一种高阻隔性微纳叠层复合材料的制备装置及方法

摘要

本发明公开了一种高阻隔性微纳叠层复合材料的制备装置及方法，属于高分子材料成型加工领域，制备装置主要包括塑化供料装置、连接器、汇流器、层叠器、成型装置，塑化供料装置、连接器、汇流器、层叠器、成型装置前后依次串联连接，层叠器为反向层叠器或反向层叠器与同向层叠器的组合，反向层叠器的数量大于或等于1，由反向层叠器出来的流体的阻隔材料或/和粘结性材料被包裹在基材内，复合流体的最外层都为基材，这种复合流体无论是再经过一个或若干个反向层叠器还是同向层叠器，复合流体的最外层都为基材，复合流体在再次汇流时相接触的是同种材料，层间粘接性好，在复合流体达到预期的层序和层厚之后，最后进入成型装置被加工定型成相应制品。

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料成型加工领域，更具体地说，是涉及一种具有阻隔性的多层高分子复合材料加工制备的装置及方法。

背景技术

微纳叠层复合材料由于在力学性能、阻隔性能、导电性能、光学性能等方面具有独特的优点，应用前景广阔，越来越受到人们的重视。通常采用干式复合、多层共挤以及模内层叠等方法进行生产加工高阻隔性微纳叠层复合材料。

专利CN2897642，200620101646.X所述的多层共挤复合方法具有节省原材料、原材料可多样化的优点，但是这种传统的多层共挤复合技术存在着层数少、层厚不能太薄的缺点，如果要增加复合材料的阻隔性能，就需要增加阻隔材料的用量，从而增加了生产成本。

最近郭少云等人提出了一项发明专利200610022348.6，设计了一种分叠器，使用膜内层叠方法生产叠层复合材料。现有的模内层叠方法基本上属于挤出口模类，在分层原理上早期提出的技术方案主要是采用多流道方式，每个流道控制一层，结构设计过于复杂，分层数量较少，而且最终的复合材料粘结层会在材料表面，各层层厚分布不均匀，从而影响材料的使用性能。

因此，要想获得性能优异的微纳叠层复合材料，还需要寻求更加有效的解决方案，以克服上述不足。

发明内容

本发明旨在提供一种结构简单、流动对称性高、各层层厚均匀、阻隔材料及粘结材料被包裹在基材里面的高阻隔性微纳叠层复合材料的制备装置及方法，以克服现有技术在制备高阻隔性微纳叠层复合材料方面的不足。

可以实现上述发明目的的生产制备高阻隔性微纳叠层复合材料的具体技术方案是：一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置，主要包括有塑化供料装置、连接器、汇流器、层叠器、成型装置，塑化供料装置、连接器、汇流器、层叠器、成型装置前后依次串联连接，层叠器为反向层叠器或反向层叠器与同向层叠器的组合，反向层叠器的数量大于或等于1，反向层叠器的流道由一层沿宽度方向平均分割成n等分，其中至少有一等分流道在等分后与其他等分相互反向扭转90度并同时展宽n倍，然后再合并成一层流道；同向层叠器的流道由一层沿宽度方向平均分割成m等分，各等分同向扭转90度并同时展宽m倍，然后再合并成一层流道，反向层叠器可以放在同向层叠器之前，也可以放在同向层叠器之后。不同性能和功能的物料在塑化供料装置中成为均匀的流体之后进入连接器，连接器进口与塑化供料装置出口相连，连接器出口与汇流器进口相连，汇流器将来自多个塑化供料装置的多层流体叠合成复合流体。各层的厚度可以相同也可以不同，各层的厚度通过调节塑化供料装置供料量以及汇流器中各层流道的间隙和层的布局来控制；复合流体在进入反向层叠器后沿宽度方向平均分割成n等分，其中至少有一等分流体在等分后继续向前流动时与其他等分反向扭转90度并同时展宽n倍，例如其中靠近外侧的一等分逆时针旋转90度，其他n-1等分顺时针旋转90度，这n等分在旋转过程中展宽n倍，各等分的厚度则变为原厚度的1/n，汇流之后阻隔层层序发生变化，例如其中一等分的基材被转到外侧，在出口端相互汇流成为总体厚度与入口厚度相同的叠层结构流体。由反向层叠器出来的流体的阻隔材料或/和粘结性材料被包裹在基材内，复合流体的最外层都为基材，这种复合流体无论是再经过一个或若干个反向层叠器还是同向层叠器，复合流体的最外层都为基材，复合流体在再次汇流时相接触的是同种材料，相互之间粘接性好；经过反向层叠器后形成的复合流体假设为t层，t层的复合流体对接一个同向旋转90度的同向层叠器，该叠层结构流体在同向层叠器出口再平均分割成m等分，在同向层叠器出口端得到t×m层结构的叠层结构流体，同向层叠器入口流体通道尺寸与扭转90度后的出口的流体通道尺寸相同；串联k个同样的同向层叠器，则可得到t×m^k层的多层结构复合材料，最后一个层叠器的流体在出口不再分割，与成型装置连接后经过成型装置固化得到最终制品。m为不小于2的整数，k为不小于1的整数。

本发明一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置的反向层叠器采用流体分割后扭转90度同时展宽的流道特点，各层之间流体流道相同，层间对称性好，展宽可从中间向外进行，流体流动均匀。由于本装置中流体在分割之后是反向扭转再汇合在一起，流体中的阻隔层被包覆在流体层最里面，实现了在多次分叠后的基材与基材之间的直接相汇流，流道适应高阻隔性材料加工要求，使叠层流道在流动展宽并且变薄的过程中容易保持对称性结构，设计制造工艺简单，精度容易保证，并且对物料的适应性大大提高。

本发明一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置的塑化供料装置是挤出机、注射成型机的注塑装置或压铸机。塑化供料装置加工的物料是高分子基复合材料、陶瓷基复合材料或金属基复合材料。成型装置是挤出机头、注射喷嘴与模具的组合或压制模具。

采用本发明一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置的方法是，首先将不同功能和性能的物料加入塑化供料装置中，物料在塑化供料装置的作用下成为均匀流体之后被塑化供料装置输送进入连接器，流体流经连接器进入汇流器，在汇流器中均匀汇流在一个公共流道，成为多层壁厚均匀的复合流体，复合流体从汇流器中流出之后进入层叠器，层叠器为反向层叠器或反向层叠器与同向层叠器的组合，由反向层叠器出来的流体的阻隔材料或/和粘结性材料被包裹在基材内，复合流体的最外层都为基材，这种复合流体无论是再经过一个或若干个反向层叠器还是同向层叠器，复合流体的最外层都为基材，复合流体在再次汇流时相接触的是同种材料，层间粘接性好，在复合流体达到预期的层序和层厚之后，最后进入成型装置被加工定型成相应制品。

本发明种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置可广泛应用于制备各种叠层复合材料，特别是微纳叠层复合材料，从阻隔性来说，在阻隔材料总厚度相同的情况下，多层结构阻隔性能更好；此外，阻隔材料的成本一般都较高，有些场合，阻隔层很薄就能满足要求，而传统方法无法制得超薄层制品，采用本发明的装置和方法能够得到层厚达到微米或纳米的复合制品，制品的类型如高分子复合材料领域既可直接生产薄膜、板材和型材料，也可生产母粒，还可以推广应用到在高分子基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料等领域；阻隔层包覆在内层，减少生产过程中阻隔材料过多地粘着在层叠器的流道壁上造成浪费；基材具有较好的综合性能，基材位于最外层，使复合制品耐候性、耐热性等综合性能好，发挥了各种材料的最佳性能。

本发明一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置中通过反向层叠器和同向层叠器的不同组合得到众多种层厚类型的高阻隔性微纳叠层复合材料制品，结构变化多样，由于采用模块化的结构，使用该装置的方法简单。

附图说明

图1是本发明一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置的结构示意图，反向层叠器与汇流器相连，在其与成型装置间接有同向层叠器。

图2是本发明一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置的反向层叠器的流体分隔、扭转、层叠复合原理示意图。

图3是图2所示流体进入反向层叠器在入口端流体截面示意图。

图4是图2所示流体流经反向层叠器在出口端流体截面示意图。

图5是本发明一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置的结构示意图，反向层叠器与成型装置连接。

图6是本发明一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置的汇流器与同向层叠器连接得到的复合流体的流体截面示意图。

图7本发明一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置的汇流器与多个同向层叠器连接最后与一个反向层叠器连接得到的复合流体的流体截面放大示意图

图中：1-塑化供料装置，2-连接器，3-汇流器，4-反向层叠器，5-同向层叠器，6-成型装置，7-基材，8-粘结材料，9-阻隔材料。

具体实施方式

实施例1

本发明一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置，整体外形如图1所示，包括塑化供料装置1、连接器2、汇流器3、反向层叠器4、同向层叠器5、成型装置6，它们前后依次串联连接，塑化供料装置1包括有三台挤出机。所述汇流器3的进口与连接器2的出口相连接，连接器2中的流道为进口段的圆柱型流道逐渐过渡到出口段的矩形流道。汇流器3将来自三个塑化供料装置的三层流体基材、粘结材料、阻隔性材料叠合成ABC结构的复合流体，本实施例中，基材7一般选用为PE，用A表示，粘结材料8一般选用EVA，用B表示，阻隔材料9一般选用EVOH，用C表示。

所述反向层叠器4的主要功能是将来自塑化供料装置的高分子流体经连接器2再汇集成汇流器3内的三层高分子流体，如图2所示，汇流器3内的三层高分子流体在离开汇流器3时沿宽度方向平均分割成两等分，每一等分在反向层叠器4分叠流道继续向前流动时同时反向扭转90度并展宽为两倍，厚度减薄到1/2倍，成为分支流体。在发生反向扭转之后，在两层流体汇流时，阻隔材料9被包裹在中间，基材7在流体复合层的最外边，如图3所示，在出口端相互汇流成为ABCCBA的六层叠层结构的流体，其中两层阻隔材料9汇流在一起，A代表PE，B代表EVA，C代表EVOH。

所述同向层叠器5的主要功能结构是将来自经反向层叠器4汇集的流体沿宽度方向平均分割成4等分，每一等分在同向层叠器5分叠流道中继续向前流动时同向扭转90度同时展宽4倍，厚度减薄到1/4倍，成为分支流体，在出口端相互汇流成为6×4层的叠层结构的流体。由于进入同向层叠器5的叠层材料为ABCCBA结构，A-基材7在外边，分割后的流体在汇流时基材7和基材7直接汇流，粘结材料8和阻隔材料9被包裹在叠层里面，如图4所示。这样k个同向层叠器5对接后得到6×4^k层的流体，成型装置6的流体入口与同向层叠器5的流体出口形状相同，6×4^k层的流体在成型装置6中逐渐过渡到口模需要的截面尺寸，最后定型获得制品。

本发明一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置的流体流道的结构形式使得汇流器3和成型装置6的加工难度降低，在层叠器内完成分割与汇合，对接接口的流道只有一个，密封容易实现，各分支的流动平衡容易保证。本实施例中将三种组分的高分子流体汇流后经过4等分的同向层叠器5，串联k个相同的同向层叠器5，可得到的复合材料层数为6×4^k层，层厚可以达到微米或纳米，从而可以采用该装置制备微纳复合材料。

反向层叠器4、同向层叠器5的流道加工可采用精密铸造方法或电镀的方法，或将反向层叠器4、同向层叠器5剖切成片，每片采用数控加工获得所需的流道形状，分片加工后再组装成反向层叠器4、同向层叠器5。

本实施例中，与汇流器3相连接的是流道数量为2的反向层叠器4，随后无论再连接何种结构的反向层叠器4和/或同向层叠器5，层序排列为ABCCBA的叠加，复合流体结构对称性好，层厚计算简单，为最佳方案。

采用本发明一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置的方法是，首先将不同功能和性能的物料加入塑化供料装置1中，本实施例中塑化供料装置1包括三台挤出机，物料分别是基材7为PE、粘结材料8为EVA、阻隔材料9为EVOH，物料在塑化供料装置1的作用下成为均匀流体之后被塑化供料装置1输送进入连接器2，流体流经连接器2进入汇流器3，在汇流器3中均匀汇流在一个公共流道，成为三层壁厚均匀的复合流体，复合流体从汇流器3中流出之后进入层叠器，层叠器为反向层叠器4或反向层叠器4与同向层叠器5的组合，复合流体在进入反向层叠器后沿宽度方向平均分割成两等分，由反向层叠器4出来的流体的阻隔材料9或/和粘结材料8被包裹在基材7内，复合流体的最外层都为基材7，这种六层的复合流体无论是再经过一个或若干个反向层叠器4还是同向层叠器5，复合流体的最外层都为基材7，复合流体在再次汇流时相接触的是同种材料，层间粘接性好，在复合流体达到预期的层序和层厚之后，最后进入成型装置6被加工定型成相应制品。

实施例2

本实施例公开的一种高阻隔性微纳叠层复合材料制备装置的另一个例子，整体外形如附图5所示，包括有塑化供料装置1、连接器2、汇流器3、同向层叠器5、反向层叠器4、成型装置6，它们前后依次串联连接，反向层叠器4放置于成型装置6前，塑化供料装置1包括三台挤出机。

所述汇流器3的进口与连接器2的出口相连接，连接器2中的流道为进口段的圆柱型流道逐渐过渡到出口段的矩形流道。汇流器3将来自塑化供料装置1的三台挤出机三股流体-基材7、粘结材料8、阻隔材料9叠合成ABCB结构的复合流体，粘接材料8占两层。为便于理解，符号A代表基材7一般选用PE，符号B代表粘结材料8一般选用EVA，C代表阻隔材料9一般选用EVOH。

所述同向层叠器5的主要功能结构是将来自汇流器3汇集的三层高分子流体ABCB沿宽度方向平均分割成三等分，每一等分在同向层叠器5分叠流道中继续向前流动时同向扭转90度同时展宽三倍，厚度减薄到1/3倍，成为分支流体，在出口端相互汇流成为4×3层的叠层结构的流体，见图6所示。叠层结构的流体在离开同向层叠器5时不分割，这样k个同向层叠器5对接后得到4×3^k层的流体；在本实施例中，所述反向层叠器4的主要功能结构是将高分子流体在进入反向层叠器4时沿宽度方向平均分割成三等分，一等分和其他两等分在反向层叠器4分叠流道继续向前流动时同时反向扭转90度并展宽为三倍，厚度减薄到1/3倍，成为分支流体。在发生反向扭转之后，在流体汇流时，阻隔材料9被包裹在中间，成为一层，基材7在流体复合层的最外边，见图7所示，在出口端相互汇流成为ABCB…ABCBABCB…ABCBBCBA…BCBA结构的4×3^k×3层叠层结构的流体，其中复合流体的前4×3^k ×2层的排列为ABCB…ABCBABCB…ABCB，另外4×3^k×1层排列为BCBA…BCBA，两部分作为最终的组合，复合流体的最外层仍是基材7，粘接材料8将基材7与阻隔材料9分隔。