CN101823298A - 用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备，包括平行双螺杆挤出机、切片装置、引风系统和旋风分离系统；其中，切片装置设计为开放式，安装在平行双螺杆挤出机的机头处，平行双螺杆挤出机的螺杆头部直接与大气相通。该设备的引风系统的进风口位于切片装置的正上方，旋风分离系统的进料口位于切片状置的正下方。本发明提供了一种能够良好适用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备，该设备在植物纤维含量很高的木塑复合材料塑化造粒时不会降解、炭化，且脱挥效果良好。

Description

用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备
技术领域
本发明涉及能够制备植物纤维含量很高的木塑复合材料的塑化造粒设备。
背景技术
木塑复合材料(WPC)是近年来兴起的一类绿色环保新材料。木塑复合材料的品种较多，其中聚烯烃木塑复合材料是当前全世界产量最大的木塑复合材料品种，也是最具有环保意义的木塑复合材料品种。由于生产聚烯烃木塑复合材料的主要原料是农林废弃物(如木粉、竹粉、糠粉、秸秆粉等植物纤维粉)和废旧塑料(如聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃)，其产品主要用作木材的替代品，因此，开发聚烯烃木塑复合材料对于农林废弃物和塑料废弃物的综合利用、缓解天然木材日趋紧张的压力和减少森林砍伐均具有重要的意义。
木塑复合材料具有吸水率低、耐腐蚀能力强、不虫蛀、不易开裂、二次加工性好等一系列优点，其用途十分广泛，如可替代木材用作室内外装饰材、建材、包装材料、汽车内饰板材等。近年来木塑复合材料的开发与发展得到了全世界的广泛重视。
制备木塑复合材料的主要方法是挤出成型法，挤出成型法制备木塑复合材料的一般过程为：先将植物纤维、塑料、添加剂等原料混合均匀，然后加入双螺杆挤出机中进行“塑化造粒”，制得塑化料(粒状料或破碎料)；再将塑化料加入双螺杆或单螺杆挤出机中挤出成型，制得木塑复合材料。在所述挤出成型法中，能否制得植物纤维含量高、生产成本低、外观木质感强的聚烯烃木塑复合材料，“塑化造粒”是一个至关重要的工艺步骤。
现有用于木塑复合材料塑化造粒的双螺杆挤出机通常为平行双螺杆挤出机或锥形双螺杆挤出机，对于聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒来说，以同向平行双螺杆挤出机的塑化造粒效果为佳。为了造得挤出成型所需要的木塑复合材料塑化粒料，现有技术要求在双螺杆挤出机的机头处装有切粒装置，其切粒装置一般为“拉条切粒装置”或“磨面热切装置”。
上述塑化造粒方法通常只能适应于植物纤维含量不太大的木塑复合材料的塑化造粒，当木塑复合材料中植物纤维填充量很高时(如60％～90％)，这种塑化造粒方法就不适用了。因为现有的塑化造粒设备都需要在机头上装有一套完全将机头密封住的切粒装置，如“拉条切粒装置”、“磨面热切装置”等，当木塑复合材料中植物纤维填充量很高时，由于熔融物料流动性极差而难以流过现有密封住机头的切粒装置的小孔，结果易使机头压力偏大而使物料在料筒和螺杆间造成严重的摩擦和大量的逆流，结果易造成严重的变色、降解和炭化。植物纤维含量越高，这种问题越严重，因此，现有技术难以制得植物纤维含量很高的聚烯烃木塑复合材料。
另外，植物纤维中含有的水份和有机挥发物难以在前段工序完全除去，因此需要在塑化造粒过程中进一步脱除(简称脱挥)，否则将影响挤出成型和产品质量。由于水份和有机挥发物主要来自于植物纤维，因此木塑复合材料中植物纤维填充量越高，水份和有机挥发物的含量也就越多。而现有塑化造粒设备对于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的脱挥效果不太理想，因为现有塑化造粒设备在切粒时物料已经在一定程度上被压实和冷却，以致脱挥困难。这是现有挤出成型法技术制备高份额植物纤维填充的聚烯烃木塑复合材料的另一个困难。
发明内容
为了克服已有木塑复合材料的塑化造粒设备不能适应植物纤维含量很高的木塑复合材料塑化造粒，且脱挥效果较差的不足，本发明提供一种能够良好适用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备，该设备在高份额植物纤维木塑料塑化造粒时不会降解、炭化，且脱挥效果良好的塑化造粒设备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备，包括平行双螺杆挤出机、切片装置、引风系统和旋风分离系统；其中切片装置位于平行双螺杆挤出机的机头出料口处，引风系统的进风口位于切片装置的正上方，旋风分离系统的进料口位于切片状置的正下方。
进一步，所述的平行双螺杆挤出机的双螺杆头部直接与大气相通，所述的安装在机头上的切片装置是开放式的，因此，在机头上没有任何将双螺杆头部密封住的装置。
再进一步，所述的平行双螺杆挤出机的机头出料口处的料筒头部和双螺杆头均设计为为平面状，且料筒头部平面与双螺杆头部平面处于同一平面内，该结构有利于切片装置排料，而不是像现有技术中的平行双螺杆挤出机那样将螺杆头设计为圆锥形或鱼雷形。
更进一步，所述的切片装置由多块刀片和多个刀座组成，所述刀片和刀座的数量相等，刀片和刀座的个数分别为2至10，该切片装置的刀座均匀分布和固定在平行双螺杆挤出机机头出料口处料筒头部的平面上，刀片根部固定在刀座上，刀片的头部伸至双螺杆头部的平面，并与该平面接触。
所述刀片与双螺杆头部平面的夹角为30°至60°。
本发明的技术构思为：将混合均匀的木塑复合材料原料(主要含植物纤维、塑料和添加剂)加入本发明的平行双螺杆挤出机中，通过螺杆作用进行挤出塑化，塑化好的木塑料从平行双螺杆挤出机的机头出料口被挤出。由于本发明的平行双螺杆挤出机的双螺杆头部设计成直接与大气相通，在机头上没有设计任何将双螺杆头部密封住的切粒装置(如拉条切粒装置、磨面热切装置等)，因此，双螺杆头部的压力为零(表压)。
上述塑化好的木塑料从平行双螺杆挤出机的机头出料口被挤出时会产生旋转，从而被装在机头处的本发明的切片装置切成不规则、疏松的小片状塑化料。
在上述被本发明的切片装置切成疏松小片状时，塑化料处在高温状态，会产生大量的水蒸汽和有机挥发物气体，这些气体挥发物进入切片装置正上方的引风系统的进风口而被引风系统抽走排出室外，达到第一次脱挥的效果。
上述经过第一次脱挥后的小片状塑化料在重力作用下落入旋风分离系统的进料口，然后在旋风分离系统的鼓风机作用下风送至旋风分离器，在这个过程中，塑化料进行第二次脱挥，同时被冷却、分离，从而制得脱挥和塑化良好的塑化料(不规则的粒状或小片状料)。该塑化料可用于后续锥形双螺杆挤出机通过挤出成型法制备植物纤维含量很高的木塑复合材料。
本发明的有益效果主要表现在：
1、现有木塑复合材料塑化造粒用的平行双螺杆挤出机(或锥形双螺杆挤出机)为了能够顺利地切粒，均在其机头部分装有将螺杆头部完全密封住的“切粒装置”，如拉条切粒装置、磨面热切装置等。如上所述，这种塑化造粒设备只能用于植物纤维含量不太高的木塑复合材料制备，当木塑复合材料中的植物纤维含量很高时(如60％～90％)，由于塑化料流动性很差而难以流过这些切粒装置的小孔，结果会发生严重的变色、降解和炭化。
而本发明的平行双螺杆挤出机的双螺杆头部设计成直接与大气相通，在机头上没有设计任何将双螺杆头部密封住的“切粒装置”，而是设计了一套特殊的开放式的“切片装置”，切片装置并没有将螺杆头部密封，双螺杆头部的压力为零(即无机头压力)，因此物料受到的摩擦力较小且停留时间分布窄，物料不易降解、炭化，因此可以适用于植物纤维含量很高(60％～90％)的木塑复合材料塑化造粒，解决了现有技术对高份额植物纤维填充聚烯烃木塑料进行塑化造粒时存在的变色、降解、炭化、螺杆磨损严重等一系列问题，从而使得用挤出成型法制备植物纤维很高的聚烯烃木塑复合材料成为可能；
2、由于本发明的切片装置没有将螺杆头部密封，因此从平行双螺杆挤出机机头出料口被挤出来的塑化料没有经过压实和冷却的过程，所以处于高温疏松状态(片装)，因此比现有技术造得的密实粒状塑化料更易脱挥；在本发明切片装置上方设置的引风系统的进风口可以大量吸除高温塑化料中的水分和有机挥发物；本发明切片装置下方设置的进料口，在旋风分离系统的鼓风机作用下将塑化料以流化态风送至旋风分离器，进行分离、冷却，进一步脱除水分和有机挥发物。因此，本发明的塑化造粒设备比现有设备能够更好地脱除木塑料中的水份和有机挥发物。
3、由于本发明的切片装置没有将螺杆头部密封，双螺杆头部直接与大气相通，因此无机头压力引起的逆流，因而挤出量大，生产效率高；
4、由于本发明的切片装置没有将螺杆头部密封，双螺杆头部直接与大气相通，因此无机头压力造成的物料与螺杆和料筒之间的巨大磨擦力，螺杆和料筒受到的磨擦阻力小，因此设备使用寿命长。
附图说明
图1是用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备全套装置的结构示意图。
图2是螺杆整体的结构示意图。
图3是螺杆头部的结构示意图。
图4是图3的左视图。
图5是图3的俯视图。
图6是两刀片式切片装置的示意图。
图7是图6的左视图。
图8是图6的俯视图。
图9是四刀片式切片装置的示意图。
图10是图9的左视图。
图11是图9的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
一种用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备，包括平行双螺杆挤出机、切片装置、引风系统和旋风分离系统；其中切片装置位于平行双螺杆挤出机的机头出料口处，引风系统的进风口位于切片装置的正上方，旋风分离系统的进料口位于切片状置的正下方。
本实施例中，一种用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备(参照图1)，包括主电动机1、喂料机构2、料斗3、挤出机进料口4、料筒5、切片装置6、引风系统进风口、引风机8、旋风分离器进料口9、鼓风机10、输料管11、旋风分离器12。螺杆安装在料筒5内，切片装置6设计为开放式的，因此，螺杆头部直接与大气相通，螺杆头部的压力为零(表压)。
本实施例中，螺杆及套件的整体结构见图2。为了便于切片和被切成片状的木塑料易下料和不易相互粘合，螺杆头部设计为平头(参照图3～5)。螺杆头部有一平头螺母13将螺杆套件固定在螺杆上，螺母13的平头平面与螺杆头平面处于同一平面内。
本实施例中，切片装置(参照图6～图11)包括刀片14与刀座15，刀片的个数根据设备的大小来确定，如果设备较小，可设计为2个，如果设备较大，可设计为4个、6个或更多。本实施例设计为2个或4个刀片(参照图6～图11)。切片装置的刀座15安装在机头处料筒头部的平面16上，刀片14固定在刀座15上，刀片头部伸向螺杆头部并与螺杆头部平面相接触，刀片与螺杆头部平面之间的夹角为45°(参照图6～图11)。
本实施例中，引风系统(参照图1)的进风口7位于切片装置的正上方，引风系统的进风口7通过引风管与引风机8相连。旋风分离系统(参照图1)的进料口9位于切片装置的正下方，旋风分离系统的进料口9与鼓风机10相通，再通过输料管11与旋风分离器12相连。根据不同脱挥的需要，旋风分离器可采用1至3级式，本实施例采用两级式。
本实施例的工作过程为：
参照图1，将经过高速混合机混合均匀的木塑复合材料的原料(木粉含量70％，塑料含量27％，加工助剂含量3％)，加入料斗3(料斗的体积为0.3立方米)中，在喂料系统2作用下将原料经进料口4定量加入平行双螺杆挤出机中，通过螺杆作用进行挤出塑化。螺杆直径为36毫米，长径比为44，挤出机的料筒5的温度控制为180℃，螺杆的转速控制为300r/min，喂料系统2中喂料机的转速为200r/min；
塑化好的物料从挤出机的机头出料口被挤出时，木塑料会旋转，从而被装在机头处的切片装置6的刀片将其切成不规则、疏松的小片状塑化料。疏松的小片状塑化料处在高温状态，其所产生的大量的水蒸汽和有机挥发物气体等挥发物被装在切片装置上方的引风系统进风口7和引风机8抽走排出室外，从而达到了较好的脱挥效果；
上述小片状木塑料在重力作用下，落入旋风分离系统的进料口9，然后在鼓风机10作用下被吸入输料管11，并被送至旋风分离器12，在这个过程中，木塑料进一步被脱挥，同时被冷却、分离，从而制得脱挥和塑化良好的塑化料(不规则的粒状或小片状料)。引风系统进风口7下端长×宽也为500×200毫米，旋风分离系统的进料口9上端长×宽为500×200毫米，鼓风机10的功率为1000W。

Claims (5)

1.一种用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设，其特征在于：包括平行双螺杆挤出机、切片装置、引风系统和旋风分离系统；其中，切片装置位于平行双螺杆挤出机的机头出料口处，引风系统的进风口位于切片装置的正上方，旋风分离系统的进料口位于切片状置的正下方。
2.如权利要求1所述的用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备，其特征在于：所述的平行双螺杆挤出机的双螺杆头部直接与大气相通，所述的切片装置呈开放式结构。
3.如权利要求1或2所述的用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备，其特征在于：所述的平行双螺杆挤出机的机头出料口处的料筒头部和双螺杆头部均为平面状，且料筒头部平面与双螺杆头部平面处于同一平面内。
4.如权利要求1或2所述的用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备，其特征在于：所述的切片装置由多块刀片和多个刀座组成，所述刀座和刀片的数量相等，刀片和刀座的个数分别为2至10，该切片装置的刀座均匀分布和固定在平行双螺杆挤出机机头出料口处料筒头部的平面上，刀片根部固定在刀座上，刀片的头部伸至双螺杆头部的平面并与该平面接触。
5.如权利要求4所述的用于高份额植物纤维填充聚烯烃木塑复合材料的塑化造粒设备，其特征在于：所述刀片与双螺杆头部平面的夹角为30°至60°。
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