一种用于全生物降解材料的熔融注射成型方法及设备.pdf

本发明涉及一种用于全生物降解材料的熔融注射成型方法及设备。所述的全生物降解材料是指：在自然界微生物的作用下能发生化学、生物或物理作用而降解或分解的材料。所涉及原材料熔融体的制备过程包括给料段、塑化段和挤出段三个区域，在各个区域采用分段逐步加温的方式将原材料进行加热；并且，在挤出段前端(靠近模具一侧)配备超声波混合装置；同时，注射成型设备的料筒内壁为非光滑表面。本发明装置结构紧凑，使用和维护方便，具有良好的安全性。利用本发明可以降低成型时材料的粘度，减轻材料粘结料筒管壁，以及模具表面的现象。同时

1.  一种全生物降解材料成型所采用的设备，由给料装置、全生物降解材料熔融体的制备装置、注射系统、锁模系统四大部分组成，其特征在于：所述的给料装置将原材料颗粒(3)由注射机加料斗(4)加入，经其下方的定量供给装置(5)送入熔融体制备装置中；所述的全生物降解材料熔融体的制备装置由螺杆旋转系统和料筒加热系统构成，螺杆旋转系统由螺旋输送杆(8)和驱动其旋转的螺旋输送杆旋转机构(1)组成，料筒加热系统由料筒(6)和料筒外加热器(7)组成，通过控制料筒加热器的温度可实现全生物降解材料熔融体的分段逐步加温，同时，在螺旋输送杆的前端装备有一套超声波混合装置，由超声波发生器(11)、压电换能器(12)、放大器(13)以及探头(14)组成；所述的注射系统由液压注射装置(2)驱动；料筒(6)的出料口穿过静模板与模具(9)型腔相连，通过液压注射装置(2)将全生物降解材料熔融体注射至模具(9)，形成全生物降解材料成型制品(10)。

2.  根据权利要求1所述的成型设备用原材料包括：全生物降解材料母粒，或者由全生物降解材料母粒以及一定数量的增塑剂、封端剂、填充剂组成的共混料。

3.  根据权利要求1所述的料筒外加热器(7)其特征在于所述的分段区域为三个，即靠近注射机加料斗部位为给料段(15)，中部为塑化段(16)，靠近超声波混合段(18)处为挤出段(17)。

4.  根据权利要求3所述的料筒外加热器的分段区域，其特征在于所述的各区域的温度控制范围如下：给料段(15)的温度控制范围为70℃-100℃；塑化段(16)的温度控制范围为100℃-155℃；挤出段(17)的温度控制范围为150℃-200℃。

5.  根据权利要求1所述的全生物降解材料的成型设备，其特征在于料筒(6)内壁为非光滑表面。

6.  一种全生物降解材料的成型方法，其特征在于熔融体制备区域中挤出段的前端(靠近模具(9)一侧)配备超声波混合装置。该装置使全生物降解材料熔融体在超声波场中振动混合，改变熔融体形核及长大的动力，从而降低熔融体的粘度、改善制品粘附料筒壁、搅拌螺杆以及成型模具的现象。

7.  根据权利要求6所述的超声波混合装置，其特征在于该装置的最大输出功率为300W；而且，频率的控制范围为15kHz-35kHz。依据所用全生物降解原材料的种类不同，调节具体的频率值。

一种用于全生物降解材料的熔融注射成型方法及设备
技术领域
本发明涉及一种全生物降解材料的熔融注射成型方法及其成型设备，属于生物降解高分子材料成型加工工艺领域。
背景技术
随着高分子材料工业技术的迅速发展，该种材料已经和钢铁、木材、水泥并列成为国民经济发展的四大支柱材料，高分子材料已经被应用到国民经济各部门以及人民生活的各个领域。然而，由于其难以降解，随着使用量的与日俱增，高分子材料所造成的“白色污染”已经成为世界性的公害。意大利、德国、美国等国家已率先以法律形式，规定了必须使用降解性高分子材料的产品范围；我国目前的高分子材料生产和使用已跃居世界前列，每年产生的大量不可降解的废旧物，严重污染着环境，并且危害着人们的健康。因此，开发可降解高分子材料、寻找新的环境友好高分子材料来代替不可降解高分子材料已是当务之急。
全生物降解材料是指在自然界微生物或在人体及动物体内的组织细胞、酶和体液的作用下，使其化学结构发生变化，致使分子量下降及性能发生变化，最终被环境所消纳的高分子材料。作为环保产品和高科技产品，全生物降解材料正在成为世界瞩目的研究开发热点。该种材料的广泛应用，不仅能够节约地球有限资源、减少地球温室效应，而且有利于解决日趋严重的“白色污染”问题，具有十分重要的现实意义。
全生物降解材料可应用于包装、餐饮业、一次性日用杂品、运动器械等多个领域。同时，由于其无毒副作用，且具有生物相容性，因此，在生物医学工程技术领域亦具有广泛的应用前景，例如，在药物缓释体系、临床医学、医疗器材等诸多领域均具有广阔的应用前景。
目前，全生物降解材料注塑类制品采取的成型工艺路线为，采用通用塑料的常规注塑法进行成型。由于分子结构的特殊性，与现行的通用塑料相比，全生物降解材料的热稳定性差、玻璃化温度低，应用常规注塑法生产制品时，由于熔融体粘度大，故易出现熔融体粘附于料筒内壁及螺杆表面，粘附于模具、造成脱模以及模具清理困难等问题，因此，加工工艺极难控制。以上问题一方面使得全生物降解材料制品的成本大大提高，同时，在一定程度上限制了该种材料的大范围应用。
在通用塑料的注塑成型过程中，注塑机的料筒温度是注塑工艺的重要参数，过低和过高的温度都会影响所制备的熔融体的质量，进而影响产品的最终质量。因此，对料筒温度进行有效地控制是保证注塑成型制品质量的重要环节。
对于全生物降解材料而言，成形时温度控制更为重要。在注塑生产过程中，原料的温度主要取决于注塑机料筒区域的设定温度。料筒温度设定过高时，筒内的塑料会发生降解；料筒温度设定过低时，原材料塑化不良，流动性差，制品成型性能不好。同时，也会造成熔融体粘附于料筒内壁、螺杆表面，以及难于脱模等现象。
在本发明之前，可降解塑料制品是借助于普通的注塑机成型。中国专利申请“一种薄壁可降解管状高分子材料及其熔融注射成型方法”(专利号：03141965.8)即提供了一种采用通用注塑机进行小直径、薄壁、管状可降解高分子材料的制备方法。该专利仅适用于制备管状高分子制品，且制品的尺寸较小：内径范围为1-15mm，管壁厚度范围为0.3-3mm。对于全生物降解材料，目前尚无大批量制品生产的专用设备。试验室中，大多以常规的塑料成型方法进行样品的试制。导致上述问题不可避免。
本发明提供一种适用于全生物降解材料的熔融注射成型方法及装置。该成型方法及装置可使成型时熔融体的粘度降低，减少熔融体粘结料筒内壁、螺杆外表面，以及模具表面的现象。同时，可缩短工艺流程，提高工艺稳定性，提高制品的成品率。并且，可节省大量用于整定参数和反复调试的人力与时间，易于做到成型工艺的最优化设置。
发明内容
本发明的目的在于克服目前生产全生物降解材料采用通用注塑方法及设备存在的不足和缺陷，提供一种适用于全生物降解材料、可以提高该种材料制品成品率及产品质量的注射成型方法和装置。
本发明上述目的实现的具体步骤是：
(1)将原材料，即全生物降解材料母粒或者共混料送入本发明中的注射成型装置，在该装置中，熔融体的制备过程包括给料段、塑化段和挤出段，在各个区域采用分段加温的方式将原材料进行逐步加热；在挤出段前端(靠近模具一侧)配备超声波混合装置；料筒内壁为非光滑表面。同时，在此过程中通过精确控制温度，得到质量优良的全生物降解材料的熔融体。
(2)充模成型。将上述的全生物降解材料的熔融体注射至模具内成型，得到全生物降解材料制品。
所述的成型设备用原材料与普通塑料注塑机所用颗粒状原材料的尺寸、形态相当；
所述的成型设备用原材料包括：全生物降解材料母粒，或者由全生物降解材料母粒以及一定数量的增塑剂、封端剂、填充剂组成的共混料。
所述的全生物降解材料成型所采用的装置，包括给料装置、全生物降解材料熔融体的制备装置、注射系统、锁模系统四大部分组成，其特征在于：所述的给料装置将原材料颗粒(3)由注射机加料斗(4)加入，经其下方的定量供给装置(5)送入熔融体制备装置中；所述的全生物降解材料熔融体的制备装置由螺杆旋转系统和料筒加热系统构成，螺杆旋转系统由螺旋输送杆(8)和驱动其旋转的螺旋输送杆旋转机构(1)组成，料筒加热系统由料筒(6)和料筒外加热器(7)组成，通过控制料筒加热器的温度可实现全生物降解材料熔融体的分段逐步加温，同时，在螺旋输送杆的前端装备有一套超声波混合装置，由超声波发生器(11)、压电换能器(12)、放大器(13)以及探头(14)组成；所述的注射系统由液压注射装置(2)驱动；料筒(6)的出料口穿过静模板与模具(9)型腔相连，通过液压注射装置(2)将全生物降解材料熔融体注射至模具(9)，形成全生物降解材料制品(10)。
所述的全生物降解材料制品的熔融体制备过程，其特征在于所述熔融体的控制温度主要由料筒外加热器(7)控制和调整。
所述的全生物降解材料的熔融体制备时，料筒外加热器(7)采用分段控温的方法，以利于全生物降解材料在加热系统内有一个逐步升温的适应过程。
所述的料筒外加热器的分段控温方法，其特征在于所述的分段区域为三个，即靠近注射机加料斗部位给料段(15)，中部塑化段(16)，靠近超声波混合段(18)处挤出段(17)。
所述的料筒外加热器的分段区域，其特征在于所述的各区域的温度控制范围如下：给料段(15)的温度控制范围为70℃-100℃；塑化段(16)的温度控制范围为100℃-155℃；挤出段(17)的温度控制范围为150℃-200℃。
所述的温度控制精度，其特征在于所述的控温范围依据具体实施例中所使用的全生物降解原材料的不同而调整。
所述的全生物降解材料的成型方法，其特征在于熔融体制备区域中挤出段的前端(靠近模具(9)一侧)配备超声波混合装置。该装置使全生物降解材料熔融体在超声波场中振动混合，改变熔融体形核及长大的动力，从而降低熔融体的粘度、改善制品粘附料筒壁、搅拌螺杆以及成型模具的现象。
所述的超声波混合装置，其特征在于该装置的最大输出功率为300W；而且，频率可控，频率的控制范围为15kHz-35kHz。依据所用全生物降解原材料的种类不同，调节具体的频率值。
所述的全生物降解材料的成型设备，其特征在于料筒(6)内壁为非光滑表面。设计依据为吉林工业大学(现吉林大学)的任露泉等的中国发明专利“仿生减粘脱附非光滑表面部件”(专利号ZL 00134950.3)，该专利设计了一种仿生非光滑表面，用于以粘性物料为工作对象和工作介质的机具部件，该部件具有不需增加操纵和动力、减粘脱附效率高等特点。
所述的模具需要进行必要的改造，相应的改造方案应与主机配套。
本发明提供的方法和装置，可实现全生物降解材料的注射成形。具有如下优点：
1.所述的料筒外加热器采用分段逐步升温的方法，有利于全生物降解材料在加热系统内有一个逐步升温的适应过程。同时，可提高各加热区域的控温精度，降低所用全生物降解材料的降解率，有效地减少了材料粘结螺杆及料筒的现象，提高了制品的成品率；
2.所述的全生物降解材料的熔融体制备区域中挤出段的前端(靠近模具一侧)配备超声波混合装置。该装置可降低全生物降解材料熔融体的粘度，从而降低熔融体与模具的粘附率，进一步提高原材料的利用率及成品率。同时，通过超声波功率的调节及控制，可适用于不同种类的全生物降解材料；
3.所述的全生物降解材料成型装置的料筒内壁为非光滑表面，可降低全生物降解材料熔融体的粘附率；
4.本发明所述的装置可成形形状复杂的全生物降解材料制品；
5.成形制品质量高，气孔、偏析等缺陷少；
6.本发明所述的装置结构紧凑，使用和维护方便。
附图说明
图1是本发明所设计的全生物降解材料熔融注射成形装置的简图。
图2是本发明装置的分段控温示意图
图中1.螺旋输送杆旋转机构  2.液压注射装置  3.原材料颗粒  4.注射机加料斗  5.定量供给装置  6.料筒  7.料筒加热器  8.螺旋输送杆  9.模具  10.全生物降解材料制品  11.超声波发生器  12.压电换能器  13.放大器  14.探头  15.给料段  16.塑化段17.挤出段  18.超声波混合段
实施例
下面通过实施例进一步描述本发明的实施方式，但不限于此实施例。
本实施例的原材料为一种全生物降解型二氧化碳聚合物材料，其中包括有二氧化碳聚合物、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、增塑剂、封端剂，具体组成重量份数为：二氧化碳聚合物100重量份、聚丁二酸丁二醇酯10重量份、乙酰柠檬酸三正丁酯5重量份、马来酸酐封端剂1重量份。
具体成型步骤如下：
(1)将上述比例的原材料搅拌，得到共混料；
(2)将(1)中的共混料送入本发明装置的料斗中，料筒外加热器采用分段逐步升温方式设定，其中，给料段：70-100℃，塑化段：130-155℃，挤出段：150-170℃。超声波混合段的频率设定为：35kHz。
(3)将上述经分段逐步升温以及超声波混合搅拌的二氧化碳聚合物由高速注射系统注射至模具内成型，得到全生物降解二氧化碳聚合物制品。
在以上实施例中，材料粘结螺旋输送杆、料筒内壁以及模具的现象大大减轻，同时，在成型过程中，工艺稳定性好，制品的成品率可达90％以上。