CN100475487C - 粘弹性材料的挤型模 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于形成粘弹性物质如聚合体、捏塑物质等的挤出物的模装置(1)，包括几个相似的平行模槽(2)，每一个模槽(2)都沿着物质的轴向传送方向(F)穿过模装置(1)延伸。根据本发明，在两个相邻入口孔(3)之间的模体(1)的上游端处，提供了平行于轴向传送方向(F)并在其上游端设有切割边(5a)的相应部分(5)。

Description

粘弹性材料的挤型模
本发明涉及一种用于粘弹性材料特别是聚合体、糊剂等的线挤型模装置和线挤型方法。
用于粘弹性材料特别是聚合物、糊剂等的线挤型模装置已为本领域所公知。通常，它们装备有几条相互平行、相同的模槽，其穿过模的一个相应入口孔延伸到相应的出口孔，其中，各对应的模槽具有处于模槽上游端的入口区域和在材料的轴线传送方向上处于模槽下游端的出口区域。入口孔彼此相邻。
当挤压粘弹性材料如糊剂、聚合物的线材时，这些材料就成形了。然而，成形要求材料是流动的。材料还可能在特定点上发生撕裂。由于粘弹性材料的弹性性能，机械材料应力在成形和撕裂过程中也出现在这种粘弹性材料中，其持续到已成形的材料中。当材料成形过程完成后，这还会导致附加的、明显的自发变形。关于此，通常用“尺寸记忆”来表示，因为，离开成形装置的材料的机械材料应力给它“记得”以前形状的印象，并要变回那个形状。当用模装置挤压糊剂或聚合物的线材时，这会导致从各模槽中出来的线材发生卷边。在一方面材料向不同模槽分隔和分布、另一方面材料在模槽内部扩散的过程中，应力在此被引入到材料中。在材料分隔和分离中产生的材料应力由于其相对于成形线材的不对称性而具有最具破坏性的影响。然而，材料应力和线材改变方向的合成趋势也会在模槽中产生不对称的壁摩擦，这会进一步提高在特定条件下的材料应力。不管怎样，这种包括粘弹性材料的线材在脱离模装置时容易遭受上述卷边。
另外，使粘弹性材料成为线材的挤压需要在模装置上使用相对大的能量和高的压差，以分离材料，将它分配到成形模槽中，最后通过成形模槽将它挤压出来，在这个过程中材料得到了膨胀。换句话说，用于成形粘弹性材料的传统模装置具有相对于这种材料更高的模阻力。与传统聚合物如聚酯或橡胶不同，如果仅主要限定材料的表面，这对于糊剂来说特别有问题，因为它们只能提供有限的可能性来降低模阻力和通过模装置中至少局部温度增加而引入材料中的应力。
本发明的目的是在成形材料线材时将粘弹性材料中的这种材料应力减到最小，并降低线挤型所需要的能量费用或为了该目的所需要的压差即模阻力。
根据本发明，该目的是这样实现的：在前面描述的模装置中，在两个相应的相邻入口孔之间的模体上游端设置一个平行于轴向传递方向F的挡板，其中挡板的上游端具有切割边。
如果粘弹性材料如聚合体材料或糊剂等挤压入根据本发明的模装置中，沿着传送方向F供给到模壳中的产品流被分隔成几个部分流，它们中的一个流经几个模槽中的一个。在进入几个模槽之前，锋利的切割边就已经将供给到模装置的产品流分割成几个部分流。虽然每个切割边代表仅仅一个非常小的用于产品的工作表面，但是，一个局部的、非常大的力被施加到处于切割边处的供给的粘弹性产品上。这就沿着切割边产生一个局部集中的剪切力，其将产品分离开。然而，在供给到切割边的粘弹性产品在切割边上分开之前，它发生变形，直到达到其最终拉应力和断裂伸长度，其中潜能存储在粘弹性材料中并传递到几个部分流中。然而，总的来说，在将粘弹性材料通过切割边分离和分配到几个模槽中的同时，引入到材料中的应力与没有锋利切割边的传统模装置相比得到显著地降低，以使在供给到根据本发明的模装置中的粘弹性材料已经分配成几个部分线材时，只有相当少的量具有粘弹性材料的尺寸记忆，因此，当它们从模槽中出来时，线材产品的变形趋势(卷边等)和模阻力都显著降低了。这些积极的效果对糊剂模装置特别显著。
位于各相邻入口孔的入口区域上游端的区域优选被平行于轴向传送方向的挡板完全包封，其上游端被设计成相应的切割边。结果，进入相应模槽的材料实际上在其仍然需要分离的每个点上被切割，使得只有非常低的应力引入到该材料中。
该切割边能形成一个与该材料轴向传送方向成90°度的不同角度。例如，它们能以相对于材料传送方向约30°至60°的角度倾斜。然而，优选为锐角，因为，相对于传送方向的角度越尖锐，沿着区域的传送方向测量的长度LS就越大，在该区域中，材料在垂直于传送方向的径向方向上如从外径向到内径向得到切割。然后，例如，该材料的外径向流区域首先切割，而该材料的内径向流区域其后切割。然而，在切割过程中引入到材料中的应力已经有机会在外径向区域内减少。因此，与相对流动方向以合适角度给予切割边的情况(简单地“饼干切割机”原理)相比，该切割过程再次在整个模槽上分配的材料中引入了更小的应力。
从内模槽区域到出口孔的出口区域有利地呈钟形沿着轴向传送方向F在长度LA上扩张，其中在轴向传送方向和槽出口区域内壁之间所测的出口区域的扩展角度沿着轴向传送方向稳固增加。特别地，该扩展角度能沿着轴向传送方向稳固持续增长，其中模内的0°扩展角度增加到处于模体下游端的90°。在这种情况下，出口区域图案在纵向截面上可以类似一个圆，例如，其弯曲半径RA比内模槽区域的半径RK要大。该弯曲扩展的出口区域，用从模槽内的垂直相切到在出口区域下游端的倾斜切线，极端情况下为相对垂直线的水平线的弯曲的连续过渡，代替了传统出口孔的边缘。
当粘弹性材料如聚合体或糊剂等挤压根据本发明模装置的模槽时，分成几个部分流的产品流通过这几个模槽得到挤压。当它进入模槽时和在入口区域内的成形过程中，应力产生在材料中。任何产生在材料内并在切割过程中的切割边上和/或扩散过程中的模槽内仍然没有减少的应力，实际上随后在扩展出口区域内完全松弛。因此，在这些模几何结构中，几个小线材产品实际上是没有应力地从相应模槽出来。该扩展出口区域允许产品在轴向和径向两个方向上得到松弛。这防止在脱离模槽的粘弹性线材产品的表面上出现折纹(“鲨鱼皮”)。
在一个特定实施例中，在沿着轴向传送方向的长度LR上，出口区域中的模槽内壁可以比其余模槽内壁具有更高的表面粗糙度。通过选择粗糙区域的粗糙度和/或材料，这使它可以对产品的表面产生特定影响。
沿内部区域到入口孔的长度，入口区域反向于轴向传送方向F扩展也很有利，其中，在轴向传送方向和槽入口区域内壁之间所测的入口区域的扩展角度的范围为从5°到45°，优选从8°到25°。从生产角度来看，它特别易于具有从内区域到入口孔的恒定扩展角度，即出现圆锥形入口扩展。结果，即使以很高的材料传送速度也能获得“软”扩展，即对粘弹性材料足够慢的扩展，这意味着粘弹性材料的松弛时间比入口区域中的材料扩展的持续时间短。
该模装置最好设计成沿着其整个长度为圆形截面。结果，相同的边界条件出现在壁上各处，以产生均匀的和最大对称性的扩展。该模装置的紧凑结构设计的特征在于，槽入口区域的轴向长度在喷嘴槽整个长度的50％和80％之间。
模槽内壁的至少部分区域含有特富龙或类似材料，以防止粘弹性材料对内壁的粘附和在其上的滑动摩擦。
在用于提及的粘弹性材料特别是聚合体、糊剂等的线挤型方法中，包括使用上述模装置，利用模装置上游端和下游端之间的压力梯度，粘弹性材料被挤压通过模装置。根据本发明，压力梯度Δp在这里是以下面的方式进行选择的：通过在模装置的相应轴向部分区域中沿传送方向F的粘弹性材料流速VF，使条件VF＜L/TRELAX满足，在模装置中，至少部分材料发生所需的线挤型成形，其中TRELAX为粘弹性材料的松弛时间，L(＝LS，LE，LA)为模装置相应轴向部分区域的轴向长度。
这确保了材料始终具有足够的时间在线挤型所需的粘弹性材料的各成形步骤中进行松弛，如，在切割边处沿着长度LS切割，沿着入口区域的长度LE扩展和沿着出口区域的长度LA的最后松弛，以使材料在从根据本发明的模装置端部脱离时实际上不再有应力。
为了最佳利用上述粗糙的轴向部分区域，沿着传送方向F的粘弹性材料的流速VF以这样的方式调整适应根据本发明方法中模装置的粗糙的轴向部分区域的长度LR，使其满足VF＞LR/TRELAX，其中，TRELAX为粘弹性材料的松弛时间，LR为粗糙的部分区域的轴向长度。
因此，粗糙区域的轴向长度LR优选比出口区域的轴向长度LA短，比入口区域的轴向长度LE短，也比切割边的轴向长度LS短。
然而，提供具有几个均满足VF＞LR/TRELAX条件按顺序地排列的区域的模槽的大轴向部分区域也很有利。壁面粘附和壁面滑移(粘附/滑移效应)之间的相互作用能在这种方式中受到影响。例如，长度LR的粗糙轴向壁部分和流速的周期性或空间频率可以特别产生更多的每个时间单元内的壁撕裂，即通过交替相对粗糙和相对平滑的壁部分，“人为”强制形成了高频率粘附/滑移效应。这样的优点是，不会产生过高的材料应力，如果有应力的话，在产品中产生更小的撕裂。
本发明的其它优点、特征和可能的应用将从基于附图的下述优选实施例的描述中发现，这不视作任何方式的限制，其中：
图1示出了根据本发明模装置沿着轴向产品传送方向F的剖视图；
图2示出了图1中所示根据本发明的沿着轴向产品传送方向F的顶视图；
图3示出了根据本发明模槽沿着轴向产品传送方向F的剖视图；
图4示出了根据本发明另一个模槽沿着轴向产品传送方向F的剖视图；
图5示出了现有技术中模槽沿着轴向产品传送方向F的剖视图；
图6示出了现有技术另一个模槽沿着轴向产品传送方向F的剖视图；
图7是图1和图2中所示根据本发明第一实施例的半个模装置的透视图；
图8示出了根据本发明模装置的第二实施例的对应于图7的透视图；
图9示出了根据本发明模装置的第三实施例的对应于图7和图8的透视图。
图1示出了特别为线材生产所使用的糊剂而设计的模装置1沿着轴向产品传送方向F的剖视图。总共具有四个模槽2(参见图2)的模装置1容纳在圆柱形模壳7中。入口孔3位于各模槽2的上游端，出口孔4位于各模槽2的下游端。与入口孔3相邻的各模槽的入口区域2a为圆锥形扩展，而出口区域2c为圆柱形。扩展角度α(参见图3)约为10～20°。模装置1的上游端具有四个挡板5(参见图2)，其平行于轴向传送方向F，并将入口孔3上游区域分隔成四个部分区域，其均在入口孔3的上游。面对轴向传送方向F的挡板5的边都被设计成倾斜的切割边5a，其从模壳7的内壁径向向内并向传送方向F上延伸。
图2为图1中所示根据本发明的沿着轴向产品传送方向F(参见图1)的顶视图。各自具有圆锥扩展的入口区域2a的四个模槽2和从圆柱形模壳7径向向内延伸的挡板5都很明显，挡板5将模装置1上方的区域分隔成四个部分区域。四条锋利的切割边5a相对传送方向F倾斜地延伸。
如果粘弹性材料如聚合体材料或糊剂等现在如图1中流动剖面V(r)示意性表示地那样挤压到根据本发明的模装置1中，沿着传送方向F供给到模壳7中的产品流被分隔成四个部分流，它们中的一个流经四个模槽2中的每一个。锋利的切割边5a将供给到模装置1中的产品流在其进入四个模槽2之前就已经分隔成四个部分流。由于每个切割边5a仅为相对传送方向F的一个非常小的产品工作表面，一个局部的、非常大的力在切割边5a处被施加到挤压切割边5a的粘弹性产品上。局部集中的剪切力就沿着切割边5a产生了，其将产品分离开。然而，供给到切割边5a的粘弹性产品在从切割边处撕裂之前发生变形，直至达到其断裂伸长率，其中，潜能存储在粘弹性材料中，并传递给四个部分流，引起这四个部分流中的局部松弛，直至材料进入到相应的模槽2中，在这四个部分流中发生粘弹性材料的进一步变形或成形。在这里，当其进入模槽2并在相应的入口区域2a中成形时，材料中也出现应力。然而，这比切割边5a处要少，不会导致产品被扯掉。
与没有切割边和没有任何根据本发明的约为10～20°的扩展角度的圆锥形扩展的传统模装置相比，如本发明所述挡板5的切割边5a和模槽2的入口区域2a的设计，减少了出现在通过根据本发明模装置1传送并成形与其中的材料中的应力范围，还减少了模装置1的流阻。
原因就是，与材料应力的建立有关的将大的线材产品转换成四个小线材产品的过程，基本发生在根据本发明的模装置1中的两个步骤中。在第一步骤中，大线材产品在切割边5a处被切割成四个小的部分线材。在第二步骤中，这四个部分线材随后在圆锥形入口区域2a中扩展。紧跟第一步骤(在切割边5a处进行切割)后但仍然在第二步骤(在入口区域2a中扩展)前，当它沿着挡板5滑动时，在材料中发生局部松弛(应力减少，潜能降低)。当产品然后在圆锥形入口区域2a中扩展时，也建立材料应力，于是，至少局部松弛再次发生在相邻的圆柱形出口区域2c中。结果，被分隔成四个小线材产品的粘弹性材料以实际上没有应力的情况下从模槽2的出口孔4出来，使得这四个出来的线材产品没有经历明显的变形(如卷边)。因为产品已经由于切割边而以特别小的产品剪切力撕裂，所以根据本发明的模装置1的流阻也明显降低。
因此，根据本发明的模装置1能够以相对传统模装置较低的压差，即以沿着模装置1的产品中较低的压力梯度工作，而实际上完全“消除”在出来的部分线材产品中的尺寸记忆。
图3示出了同样特别为线材生产所使用糊剂而设计的模槽2沿着轴向产品传送方向F的剖视图。该模槽2可以用来代替图1中所示的模槽2。与图1中所示模槽2的圆柱形出口区域2c不同，入口区域2a的下游跟有比较短的圆柱形内区域2b，圆柱形内区域2b跟有像钟一样扩展的出口区域2c。该出口区域2c用从模槽2的内部2b垂直相切处到出口区域2c下游端处水平相切处的弯曲的连续过渡代替了出口孔4的边缘(参见图1)。出口区的弯曲半径RA向出口孔4外连续减小，即，出现了朝向出口孔4的具有凝固尖端的钟形扩展。
如果粘弹性材料如聚合体或糊剂等现在挤压到如图1所述的根据本发明模装置1的模槽2中，被分隔成四个部分流的产品流通过四个模槽2得到挤压(参见图1和2)。如图1所示，当其进入模槽2并在相应的入口区域2a中成形时，在材料中出现应力。建立在材料中且在第一步骤(在切割边5a处切割)过程中和/或在第二步骤(在入口区域2a中扩展)过程中没有松弛的任何应力，随后实际上也在出口区域2c的扩展中完全松弛。因此，在这些模几何结构中，几个小线材产品也实际上不含应力地从相应模槽2出来。扩展的出口区域2c的一个特殊优点就是它允许产品在轴向和径向两个方向松弛。这防止了从模槽2出来的粘弹性线材产品在表面上出现折纹(“鲨鱼皮”)，在圆柱形出口区域2c处为尖边出口孔4(参见图1)时，实际上总能遇到。
图1和图3中所示松弛区域的轴向长度，其基本上由切割边5a的轴向长度LS和出口区域2c的轴向长度LA所形成，与沿着产品传送方向F上的粘弹性材料的最大流速VF一起，以当材料通过相应松弛区域时给予其足够时间以减少先前建立在其中的应力的方式，优选对产品材料中的松弛时间TRELAX调节，即VF×TRELAX＜LS或VF×TRELAX＜LA。
在装配有切割边5a的模装置1中，使用图3中所示带有圆锥形入口区域2a和钟形出口区域2c的模槽2不仅使沿着模装置1的产品中具有较低的压力梯度和在出来的部分线材产品中实际上完全“消除”其体积尺寸记忆，还能够“消除”这些线材产品的表面尺寸记忆。
模槽钟形出口区域2c的另一个优点是它允许从模槽2内部存在的具有抛物线速度轮廓的流到模槽2外部具有恒定速度轮廓的“流”的平稳过渡，即移动线材的平稳过渡。这使得它能够避免在从模槽2出来的线材表面出现撕裂。
图4示出了特别为线材生产所使用糊剂制造的根据本发明的另一个模槽2沿着轴向产品传送方向F的剖视图。与入口孔3相邻的模槽2的入口区域2a以钟形扩展，而出口区域2c为圆柱形。入口扩展的弯曲半径RE在入口孔3处最小，随着沿模槽2穿透深度的逐渐增加而变大，最终切线通过穿入圆柱形出口区域2c。
与钟形出口区域类似，钟形扩展入口区域2a有助于确保产品安全加工。通过在钟形扩展的入口区域2a中产品的平稳加速，最经常导致产品撕裂的速度突变得到避免，因此在这种情况下也确保了从模槽2上游的具有恒定速度轮廓的流到模槽2内部的具有抛物线速度轮廓的流的平稳过渡。
图5示出了现有技术中模槽2沿着轴向产品传送方向F的剖视图；模槽被设计成具有从其入口孔3到出口孔4的恒定半径RK的圆柱体。
图6示出了现有技术中另一个模槽2沿着轴向产品传送方向F的剖视图。入口区域2a具有比本发明大得多的扩展角度α，并且有比本发明短得多的长度LE。
图7是图1和图2中所示根据本发明第一实施例的半个模装置的透视图。平肩面在模槽2的入口孔3和具有相应切割边5a的挡板5之间垂直于传送方向F延伸。相对传送方向F倾斜的切割边5a显著降低了由平肩面8所引起的流阻。通过利用旋转工具进行机械加工，图7中所示实施例能够构造为特别有利的方式。
图8示出了根据本发明模装置的第二实施例的对应于图7的透视图。然而，它与图7中所示第一实施例不同之处在于，模槽2的入口孔3和图7的第一实施例中的平肩面8均由单一弯曲过渡表面9形成。这有助于进一步降低根据第二实施例的模装置的流阻。
图9示出了根据本发明模装置的第三实施例的对应于图7和图8的透视图。在这里使用双曲过渡表面10代替图8中的单曲过渡表面9，来取代图7实施例中的平肩面8和模槽2的入口孔3。
取决于将要加工的粘弹性材料的类型，相对图7所示的实施例，单曲过渡表面9或双曲过渡表面10进一步减小了流阻。虽然图7的实施例优选通过利用旋转工具进行机械加工来制造，但图8和图9的实施例可优选用浇铸方法来制造。在图7的实施例成型后，带切割边5a的挡板5被插入到已加工的模体中。在图8和图9的实施例中，当浇铸模体时，挡板5就已经可以产生了，以使其能够与模体一体化，或者，类似于图7的实施例，可在成型后将其引入到浇铸模体中。
用于模体的优选材料包括金属或塑料，特别是具有特富龙(Teflon)内涂层的材料，但挡板优选由金属构成。
附图标记列表
1     模装置
2     模槽
2a    模槽入口区域
2b    模槽内区域
2c    模槽外区域
3     模槽入口孔
4     模槽出口孔
5     挡板
5a    切割边
7     模壳
8     平肩面
9     单曲过渡表面
10    双曲过渡表面
F     传送方向
LS    切割边的轴向长度
LE    入口区的轴向长度
LA    出口区的轴向长度
RK    模槽横截面的弯曲半径
RE    入口区的弯曲半径
RA    出口区的弯曲半径
VF    粘弹性材料的流速
α    扩展角度

Claims (18)

1.一种用于粘弹性材料特别是聚合体、糊剂等的线挤型模装置(1)，具有几个相互平行的相同模槽(2)，其穿过模装置(1)的一个相应入口孔(3)延伸到相应的出口孔(4)，其中，在材料通过模槽的轴线传送方向F上，各模槽(2)分别具有处于模槽(2)上游端的入口区域(2a)和处于模槽(2)下游端的出口区域(2c)，并且其中入口孔(3)彼此相邻，其特征在于：挡板(5)平行于轴向传送方向F在模体(1)的上游端位于两个相应的相邻入口孔(3)之间，其中挡板的上游端具有切割边(5a)。
2.根据权利要求1的模装置，其特征在于：形成各相邻入口孔(3)的入口区域(2a)的位于上游端的区域完全被平行于轴线传送方向延伸的挡板(5)包封，该挡板(5)的上游端分别设计成切割边(5a)。
3.根据权利要求1或2的模装置，其特征在于：切割边(5a)相对于轴向传送方向F形成不同于90°的角度。
4.根据权利要求1的模装置，其特征在于：从模槽内部区域到出口孔的沿轴向传送方向F的长度LA内，出口区域(2c)以钟形扩展。
5.根据权利要求4的模装置，其特征在于：在轴向传送方向F和槽出口区域内壁之间所测的出口区域的扩展角度，沿着轴向传送方向F连续增大。
6.根据权利要求5的模装置，其特征在于：扩展角度从模槽内部的0°增加到模槽下游端的90°。
7.根据权利要求6的模装置，其特征在于：出口区域的纵向截面为弧形。
8.根据权利要求7的模装置，其特征在于：出口区域的纵向截面的弧形的弯曲半径RA比模槽内部区域横向截面的半径RK大。
9.根据权利要求1的模装置，其特征在于：在粗糙区域的轴向长度LR内，出口区域(2c)的模槽内壁比其余的模槽内壁具有更高的表面粗糙度。
10.根据权利要求9的模装置，其特征在于：粗糙区域的轴向长度LR比出口的轴向长度LA短，也比入口的轴向长度LE短。
11.根据权利要求1的模装置，其特征在于：沿内部区域到入口孔(3)的长度LE，入口区域(2a)反向于轴向传送方向F扩展，其中，在反向于轴向传送方向F和槽入口区域(2a)内壁之间所测的入口区域的扩展角度的范围为5°到45°。
12.根据权利要求11的模装置，其特征在于：在反向于轴向传送方向F和槽入口区域(2a)内壁之间所测的入口区域的扩展角度的范围优选为8°到25°。
13.根据权利要求11的模装置，其特征在于：扩展角度从内部区域到入口孔(3)为恒定的，并形成圆锥形扩展。
14.根据权利要求11或13的模装置，其特征在于：模槽(2)沿着其整个长度具有圆形截面。
15.根据权利要求1的模装置，其特征在于：槽入口区域的轴向长度LE在模槽(2)整个长度的50％和80％之间。
16.根据权利要求1的模装置，其特征在于：模槽(2)内壁的至少部分区域含有特富龙。
17.一种用于粘弹性材料特别是聚合体、糊剂等的线挤型方法，使用了根据权利要求1至16之一的模装置，其中，利用模装置上游端和下游端之间的压力梯度ΔP，粘弹性材料被挤压通过模装置，其特征在于：压力梯度Δp在此以下述方式调节模装置(1)的几何结构：
通过在模装置(1)的相应轴向部分区域(5，2a，2c)中沿传送方向F的粘弹性材料流速VF，使条件VF＜L/TRELAX满足，在模装置(1)中，至少部分材料发生所需的线挤型成形，其中TRELAX为粘弹性材料的松弛时间，L为LS、LE或LA，LS为切割边的轴向长度，LE为入口区域的轴向长度，LA为出口区域的轴向长度。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于：模槽内沿着传送方向F的粘弹性材料流速VF满足条件VF＞LR/TRELAX，其中，TRELAX为粘弹性材料的松弛时间，LR为粗糙区域的轴向长度。
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