一種納米疊層複合材料製備裝置

《一種納米疊層複合材料製備裝置》是北京化工大學於2009年11月20日申請的發明專利，該專利的申請號為2009102376225，公布號為CN102069579A，公布日為2011年5月25日，發明人是楊衛民、王德禧、丁玉梅，該專利屬於先進材料加工技術領域。

《一種納米疊層複合材料製備裝置》包括有塑化裝置、匯流器、疊層複合發生器、成型裝置，它們前後依次串聯。所述疊層複合發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複合發生器中繼續向前流動時旋轉90度並且展寬m倍，在出口端與相鄰熔體層相互匯流成n×m層的疊層結構；再串聯一個同樣的疊層複合發生器，可得到n×m×m層結構；如果串聯k個同樣的疊層複合發生器，則可得到n×m層的多層結構複合材料。

2014年11月6日，《一種納米疊層複合材料製備裝置》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種納米疊層複合材料製備裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種納米疊層複合材料製備裝置
• 公布號：CN102069579A
• 公布日：2011年5月25日
• 申請號：2009102376225
• 申請日：2009年11月20日
• 申請人：北京化工大學
• 地址：北京市朝陽區北三環東路15號
• 發明人：楊衛民、王德禧、丁玉梅
• 分類號：B29C47/06（2006.01）I；B29C47/70（2006.01）I；B29C45/16（2006.01）I；B29C45/58（2006.01）I
• 類別：發明專利

專利背景

層狀納米複合材料由於在力學性能、阻隔性能、導電性能、光學性能等方面具有獨特的優點，套用前景廣泛，從而成為材料領域的熱點研究課題，並已取得了一些研究成果，提出了一系列用於製備層狀複合高分子材料的多層擠出模具。從2009年11月前公開的專利來看，最早有W.J.Shrenk等人申請的美國專利3557265、3565985、3884606，以及後來的中國專利CN1511694A，200610022348.6等，相關專利技術基本上屬於擠出口模類，還沒有涉及到注射成型中直接製備高分子納米疊層複合材料製品的技術方案；在分層原理上早期提出的技術方案主要是採用多流道方式，每個流道控制一層，結構設計過於複雜，分層數量較少。最近郭少雲等人提出了一項發明專利200610022348.6，設計了一種分疊器。其核心內容和技術特徵在於該分疊器可將入口端的層狀矩形熔體分割成兩股，然後上下錯開，展寬交匯實現一次摺疊。通過多個分疊器串聯使用可得到多層結構的高分子材料。但是，採用這一技術方案要在1毫米的擠出口模內獲得納米級的複合材料（層間厚度≤100納米），則要求串聯的分疊器在10個以上，由於熔體每經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構造成一定程度的破壞，因此串聯個數不宜太多；此外，左右分割開的兩股熔體上下錯開然後匯合到一起的設計方式，由於流動的不對稱性會給流道設計帶來很大的困難，並且按照一種材料設計的流道對流變參數差異較大的另一種材料就不合適。因此，要想獲得性能優異的納米級層狀高分子複合材料，還需要尋求更加有效的解決方案，以克服上述不足。

發明內容

專利目的

針對2009年11月前已有技術在製備高性能納米層狀複合材料方面的不足，《一種納米疊層複合材料製備裝置》的目的旨在提供一種分割效率更高（分割份數可以大於2），流動對稱性高，分層過程中壓力損失小的疊層複合材料的製備裝置；同時將該項技術從擠出成型擴展到注射成型等領域；並可適應多種納米複合材料材料的製備與成型加工。

技術方案

《一種納米疊層複合材料製備裝置》主要包括有熔融塑化供料裝置、匯流器、疊層複合發生器、成型裝置，熔融塑化供料裝置、匯流器、疊層複合發生器、成型裝置前後依次串聯，匯流器將來自n個塑化供料裝置的n層熔體疊合成一層複合熔體，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，所得最終製品的各層厚度相同；如果匯合時流道間隙不相同，所得最終製品的各層厚度不相同；所以匯流器有n個入口，複合熔體在離開匯流器時沿寬度方向平均分割成m等分，匯流器與疊層複合發生器對接，每一等分在疊層複合發生器中繼續向前流動時旋轉90度並且展寬m倍，在出口端相互匯流成為n×m層的疊層結構，該疊層結構熔體在疊層複合發生器出口再平均分割成m等分，疊層複合發生器入口熔體通道尺寸與旋轉90度的出口的熔體通道尺寸相同；再對接一個同樣的旋轉90度的疊層複合發生器，則可得到n×m×m層結構；如果串聯k個同樣的疊層複合發生器，則可得到n×m層的多層結構複合材料，最後一個疊層複合發生器的熔體在出口不再分割，與成型裝置連線後經過成型裝置得到最終製品。n和m為不小於2的整數，k為不小於1的整數。例如：將兩種組分的高分子熔體匯流後經過5等分的疊層複合發生器，串聯6個相同的疊層複合發生器，得到總層數為2×5＝31250層的多層複合結構體。該層狀熔體從1毫米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32納米，如果進一步將其拉伸至於0.1毫米厚度時，該複合材料的每種高分子材料的層間厚度即可達到3.2納米，從而利用該裝置可以比較容易地製備層間厚度小於100納米的納米複合材料。由於該發明採用熔體分割後旋轉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2009年11月前已有技術一分為二的限制，可以實現一分為三、一分為十甚至更多，僅以一分為四和2009年11月前已有一分為二的技術對比，由於達到相同的分層數，串聯單元數可減少一半，相應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採用。同時，由於在熔體分割後旋轉90度的設計，使疊層流道在流動展寬並且變薄的過程中容易保持對稱性結構，設計製造工藝簡單，精度容易保證，並且對物料的適應性提高。

該發明一種納米疊層複合材料製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複合材料、陶瓷基複合材料或金屬基複合材料。成型裝置是擠出機頭、注射噴嘴與模具的組合或壓制模具。

改善效果

該發明可廣泛套用於製備各種熔融共混加工的層狀納米複合材料，如高分子複合材料領域既可直接生產薄膜、板材和型材料，也可生產母粒，還可以推廣套用到在陶瓷基複合材料、金屬基複合材料等領域。該發明的納米疊層複合發生器還可以與帶有兩個以上塑化裝置的注塑膠或壓鑄機聯用，直接加工層狀複合材料製品。

附圖說明

圖1是該發明一種納米疊層複合材料製備裝置（擠出成型）的外觀結構示意圖。

圖2是該發明一種納米疊層複合材料製備裝置疊層複合發生器中入口某段熔體旋轉90度展寬示意圖。

圖3是該發明一種納米疊層複合材料製備裝置疊層複合發生器中疊層複合原理示意圖。

圖4是該發明一種納米疊層複合材料製備裝置（注射成型）的外觀結構示意圖。

圖中：1塑化供料裝置；2匯流器；3疊層複合發生器；3-1匯流器內的n層高分子熔體；3-2分疊流道；3-3疊層結構的熔體；4成型裝置；5注射噴嘴；6模具。

權利要求

1.《一種納米疊層複合材料製備裝置》主要包括有塑化供料裝置、匯流器、疊層複合發生器、成型裝置，塑化供料裝置、匯流器、疊層複合發生器、成型裝置前後依次串聯，塑化供料裝置有n個，匯流器有n個入口，每個入口連線一個塑化供料裝置，其特徵在於，匯流器的流道將n層高分子熔體疊加形成一層複合熔體，複合熔體在離開匯流器時沿寬度方向平均分割成m等分；匯流器與疊層複合發生器對接，每一等分的熔體在疊層複合發生器的流道中繼續向前流動時旋轉90度並且展寬m倍，再匯流成為n×m層的疊層結構熔體，疊層結構熔體在疊層複合發生器出口再平均分割成m等分，疊層複合發生器入口熔體通道尺寸與旋轉90度的出口的熔體通道尺寸相同；再對接一個同樣的旋轉90度的疊層複合發生器，則可得到n×m×m層結構；串聯k個同樣的疊層複合發生器，則可得到n×m層的多層結構複合材料；最後一個疊層複合發生器的熔體在出口不再分割，與成型裝置連線後經過成型裝置的流道得到納米疊層複合材料製品；n和m為不小於2的整數，k為不小於1的整數。

2.根據權利要求1所述的一種納米疊層複合材料製備裝置，其特徵在於，匯流器的匯流流道間隙相同或不同。

3.根據權利要求1所述的一種納米疊層複合材料製備裝置，其特徵在於，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.根據權利要求1所述的一種納米疊層複合材料製備裝置，其特徵在於，在匯流器內的n層高分子熔體在匯流器出口不分割，該熔體在進入疊層複合發生器的入口流道後再平均分割成m等分，然後每一等分在疊層複合發生器分疊流道中繼續向前流動時旋轉90度並且展寬m倍，在出口端相互匯流成為n×m層的疊層結構的熔體，疊層結構的熔體在離開疊層複合發生器時不分割，經過k個疊層複合發生器後與成型裝置連線，成型裝置的熔體入口與疊層複合發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。

實施方式

實施例1

該實施例公開的一種納米疊層複合材料製備裝置，整體外形如附圖1所示，包括有兩台或多台擠出機的塑化供料裝置1、匯流器2、疊層複合發生器3、成型裝置4，它們前後依次串聯。所述疊層複合發生器3的主要功能結構是將來自n個塑化供料裝置的高分子熔體經匯流器2匯集成匯流器內的n層高分子熔體3-1，各層熔體的厚度相同，匯流器內的n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，每一等分在疊層複合發生器分疊流道3-2中繼續向前流動時旋轉90度並且展寬m倍，在出口端相互匯流成為n×m層的疊層結構的熔體3-3。圖2是疊層複合發生器3中某段熔體旋轉90度展寬示意圖。該實施例中將兩種組分的高分子熔體匯流後經過4等分的疊層複合發生器3，串聯8個相同的疊層複合發生器3，可得到的複合材料層數為2×4＝131072層，將多層複合材料擠出為1毫米厚度片才時，該複合材料的層間厚度可達到7.63納米，從而可以採用該裝置製備納米複合材料。

疊層複合發生器3的流道加工可採用精密鑄造方法或電鍍的方法，或將疊層複合發生器3剖切成片，每片採用數控加工獲得所需的流道形狀，分片加工後再組裝成疊層複合發生器3。

在匯流器內的n層高分子熔體3-1在離開匯流器2時不分割，該熔體在進入疊層複合發生器3後先平均分割成m等分，然後每一等分在疊層複合發生器分疊流道3-2中繼續向前流動時旋轉90度並且展寬m倍，在出口端相互匯流成為n×m層的疊層結構的熔體3-3，疊層結構的熔體3-3在離開疊層複合發生器3時不分割，這樣k個疊層複合發生器3對接後與成型裝置連線後得到製品，成型裝置4的熔體入口與疊層複合發生器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，最後獲得擠出製品。圖3是該發明核心部件疊層複合發生器3的熔體流道的一種實施方案圖。這種結構形式使得匯流器和成型裝置的加工難度降低，在疊層複合發生器內完成分割與匯合，對接接口的流道只有一個，密封容易實現，各分支的流動平衡容易保證。

實施例2

該實施例公開的另外一種納米疊層複合材料製備裝置的例子，整體外形如附圖4所示，包括有兩台或多台注塑機的塑化供料裝置1、匯流器2、疊層複合發生器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、疊層複合發生器3、注射噴嘴5前後依次串聯，注射成型時噴嘴5與模具6相連。所述疊層複合發生器3的主要功能結構是將匯流器擠出的n層高分子熔體3-1沿寬度方向平均分割成m等分，每一等分在疊層複合發生器的分疊流道3-2中繼續向前流動時旋轉90度並且展寬m倍，在出口端相互匯流成為n×m層的疊層結構的熔體3-3，通過噴嘴5注射進入模具6的型腔中，冷卻定型後可得到高分子疊層複合材料注射成型製品。

榮譽表彰

2014年11月6日，《一種納米疊層複合材料製備裝置》獲得第十六屆中國專利優秀獎。