一种分流拉伸螺杆元件及其螺杆组合的制作方法

[0001]
本发明涉及高分子塑化混合装置，具体涉及一种分流拉伸螺杆元件及其螺杆组合。


背景技术：

[0002]
螺杆加工塑化过程中，其对物料的输送和分布混合能力可以通过适当选择螺杆元件的类型和几何形状来控制，大部分分散混合作用发生在剪切流主导的捏合块中。
[0003]
随着高分子材料科学的发展，传统的以剪切为主的螺杆元件已经不能满足加工要求，对一些热不稳定的树脂，如pvc、ppc等，过高的剪切会产生大量粘性耗散热，可能造成基体的热降解，而且纯剪切不利于加工粘度比较大的共混物，因此，在增加混炼效果的同时，如何保证减少剪切热成为螺杆加工的重要问题。
[0004]
近年来，为了在高分子塑化加工设备中引入拉伸力场或产生混沌力场，出现了差速螺杆挤出技术—通过两根螺杆的速度差产生混沌力场、中空螺杆—在螺杆中空部分采用收敛-发散流道引入拉伸力场、偏心转子挤出机—通过转子与与定子的容腔容积周期性变化实现体积拉伸而产生拉伸主导流场等新型加工设备，但这些设备往往涉及对整个螺杆或挤出机设备的改造，结构复杂，制备困难，造价高，目前主要应用于实验室，很难实现设备的量产。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术中的混炼效果差、温升高、结构复杂等问题，本发明提供了一种分流拉伸螺杆元件，技术方案如下：
[0006]
一种分流拉伸螺杆元件，其整体为一个中空柱状的拉伸块，其芯部为用于与螺杆芯轴相连的连接孔，其外表面沿周向平行设置若干个分隔棱，分隔棱沿拉伸块径向高度一致；各分隔棱之间为拉伸槽，拉伸槽与机筒内壁面的间隙形成沿螺杆径向拉伸流道，所述径向拉伸流道沿螺杆轴向为中间窄、两端阔的半收敛-发散拉伸流道。
[0007]
在螺杆转动过程中，物料流经拉伸块，被分隔棱分割成数股料流，搅乱料流，使物料加速均化；拉伸槽与机筒内壁面形成的径向拉伸流道，产生强烈的拉伸力场作用，料流经分散、汇合，达到优异的分布分散混合效果。
[0008]
进一步的，还可以在分隔棱的顶端设置一个斜侧面，此时，带有斜侧面的分隔棱顶端与机筒内壁的间隙会形成一个周向拉伸流道，使得物料不仅仅受到原有的径向方向的拉伸混合，还同时受到周向的拉伸混合，在径向和周向两个方向均受到强烈的拉伸力场作用，然后再次汇合。物料经反复分流拉伸汇合作用，强化加工过程分布分散混合和塑化效果。
[0009]
进一步的，所述半收敛-发散拉伸流道包括中间的收敛段l
c
、两端的第一发散段l1和第二发散段l2，且形成所述半收敛-发散拉伸流道的外轮廓线为直线，其中第一发散段l1的入口角度为φ1，第二发散段l2的入口角度为φ2。收敛段l
c
对应的流道深度值为wc,第一发散段l1和第二发散段l2的流道深度值最大处为wu，要求wu大于wc；设a为收敛比，则有a＝
wu/wc>1；a越大，物料在经过收敛-发散流道受到的挤压和拉伸作用越大，通常收敛比大于2以上挤压和拉伸作用比较明显，具体根据螺杆规格和材料特性对收敛比a和入口角度φ1、φ2进行优选，达到最佳效果，其中φ1、φ2可在0
°-
90
°
之间进行优选。
[0010]
优选的，第一发散段l1和第二发散段l2对称分布在收敛段lc两边，此时第一发散段l1和第二发散段l2长度相等，同时有φ1＝φ2。
[0011]
可选的，所述半收敛-发散拉伸流道，沿螺杆轴向的截面，在靠近拉伸槽一侧的外形曲线为半双曲线。
[0012]
进一步的，该半双曲线由方程x＝((z-l/2)
2-vc)/k规定：其中，l为拉伸块的长度，vc为拉伸流道沿螺杆轴向截面最窄处的宽度，z为机筒内壁面上点的轴向坐标，x为拉伸流道沿螺杆轴向截面上与z点对应的宽度，k为常数；拉伸块的长度l根据螺杆规格和槽数而变化。
[0013]
采用双曲线型收敛流道一个优点在于可以沿双曲线的中心线即半通道轴向靠近机筒内壁面处产生恒定的应变率。按照理论设计，以上参数是可变的，取决于实际加工要求，可以对不同参数组合优化，达到最佳效果。
[0014]
进一步的，分隔棱的数量不小于4个，棱厚为1到5毫米，具体数值可以配合螺杆的规格和加工的高分子材料特性进行优化设计。
[0015]
进一步的，拉伸块上的分隔棱的长度可以根据具体要求和加工情况改变；拉伸块总长度上设置分隔棱的部分称为拉伸段，没有设置分隔棱的则为中空圆柱，称为非拉伸段；所述拉伸块包括拉伸段和非拉伸段。这种情况主要用于双螺杆或多螺杆加工中。优选的，拉伸段的长度和非拉伸段的长度相等。
[0016]
在双螺杆加工中，左右螺杆安装的拉伸块的拉伸段和非拉伸段错开，保证一定的啮合距离，螺杆运动不会发生干涉；在多螺杆加工中，多条螺杆上安装的拉伸块的拉伸段和非拉伸段错开，保证一定的啮合距离，螺杆运动不会发生干涉。
[0017]
本发明的另一个目的在于提供了一种包含本发明的分流拉伸螺杆元件的螺杆组合，包括螺杆输送段和数个拉伸块，所述数个拉伸块连续安装在螺杆螺杆芯轴上；优选的，拉伸块的数量为3个。多个拉伸块连续安装在螺杆芯轴上，物料经反复分流拉伸汇合，进一步增强混炼塑化和分布分散混合效果。
[0018]
本发明的另一个目的在于提供另外一种包含本发明的分流拉伸螺杆元件的螺杆组合，包括顺次安装于螺杆轴芯上的反向输送元件、数个拉伸块、输送元件、数个交错角度为90
°
的捏合块以及数个交错角度为60
°
的捏合块；其中拉伸块包括拉伸段和非拉伸段，反向输送元件位于螺杆混合段出口位置。
[0019]
需要说明的是，本发明的分流拉伸螺杆元件能与传统的螺杆对接而不中断其正常功能或添加额外的设备系统或控件，因此适用于采用螺杆工作的挤出或注塑设备，包括：单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机、注塑机。
[0020]
本发明主要有以下突出的有益效果：
[0021]
1.本专利在拉伸块上设置分隔棱和拉伸槽，拉伸槽和机筒内壁面的间隙形成沿螺杆径向拉伸流道；同时还可以在分隔棱顶端设置斜侧面，带有斜面的分隔棱顶端与机筒内壁面的间隙形成沿螺杆周向拉伸流道；螺杆工作时，通过沿螺杆周向和径向拉伸流道的作用，对物料的分流拉伸混合，增强高分子塑化加工过程中混炼塑化、分布分散混合效果。
[0022]
2.与剪切流相比，拉伸流混合具有以下优点：能效比剪切流高；不受粘度比的限制；拉伸流的温度升高仅为1-3℃；产生更好的分散和分布混合。
[0023]
3.本发明采用的拉伸块，可以用于传统螺杆系统，无需添加额外的设备系统或控件实现高分子挤出加工或注塑加工，拆装方便，适用多种加工设备。
附图说明
[0024]
图1为本发明一种分流拉伸螺杆元件的实施例1的立体结构示意图。
[0025]
图2为本发明一种分流拉伸螺杆元件的实施例1在工作状态下的截面图。
[0026]
图3为图2沿a-a方向的剖面图。
[0027]
图4为本发明一种分流拉伸螺杆元件的实施例2的立体结构示意图。
[0028]
图5为本发明一种分流拉伸螺杆元件的实施例2在工作状态下的截面图。(右下角放大部分显示了周向拉伸流道8)
[0029]
图6为本发明的半收敛-发散拉伸流道的一种实施例的示意图。
[0030]
图7为本发明的半收敛-发散拉伸流道的另一种实施例的示意图。
[0031]
图8本发明一种分流拉伸螺杆元件的实施例3用于双螺杆的立体结构图。
[0032]
图9为本发明一种分流拉伸螺杆元件的一种可实施的螺杆组合1的结构示意图。
[0033]
图10为本发明一种分流拉伸螺杆元件的一种可实施的螺杆组合2的结构示意图。
[0034]
图中：
[0035]
1为拉伸块、2为连接孔、3为分隔棱、4为拉伸槽、5为径向拉伸流道、6为螺杆芯轴、7为机筒、8周向拉伸流道、9为斜侧面、10为螺杆、11为拉伸段、12为非拉伸段、61为反向输送元件、62为输送元件、63为交错角度为90
°
的捏合块、64为交错角度为60
°
的捏合块。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
[0037]
图1-3展示了本发明一种分流拉伸螺杆元件的实施例1，其中图1为实施例1的立体结构示意图，本实施例整体为一个中空柱状的拉伸块1，拉伸块1的外表面沿周向平行设置若干个分隔棱3，拉伸块1芯部为用于与螺杆芯轴6相连的连接孔2；图2显示了该实施例的使用状态图，拉伸块1通过连接孔2装入螺杆芯轴6，再装入机筒7。分隔棱3沿拉伸块径向高度一致；各分隔棱3之间为拉伸槽4，拉伸槽4与机筒7内壁面的间隙形成沿螺杆径向拉伸流道5，所述径向拉伸流道5沿螺杆轴向为中间窄、两端阔的半收敛-发散拉伸流道。
[0038]
图4-5展示了本发明一种分流拉伸螺杆元件的实施例2，其中图4为的立体结构示意图，图5显示了该实施例的使用状态图，在分隔棱3的顶端设置一个斜侧面9，图中将拉伸块1通过连接孔2装入螺杆芯轴6，再装入机筒7。此时，带有斜侧面9的分隔棱3的顶端与机筒内壁的间隙会形成一个周向拉伸流道8，(图5右下角放大显示了分隔棱3和周向拉伸流道8)使得物料不仅仅受到原有的径向方向的拉伸混合，还同时受到周向的拉伸混合，物料经反复分流拉伸汇合作用，强化加工过程分布分散混合和塑化效果。
[0039]
所述的半收敛-发散拉伸流道，其形式可以有多种，这里提供两个实施例。
[0040]
图6为本发明一种分流拉伸螺杆元件的半收敛-发散拉伸流道的一个实施例的沿螺杆轴向截面图，该半收敛-发散拉伸流道包括中间的收敛段l
c
、两端的第一发散段l1和第
二发散段l2；该实施例中，形成所述半收敛-发散拉伸流道的外轮廓线为直线，其中第一发散段l1的入口角度为φ1，第二发散段l2的入口角度为φ2。收敛段l
c
对应的流道深度值为wc,第一发散段l1和第二发散段l2的流道深度值最大处为wu，要求wu大于wc；设a为收敛比，则有a＝wu/wc>1；a越大，物料在经过收敛-发散流道受到的挤压和拉伸作用越大，通常收敛比大于2以上挤压和拉伸作用比较明显，具体根据螺杆规格和材料特性对收敛比a和入口角度φ1、φ2进行优选，达到最佳效果，其中φ1、φ2可在0
°-
90
°
之间进行优选。
[0041]
优选的，第一发散段l1和第二发散段l2对称分布在收敛段lc两边，此时第一发散段l1和第二发散段l2长度相等，同时有φ1＝φ2。
[0042]
进一步的，当选用以上的半收敛-发散拉伸流道时，流道的外形轮廓线为直线，可以在其形成的各折点位设置圆角，以减少料流的阻力，防止在该处料流停留时间过长过热烧焦。
[0043]
图7为本发明一种分流拉伸螺杆元件的半收敛-发散拉伸流道另外一种实施例的轴向截面图，该实施例沿螺杆轴向的截面靠近拉伸槽4一侧的外形曲线为半双曲线，进一步的，该半双曲线由方程x＝((z-l/2)
2-vc)/k规定：其中，l为拉伸块1的长度，vc为拉伸流道沿螺杆轴向截面最窄处的宽度，z为机筒7内壁面上点的轴向坐标，x为拉伸流道沿螺杆轴向截面上与z点对应的宽度，k为常数；拉伸块的长度l根据螺杆规格和槽数而变化。
[0044]
采用该双曲线型收敛流道一个优点在于可以沿双曲线的中心线即半通道轴向靠近机筒内壁面处产生恒定的应变率。按照理论设计，以上参数是可变的，取决于实际加工要求，可以对不同参数组合优化，达到最佳效果。
[0045]
通常情况下，拉伸块的长度根据螺杆规格和槽数而定，分隔棱3的数量不少于4个；棱厚为1至5毫米。这些参数是可以变化的，根据具体的螺杆规格和加工要求进行设计优化。
[0046]
图8显示了本发明一种分流拉伸螺杆元件的实施例3的立体结构图，该实施例中，所述拉伸块1包括拉伸段11和非拉伸段12两段，其中拉伸段11设置分隔棱3和拉伸槽4，非拉伸段12为中空圆柱，不设分隔棱3和拉伸槽4。所述拉伸段11和非拉伸段12的长度可以是相等的。通常本实施例用于双螺杆挤出机，为了保证左右螺杆之间的周向啮合间隙，螺杆工作时，左右螺杆的拉伸段11和非拉伸段12错开，同时保证一定的轴向啮合距离，螺杆运动不会发生干涉。同理，实施例3的拉伸块还可以用于多螺杆挤出机。
[0047]
本发明的拉伸块1可以通过装入不同的螺杆和螺杆元件，适用于不同的螺杆组合，这里提供了两种组合。
[0048]
图9显示了一种包含本发明的分流拉伸螺杆元件的螺杆组合1，包括螺杆输送段10和实施例2的拉伸块1，该拉伸块1顶端有一斜侧面，其中拉伸块1有三个，连续安装在螺杆芯轴6上，物料流经拉伸块1时，被分隔棱3分成多股料流，来自挤出机向前输送的压力迫使物料经过拉伸槽4与机筒内壁面形成的半收敛-发散流道为径向拉伸流道，同时经历螺杆旋转过程中带有斜侧面的分隔棱3顶端与机筒7内壁面形成的沿螺杆周向拉伸流道，在径向和周向受到强烈的拉伸力场作用，然后再次汇合。物料经反复分流拉伸汇合作用，强化加工过程分布分散混合和塑化效果。当然，本实施组合中的拉伸块1，也可以选择诸如实施例1的拉伸块，此外，拉伸块1的数量也可以不限定于三个，比如2-4个也是可选的。
[0049]
图10显示了另外一种包含本发明的分流拉伸螺杆元件的螺杆组合2，包括顺次安装于螺杆轴芯的反向输送元件61、数个拉伸块1、输送元件62、数个交错角度为90
°
的捏合块
63以及数个交错角度为60
°
的捏合块64；其中拉伸块1包括拉伸段11和非拉伸段12，反向输送元件61位于螺杆混合段出口位置。
[0050]
物料经料斗进入挤出机机筒内，在螺杆旋转作用下向前输送，此时物料仍以固体状态存在，虽然由于强烈的摩擦热作用，在接近末端时与机筒7内壁相接触的塑料已接近或达到粘流温度，固体粒子表面开始发粘，但熔融仍未开始。通过交错角度为60
°
的捏合块64、交错角度为90
°
的捏合块63的反复剪切混合，物料承受较大的摩擦剪切和机筒传热，充分熔融塑化，固体粒子基本熔融，此时物料呈流体状态，通过输送元件62输送入混合段，流体经历分流拉伸螺杆元件的反复分流拉伸汇合作用，各组分尺寸进一步细化与均匀，增强混炼塑化和分布分散混合效果。位于混合段出口处的反向输送元件61，能够形成背压，保证足够的压力使流体充满拉伸流道，增大粒子在分流拉伸螺杆元件的停留分布时间，加强拉伸混炼效果。
[0051]
同理，在本螺杆组合的实施例中，拉伸块的数量以及两种捏合块的数量和种类，都可以根据螺杆加工的具体要求进行优化选择。
[0052]
上述列举的实施例仅为便于解释和说明本发明的技术方案和工作原理所列的较佳的实施方式，事实上本发明的实施方式还有多种形式和组合，并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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