一种多相生物高分子复合材料连续共混制备方法及设备

技术领域

本发明属于生物基高分子材料成型加工技术领域，更具体地，涉及一种多相生物高分子复合材料连续共混制备方法及设备。

背景技术

由于石油基高分子材料不可降解，如处置不当，易对环境造成一定的污染性。而生物基高分子材料(如PLA、PHA、淀粉等)具有良好的力学性能和生物相容性，来源于生物质材料，可完全降解，正成为替代传统石油基塑料最为理想的环境友好型高分子材料。但单一类型的生物基高分子材料具有较为明显的性能缺陷，例如PLA虽然具有较高的拉伸强度和弹性模量，但其质脆、韧性差，极大限制了PLA的应用范围；PHA在结晶、机械性能以及热稳定性等方面都存在一定缺陷，同样限制了其应用范围。因此，需要将两种或两种以上的生物基高分子材料进行共混、共聚、增塑等改性处理，以制备可完全降解的多相生物基高分子复合材料体系，提高生物高分子材料的综合性能，拓展其应用范围。熔融共混法由于具有操作简单、可控性强、成本低等优点，被普遍用于多相生物高分子材料的共混改性。

然而生物基高分子材料对温度较敏感，在高温下易降解，因此其加工温度范围较窄，从而对其熔融共混加工产生极大约束。传统的熔融共混设备主要是基于剪切形变加工机理，在加工过程中，剪切作用力与物料流动方向相垂直，不利于熔体的热质传递、多相生物高分子材料的共混增容以及对多相体系微界面的调控，且剪切生热大、热机械历程长，易造成物料分子链断裂和降解。因此，急需开发一种新的技术，用于生物基高分子材料的熔融共混，以制备具有优异性能的生物高分子材料。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多相生物高分子复合材料连续共混制备方法及设备，其目的在于利用共混设备的脉冲超高压作用使多组分生物高分子材料做速度梯度矢量向流动方向趋近的正位移脉动连续熔融共混，可有效调控多相体系内微界面的连续动态生成和演化，进而制备出高性能的多相生物高分子复合材料，由此解决多相共混生物高分子材料微结构不均匀、综合性能差、热机械历程长、易降解的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多相生物高分子复合材料连续共混制备方法，该方法包括以下步骤：利用脉冲超高压将多种不同组分的生物高分子材料进行熔融共混，从而形成具有核壳微结构的多相生物高分子复合材料。

进一步优选地，将多种不同组分的生物高分子材料进行熔融共混；

在脉冲超高压作用下多组分生物高分子材料体积不断被压缩释放，从而迫使其做速度梯度矢量向流动方向趋近的正位移脉动式流动；

多组分生物高分子材料在体积压缩和释放交替作用的迫使下不断被细化，并强制多组分生物高分子材料内微界面连续动态生成和演化；

在脉冲超高压作用下被细化的表观粘度相对高的生物高分子相微粒被表观粘度相对较低的生物高分子相包覆，进而形成具有核壳微结构的多相生物高分子复合材料。

优选地，所述脉冲超高压在多相生物高分子材料的熔融共混过程中对物料施加连续地定向作用，进而使核壳微结构具有良好的取向。

优选地，施加在生物高分子材料连续共混过程中的脉冲超高压大小随生物高分子材料的熔体强度不同有所变化，所述脉冲超高压最大压力范围为0.1～50MPa。

优选地，所述脉冲超高压由具有四圆拓扑结构的转子在具有五圆拓扑内腔结构的定子中做自转与公转方向相反且速比为1:4的啮合转动所产生。

优选地，多种不同组分的生物高分子材料的表观粘度具有差异。

优选地，所述生物高分子材料包括聚乳酸、聚丙交酯、热塑性淀粉、聚羟基脂肪酸酯、聚己内酯、聚乙烯醇等。

按照本发明的另一方面，提供了一种实现多相生物高分子复合材料连续共混制备方法的设备，该设备包括机架以及设置于所述机架上的电机、联轴器、动力减速分配器、挤压系统和温控系统；

所述电机、联轴器、动力减速分配器和挤压系统依次连接；所述温控系统设置于所述挤压系统的外周；

所述挤压系统包括转子和定子，所述转子的横截面为曲边拓扑四边形，其表面为连续变化的螺旋状拓扑结构和平直段结构交替构成；所述定子设有定子腔，所述定子腔的横截面为曲边拓扑五边形，所述定子腔的内表面为连续变化的螺旋状拓扑结构和平直段结构交替构成，且与所述转子的表面结构一一对应；

所述转子设置于所述定子腔中，且其外拓扑曲面啮合于所述定子腔的内拓扑曲面，并将所述定子腔分成五个腔室；

所述转子通过所述动力减速分配器驱动下，在所述定子腔内做自转与公转方向相反且速比为1:4的行星运动。

优选地，所述转子的螺旋状拓扑结构的螺距由进料端至出料端逐渐递减；所述定子腔的螺旋状拓扑结构的螺距为与之对应位置的所述转子螺旋状拓扑结构的螺距的1.25倍，所述转子平直段结构的长度与所述定子腔平直段结构的长度相等。

优选地，所述转子在所述定子腔中作行星运动的过程中，在所述定子腔的五个腔室中，所述转子外表面连续不断地向所述定子腔内表面靠近，从而在所述定子腔中产生脉冲超高压，进而对生物高分子材料施加正应力作用，使其做速度梯度矢量向流动方向趋近的正位移脉动式流动。

优选地，所述转子的自转转速范围为0～100转/分钟，所述温控系统沿挤出方向在所述定子上分为五个控制区，每一个控制区的温度范围为室温～300℃，温控精度为±2℃。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出的一种多相生物高分子复合材料连续共混制备方法，利用脉冲超高压作用使多组分生物高分子材料做速度梯度矢量向流动方向趋近的正位移脉动连续熔融共混，可有效调控多相体系内微界面的连续动态生成和演化，进而制备出高性能的多相生物高分子复合材料，可高效调控多相生物高分子复合体系内微界面的连续动态生成和演化，由此解决多相生物高分子复合材料在共混过程中微结构不均匀、综合性能差、热机械历程长、易降解等问题。

2、本发明提出的一种多相生物高分子复合材料连续共混制备方法，脉冲超高压由具有四圆拓扑结构的转子在具有五圆拓扑内腔结构的定子中做自转与公转方向相反且速比为1:4的啮合转动所产生，对物料施加基于正应力的脉冲超高压作用，极大提升了物料在加工过程中的传质传热效率和混合分散效果。

3、本发明提出的一种多相生物高分子复合材料连续共混制备方法的设备，在对多相生物高分子复合材料进行熔融共混的过程中施加连续、定向地脉冲超高压作用，具有传质传热效率高、混合分散效果好、热机械历程短、温升低、对多相生物高分子材料分子链破坏小等优势。

4、本发明所提出的脉冲超高压作用混合机理可促使表观粘度相对低的生物基高分子相包覆表观粘度相对高的高分子相微粒，进而形成具有核壳微结构的多相生物高分子复合材料，由此大幅提升其物理机械性能。

附图说明

图1是本发明的实施例中脉冲超高压作用多相生物高分子复合材料连续共混设备的结构示意图；

图2是是本发明的实施例中脉冲超高压作用挤出机挤压系统横截面在不同运转相位的结构示意图；

图3是本发明的实施例中脉冲超高压作用的原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-机架；2-电机；3-联轴器；4-动力减速分配器；5-料斗；6-转子；7-定子；8-挤出口；9-第一喂料机；10-第二喂料机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提出了一种脉冲超高压作用的多相生物高分子复合材料连续共混设备，包括机架系统、动力传动系统、温控系统、挤压系统和喂料系统。所述机架系统主要为机架1；所述动力传动系统主要由电机2、联轴器3和动力减速分配器4所组成；所述温控系统主要为定子的加热冷却装置；所述挤压系统主要由转子6、定子7和料斗5组成；所述喂料系统主要由第一喂料机9和第二喂料机10所组成。所述电机2和动力减速分配器4固定连接在支架1上；电机2的输出轴经联轴器3与动力减速分配器4的输入轴相连；转子6安装于定子7的内腔之中，并与动力减速分配器4的输出轴靠平键连接；定子7的一侧由连接哈夫与动力减速分配器4固定连接，另一侧由定子支撑架支撑；加热冷却装置安装于定子7的外侧；料斗6安装于定子A 7的下料口处；第一喂料机9和第二喂料机10分别安装于料斗6上方的左右两侧，且两喂料机的出口位于料斗6正上方位置。

具体的，所述转子6为外表面连续变化的拓扑结构，其横截面为圆倒角凹圆弧的曲边拓扑四边形，如图2所示，所述转子6结构由螺旋段和平直段所组成，其中平直段结构设置于螺旋段结构之间，螺旋段螺距沿挤出方向逐渐减小。

更进一步的说明，所述定子7内腔表面同样为连续变化的拓扑结构，其内腔横截面为圆倒角凸圆弧曲边拓扑五边形，如图2所示，内腔结构同样由螺旋段和平直段所组成，其中平直段结构设置于螺旋段结构之间，且所述定子7的螺旋段和平直段结构与所述转子6的螺旋段和平直段结构一一对应，长度相同，螺旋段螺距沿挤出方向同样逐渐减小，所述定子7的每一部分螺旋段的螺距都是所述转子6相对应螺旋段螺距的1.25倍。

更进一步的说明，所述转子6的外拓扑曲面啮合于所述定子7内腔的内拓扑曲面。在工作时，所述转子6在动力减速分配器4带动作用下自转的同时以偏心量e为半径绕所述定子7内腔的轴线反向公转，公转速度是其自转速度的4倍，并将所述定子7内腔分成五个腔室，即图2中A、B、C、D、E五个腔室；所述转子6自转一周，五个腔室各自先后四次完成压缩释放作用。图2所示为五个腔室在所述转子6运转过程中的压缩释放过程，在各个腔室中，所述转子6逐渐进行压缩时，其对物料施加的作用力逐渐增加，当腔室体积被压缩至最小时，压力达到最大，随后当所述转子6进行释放时，腔室体积逐渐增大，则压力逐渐减小。当所述转子6在所述定子7内腔中连续运转时，则各个腔室内的物料就会受到连续的脉冲超高压作用，如图3所示。

更进一步的说明，所述转子6自转速度为0-100rpm，所述温控系统沿挤出方向在定子上分为五个控制区，每一个温控区的温度范围为室温～300℃，温控精度为±2℃。

更进一步的说明，生物高分子原材料分别由第一喂料机9和第二喂料机10按照配方比例输送入料斗5内。

更进一步的说明，所述生物高分子材料包括但不限于聚乳酸、聚丙交酯、热塑性淀粉、聚羟基脂肪酸酯、聚己内酯、聚乙烯醇等，且这些生物高分子材料中的两种及以上不同组分的表观粘度存在一定差异。本实施例中以聚乳酸(PLA)和聚羟基脂肪酸酯(PHA)为生物基高分子原材料。

更进一步的说明，所述施加在多相生物高分子材料连续共混过程中的脉冲超高压大小随多相生物高分子材料的熔体强度不同，有所变化，最大压力范围为1～50MPa。

本发明的实施例还提出一种脉冲超高压作用的多相生物高分子复合材料连续共混制备方法为：沿挤出方向设定定子7外围温控装置的温度为130℃-160℃-180℃-180℃-180℃；将生物基高分子原材料PLA和PHA分别投入第一喂料机9和第二喂料机10的料斗内；设定转子6转速为50rpm，启动电机2，电机2经联轴器3和动力减速分配器4带动转子6做自转与公转方向相反、速比为1：4的复合运动；启动第一喂料机9和第二喂料机10，按照配方比例使第一喂料机9和第二喂料机10分别将PLA和PHA输送入料斗5内，再由料斗5进入定子7内，从而使PLA和PHA在挤压系统内进行熔融共混。

在转子6的螺旋推送以及其与定子7内腔的啮合作用下，物料被纳入定子7内腔中并被不断向前输送，转子6自转一周五个腔室中的物料就会各自先后四次受到转子6对其施加的正应力作用并产生局部超高压，因此物料在向前输送过程中在转子6的快速转动下就会受到连续的脉冲超高压作用，PLA/PHA混合物料在脉冲超高压作用下体积不断地被压缩释放，从而迫使其做速度梯度矢量向流动方向趋近的正位移脉动式流动；转子6与定子7内腔之间所产生的体积压缩和释放交替作用迫使PLA/PHA混合物料不断被细化，并强制PLA/PHA混合物料内微界面连续动态生成和演化；在脉冲超高压作用下被细化的表观粘度相对高的PHA相微粒被表观粘度相对低的PLA包覆，进而形成具有良好取向的核壳微结构的PLA/PHA复合材料。最后，混合均匀的PLA/PHA复合材料被转子6从挤出口8连续挤出，进而制备出混合分散均匀、性能优异、具有核壳微结构的PLA/PHA复合材料。此外，由于转子6与定子7的内腔具有良好的啮合关系，因此，其可对定子7内腔进行自清洁、对物料进行正位移输送。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。