提高超声在聚合物挤出中的应用效果的方法及装置

摘要

本发明公开了一种提高超声在聚合物挤出中的应用效果的方法及装置，采用稀土超磁致伸缩材料制作的稀土超磁致伸缩超声换能器作为超声发生源，使稀土超磁致伸缩超声换能器通过钛合金变幅杆与聚合物熔体接触，从而直接将超声振动传导至聚合物熔体中，以增加超声对聚合物熔体反应挤出时的作用强度及反应程度。本发明采用稀土超磁致伸缩材料制作稀土超磁致伸缩超声换能器，稀土超磁致伸缩超声换能器的功率大，而且耐热性能好，稀土超磁致伸缩超声换能器通过直接与聚合物熔体接触的钛合金变幅杆将超声振动传导至聚合物熔体中，极大的提高了超声在聚合物挤出中的应用效果，在聚合物熔体反应挤出时，作用强度更大，反应程度更高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合物加工方法及装置，尤其是一种提高超声在聚合物挤出中的应用效果的方法及装置。

背景技术

目前，近20年来，国内外的研究表明将超声应用于聚合物熔体挤出加工过程中，可以提高聚合物熔体挤出加工性能；促进聚合物在熔体挤出过程中发生反应；超声可以提高聚合物/聚合物共混物的相容性同时提高聚合物/聚合物共混的力学性能；超声作用可以提高无机填料在聚合物基体中的分散性和减小无机填料的相形态尺寸，同时提高聚合物/无机填料共混物的力学性能。

但是，当前的国内外发明的聚合物超声挤出装置其超声设备采用的是压电超声换能器，压电超换能器的致动材料为压电陶瓷。压电超声换能器不能提供单个换能器足够大的功率，传统压电陶瓷制造的连续工作的功率超声换能器功率不超过2 kW，且压电陶瓷换能器长期使用的环境温度不高于150℃。聚合物熔体挤出过程熔体温度通常在150℃以上，过高的温度会使得压电陶瓷压电效应减小，长期使用压电陶瓷的压电效应会失效且不可回复，造成超声功率和频率不稳定，因此将压电陶瓷的换能器应用于聚合物挤出过程中，不能产生长时持续稳定的超声，使得生产的产品性能不稳定。受限于压电超声换能器产生的功率低和稳定性差，同时受加装超声装置方式的影响，当前国内外的超声聚合物挤出装置尚处于实验室阶段，还不能实现长时稳定的工业化生产；在高速的工业化生产时高速挤出情况下，超声有效性差，因此，至今还没有可以满足工业化生产需求的聚合物超声挤出装置。目前，国内外的聚合物超声挤出装置只能进行慢速的聚合物熔体挤出造粒，单位时间产量有限，还不能实现快速的聚合物熔体挤出造粒以及板材、异型材和管材等的挤出。老式的磁致伸缩超声换能器，转换率低能耗高，不适宜用于聚合物的超声挤出。

发明内容

本发明的目的是：提供一种提高超声在聚合物挤出中的应用效果的方法及装置，它能实现聚合物及聚合物共混物的长时稳定连续超声挤出加工，且能耗低，应用效果好，能实现快速的工业化生产，以克服现有技术的不足。

本发明是这样实现的：提高超声在聚合物挤出中的应用效果的方法，采用稀土超磁致伸缩材料制作的稀土超磁致伸缩超声换能器作为超声发生源，使稀土超磁致伸缩超声换能器通过钛合金变幅杆与聚合物熔体接触，从而直接将超声振动传导至聚合物熔体中，以增加超声对聚合物熔体反应挤出时的作用强度及反应程度。

提高超声在聚合物挤出中的应用效果的装置，包括双螺杆挤出机，在双螺杆挤出机的模口上方设有稀土超磁致伸缩超声换能器，在稀土超磁致伸缩超声换能器上连接有电源，在稀土超磁致伸缩超声换能器的底部连接有钛合金变幅杆；在双螺杆挤出机的模口上连接有多功能组合模头，多功能组合模头的顶部设有一个使模具型腔与外部连通的空腔，钛合金变幅杆处于空腔中，在钛合金变幅杆与空腔的顶部之间设有高耐热硅橡胶垫片，聚合物熔体挤出过程中熔体紧贴钛合金变幅杆下端面流动。

在稀土超磁致伸缩超声换能器的底部设有超声换能器固定装置。保证稀土超磁致伸缩超声换能器在聚合物挤出加工过程中的稳定性。

在稀土超磁致伸缩超声换能器与钛合金变幅杆的连接部分上设有超声变幅杆定位装置。保证在聚合物挤出加工过程中钛合金变幅杆的稳定性，有利于提高加工效果。

在稀土超磁致伸缩超声换能器的外部设有冷却型腔，并在稀土超磁致伸缩超声换能器上设有与冷却型腔连通的循环冷却油入口及循环冷却油出口，另设有一个低温循环冷却装置，循环冷却油入口及循环冷却油出口均与低温循环冷却装置连接。采用低温循环冷却装置可以降低稀土超磁致伸缩超声换能器在使用过程中的温度，提高长时间使用的稳定性。

采用稀土超磁致伸缩材料制造的稀土超磁致伸缩超声换能器，其功率可以达到6～25KW，适宜制造大尺寸的超声变幅杆，使用环境温度可高达380℃，在300℃以上的工作环境中也可以连续工作10小时以上。因此采用稀土超磁致伸缩材料制造的超声设备更适宜制造聚合物超声挤出加工装备。

为了验证本发明的效果，进行了以下实验对比：

1、采用相同的挤出机，挤出机转速为150转/分钟，挤出温度为200℃时， 加入有机过氧化物催化剂，普通方法挤出ABS熔融接枝GMA，接枝率最高为0.4%；在此稀土超磁致伸缩超声设备超声作用下可将接枝率提高到2.0%。

2、采用相同的挤出机，挤出机转速为150转/分钟，挤出温度为230℃时，普通方法挤出PA6/ABS/GMA获得的产品缺口冲击强度为23KJ/m²，在此稀土超磁致伸缩超声设备超声作用下可将冲击强度提高至57KJ/m²。

3、采用相同的挤出机，挤出机转速为150转/分钟，挤出温度为250℃时，普通方法挤出PBT/2%纳米碳酸钙，获得的产品拉伸强度为47MPa，冲击强度为45KJ/m²；在此稀土超磁致伸缩超声设备超声作用下可将拉伸强度和冲击强度分别提高至56MPa和67KJ/m².

根据对比实验可以看出，采用本发明的方法，可以在高速生产的情况下，仍能明显提高聚合物熔融反应程度，提高聚合物/聚合物体系、聚合物/无机填料体系的相容性，与常规方式获得的产品相比，根据本发明的方法挤出得到的产品的物理性能有非常明显的提升。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明采用稀土超磁致伸缩材料制作稀土超磁致伸缩超声换能器，稀土超磁致伸缩超声换能器的功率大，而且耐热性能好，稀土超磁致伸缩超声换能器通过直接与聚合物熔体接触的钛合金变幅杆将超声振动传导至聚合物熔体中，极大的提高了超声在聚合物挤出中的应用效果。由于稀土超磁致伸缩超声换能器的功率大，而大功率的超声换能器产生的超声对聚合物及聚合物共混物的作用更显著，更有利于聚合物共混物力学性能的稳定提高；并且由于更大面积的钛合金变幅杆直接与聚合物熔体接触且接触时间更长，因此在聚合物熔体反应挤出时，作用强度更大，反应程度更高；即使在工业化生产时高速挤出的情况下，超声对聚合物共混物力学性能的提高仍很明显，由于稀土超磁致伸缩超声换能器的耐热性能好，因此即使在长时间的连续挤出过程中，也能产生持续稳定的产生超声，保证挤出的产品性能稳定，可以实现聚合物超声挤出生产高性能板材、异型材及管材等。本发明的方法简单，容易实施，所采用的装置结构简单，制作方便，成本低廉，使用效果好。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图;

附图2为本发明的稀土超磁致伸缩超声换能器的仰视图。

具体实施方式

本发明的实施例：提高超声在聚合物挤出中的应用效果的方法，采用稀土超磁致伸缩材料制作的稀土超磁致伸缩超声换能器作为超声发生源，使稀土超磁致伸缩超声换能器通过钛合金变幅杆与聚合物熔体接触，从而直接将超声振动传导至聚合物熔体中，以增加超声对聚合物熔体反应挤出时的作用强度及反应程度。

提高超声在聚合物挤出中的应用效果的装置的结构如图1所示，包括双螺杆挤出机1，在双螺杆挤出机1的模口上方设有稀土超磁致伸缩超声换能器3，在稀土超磁致伸缩超声换能器3上连接有电源2，在稀土超磁致伸缩超声换能器3的底部连接有钛合金变幅杆4，在稀土超磁致伸缩超声换能器3与钛合金变幅杆4的连接部分上设有超声变幅杆定位装置12，在稀土超磁致伸缩超声换能器3的底部设有超声换能器固定装置11；在双螺杆挤出机1的模口上连接有多功能组合模头6，多功能组合模头6的顶部设有一个使模具型腔与外部连通的空腔9，钛合金变幅杆4处于空腔9中，在钛合金变幅杆4与空腔9的顶部之间设有高耐热硅橡胶垫片10；另外，在稀土超磁致伸缩超声换能器3上设有周边型腔，并在稀土超磁致伸缩超声换能器3上设有与周边型连通的循环冷却油入口7及循环冷却油出口8，采用一套以导热油为介质低温循环冷却装置5，循环冷却油入口7及循环冷却油出口8均与低温循环冷却装置5连接（在使用过程中，低温循环冷却系统5的循环冷却油从入口7流入稀土超磁致伸缩超声换能器3的周边型腔，从出口8流出稀土超磁致伸缩超声换能器3的周边型腔回到低温循环冷却装置5中）。