高频电场与振动力场协同低温加工高分子材料的方法及装置

摘要

本发明公开了高频电场与振动力场协同低温加工高分子材料的方法及装置。该方法通过置于上极板和下极板之间的高分子材料或高分子基复合材料受到高频电场与周期性振动应力场的协同作用，高分子材料内部结构在周期性振动应力场作用下发生分子链扭曲错位，晶格畸变，晶片变形滑移，分子内部结构失稳重排，导致材料介电性能大幅提升而具备高频介质加热的条件；高频电场使材料内部分子发生频繁的介电极化，分子间的相互碰撞和摩擦，从物料内部产生热量，高能电场能转化为材料内部热能，进而实现高分子材料的低温熔融塑化。本发明可用于高分子材料的塑化加工以及高分子材料的熔融焊接，具有加热均匀，低温熔融、节约能耗等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料塑化加工技术领域，特别是涉及应用于高分子及高分子基复合材料低温塑化的加工方法及装置。

背景技术

当前主流的高分子材料加工方法主要有挤出、注塑、模压等，高分子物料在这些加工设备中经受外部高温加热和机械摩擦热而达到粘流态(温度高于材料熔点)，进而塑化、成型、固化。在加工过程中，物料塑化所需能量主要来源于外部热传递及摩擦机械能转化，加热传热效率低，导致物料塑化过程所需的热机械历程长，能耗较高；同时由于外部加热极易造成物料受热不均，往往导致高分子物料在塑化过程中局部或温度过高降解或温度过低塑化不完全，极大地影响了高分子材料制品的机械性能。

随着当前新型高分子材料如植物纤维增强材料、可降解生物质材料、高性能功能型材料等层出不穷，同时对于高分子材料制品的尺寸精度、混合分散特性、力学性能等各项指标的要求也越来越高，因此对于高分子材料的塑化加工设备也提出了更高的要求：在尽可能低的加工温度和尽可能短的加工历程中实现材料的均匀熔融、塑化、成型。

针对目前高分子材料塑化输运过程所存在的问题，开发一种能够实现高分子材料内部加热的高效的熔融塑化方式，使得高分子物料能够在常温或者显著低于物料熔点的温度下熔融塑化，可以大幅降低塑化加工能耗，有效避免高分子材料在塑化加工过程中的热降解，提升高分子材料制品性能，这对于实现高分子材料高效低耗的加工过程具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对以上高分子加工成型技术和设备中存在的问题和不足，提供一种将高频电场和振动力场同时引入到高分子材料塑化加工中，两种力场协同作用于高分子及高分子基材料，强化塑化加工过程中的加热传热效率，缩短塑化成型周期，实现低温塑化高分子材料的方法和设备。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高频电场与振动力场协同低温加工高分子材料方法：置于上极板和下极板之间的高分子材料或高分子基复合材料受到高频电场与周期性振动应力场的协同作用，高分子材 料内部结构在周期性振动应力场作用下发生分子链扭曲错位，晶格畸变，晶片变形滑移，分子内部结构失稳重排，出现大量界面，界面上空间电荷重新排布和堆积，导致材料介电性能大幅提升而具备高频介质加热的条件；协同施加的高频电场使材料内部分子发生频繁的介电极化，分子间的相互碰撞和摩擦，从物料内部产生热量，高能电场能转化为材料内部热能，进而实现高分子材料的低温熔融塑化。

优选地，所述高频电场由高频发生器产生，频率为6.78MHz、13.56MHz和27.12MHz三种。

优选地，所述周期性振动力场由激振装置产生，振动频率和振幅可调，振动频率可调范围为10-1000Hz，振幅可调范围为1-10mm。

优选地，所述高分子材料为聚烯烃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸或聚氯乙烯；所述高分子基复合材料是以碳纤维、钛酸钡、二氧化钛、玻纤或碳酸钙为填充料，以聚烯烃、聚乳酸或聚氯乙烯为基体的填充型高分子基复合材料。

一种实现高频电场与振动力场协同低温加工高分子材料方法的装置：主要由高频发生器、铜带、导柱、上压板、绝缘板、上极板、成型模具、电控柜、液压油缸、激振装置、下压板、下极板和加热管组成；所述上压板、绝缘板和上极板由上到下依次连接，构成上压部分，安装于导柱上端；下压板、绝缘板和下极板由下到上依次连接，构成下压部分，安装于导柱下端；上极板和下极板相对设置，成型模具放置于下极板上表面或者是将待焊接的高分子或高分子基复合板材置于下极板上表面；下压板往下依次安装激振装置和液压油缸，上压板和下压板内部安装加热管；高频发生器正负极经由铜带分别与上极板和下极板相连，在上极板和下极板间形成稳定的平板式高频电场；电控柜分别与液压油缸、加热管和激振装置连接。

优选地，所述激振装置选用液压振动马达，振动频率和振幅可调，振动频率可调范围为10-1000Hz，振幅可调范围为1-10mm。

优选地，所述绝缘板为云母板；所述成型模具的材质为陶瓷或聚四氟乙烯。

优选地，所述加热管选用单头电阻式电热棒。

优选地，所述下极板上表面安装陶瓷螺钉。

优选地，该装置还包括基台，基台固定于下压部分下面；上极板、绝缘板和上压板采用陶瓷螺栓连接和紧固；下极板、绝缘板和下压板采用陶瓷螺栓连接和紧固。

本发明将成型模具放置于下极板上，模具型腔内填充满高分子物料，然后开启液压油缸，推动整个下压部分沿导柱上移，合模，预热(预热温度显著低于物料熔点)；开启激振 装置，整个下压部分开始振动，对物料施加一定频率和振幅的挤压应力，使材料内部结构发生变化，介电性能大幅度提升而具备高频介质加热的条件；同时开启高频发生器，对物料同时施加高频电场，实现高频电场与振动力场的协同作用，使材料内部空间电荷随电场频率的变化而反复重新排布和堆积，导致材料内部电场扭变和介质损耗，分子频繁极化，分子间相互碰撞和摩擦，在极短的时间内产生大量的热量，进而熔融塑化物料；待物料熔融塑化后，停止高频电场和振动力场作用，熔融物料冷却、定型。由此，高分子和高分子基复合材料在高频电场与周期性振动力场的协同作用下，实现低温熔融塑化、成型固化的加工过程。

高频电场与振动力场协同低温塑化机理如下：高分子材料或高分子基复合材料经过一定的外界预热后(加热温度介于玻璃化温度和熔融温度之间，一般为60-120℃)，对物料施加振动力场，使材料在周期性挤压应力作用下，发生分子链扭曲错位，晶格畸变，晶片变形滑移等现象，内部结构失稳重排，出现大量界面，界面上空间电荷重新排布和堆积，材料介电性能大幅度改变而具备对高频电场产生热响应的前提条件；同时对物料施加高频电场，则材料内部存在的大量界面上空间电荷会随电场频率的变化而反复重新排布和堆积，导致材料内部电场扭变和介质损耗，分子频繁极化，分子间相互碰撞和摩擦，在极短的时间内产生大量的热量，实现电场能转化为材料内部热能的过程，从而快速、均匀地熔融塑化物料，实现高分子材料的低温塑化。

相对于现有的高分子成型加工方法和设备，本发明具有如下优点：

(1)高频介质加热技术中热量是在材料内部瞬时产生，加热速度极快，且加热均匀，能够极大地提高传质传热效果，避免了传统基于外加热和机械热的高分子材料加工设备中传热慢、加热不均、局部过热焦化等不良现象的出现；

(2)高频电场与振动力场协同塑化高分子材料，加热速度快，塑化周期短，能够有效地降低高分子材料的降解作用，提升材料性能，同时提高塑化效率；

(3)传统高分子材料加工过程均需要将物料加热到熔融温度以上方可进行塑化成型，而在高频电场与振动力场协同塑化过程中，物料只需加热到一个较低温度(显著低于材料熔点，介于玻璃化转变温度于熔点之间，通常为60-120℃)即可，加工能耗大大降低，绿色、环保、节能；

(4)高频电场与振动力场协同塑化装置结构简单，易操作，通过更换不同的成型模具即可成型不同形状和尺寸的制品，且对物料的适用性较广。

附图说明

图1为实施例1高频电场与振动力场协同低温加工高分子材料装置结构示意图；

图2为图1所述装置中的下压部分主视图；

图3为图1所述装置中的下压部分左视图；

图4为图1所述装置中的下压部分俯视图；

图5为图1所述装置中的成型模具主视图；

图6为图1所述装置中的成型模具左视图；

图7为实施例2高频电场与振动力场协同低温加工高分子材料装置主视图；

图8为实施例2高频电场与振动力场协同低温加工高分子材料装置左视图。

图中示出：高频发生器1、铜带2、导柱3、上压板4、绝缘板5、上极板6、成型模具7、陶瓷螺钉8、控制器9、基台10、液压油缸11、激振装置12、下压板13、下极板14、陶瓷螺栓15、加热管16、微型热电偶17、模具型腔18、高分子或高分子基复合板材19、粘合层20。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

如图1、图2、图3、图4所示，高频电场与振动力场协同低温加工高分子材料装置，主要由铜带2、导柱3、上压板4、绝缘板5、上极板6、成型模具7、陶瓷螺钉8、电控柜9、基台10、液压油缸11、激振装置12、下压板13、下极板14、陶瓷螺栓15和加热管16等构成。上压板4、绝缘板5和上极板6由上到下依次连接，构成上压部分，安装于导柱3上端；下压板13、绝缘板5和下极板14由下到上依次连接，构成下压部分，安装于导柱3下端，上极板6和下极板14相对设置，下极板14表面安装陶瓷螺钉8以防上下极板的直接接触，成型模具7或待焊接的高分子或高分子基复合板材放置于下极板14上表面；下压板13往下依次安装激振装置12和液压油缸11，使下压部分可随激振装置12振动，提供振幅和频率可调的振动力场，液压油缸11可推动整个下压部分和激振装置12沿导柱3上下移动；基台10固定于下压部分下面，用于支撑上压部分、导柱和下压部分。采用陶瓷螺栓15对极板、绝缘板和压板进行连接和紧固，使极板与其他零部件完全绝缘；上压板4和下压板13内部安装加热管16，可对上下压板和上下极板进行精确的外部加热。高频发生器1正负极经由铜带2分别与上极板6和下极板14相连，在上极板6和下极板14间形成稳定的平板式高频电场。

上极板6和下极板14的材质优选导电、导热性能优异的黄铜，上极板6和下极板14 分别连接高频发生器1的正负极，上极板6下表面和下极板14上表面相对平行安置，两表面之间形成稳定的高频电场。

高频发生器1优选型号为GJ5-6B-I-JY，输入功率为10KW，输出功率为5KW，电场频率为6.78MHz。

绝缘板5优选为云母板，置于压板和极板之间，实现上下极板和其他零部件之间的绝缘，同时可以将上压板4和下压板13的热量传递到上极板6和下极板14，实现上极板6和下极板14的加热。

成型模具7的材质优选为陶瓷或聚四氟乙烯等不导电的耐热材料，避免上下电极在挤压过程中接触和介电击穿的发生。

电控柜9分别与液压油缸11、加热管16和激振装置12连接，用于：1)控制液压油缸11上下运动，从而实现上极板6和下极板14间距的变化，并调节上极板6和下极板14的挤压压力；2)控制加热管16进行精确加热；3)控制激振装置12，调节振动频率和振幅。

激振装置12优选液压振动马达，振动频率和振幅均可调，振动频率可调范围为10-1000Hz，振幅可调范围为1-10mm。激振装置12为下压部分提供周期性的振动力，对放置于上下极板之间的物料进行周期性挤压，可通过电控柜9调节其振动频率和振幅。

加热管16优选单头电阻式电热棒，工作电压为220V，功率为500W，并联安装于上下压板内部，对上下压板和极板进行精确控温。

微型热电偶17优选直径为0.1mm的K型热电偶，外接温度显示表，对模具型腔18内物料温度进行实时测量。

实施例1

高频电场与振动力场协同低温加工高分子材料装置如图1-图4所示。成型模具7的结构如图5、图6所示，成型模具7的中心设有模具型腔18，模具型腔18中填充满高分子或高分子基复合材料，微型热电偶17安装在模具型腔18周边的成型模具7内，微型热电偶17外接温度显示表，实现模具型腔18内物料温度的实时测量。将成型模具7放置于下极板14上，然后整个下压部分沿导柱3上移，进行合模，预热；物料温度达到设定温度(介于60-120℃)后，开启激振装置12，整个下压部分开始振动，对物料施加一定频率和振幅(振动频率和振幅可调，振动频率可调范围为10-1000Hz，振幅可调范围为1-10mm)的挤压应力，同时开启高频发生器1，对物料同时施加高频电场(高频电场由高频发生器产生，频率为6.78MHz、13.56MHz和27.12MHz三种之一)，实现高频电场与振动力场的协同作 用；该协同作用体现在振动力场提供的周期性挤压应力破坏材料内部的内部结构，材料内部结构失稳重排，介电性能大幅度提升而具备对高频电场产生热响应的条件，在同步施加的高频电场作用下，材料内部分子频繁极化、碰撞和摩擦，实现高能电场能转化为材料内部热能而加热并熔融塑化材料的过程。微型热电偶17对模具型腔内物料温度进行实时监控和反馈，可提供物料的实时温度变化数据；待物料熔融塑化后，停止高频电场和振动力场作用，熔融物料冷却、定型。由此，高分子或高分子基复合材料在高频电场与振动力场的协同作用下，实现了低温熔融塑化、成型固化的低温塑化加工高分材料方法。

实施例2

如图7和图8所示，高频电场与振动力场协同低温加工高分子材料装置与实施例1不同之处：卸去成型模具7，同时将上极板6更换为下表面面积更小、高度更高的上极板6，而下极板14更换为上表面面积更小、高度不变的下极板14。

将两块以上高分子或高分子基复合板材21在粘合层22的粘合作用下搭接在一起，置于下极板上表面。使用时，开启液压控制系统，液压油缸11推动推动整个下压部分和激振装置12沿导柱3垂直上移，使高分子或高分子基复合板材与焊接上电极板19贴合，开启加热装置，对焊接板材进行预热；待温度达到设定温度(通常低于100℃)，开启激振装置12，对板材施加一定振幅和频率的挤压应力(振动频率和振幅可调，振动频率可调范围为10-1000Hz，振幅可调范围为1-10mm)，同时开启高频发生器1，对焊接板材施加高频电场(高频电场由高频发生器产生，频率为6.78MHz、13.56MHz和27.12MHz三种之一)，实现高频电场和振动力场的协同作用；待板材焊接界面之间熔融粘合后，同时停止高频电场和振动力场作用，固化焊接结构，进而实现高分子或高分子基复合板材在高频电场与振动力场的协同作用下，低温熔融焊接工艺。高分子或高分子基复合板材21中，高分子材料为聚烯烃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸或聚氯乙烯；高分子基复合材料是以碳纤维、钛酸钡、二氧化钛、玻纤或碳酸钙为填充料，以聚烯烃、聚乳酸或聚氯乙烯为基体的填充型高分子基复合材料。粘合层22包括聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、乙烯-醋酸乙烯和聚乙烯醇等高分子粘合剂，或者碳纤维、钛酸钡、玻纤、二氧化钛和高介电陶瓷粉末等填充型高分子基复合粘合剂。