CN101259747A - 一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备 - Google Patents

一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备 Download PDF

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Abstract

一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备，它涉及一种木塑复合材料挤出成型设备。针对一步法平行双螺杆双阶木塑复合材料挤出成型设备结构复杂、造价高、能耗高，尤其是平行双螺杆的功效未能很好利用问题。第一驱动装置(2)与定量喂料预热装置(4)传动连接，定量喂料预热装置(4)通过真空脱挥发装置(5)与单螺杆挤出装置(8)相连通，第二驱动装置(3)与单螺杆挤出装置(8)传动连接，单螺杆挤出装置(8)与模具定型装置(6)连通，模具定型装置(6)的出料口的一侧设置有牵引切割装置(7)，第一、第二驱动装置及单螺杆挤出装置(8)均固装在机架(1)上。本发明的整体结构简单、成本低、能耗低、混合分散和挤出减压能力强，可用作一步法木塑复合材料挤出成型的专用设备。

Description

一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备
技术领域
本发明涉及一种木塑复合材料挤出成型设备，属于材料制造技术领域。
背景技术
近十几年来，由于木塑复合材料在资源综合利用与环境保护方面的双重优势，在许多国家得到迅速发展。木塑复合材料技术是在木材科学和塑料加工技术交汇融合的基础上发展起来的，其中80％以上的木塑复合材料产品用挤出工艺成型。
木塑复合材料挤出成型的技术困难在于：所加工的材料具有热敏性，螺杆设计应能适应宽的加工范围，对木纤维切断少，高填充时仍能使木纤维均匀分散和物料完全熔融，加料稳定，排气效果好，能够充分排除木粉中的可挥发成分，并形成高稳定性的熔体压力。
目前，国外木塑挤出成型设备主要采用专门设计的锥型双螺杆挤出机，锥型螺杆的加料段直径较大，可对物料连续进行压缩，缩短物料在机筒内的停留时间，计量段直径小，对熔融物料的剪切小，这对于加工热敏性木塑复合材料而言是一大优势，但同时存在结构复杂、加工制造难度大的问题。在国内木塑挤出成型设备中，主要采用一步法木塑复合材料挤出成型设备，它主要是将木纤维和树脂及助剂混合后连续熔融分散挤出，冷却定型，物料只需加热一次，而且通过设置脱水、脱挥发装置，含水量8％左右的木质纤维填料可以直接使用，是木塑复合材料成型技术的发展方向。授权公告日为2006年3月8日、授权公告号为CN 2763016Y的实用新型专利公开了“一步法同向平行双螺杆双阶塑木复合材料制造设备”；此外，授权公告日为2007年2月7日、授权公告号为CN2866107Y的实用新型专利公开了“一步法生产木塑复合材料的设备”，并具体采用平行双螺杆与锥形双螺杆串联的一步法挤出方式。以上这两种挤出成型设备都存在结构复杂、造价高、能耗高，尤其是平行双螺杆的功效未能很好利用的问题。而采用普通的单螺杆挤出机，由于其加料方式和混炼能力的限制，在木塑复合材料行业中一般用于多步法中，通过平行双螺杆挤出机混炼造粒料挤出成型。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备，它可解决现有的一步法平行双螺杆双阶木塑复合材料挤出成型设备存在结构复杂、造价高、能耗高，尤其是平行双螺杆的功效未能很好利用的问题。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：本发明的挤出成型设备由机架、第一驱动装置、第二驱动装置、定量喂料预热装置、真空脱挥发装置、挤出装置、模具定型装置、牵引切割装置组成；所述挤出装置为单螺杆挤出装置，所述第一驱动装置的动力输出端与定量喂料预热装置传动连接，所述定量喂料预热装置的出料口通过真空脱挥发装置与单螺杆挤出装置的入料口相连通，所述第二驱动装置的动力输出端与单螺杆挤出装置传动连接，单螺杆挤出装置的出料口与模具定型装置的入料口连通，所述模具定型装置的出料口的一侧设置有牵引切割装置，第一驱动装置、第二驱动装置及单螺杆挤出装置均固装在机架上。
本发明的有益效果是：本发明将物料的混炼挤出与喂料控制分离，便于针对木塑复合材料挤出特性进行独立控制。此外，本发明还具有整体结构简单、成本低、能耗低、混合分散和挤出建压能力强的优点，可用作一步法木塑复合材料挤出成型的专用设备。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1的A部放大图，图3是图1的B部放大图，图4是排气单螺杆17的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式的挤出成型设备由机架1、第一驱动装置2、第二驱动装置3、定量喂料预热装置4、真空脱挥发装置5、挤出装置、模具定型装置6、牵引切割装置7组成；所述挤出装置为单螺杆挤出装置8，所述第一驱动装置2的动力输出端与定量喂料预热装置4传动连接，所述定量喂料预热装置4的出料口通过真空脱挥发装置5与单螺杆挤出装置8的入料口相连通，所述第二驱动装置3的动力输出端与单螺杆挤出装置8传动连接，单螺杆挤出装置8的出料口与模具定型装置6的入料口连通，所述模具定型装置6的出料口的一侧设置有牵引切割装置7，第一驱动装置2、第二驱动装置3及单螺杆挤出装置8均固装在机架1上。本实施方式中的模具定型装置6和牵引切割装置7采用本领域现有成熟设备。
具体实施方式二：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的真空脱挥发装置5是一个密闭腔室，所述密闭腔室的侧壁上设置有观察窗9，密闭腔室的上端设置有真空接口10，所述定量喂料预热装置4的出料口通过密闭腔室与单螺杆挤出装置8的入料口相连通。如此设置，利于物料脱挥发分。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的定量喂料预热装置4由料斗11、喂料螺杆12、喂料机筒13、加热套14组成；所述料斗11固装在机架1上，所述喂料螺杆12的一端与第一驱动装置2的动力输出端传动连接，所述喂料机筒13套装在喂料螺杆12上，喂料机筒13的内腔分别与密闭腔室的入料口和料斗11的出料口连通，所述加热套14套装在喂料机筒13上，加热套14的内壁与喂料机筒13的外壁相接触。如此设置，物料的预热可以保证达到良好的脱挥发效果。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第一驱动装置2由第一电机15、第一减速器16组成；所述第一电机15的动力输出端通过第一减速器16与喂料螺杆12的一端传动连接。如此设置，结构简单、利于装配。第一电机15和第一减速器16均外购。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的单螺杆挤出装置8由排气单螺杆17、排气机筒18、五个加热瓦套、加热圈19、法兰20、熔体压力传感器21、排气管34组成；所述排气单螺杆17设置在排气机筒18的内腔中，排气单螺杆17由六段构成，即排气螺杆吃料段22、排气螺杆初压缩段23、排气螺杆排气段24、排气螺杆熔融压缩段25、排气螺杆计量段26和排气螺杆销钉分散混合段27，所述排气螺杆吃料段22与密闭腔室的出料口相对应，所述排气螺杆销钉分散混合段27靠近法兰20一侧，排气螺杆吃料段22至排气螺杆销钉分散混合段27之间依次为排气螺杆初压缩段23、排气螺杆排气段24、排气螺杆熔融压缩段25、排气螺杆计量段26，排气螺杆吃料段22与第二驱动装置3的动力输出端传动连接，排气机筒18的两端分别与第二驱动装置3和模具定型装置6固接，所述密闭腔室的出料口固装在靠近排气螺杆吃料段22一侧的排气机筒18上，密闭腔室与排气机筒18的内腔相通，所述法兰20固装在靠近模具定型装置6一侧的排气机筒18上，法兰20的外圆周端面上套装有加热圈19，所述加热圈19的内壁与法兰20的外圆周端面相接触，所述熔体压力传感器21的一端穿过加热圈19、法兰20及排气机筒18装在排气机筒18的内腔中，法兰20与密闭腔室之间的排气机筒18上装有五个加热瓦套，所述五个加热瓦套沿着密闭腔室至法兰20的方向依次设置并分别是第一加热瓦套28、第二加热瓦套29、第三加热瓦套30、第四加热瓦套31、第五加热瓦套32，与所述排气螺杆排气段24相对应的排气机筒18上设置有排气孔33，所述排气孔33设置在第二加热瓦套29和第三加热瓦套30之间，所述排气管34的一端装在排气孔33内，可抽真空进一步脱除挥发分，脱挥发分和混合分散在一个排气单螺杆17上实现，加上前面的定量喂料预热装置4与单螺杆挤出装置8之间的联接采用设有观察窗9和真空接口10的密闭腔室，不仅利于脱挥发分，同时还可使整个设备连续进行含水木塑混合物料的挤出成型，达到双阶串联的一步法挤出设备的技术效果。排气单螺杆17也可采用现有单螺杆挤出成型机所用的单螺杆，熔体压力传感器21为外购件，其它组成及连接关系与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式六：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式的第二驱动装置3由第二电机35、第二减速器36组成；所述第二电机35的动力输出端通过第二减速器36与排气螺杆吃料段22传动连接。如此设置，结构简单、利于装配。第二电机35和第二减速器36均外购。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式的喂料螺杆12的总长度L1为500～1500mm，喂料螺杆12的最大直径Φ1为60～300mm。本实施方式中，喂料机筒13的温度控制在50～180℃范围内，使物料在喂料过程中预热到需要的温度。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式八：结合图1、图3说明本实施方式，本实施方式的排气单螺杆17的长径比为26～42∶1，排气单螺杆17的最大直径Φ2为45～260mm，以达到良好的排气效果。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式九：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式的排气螺杆吃料段22的螺杆柱37为圆柱体结构，排气螺杆初压缩段23的螺杆柱38为圆锥体结构，排气螺杆初压缩段23的螺杆柱38与排气螺杆吃料段22的螺杆柱37交界处的横截面积等于排气螺杆吃料段22的螺杆柱37的横截面积，排气螺杆初压缩段23的螺杆柱38的横截面积沿着排气螺杆排气段24的方向逐渐增大，排气螺杆排气段24的螺杆柱39和排气螺杆熔融压缩段25的螺杆柱40为横截面积沿着排气螺杆计量段26的方向逐渐增大的圆锥体结构，排气螺杆初压缩段23的螺杆柱38与排气螺杆排气段24的螺杆柱39交界处的端面面积大于排气螺杆排气段24的螺杆柱39与排气螺杆初压缩段23的螺杆柱38交界处的横截面积，排气螺杆计量段26的螺杆柱41与排气螺杆销钉分散混合段27的螺杆柱42均为直径相等的圆柱体，排气螺杆熔融压缩段25的螺杆柱40与排气螺杆计量段26的螺杆柱41交界处的横截面积等于排气螺杆计量段26的螺杆柱41的横截面积，排气螺杆销钉分散混合段27的螺杆柱42上沿圆周方向设置有多个销钉43，以达到良好的混合分散效果。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式十：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式是利用本发明的挤出成型设备(排气单螺杆17的最大直径为Φ45mm)制备4mm×40mm木塑复合材料产品的一个具体实施例。首先将木塑复合材料原料按表1中的重量百分比混合配成六种木塑混合物料。其具体的工艺过程是：料斗11中的混合物料由最大直径为Φ90mm、长度为1400mm的喂料螺杆12通过喂料机筒13按要求的速度连续喂料，设置于喂料机筒13外面的加热套14将喂料机筒13加热，使其温度保持在110℃，混合物料经过喂料机筒13以后被预热到100℃以上，之后到达密闭腔室内，密闭腔室上设有观察窗9和真空接口10以便脱挥发分，经过初步脱挥发分后的混合物料落到单螺杆挤出装置8的入料口处，第二电机35经第二减速器36减速后控制排气单螺杆17的转速，使其保持在15～60r/min范围内，最佳转速控制在15～40r/min范围内，控制喂料速度低于排气单螺杆17的吃料速度，排气单螺杆17的长径比为28∶1，排气单螺杆17内通冷却水，排气机筒18设置五个加热瓦套，第一加热瓦套28、第二加热瓦套29、第三加热瓦套30、第四加热瓦套3 1和第五加热瓦套32的温度分别控制为150℃、160℃、170℃、165℃和165℃，排气螺杆排气段24对应的排气机筒18上设置有排气孔33，便于抽真空进一步脱挥发分，混合物料经过预热、脱挥发分，经过排气螺杆熔融压缩段25、排气螺杆计量段26及排气螺杆销钉分散混合段27得到充分分散混熔形成稳定压力的熔体流，加热圈19控制法兰20的温度为165℃，熔体压力传感器21连续监测显示熔体流的压力，最后，熔体流经模具定型装置6得到截面尺寸为4mm×40mm的木塑复合材料产品45，经牵引切割装置7中的牵引辊46以适配的速度牵引，切割成要求的长度。本实施方式与同规格的双阶串联式一步法挤出机组相比较，具有结构简单、成本低(可降低30％)、电源容量(15kW)可降低45％、能耗可降低18％的优点。
表1
  No.   木纤维种类和用量.   塑料种类和用量.  润滑剂   相容剂..   其他助剂..
  1   40目木粉60％   高密度聚乙烯38％  石蜡1％   MAPE1％
  2   40目木粉70％   高密度聚乙烯28％  聚乙烯蜡1％   MAPE1％
  3   40目稻壳粉50％   聚丙烯48％  石蜡1％   MAPP1％
  4   40目稻壳粉40％   聚丙烯58％  石蜡1％   MAPP1％
  5   40目木粉30％   聚氯乙烯66％  聚乙烯蜡1％   氯化聚乙烯1％   亚磷酸三丁酯2％
  6   针状木纤维50％   高密度聚乙烯48％  石蜡1％   MAPE1％
具体实施方式十一：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式是利用本发明的挤出成型设备(排气单螺杆17的最大直径为Φ120mm)制备20mm×160mm木塑复合材料产品的一个具体实施例。其具体的工艺过程是：料斗11中的混合物料由最大直径为Φ120mm、长度为1200mm的喂料螺杆12通过喂料机筒13按要求的速度连续喂料，设置于喂料机筒13外面的加热套14将喂料机筒13加热，使其温度保持在120℃，混合物料经过喂料机筒13以后被预热到100℃以上，之后到达密闭腔室内，密闭腔室上设有观察窗9和真空接口10以便脱挥发分，经过初步脱挥发分后的混合物料落到单螺杆挤出装置8的入料口处，第二电机35经第二减速器36减速后控制排气单螺杆17的转速，使其保持在15～60r/min的范围内，最佳转速控制在15～35r/min范围内，控制喂料速度低于排气单螺杆17的吃料速度，排气单螺杆17的长径比为32∶1(长3840mm)，排气单螺杆17内通冷却水，排气机筒18设置五个加热瓦套，第一加热瓦套28、第二加热瓦套29、第三加热瓦套30、第四加热瓦套31和第五加热瓦套32的温度分别控制为155℃、165℃、175℃、170℃和170℃，排气螺杆排气段24对应的排气机筒18上设置有排气孔33，便于抽真空进一步脱挥发分，混合物料经过预热、脱挥发分，使得排气螺杆熔融压缩段25、排气螺杆计量段26及排气螺杆销钉分散混合段27得到充分分散混熔形成稳定压力的熔体流，加热圈19控制法兰20的温度为165℃，熔体压力传感器21连续监测显示熔体流的压力，最后，熔体流经模具定型装置6得到截面尺寸为20mm×160mm的木塑复合材料产品45，经牵引切割装置7中的牵引辊46以适配的速度牵引，切割成要求的长度。本实施方式与同规格的双阶串联式一步法挤出机组相比较，具有结构简单、成本低(可降低26％)、电源容量(45kW)可降低48％、能耗可降低21％的优点。

Claims (9)

1、一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备，所述挤出成型设备由机架(1)、第一驱动装置(2)、第二驱动装置(3)、定量喂料预热装置(4)、真空脱挥发装置(5)、挤出装置、模具定型装置(6)、牵引切割装置(7)组成；其特征在于所述挤出装置为单螺杆挤出装置(8)，所述第一驱动装置(2)的动力输出端与定量喂料预热装置(4)传动连接，所述定量喂料预热装置(4)的出料口通过真空脱挥发装置(5)与单螺杆挤出装置(8)的入料口相连通，所述第二驱动装置(3)的动力输出端与单螺杆挤出装置(8)传动连接，单螺杆挤出装置(8)的出料口与模具定型装置(6)的入料口连通，所述模具定型装置(6)的出料口的一侧设置有牵引切割装置(7)，第一驱动装置(2)、第二驱动装置(3)及单螺杆挤出装置(8)均固装在机架(1)上。
2、根据权利要求1所述的一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备，其特征在于所述真空脱挥发装置(5)是一个密闭腔室，所述密闭腔室的侧壁上设置有观察窗(9)，密闭腔室的上端设置有真空接口(10)，所述定量喂料预热装置(4)的出料口通过密闭腔室与单螺杆挤出装置(8)的入料口相连通。
3、根据权利要求2所述的一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备，其特征在于所述定量喂料预热装置(4)由料斗(11)、喂料螺杆(12)、喂料机筒(13)、加热套(14)组成；所述料斗(11)固装在机架(1)上，所述喂料螺杆(12)的一端与第一驱动装置(2)的动力输出端传动连接，所述喂料机筒(13)套装在喂料螺杆(12)上，喂料机筒(13)的内腔分别与密闭腔室的入料口和料斗(11)的出料口连通，所述加热套(14)套装在喂料机筒(13)上，加热套(14)的内壁与喂料机筒(13)的外壁相接触。
4、根据权利要求3所述的一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备，其特征在于所述第一驱动装置(2)由第一电机(15)、第一减速器(16)组成；所述第一电机(15)的动力输出端通过第一减速器(16)与喂料螺杆(12)的一端传动连接。
5、根据权利要求2或3所述的一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备，其特征在于所述单螺杆挤出装置(8)由排气单螺杆(17)、排气机筒(18)、五个加热瓦套、加热圈(19)、法兰(20)、熔体压力传感器(21)、排气管(34)组成；所述排气单螺杆(17)设置在排气机筒(18)的内腔中，排气单螺杆(17)由六段构成，即排气螺杆吃料段(22)、排气螺杆初压缩段(23)、排气螺杆排气段(24)、排气螺杆熔融压缩段(25)、排气螺杆计量段(26)和排气螺杆销钉分散混合段(27)，所述排气螺杆吃料段(22)与密闭腔室的出料口相对应，所述排气螺杆销钉分散混合段(27)靠近法兰(20)一侧，排气螺杆吃料段(22)至排气螺杆销钉分散混合段(27)之间依次为排气螺杆初压缩段(23)、排气螺杆排气段(24)、排气螺杆熔融压缩段(25)、排气螺杆计量段(26)，排气螺杆吃料段(22)与第二驱动装置(3)的动力输出端传动连接，排气机筒(18)的两端分别与第二驱动装置(3)和模具定型装置(6)固接，所述密闭腔室的出料口固装在靠近排气螺杆吃料段(22)一侧的排气机筒(18)上，密闭腔室与排气机筒(18)的内腔相通，所述法兰(20)固装在靠近模具定型装置(6)一侧的排气机筒(18)上，法兰(20)的外圆周端面上套装有加热圈(19)，所述加热圈(19)的内壁与法兰(20)的外圆周端面相接触，所述熔体压力传感器(21)的一端穿过加热圈(19)、法兰(20)及排气机筒(18)装在排气机筒(18)的内腔中，法兰(20)与密闭腔室之间的排气机筒(18)上装有五个加热瓦套，所述五个加热瓦套沿着密闭腔室至法兰(20)的方向依次设置并分别是第一加热瓦套(28)、第二加热瓦套(29)、第三加热瓦套(30)、第四加热瓦套(31)、第五加热瓦套(32)，与所述排气螺杆排气段(24)相对应的排气机筒(18)上设置有排气孔(33)，所述排气孔(33)设置在第二加热瓦套(29)和第三加热瓦套(30)之间，所述排气管(34)的一端装在排气孔(33)内。
6、根据权利要求5所述的一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备，其特征在于所述第二驱动装置(3)由第二电机(35)、第二减速器(36)组成；所述第二电机(35)的动力输出端通过第二减速器(36)与排气螺杆吃料段(22)传动连接。
7、根据权利要求3所述的一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备，其特征在于所述喂料螺杆(12)的总长度L1为500～1500mm，喂料螺杆(12)的最大直径Φ1为60～300mm。
8、根据权利要求5所述的一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备，其特征在于所述排气单螺杆(17)的长径比为26～42∶1，排气单螺杆(17)的最大直径Φ2为45～260mm。
9、根据权利要求5所述的一种基于单螺杆挤出的一步法木塑复合材料挤出成型设备，其特征在于所述排气螺杆吃料段(22)的螺杆柱(37)为圆柱体结构，排气螺杆初压缩段(23)的螺杆柱(38)为圆锥体结构，排气螺杆初压缩段(23)的螺杆柱(38)与排气螺杆吃料段(22)的螺杆柱(37)交界处的横截面积等于排气螺杆吃料段(22)的螺杆柱(37)的横截面积，排气螺杆初压缩段(23)的螺杆柱(38)的横截面积沿着排气螺杆排气段(24)的方向逐渐增大，排气螺杆排气段(24)的螺杆柱(39)和排气螺杆熔融压缩段(25)的螺杆柱(40)为横截面积沿着排气螺杆计量段(26)的方向逐渐增大的圆锥体结构，排气螺杆初压缩段(23)的螺杆柱(38)与排气螺杆排气段(24)的螺杆柱(39)交界处的端面面积大于排气螺杆排气段(24)的螺杆柱(39)与排气螺杆初压缩段(23)的螺杆柱(38)交界处的横截面积，排气螺杆计量段(26)的螺杆柱(41)与排气螺杆销钉分散混合段(27)的螺杆柱(42)均为直径相等的圆柱体，排气螺杆熔融压缩段(25)的螺杆柱(40)与排气螺杆计量段(26)的螺杆柱(41)交界处的横截面积等于排气螺杆计量段(26)的螺杆柱(41)的横截面积，排气螺杆销钉分散混合段(27)的螺杆柱(42)上沿圆周方向设置有多个销钉(43)。
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Denomination of invention: One-step method wood-plastic composite material extrusion formation device based on single-screw extrusion

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