一种空间电场作用lcp膜的生产设备及方法
阅读说明：本技术 一种空间电场作用lcp膜的生产设备及方法 (Production equipment and method for LCP film under action of space electric field ) 是由 曹贤武 黄其隆 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种空间电场作用LCP膜的生产设备,包括挤出机、超声发生装置、挤出机模头、空间电场发生装置以及压延成膜装置或流延成膜装置。超声发生装置用于产生超声波；空间电场发生装置用于产生膜幅宽方向上的空间电场,压延成膜装置或流延成膜装置用于对从挤出机模头流出并经空间电场作用的挤出物料压延或流延成膜。还提供相应的生产方法。本发明一方面通过使LCP受到超声波作用,超声波的冲击作用使分子链间互相作用减弱,分子运动能力增大,有利于解取向；另一方面,通过LCP受到膜幅宽方向的空间电场作用,解除LCP中的分子链取向,与后续LCP膜运动方向的拉伸作用造成的分子链取向相互抵消,在超声波和空间电场的协同作用下实现各向同性LCP膜的成型。(The invention provides production equipment for LCP films under the action of a space electric field, which comprises an extruder, an ultrasonic generating device, an extruder die head, a space electric field generating device and a calendaring film forming device or a tape casting film forming device. The ultrasonic generating device is used for generating ultrasonic waves; the space electric field generating device is used for generating a space electric field in the width direction of the film, and the calendering film-forming device or the tape-casting film-forming device is used for calendering or tape-casting film-forming the extruded material which flows out from the die head of the extruder and is acted by the space electric field. A corresponding production method is also provided. On one hand, the LCP is subjected to the action of ultrasonic waves, the interaction among molecular chains is weakened under the impact action of the ultrasonic waves, the molecular motion capability is increased, and the de-orientation is facilitated; on the other hand, the LCP is subjected to the action of a space electric field in the film width direction, the molecular chain orientation in the LCP is removed, the molecular chain orientation is mutually offset with the molecular chain orientation caused by the stretching action in the subsequent LCP film motion direction, and the molding of the isotropic LCP film is realized under the synergistic action of the ultrasonic wave and the space electric field.)
技术领域
本发明涉及高分子材料加工技术领域，特别涉及LCP膜生产技术领域，具体为一种空间电场作用LCP膜的生产设备及方法。
背景技术
LCP(Liquid Crystal Polymer，液晶聚合物)是一种刚性分子链组成的全芳族液晶聚酯类高分子材料，可高温烧结、可注塑，具有较高的机械强度和自增强性，极高的耐热性、耐候性、耐化学药品性，优良的耐磨性、阻燃性、电绝缘性，在高温下可存在于大多数化学药品中，能够抵抗应力开裂，其中极性和碗状LCP为铁电体，在外电场下具有极短的响应时间。
随着5G时代的到来，通信设备频率提高、传输速度加快，需要更低的介电常数、介电损耗因子的材料。LCP低介电常数、低介电损耗因子的特点可应用于电气传输、5G通信的高频领域，但全芳香族和共聚酯的刚性分子链结构加工过程中在其熔融流变方向上以及剪切应力的方向上极易堆积形成有序结构，导致表面形成条纹，膜幅宽方向上容易撕裂等各向异性问题。近年来，生产连续、表面规整的LCP膜技术门槛较高，热处理方法被国外所垄断。中国公开专利申请“一种LCP膜生产装置及方法(公开号：CN 111546593 A)”提供了一种LCP膜生产装置，但该装置的环形电场打乱LCP分子取向的加工方法解取向针对性不高，效率较低，中国公开专利申请“液晶聚合物薄膜及制造方法(公开号：CN 109664563 A)”提供了液晶聚合物薄膜的制造方法，虽然该发明的交错层叠热压制造LCP膜的方法效果良好，但工艺流程复杂，开发一种便捷、有效的各向同性LCP膜的加工方法及设备对于实现降低成本、提高生产效率具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对LCP膜加工过程中加工方法和设备存在的问题和不足，将超声波和空间电场同时引入到加工过程中，提供一种通过超声波与空间电场协同作用，破坏LCP材料在生产过程中存在的有序结构，提高生产效率，实现各向同性LCP膜加工的方法和设备。
本发明的目的通过至少以下技术方案之一实现。
本发明提供的一种空间电场作用LCP膜的生产设备，包括挤出机、超声发生装置、挤出机模头、空间电场发生装置以及压延成膜装置或流延成膜装置，
挤出机用于输出熔融状态的LCP液晶材料；
超声发生装置用于产生超声波，设置在挤出机的料筒末端；
定义物料的前进方向为前方，挤出机模头位于超声发生装置的前方，且挤出机模头与挤出机的料筒相通；
空间电场发生装置用于产生膜幅宽方向上的空间电场，包括空间电场发生器、相对设置的放电正极板和放电负极板，放电正极板和放电负极板均与空间电场发生器连接，放电正极板和放电负极板设置在挤出机模头出口处且位于挤出机模头所挤出物料的两侧；
压延成膜装置或流延成膜装置位于挤出机模头的出口处，以对从挤出机模头流出并经空间电场作用的挤出物料压延成膜或流延成膜。
LCP液晶材料受到超声波的作用，分子链发生高频振动，超声波的冲击作用使分子链间互相作用减弱，分子内部结构活性和运动能力增大，降低粘度，有利于解取向；然后LCP液晶材料受到TD方向膜幅宽方向空间电场力的作用，分子链沿电场方向发生运动，解除LCP分子链取向，与后续LCP膜MD方向运动方向的拉伸作用造成的分子链取向相互抵消打乱有序的分子排列，在超声波以及空间电场的电场力的协同作用下实现各向同性LCP膜的加工。
优选地，还包括卷曲装置，卷曲装置设置在压延成膜装置或流延成膜装置的前方以收集经压延成膜或流延成膜处理后的成型LCP膜。
优选地，超声发生装置包括超声换能探头、超声调频器和超声波发生器，超声换能探头固定在挤出机的料筒末端且伸入料筒内，超声调频器与超声换能探头连接，超声波发生器与超声调频器连接。
所述超声波由超声发生装置中的超声发生器产生，并通过超声换能探头作用于熔体，超声振动频率可通过超声调频器调节，调节范围为～KHz，超声换能探头谐振频率为Hz。
优选地，所述空间电场发生装置还包括输出控制器，输出控制器与空间电场发生器连接，放电负极板与空间电场发生器连接，放电正极板通过输出控制器与空间电场发生器连接。
所述空间电场由空间电场发生装置的放电正极板与放电负极板产生，电场强度大小通过输出控制器共同调节，调节范围为～KV。
优选地，所述LCP液晶材料为热致性聚对亚苯基对苯二甲酰，或为以热致性聚对亚苯基对苯二甲酰为基体，以玻璃纤维、碳纤维为填料的高分子复合材料。
优选地，所述压延成膜装置包括压延第一辊轮、压延第二辊轮和压延第三辊轮，所述压延第一辊轮和压延第二辊轮并排设置于挤出机模头正下方，所述压延第一辊轮和压延第二辊轮的接触面与挤出机模头的出料口处于同一竖直位置，所述压延第三辊轮并排设置于压延第二辊轮一侧。
优选地，述流延成膜装置包括流延辊轮、流延剥离第一辊轮和流延剥离第二滚轮，所述流延辊轮安装于挤出机模头正下方，所述流延辊轮的圆心与挤出机模头的出料口处于同一竖直位置，流延剥离第一辊轮与流延剥离第二辊轮并排依次设置在流延辊轮一侧。
优选地，压延成膜包括以下步骤：
S1、将挤出机、超声发生装置、空间电场发生装置、压延成膜装置与外部供电系统连接，设备开始运作；
S2、将干燥的原料倒入挤出机料斗内，完成原料的熔融输送；
S3、熔融原料经过料筒末端安装有超声发生装置的区域时，熔融原料与超声换能探头接触并受到超声作用后从料筒末端流出，流入挤出机模头，经过空间电场发生装置产生的空间电场作用后进入压延成膜装置中；
S4、从挤出机模头流出的熔融原料通过压延第一辊轮和压延第二辊轮(的压延作用成型，所得LCP膜半成品通过压延第二辊轮与压延第三辊轮的进一步作用定型输出，最后收集于卷曲装置。
优选地，流延成膜包括以下步骤：
S1、将挤出机、超声发生装置、空间电场发生装置、流延成膜装置与外部供电系统连接，设备开始运作；
S2、将干燥的原料倒入挤出机料斗内，完成原料的熔融输送；
S3、熔融原料经过安装有超声发生装置的区域后流入挤出机模头，经过空间电场发生装置所产生的空间电场作用后进入压延成膜装置中；
S4、从挤出机模头流出的熔融原料在流延辊轮表面流延成型，再通过流延剥离第一辊轮与流延剥离第二辊轮的作用后，最后收集于卷曲装置。
超声波与空间电场协同作用机理如下：
LCP液晶材料受到超声波的作用，分子链发生高频振动，超声的冲击作用使分子链间互相作用减弱，分子内部结构活性和运动能力增大，降低粘度，为分子链在空间电场中偏转提供有利条件。LCP液晶材料为铁电体，且分子链存在极性可在电场中偏转，经过超声作用的LCP液晶材料受到空间电场力的作用，分子链沿电场方向发生运动，解除分子链取向，打乱有序的分子排列，同时在挤压组件的作用下可达到类似双向拉伸的效果，从而达到在超声波以及空间电场的电场力的协同作用下实现各向同性LCP膜的加工。
相对于现有的LCP膜加工方法和设备，本发明至少具备以下有益效果：
(1)本发明通过空间电场发生装置产生的空间电场，可打乱LCP分子链产生的有序结构，有效缓解甚至解除在加工过程中LCP形成的纤维状取向结构导致制品机械性能各向异性的问题；
(2)超声波作用的引入使分子链间互相作用减弱，分子内部结构活性和运动能力增大，为分子链在空间电场中偏转提供有利条件，放大了空间电场的作用，提高分子链在空间电场中偏转的效率；
(3)定向电场处理LCP针对性强，与后续LCP膜MD方向(运动方向)的拉伸作用造成的分子链取向相互抵消，解取向效果好；
(4)超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的方法原理简单，加工条件容易实现，可降低加工难度，提高生产效率；
(5)超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的设备结构简单，易操作，可调整性强，可通过调整超声发生器和空间电场发生装置的参数根据需要调节生产过程。
附图说明
图1为本发明超声波与空间电场协同作用挤出压延成膜装置的整体示意图；
图2为本发明空间电场作用挤出压延成膜装置的整体示意图(图中省略超声发生装置)；
图3为本发明超声波与空间电场协同作用挤出流延成膜装置的整体示意图；
图4本发明空间电场作用挤出流延成膜装置的整体示意图(图中省略超声发生装置)；
图5为超生发生装置整体示意图；
图6为空间电场发生装置相对挤出机模头安装位置示意图。
图中：1-挤出机；2-超声发生装置；21-超声换能探头；22-超声调频器；23-超声波发生器；3-挤出机模头；4-空间电场发生装置；41-空间电场发生器；42-输出控制器；43-放电正极板；44-放电负极板；5-压延成膜装置；51-压延第一滚轮；52-压延第二辊轮；53-压延第三辊轮；61-流延辊轮；62-流延剥离第一辊轮；63-流延剥离第二辊轮；7-卷曲装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式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。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
实施例1：
请参阅图1、图2，本发明提供一种空间电场作用LCP膜的生产设备，由超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜，包括挤出机1、超声发生装置2、挤出机模头3、空间电场发生装置4、压延成膜装置5和卷曲装置7。
挤出机1用于输出熔融状态的LCP液晶材料；超声发生装置2用于产生超声波，设置在挤出机1的出料筒上；定义物料的前进方向为前方，挤出机模头3位于超声发生装置2的前方，且挤出机模头3与挤出机1的出料筒相通；空间电场发生装置4用于产生膜幅宽方向上的空间电场，包括空间电场发生器41、相对设置的放电正极板43和放电负极板44，放电正极板43和放电负极板44均与空间电场发生器41连接，放电正极板43和放电负极板44设置在挤出机模头3出口处且位于挤出机模头3所挤出物料的两侧；；压延成膜装置5位于挤出机模头3的出口处，以对从挤出机模头3流出并经空间电场作用的挤出物料压延成膜，卷曲装置7设置在压延成膜装置5的前侧，以对经压延成膜装置5压延成膜的LCP膜进行收集。
其中，所述超声发生装置2包括超声换能探头21、超声调频器22和超声波发生器23，所述超声换能探头21钻孔安装于挤出机1料筒末端，且超声换能探头21与超声调频器22连接，所述超声调平频器22与超声波发生器23连接。
其中，所述超声波由超声发生器23产生，并由超声换能探头21作用于熔体，超声振动频率由超声调频器22调节，调节范围为17～40KHz。本实施例中，超声波发生器23优选型号为JYD-700d-I，工作频率为20Hz，超声换能探头21优选型号为Z-5020-Y-I，谐振频率为20Hz。
其中，所述空间电场发生装置包括空间电场发生器41、输出控制器42、放电正极板43和放电负极板44，所述放电正极板43和放电负极板44固定安装于挤出机模头3正下方所挤出的物料左右两侧，输出控制器42与空间电场发生器41连接，放电负极板44与空间电场发生器41连接，放电正极板43通过输出控制器42与空间电场发生器41连接。所述空间电场发生装置4产生TD方向(膜幅宽方向)上的空间电场。
其中，本实施例中，空间电场发生器41优选型号为BM201植物空间静电场发生器。
其中，挤出机模头3为直角式挤出机模头，其上开设有狭缝入口和狭缝出口，熔融原料从料筒流出后经狭缝入口流入挤出机模头3内，经过空间电场作用后经狭缝出口流出后进入流延成膜装置6。
所述压延成膜装置5包括压延第一辊轮51、压延第二辊轮52和压延第三辊轮53，所述压延第一辊轮51和压延第二辊轮52并排设置于挤出机模头3正下方，所述压延第一辊轮51和压延第二辊轮52的接触面与挤出机模头3的出料口处于同一竖直位置使得从挤出机模头3流出的熔融原料可以进入第一辊轮51和压延第二辊轮52的接触面，所述压延第三辊轮53并排设置于压延第二辊轮52一侧。
其中，所述LCP液晶材料为热致性聚对亚苯基对苯二甲酰，或为以热致性聚对亚苯基对苯二甲酰为基体，以玻璃纤维、碳纤维为填料的高分子复合材料。
通过本实施例提供的一种空间电场作用LCP膜的生产设备，LCP液晶材料挤出后通过压延成型的方式制造LCP膜，LCP液晶材料受到超声波的作用，分子链发生高频振动，超声波的冲击作用使分子链间互相作用减弱，分子内部结构活性和运动能力增大，降低粘度，有利于解取向；经过超声波作用的LCP液晶材料受到TD方向(膜幅宽方向)空间电场力的作用，分子链沿电场方向发生运动，解除LCP分子链取向，与后续LCP膜MD方向(运动方向)的拉伸作用造成的分子链取向相互抵消打乱有序的分子排列，在超声波以及空间电场的电场力的协同作用下实现各向同性LCP膜的加工。
实施例2
本实施例提供的是实施例1所提供生产设备的生产方法。
一种超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的压延成膜生产方法，包括以下步骤：
S1、将挤出机1、超声发生装置2、空间电场发生装置4、压延成膜装置5与外部供电系统连接，设备开始运作；
S2、将干燥的原料倒入挤出机1料斗内，完成原料的熔融输送；
S3、熔融原料经过安装有超声发生装置2的区域后流入挤出机模头3，经过空间电场发生装置4产生的空间电场作用后进入压延成膜装置5中；
S4、从挤出机模头3流出的熔融原料通过压延第一辊轮51和压延第二辊轮52的压延作用成型，所得LCP膜半成品通过压延第二辊轮52与压延第三辊轮53的进一步作用定型输出，最后收集于卷曲装置7。
实施例3：
与实施例1基本相同，所不同的是，本实施例设置的不是压延成膜装置5，而是流延成膜装置6，是通过流延成膜的方式制造LCP膜的生产设备。
流延成膜装置6位于挤出机模头3的出口处，以对从挤出机模头3流出并经空间电场作用的挤出物料流延成膜。
其中，所述流延成膜装置6包括流延辊轮61、流延剥离第一辊轮62和流延剥离第二滚轮63，所述流延辊轮61安装于挤出机模头3正下方，所述流延辊轮61的圆心与挤出机模头3的出料口处于同一竖直位置，流延剥离第一辊轮62与流延剥离第二辊轮63并排依次设置在流延辊轮61一侧。
通过本实施例提供的LCP膜的生产设备，LCP液晶材料挤出后通过流延成型的方式制造LCP膜，LCP液晶材料受到超声波的作用，分子链发生高频振动，超声波的冲击作用使分子链间互相作用减弱，分子内部结构活性和运动能力增大，降低粘度，有利于解取向；经过超声波作用的LCP液晶材料受到TD方向(膜幅宽方向)空间电场力的作用，分子链沿电场方向发生运动，解除LCP分子链取向，与后续LCP膜MD方向(运动方向)的拉伸作用造成的分子链取向相互抵消打乱有序的分子排列，在超声波以及空间电场的电场力的协同作用下实现各向同性LCP膜的加工。
实施例4：
本实施例提供的是实施例3所提供设备的声场方法。
一种超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的流延成膜生产方法，包括以下步骤：
S1、将挤出机1、超声发生装置2、空间电场发生装置4、流延成膜装置5与外部供电系统连接，设备开始运作；
S2、将干燥的原料倒入挤出机1料斗内，完成原料的熔融输送；
S3、熔融原料经过安装有超声发生装置2的区域后流入挤出机模头3，经过空间电场发生装置4所产生的空间电场作用后进入压延成膜装置6中；
S4、从挤出机模头3流出的熔融原料在流延辊轮61表面流延成型，再通过流延剥离第一辊轮62与流延剥离第二辊轮63的作用后，最后收集于卷曲装置7。
实施例5：
一种超声发波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的压延生产方法：
通过实现超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的压延设备在310℃下对热塑性聚合物树脂(VECTRA A950)进行挤出，挤出螺杆(转速为80rpm，植物空间静电场发生器工作电压为50kV。对所得LCP膜进行性能测试，MD方向拉伸强度为270MPa，TD方形拉伸强度为170MPa。
实施例6：
一种超声发波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的压延生产方法：
通过实现超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的压延设备在310℃下对热塑性聚合物树脂(VECTRA A950)进行挤出，挤出螺杆转速为80rpm，植物空间静电场发生器工作电压为100kV。对所得LCP膜进行性能测试，MD方向拉伸强度为235MPa，TD方形拉伸强度为195MPa。
实施例7：
一种超声发波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的压延生产方法：
通过实现超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的压延设备在310℃下对热塑性聚合物树脂(VECTRA A950)进行挤出，挤出螺杆转速为80rpm，植物空间静电场发生器工作电压为150kV。对所得LCP膜进行性能测试，MD方向拉伸强度为215MPa，TD方形拉伸强度为205MPa。
实施例8：
一种超声发波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的流延生产方法：通过实现超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的流延设备在310℃下对热塑性聚合物树脂(VECTRA A950)进行挤出，挤出螺杆转速为80rpm，植物空间静电场发生器工作电压为50kV。对所得LCP膜进行性能测试，MD方向拉伸强度为295MPa，TD方形拉伸强度为165MPa。
实施例9：
一种超声发波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的流延生产方法：
通过实现超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的流延设备在310℃下对热塑性聚合物树脂(VECTRA A950)进行挤出，挤出螺杆转速为80rpm，植物空间静电场发生器工作电压为100kV。对所得LCP膜进行性能测试，MD方向拉伸强度为245MPa，TD方形拉伸强度为190MPa。
实施例10：
一种超声发波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的流延生产方法：
通过实现超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的流延设备在310℃下对热塑性聚合物树脂(VECTRA A950)进行挤出，挤出螺杆转速为80rpm，植物空间静电场发生器工作电压为150kV。对所得LCP膜进行性能测试，MD方向拉伸强度为220MPa，TD方形拉伸强度为200MPa。
对比实施例1：
通过实现超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜的压延设备在310℃下对热塑性聚合物树脂(VECTRA A950)进行挤出，挤出螺杆转速为80rpm。对所得LCP膜进行性能测试，MD方向拉伸强度为340MPa，TD方形拉伸强度为85MPa。
对比实施例2：
通过实现超声波与空间电场协同作用加工各向同性LCP膜流延的设备在310℃下对热塑性聚合物树脂(VECTRA A950)进行挤出，挤出螺杆转速为80rpm。对所得LCP膜进行性能测试，MD方向拉伸强度为345MPa，TD方形拉伸强度为80MPa。
表1各实施例加工方式、工艺参数及样品力学性能
综合以上实施例所述，通过超声发生器产生的超声波，可有效提高分子内部结构活性和运动能力，放大空间电场的作用；通过空间电场发生装置产生的空间电场，可以达到接触分子链取向、打乱分子的有效排列的目的，从而有效缓解甚至解除在加工过程中LCP形成的纤维状取向结构导致制品机械性能各向异性的问题；所述液晶聚合物LCP膜制备方法简便，可调节度高，易于提高生产效率，适合大批量连续生产。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等同变换，或直接或间接运用相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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