專利名稱：一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進材料加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種納米疊層復(fù)合材料制加工裝置，特 別是采用復(fù)合擠出或復(fù)合注射成型方法制備多層復(fù)合結(jié)構(gòu)高分子材料及制品的裝置。
背景技術(shù)：
層狀納米復(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 特的優(yōu)點，應(yīng)用前景廣泛，從而成為材料領(lǐng)域的熱點研究課題，并已取得了一些研究成果， 提出了一系列用于制備層狀復(fù)合高分子材料的多層擠出模具。從目前公開的專利來看，最 早有W. J. Shrenk等人申請的美國專利3557265、3565985、3884606，以及后來的中國專利 CN1511694A，200610022348. 6等?，F(xiàn)有的專利技術(shù)基本上屬于擠出口模類，還沒有涉及到 注射成型中直接制備高分子納米疊層復(fù)合材料制品的技術(shù)方案；在分層原理上早期提出的 技術(shù)方案主要是采用多流道方式，每個流道控制一層，結(jié)構(gòu)設(shè)計過于復(fù)雜，分層數(shù)量較少。 最近郭少云等人提出了一項發(fā)明專利200610022348. 6，設(shè)計了一種分疊器。其核心內(nèi)容和 技術(shù)特征在于該分疊器可將入口端的層狀矩形熔體分割成兩股，然后上下錯開，展寬交匯 實現(xiàn)一次折疊。通過多個分疊器串聯(lián)使用可得到多層結(jié)構(gòu)的高分子材料。但是，采用這一 技術(shù)方案要在Imm的擠出口模內(nèi)獲得納米級的復(fù)合材料(層間厚度< IOOnm)，則要求串聯(lián) 的分疊器在10個以上，由于熔體每經(jīng)過一個分疊都需要克服很大的流動阻力，造成壓力下 降，而且流動邊界的拖曳作用也會對層狀結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞，因此串聯(lián)個數(shù)不宜太 多；此外，左右分割開的兩股熔體上下錯開然后匯合到一起的設(shè)計方式，由于流動的不對稱 性會給流道設(shè)計帶來很大的困難，并且按照一種材料設(shè)計的流道對流變參數(shù)差異較大的另 一種材料就不合適。因此，要想獲得性能優(yōu)異的納米級層狀高分子復(fù)合材料，還需要尋求更 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(分割份數(shù)可以大于幻，流動對稱性高，分層過程中壓力損失小的疊 層復(fù)合材料的制備裝置；同時將該項技術(shù)從擠出成型擴展到注射成型等領(lǐng)域；并可適應(yīng)多 種納米復(fù)合材料材料的制備與成型加工?？梢詫崿F(xiàn)上述發(fā)明目的具體技術(shù)方案如下本發(fā)明一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置，主要包括有熔融塑化供料裝置、匯流器、 疊層復(fù)合發(fā)生器、成型裝置，熔融塑化供料裝置、匯流器、疊層復(fù)合發(fā)生器、成型裝置前后依 次串聯(lián)，匯流器將來自η個塑化供料裝置的η層熔體疊合成一層復(fù)合熔體，層間的厚度相同 也可以不同，依靠層間的流道間隙來保證，匯合時流道間隙相同，所得最終制品的各層厚度 相同；如果匯合時流道間隙不相同，所得最終制品的各層厚度不相同；所以匯流器有η個入 口，復(fù)合熔體在離開匯流器時沿寬度方向平均分割成m等分，匯流器與疊層復(fù)合發(fā)生器對 接，每一等分在疊層復(fù)合發(fā)生器中繼續(xù)向前流動時旋轉(zhuǎn)90度并且展寬m倍，在出口端相互匯流成為nXm層的疊層結(jié)構(gòu)，該疊層結(jié)構(gòu)熔體在疊層復(fù)合發(fā)生器出口再平均分割成m等 分，疊層復(fù)合發(fā)生器入口熔體通道尺寸與旋轉(zhuǎn)90度的出口的熔體通道尺寸相同；再對接一 個同樣的旋轉(zhuǎn)90度的疊層復(fù)合發(fā)生器，則可得到nXmXm層結(jié)構(gòu)；如果串聯(lián)k個同樣的疊 層復(fù)合發(fā)生器，則可得到nXmk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，最后一個疊層復(fù)合發(fā)生器的熔體在 出口不再分割，與成型裝置連接后經(jīng)過成型裝置得到最終制品。η和m為不小于2的整數(shù)， k為不小于1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)6個相同的疊層復(fù)合發(fā)生器，得到總層數(shù)為2X56 = 31250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32nm， 如果進一步將其拉伸至于0. Imm厚度時，該復(fù)合材料的每種高分子材料的層間厚度即可達 到3. 2nm，從而利用本裝置可以比較容易地制備層間厚度小于IOOnm的納米復(fù)合材料。由于 本發(fā)明采用熔體分割后旋轉(zhuǎn)90度再展寬的流道特點，各層之間熔體流道相同，層間對稱性 好，展寬可從中間向外進行，熔體流動均勻，突破了現(xiàn)有技術(shù)一分為二的限制，可以實現(xiàn)一 分為三、一分為十甚至更多，僅以一分為四和現(xiàn)有一分為二的技術(shù)對比，由于達到相同的分 層數(shù)，串聯(lián)單元數(shù)可減少一半，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，由于在熔體分割后旋轉(zhuǎn)90度的設(shè)計，使疊層流道在流動展寬并 且變薄的過程中容易保持對稱性結(jié)構(gòu)，設(shè)計制造工藝簡單，精度容易保證，并且對物料的適 應(yīng)性大大提高。本發(fā)明一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置的塑化供料裝置是擠出機、注射成型機的 注塑裝置或壓鑄機。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。成型裝置是擠出機頭、注射噴嘴與模具的組合或壓制模具。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于制備各種熔融共混加工的層狀納米復(fù)合材料，如高分子復(fù)合 材料領(lǐng)域既可直接生產(chǎn)薄膜、板材和型材料，也可生產(chǎn)母粒，還可以推廣應(yīng)用到在陶瓷基復(fù) 合材料、金屬基復(fù)合材料等領(lǐng)域。本發(fā)明的納米疊層復(fù)合發(fā)生器還可以與帶有兩個以上塑 化裝置的注塑料或壓鑄機聯(lián)用，直接加工層狀復(fù)合材料制品。


圖1是本發(fā)明一種納米疊層復(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)明一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置疊層復(fù)合發(fā)生器中入口某段熔體 旋轉(zhuǎn)90度展寬示意圖。圖3是本發(fā)明一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置疊層復(fù)合發(fā)生器中疊層復(fù)合原理 示意圖。圖4是本發(fā)明一種納米疊層復(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；3疊層復(fù)合發(fā)生器；3-1匯流器內(nèi)的η層高分子 熔體；3-2分疊流道；3-3疊層結(jié)構(gòu)的熔體；4成型裝置；5注射噴嘴；6模具。
具體實施例方式實施例1本實施例公開的一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置，整體外形如附圖1所示，包括 有兩臺或多臺擠出機的塑化供料裝置1、匯流器2、疊層復(fù)合發(fā)生器3、成型裝置4，它們前后依次串聯(lián)。所述疊層復(fù)合發(fā)生器3的主要功能結(jié)構(gòu)是將來自η個塑化供料裝置的高分子熔 體經(jīng)匯流器2匯集成匯流器內(nèi)的η層高分子熔體3-1，各層熔體的厚度相同，匯流器內(nèi)的η 層高分子熔體3-1在離開匯流器2時沿寬度方向平均分割成m等分，每一等分在疊層復(fù)合 發(fā)生器分疊流道3-2中繼續(xù)向前流動時旋轉(zhuǎn)90度并且展寬m倍，在出口端相互匯流成為 nXm層的疊層結(jié)構(gòu)的熔體3-3。圖2是疊層復(fù)合發(fā)生器3中某段熔體旋轉(zhuǎn)90度展寬示意 圖。本實施例中將兩種組分的高分子熔體匯流后經(jīng)過4等分的疊層復(fù)合發(fā)生器3，串聯(lián)8個 相同的疊層復(fù)合發(fā)生器3，可得到的復(fù)合材料層數(shù)為2 X 48 = 13 1 0 7 2層，將多層復(fù)合材料擠 出為Imm厚度片才時，該復(fù)合材料的層間厚度可達到7. 63nm，從而可以采用該裝置制備納 米復(fù)合材料。疊層復(fù)合發(fā)生器3的流道加工可采用精密鑄造方法或電鍍的方法，或?qū)B層復(fù)合 發(fā)生器3剖切成片，每片采用數(shù)控加工獲得所需的流道形狀，分片加工后再組裝成疊層復(fù) 合發(fā)生器3。在匯流器內(nèi)的η層高分子熔體3-1在離開匯流器2時不分割，該熔體在進入疊層 復(fù)合發(fā)生器3后先平均分割成m等分，然后每一等分在疊層復(fù)合發(fā)生器分疊流道3-2中繼 續(xù)向前流動時旋轉(zhuǎn)90度并且展寬m倍，在出口端相互匯流成為nXm層的疊層結(jié)構(gòu)的熔體 3-3，疊層結(jié)構(gòu)的熔體3-3在離開疊層復(fù)合發(fā)生器3時不分割，這樣k個疊層復(fù)合發(fā)生器3 對接后與成型裝置連接后得到制品，成型裝置4的熔體入口與疊層復(fù)合發(fā)生器3的熔體出 口形狀形同，熔體在成型裝置4中逐漸過渡到口模需要的截面尺寸，最后獲得擠出制品。圖 3是本發(fā)明核心部件疊層復(fù)合發(fā)生器3的熔體流道的一種實施方案圖。這種結(jié)構(gòu)形式使得 匯流器和成型裝置的加工難度降低，在疊層復(fù)合發(fā)生器內(nèi)完成分割與匯合，對接接口的流 道只有一個，密封容易實現(xiàn)，各分支的流動平衡容易保證。實施例2本實施例公開的另外一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置的例子，整體外形如附圖4 所示，包括有兩臺或多臺注塑機的塑化供料裝置1、匯流器2、疊層復(fù)合發(fā)生器3、注射噴嘴5 和模具6，注射噴嘴5和模具6組成成型裝置，塑化供料裝置1、匯流器2、疊層復(fù)合發(fā)生器 3、注射噴嘴5前后依次串聯(lián)，注射成型時噴嘴5與模具6相連。所述疊層復(fù)合發(fā)生器3的 主要功能結(jié)構(gòu)是將匯流器擠出的η層高分子熔體3-1沿寬度方向平均分割成m等分，每一 等分在疊層復(fù)合發(fā)生器的分疊流道3-2中繼續(xù)向前流動時旋轉(zhuǎn)90度并且展寬m倍，在出口 端相互匯流成為ηXm層的疊層結(jié)構(gòu)的熔體3-3，通過噴嘴5注射進入模具6的型腔中，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
1.一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置，主要包括有塑化供料裝置、匯流器、疊層復(fù)合發(fā)生 器、成型裝置，塑化供料裝置、匯流器、疊層復(fù)合發(fā)生器、成型裝置前后依次串聯(lián)，塑化供料 裝置有η個，匯流器有η個入口，每個入口連接一個塑化供料裝置，其特征在于，匯流器的流 道將η層高分子熔體疊加形成一層復(fù)合熔體，復(fù)合熔體在離開匯流器時沿寬度方向平均分 割成m等分；匯流器與疊層復(fù)合發(fā)生器對接，每一等分的熔體在疊層復(fù)合發(fā)生器的流道中 繼續(xù)向前流動時旋轉(zhuǎn)90度并且展寬m倍，再匯流成為nXm層的疊層結(jié)構(gòu)熔體，疊層結(jié)構(gòu)熔 體在疊層復(fù)合發(fā)生器出口再平均分割成m等分，疊層復(fù)合發(fā)生器入口熔體通道尺寸與旋轉(zhuǎn) 90度的出口的熔體通道尺寸相同；再對接一個同樣的旋轉(zhuǎn)90度的疊層復(fù)合發(fā)生器，則可得 到nXmXm層結(jié)構(gòu)；串聯(lián)k個同樣的疊層復(fù)合發(fā)生器，則可得到nXmk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材 料；最后一個疊層復(fù)合發(fā)生器的熔體在出口不再分割，與成型裝置連接后經(jīng)過成型裝置的 流道得到納米疊層復(fù)合材料制品；η和m為不小于2的整數(shù)，k為不小于1的整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置，其特征在于，匯流器的匯 流流道間隙相同或不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置，其特征在于，塑化供料裝 置是擠出機、注射成型機的注塑裝置或壓鑄機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置，其特征在于，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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置，其特征在于，成型裝置是 擠出機頭、注射噴嘴與模具的組合或壓制模具。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置，其特征在于，在匯流器內(nèi) 的η層高分子熔體在匯流器出口不分割，該熔體在進入疊層復(fù)合發(fā)生器的入口流道后再平 均分割成m等分，然后每一等分在疊層復(fù)合發(fā)生器分疊流道中繼續(xù)向前流動時旋轉(zhuǎn)90度并 且展寬m倍，在出口端相互匯流成為nXm層的疊層結(jié)構(gòu)的熔體，疊層結(jié)構(gòu)的熔體在離開疊 層復(fù)合發(fā)生器時不分割，經(jīng)過k個疊層復(fù)合發(fā)生器后與成型裝置連接，成型裝置的熔體入 口與疊層復(fù)合發(fā)生器的熔體出口形狀形同，熔體在成型裝置的流道中逐漸過渡到口模需要 的截面尺寸。
全文摘要
本發(fā)明一種納米疊層復(fù)合材料制備裝置，包括有塑化裝置、匯流器、疊層復(fù)合發(fā)生器、成型裝置，它們前后依次串聯(lián)。所述疊層復(fù)合發(fā)生器是將匯流器擠出的n層高分子熔體沿寬度方向平均分割成m等分，每一等分熔體在疊層復(fù)合發(fā)生器中繼續(xù)向前流動時旋轉(zhuǎn)90度并且展寬m倍，在出口端與相鄰熔體層相互匯流成n×m層的疊層結(jié)構(gòu)；再串聯(lián)一個同樣的疊層復(fù)合發(fā)生器，可得到n×m×m層結(jié)構(gòu)；如果串聯(lián)k個同樣的疊層復(fù)合發(fā)生器，則可得到n×mk層的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。本發(fā)明采用熔體分割后旋轉(zhuǎn)90度的疊層復(fù)合發(fā)生器，分割數(shù)量多，串聯(lián)單元數(shù)可減少，熔體在流動展寬并且變薄的過程中容易保持對稱性結(jié)構(gòu)，層厚精度容易保證，可得到納米疊層復(fù)合多層制品。
文檔編號B29C47/06GK102069579SQ20091023762
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者丁玉梅, 楊衛(wèi)民, 王德禧 申請人:北京化工大學(xué)