CN115972478A - 聚合物熔体复合振动注塑装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了聚合物熔体复合振动注塑装置，包括注塑机、复合振动系统、注塑模具，其中，与普通注塑的最大区别在于本装置的复合振动系统。复合振动系统包括中低频液压振动系统和高频超声振动系统，液压振动由液压泵、转阀、液压缸和振动杆等组成，振动杆伸入聚合物熔体流道，数量为双数，可分为两组同时同向或反向做往复振动以实现熔体的压力振动或剪切振动。超声振动系统由超声波发生器、换能器、变幅杆和振动杆组成，超声振动杆伸入聚合物熔体流道内直接作用于熔体。该装置可显著降低熔体粘度，适合用于充模较困难的薄壁或者大型注塑制件，以及熔接痕较多或者熔接痕强度较差的注塑制件。

Description

聚合物熔体复合振动注塑装置

技术领域

本发明涉及聚合物加工设备领域，尤其涉及一种可改善聚合物充模性能并减少熔接痕的聚合物熔体复合振动注塑装置。

背景技术

现有的主流聚合物熔体注塑装置只能提供单纯的剪切场，且所产生的剪切方向、剪切速率等都是不变的。这种单纯的剪切场能够引起垂直于流动方向上流层间分子链的滑移，从而使缠结点得到一定程度的解脱，引起粘度下降的现象，被称之为“剪切变稀”。剪切变稀所带来的粘度下降虽有利于加工过程的进行，但由于剪切速率恒定且剪切时间较短，当分子链的热运动导致的恢复缠结与剪切诱导的解缠结达到动态平衡时，分子链的缠结状态便维持不变，解缠结不会继续进行，粘度也将保持不变。

公开号为CN112793098A的中国发明公开了一种可提高高分子材料流动性的注塑成型机，其具体公开了一种通过在注塑成型机的解缠结机构芯轴外表面上设置若干列平行排列且凸起的块筋，在物料输送期间能产生良好的混合作用，可增加塑料熔体所受到的剪切作用的均匀性，因而可以避免物料在层厚方向上因剪切不均匀所带来的解缠结效果差的缺点；同时块筋间的空间较大，可以有效增加熔体的容量，提高解缠结效率。其存在的问题主要在于：1、其解缠结方式较为单一，主要还是靠剪切的方式，解缠结效果有限；2、聚合物熔体进入装置的方向与注塑装置的方向不同，需要配备额外的动力设备(驱动电机)以使聚合物熔体按指定方向流动注塑。

公开号为CN110815628A的中国发明专利公开了一种聚合物熔体解缠结装置，其具体公开了一种通过对熔体施以周向旋转应力场或周向振动应力场或周向旋转与周向振动叠加的复合运动应力场，使熔体中的分子链在周向剪切场或周向振动场，尤其是在周向剪切和周向振动叠加的复合应力场下，一张一弛不断改变受力方向时逐渐移开，从而达到高度的解缠结的效果。其存在的问题如下：1、其解缠结方式较为单一，主要还是靠机械的方式(振动+剪切)，解缠结效果有限；2、聚合物熔体进入装置的方向与注塑装置的方向不同，需要配备额外的动力设备(驱动电机)以使聚合物熔体按指定方向流动注塑。

公开号为CN114633448A的中国发明专利公开了一种具有宽频幅振动试验/流变测量一体化功能的试验机，其具体公开了同时采用高幅低频的机械振动和高频低幅的超声振动共同作用形成宽频幅振动场，以提高聚合物的加工效率和力学性能。但其存在以下技术问题：

1、其实试验仪器，本领域技术人员很难将其直接应用于工业生产中来，并且其结构复杂，对于制造、安装和使用的成本及要求均较高；

2、其入料口、物料流道、出料口彼此垂直，聚合物在其中的流向需经过2个90度直角，显然的，这些直角必然导致聚合物熔体此处的流速变慢，温度降低，但由于其为试验仪器，因此只要其在出料端口产出物料即可，即使此时的物料流动性变差或温度较低也不影响在后续实验中测量其性能，若是将其用在工业生产中将是很大的问题；

3、其机械振动方向沿聚合物熔体的流动方向往复，相当于只在熔体流动方向上施加了单一方向的剪切流动场，通过熔体与上下模具壁面摩擦剪切，与于常规注塑过程中的剪切场原理上是一致的，只是两侧推动熔体往复剪切，这种剪切场是很难实现有效的解缠结的，而在垂直于流动方向上，由于层与层间存在速度差，大分子间会相对滑移，因而使凝聚缠结点和拓扑缠结点都得到一定程度的解脱，引起粘度下降。这种解缠结是加工过程中是必然发生的，但解缠结效果一般，达不到深度解缠和高效解缠结效果。

4、出料不连续，在试验应用中没有问题，但是在工业上则是非连续生产，这显然是不能接受的。而说明书中所提到的通过“并联多个试验机，组合，匹配好各个试验机出口排出物料的时间，即可保证聚合物熔体的连续供给”，而多个试验机并联必然使系统复杂度、系统组建成本等成倍增加，且各试验机的配合以实现连续供料的问题对本领域技术人员也是一种挑战，其在工业生产中难以实现。

发明内容

针对以上技术问题，本申请提供了一种结构简单、适宜于工业化生产应用的液压振动+超声振动的聚合物熔体注塑装置。

为了实现以上发明目的，本申请提供以下技术方案：

聚合物熔体复合振动注塑装置，包括注塑机、复合振动装置、注塑模具；

所述注塑机用于塑化聚合物，塑化后的聚合物熔体流经复合振动装置后进入注塑模具；所述注塑模具用于成型聚合物熔体；

所述复合振动装置包括过料模具、液压振动模块和超声波模块；

所述过料模具由上模具和下模具组合而成，所述过料模具分型面设置有贯穿所述过料模具两端、供聚合物熔体流通的流道；所述上模具开设有至少两个第一通孔，所述下模具开设有至少一个第二通孔；所述第一通孔和第二通孔分别与流道垂直并连通；

所述液压振动模块包括振动杆和液压缸；所述振动杆安装在所述第一通孔内且伸入所述流道，所述振动杆远离上模具的一端连接有液压缸，所述液压缸用于驱动振动杆在第一通孔内作活塞运动；

所述超声波模块包括超声振动头和变幅杆；所述超声振动头设置于变幅杆一端；所述变幅杆安装在所述第二通孔内且超声振动头伸入所述流道。

所述流道的两端分别连通注塑机和注塑模具。

在一些较优的实施例中，所述上模具和下模具的分型面为便于定位的阶梯状。

在一些较优的实施例中，所述流道表面正对第二通孔的位置还设置有收敛凸台，用于缩小流道在此处的厚度；所述流道截面形状为矩形，其宽度不小于第一通孔和第二通孔中任意者的直径。

在一些较优的实施例中，所述第一通孔内设置有耐磨套，所述耐磨套内表面与振动杆间隙配合，外表面与第一通孔过盈配合；所述第二通孔内设置有柔性套。

在一些较优的实施例中，所述液压缸包括水平滑槽；所述振动杆通过设置在远离模具一端的滑块与所述水平滑槽连接。

在一些较优的实施例中，所述水平滑槽远离开槽的一侧设置有若干第三通孔，所述滑块与第三通孔对应的位置设置有螺纹盲孔。

在一些较优的实施例中，所述液压缸还包括活塞杆；所述活塞杆的活动端与所述水平滑槽连接。

有益效果

1、聚合物熔体流道设计合理，可在流道进料端连接注塑机，在出料端连接注塑模具，实现工业化的聚合物熔体注塑生产应用；

2、通过超声振动及液压振动叠加的复合外力场实现解缠结作用，可以大幅降低聚合物熔体的粘度，装置具有三种模式：超声振动模式、液压振动模式和液压-超声复合振动模式，超声振动对于温敏性聚合物粘度的降低具有较优的效果，液压振动对于切敏性聚合物具有较好的效果，复合振动可实现两者的叠加或协同作用。粘度的降低可在保证填充效果的前提下大幅降低注塑压力，降低注塑成型难度，缩短冷却时间，实现高粘度难加工的聚合物的低能耗高效的注塑成型；可以在保持熔体粘度大体不变的情况下大幅降低注塑成型温度，低温成型能够减少成型过程中的降解，使制品的整体温差减小、内应力降低；可以有效解决薄壁、大尺寸注塑制件成型过程由于熔体流动性不足出现的翘曲变形、填充不满、熔接痕等缺陷，提高制品质量；

3、链解缠结后的大分子具有更高的运动能力，体系的有序化进程加快，聚合物的结晶能力增强，使聚合物熔体晶体形态的“定构”过程更加容易控制和调节，从而在外场或成核剂的诱导下能生成特殊的结晶结构，例如串晶结构、柱晶结构，能够提高结晶完善程度，产生取向结构，从而明显地改善制品的物理力学性能。

附图说明

图1为本发明中一种较优实施例的装置整体结构示意图；

图2为本发明中另一种较优实施例的装置整体结构示意图；

图3为本发明一种较优实施例中的复合振动装置轴侧结构示意图；

图4为本发明一种较优实施例中的复合振动装置正视结构示意图；

图5为本发明一种较优实施例中的复合振动装置侧视结构示意图；

图6为本发明一种较优实施例中的A-A截面的主体结构放大示意图；

图7为本发明一种较优实施例中的A-A截面的过料模具安装注塑机连接法兰和喷嘴的结构示意图；

图8为本发明一种较优实施例中过料模具的A-A截面结构放大示意图；

图9为本发明一种较优实施例中过料模具的B-B截面结构放大示意图；

图10为本发明一种较优实验例中LDPE加工性能结果示意图；

图11为本发明一种较优实验例中PLA加工性能结果示意图；

图中：1、注塑机；2、复合振动装置；3、注塑模具；4、注塑机连接法兰；5、喷嘴；21、过料模具；22、液压振动模块；23、超声波模块；210、收敛凸台；211、上模具；212、下模具；213、进料端；214、出料端；215、流道；216、第一通孔；217、第二通孔；218、耐磨套；219、柔性套；221、振动杆；222、液压缸；231、变幅杆；232、超声振动头；2221、水平滑槽；2222、活塞杆；2223、螺纹盲孔；2224、第三通孔；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例公开了一种聚合物熔体复合振动注塑装置，如图1-图9所示，包括注塑机1、复合振动装置2、注塑模具3、注塑机连接法兰4和喷嘴5；

所述注塑机1用于塑化聚合物材料，塑化后的聚合物熔体流经复合振动装置2后进入注塑模具3；塑化后的聚合物熔体流经复合振动装置2后进入注塑模具3；所述注塑模具3用于成型聚合物熔体；

如图1所示，给出了一种将注塑机1与复合振动装置2直接连接，然后在复合振动装置2出料端接喷嘴后连通注塑模具3的一种示例，在一起其他的较优实施例中，如图2所示，还可以是由注塑机1先接喷嘴再依次连接复合振动装置2和注塑模具3。上述两种实施例的具体使用可以由本领域技术人员根据现场的实际需要而定。应当理解的是，由于注塑机1和注塑模具3不是本申请关注的重点，因此在图示中采用简化的画法，而在文字描述中也未进一步限定，本领域技术人员可以采用现有技术中常用的结构设置。

所述复合振动装置2包括过料模具21、液压振动模块22和超声波模块23；

所述过料模具21由上模具211和下模具212组合而成，所述过料模具21分型面设置有贯穿所述过料模具21两端、供聚合物熔体流通的流道215；所述上模具211开设有至少两个第一通孔216，所述下模具212开设有至少一个第二通孔217；所述第一通孔216和第二通孔217分别与流道215垂直并连通；在一些较优的实施例中，为了使上、下模具212合模的时候能够更精确的定位，并使注塑过程中较大的压力使物料溢出流道215进入分型面，造成漏料现象，将上模具211和下模具212的分型面为便于定位的阶梯状，例如设置配合的凹槽和凸肩，以解决上述问题。所述流道215的截面尺寸一般较小，为了使振动模块和超声波模块23与流道215内聚合物熔体接触的更加充分，考虑设计所述流道215截面形状为矩形，其宽度不小于第一通孔216和第二通孔217中任意者的直径。

所述液压振动模块22包括振动杆221和液压缸222；所述振动杆221安装在所述第一通孔216内且伸入所述流道215，所述振动杆221远离上模具211的一端连接有液压缸222，所述液压缸222用于驱动振动杆221在第一通孔216内作活塞运动；应当理解的是，驱动振动杆221的方式有很多，可以采用机械驱动、电力驱动、液压驱动等多种驱动方式。在本申请中，根据采用驱动形式的不同，振动杆221振动频率为0-200Hz，振动幅度为0-140mm，在实际选择中，为保证振幅足够，一般不超过10Hz。

所述超声波模块23包括超声振动头232和变幅杆231；所述超声振动头232设置于变幅杆231一端；所述变幅杆231安装在所述第二通孔217内且超声振动头232伸入所述流道215。应当理解的是，超声波振动模块是本领域常用的设备，除了包括超声振动头232和变幅杆231外，还包括超声波发射器、换能器、冷却装置、超声发生器和电参仪等必要部件，因此本申请不再描述与本技术方案不直接相关的结构和部件。由于在本申请中，所述超声振动头232是从下至上插入下模具212中的，因此，所述变幅杆231外表面合适位置还应设置有用于连接固定连接装置，在一些较优的实施例中，可以是连接法兰盘；当所述变幅杆231插入到位后，通过连接法兰盘将变幅杆231与下模具212连接固定。在另一些较优的实施例中，考虑到所述模具一般为金属模具，而超声波不宜直接作用于金属表面，因此在所述第二通孔217内设置有柔性套219，所述柔性套219内表面与超声振动头232过盈配合，外表面与第二通孔217过渡配合。优选的，所述柔性套219为高温橡胶。

在一些较优的实施例中，所述流道215的两端可以分别连接注塑机连接法兰4和喷嘴5。应当理解的是所述注塑机连接法兰4和喷嘴5并非必要部件，在本实施例中只是作为一种较优实施方式进行限定，且注塑机连接法兰4和喷嘴5均与过料模具21可拆卸连接，优选的为法兰连接。所述注塑机连接法兰4用于连接模具与注塑机，所述注塑机可以是本领域常用注塑机中的任意一种，并且为了实现工业化注塑生产，其他必备的设备如注射系统、合模系统、加热系统、冷却系统、控制系统等，均由本领域技术人员根据需要配备，因其不是本发明的重点，因此不再赘述。

为了提高超声振动头232对流道215内聚合物熔体的作用效果，增加超声波的穿透作用，在一些较优的实施例中还考虑在所述流道215表面正对第二通孔217的位置还设置有收敛凸台210，用于缩小流道215在此处的厚度，从而实现以下效果：1、有助于在流道215中收敛凸台210的两侧建立较高的压力，使振动模块能更好的对聚合物熔体进行剪切和拉伸；2、降低聚合熔融物在此处的厚度，以使其能更好的接受超声波的高频振动力场，使超声波能起到更好的穿透作用，从而起到更好的解缠结效果。

应当说明的是，从熔体解缠结的角度，在单一机械振动产生的简单剪切力场中，垂直于剪切方向的凝聚缠结被拉开，而对平行于剪切方向的凝聚缠结点则影响不大，当拓扑缠结点位于分子链一端时在剪切力场中大分子链有可能滑移拉开，而当缠结点在大分子中段时在纯剪切力场中会愈拉愈紧而难于脱开，导致熔体解缠结程度有限。

而在单一超声振动场中，由于聚合物熔体的高粘度导致超声波的空化效应被削减，穿透能力有限，并且在没有剪切和拉伸外场的条件下单一超声场仅能使拓扑缠结点被松弛，难以实现分子链从缠结点中相对滑移解缠结。

本发明的设计思路是利用超声波对熔体施加超高频冲击使熔体内的凝聚缠结瞬间断开，然后结合高频往复的振动剪切场，在一张一弛的振动场作用下，剪切力场就能使分子链从打开的缠结点中逐渐松动而渐次拉开，实现高度解缠结。

同时，从分子链运动本质特点分析，高分子链的分子量具有一定的分散性并且表现出典型粘弹行为特性，不同的分子链对外场的响应时间是不一致的，是在一个时间范围内分布(松弛时间谱)，如果外场作用在某一时刻发生变化，可能一部分分子链能及时响应跟上外场变化的步伐，但更大部分的分子链则表现不同程度的滞后，仍旧以原先的方式运动，使各分子链运动情况产生差异；结合了不同运动形式的复合外场能够对熔体在最大程度造成扰动，利于缠结的分子链被“打开”。

在一些较优的实施例中，给出了一种振动杆221与液压缸222连接的具体结构示例，所述液压缸222包括水平滑槽2221；所述振动杆221通过设置在远离模具一端的滑块与所述水平滑槽2221连接。安装时，将振动杆221带滑块的一端滑入水平滑槽2221中，再将另一端插入第一通孔216内即可完成振动杆221的安装。在另一些较优的实施例中，为了使安装到位的振动杆221在滑槽内锁定位置，所述水平滑槽2221远离开槽的一侧设置有若干第三通孔2224，所述滑块与第三通孔2224对应的位置设置有螺纹盲孔2223。其中，所述第三通孔2224的位置与振动杆221的安装位置对应，当振动杆221在滑槽内滑移到位后，利用螺栓穿过第三通孔2224与螺纹盲孔2223螺合，以实现对振动杆221的位置锁定。应当理解的是，为了使安装后的螺栓头不外露于水平滑槽2221的表面，考虑将所述第三通孔2224设置为阶梯型通孔。

在一些较优的实施例中，还给出了一种具体的液压缸222的组成示例，所述液压缸222还包括活塞杆2222；所述活塞杆2222的活动端与所述水平滑槽2221连接。其中，所述活塞杆2222可以是任一常见液压缸伸缩结构，还可以是气压缸、电动缸或机械伸缩等其他伸缩结构等，本申请对此不作进一步限定，并且本领域技术人员可以根据所述活塞杆2222的具体形制结合本领域常规技术确定供能装置的具体形制，如活塞杆2222采用液压缸时，供能装置包括液压管道、液压泵、出液箱、液压阀、液压控制系统等部件。进一步的是，为了调节活塞杆2222伸缩幅度进而调节振动杆221振动幅度，还可以设置本领域常见的调节螺母等振幅调节装置。

下面就本发明的工作过程作以下说明：

熔融化合物从注塑机中流出通过注塑机连接法兰4进入过料模具21中的流道215内，所述流道215截面尺寸小于注塑机连接法兰4的出料尺寸，因此熔融化合物在流道215内收敛，形成较高的压力和拉伸收敛作用。振动杆221在液压缸222的作用下活塞运动时伸入流道215，直接与熔融化合物接触并作用，将振动作用力直接作用于熔融化合物，使其在流道215内受到往复的压缩和释放，且当振动杆221运动到最下端时，振动杆221表面与流道215底面距离较小，形成收敛流道215，加强了熔融化合物受到的反复拉伸作用；随着振动杆221的往复运动，熔融聚合体受到反复的压缩、释放以及剪切和拉伸作用。超声振动头232处的流道215被收敛凸台210缩小，使流道215产生收敛效果并增加熔融化合物压力，延长了超声波对熔融化合物的作用时间。经过机械振动与超声波共同作用后的熔融化合物通过出料端214进入喷嘴5，喷射到注塑磨具中成型为所需的塑料制品。本申请的振动作用面积较大，有较强的振动作用，且不仅能单独提供压缩释放的机械振动应力场及超声波高频应力场，还能提供两种应力场的协同作用，实现对聚合物熔体加工性能的有效调控和高效解缠结。

实验例

如图10-图11所示，本实验例以PLA(生物降解塑料聚乳酸，polylacticacid)和LDPE(低密度聚乙烯，LowDensityPolyethylene)为例，研究经本申请的聚合物熔体注塑装置生产的材料各项性能。

施加超声波和振动复合力场后，PLA和LDPE进入喷嘴5时的熔体压力和表观粘度都出现明显下降，表明复合外场处理后高度解缠结的熔体加工性能优异，装置可以有效提高注塑速率，降低喷嘴5压力和熔体粘度，连续高效注塑高力学性能的产品。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.聚合物熔体复合振动注塑装置，其特征在于：包括注塑机(1)、复合振动装置(2)、注塑模具(3)；

所述注塑机(1)用于塑化聚合物，塑化后的聚合物熔体流经复合振动装置(2)后进入注塑模具(3)；所述注塑模具(3)用于成型聚合物熔体；

所述复合振动装置(2)包括过料模具(21)、液压振动模块(22)和超声波模块(23)；

所述过料模具(21)由上模具(211)和下模具(212)组合而成，所述过料模具(21)分型面设置有贯穿所述过料模具(21)两端、供聚合物熔体流通的流道(215)；所述上模具(211)开设有至少两个第一通孔(216)，所述下模具(212)开设有至少一个第二通孔(217)；所述第一通孔(216)和第二通孔(217)分别与流道(215)垂直并连通；

所述液压振动模块(22)包括振动杆(221)和液压缸(222)；所述振动杆(221)安装在所述第一通孔(216)内且伸入所述流道(215)，所述振动杆(221)远离上模具(211)的一端连接有液压缸(222)，所述液压缸(222)用于驱动振动杆(221)在第一通孔(216)内作活塞运动；

所述超声波模块(23)包括超声振动头(232)和变幅杆(231)；所述超声振动头(232)设置于变幅杆(231)一端；所述变幅杆(231)安装在所述第二通孔(217)内且超声振动头(232)伸入所述流道(215)。

所述流道(215)的两端分别连通注塑机(1)和注塑模具(3)。

2.如权利要求1所述的聚合物熔体复合振动注塑装置，其特征在于：所述上模具(211)和下模具(212)的分型面为便于定位的阶梯状。

3.如权利要求1所述的聚合物熔体复合振动注塑装置，其特征在于：所述流道(215)表面正对第二通孔(217)的位置还设置有收敛凸台(210)，用于缩小流道(215)在此处的厚度；所述流道(215)截面形状为矩形，其宽度不小于第一通孔(216)和第二通孔(217)中任意者的直径。

4.如权利要求1所述的聚合物熔体复合振动注塑装置，其特征在于：所述第一通孔(216)内设置有耐磨套(218)，所述耐磨套(218)内表面与振动杆(221)间隙配合，外表面与第一通孔(216)过盈配合；所述第二通孔(217)内设置有柔性套(219)。

5.如权利要求1所述的聚合物熔体复合振动注塑装置，其特征在于：所述液压缸(222)包括水平滑槽(2221)；所述振动杆(221)通过设置在远离模具一端的滑块与所述水平滑槽(2221)连接。

6.如权利要求5所述的聚合物熔体复合振动注塑装置，其特征在于：所述水平滑槽(2221)远离开槽的一侧设置有若干第三通孔(2224)，所述滑块与第三通孔(2224)对应的位置设置有螺纹盲孔(2223)。

7.如权利要求5所述的聚合物熔体复合振动注塑装置，其特征在于：所述液压缸(222)还包括活塞杆(2222)；所述活塞杆(2222)的活动端与所述水平滑槽(2221)连接。

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