4Xm)k或nX (2Xm)k，利用這種結(jié)構(gòu)的裝置可較容易地制備層間厚度小于IOOnm的納米復(fù)合材料，并且在不用拆裝復(fù)合疊層器的情況下通過調(diào)節(jié)口模位置一次成型獲得不同層數(shù)的多層復(fù)合材料。由于本發(fā)明采用的復(fù)合疊層器分層效率高，要達(dá)到相同的分層數(shù)，串聯(lián)單元數(shù)減少，流道對稱性好，相應(yīng)壓力損失大幅度減小，因而在需要高速充模流動的注射成型中也可以采用，同時(shí)，熔體分割后旋轉(zhuǎn)90度的設(shè)計(jì)使疊層流道在流動展寬并且變薄的過程中容易保持對稱型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造工藝簡單，精度容易保證，并且對物料的適應(yīng)性大大提高，此外，還可通過調(diào)節(jié)口模改變最終復(fù)合材料的層數(shù)。本發(fā)明一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置的塑化供料裝置是擠出機(jī)、注塑機(jī)或壓鑄機(jī)。塑化供料裝置加工的物料是高分子基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料或金屬基復(fù)合材料。成型裝置是擠出機(jī)頭、注射噴嘴與模具的組合或壓制模具?？谀８髦绷鞯廊肟谖挥谕粓A周上，旋轉(zhuǎn)口模改變開通的口模入口。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于制備各種熔融共混加工的納米疊層復(fù)合材料，在高分子復(fù)合材料領(lǐng)域可直接生產(chǎn)薄膜、板材和型材料，也可生產(chǎn)母料，還可以推廣應(yīng)用到陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等生產(chǎn)領(lǐng)域。


圖I是本發(fā)明一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置(擠出成型)的外觀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置疊層復(fù)合原理示意圖。圖3是本發(fā)明一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置中口模位于初始位置時(shí)的入口左視圖，位于水平和垂直位置的口模有熔體流出，流出口為四個(gè)。圖4是本發(fā)明一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置中口模位于第二位置時(shí)的入口左視圖，位于垂直位置的口模有熔體流出，流出口為二個(gè)。圖5是本發(fā)明一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置(注射成型)的外觀結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1塑化供料裝置；2匯流器；2_1匯流器內(nèi)的熔體；2_2分流器內(nèi)的熔體；2_3 口模內(nèi)的熔體；2-4復(fù)合疊層器內(nèi)的熔體；2-5后端口模內(nèi)的熔體；3分流器；4 口模；5復(fù)合疊層器；6后端口模；7成型裝置；8噴嘴；9模具。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I本實(shí)施例公開的一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置，整體外形如附圖I 所示，包括有兩臺或多臺擠出機(jī)的塑化供料裝置I、匯流器2、分流器3、口模4、復(fù)合疊層器
5、后端口模6和成型裝置7，它們前后依次串聯(lián)。匯流器2將來自η臺塑化供料裝置I的η 種高分子熔體2-1匯集成η層等厚的高分子熔體，接著熔體通過分流器3，在分流器3中熔體沿寬度方向被平均分割成4等份，其中，外側(cè)的兩份熔體沿水平直流道流動，內(nèi)側(cè)的兩份熔體2-2向前流動時(shí)旋轉(zhuǎn)90度，這兩組熔體分別為對稱流動，它們從分流器的出口出來后流入對應(yīng)的口模入口，圖3和圖4分別是口模位于初始連接位置和第二連接位置時(shí)的狀態(tài)， 口模內(nèi)的熔體2-3分別沿水平直流道和豎直直流道向前流動至復(fù)合疊層器的四個(gè)入口，每個(gè)入口的熔體被分成m等份，每一份熔體2-4向前流動時(shí)都旋轉(zhuǎn)90度并展寬m倍，最后，復(fù)合疊層器四個(gè)出口處的熔體分別流入后端匯流器的對稱流道2-5內(nèi)進(jìn)行疊合，如圖2所示， 如果將口模調(diào)至初始位置，則可形成4nXmk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；如果將口模調(diào)制第二位置，則可形成2nXmk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。本實(shí)施例中將兩種組分的高分子熔體匯流后經(jīng)過5等份的疊層復(fù)合發(fā)生器5，串聯(lián)6個(gè)相同的復(fù)合疊層發(fā)生器5，可得到的復(fù)合材料層數(shù)為2 X 4 X 56 = 12 5 0 00層或2 X 2 X 56 = 6 2 5 00層，將多層復(fù)合材料擠出為Imm厚度片材時(shí)，該復(fù)合材料的層間厚度可達(dá)到8nm( 口模位于初始位置時(shí))或16nm( 口模位于第二位置時(shí))，從而可利用該裝置制備納米級復(fù)合材料。復(fù)合疊層器5的流道可通過嵌入式模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊由幾個(gè)剖切部分組合而成，而每一剖切片可采用數(shù)控加工獲得所需的形狀。疊層結(jié)構(gòu)的熔體在離開后端匯流器后進(jìn)入成型裝置得到制品，成型裝置7的熔體入口與后端匯流器的熔體出口形狀一致，熔體在成型裝置7中逐漸過渡到口模所需的截面，最后獲得擠出制品。實(shí)施例2本實(shí)施例公開的另外一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置的例子，如附圖 5所示，由兩臺或多臺注塑機(jī)的塑化供料裝置I、匯流器2、分流器3、口模4、復(fù)合疊層器5、 后端口模6、噴嘴8和模具9依次串聯(lián)組成。注射噴嘴8和模具9構(gòu)成成型裝置，注射成型時(shí)噴嘴8與模具9相連。熔體通過匯流器2、分流器3、口模4、復(fù)合疊層器5，最終從后端口模出口出來時(shí)已經(jīng)疊合形成4nXmk層(口模位于初始位置)或2nXmk層(口模位于第二位置)的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，該復(fù)合熔體通過噴嘴8注射進(jìn)入模具9的型腔內(nèi)，冷卻定型后可得到高分子疊層復(fù)合材料注射成型制品。
權(quán)利要求
1.一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置，其特征在于主要包括前后依次串聯(lián)連接的塑化供料裝置、匯流器、分流器、口模、復(fù)合疊層器、后端匯流器和成型裝置，匯流器將來自η個(gè)塑化供料裝置的熔體疊合成η層的復(fù)合熔體，匯流器的出口與分流器的入口對接，分流器有四個(gè)入口，復(fù)合熔體在離開匯流器進(jìn)入分流器時(shí)沿寬度方向平均分割成四等分，其中外側(cè)的兩個(gè)流道為水平直流道，且結(jié)構(gòu)相互對稱，而內(nèi)側(cè)的兩個(gè)流道分別向上和向下扭轉(zhuǎn)90度，都由入口時(shí)的水平流道轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹跁r(shí)的豎直流道，并且兩流道的結(jié)構(gòu)也相互對稱；這四個(gè)流道在分流器的出口平面上分別位于同一圓周的O度、90度、180度和270度位置，從分流器每一流道出來的熔體繼續(xù)向前流至與之對接的口模內(nèi)；口模在上下和左右位置分別開有與分流器出口相對應(yīng)的豎直和水平方向的直流道，通過改變口模的連接位置，可以改變口模所連通的流道數(shù)目，每一流道的入口被平均分割成m等份，每一等份在疊層器中繼續(xù)向前流動時(shí)扭轉(zhuǎn)90度并且展寬m倍，在各自的出口端相互匯流成為nXm層的疊層結(jié)構(gòu)，復(fù)合疊層器入口熔體通道尺寸與旋轉(zhuǎn)90度后出口的熔體通道尺寸相同；再對接一個(gè)同樣的旋轉(zhuǎn)90度的復(fù)合疊層器，則出口處的每一流道可得到nXmXm層的疊層結(jié)構(gòu)； 串聯(lián)k個(gè)同樣的復(fù)合疊層器，最后一個(gè)復(fù)合疊層器的出口與后端匯流器對接，得到多層復(fù)合熔體最終疊合成4 X η X mk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料或2 X η X mk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，這些多層復(fù)合材料最后可繼續(xù)向前進(jìn)入成型裝置從而得到最終制品；n和m為不小于2的整數(shù)，k為不小于I的整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置，其特征在于 口模各直流道入口位于同一圓周上，旋轉(zhuǎn)口模改變開通的口模入口。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置，其特征在于 分流器、口模、復(fù)合疊層器、后端匯流器為一個(gè)串聯(lián)循環(huán)單元，復(fù)合材料的層數(shù)為nX (4Xm) MnX (2Xm)k0
全文摘要
本發(fā)明公開一種層數(shù)可調(diào)的納米疊層復(fù)合材料制備裝置，包括有前后依次串聯(lián)的塑化供料裝置、匯流器、分流器、口模、復(fù)合疊層器、后端口模和成型裝置，n個(gè)塑化供料裝置塑化的熔體經(jīng)過匯流器疊合在一起，再通過分流器時(shí)沿寬度方向均分成4份，然后每份熔體流至直流道的口模部分，口?？赏ㄟ^旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)為四入口連通的初始位置或兩入口連通的第二位置，口模的出口與復(fù)合疊層器相連，通過調(diào)節(jié)口模的位置，可最終疊合形成4n×mk或2n×mk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，繼續(xù)向前流動通過成型裝置從而得到最終制品。本發(fā)明采用的復(fù)合疊層器分層效率高，串聯(lián)單元數(shù)可減少，使壓力損失大幅度減小，通過旋轉(zhuǎn)口模的位置，改變最終獲得的復(fù)合制品的層數(shù)。
文檔編號B29C47/06GK102601961SQ20121006934
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者丁玉梅, 楊衛(wèi)民, 王德禧, 王篤金, 田巖, 袁聰姬, 鐘雁 申請人:北京化工大學(xué)