CN100434255C - 水辅挤出成型方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种水辅挤出成型方法及装置，用于材料成型技术领域。本发明中水辅挤出口模由前、后两段组装而成，挤出机与水辅挤出口模前段相连，熔体从挤出机出来后由水辅挤出口模前段进入水辅挤出口模，而水辅挤出控制系统与水辅挤出口模连通，将水均匀稳定地输送至聚合物熔体与水辅挤出口模内壁之间并形成水膜滑移，水循环系统的一端与水槽连接，另一端连接水辅挤出控制系统，使得在水辅挤出成型的整个过程中水能形成回路，循环利用。本发明实现了高粘度聚合物熔体与水辅挤出口模之间的水膜隔离和滑移，获得了明显的减粘降阻效果，大大减小了熔体挤出时的内应力，提高了产品质量和尺寸精度，实现了高粘度聚合物在低温、低能耗条件下的高速挤出，降低了成本。

Description

水辅挤出成型方法及装置
技术领域
本发明涉及一种材料成型技术领域的方法及装置，具体是一种水辅挤出成型方法及装置。
背景技术
挤出成型是聚合物加工的基本成型方法，在聚合物加工中具有举足轻重的作用，聚合物制品的很大比例是挤出成型的产品。研究表明，聚合物熔体高分子链与挤出口模内壁之间复杂的粘附-解附、缠结-解缠和离开口模时速度奇异(不连续)的“出口效应”是导致熔体破裂、表面不稳定、挤出物胀大、产品变形等问题的根本原因，为了解决这些问题，人们对挤出成型进行了大量的理论和实验研究，主要的解决方法有以下三类：
第一类是润滑挤出技术，目前应用比较广泛，但也有以下缺点：(1)自润滑挤出对热敏性塑料和薄壁制品不适用；(2)自润滑挤出的润滑效果严重依赖于润滑剂的分布均匀性、渗透性和润滑性；(3)润滑剂会影响材料性能；(4)共润滑挤出很难保证低粘度树脂在主挤出物表层获得均匀一致的外覆层；(5)共润滑挤出的外覆层与主挤出物之间不易形成牢固的结合力，对于不需要外覆层的制品，还要将外覆层剥离，导致制品质量欠佳。
第二类是振动挤出技术，由于振动挤出技术的作用机理还没完全掌握，加上结构和控制参数复杂，目前理论分析和实验研究较多，工业上应用很少。
第三类是气体辅助挤出技术，即是将高压氮气引入挤出口模内，在口模内壁与挤出熔体之间形成气垫层。由于气垫层的作用，熔体和口模之间被气体隔开，口模内壁对熔体的阻力大大减小，以此降低挤出胀大和挤出物变形。
气体辅助挤出技术由英国剑桥大学的Liang和Mackley于2001年首先提出(Liang R.F.，Mackley M.R.(2001)The gas-assisted extrusion of moltenpolyethylene.J.Rheol.45：211-226)(Liang R.F.，Mackley M.R.(2001)聚乙烯熔体的气体辅助挤出.流变学杂志.45：211-226)，他们通过聚乙烯熔体的气体辅助挤出实验，发现气体辅助挤出技术能降低挤出压力，减小挤出胀大和挤出物变形。
气体辅助挤出技术也有不足之处：(1)难于在挤出口模和聚合物熔体之间形成稳定的气垫膜层；(2)高压氮气容易穿透熔体，影响制品的质量；(3)需要大量高压氮气，高压气体不易控制等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种水辅挤出成型方法及装置。本发明通过水辅挤出控制系统和水辅挤出口模，使聚合物熔体和水辅挤出口模之间形成稳定的水膜滑移，以解决聚合物高速挤出时熔体破裂、表面不稳定、挤出物胀大、产品变形等难题，提高产品质量和尺寸精度，实现高粘度聚合物在低温、低能耗条件下的高速挤出。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所述的水辅挤出成型装置包括：挤出机、水辅挤出控制系统、水辅挤出口模、水循环系统、水槽。水辅挤出口模由前、后两段组装而成，挤出机与水辅挤出口模前段相连，熔体从挤出机出来后由水辅挤出口模前段进入水辅挤出口模，而水辅挤出控制系统与水辅挤出口模连通，将水均匀稳定地输送至聚合物熔体与水辅挤出口模内壁之间并形成水膜滑移，水循环系统的一端与水槽连接，另一端连接水辅挤出控制系统，使得在水辅挤出成型的整个过程中水能形成回路，循环利用。
所述的挤出机，可根据挤出产品的要求选择单螺杆或双螺杆挤出机，通过料斗进入的物料在料筒内经多段电热圈加热，温度可分别控制。其作用是将聚合物固体颗粒加压加热成熔融状态，在一定温度下经过栅板和机头体将熔体连续稳定地输送至水辅挤出口模。
所述的水辅挤出控制系统，由储水容器、泵、压力控制阀、温度调节器组成，储水容器是水辅挤出成型的水源，储水容器与泵连接，泵的另一端与压力控制阀连接，温度调节器的一端与压力控制阀相连，另一端连接水辅挤出口模，水通过泵的作用从储水容器出来，经压力控制阀再经温度调节器进入水辅挤出口模。水辅挤出控制系统的作用是将一定温度的水在一定的压力下输送至水辅挤出口模外侧的水室中。
所述的水辅挤出口模，由前、后两段组装而成，水辅挤出口模前段通过隔热圈与机头体相连，水辅挤出口模后段与水槽相接，水辅挤出口模的外侧是水室，前、后段水辅挤出口模之间有一环形间隙，从压力控制阀和温度调节器出来的水由水室入口进入水室后再经环形间隙进入到水辅挤出口模，在水辅挤出口模内壁和聚合物熔体之间形成水膜滑移，使从水辅挤出口模前段进入的聚合物熔体与水辅挤出口模内壁相隔开，从而减小水辅挤出口模与聚合物熔体之间的阻力，降低挤出压力和能量消耗，实现聚合物低能耗高速挤出。
所述的水循环系统，由管路和过滤器组成，过滤器的一端与水槽连接，另一端与储水容器相连，管路主要起连接作用。水循环系统的作用是将从水辅挤出口模出来的水回收，通过管路经过滤后导回到储水容器中，循环利用。
本发明所述的水辅挤出成型方法，具体步骤如下：
第一步，将水引入到水辅挤出口模内壁。这一步主要通过水辅挤出控制系统和水辅挤出口模来实现，方法是用泵将水从储水容器中抽出，经压力控制阀和温度调节器再输送至水辅挤出口模外侧的水室，再经环形间隙进入到水辅挤出口模内壁。
第二步，将聚合物固体颗粒熔融后输送至水辅挤出口模内挤出成型。这一步主要通过挤出机和水辅挤出口模来实现，方法是通过螺杆和电热圈将聚合物固体颗粒在挤出机的料筒内加压加热成熔融状态，再将熔体连续稳定地经过栅板输送至水辅挤出口模，在水辅挤出口模内挤塑成型。由于第一步将水均匀地引入到了水辅挤出口模内壁，这就必然在聚合物熔体和水辅挤出口模内壁之间形成水膜滑移，使水辅挤出成型连续稳定地进行。
第三步，将从水辅挤出口模出来的水回收，循环利用。这一步主要通过水槽和水循环系统来实现，方法是将水槽中增多的水回收，通过管路和过滤器过滤后导回到储水容器中，循环利用。
本发明水辅挤出技术具有很多优点：(1)由于液体很难压缩，水辅挤出能在水辅挤出口模和聚合物熔体之间形成均匀稳定的水膜滑移，避免了聚合物高分子链与挤出口模内壁之间复杂的粘附-解附、缠结-解缠，消除了离开口模时速度不连续的“出口效应”，大大减小了熔体挤出时的内应力，较好地解决了聚合物高速挤出时熔体破裂、表面不稳定、挤出物胀大、产品变形等难题；(2)均匀的水膜使聚合物熔体与水辅挤出口模内壁相隔开，避免了熔体与水辅挤出口模内壁的粘附和磨擦，极大地提高了挤出物的表面质量和尺寸精度；(3)可以减少挤出口模的压降，降低挤出压力，节约能量消耗，延长模具使用寿命，降低成本；(4)非常适用于高性能塑料在低温、低能耗条件下的高速挤出，具有广泛的应用前景；(5)水辅装置内的水压较低、流量和压力易于控制；(6)可起到预先冷却的作用，缩短挤出制品的冷却时间，提高生产效率。
附图说明
图1是水辅挤出成型装置及工艺过程示意图
图2是水辅挤出口模示意图
图中：1.挤出机，2.料筒，3.螺杆，4.料斗，5.储水容器，6.泵，7.电热圈，8.压力控制阀，9.栅板，10.机头体，11.温度调节器，12.过滤器，13.隔热圈，14.水辅挤出口模，15.环形间隙，16.水槽，17.水室入口，18.水室，19.挤出物
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的水辅挤出成型装置包括：挤出机1、水辅挤出控制系统、水辅挤出口模14、水循环系统、水槽16。水辅挤出口模14由前、后两段组装而成，挤出机1与水辅挤出口模14前段相连，水辅挤出控制系统与水辅挤出口模14连通，将水均匀稳定地输送至聚合物熔体与水辅挤出口模14内壁之间并形成水膜滑移，水循环系统的一端与水槽16连接，另一端连接水辅挤出控制系统。
所述的挤出机1，可根据挤出产品的要求选择单螺杆或双螺杆挤出机，其中，料筒2、螺杆3、料斗4、电热圈7、栅板9和机头体10都是挤出机的重要部件。聚合物固体颗粒通过料斗4进入料筒2，在料筒2内经过螺杆3的挤压和输送，再经多段电热圈7加热成熔融状态后，在一定温度下经过栅板9和机头体10将熔体连续稳定地输送至水辅挤出口模14。
所述的水辅挤出控制系统，由储水容器5、泵6、压力控制阀8、温度调节器11组成，储水容器5是水辅挤出成型的水源，储水容器5与泵6连接，泵6的另一端与压力控制阀8连接，温度调节器11的一端与压力控制阀8相连，另一端连接水辅挤出口模14。
所述的水辅挤出口模14，由前、后两段组装而成，水辅挤出口模14前段通过隔热圈13与机头体10相连，水辅挤出口模14后段与水槽16相接，水辅挤出口模14的外侧是水室18，前、后段水辅挤出口模14之间有一环形间隙15，从压力控制阀8和温度调节器11出来的水由水室入口17进入水室18后再经环形间隙15进入到水辅挤出口模14，在水辅挤出口模14内壁和聚合物熔体之间形成水膜滑移，使从水辅挤出口模14前段进入的聚合物熔体与水辅挤出口模14内壁相隔开。
所述的水循环系统，由管路和过滤器12组成，过滤器12的一端与水槽16连接，另一端与储水容器5相连，管路将各部件连接起来形成回路。
本发明采用上述装置实现的水辅挤出成型方法，具体过程为：聚合物固体颗粒通过挤出机1的料斗4在料筒2内经螺杆3加压和电热圈7加热后，在一定温度下被连续稳定地经过栅板9和机头体10输送至水辅挤出口模14，机头体10与水辅挤出口模14之间通过隔热圈13隔热。同时，储水容器5中的水通过泵6，经压力控制阀8再经温度调节器11进入水辅挤出口模14外侧的水室18，水在一定压力下从水室18经环形间隙15进入到水辅挤出口模14内，在水辅挤出口模14内壁和聚合物熔体之间形成稳定的水膜滑移，使从水辅挤出口模14前段进入的聚合物熔体与水辅挤出口模14内壁相隔开，从而减小水辅挤出口模14对熔体的阻力，降低挤出压力和能量消耗，实现聚合物低能耗高速挤出。水和挤出物19从水辅挤出口模14出来后进入水槽16，水槽16增多的水通过管路和过滤器12回到储水容器5中，从而实现了水的回收和循环利用。
如图2所示，水辅挤出口模14由前、后两段组装而成，水辅挤出口模14外侧是水室18，前后水辅挤出口模14段之间有一环形间隙15，从压力控制阀8和温度调节器11出来的水由水室入口17进入水室18后再经环形间隙15进入到水辅挤出口模14内，在水辅挤出口模14内壁和聚合物熔体之间形成稳定的水膜滑移，使传统的粘着口模挤出方式转变为水膜滑移挤出方式，使聚合物熔体与水辅挤出口模14内壁相隔开，避免了聚合物高分子链与挤出口模内壁之间复杂的粘附-解附、缠结-解缠，消除了离开挤出口模时速度不连续的“出口效应”，大大减小了熔体挤出时的内应力，较好地解决了聚合物高速挤出时熔体破裂、表面不稳定、挤出物胀大、产品变形等难题，提高了产品质量和尺寸精度，实现了高粘度聚合物在低温、低能耗条件下的高速挤出。
实施例：
本实施例选用的聚合物是线性低密聚乙烯LLDPE，采用双螺杆挤出机在140℃下将LLDPE熔融挤出，以0.1g/s的质量流率进入直径为2mm的水辅挤出口模14，水辅挤出口模14内的水通过水辅挤出控制系统调节压力为0.1MPa，温度为25℃，水槽中增多的水通过水循环系统导回到储水容器中，回收利用。实施效果对比：
传统挤出成型：挤出方式为聚合物熔体与水辅挤出口模14内壁粘着挤出；挤出物严重变形；挤出物表面不稳定，呈鲨鱼皮或波浪形；挤出胀大比为1.6，且随着挤出速率的增大挤出胀大比不断增大；模腔内压降大；冷却时间超过5秒钟。
水辅挤出成型：挤出方式为聚合物熔体与水辅挤出口模14内壁之间形成水膜隔离和滑移挤出；挤出物稳定无变形；挤出物表面光滑，无鲨鱼皮或波浪形，具有很高的表面质量和尺寸精度；挤出胀大比为1.05，挤出物截面大小受挤出速率的影响很小；模腔内压降比传统挤出小4倍，能量消耗小；冷却时间不到1秒钟，生产效率高。

Claims (9)

1、一种水辅挤出成型装置，包括：挤出机(1)、水辅挤出控制系统、水辅挤出口模(14)、水循环系统和水槽(16)，其特征在于：水辅挤出口模(14)由前、后两段组装而成，挤出机(1)与水辅挤出口模(14)前段相连，水辅挤出控制系统与水辅挤出口模(14)连通，将水均匀稳定地输送至聚合物熔体与水辅挤出口模(14)内壁之间并形成水膜滑移，水循环系统的一端与水槽(16)连接，另一端连接水辅挤出控制系统。
2、根据权利要求1所述的水辅挤出成型装置，其特征是：所述的挤出机(1)，为单螺杆或双螺杆挤出机。
3、根据权利要求1所述的水辅挤出成型装置，其特征是：所述的水辅挤出控制系统，由储水容器(5)、泵(6)、压力控制阀(8)、温度调节器(11)组成，储水容器(5)是水辅挤出成型的水源，储水容器(5)与泵(6)连接，泵(6)的另一端与压力控制阀(8)连接，温度调节器(11)的一端与压力控制阀(8)相连，另一端连接水辅挤出口模(14)。
4、根据权利要求1所述的水辅挤出成型装置，其特征是：所述的水辅挤出口模(14)，由前、后两段组装而成，水辅挤出口模(14)前段通过隔热圈(13)与机头体(10)相连，水辅挤出口模(14)后段与水槽(16)相接。
5、根据权利要求1或者4所述的水辅挤出成型装置，其特征是：所述的水辅挤出口模(14)的外侧是水室(18)，前、后段水辅挤出口模(14)之间有一环形间隙(15)，从压力控制阀(8)和温度调节器(11)出来的水由水室入口(17)进入水室(18)后再经环形间隙(15)进入到水辅挤出口模(14)，在水辅挤出口模(14)内壁和聚合物熔体之间形成水膜滑移，使从水辅挤出口模(14)前段进入的聚合物熔体与水辅挤出口模(14)内壁相隔开。
6、根据权利要求1所述的水辅挤出成型装置，其特征是：所述的水循环系统，由管路和过滤器(12)组成，过滤器(12)的一端与水槽(16)连接，另一端与储水容器(5)相连，管路将各部件连接起来形成回路。
7、一种采用如权利要求1所述装置实现的水辅挤出成型方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步，将水引入到水辅挤出口模内壁：用泵将水从储水容器中抽出，经压力控制阀和温度调节器再输送至水辅挤出口模外侧的水室，再经环形间隙进入到水辅挤出口模内壁；
第二步，将聚合物固体颗粒熔融后引入到水辅挤出口模内挤出成型：通过螺杆和电热圈将聚合物固体颗粒在挤出机的料筒内加压加热成熔融状态，再将熔体连续稳定地经过栅板输送至水辅挤出口模，在水辅挤出口模内挤塑成型；
第三步，将从水辅挤出口模出来的水回收，循环利用。
8、根据权利要求7所述的水辅挤出成型方法，其特征是，第二步中，在聚合物熔体和水辅挤出口模内壁之间形成水膜滑移，使水辅挤出成型连续稳定地进行。
9、根据权利要求7所述的水辅挤出成型方法，其特征是，第三步中，将水槽中增多的水回收，通过管路和过滤器过滤后导回到储水容器中，循环利用。
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