CN101020357A - 异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出方法及其设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出方法及其设备。该设备在双螺杆螺槽内间断布置扰动体，扰动体为窄的间断性螺棱，在设有扰动体的螺槽对应的螺杆螺棱上开有螺旋槽，扰动体的螺旋方向与相应的螺旋槽相反，使扰动体与之啮合运转。该方法物料在螺槽内周期性的扰动体作用下带来的宏观对流效应，加速了排气过程；同时熔体在位于螺槽底部的周期性间断扰动体的作用下被拉伸、折叠、再拉伸，熔体处于不断翻动中，熔体界面程指数方式增长。本发明实现物料分布、分散混合效果好，熔融历程短，排气效率高，节能降耗，能满足操作要求较高的工况条件，具有较好的市场前景。

Description

异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出方法及其设备
技术领域
本发明涉及螺杆混炼排气挤出技术，特别是涉及异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出方法及其装置。
背景技术
目前，双螺杆的装备广泛应用于石油、化工、家电、食品加工、聚合物填充改性以及反应挤出等工业场合。双螺杆挤出机又可进一步分为同向、异向旋转，啮合、非啮合形式以及错列、并列等多种形式。其中，异向双螺杆挤出机可以简化为C形室模型，能够建立稳定的挤出压力，不但可以用于共混造粒，而且还可以直接挤出成型制品，因而应用广泛。
混合混炼是决定双螺杆挤出制品的关键因素。啮合形异向啮合双螺杆挤出机压延间隙很小，螺槽根部存在滞流底层，几乎不与螺槽内熔体主体发生混合。粒子追踪结果显示，异向双螺杆挤出机内物料的运动轨迹主要是围绕各自的螺杆运动，彼此交换极小。对比非啮合异向双螺杆挤出机和啮合同向双螺杆挤出机，发现两者的分散混合能力相近，但分布混合机理不同：同向双螺杆的优势在于啮合区导致的物料再取向，而异向双螺杆则有良好的轴向反向混合能力。但即使具有优异混合性能的积木式同向双螺杆挤出机，其混合机理主体上仍然受传统的规则层流混合控制，混合效果主要受啮合去控制，在整个C形室中所占的比例较小，导致了对于混合混炼要求较高的物料加工来讲，转速越来越高，长径比越来越大，混合效果已经走到极限，亟需引入新的混合机制。
另一方面，从熔融机理和过程来讲，双螺杆挤出机属于饥饿喂料、虽然物料未充满螺槽C形室，提供了物料翻动和表面更新的机会，但同样存在熔融过程中物料的翻动效果差等一系列缺陷，为了缩短熔融历程，有的还不得不添加啮合块、齿型盘等装置，加大了螺杆的加工及装配难度，导致机器尺寸庞大。
在排气过程中，主要利用体积扩大产生的负压来实现气体从熔体中分离，此时C形室内缺少宏观对流扩散机制，主要以分子扩散为主，但由于高聚物的高粘度和气液界面的低扩散速度，导致排气效率不高，这也成为制约双螺杆挤出机提高产量的重要因素，因此，排气过程中也亟需找到有效的方法。
总体来说，目前的异向双螺杆挤出装备，熔融过程缺乏有效的流场剪切、拉动控制，熔融历程长，温度分布不均匀，需要引入强化传热方法。排气过程缺少宏观对流机制，混合混炼过程属于传统的层流混合，因此，为进一步改善上述缺陷，主要应从引入全新的混合机理及熔融机理，强化排气效率入手。
对于高粘度流体混合来说，美国研究人员H.Aref最初意识到简单的二维系统可以通过引入非定常边界条件而触发混沌现象，发现层流混合效果极大提高。此后，对混沌混合的研究主要集中在二维流场模型及其合适的表征方法的探索，着眼点是流场的双曲点特性。基本上从两个方向来进行研究：(1)点的运动轨迹，借助Lyapnov指数及Poincare截面等手段进行研究；(2)流场的特定微分流型捕捉，有代表性如Smale马蹄、Anosov微分流型等分析。研究混合过程中的对称性与破缺、周期点、序性及相似性的发生及演化等，揭示混沌的本质特征，将研究重点放在了混合的“几何特征”研究上，涉及混合速率研究很少，主要集中在对静态混合器的工作。韩国研究人员Kim和Kwon最早提出这一思想，徐百平等人在CFD数值模拟技术的帮助下进一步拓展了触法混沌的方式，提出了采用Bernoulli效应来实现混沌的触发，申请了一系列专利。目前，利用混沌场强化挤出过程主要应用于单螺杆挤出机中，双螺杆挤出机如何利用混沌场强化挤出过程尚未见报道。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺点，提供一种强化传热加速熔融、提供宏观对流强化排气过程以及提高物料分布、分散混合效果，能耗低、体积小、操作简单可靠的异向双螺杆混沌场强化混炼、排气、挤出方法。
本发明另一目的在于提供一种实现上述异向双螺杆混沌场强化混炼、排气挤出方法的装置。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出设备，包括传动部件、计量加料料斗、异向旋转双螺杆、机筒、温控装置和排气装置，所述传动部件设置在机筒的端部，计量加料料斗位于机筒的上部，靠近传动部件，温控装置位于机筒的外部，机筒内的异向旋转双螺杆分别与传动部件连接，双螺杆螺杆位于机筒内部，水平放置，分为固体输送段，熔融段，排气段及混炼均化挤出段，在双螺杆螺槽内间断布置扰动体，所述扰动体为窄的间断性螺棱，在所述设有扰动体的螺槽对应的螺杆螺棱上开有螺旋槽，扰动体的螺旋方向与相应的螺旋槽相反，使扰动体与之啮合运转。
所述双螺杆可为平行啮合异向旋转双螺杆、非啮合并列或错列布置的双螺杆或者为锥形双螺杆。
所述扰动体高度高于或者等于螺槽深度一半，低于或者等于螺槽高度。
异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出方法：物料在进入双螺杆挤出机的熔融段C形室后，处于不充满状态，在外加热作用下开始熔融，并受到位于螺槽底部的间断性扰动体作用而翻腾，加速熔融进程，物料成为熔体；熔体到达排气段，螺槽体的空间增大产生负压作用，同时在螺槽内周期性的扰动体作用下带来的宏观对流效应，加速了排气过程；排气后的熔体到达混炼均化挤出段，熔体在位于螺槽底部的周期性间断扰动体的作用下被拉伸、折叠、再拉伸，熔体处于不断翻动中，熔体界面程指数方式增长，最后熔体从口模挤出。
具体来说，本发明中，物料在进入熔融段C形室后，处于不充满状态，在外加热作用下开始熔融，此时受到位于螺槽底部的间断性扰动体作用，物料受到翻腾作用，促进了熔膜的更新，从而有效强化传热，加速了熔融进程，成为熔体；熔体随着C形室继续前行，到达排气段，此时由于螺槽体的突然增大产生负压作用，加之螺槽内周期性扰动体带来的宏观对流效应更易于气体的排出，加速了排气过程，使排气更彻底；排气后的熔体继续前行到达混炼段和计量段，其中熔体在计量段末端将充满C形室以便建立稳定挤出压力，这两段C形室内的熔体在位于螺槽底部的周期性间断扰动体的作用下，通过引入同宿轨道扰动或Bernoulli映射，而被拉伸、折叠、再拉伸，熔体处于不断翻动中，使得熔体界面呈指数方式增长，实现强化传热。同时，与每根螺杆螺槽内扰动体相对应的另一根螺杆的螺棱上的螺旋槽提供了实现高剪切及另外一种熔体输运机制，提高了两根螺杆彼此交换物料的机会，从另外的意义上增加了系统向混沌进发机会，大大提高了分布分散混合的能力。最后熔体从口模挤出。
本发明的作用原理是：根据微分动力系统拓扑混沌几何演化思想，通过布置在螺槽内的间断性扰动体，将周期性扰动引入到双螺杆挤出装置的螺槽内，进而实现：(1)在混炼、均化段，使流体界面实现拉伸、折叠、再拉伸作用，使物料在向口模推进的过程中椭圆点交叉、重叠、分散，混沌触发器的往复运动，促进流体局部再循环，增加了系统运动的自由度及对初始条件的敏感性，诱导同宿轨道扰动或提供Bernoulli映射，导致拉伸折叠，诱发混沌运动的目的，提高分布、分散混合效果。(2)在熔融段，通过行扰动体的翻动作用，强化传热过程，进一步利用固体颗粒的混沌强化作用，实现分散熔融，强化传热，从而节能降耗。(3)在排气段，通过行扰动体的引入的宏观对流作用，使气体更易从熔体中排出，加速和提高了排气过程，实现高效排气。
本发明相对现有技术的优点与效果是：
(1)节能降耗；基于物料在双螺杆C形室内的输送、熔融、排气和混炼机理不同，也注意到双螺杆操作过程大部分C形室部分充满得事实，本发明在熔融、排气、混炼、均化过程中引入全新的沌混场强化机理，加强了流场对过程的剪切、翻动控制，有效地强化混合、传热和排气过程，能够有效地减小装备的体积，提高能量的有效利用率，也减小装备向周围环境的能量损失。因此，达到节能降耗的效果。
(2)分布、分散混合效果好；本发明由于采用了混沌场强化混和技术，有效的实现了分布分散混合，本发明专利在提高挤出压力稳定性的同时，可有效的提高异向双螺杆挤出机的混合能力。
(3)派其效率更高，排气更彻底；由于引入了混沌场强化作用，扰动体的带来的宏观对流都提高了排气速度和程度，使得排气更快、更彻底。
(4)能够进一步提高双螺杆转速由于螺棱上存在与螺槽内扰动体相对应的沟槽，降低了螺杆运转过程中的压延效应，可以使装备的转速更高，能适应高产量的要求。
(5)装备制造成本低，可靠性强；本装置的零部件加工相对简易，制造、装配成本低，有望成为新一代加工设备，具有较好的市场前景。
附图说明
图1是本发明异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出设备结构示意图。
图2是图1中靠近口模一端的双螺杆结构局部放大立体示意图。
图3是双螺杆沿螺旋展开的立体示意图。
图4是啮合双螺杆横截面示意图。
图中示出：传动部件1；计量加料料斗2；异向旋转双螺杆3、4；机筒5；温控装置6；排气装置7；扰动体8；分流板9；机头连接法兰10；混炼均化挤出段11；与扰动体相对应的另外螺杆螺棱上螺旋槽12；排气段13；熔融段14；固体输送段15；导流槽16。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
实施例1
如图1、2所示，本实施实例为平行啮合异向旋转双螺杆，异向双螺杆混沌场强化混炼、排气、挤出装备包括：传动部件1、计量加料料斗2、异向旋转双螺杆3、4、机筒5、温控装置6、排气装置7、扰动体8、分流板9、机头连接法兰10。传动部件1设置在机筒5的端部，计量加料料斗2位于机筒5的上部，靠近传动部件1，温控装置6位于机筒5的外部，机筒5内的异向旋转双螺杆3、4分别与传动部件1连接，双螺杆螺杆3、4位于机筒5内部，水平放置，分为固体输送段15，熔融段14，排气段13及混炼均化挤出段11。在双螺杆螺槽内间断布置扰动体8，扰动体8为窄的间断性螺棱，方向与相应的螺槽螺棱平行，与之对应，在相啮合的螺杆螺棱顶上开有螺旋槽12，扰动体8的螺旋方向与相应的螺旋槽12相反，使扰动体8与之啮合运转。在双螺杆的熔融段14，排气段13及混炼均化挤出段11都设置扰动体8和螺旋槽12，具体是在双螺杆3、4的螺槽内都设置3个扰动体8；而在在相啮合的螺杆螺棱顶上开有螺旋槽12。
应用本异向双螺杆混沌场强化混炼、排气、挤出装置时，传动部件1驱动双螺杆3、4等作异向旋转，在布置在螺槽内间断性扰动体8的作用下，从而将混沌引入到混炼均化挤出段11及熔融段14螺槽内，与螺杆3螺槽内间断性扰动体8相对应的螺杆4的螺棱上开有螺旋槽12保证螺杆转动过程啮合关系，同样与螺杆4螺槽内间断性扰动体相对应的螺杆3的螺棱上也开有螺旋槽。扰动体8与螺旋槽12还可以提供物料捏合及窄间隙提高分散混合的能力以及为两根螺杆中物料输送提供另外一种机制，尤其是导流槽16存在时。物料由挤出机的料斗2进入后，经固体输送段15进入熔融段14，在外加热作用下开始熔融，这时候，由于位于C形室螺槽内间断性扰动体的作用，引入混沌场强化传热，加速了融融过程。然后，熔融的物料进入排气段13的C形室内，由于螺槽内间断性扰动体的带来的宏观对流作用，强化了排气过程，气体在外界负压作用下经排气装置7排出。熔体继续前行到达混炼均化挤出段11的C形室内，为建立稳定的挤出压力，靠近机头的C形室将被熔体充满。此时，位于C形室内的熔体除了受到边界的作用外，还要间断性，周而复始地受到行扰动体的扰动作用，引入复杂速度边界，从而使流体微元前行过程中受到拉伸、折叠、再拉伸的连续作用，即引入混沌作用机制，使得流体界面程指数方式增长，增加了物料翻动作用，从而强化传热；物料熔融后，进入混炼均化挤出段11，继续在混沌作用机制的控制下强化混合、混炼，同时由于螺杆3、4螺槽内扰动体8与螺棱上螺旋槽12的存在产生捏合作用并提供窄间隙产生对物料的强大的剪切拉伸作用，从而很好的实现分散混合，分散后的熔体继续在混沌流的作用下引入主流场运动到不同的角落，从而实现优异分布、分散混合。达到强化混合混炼，实现分散熔融的目的。
由于异向双螺杆混沌场强化混炼、排气、挤出过程中，在熔融、排气、混炼、均化阶段引入全新的沌混机理，加强了流场对过程的剪切、流动控制，有效地强化混合、传热过程，提高能量的有效利用率，也减小装备向周围环境的能量损失，同时，挤出机体积可减少。该装置还可以实现挤出机主螺杆宽螺槽设计，尤其在大流量、高流速的操作情况下，一样可以提高混合混炼效果，控制停留时间分布，性能优于传统的螺杆挤出机。该装备相对于现有积木式双螺杆挤出机装置，该装置的零部件加工相对简易，制造、装配成本低，不仅可以挤出造粒，还可以直接挤出成型制品。
实施例2
图3是螺杆3、4沿螺旋展开后，扰动体8、螺旋槽12以及螺棱上对应的导流槽16立体示意图。如图3所示，扰动体8位于螺槽底部，为规则的长方体结构，沿螺槽展开方向间断布置，扰动体高度为螺槽深度的一半。本发明扰动体高度可以高于螺槽深度一半，最大可与螺槽高度相等。扰动体8沿展开方向布置间距相等或按等比数列变化，本实施例公比为0.21，即后一位置间距2与前一位置间距1的比值为0.21。与螺旋槽12相通的导流槽16沿圆周均布，为轴线平行于螺杆轴线圆柱面槽的一部分，分别与同一根螺杆上前后两个C形室相连，与前后两个C形室相连的导流槽16相间布置。扰动体展开方向与螺槽展开方向相同，本发明扰动体8展开方向与所在螺槽螺棱展开方向也可以不同，只要保证相应的螺旋槽12与扰动体的8的螺旋方向相反来保证双螺杆的顺利啮合。
图4是啮合双螺杆横截面示意图，在机筒5内的异向旋转双螺杆3、4相互啮合，且前后两个C形室相连的导流槽16沿圆周相间均布，扰动体8与螺旋槽12啮合。
本实施实例中，在双螺杆螺棱顶上间断开有导流槽16和螺旋槽12贯通，其它同实施例1，以便进一步强化分散混合效果，并将左右两根螺杆的螺槽连通起来，进一步消除C形室底部的滞留底层，强化分布混和效果。
实施例3
本实施实例中，异向双螺杆为非啮合并列或错列关系，其它同实施例1。
实施例4
异向双螺杆3、4为锥形双螺杆，其它同实施例1。
实施例5
本实施实例中，异向双螺杆为非啮合并列或错列关系，其它同实施例2。
实施例6
异向双螺杆3、4为锥形双螺杆，其它同实施例2。

Claims (6)

1、异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出设备，包括传动部件(1)、计量加料料斗(2)、异向旋转双螺杆(3、4)、机筒(5)、温控装置(6)和排气装置(7)，所述传动部件(1)设置在机筒(5)的端部，计量加料料斗(2)位于机筒(5)的上部，靠近传动部件(1)，温控装置(6)位于机筒(5)的外部，机筒(5)内的异向旋转双螺杆(3、4)分别与传动部件(1)连接，双螺杆螺杆(3、4)位于机筒(5)内部，水平放置，分为固体输送段(15)，熔融段(14)，排气段(13)及混炼均化挤出段(11)，其特征在于：在双螺杆(3、4)螺槽内间断布置扰动体(8)，所述扰动体(8)为窄的间断性螺棱，在所述设有扰动体(8)的螺槽对应的螺杆螺棱上开有螺旋槽(12)，扰动体(8)的螺旋方向与相应的螺旋槽(12)相反，使扰动体(8)与之啮合运转。
2、根据权利要求1所述的异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出设备，其特征在于所述双螺杆(3、4)为平行啮合异向旋转双螺杆。
3、根据权利要求1所述的异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出设备，其特征在于所述双螺杆(3、4)为非啮合并列或错列布置的双螺杆。
4、根据权利要求1所述的异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出设备，其特征在于所述双螺杆(3、4)为锥形双螺杆。
5、根据权利要求1所述的异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出设备，其特征在于所述扰动体高度高于或者等于螺槽深度一半，低于或者等于螺槽高度。
6、采用权利要求1所述异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出设备的异向双螺杆混沌场强化混炼排气挤出方法，其特征在于：物料在进入双螺杆挤出机的熔融段C形室后，处于不充满状态，在外加热作用下开始熔融，并受到位于螺槽底部的间断性扰动体(8)作用而翻腾，加速熔融进程，物料成为熔体；熔体到达排气段，螺槽体的空间增大产生负压作用，同时在螺槽内周期性的扰动体(8)作用下带来的宏观对流效应，加速了排气过程；排气后的熔体到达混炼均化挤出段，熔体在位于螺槽底部的周期性间断扰动体(8)的作用下被拉伸、折叠、再拉伸，熔体处于不断翻动中，熔体界面程指数方式增长，最后熔体从口模挤出。
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