專利名稱：氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所提供的一種氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，特別是針對熱塑性(Thermoplastic)塑膠，先利用熔爐將其熔融成液態(tài)，并在熔爐的塑膠熔液出口處輔以利用高壓空氣去吹化分離塑膠熔液，漸進形成較細(xì)小的球狀塑膠微粒，再利用超低溫液態(tài)氮氣作用該塑膠微粒，使塑膠微粒產(chǎn)生低延伸率(Elongation)、低耐沖擊值(Impact Resistance)、低破裂韌性(Fracture Toughness)及非常脆(Brittle)且易碎裂(Fragmentation)的特性，以便接受一低溫輾壓輪的輾壓運作，完成快速取得粒徑在10微米以下的塑膠粉末的方法。
由于，熱塑性塑膠較熱固性(Thermosetting)塑膠具有明顯且優(yōu)越的破裂韌性與制振性(Vibration Damping)，以其作為基材(Matrix)的制成的纖維強化熱塑性塑膠(Fiber Reinforced Thermoplastics，F(xiàn)RTP)，較一般泛用的纖維強化熱固性塑膠(Fiber Reinforced Thermosets，F(xiàn)RTS)復(fù)合材料具有不易破裂、制造工藝簡單、成本低、使用壽命長以及減少運動傷害等優(yōu)點；更由于熱塑性塑膠具有可回收(Recycling)再利用的特性，在目前全球注重生態(tài)環(huán)保之際，更能為世人所接受，因此新開發(fā)的航空用復(fù)合材料，以及民生用的高爾夫球桿、自行車架及網(wǎng)球拍等休閑運動用品，皆已大量應(yīng)用FRTP產(chǎn)品；其中以高性能連續(xù)纖維補強熱塑性復(fù)合材料，更是日后應(yīng)用的趨勢。
在利用連續(xù)纖維強化熱塑性塑膠(FRTP)制作工件時，通常所使用的材料并非直接將纖維及塑膠混合應(yīng)用，而是先將纖維和塑膠依一定比例混合，做成片狀或編織筒狀的預(yù)浸料(Prepreg)，此種FRTP預(yù)浸料具有成份均勻、儲存容易以及使用方便等特性，為發(fā)展FRTP復(fù)合材料中不可或缺的中間原料(Intermediate Material)，世界上能制造出高品質(zhì)FRTP預(yù)浸料的廠商并不多見。
然以目前現(xiàn)行制作連續(xù)性纖維FRTP預(yù)浸料的方法，主要有粉末浸滲法(Powder Prepregging)、熱熔法(Hot Melting)、溶液法(Solution DipPrepregging)以及薄膜輾合法(Film Clalendering)，其中以粉末浸滲法可得到較佳的材料性能，此乃由于熱塑性塑膠熔融時的粘度很大，且其破斷伸長率(Elongation at Break)相當(dāng)高，如參見下載之表一所示
表一熱塑性塑膠于室溫(25℃)的性質(zhì)資料來源Engineered Materials Handbook，Vol.2，ASM International，1998.
其中如Nylon6的破斷伸長率為30％，Nylon66為60％，PET為50％；甚至有超過100％，例如PC為110％，PP則超過200％，因此熱塑性塑膠在滲入(Infiltrate)及對纖維浸潤(Wetting)時的情況不佳，故以熱熔法或溶液法或薄膜輾合法皆不易有效克服上述的缺點，而以粉末法制造，則可藉其具有微細(xì)粉末的特性，較容易均勻分散滲入散開的纖維束(Tow)內(nèi)，經(jīng)由后續(xù)制作工件時的加溫加壓程序完成固化(Consolidation)，而得浸潤性良好的FRTP產(chǎn)品，使得纖維得以充份發(fā)揮其高強度及高彈性模數(shù)的優(yōu)點，確保產(chǎn)品的品質(zhì)。
粉末法雖較易得到性能均勻優(yōu)秀的產(chǎn)品，惟卻必須是在塑膠粉末的粒徑夠小(10微米以內(nèi))，容易分布滲入纖維束內(nèi)的條件下，才能確保此法的優(yōu)越性。因此，如何制造粒徑小于10微米且粒徑分布集中的熱塑性膠粉末，就成為制作連續(xù)纖維FRTP預(yù)浸料的一項關(guān)鍵技術(shù)。
以目前制造熱塑性塑膠粉末的技術(shù)而言，皆必須使用粉碎與研磨的手段，將熱塑性塑膠的粗粒狀原料磨成細(xì)粉末，例如使用沖擊粉碎機(HammerMill)及球磨機(Ball Mill)施行加工。其中以球磨機來負(fù)責(zé)最后的研磨工作，較可取得粒徑10微米以下的熱塑性塑膠粉末，但研磨時間長達(dá)24至48小時，在大量生產(chǎn)時磨球的消耗量以及磨罐的消耗數(shù)目相當(dāng)可觀，并不符合經(jīng)濟效益；再者，因熱塑性塑膠在受到研磨時的應(yīng)力或剪刀的作用后，往往會產(chǎn)生再熔(Re-melt)的現(xiàn)象，使細(xì)粉末再變成凝聚體(Agglomerate)，而使粒徑加大，研磨效果大打折扣，此亦是使用球磨機研磨熱塑性塑膠的粗粒狀原料時，經(jīng)常發(fā)生的困擾。
本發(fā)明人有鑒于上述大量制造熱塑性塑膠微細(xì)粉末所遭遇到的困難等實情，乃積極針對熱塑性塑膠的性質(zhì)加以研究，本發(fā)明的目的是進而應(yīng)用熱塑性塑膠在超低溫環(huán)境下所具有的低延伸率、低耐沖擊值、低破裂韌性及非常脆且易碎裂等特性，以便再配合獨特的制造步驟設(shè)計，取得一種快速且有效率的熱塑性塑膠粉末制造方法，達(dá)到可連續(xù)生產(chǎn)取得成本低廉且粒徑在10微米以下的熱塑性塑膠粉末。
本發(fā)明的目的是按下述實現(xiàn)的本發(fā)明氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，其特征在于包含以下制程熔料，取用粗粒狀熱塑性塑膠作為原料，將其熔融成塑膠熔液；高壓空氣吹化分離，利用高壓空氣去沖擊流動中心的塑膠熔液，使其逐漸冷卻硬化，并降低其粘度，以利逐漸吹化分離至形成較細(xì)小的塑膠球狀微粒；超低溫氮氣脆化沖擊，利用超低溫液態(tài)氮氣去沖擊作用該等塑膠球狀微粒，以便大幅降低塑膠球狀微粒的伸長率、耐沖擊值以及抗脆裂的韌性，形成極脆且易破裂的低溫脆化特性的塑膠球狀微粒；低溫輾壓，利用—同接受液態(tài)氮氣的低溫作用的輾壓輪，對經(jīng)過上述脆化后的塑膠球狀微粒進行碾壓運作；即可完成快速產(chǎn)制取得粒徑在10微米以下的大量塑膠粉末成品的方法。上述在溶料時，必須加溫至超過熱塑性塑膠的熔點至少50℃以上的溫度，以充分將粗粒狀熱塑性塑膠原料熔融成流動性更佳的塑膠熔液，并促進后續(xù)吹化分離塑膠熔液成球狀微粒的效果。上述該經(jīng)由高壓氣體吹化分離而形成的較細(xì)小的塑膠球狀微粒，先由帶狀體至橢圓體進而逐漸分離演變形成的。上述利用超低溫氮氣對塑膠球狀微粒進行脆化沖擊時，可使塑膠球狀微粒降溫至零下60至160℃左右，以形成較佳的脆化作用。
為能再加詳述本發(fā)明，將列舉一較具體的實施例，配合附圖詳細(xì)說明如后

圖1是本發(fā)明制法的流程圖；圖2是本發(fā)明制法所運用設(shè)備的制造流程剖示圖；圖3是本發(fā)明制法中利用氣體吹化分離塑膠熔液的放大示意圖；圖4是本發(fā)明以氟化碳為例顯示其溫度與伸長率之間的性能曲線圖；圖5是本發(fā)明以醋酸纖維素為例顯示其伸張率與應(yīng)力間的性能曲線圖；圖6是本發(fā)明以HIPS及PS為例顯示其溫度與沖擊力之間的作用曲線圖；圖7是本發(fā)明揭示多種超強硬熱塑性塑膠的溫度與沖擊值之間的關(guān)系曲線圖；圖8是本發(fā)明揭示熱塑性塑膠在受到液態(tài)氮的降溫作用下可大幅降低破碎硬度的曲線圖。
A……熔料 B……高壓空氣吹化分離C……超低溫氮氣脆化沖擊D……低溫輾壓1……塑膠熔液 11……帶狀體12……橢圓體 13……塑膠球狀微粒14……塑膠粉末 2……熔爐21……出口 3……高壓空氣30……膨脹區(qū) 31……供氣流道4……腔室 41……濾網(wǎng)42……集粉岐管 43……集粉室44……頸口 45……斜錐壁面46……震動器 5……液態(tài)氮氣50……腔壁 51……供氣室52……斜錐臺面 6，60……閥件7……輾壓輪71……刮板8……篩選組81……回收管9……包裝組首觀圖1所示，本發(fā)明所提供一種氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，是經(jīng)過熔料A、高壓空氣吹化分離B、超低溫氮氣脆化沖擊C、低溫輾壓D等連貫式的獨特制程，以利取得粒徑在10微米以下的熱塑性塑膠粉末標(biāo)的物。請配合圖2所示的設(shè)備流程實施說明如下如圖2所示的設(shè)備，是依照本發(fā)明制法流程所架構(gòu)形成的一種較佳實施形態(tài)，主要是包含由頂層的熔爐2，位于熔爐2底部的熔液出口21處所設(shè)置的高壓空氣3的供氣流道31，設(shè)一熔爐2底端用來收集粒料用的腔室4，腔室4底部的頸口44處所設(shè)置的閥件6，腔室4底端所設(shè)置的保冷隔熱用腔壁50，腔壁50內(nèi)形成供應(yīng)超低溫液態(tài)氮氣5的供氣室51，供氣室51內(nèi)設(shè)置的斜錐臺面52、閥件61與輾壓輪7，以及輾壓輪7底端的篩選組8與包裝組9等部位所組成。使用時，將配合本發(fā)明的制法步驟說明如下熔粒A是將粗粒狀熱塑性塑膠原料載入熔爐2中，使熔爐2加溫至超過熱塑性塑膠的熔點至少50℃以上的溫度，以利充分將粗粒狀熱塑性塑膠原料熔融成流動更佳的塑膠熔液1，并促進后續(xù)吹化分離的效果；高壓空氣吹化分離B是在熔爐2底端的膠熔液1的出口21處，輔予注入高壓氣體3，使高壓氣體3在出口21處沖擊塑膠熔液1時形成一膨脹區(qū)30，并使流動中的塑膠熔液1受到高壓強力的冷卻空氣的吹化作用，而逐漸硬化并降低其粘度，亦即逐漸被吹化形成由帶狀體11、橢圓體12以至逐漸分離成為較細(xì)小的塑膠球狀微粒13形態(tài)(配合圖3所示)；這些被吹化分離而成的塑膠球狀微粒13的粒徑均尚未均勻，有些微粒粒徑已形成小于10微米(Micrometer)，但大多數(shù)的微粒則尚大于10微米的要求；當(dāng)這些粒度尚未均勻的塑膠球狀微粒13落入至設(shè)備的腔室4過程中，該等小于10微米粒徑者即形成為塑膠粉末14，會先被腔室4端壁上設(shè)有濾網(wǎng)41的集粉岐管42中的真空吸力吸至另一集粉室43內(nèi)收集，其他的微粒則被濾網(wǎng)41阻擋，并在腔室4內(nèi)往下飄落至頸口44上的導(dǎo)流用斜錐壁面45間，經(jīng)斜錐壁面45上設(shè)置的震動器46(Vibrator)所產(chǎn)生的抖料作用，使塑膠球狀微粒13能經(jīng)由閥件6的適時啟/閉運作，而定量下載至底端腔壁50內(nèi)的供氣室51中；超低溫氮氣脆化沖擊C必須先令腔壁50頂、底端的閥件6及60施行同步張位運作，以便關(guān)閉供氣室51內(nèi)的進、出料口，然后在供氣室51內(nèi)注入超低溫的液態(tài)氮氣5，促使在供氣室51中的塑膠球狀微粒13，得以受到超低溫的氮氣的沖擊作用，而降溫至零下-60至160℃左右，并藉此大幅降低塑膠球狀微粒13的伸長率；例如以圖4中所示的氟化碳(Fluorocarbons)為例，在其降溫至零下-60至-160℃左右時的伸長率降伏最為理想，同時以圖5中所示的醋酸纖維素(Cellulose acetate)為例，在不同溫度下的應(yīng)力(Stress)與應(yīng)變率(Strain)的性能變化中可知，愈低于零下溫度時，其伸張率愈低，且應(yīng)力逐漸提高至硬脆狀態(tài)；相同于在利用超低溫液態(tài)氮氣5將塑膠球狀微粒13大幅降溫的作用下，亦可使塑膠球狀微粒13的耐沖擊值大幅降低，如圖6及圖7所示為例，當(dāng)其溫度愈低時，其所示的熱塑性塑膠材料的耐沖擊值亦愈低再者，利用超低溫液態(tài)氮氣5將塑膠球狀微粒13大幅降溫的作用下，亦可大幅減低其抗脆裂的韌性，例如圖8的熱塑性塑膠在不同溫度作用下所顯示的表面破碎強硬度可知，當(dāng)溫度低至零下時，其抵抗破裂的壓力即愈低；換言之，即促使塑膠球狀微粒13產(chǎn)生極脆且易破裂的低溫特性，完成超低溫脆化沖擊作用；低溫輾壓D當(dāng)在供氣室51內(nèi)經(jīng)過超低溫脆化沖擊作用后的熱塑性塑膠球狀微粒13，即會而落入另一足以產(chǎn)生震動抖料作用的斜錐臺面52，并配合閥件60適時開啟，使塑膠球狀微粒13被抖入二只同受超低溫液態(tài)氮氣5作用的輾壓輪7之間，促使同樣備具有極脆且易破裂的特性的塑膠微粒13，得以被低溫輾壓輪7輾壓成更加細(xì)小的塑膠粉末14，且受輾壓后所形成的塑膠粉末14成品，其粒徑大多已小于10微米以下，以符合制作連續(xù)纖維FRTP預(yù)浸料的需求條件；該輾壓輪7的底緣輪面間皆貼設(shè)有刮板71，可將輾壓后所形成的塑膠粉末14刮落，且為確保輾壓后所取得的塑膠粉末14粒徑的均勻性，可于輾壓輪7底端再予利用一分級篩選組8，將小于10微米以下或是粒徑不合需求者加以篩選分離，使大于10微米以上粒徑的粉末，再經(jīng)回收管81回收，以利重新進行脆化沖擊及輾壓等制程，使粉末粒徑再次變小；當(dāng)然大多數(shù)經(jīng)過分級篩選組8所篩選出小于10微米以下粒徑的塑膠粉末14，即會利用一包裝組9包裝成袋，完成快速生產(chǎn)連續(xù)纖維FRTP預(yù)浸料所需的塑膠粉末14的目的。
綜上所述，本發(fā)明所提供的一種熱塑性塑膠粉末的創(chuàng)新制法，確實具有理論上的基礎(chǔ)以及產(chǎn)業(yè)上所需求的高度利用性，且可達(dá)到縮短工時、降低產(chǎn)制成本以及提升塑膠粉末品質(zhì)的進步效益，應(yīng)已符合發(fā)明專利要件，于是依法提出申請，懇請賜準(zhǔn)，至感德便。
權(quán)利要求
1.一種氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，其特征在于包含以下制程熔料，取用粗粒狀熱塑性塑膠作為原料，將其熔融成塑膠熔液；高壓空氣吹化分離，利用高壓空氣去沖擊流動中心的塑膠熔液，使其逐漸冷卻硬化，并降低其粘度，以利逐漸吹化分離至形成較細(xì)小的塑膠球狀微粒；超低溫氮氣脆化沖擊，利用超低溫液態(tài)氮氣去沖擊作用該等塑膠球狀微粒，以便大幅降低塑膠球狀微粒的伸長率、耐沖擊值以及抗脆裂的韌性，形成極脆且易破裂的低溫脆化特性的塑膠球狀微粒；低溫輾壓，利用一同接受液態(tài)氮氣的低溫作用的輾壓輪，對經(jīng)過上述脆化后的塑膠球狀微粒進行碾壓運作；即可完成快速產(chǎn)制取得粒徑在10微米以下的大量塑膠粉末成品的方法。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，其特征在于在溶料時，必須加溫至超過熱塑性塑膠的熔點至少50℃以上的溫度，以充分將粗粒狀熱塑性塑膠原料熔融成流動性更佳的塑膠熔液，并促進后續(xù)吹化分離塑膠熔液成球狀微粒的效果。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，其特征在于該經(jīng)由高壓氣體吹化分離而形成的較細(xì)小的塑膠球狀微粒，先由帶狀體至橢圓體進而逐漸分離演變形成的。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，其特征在于利用超低溫氮氣對塑膠球狀微粒進行脆化沖擊時，可使塑膠球狀微粒降溫至零下60至160℃左右，以形成較佳的脆化作用。
全文摘要
一種氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法,特征是先利用熔爐將熱塑性塑膠粒狀原料熔融成液態(tài),并在熔爐的塑膠熔液出口處,輔予注入高壓空氣,使流動中的塑膠熔液的粘度降低,并逐漸吹化分離成帶狀體、橢圓體以至漸進形成至較細(xì)小的球狀微粒,再經(jīng)過一腔室內(nèi)噴流供應(yīng)超低溫的液態(tài)氮氣的脆化作用,使細(xì)小塑膠球狀微粒的耐沖擊值及韌性得再大幅降低,并形成極脆且易破裂的特性,以便經(jīng)由低溫輾壓輪的輾壓運作,進而快速取得粒徑10微米以下的塑膠粉末。
文檔編號B05B1/02GK1240162SQ9810245
公開日2000年1月5日 申請日期1998年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月22日
發(fā)明者曾紹謙 申請人:曾紹謙