CN101003174A - 超临界流体辅助高分子材料挤出成型机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高粘度聚合物加工的挤出成型机，该挤出成型机具有料筒以及位于该料筒中的螺杆、用于驱动螺杆使之转动的驱动装置、加热冷却系统、电子仪器控制系统、计量喂料器，以及用于挤出成型产品的口模，并且螺杆为同向旋转的双螺杆，并且该挤出成型机还设有超临界二氧化碳流体输送装置，该超临界二氧化碳流体输送装置通过至少一个注气口与料筒连通，从而向料筒输送超临界流体。本发明的挤出成型机符合高粘度聚合物加工要求，可以降低高粘度聚合物的熔融粘度，避免高粘度聚合物物料受高剪切作用，并使物料充分塑化，实现连续挤出成型。

Description

超临界流体辅助高分子材料挤出成型机
技术领域
本发明涉及高分子材料成型设备，特别是涉及非熔流和熔流性差的聚合物挤出成型的双螺杆挤出机。该挤出机可用于非熔流性聚合物(如聚四氟乙烯)和熔流性差的聚合物(如超高分子量聚乙烯)等的熔融挤出成型。
背景技术
熔融挤出是高分子材料最主要的成型方法之一，目前，约有50％的热塑性塑料制品是用熔融挤出法生产的，它是一种高速、连续、自动化、高质量的高分子材料成型方法。但是，对于一些性能优异的工程塑料，由于其熔体流动性差或者根本不流动，致使其不能方便的用熔融挤出法生产多种类型的制品，使其应用范围受到很大限制。
以“塑料王”聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)为例。因具有优异的耐化学腐蚀性、热稳定性、介电性能、不粘性、耐磨性和几乎不老化等独特性能，PTFE成为工业应用中不可缺少的材料，在国防、机械、电子、化工、轻工、医药等行业得到了广泛的应用，是氟塑料中产量和消费量最大的品种。但由于熔体粘度太大，流动性太差，致使一般的加工方法都不能使其流动和塑化，而且PTFE是全氟化的惰性材料，无任何常规溶剂能溶解它，因而也难以用溶解的方法成型加工。目前，PTFE的成型基本采用的是模压和挤压这两种方法，这不仅使PTFE的制品类型受到限制，而且给PTFE的着色、改性等带来不便；此外，上述两种成型方法还存在热成型温度高、温度范围窄、需要的压力很高、制品性能差等问题。因此，长期以来PTFE的发展重点是改善加工性能，以适应加工大型制件、薄壁制品，以及加工自动化、高速化，并满足用户加工方便及提高加工效率的需要。
再以超高分子量聚乙烯(Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene，UHMWPE)为例。由于熔体粘度大、流动性差，因此，熔融挤出成型成为UHMWPE的研究热点。对于UHMWPE的熔融挤出，目前的研究重点集中在材料改性和设备改进两个方面，即一方面改善UHMWPE的流动性，使之能进行熔融挤出成型，但这导致制品某些物理力学性能的下降；另一方面，设计特殊的挤出机和机头，以适应这种虽然经过改性但仍不太容易挤出成型的材料的加工要求。
EP007851专利提出了一种高粘度低密度聚合物熔融挤出成型的方法，主要是在螺杆的加料段涂上低摩擦系数的涂敷层，如聚四氟乙烯，而在料筒上涂敷101合金。相近的专利还有JP53-6366，JP4-1832等。以上各专利主要是通过降低高粘度物料与螺杆间的摩擦，使物料得以沿着料筒前进。但这些方法主要是解决线形低密度聚乙烯在固态颗粒状或粉末状时加料流动性差、输送率低的问题，对超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯等难熔流或熔流性差的聚合物根本不适用。因为超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯等难熔流或熔流性差的聚合物的熔体流动速率极低，其高粘性表现在熔融或临界熔融状态下。本发明所设计的双螺杆挤出机正是针对这些问题，通过超临界流体的引入大幅度地降低非熔流和熔流性差的聚合物的熔融温度和熔体粘度，以使其能方便的熔融挤出成型。
超临界流体是热力学参数高于其临界点(临界温度和临界压力)的流体，即对比温度(实际温度与临界温度的比值)和对比压力(实际压力与临界压力的比值)同时大于1的流体。它既不同于气体，也不同于液体，兼有气体和液体的特点：密度与液体相近，因而具有很强的溶剂强度；粘度与气体相近，因而流动性比液体好得多，传质系数也比液体大得多。此外，超临界流体的密度、溶剂强度和粘度等性能可以通过压力和温度的变化方便地进行调节。
目前研究较多的超临界流体有：CO2、N2、水、丙烷、甲醇、乙烯、乙烷等。CO2的临界温度为31.06℃，临界压力为7.39MPa，相对而言临界条件容易达到，且CO2的化学性质不活泼，无毒、无味、价廉易得、可循环使用、绿色环保，因此，本发明选用了超临界二氧化碳(SC-CO2)作为加工媒介流体。溶质分子在SC-CO2中的扩散系数比在一般液体有机溶剂中大1～2个数量级，并且，当压力高达300～400atm时，SC-CO2的粘度比一般的液体有机溶剂低一个数量级，再加上其极小的表面张力，使得其向多孔物质中的渗透特别容易。因此，SC-CO2能溶胀大多数聚合物，并对聚合物有很强的增塑作用，可显著降低聚合物熔体的粘度，降低结晶聚合物的熔点(Tm)和玻璃态聚合物的玻璃化转变温度(Tg)。例如：低密度聚乙烯中加入0.5wt％的SC-CO2，其表观粘度至少可降低25％；在SC-CO2中，P＝2.5MPa时，聚甲基丙烯酸甲酯的Tg从110℃降至60℃；P＝20.3MPa时，聚苯乙烯的Tg从100℃降至35℃。
本发明即是通过SC-CO2对加工配方中聚合物的增塑、溶解或部分溶解作用，降低成型聚合物体系的熔融温度和熔体粘度，从而使像UHMWPE、聚苯醚这样熔体粘度大、流动性差的聚合物，以及像聚甲醛这样的对热或剪切敏感的聚合物，还有像热塑性聚酯这样加工温度范围窄的聚合物能方便地用熔融挤出方法成型多种类型的制品。此外，本发明的另一个重要特点是，通过SC-CO2的引入，可使聚四氟乙烯这样的非熔流材料能进行熔融挤出成型，这对使性能最佳的含氟聚合物在特定领域内得到更广泛、更深层次的应用，从而带动其它行业产品的升级换代和技术进步具有重要作用。
发明内容
本发明的目的就是提供一种可用于非熔流聚合物、熔流性差的聚合物以及对热或剪切敏感的聚合物、加工温度范围窄的聚合物熔融挤出成型的双螺杆挤出机。
为实现本发明的目的，采用如下技术方案：一种挤出成型机，该挤出成型机具有料筒以及位于该料筒中的螺杆、用于驱动螺杆使之转动的驱动装置、加热冷却系统、电子仪器控制系统、计量喂料器，以及用于模制产品的口模，螺杆为同向旋转的双螺杆，该挤出成型机还设有超临界二氧化碳流体输送装置，该超临界二氧化碳流体输送装置通过至少一个注气口与料筒连通，从而向料筒输送超临界流体。
此外，在上述技术方案的基础上，本发明的挤出成型机还可结合如下多个优选特征中的一个或者多个特征。
螺杆可以由多个螺杆元件组合而成，组合时各螺纹元件相错一个角度，使整个螺杆上的螺纹不连续。
料筒可以为多段组合式。
注气口至少为三个。
注气口可根据需要进行开堵，每一注气口均设有单向阀，在单向阀出口处安装有多孔喷嘴。
超临界二氧化碳流体输送装置从上游到下游依次设置有二氧化碳存贮器、过滤器、冷凝器、流量计、计量输送器、压力罐、恒温恒压罐、以及流量控制阀。
螺杆元件与螺杆芯轴之间的连接方式优选采用浅花键连接。
螺杆材质优选采用氮化钢。
在螺杆的加料段可以设置一组反向螺纹。
简言之，本发明基于常规挤出机，而采用了组合式螺杆和料筒，在料筒处增加了多处进气孔以加入超临界流体。
由于采用上述方案，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明利用SC-CO2可显著降低成型聚合物的熔融温度和熔体粘度的特点，通过双螺杆挤出机和SC-CO2发生输送装置的有机结合，将SC-CO2引入到聚合物的熔融挤出成型过程中，从而实现了非熔流和难熔流聚合物的熔融挤出成型。
(2)本发明通过在螺杆加料段、压缩段、均化段所对应的料筒的适当位置设置进气孔以及在进气孔中安装单向阀，实现了将SC-CO2引入到挤出机料筒中的聚合物的目的；并通过在进气孔末端安装多孔喷嘴实现了将SC-CO2以连续的一个个独立的气泡的形式引入到挤出机料筒中的聚合物目的。
(3)本发明通过采用高混合、高剪切作用的螺杆，以及在螺杆加料段的适当位置设置反向螺纹等，避免了SC-CO2的逸出，提高了SC-CO2和聚合物的混合效率和效果。
(4)本发明也可以通过对现有挤出机的简单改造来达到通过SC-CO2的辅助作用熔融挤出成型非熔流、难熔流聚合物的目的。
(5)本发明通过采用积木式的螺杆和料筒，以及料筒上进气口的开、堵等实现了一台挤出机既可以进行常规双螺杆挤出成型又可以进行超临界流体辅助挤出成型的双重功效，大大扩展了挤出机的使用范围，节约了设备资金的投入。
下面结合附图，对本发明的构造、功能以及优点做进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的超临界流体辅助挤出成型机的总体示意图；
图2是本发明的超临界流体辅助挤出成型机的料筒的示意图。
具体实施方式
本发明的超临界流体辅助挤出成型机由挤出机和SC-CO2发生输送装置两部分组成，见图1。
本发明的超临界流体辅助挤出成型机的挤出机采用的是双螺杆挤出机，与普通的双螺杆挤出机非常相似，也是由传动装置、挤出装置和加热冷却装置三部分组成。其中的传动装置和加热冷却装置与普通的双螺杆挤出机一样，与普通双螺杆挤出机的不同之处仅仅在于挤出装置上，因此下面仅就挤出装置部分进行描述。
与普通双螺杆挤出机一样，超临界流体辅助挤出成型机的挤出装置也主要由螺杆和料筒两部分组成。螺杆材质采用优质氮化钢。为了提高混合效率和效果，螺杆采用的是混合剪切作用较强的啮合型同向旋转双螺杆。本发明中的螺杆为积木式，即螺杆是由多个螺杆元件组合而成的，组合时各螺杆元件相错一个角度，以使整个螺杆上的螺纹不连续，这样，前段螺槽中的料团在进入后续螺纹中时被分开，料团的核心暴露出来，而熔融的表面被合成一股成为料心，因此，物料在整个螺杆推进过程中保持着良好的塑化混合状态。而且，通过改变螺杆元件的组合顺序，可以得到不同特性的螺杆，以适应不同物料和不同制品的加工要求，扩大设备的加工范围。与普通的啮合型同向旋转双螺杆不同的是，本发明的螺杆在加料段有一组反向螺纹。此组反向螺纹可以防止物料的回流，从而避免CO2从加料口逸出。为了提高螺杆的承载能力，螺杆元件与芯轴之间采用了线型花键联接。
本发明的超临界流体辅助挤出成型机的料筒如图2所示。为了与积木式螺杆相适应，本发明的料筒也采用了积木式，即料筒也是由多段组合而成的，其与普通挤出机料筒的不同之处在于：本发明的料筒在螺杆加料段、压缩段、均化段的适当位置各设置了一个用于输送超临界流体的进气孔，以实现在挤出机的加料段、压缩段、均化段通入超临界流体的目的。为了防止超临界流体外溢，本发明的超临界流体进气孔的端部装有单向阀；为了防止由于单口流量大而产生超临界流体喷射流，增加随后混合的困难，不利于聚合物-超临界流体均相体系的形成，所以本发明的超临界流体进气孔端部都装有多孔喷嘴，以使超临界流体被细化成多个流束后再注入到成型物料体系中，从而可以扩大超临界流体与物料的接触面积，提高两者的混合速率和效果。
本发明的超临界流体辅助挤出成型机的SC-CO2发生输送装置如附图1所示。
所述SC-CO2发生装置由CO2存贮器1、过滤器2、冷凝器3、流量计4、计量输送器5、压力罐6、恒温稳压罐7、流量控制阀8所组成。所述CO2存贮器1为高压CO2气体钢瓶，其出口与过滤器2的进口相连接。所述过滤器2的出口与冷凝器3的进口相连接。所述冷凝器3是一个列管式热交换器，二氧化碳在管内流动，冷却剂在管外流动，以冷却管中的二氧化碳。所述冷凝器3的出口与流量计4的进口相连接。所述流量计4的出口与计量输送器5的进口相连接。所述计量输送器5可选自螺杆泵、齿轮泵或柱塞泵。螺杆泵具有树脂计量无脉动的优点，但计量精度不高；高压齿轮泵具有树脂计量无脉动、计量准确的优点，但价格昂贵；柱塞泵具有计量精度高的优点，但用于树脂计量时有脉动。所述计量输送器5的出口与压力罐6的一个进口相连接。所述混合器6的出口和恒温稳压罐7的进口相连接。所述恒温稳压罐7为夹套式结构，夹套内可以通入加热介质。所述加热介质包括过热水、蒸汽、热油等。所述恒温稳压罐7亦可为单层结构，通过罐的外壁加热。加热方式可以采用电加热、红外线加热或微波加热等。所述恒温稳压罐7也可选用其它具有高压加热功能的设备。所述恒温稳压罐7的出口与流量控制阀8相连接。
超临界流体辅助挤出成型机的工作原理为：
聚合物自料斗9进入到挤出机的料桶中，在螺杆10的旋转作用下，由于料桶内壁和螺杆表面的摩擦作用向前运动，螺杆对聚合物进行输送并压实。仍处于固体状态的物料由于强烈的摩擦热的作用，表面开始发粘，特别是通过加料段螺杆上的一组反向螺纹后，物料被压实的程度大大提高。与此相协调，通过料筒上的加气孔12将生成的SC-CO2流体以连续的一个独立的气泡形式注入到聚合物体系中，由于SC-CO2的高扩散率，再加上高剪切、高混合作用的螺杆赋予挤出机的优异的混合性能，使得SC-CO2很快溶解于聚合物中，不仅降低了聚合物的熔融温度，而且降低了聚合物熔体的粘度，根据工艺及成型聚合物性能的不同还可以继续或者只是从料筒上的加气孔11、13注入SC-CO2。至熔融段末端，聚合物最终成为粘流态。粘流态的聚合物SC-CO2流体通过均化段，在机头口模14的阻力造成的回压作用下被进一步混合塑化均匀，并定量定压地从机头口模挤出。在机头口模处，由于压力突降，SC-CO2过饱和，以气体形式从聚合物体系中迅速逸出，聚合物成为口模所赋形状的密实制品。
虽然通过具体实施方式对本发明进行了描述，然而容易理解的是，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神实质的范围内对本发明进行各种修正和更改。因而，本发明的保护范围理应包括这些修正和更改。

Claims (7)

1.一种挤出成型机，该挤出成型机具有料筒以及位于该料筒中的螺杆、用于驱动螺杆使之转动的驱动装置、加热冷却系统、电子仪器控制系统、计量喂料器，以及用于模制产品的口模，并且
螺杆为同向旋转的双螺杆，并且
该挤出成型机还设有超临界二氧化碳流体输送装置，该超临界二氧化碳流体输送装置通过至少一个注气口与料筒连通，从而向料筒中输送超临界流体。
2.如权利要求1所述的挤出成型机，其特征在于：其中的螺杆由多个螺杆元件组合而成，组合时各螺纹元件相错一个角度，使整个螺杆上的螺纹不连续。
3.如权利要求1所述的挤出成型机，其特征在于：其中的料筒为多段组合式。
4.如权利要求1所述的挤出成型机，其特征在于：料筒上设有多个可根据需要进行开堵的注气口，每一所述注气口均设有单向阀，在单向阀出口处安装有多孔喷嘴。
5.如权利要求1所述的挤出成型机，其特征在于：超临界二氧化碳流体输送装置从上游到下游依次设置有二氧化碳存贮器、过滤器、冷凝器、流量计、计量输送器、压力罐、恒温恒压罐、以及流量控制阀。
6.如权利要求2所述的挤出成型机，其特征在于：螺杆元件与螺杆芯轴之间的连接方式为浅花键连接。
7.如权利要求1所述的挤出成型机，其特征在于：在螺杆的加料段设有一组反向螺纹。
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