CN106273304A - 交替多层共挤超临界发泡设备及其实现方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种交替多层共挤超临界发泡设备，包括第一挤出机、第二挤出机、共挤机头、超临界注入***、层倍增器、机头；所述超临界注入***与所述第一挤出机相连，所述第一挤出机与所述第二挤出机分别与共挤机头相连为一体，所述层倍增器与共挤机头出口相连，所述机头与层倍增器出口相连。本发明同时提供一种由上述设备实现的具有实体/发泡交替多层排列的聚合物发泡材料的制备方法。采用绿色环保的超临界流体作为发泡剂，发泡效果好，可获得泡孔平均直径较小，平均密度和膨胀比较大的发泡材料。本发明提出的交替多层共挤超临界发泡设备加工过程效率高，成本较低，可连续、大规模生产，易于在工业生产中推广应用。

Description

交替多层共挤超临界发泡设备及其实现方法与应用
技术领域
本发明涉及聚合物发泡设备及技术领域，特别涉及具有实体/发泡交替多层结构发泡材料的交替多层共挤超临界发泡设备及其实现方法与应用。
背景技术
聚合物微孔发泡材料具有质轻且优异的综合性能，如优良的力学、尺寸稳定、隔热、隔音、介电等性能，使其在航空航天、汽车、家电、食品包装、组织工程、吸附剂和催化剂载体等方面都有潜在的广泛应用。聚合物发泡材料的各项性能与其泡孔结构(如泡孔类型、泡孔尺寸及其分布等)密切相关，因此，如何在发泡材料的制备过程中调控泡孔结构显得尤为关键。发泡材料的泡孔结构强烈依赖于制备方法。
聚合物交替多层共挤是一种通过在传统共挤出机头后安装层倍增器制备具有交替多层结构的单层厚度可达微、纳米级的一种精确、高效、简便的方法。交替多层排列形成的受限空间和层界面可赋予微层聚合物及其复合材料独特的力学、光学、阻隔、阻尼和电磁等性能。通过向一台挤出机的聚合物原料中添加化学发泡剂，可制备出发泡层/实体层交替排列的聚合物发泡材料。
现有交替多层发泡材料主要通过交替多层共挤发泡制备得到，采用这种方法得到的发泡材料泡孔尺寸很大，一般在几十到几百μm，且泡孔密度较小，未达到微孔发泡级别。此外，采用的化学发泡剂有特定的分解温度要求，有一定毒性且发泡后会产生一定的残留物，不利于绿色环保生产的要求。
针对现有制备实体/发泡交替多层聚合物发泡材料的不足，本发明采用绿色无污染的超临界流体作为发泡剂，对发泡温度没有要求。可获得泡孔平均直径较小、泡孔密度和膨胀比较大的交替多层发泡材料。通过调节层数、层厚和发泡条件，可制备出实体层/发泡层交替规整排列且具有优良力学、光学、阻隔、阻尼和电磁等性能的聚合物发泡材料。这种新的发泡材料制备方法具有巨大的理论价值和实际意义。
发明内容
本发明的目的是针对目前制备实体/发泡交替多层聚合物发泡材料方法的现状，提供一种新的交替多层共挤超临界发泡设备及其实现方法，以解决现有交替多层聚合物发泡材料泡孔尺寸较大，泡孔密度和膨胀比较小，生产过程不够绿色环保以及性能不够优良等问题。
本发明的另一目的在于提供一种上述交替多层共挤超临界发泡设备及其实现方法的应用。
本发明一种交替多层共挤超临界发泡设备的技术方案如下所述。
一种交替多层共挤超临界发泡设备，包括第一挤出机、第二挤出机、共挤机头、超临界注入***、层倍增器、机头；所述超临界注入***与所述第一挤出机相连，所述第一挤出机与所述第二挤出机分别与共挤机头相连为一体，所述层倍增器与共挤机头出口相连，所述机头与层倍增器出口相连。
优选地，所述第一挤出机与所述第二挤出机均为双螺杆挤出机或单螺杆挤出机。
优选地，所述第一挤出机为双螺杆挤出机，所述第二挤出机为单螺杆挤出机。
优选地，所述超临界注入***可注入超临界氮气或超临界二氧化碳。
优选地，所述层倍增器为矩形截面或圆环截面；所述机头出口可成型片材或圆管状制品。
一种由上述设备实现的交替多层共挤超临界发泡的方法，包括下述步骤：(1)启动第一挤出机、第二挤出机，使聚合物物料塑化、熔融后形成熔体，被连续稳定地挤出；(2)挤出过程稳定后，启动超临界注入***，将超临界流体注入第一挤出机机筒中，使超临界流体与聚合物熔体混合并形成高压均相体系，不断往前流动；(3)高压均相体系和第二挤出机挤出的聚合物熔体在共挤机头处汇合，流入层倍增器，在层倍增器流道中进行分层叠加，最后在机头出口处快速泄压，从而形成实体/发泡层交替排列的聚合物发泡材料。
所述步骤(1)具体为：待第一挤出机和第二挤出机机筒加热到设定温度并稳定后，启动第一挤出机、第二挤出机，向两个料筒内分别加入待加工的聚合物物料，使物料在挤出机机筒内进行固体输送、熔融、增压和泵送，物料熔融成熔体后，被连续稳定地向前挤出；
所述步骤(2)具体为：聚合物熔体挤出过程稳定后，启动超临界注入***，在设定的温度、压力和流量下均匀稳定地将超临界流体注入第一挤出机机筒中，使超临界流体与聚合物熔体在第一挤出机机筒内混合并形成高压均相体系，不断往前流动；
所述步骤(3)具体为：超临界流体与聚合物熔体形成的高压均相体系和第二挤出机挤出的聚合物熔体在共挤机头处汇合，随后流入层倍增器，在层倍增器流道中两种熔体物料进行切割-分流-分层叠加，最后在机头出口处快速泄压，产生热力学不稳定以致在聚合物中产生大量气泡核，之后泡孔不断长大与稳定，最终形成实体/发泡层交替排列的聚合物发泡材料。
本交替多层共挤超临界发泡设备可应用于挤出和交替多层共挤超临界流体发泡过程。
本发明相对于现有技术，具有以下优势：
(1)本发明提出的交替多层共挤超临界发泡设备，具有结构简单、紧凑，使用方便，加工过程能耗低、效率高、便于操作，可连续、批量、大规模生产，易于在工业生产中推广。
(2)采用本发明交替多层共挤超临界发泡制备的发泡材料具有的特殊交替多层结构可使实体层起到限制发泡层的作用，从而较精确地控制发泡样品的泡孔结构，进而获得泡孔平均直径较小，平均密度和膨胀比较大的发泡样品。
(3)本发明采用超临界流体作为发泡剂，与目前采用化学发泡剂的交替多层共挤发泡法相比，发泡效果更好，且生产过程中不会产生刺激或毒性气体，绿色环保，成本较低。
附图说明
图1是本发明交替多层共挤超临界发泡设备的结构示意图。
图2是采用本发明交替多层共挤超临界发泡设备制备的具有矩形截面的实体层/发泡层交替结构发泡材料的结构示意图。
图3是采用本发明交替多层共挤超临界发泡设备制备的具有圆环形截面的实体层/发泡层交替结构发泡材料的结构示意图。
上述各图中标号说明如下：1-第一挤出机；2-第二挤出机；3-共挤机头；4-超临界注入***；5-单向阀；6-层倍增器；7-机头；8-第一压力传感器；9-第二压力传感器；10-第一热电偶；11-第二热电偶；12-第一料筒；13-第二料筒；14-发泡材料。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
图1示出了本发明交替多层共挤超临界发泡设备，包括第一挤出机1、第二挤出机2、共挤机头3、超临界注入***4、层倍增器6、机头7；超临界注入***4与第一挤出机1相连，第一挤出机1和第二挤出机2分别与共挤机头3相连为一体，层倍增器6与共挤机头3出口相连，机头7与层倍增器6出口相连。由于压力和温度会影响聚合物熔体的发泡效果，因此，采用第一压力传感器8和第二压力传感器9分别采集共挤机头3和机头7的压力；采用第一热电偶10和第二热电偶11分别控制层倍增器6和机头7的温度。
交替多层共挤超临界发泡设备的操作方法，包括下述步骤：待第一挤出机1和第二挤出机2的机筒加热到设定温度并稳定后，启动第一挤出机1和第二挤出机2，向第一料筒12和第二料筒13内分别加入待加工的聚合物物料，使物料在第一挤出机1和第二挤出机2机筒内进行固体输送、熔融、增压和泵送，物料熔融成熔体后，被连续稳定地向前挤出。聚合物熔体挤出过程稳定后，启动超临界注入***4，打开单向阀5，在设定的温度、压力和流量下均匀稳定地将超临界流体注入第一挤出机1机筒中，使超临界流体与聚合物熔体在第一挤出机1机筒内混合并形成高压均相体系，不断往前流动。超临界流体与聚合物熔体形成的高压均相体系和第二挤出机2挤出的聚合物熔体在共挤机头3处汇合，随后流入层倍增器6，在层倍增器6流道中两种熔体物料进行切割-分流-分层叠加，最后在机头7出口处快速泄压，产生热力学不稳定以致在聚合物中产生大量气泡核，之后泡孔不断长大与稳定，最终形成实体/发泡层交替排列的聚合物发泡材料14。
图2和图3示出了本发明的实施效果，当共挤机头3连接具有不同流道结构的层倍增器6时，可制备具有不同实体导/发泡层交替排列的聚合物发泡材料14，可丰富交替多层产品的类型与应用范围。图2是采用本发明交替多层共挤超临界发泡设备制备的具有矩形截面的实体层/发泡层交替结构发泡材料的结构示意图。图3是采用本发明交替多层共挤超临界发泡设备制备的具有圆环形截面的实体层/发泡层交替结构发泡材料的结构示意图。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种交替多层共挤超临界发泡设备，其特征在于：包括第一挤出机、第二挤出机、共挤机头、超临界注入***、层倍增器、机头；所述超临界注入***与所述第一挤出机相连，所述第一挤出机与所述第二挤出机分别与共挤机头相连为一体，所述层倍增器与共挤机头出口相连，所述机头与层倍增器出口相连。
2.根据权利要求1所述交替多层共挤超临界发泡设备，其特征在于：所述第一挤出机与所述第二挤出机均为双螺杆挤出机或单螺杆挤出机。
3.根据权利要求1所述交替多层共挤超临界发泡设备，其特征在于：所述第一挤出机为双螺杆挤出机，所述第二挤出机为单螺杆挤出机。
4.根据权利要求1所述交替多层共挤超临界发泡设备，其特征在于：所述超临界注入***可注入超临界氮气或超临界二氧化碳。
5.根据权利要求1所述交替多层共挤超临界发泡设备，其特征在于：所述层倍增器为矩形截面或圆环截面；所述机头出口可成型片材或圆管状制品。
6.一种如权利要求1～5任一项所述设备的操作方法，其特征在于：包括下述步骤：
(1)启动第一挤出机、第二挤出机，使聚合物物料塑化、熔融后形成熔体，被连续稳定地挤出；
(2)挤出过程稳定后，启动超临界注入***，将超临界流体注入第一挤出机机筒中，使超临界流体与聚合物熔体混合并形成高压均相体系，不断往前流动；
(3)高压均相体系和第二挤出机挤出的聚合物熔体在共挤机头处汇合，流入层倍增器，在层倍增器流道中进行分层叠加，最后在机头出口处快速泄压，从而形成实体/发泡层交替排列的聚合物发泡材料。
7.根据权利要求6所述设备的操作方法，其特征在于：
所述步骤(1)为：待第一挤出机和第二挤出机机筒加热到设定温度并稳定后，启动第一挤出机、第二挤出机，向两个料筒内分别加入待加工的聚合物物料，使物料在挤出机机筒内进行固体输送、熔融、增压和泵送，物料熔融成熔体后，被连续稳定地向前挤出；
所述步骤(2)为：聚合物熔体挤出过程稳定后，启动超临界注入***，在设定的温度、压力和流量下均匀稳定地将超临界流体注入第一挤出机机筒中，使超临界流体与聚合物熔体在第一挤出机机筒内混合并形成高压均相体系，不断往前流动；
所述步骤(3)为：超临界流体与聚合物熔体形成的高压均相体系和第二挤出机挤出的聚合物熔体在共挤机头处汇合，随后流入层倍增器，在层倍增器流道中两种熔体物料进行切割-分流-分层叠加，最后在机头出口处快速泄压，产生热力学不稳定以致在聚合物中产生大量气泡核，之后泡孔不断长大与稳定，最终形成实体/发泡层交替排列的聚合物发泡材料。
8.一种如权利要求1～5任一项所述设备的应用，应用于挤出和交替多层共挤超临界流体发泡过程。
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