一种界面可控的材料基因重组共混改性技术

1.本发明涉及一种界面可控的材料基因重组共混改性技术，属于材料共混改性技术领域。


背景技术：

2.材料基因重组技术是近几年兴起的材料研究新理念和新方法，是当今世界材料科学与工程领域的最前沿。材料基因工程借鉴人类基因组计划，探究材料结构与材料性质变化的关系。并通过调整单体材料的配方、改变材料的堆积方式或搭配，结合不同的工艺制备，得到具有特定性能的重组复合材料。
3.据报道，最近十几年，世界聚合物共混物的世界年均需求增长率为10％左右，而其中附加值最高的工程塑料的增长率更高达15％左右。对现有的聚合物单体材料进行基因重组、共混改性或复合增强，已成为聚合物材料领域的一种经济而有效的途径。将不同种类的单体聚合物采用物理或化学的方法共混，不仅可以显著改善原单一聚合物的性能，形成具有优异性能的聚合物复合体系，而且可以极大地降低聚合物材料开发和研制过程中的费用，降低成本。现有的聚合物共混改性技术中，每种聚合物单体材料在共混后的复合材料中大多存在分布边界不可控、分布不均匀等问题，从而造成共混后的复合材料不能充分发挥每种单体材料的优越性能。
4.因此如何确保每种聚合物单体在共混改性后的复合材料中分布边界可控，且综合各单体材料的优越性能，取长补短，消除各单一聚合物组分的弱点，获得综合性能较为理想且特定的聚合物共混材料，是目前聚合物共混改性技术中需要解决的关键问题。


技术实现要素：

5.本发明提出一种界面可控的材料基因重组共混改性技术，基于材料基因重组与共混改性原理，针对现有高聚物复合材料中存在单体材料分布不均匀、分布不可控，从而不能加工具有特定性能的聚合物复合材料的难题，提出一种界面可控的材料基因重组共混改性技术，预先通过对多种单体材料按照给定的相对位置和比例组合搭配，即实现对多种单体材料的基因重组，并结合本发明的制备工艺，利用辅助材料胶黏剂或相容剂从而控制多组分材料之间的占比及界面状态，得到具有特定性能的基因重组复合材料，保证了单体材料在复合体系中分布可控性，兼具各单体材料优异性能的同时，取长补短，消除各组分单体材料的弱点，获得具有特定性能的基因重组复合材料。
6.本发明的技术方案：本发明一种界面可控的基因重组共混改性技术，主要包括材料基因重组多单元塑化挤出装置、机架、拉伸装置、双螺杆共混装置、造粒装置，材料基因重组挤出装置主要包括材料基因重组多单元塑化挤出装置模头、三台单螺杆挤出机及其驱动系统，材料基因重组多单元塑化挤出装置模头为螺旋芯棒式三层共挤模头，主要包括芯层进料口、中间层进料口、外层进料口、分流筋和螺旋芯棒，拉伸装置由两对差速辊组成，双螺杆共混装置主要包括双螺杆共混装置喂料装置和双螺杆共混挤出机；造粒装置主要包括水
下切粒机、干燥机和收集箱。本发明中机架为双层结构，其中材料基因重组多单元塑化挤出装置布置在机架顶层，双螺杆共混装置布置在机架底层，造粒装置水平排列在双螺杆共混装置后方，拉伸装置固定在机架上，竖直布置在底层双螺杆共混装置的上方。在材料基因重组多单元塑化挤出装置中，三台单螺杆挤出机及其驱动系统水平布置在材料基因重组多单元塑化挤出装置的模头两侧，三台单螺杆挤出机及其驱动系统分别与芯层进料口、中间层进料口、外层进料口相连，预先通过对每台单螺杆挤出机及其驱动系统的挤出单元中加入单体材料的品种及配比的变化，将每种单体材料按特定的搭配方式及比例变化进行预先调控，从而控制多组分材料之间的每种单体材料的占比，可得到具有特定性能的基因重组复合材料。将三种单体材料a、b、c按预先的搭配方式分别加入到不同的单螺杆挤出机中共挤出，a、c为不相容材料，b为与a和c都相容的材料，根据所需复合材料中每种单体材料的占比多少，预先对每种单体材料按合适的配比加入到单螺杆挤出机中，在材料基因重组多单元塑化挤出装置模头中，熔融态单体材料按模头特定的结构进行流动，三种熔融态单体材料a、b、c分别由各自的芯层进料口、中间层进料口、外层进料口流入材料基因重组多单元塑化挤出装置的模头中，芯层熔体与中间层熔体分别经熔体分配器后，分别进入内层环形流道与中间层环形流道，外层熔体经分流筋后流入十字形外流道，外层熔体与中间层熔体在接近模头出口处时预先汇流，随后两种熔体共同流动与内层熔体完成最终汇流，在模头出口处完成三层熔体的共挤出，此时重组复合材料为多层结构，每层单体材料的界面层次分明，其中中间层材料为内层单体材料与外层单体材料的相容剂或胶黏剂，在重组复合材料中充当为辅助材料。可根据预期的三种单体材料a、b、c在重组后复合材料中的占比多少与界面状态，任意的通过对每台单螺杆挤出机及其驱动系统中加料品种及配比的变化，并利用胶黏剂或相容剂将每种单体材料进行复合，其中a、c两种材料作为基础材料，b为辅助材料，用来控制内层材料与外层材料的界面状态，经材料基因重组多单元塑化挤出装置的模头中基因重组后可得到多种具有特定性能且边界可控的重组复合材料，如需制备更多组分的重组复合材料可增加材料基因重组多单元塑化挤出装置中的单螺杆挤出机及其驱动系统的数量，并相应调整摸头的结构即可。随后通过拉伸装置对挤出后的初始重组复合材料结构进行拉伸细化，使复合材料单位最小化，拉伸得到丝或膜，拉伸装置由两对竖直布置的快拉辊与慢拉辊组成，两对差速辊分别固定在机架上，其转速分别由各自的驱动电机进行调节，利用快拉辊与慢拉辊之间的速度差达到对初始重组复合材料拉伸细化的目的。双螺杆共混装置主要包括双螺杆共混装置喂料装置、双螺杆共混挤出机，双螺杆共混挤出机的两根共混螺杆旋向相同且平行布置，经拉伸细化后的初始重组复合材料堆积在双螺杆共混装置喂料装置中，依靠两根混料螺杆的同向啮合作用，将堆积在料斗中的初始重组材料牵引至双螺杆共混装置的机筒中进行熔融共混，得到具有特定性能的基因重组复合材料，其中每种单体材料的界面状态及分布占比与与预期的搭配方式保持一致，随后经过造粒装置完成对重组复合材料的切粒加工，得到基因重组复合材料粒料，通过收集箱完成对基因重组复合材料粒料的收集。
7.本发明一种界面可控的基因重组共混改性技术，由拉伸装置得到的丝或膜经破碎后加入到双螺杆共混装置喂料装置中。
8.本发明一种界面可控的基因重组共混改性技术，双螺杆共混装置喂料装置中增设辅助加料装置，使经由拉伸装置得到的丝或膜顺利进入双螺杆中。
9.本发明一种界面可控的基因重组共混改性技术，三种单体材料a、b、c中a和c为相容材料，可以省略b。
10.本发明一种界面可控的材料基因重组共混改性技术，改变了现有技术混炼方法，基于材料基因重组与共混改性原理，借鉴多层复合拉伸技术，利用材料基因重组多单元塑化挤出装置，预先通过对每台单螺杆挤出单元中加入单体材料的品种及配比的变化，将每种单体材料预选按特定的搭配方式进行组合，从而控制多组分材料之间的占比及界面状态，得到具有特定性能的基因重组复合材料，由于现有成型设备的加料系统不适合加入丝和膜，最终由双螺杆进一步塑化后造粒得到满足性能要求的颗粒料，颗粒料再进行制品成型，所得颗粒料复合材料综合了各单体材料的优越性能，取长补短，消除各单一聚合物组分的弱点，实现界面可控、基因重组复合。
附图说明
11.图1为本发明一种界面可控的材料基因重组共混改性技术涉及装置的示意图。
12.图2为本发明一种界面可控的材料基因重组共混改性技术涉及装置的多台单螺杆挤出机及其驱动系统布置的主视图。
13.图3为本发明一种界面可控的材料基因重组共混改性技术涉及装置的多台单螺杆挤出机及其驱动系统布置的俯视图。
14.图4为本发明一种界面可控的材料基因重组共混改性技术涉及装置的多台单螺杆挤出机及其驱动系统布置的模头结构示意图。
15.图5为本发明一种界面可控的材料基因重组共混改性技术中三组分基因重组复合材料结构示意图。
16.图中：1—材料基因重组多单元塑化挤出装置；1-1—材料基因重组多单元塑化挤出装置模头；1-2—单螺杆挤出机；1-3—单螺杆挤出机驱动电机；1-4—芯层进料口；1-5—中间层进料口；1-6—外层进料口；1-7—分流筋；1-8—螺旋芯棒；2—机架；3—拉伸装置；4—双螺杆共混装置；4-1—双螺杆共混装置喂料斗；4-2—双螺杆共混装置驱动电机；4-3—共混螺杆；5—水下切粒机；6—干燥机；7—收集箱。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本实施例通过制备三组分界面可控的的材料基因重组复合材料为例，概述本发明所涉及的一种界面可控的材料基因重组共混改性技术，并不局限于本实施例中所制备三组分界面可控的材料基因重组复合材料，如需制备更多组分的界面可控基因重组复合材料，可增加材料基因重组多单元塑化挤出装置中单螺杆挤出机的数量，并相应调整模头结构即可。
18.本发明涉及一种界面可控的基因重组共混改性技术，见图1所示，装置主要包括材料基因重组多单元塑化挤出装置1、机架2、拉伸装置3、双螺杆共混装置4、造粒装置，其中材料基因重组多单元塑化挤出装置1主要包括材料基因重组多单元塑化挤出装置模头1-1、单螺杆挤出机1-2、单螺杆挤出机驱动电机1-3，见图2、图3所示，材料基因重组多单元塑化挤出装置模头1-1为螺旋芯棒式三层共挤模头，主要包括芯层进料口1-4；中间层进料口1-5；
外层进料口1-6；分流筋1-7；螺旋芯棒1-8，见图4所示，拉伸装置3由两对差速辊组成，双螺杆共混装置4主要包括双螺杆共混装置喂料斗4-1、双螺杆共混装置驱动电机4-2、共混螺杆4-3。本发明中机架2为双层结构，其中材料基因重组多单元塑化挤出装置1布置在机架2顶层，双螺杆共混装置4布置在机架2底层，造粒装置包括水下切粒机5、干燥机6和收集箱7，造粒装置水平排列在双螺杆共混装置4后方，拉伸装置3固定在机架2上，竖直布置在底层双螺杆共混装置4的上方。在材料基因重组多单元塑化挤出装置1中，三根单螺杆挤出机1-2水平布置在材料基因重组多单元塑化挤出装置模头1-1两侧，通过单螺杆挤出机驱动电机1-3提供动力，每个单螺杆挤出机1-2分别与芯层进料口1-4、中间层进料口1-5、外层进料口1-6相连，预先通过对每个单螺杆挤出单元中加入单体材料的品种及配比的变化，将每种单体材料预选按特定的搭配方式进行组合。首先，将三种单体材料a、b、c按预先的搭配方式分别加入到不同的单螺杆挤出机1-2中共挤出挤出，在材料基因重组多单元塑化挤出装置模头中，熔融态单体材料按模头特定的结构进行流动，三种熔融态单体材料a、b、c分别由各自的芯层进料口1-4、中间层进料口1-5、外层进料口1-6流入材料基因重组多单元塑化挤出装置的模头1-1中，芯层熔体与中间层熔体分别经熔体分配器后，分别进入内层环形流道与中间层环形流道，外层熔体经分流筋1-7后流入十字形外流道，外层熔体与中间层熔体在接近模头出口处时预先汇流，随后两种熔体共同流动与内层熔体完成最终汇流，在模头出口处完成三层熔体的共挤出，此时重组复合材料为多层结构，每层单体材料的界面层次分明,见图5所示。本实施中可根据预期的三种单体材料a、b、c在重组后复合材料中的占比多少与界面状态，通过对每个单螺杆挤出机中加料品种及配比的变化，得到多种三组分边界可控的重组复合材料，本实施例中以a、c两种材料作为基础材料，b为辅助材料，用来控制内层材料与外层材料的界面状态，如图4所示，三种单体材料a、b、c在材料基因重组多单元塑化挤出装置的模头1-1中基因重组后，根据预先加入每种单体材料的占比多少，可得到多种不同种类具有特定结构及性能的重组复合材料，如需制备更多组分的重组复合材料可增加材料基因重组多单元塑化挤出装置1中的单螺杆挤出机的数量，并相应调整摸头的结构即可。随后通过拉伸装置3对挤出后的初始重组复合材料结构进行拉伸细化，拉伸装置3由两对竖直布置的快拉辊与慢拉辊组成，两对差速辊分别固定在机架2上，其转速分别由各自的驱动电机进行调节，利用快拉辊与慢拉辊之间的速度差达到对初始重组复合材料结构拉伸细化的目的。双螺杆共混装置4主要包括双螺杆共混装置喂料斗4-1、两个双螺杆共混装置驱动电机4-2、两根旋向相同且平行布置的共混螺杆4-3，混料螺杆4-3分别由双螺杆共混装置驱动电机4-2提供动力，两根共混螺杆4-3的旋向、转速始终保持相同，经拉伸细化后的初始重组复合材料堆积在双螺杆共混装置喂料装置4-1中，依靠两根混料螺杆4-3的同向啮合作用，将堆积在双螺杆共混装置喂料装置4-1中的初始重组材料牵引至双螺杆共混装置中，双螺杆共混装置中两根共混螺杆4-3可对重组后的复合材料提供充分的剪切力，以确保材料的进一步均匀塑化，从而得到多种具有特定性能的基因重组复合材料，其中每种单体材料的界面状态及分布占比与与预期的搭配方式保持一致，随后经过水下切粒机5完成对重组复合材料的切粒加工，在干燥机6中对重组复合材料表面残留的水分进行干燥，通过收集箱7完成对基因重组复合材料粒料的收集。