CN101554771B - 一种聚合物加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化工机械，特别是一种往复式螺杆塑化装置，可以实现稳定注入添加剂流体(包括发泡剂流体)到塑化装置中，这种装置能够用于新注塑机的制造和现有注塑成机的改造。本发明主要包括机筒和安装在机筒内输送聚合物和定义聚合物加工空间的螺杆，螺杆上设置两个止逆元件3、4，以及在机筒上设置的连接口7，连接口7位置在对应于螺杆上两个止逆元件之间的任一位置，止逆元件3、4套装在螺杆上，并与机筒内壁滑动配合；本发明的优点是，可以使氮气和二氧化碳与熔融树脂均匀地混合从而获得质量稳定的制品，氮气或二氧化碳直接从机筒按设定剂量注入到塑化装置的螺杆压缩段之后的熔融塑胶中，然后通过螺杆等机构的搅拌使氮气或二氧化碳与熔融塑胶均匀混合，再储存在塑化装置的末端等待注射进模具的型腔中。因此解决了通过改进常规往复式注塑机，达到利用二氧化碳或氮气进行发泡注塑或增加熔融塑胶的流动性之目的。

Description

一种聚合物加工装置

技术领域

本发明涉及化工机械，特别是一种往复式螺杆塑化装置，可以实现稳定注入添加剂流体(包括发泡剂流体)到塑化装置中，并实现均匀的混合，这种装置能够用于新注塑机的制造和现有注塑成型机的改造。

背景技术

由于原材料成本的上涨，注塑制品的结构一方面越来越薄壁化，另一方面要求制品的尺寸精度和稳定性越来越高，这样就对加工的工艺和装备的要求越来越高。这主要是由于熔融树脂材料在型腔中的流动性会受到限制，造成成型困难，从而需要提高注射压力和型腔内的压力，进而导致制品脱模后残留应力大，翘曲变形和尺寸稳定性差。采用氮气或二氧化碳等作为增塑剂来提高树脂的流动性，或作为发泡剂进行微发泡或结构发泡注射成型的方法，是已知的。然而，常规的注塑机的塑化装置(包括螺杆和机筒)不能实现这种功能。中国专利文献在2006年12月15日公开了一种名称为“气体发泡剂流量控制系统”(专利号：200620049021.3)的实用新型专利，该专利技术揭示一种气体发泡剂流量的控制系统和控制方法，更具体地涉及采用气体物理发泡剂加工热塑性泡沫塑料时对发泡剂流量的控制系统。若将该装置简单的和常规的往复式注塑机组合使用，是不能实现氮气或二氧化碳等作为增塑剂来提高树脂的流动性，或作为发泡剂进行微发泡或结构发泡注射成型。众所周知，常规的往复式注塑机包括合模装置，塑化注射装置，液压与电气控制系统等。其中塑化和注射装置与液压系统连接，受电气控制系统控制。塑化和注射装置包括螺杆、机筒、安装在机筒上的加热圈和测温和控制用的热电偶、以及注射用的喷嘴等。常规的塑化注射装置由于仅将来自进料口的单一粒料或混合料塑化，计量匀化后注射，因而塑化注射装置中的螺杆包括三段，即粒料输送段、压缩段、计量匀化段，一般在螺杆末梢增加一个止逆装置，塑化装置总长根据材料不同，一般长度在18D到22D之间。在这种常规结构中，螺杆上的螺纹是单头连续螺旋。若直接在这类常规注塑机中的塑化装置中加注二氧化碳或氮气，则需要在机筒上开设进气口，但在料流经过压缩段时，绝大部分气体会被压力倒逼从进料口排出，这样无法获得均匀稳定的塑化料流。中国专利文献在2005年9月14日公开了一种名称为“包括螺杆的聚合物加工系统”(专利公开号：CN03817185.6)的发明专利申请，该公开文献揭示了一种长径比为小于或等于24的螺杆，用于改造现有注塑机来实现用氮气或二氧化碳等气体进行发泡注塑成型。该文献中也描述了如何将超临界气体引入到螺杆中的熔融树脂中。但该公开文献中未能揭示用于注塑成型的确定的螺杆结构特征，同时在改造注塑机时仍然会遇到空间不足的问题。

发明内容

本发明目的是根据上述现有技术的不足之处，提出一种聚合物加工装置，该装置是发明人经过试验和对塑化装置的螺杆等结构进行优化组合，通过在螺杆上设置止逆元件并与混炼元件进行有效结合，使塑化装置中螺杆的长度在21倍到23倍螺杆的直径，本发明塑化装置能够有效地将熔融树脂与添加剂流体(包括气体发泡剂)均匀混合。本发明装置，不但可以实现稳定注入添加剂流体(包括发泡剂流体)到塑化装置中，而且实现熔融树脂与添加剂流体的均匀混合。

本发明目的实现由以下技术方案实现：

本发明主要包括机筒和安装在机筒内输送聚合物和定义聚合物加工空间的螺杆，螺杆上设置第一止逆元件3和第二止逆元件4，以及在机筒上设置的添加剂流体连接口7，添加剂流体连接口7设置在对应于螺杆上第一止逆元件3和第二止逆元件4之间的任一位置，第一止逆元件3和第二止逆元件4套装在螺杆上，并与机筒内壁滑动配合；在机筒1内的螺杆按顺序由粒料输送压缩段2a、第一止逆元件3、熔胶输送计量段2b、强制混合段2c、第二止逆元件4、螺杆末端尖梢2d组合而成；放置在机筒1内的螺杆长度为螺杆直径的21倍～23倍之间；螺杆的熔胶输送计量段2b的长度为6D～7D之间；螺杆的熔胶输送计量段2b的连续螺纹部分的螺槽深度在0.16D～0.08D之间，大于粒料输送压缩段2a末端的螺槽深度，而且熔胶输送计量段2b后段的断续螺纹部分的熔胶输送面积与前段的连续螺纹的输送面积相当，使熔胶输送计量段2b的输送能力大于粒料输送压缩段2a的输送能力5％～30％之间；螺杆的强制混合段2c的长度为0.5D～1.05D之间，并设置有断开螺纹或销钉；螺杆的强制混合段2c上设置的断开螺纹或销钉的区域的长度为0.35D～0.85D，外切圆直径在0.7D～0.75D之间；套装在螺杆上的第一止逆元件3为环形滑块，长度为0.5D到0.8D之间，套在粒料输送压缩段2a和螺杆熔胶输送计量段2b之间的连接轴杆上；套装在螺杆上的第二止逆元件4是一个环形滑块，长度为0.5D～1D之间，套在强制混合段2c之上，并位于螺杆熔胶输送计量段2b和螺杆末端尖梢2d之间；套装在螺杆上的第二止逆元件4的料流前端设置为一锥面，与熔胶输送计量段2b料流末端的锥面配合形成密封面。

本发明的优点是，使用本发明装置，可以使氮气或二氧化碳与熔融树脂均匀地混合从而获得质量稳定的制品，氮气或二氧化碳直接从机筒按设定计量注入到塑化装置的螺杆压缩段之后的熔融塑胶中，然后通过螺杆等机构的搅拌使氮气或二氧化碳与熔融塑胶均匀混合，再储存在塑化装置的末端等待注射进模具的型腔中。因此解决了通过改进常规往复式注塑机，达到利用二氧化碳或氮气进行发泡注塑或增加熔融塑胶的流动性之目的。本发明装置的长径比在21到23之间，容易安装在现有注塑成型机上，可以通过与已审结的专利ZL200620049021.3所揭示流量控制系统连接，实现发泡注射或增加熔融树脂的流动性来生产发泡制品和薄壁结构件，比如汽车内饰的A、B、C柱等。

附图说明

附图1为本发明装置结构示意图；

附图2显示的是本发明的塑化装置的实施状态图；

具体实施方式

以下通过实施例对本发明特征以及相关技术特征作进一步详述：

如附图1、2所示，附图中的标号1～11分别表示，1-机筒、2a-粒料输送压缩段、2b-熔胶输送计量段、2c-强制混合段、2d-螺杆末端尖梢、3-第一止逆元件、4-第二止逆元件、5-粒料进料口、6-热电偶安装孔、7-添加剂流体连接口、8-动力驱动截止喷嘴、9-添加剂(发泡剂)流体流量控制装置、10-添加剂(发泡剂)流体源、11-连接口开关装置。

本发明的塑化装置的螺杆由三段组成，其中粒料输送压缩段2a与现有的往复式螺杆的输送压缩段相同(包括粒料输送段和压缩段)，长度大约为14D(D为螺杆的直径)，为单头螺旋螺纹；熔胶输送计量段2b的长度为6D-7D之间，该段螺杆在料流输送端开始计算的4D-5D长度上的为连续的3头螺纹，在连续螺纹的下游紧接着为断续螺纹，螺纹也是3头；熔胶输送计量段2b的连续螺纹部分的螺槽深度在0.16D-0.08D之间，大于粒料输送压缩段2a末端的螺槽深度，而且熔胶输送计量段2b后段的断续螺纹部分的熔胶输送面积与前段的连续螺纹的输送面积大致相当，这样使熔胶输送计量段2b的输送能力大于粒料输送压缩段2a的输送能力为5％到30％之间，从而能确保在塑化时螺杆后退时熔胶料能顺利地被输送到下游的强制混合段2c区域，同时在该段形成一个较低的压力区，允许二氧化碳或氮气被顺利地注入到熔胶中，进而与熔胶一起通过断续螺纹区域进行混合，然后进入强制混合段2c；强制混合段2c的长度为大约0.5D-1.0D之间，其结构在下面将进行进一步描述，该段与螺杆末端尖梢2d为一体结构。熔胶输送计量段2b的料流输入端有一段长度约为0.55D-0.85D之间的无螺纹的轴杆直径大约为0.5D或稍大，以及一段连接螺柱；该连接螺柱与粒料输送压缩段2a末端的螺纹孔配合连接。这样粒料输送压缩段2a和熔胶输送计量段2b通过螺纹连接成一整体。

第一止逆元件3布置在粒料输送压缩段2a和熔胶输送计量段2b的连接处，采用长度在0.5D-0.8D之间的套筒式结构。第一止逆元件3的外径为D或稍小于D，与机筒1之间为滑动配合；第一止逆元件3的内径足够大于前面所述的熔胶输送计量段2b前端的无螺纹轴杆的直径，这样当第一止逆元件3套在轴杆上以后止逆元件与轴杆之间的间隙足够大保证熔胶顺利通过。而且第一止逆元件3的料流前端为一锥面，该锥面将与粒料输送压缩段2a料流末端的锥面配合。而熔胶输送计量段2b的料流前端开设引流槽，确保从第一止逆元件3流出的熔胶导入到熔胶输送计量段2b的螺旋空间中。这样第一止逆元件3与粒料输送压缩段2a及熔胶输送计量段2b组成一个止逆机构。当熔胶输送计量段2b中熔胶混合物的压力高于粒料输送压缩段2a中熔胶压力时，第一止逆元件3将后退阻止熔胶混合物向后返料；并在正常塑化时，能将熔胶平稳输送到熔胶输送计量段2b中。

强制混合段2c和螺杆末端尖梢2d为一个零件。当在强制混合段2c上套上第二止逆元件4之后，通过螺纹与熔胶输送计量段2b末端的螺纹孔配合连接。这样形成本发明的螺杆整体。

强制混合段2c上设置有断开的螺纹或销钉，将来自熔胶输送计量段2b的混合物进行增强混炼。强制混合段2c的长度为0.55D-1.05D之间，其上设置有断开螺纹或销钉的区域的长度大约为0.35D-0.85D，外切圆直径大约在0.7D-0.75D之间。强制混合段2c与下面进一步描述的第二止逆元件4所形成的熔体通道的面积与熔胶输送计量段2b的熔体通道面积相同，确保料流顺利通过该区域。螺杆末端尖梢2d为常规设计，在靠近第二止逆元件4和强制混合段2c末端的大头部分上开设有导流槽。这样可将来自强制混合段2c的熔胶混合物顺利地导入到储料空间中。

第二止逆元件4采用套筒式结构，长度为0.5D-1D之间，外径为D或稍小于D，与机筒1之间为滑动配合。第二止逆元件4的内径稍大于强制混合段2c上的断开螺纹或销钉的外切圆直径，这样强制混合段2c能够在第二止逆元件4中自由旋转。第二止逆元件4的料流前端设置为一锥面，与熔胶输送计量段2b料流末端的锥面配合可形成密封面。这样构造后，既实现了熔胶混合物的强制混炼，又保证了注射料量稳定，而且阻止注射压力传递到熔胶输送计量段2b中。

按上面所述的结构制造和连接方式组装后，形成一个完整的螺杆组合，包括粒料输送压缩段2a、第一止逆元件3、熔胶输送计量段2b、第二止逆元件4、强制混合段2c及螺杆末端尖梢2d。根据具体加工的热塑性树脂特性进行优化后，螺杆的有效长度可以控制在21D到23D之间。

本发明的塑化装置的机筒1具有传统的粒料进料口5和热电偶安装孔6之外，其特征之处是在某个位置开设了添加剂流体连接口7。添加剂流体连接口7可以是一个，也可以是3个。当采用多个添加剂流体连接口7时，添加剂流体连接口7沿螺杆轴向位置与上述仅设置一个连接口的位置相同，但是在径向方向均匀分布。添加剂流体连接口7在机筒1的轴向方向上，位于距机筒1料流末端7D-8D之间。为了保证添加剂(包括气体发泡剂)流体能够稳定地计量注入到稳定的熔胶流中，添加剂流体连接口7需要布置在第一止逆元件3的下游。如图1、图2所示，螺杆在机筒中处于注射完毕状态，添加剂流体连接口7位于第一止逆元件3的下游和第二止逆元件4的上游。这样确保添加剂流体或发泡剂流体能够直接被注入到稳定的熔胶流中，而且受第一止逆元件3的作用，限制较高压力的添加剂流体或发泡剂流体从塑化装置的粒料进料口方向溢出。

按照上述方式制造并组合成一个塑化装置后，安装在现有注塑机上，然后在添加剂流体连接口7上安装开关装置11，并在本发明塑化装置的料流末端安装一个动力驱动截止喷嘴8；并与传统塑化装置相似，在机筒外部布置几个加热带，然后通过安装在热电偶安装孔6中的热电偶进行温度反馈和控制。这样形成一套更新后的注塑系统，可以按传统的方式进行塑化和射出运转。即在动力驱动下，螺杆开始旋转，料流先后通过两个止逆装置，存储在动力驱动截止喷嘴8和螺杆尖梢之间。随着熔胶压力的建立，螺杆逐渐后退。当螺杆后退到设定位置后，等待射胶。动力驱动截止喷嘴8可以设置在射胶完成后立即关闭，在射胶动作开始时打开。

在上述基础上，进一步将添加剂流体连接口7通过连接口开关装置11连接到添加剂(发泡剂)流体流量控制装置9，进而连接到添加剂(发泡剂)流体源10。这样的系统更好地体现本发明塑化装置的特征功能。这里所述的添加剂流体流量控制装置9为专利ZL200620049021.3中所述的流量控制系统，所述的添加剂(包括发泡剂)流体源10可以提供较高压力(例如350巴)的流体源。

按照上述方式连接后，就可以进行在线添加和混合添加剂(包括发泡剂)流体的注射成型了。当螺杆开始旋转和塑化时，安装在添加剂流体连接口7中连接口开关装置11打开，添加剂(发泡剂)流体流量控制装置9将根据设定的流量将来自添加剂(发泡剂)流体源10的输入到机筒1内螺杆的熔胶输送计量段2b中的熔胶中。由于螺杆预塑后退时，添加剂流体连接口7一直保持在连续螺旋区域，螺旋扫过连接口时，将注入的添加剂(二氧化碳或氮气)流切成细小的单元，然后与熔胶混合并通过断续螺旋区域进行进一步混合后被输送到强制混合段2c。熔胶和添加剂的混合物通过强力搅拌混合，并与上一次注射后残留在机筒前端的混合物混合形成均匀混合溶液，等待注塑，保证了每次注射时混合物的稳定性。当塑化达到设定位置后，添加剂流体连接口7中的连接口开关装置11关闭。注塑机发出射胶信号后，动力驱动截止喷嘴8打开，将均匀的混合溶液注入到模具的型腔中，冷却后成型脱模，获得制品。

在注塑时，为了保证快速注射，一般射胶压力非常高。由于有第二止逆元件4的存在，射胶压力将推动第二止逆元件4后退，并阻止储料区的熔胶混合物向熔胶输送计量段2b流动，保证了射胶量的准确。同时射胶压力不会传递到熔胶输送计量段2b中，从而使熔胶输送计量段2b中的熔胶混合物的压力相对稳定，进而保证了下一个塑化循环时的添加剂稳定准确地经过计量进入熔胶中。而在第二止逆元件4之中的强制混合段2c将来自熔胶输送计量段2b的熔胶/添加剂混合物进行强制混合，确保混合物尽可能均匀，并存储在料筒的前端等待注射。当塑化开始时，随着螺杆旋转后退，第二止逆元件4快速打开，两端的压力快速达到均衡状态，保证熔胶的平稳向下游输送。

采用本发明的这种塑化装置，可以在塑化时按照塑化和输送的熔胶量准确地将添加剂流体(包括发泡剂)，特别是气态发泡剂准确计量进入到熔胶中，并混合成均匀的混合物，实现稳定的注射成型。

实施例1

改造一台400吨注塑机，现有塑化装置包括传统的22D长的螺杆，螺杆直径为70毫米。采用本发明的塑化装置的结构，如图2所示，粒料输送压缩段的长度约为13.5D，第一止逆元件的长度为0.6D，粒料输送压缩段和熔胶输送计量段之间为0.65D，熔胶输送计量段的长度约为6D，并为连续螺旋，第二止逆元件的长度为0.8D，第二止逆元件的下面的强制混合段为销钉结构，其结构为0.85D，螺杆的总有效长度为21D，比现有的螺杆长度稍短一些。将这一塑化装置安装在注塑机上，在塑化装置的末端安装一个动力驱动截止喷嘴。在添加剂的连接口中安装一个开关装置，并与流量控制系统连接，进而连接到添加剂源。在本实施例中，添加剂为高压氮气。动力驱动截止喷嘴与一副安装在注塑机合模单元上的模具的直浇口连接。加工的材料为聚丙烯(PP)料；当塑化开始，螺杆开始后退，流量控制器发出指令将安装连接口上的开关装置打开，按照预先设定的流量，例如按螺杆的输送熔胶量的0.5％(重量百分比)向机筒内的熔胶中注入高压氮气，计量注入到机筒中熔胶输送计量段中的熔胶中。当螺杆后退到设定位置，塑化结束，流量控制器发出指令将安装在连接口上的开关装置切换到关闭装置，熔胶与氮气的均匀混合物存储在动力驱动截止喷嘴和螺杆末端的空间中等待注塑。当注塑机发出注塑指令，安装在塑化装置末端的动力驱动截止喷嘴打开，螺杆在注射装置的推力下前移，将存储的混合料快速注入成型模具的型腔中。冷却成型后脱模，获得发泡的制品。按照上述过程反复操作，获得品质稳定的发泡制品。通过进一步调整向熔胶中注入氮气的比例，可以获得不同发泡程度的制品。

实施例2

改造一台400吨注塑机，现有塑化装置包括传统的22D长的螺杆，螺杆直径为70毫米。采用本发明的塑化装置的结构，如图2所示，粒料输送压缩段的长度约为14.5D，第一止逆元件的长度为0.6D，粒料输送压缩段和熔胶输送计量段之间为0.65D，熔胶输送计量段的长度约为7D，料流前端约4.5D长度为连续螺旋，而后为断续螺旋，第二止逆元件的长度为0.7D，第二止逆元件的下面的强制混合段为销钉结构，其长度为0.75D，螺杆的总有效长度为22.9D，比现有的螺杆长度稍长一些。将这一塑化装置安装在注塑机上，在塑化装置的末端安装一个动力驱动截止喷嘴。在添加剂的连接口中安装一个开关装置，并与流量控制系统连接，进而连接到添加剂源。在本实施例中，添加剂为高压氮气。动力驱动截止喷嘴与一副安装在注塑机合模单元上的模具的直浇口连接。加工的材料为ABS料。当塑化开始，螺杆开始后退，流量控制器发出指令将安装连接口上的开关装置打开，按照预先设定的流量，例如按螺杆的输送熔胶量的0.2％(重量百分比)向机筒内的熔胶中注入高压氮气，计量注入到机筒中熔胶输送计量段中的熔胶中。当螺杆后退到设定位置，塑化结束，流量控制器发出指令将安装在连接口上的开关装置切换到关闭位置，熔胶与氮气的均匀混和物储存在动力驱动截止喷嘴和螺杆末端的空间中等待注塑。当注塑机发出注塑指令，安装在塑化装置末端的动力驱动截止喷嘴打开，螺杆在注射装置的推力下前移，将储存的混合料快速注入成型模具的型腔中。冷却成型后脱模，获得发泡的制品。按照上述过程反复操作，获得品质稳定的发泡制品。通过进一步调整向熔胶中注入氮气的比例，可以获得所需要的减重效果。

虽然以上已经参照附图按照本发明及发明目的的构思和实施作了详尽说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明做出各种改进和变换，而这种改进和变换仍然应用属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种聚合物加工装置，主要包括机筒和安装在机筒内输送聚合物和定义聚合物加工空间的螺杆，其特征在于，螺杆上设置第一止逆元件(3)和第二止逆元件(4)，以及在机筒上设置的添加剂流体连接口(7)，添加剂流体连接口(7)设置在对应于螺杆上第一止逆元件(3)和第二止逆元件(4)之间的任一位置，第一止逆元件(3)和第二止逆元件(4)套装在螺杆上，并与机筒内壁滑动配合，在机筒(1)内的螺杆按顺序由粒料输送压缩段(2a)、第一止逆元件(3)、熔胶输送计量段(2b)、强制混合段(2c)、第二止逆元件(4)、螺杆末端尖梢(2d)组合而成；放置在机筒(1)内的螺杆长度为螺杆直径的21倍～23倍之间，螺杆的熔胶输送计量段(2b)的长度为6D～7D之间，螺杆的熔胶输送计量段(2b)的连续螺纹部分的螺槽深度在0.16D～0.08D之间，大于粒料输送压缩段(2a)末端的螺槽深度，而且熔胶输送计量段(2b)后段的断续螺纹部分的熔胶输送面积与前段的连续螺纹的输送面积相当，使熔胶输送计量段(2b)的输送能力大于螺杆粒料输送压缩段(2a)的输送能力5％～30％之间，螺杆的强制混合段(2c)的长度为0.5D～1.05D之间，并设置有断开螺纹或销钉，螺杆的强制混合段(2c)上设置的断开螺纹或销钉的区域的长度为0.35D～0.85D，外切圆直径在0.7D～0.75D之间。

2.根据权利要求1所述的聚合物加工装置，其特征在于，套装在螺杆上的第一止逆元件(3)为环形滑块，长度为0.5D到0.8D之间，套在粒料输送压缩段(2a)和熔胶输送计量段(2b)之间的连接轴杆上。

3.根据权利要求1所述的聚合物加工装置，其特征在于，套装在螺杆上的第二止逆元件(4)是一个环状滑块，长度为0.5D～1D之间，套在强制混合段(2c)之上，并位于螺杆的熔胶输送计量段(2b)和螺杆末端尖梢(2d)之间。

4.根据权利要求1所述的聚合物加工装置，其特征在于，套装在螺杆上的第二止逆元件(4)的料流前段设置为一锥面，与熔胶输送计量段(2b)料流末端的锥面配合形成密封面。

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