CN100408307C

CN100408307C - 超高压单螺杆挤出机

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Publication number: CN100408307C
Application number: CNB2005100957517A
Authority: CN
Inventors: 包赟元
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2025-11-21
Also published as: CN1765612A

Abstract

本发明是超高压单螺杆挤出机，其结构是包括：机筒、螺杆、加料斗、传动器、电机、冷却装置、机座。其特征是：在挤出机机筒、螺杆上设置冷却装置，把挤出机螺杆的几何压缩比设计制作在10～120的高倍率；设定的螺杆转速为30～1500转/分。优点：在挤出机机筒、螺杆上设置冷却装置，以便消除化学物料与机筒、螺杆高速摩擦产生的超过正常值的温度，把挤出机螺杆的几何压缩比设计制作在10～120的高倍率(具体根据化学物料的特性而设定)，能使被挤出的化学物料在挤出机的机筒和螺杆之间，形成一个超高压的固体输送塞，此时，化学物料与螺杆之间，化学物料与机筒之间，化学物料与化学物料之间在超高压的状态下，进行摩擦而产生热量，从而迫使化学物料在短时间内熔融塑化，并在超高压下进行有效的剪切、混炼，根据摩擦温度的高低程度，把螺杆转速设定在30～1500转/分(具体根据机筒、螺杆、化学物料的摩擦温度而设定)，以便使挤出机的摩擦温度与加料的数量大小和冷却量的大小能操作控制在稳定的平衡状态。

Description

超高压单螺杆挤出机

技术领域

本发明涉及的是一种塑料挤出混炼造粒、塑料挤出成型的挤出机，属于塑料机械技术领域。

背景技术

传统的塑料挤出机，无论是何种形式的挤出机在正常工作时，均是在机筒外部用加热装置进行加热的状态下，被挤出的化学物料从加料口进入挤出机后，受机筒热量的影响而逐步软化，并在挤出机螺杆的旋转下一边压实，一边软化，一边往前推进，在整个工作过程中，挤出机机筒内的压力都很低，挤出机的几何压缩比都设计在5倍以下(见附表一)，因为根据传统的挤出理论，挤出机在正常操作过程中，应防止压力过大，使化学物料产生自热，导致挤出机的温度过高而坏料，特别是象加工PVC那样的热稳定性差的材料，温度高了轻则会造成材质变差、变黄，重则会导致HCL分解过量而坏机。因此，只能在低压的状态下，靠延长熔融塑化时间进行缓慢地挤出加工。被加工的化学物料从加料口进入到模具口挤出一般都要在3分钟以上的时间。这对加工化学建材的主要原料PVC材料来讲，就必将存在一个疑题，所加工出的制品因HCL分解过量而导致材质差和耐候性能差，白色型材必然会变黄，彩色型材必然会褪色，并且，由于加工时压力低，剪切、混炼效果差，PVC材料原始微区核的炼开程度少，即使是使用国际上最先进的德国制造的双螺杆挤出机，在加工PVC材料时，PVC原始微区核的炼开程度也只能在65％以下，而且为了遏制HCL的分解，还需要在配方中加入大量的热稳定剂，致使PVC制品的质量受到严重影响。同时，为了在低压的状态下提高剪切、混炼效果，对挤出机的设计制造提出了一个非常苛刻的要求，例如：异形双螺杆挤出机，两根异形螺杆之间的间隙要控制在0.2mm左右，因为间隙大了就无法生产出高质量的化学建材。导致挤出机的制造难度特别高，成本也急剧上升，一条进口双螺杆挤出生产线的价格高达近500万人民币，机械投资与产销比例严重失调，但由于双螺杆挤出机的结构决定了螺杆与机筒之间的磨损特别严重，这对要保持两根螺杆之间0.2mm间隙就形成了一对矛盾，只要生产一段时间后，由于螺杆与机筒之间的磨损，两根螺杆之间的间隙就必然会加大，要保证制品质量就得对螺杆和机筒进行修复或更换。这不但加大了化学建材制作加工的维修成本，而且对稳定制品质量也增加了难度，螺杆、机筒在新的时候由于光洁度不高而影响制品质量，需要用物料进行走合一段过程，待光洁度提高后才能调试成正常稳定操作。在螺杆、机筒磨损得间隙稍微大了一点，所生产的制品质量就无法达到国家标准。这也是国内市场上的化学建材普遍存在着，看检测报告哪家产品都能达标，如果严格地对销售后的产品进行抽样检测，绝大部分产品都不能达标的原因所在。这也就不难看出，即便是有五、六十年化学建材生产制造历史的德国、澳地利，世界上最先进的双螺杆挤出机所生产的化学建材制品质量，也只能处于一个很不稳定的状态。因此，对化学建材的原辅材料配方带来了一个特别高的要求，例如：许多原辅材料还必须依赖进口，原辅材料的型号和生产厂家都要严格指定，对同一个生产厂家和型号的原辅材料，每次采购的批量要大，质量再好的原辅材料，只要没有经过调试就不能使用，似乎使原辅材料配方进入一个很神秘的状态。

化学建材是一种用途非常广泛的可再生性资源，目前我国的年使用量已超过500万吨，随着社会正朝环保、节能的方向发展，使用化学建材的重要性就更加突出。从九十年代开始，我国政府就大力推广使用化学建材，由于国内生产的最先进的双螺杆挤出机，也无法生产出符合国家标准的化学建材。因此，只能耗用巨额外汇，从国外引进了双螺杆挤出机生产线约5000条，每年还要进口大量的元器件用于维修和更换。我国是个十几亿人口的大国，化学建材的年使用量将随着建筑节能的强制性推行而急剧巨增，与此相比，化学建材的生产制造技术就明显落后。如PVC塑料门窗的推广使用就充分说明了这一问题，论保温节能效果PVC塑料窗是节能建筑的首选产品，但PVC塑料门窗的型材质量不稳定，老化变形现象严重，白色的型材普遍会泛黄，彩色的型材必然会褪色，型材表面松驰不耐脏，型材色泽单一档次低，焊角开裂不安全等质量问题，确实普遍存在，致使高层建筑不敢使用PVC塑料窗，高档建筑市场不愿使用PVC塑料窗，这对推广使用化学建材增加了难度。就目前的生产制造技术而言，还无法解决上述质量问题，为此，国家建设部呼吁科研部门、塑料化工研究所、化学建材生产企业，加大力度进行技术研究开发，努力提高化学建材的制品质量，提高产品档次，以便满足未来节能建筑市场的巨大需求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述传统技术存在的缺陷，提出一种超高压单螺杆挤出机，本发明技术的解决方案是：对常用的单螺杆挤出机进行如下改造(一)改变挤出机都用外部加热的方法，取消机筒外部的加热装置，并在挤出机的机筒、螺杆上设置冷却装置；(二)改变常用挤出机螺杆的几何压缩比只有5以下的低倍率(见附表1)，根据被挤出化学物料的具体特性，把挤出机的几何压缩比设计制作在10～120的高倍率；(三)根据机筒、螺杆、化学物料摩擦温度的高低，设定一个合适的螺杆转速约为30～1500转/分。取消挤出机机筒外部的加热装置，并在挤出机的机筒、螺杆上设置冷却装置的作用是：以便消除化学物料在高压摩擦下，对机筒、螺杆产生的超过正常值温度，通过冷却量的大小，把温度控制在正常操作范围内。根据被挤出化学物料的具体特性，把挤出机螺杆的几何压缩比设计制作在10～120的高倍率的作用是：能使被挤出的化学物料在挤出机的机筒和螺杆之间，形成一个超高压的固体输送塞，此时，化学物料与螺杆之间、化学物料与机筒之间、化学物料与化学物料之间在超高压的状态下，进行摩擦而产生热量，从而迫使化学物料在短时间内熔融塑化，并在超高压下进行有效的剪切、混炼。根据机筒、螺杆、化学物料摩擦温度的高低，设定一个合适的螺杆转速的作用是：以便使挤出机的摩擦温度与冷却装置能操作控制在比较稳定的平衡状态。

超高压单螺杆挤出机，在正常运行时完全不需要外部加热，靠螺杆旋转的机械能，靠化学物料高倍率的固体输送，使螺杆和机筒之间形成巨大的压力，迫使物料在超高压的状态下磨擦、剪切、混炼，并在很短的时间内熔融塑化。超高压单螺杆挤出机用于混炼造粒时，化学物料在高温区的时间只需约0.1秒，超高压单螺杆挤出机用于挤出成型时，化学物料在高温区的时间约20秒，这对加工制作热敏性差的化学制品极为有利。例如：未增塑的PVC材料的加工温度在180～220℃之间，而PVC材料的HCL分解在120℃以上就开始了，到160℃以上HCL就开始大量分解，但HCL的分解量是由PVC材料在高温区的时间长短所决定的。经实践操作证明PVC材料在280℃温度下保持1分钟时间，HCL的分解量还在正常范围内，PVC材料在220℃温度下保持2分钟，HCL的分解量还在正常范围内，这就表明了用超高压单螺杆挤出机生产未增塑的PVC材料的制品，物料在高温区的时间只有20秒，HCL的分解量小得可以忽略不计，这就可以从根本上解决由于PVC材料加工区域特别窄而带来的许多疑难问题，还大幅度提高了PVC制品的耐候性能。同时，由于超高压单螺杆挤出机的挤出压力特别高，PVC物料在超高压下摩擦、剪切、混炼效果好，使PVC材料的原始微区核炼开程度高达95％以上，这对提高PVC制品的机械强度起到至关重要的作用，让PVC材料应有的性能得以充分发挥，从根本上改变了单螺杆挤出机的混炼效果不如双螺杆挤出机的传统观念。

超高压单螺杆挤出机善于加工制作粘度特别大、分子量特别高的化学材料，例如：CPVC树脂。CPVC树脂的加工粘度至少是PVC树脂的2倍，加工难度特别大，但CPVC制品的使用温度、耐化学稳定性、抗老化性及阻然消烟性都超过了ABS制品的性能，能应用于油田原油集输用管道；化工用耐温、耐腐蚀管道；热水温水用给排水管道；高压、超高压电力电缆护管等工业领域，其发展前景十分广阔，目前国际上都处于开发阶段，它必将作为塑料行业中新的发展趋势，其前景不可估量。超高压单螺杆挤出机由于挤出压力特别高，对制作加工粘度特别大的化学材料能体现为不敏感状态，显得得心应手。这就充分说明了本发明技术超高压单螺杆挤出机的技术性能超群，使用领域广泛。

本发明的优点

1、超高压单螺杆挤出机的剪切、混炼塑化效果特别好，生产的化学建材材质密度高，机械强度成倍提高，表面光洁度能达到90左右，化学建材表面光亮如镜，任何污物无法渗透，擦后干干净净，既提高了化学建材的机械性能，又提高了化学建材的产品档次；

2、超高压单螺杆挤出机能使化学物料在很短的时间内塑化、成型，有效地遏制了化学物料在高温加工时的热降解现象，从而使生产化学建材的耐候性能大幅度提高，并能生产彩色的化学建材，由于生产时间非常短，使温度对着色颜料的伤害小，由于挤出压力大，配方中能加入流动性能特别差的无机颜料(如碳黑、氧化铁红等)，所以能保证生产的彩色化学建材做到不褪色，从技术上解决了化学建材色泽单一的问题，提高了化学建材的产品档次，拓宽化学建材的使用范围。

3、超高压单螺杆挤出机对原辅材料的适应性广，只要合格的原辅材料，不用调试都能使用，例如：生产PVC化学建材时，对遏制HCL分解的热稳定剂只需传统配方的30％，甚至可以不用，主要考虑废品的回收利用才添加少量的热稳定剂，这对原辅材料的采购提供了方便，而且能做到原辅材料使用国产化。同时，由于热稳定剂少或不用，减少或消除了化学建材中的铅、镉污染，使化学建材真正做到绿色环保

4、超高压单螺杆挤出机的自洁性能好，由于挤出压力大，即使是生产粘度特别大的超高分子量树脂，也不会出现化学物料粘机筒、粘螺杆的现象，例如：生产PVC塑料窗异型材，使用德国进口的国际名牌双螺杆挤出机，也只能生产分子量低的五型PVC树脂，但使用超高压单螺杆挤出机就能生产超高分子量的一型、二型PVC树脂，使PVC塑料窗异型材的所有技术指标都大幅度提高，因为：①PVC树脂的分子量愈高，则制品的玻璃化温度也愈高。②PVC树脂的分子量愈高，则制品的机械性能也愈高。③PVC树脂的分子量愈高，则制品的耐寒性也愈强。④PVC树脂的分子量愈高，则制品的耐热稳定性也愈好。⑤PVC树脂的分子量愈高，则制品在溶剂中的溶解度也愈小。这就说明了，采用分子量高的化学材料是提高化学建材各项技术指标的基础，但能否生产分子量高的化学材料，则决定于生产设备的先进程度。超高压单螺杆挤出机自洁性好这一性能优势，对开发化学建材在工业领域使用的产品，前景十分广阔，如：油田原油输送管道，化工工业用的耐温、耐腐蚀管道，现代化城市用的超高压电力电缆等等。

5、超高压单螺杆挤出机设计制造科学合理、性能优越，机械设备造价低，如以同等的制品质量、同等的产量作为标准，与进口的双螺杆设备相比较，其造价只有20％左右，而且维修简单，维修成本低。

6、超高压单螺杆挤出机生产的化学建材，制品质量高度稳定，才开机时生产的产品质量与连续开机几天的产品质量能做到高度一致，产品成品率高达95％以上。

7、超高压单螺杆挤出机生产化学建材的制造成本低，由于使用原辅材料的适应性广，使原辅材料的配方成本在生产制品同等质量的基础上能降低20％左右，加上生产机械设备投资小，生产维修成本低，生产制品成品率高等因素，综合制造成本能降低30％以上。

8、超高压单螺杆挤出机的发明成功，能使我国摆脱优质化学建材的生产技术和生产设备，零配件维修以及部分原辅材料要依赖于进口的被动局面，不但能为国家节省巨额外汇，还能把质量优势独特的化学建材产品销往国外市场，靠先进的技术优势为国家创收外汇的前景大得不可估量。

超高压单螺杆挤出机的发明成功，为化学建材的生产制造建立了一个全新的、系统的、完整的技术平台，它以一个科学先进的技术体系，必将替代传统的外加热式低压挤出的生产技术。化学建材行业是未来环保、节能型社会所必需要的、用途非常广泛的、用量大得无法估量的阳光产业。超高压单螺杆挤出机的发明成功，在化学建材生产设备的投资方面，节省了约80％的投资；在化学建材生产制造方面，减少了30％以上的生产成本；所生产化学建材的材质质量和产品档次大幅度提高，大大拓宽了化学建材的使用领域和使用范围，促使以塑代木、以塑代钢、以塑代铝的步伐大大加快，为节省社会资源，节约社会能源作出了贡献，其社会效益和经济效益显著。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图

图中的1是机筒、2是螺杆、3是加料斗、4是传动器、5是电机、6是冷却装置、7是机座。

具体实施方式

实施例1：用超高压单螺杆挤出机造粒

工作内容：PVC塑料窗型材由粉料造成粒料

配方：PVC 100kg CPE 10kg ACR 2kg

铅盐稳定剂1.5kg 润滑剂1.5kg 碳酸钙15kg

碳黑0.5kg 氧化铁红1.2kg 氧化铁黄0.8kg

挤出机口径120mm 螺杆压缩比120(0.2mm比24mm)

螺杆转速1000转/分电机功率40KW

操作过程：用移动式加热器对挤出机的机筒进行预热，当预热温度加热到与化学物料所需的加工温度时，关闭并移开加热装置，启动挤出机的主电机，开启计量加料机使化学物料从加料斗加入，开启冷却装置，并通过控制加料的数量和冷却量的大小，把挤出机的工作温度控制在与化学物料所需的加工温度范围内即可。

每小时产量480kg化学物料在高温区的通过时间是0.09秒，PVC原始微区核的炼开程度95％左右。

实施例2：用超高压单螺杆挤出机挤出成型

工作内容：用实施例1造的粒料进行挤出成型材

挤出机口径65mm 螺杆压缩比10(0.6mm比6mm)

螺杆转速78转/分电机功率20KW

每小时产量42kg化学物料在高温区的通过时间是16秒。对实施例2制作的型材进行测试，其主要技术指标测试结果如下：

1、主型材的落锤冲击-10⁰ _-2℃，1h(1000±5)g，冲击十个试样

2000⁺¹⁰ ₀mm破0个国标规定：1000⁺¹⁰ ₀mm破1个。

2、断裂伸长率198％国标规定：≥100％

3、弯曲弹性模量2828MPa 国标规定：≥2200MPa

4、拉伸冲击强度713kJ/m² 国标规定：≥600kJ/m²

5、简支梁冲击强度31kJ/m² 国标规定：≥20kJ/m²

6、型材表面光洁度89 国际无规定

以上测试数据说明了用超高压单螺杆挤出机生产的化学建材，对配方要求比较简单，本实施例使用的是，用乙炔法生产的二型PVC树脂，其主要技术指标已大大超出国家标准，但用乙炔法生产的PVC树脂对传统技术来讲，都视为质量不是太理想，一般都不敢使用，因此，用双螺杆挤出机生产的PVC塑料窗型材时，都严格要求使用乙烯法的五型PVC树脂，这说明了本发明技术超高压单螺杆挤出机的先进程度已超出国际先进的技术水平，从而结束了生产化学建材的先进技术和机械设备从国外进口的历史，为振兴我国的民族工业作出了巨大的贡献！

附表1常用塑料螺杆的几何压缩比

塑料名称	压缩比	塑料名称	压缩比
塑料名称	压缩比	塑料名称	压缩比	硬聚氯乙烯(粒)	2.5(2～3)	聚全氟乙丙烯	3.6
硬聚氯乙烯(粉)	3～4(2～5)	ABS	1.8(1.6～2.5)	硬聚氯乙烯(粒)	2.5(2～3)	聚全氟乙丙烯	3.6
硬聚氯乙烯(粉)	3～4(2～5)	ABS	1.8(1.6～2.5)	软聚氯乙烯(粒)	3.2～3.5(3～4)	聚甲醛	4(2.8～4)
软聚氯乙烯(粉)	3～5	聚碳酸脂	2.5～3	软聚氯乙烯(粒)	3.2～3.5(3～4)	聚甲醛	4(2.8～4)
软聚氯乙烯(粉)	3～5	聚碳酸脂	2.5～3	聚乙烯	3～4	聚苯撑氧(PPO)	2(2～3.5)
聚丙烯	3.7～4(2.5～4)	聚砜	2～3	聚乙烯	3～4	聚苯撑氧(PPO)	2(2～3.5)

塑料名称	压缩比	塑料名称	压缩比
塑料名称	压缩比	塑料名称	压缩比	聚苯乙烯	2～2.5(2～4)	聚酰胺(尼龙)6	3.5
聚甲基丙烯甲脂	3	聚酰胺(尼龙)66	3.7	聚苯乙烯	2～2.5(2～4)	聚酰胺(尼龙)6	3.5
聚甲基丙烯甲脂	3	聚酰胺(尼龙)66	3.7	纤维素塑料	1.7～2	聚酰胺(尼龙)11	2.8(2.6～4.7)
聚脂	3.5～3.7	聚酰胺(尼龙)1010	3	纤维素塑料	1.7～2	聚酰胺(尼龙)11	2.8(2.6～4.7)
聚脂	3.5～3.7	聚酰胺(尼龙)1010	3	聚三氟氯乙烯	2.5～3.3(2～4)	聚酚氧	2.5～4

注：圆括号外为常用值，圆括号内是使用范围

Claims

1. 超高压单螺杆挤出机，其特征是在机筒(1)、螺杆(2)上设置冷却装置(6)，挤出机螺杆的几何压缩比设计制作在10～120的高倍率；根据摩擦温度的高低设定合适的螺杆转速。