CN102303400A - 高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型法及设备 - Google Patents

高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型法及设备 Download PDF

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    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/395—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders
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Abstract

本发明涉及高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型法及其成型设备，按以下步骤顺序进行：高分子材料从料斗座进料，螺杆旋转，在螺杆的挤压作用下随螺槽方向前行，随着高分子材料逐渐被压实，进入螺杆根圆渐缩段，随螺杆根圆的消失，被压实的高分子材料充满后端机筒型腔形成高分子材料棒材型胚；所得的高分子材料棒材型胚在摩擦热、中间机筒外热的共同作用下，逐渐塑化；然后在挤出压力的继续作用下，高分子材料棒材型胚在定型机筒内实现定型过程，最终实现高分子材料棒材的连续成型。本发明的有益效果在于：1）本发明可实现流动性差甚至没有流动性这类高分子材料采用单螺杆连续成型棒材；2）所成型得到的高分子材料棒材可保持高分子材料的物理性能。

Description

高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型法及设备
技术领域
本发明涉及一种流动性差的高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型法及其成型设备。
背景技术
目前高分子材料棒材的成型方法主要有采用普通单（双）螺杆挤出机结合棒材机头和模压烧结成型两种方法。
对热塑性塑料和成型具有一定流动性的高分子材料棒材的成型方法一般采用单（双）螺杆挤出机结合棒材机头来成型，该成型方法成熟、成型效率高，得到广泛应用。对于热固性塑料和成型流动性差这类高分子材料 ，如超高分子量聚乙烯（UHMWPE）棒材等成型采用模压烧结的成型方法，该方法成型过程不连续，塑化时间长，成型速度为1-2m/h，生产效率较低，不宜成型大型和特小型的成品，在生产应用中受到一定限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种针对热固性塑料和成型流动性差的高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型法及设备，可以实现对热固性塑料和成型流动性差的高分子棒材的单螺杆连续、高效成型。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于包括有螺杆、料斗座、前端机筒、中间机筒、后端机筒和定型机筒，所述的螺杆与减速器输出轴连接，在工作时做旋转运动，所述的前端机筒、中间机筒、后端机筒和定型机筒间通过法兰连接，前端机筒通过法兰与料斗坐相连接，所述的螺杆结构分为：进料压缩段、固体塞段和螺杆根圆渐缩段，其中在进料压缩段的结构为：等螺距变螺槽深度、变螺距变螺槽深度或变螺距等螺槽深度，螺杆的几何压缩比逐渐增大达到高分子材料的物理压缩比；所述的固体塞段的结构为：螺杆的几何压缩比等于或者大于高分子材料的物理压缩比，使高分子材料在其到达该段时被压实；所述的螺杆根圆渐缩段的结构为：螺杆根圆直径逐渐缩小直至消失，对应螺杆顶圆直径逐渐缩小，单位节距螺杆的螺槽体积和进料压缩段的单位节距螺槽体积相近，使高分子材料逐渐形成棒材型胚。
按上述方案，所述的前端机筒内壁开有沟槽。
按上述方案，所述的前端机筒内壁安设有增压内衬，增压内衬上开有沟槽。
按上述方案，所述的沟槽与螺杆的固体塞段相对应，中间机筒与螺杆根圆渐缩段相对应，所述的螺杆的螺杆根圆渐缩段与螺杆的固体塞段的几何压缩比相近，保证物料处于压实状态。当高分子材料经过该段时，通过中间机筒外装设的加热器的加热和高分子材料运行过程中摩擦热的共同作用，高分子材料实现了预热甚至局部实现了塑化。
按上述方案，所述的中间机筒和后端机筒的外侧分别安设有加热器。
按上述方案，所述的后端机筒内截面面积与中间机筒和螺杆根圆渐缩段的尾段所形成的型腔截面面积相近，保证物料处于压实状态。
当物料输送到达棒料成型区（后端机筒）时，通过后端机筒内径的缩经或变形使得高分子材料在输送过程中形成一定的阻力，保证高分子材料在后端机筒内得到充分压实，从而形成高分子材料棒材型胚，通过该段机筒外装有加热器的加热和物料运行过程摩擦热的共同作用，高分子材料棒材实现塑化；
当物料输送到达棒料定型区（定型机筒）时，高分子材料棒料已实现初步定型及完成了塑化，将实现高分子棒料的冷却及定型，定型机筒内孔形状相近略小于后端机筒。
高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型方法，其特征在于按以下步骤顺序进行：高分子材料从料斗座进料，螺杆旋转，高分子材料在螺杆的挤压作用下随螺槽方向前行，随着高分子材料逐渐被压实，前端机筒内壁或者前端机筒内壁上的增压内衬上开有沟槽，则在进料压缩段将产生足够的挤出压力，确保高分子材料随螺槽继续前行，进入螺杆根圆渐缩段，随螺杆根圆的消失，被压实的高分子材料充满后端机筒型腔而形成高分子材料棒材型胚；所得的高分子材料棒材型胚在摩擦热、中间机筒外热的共同作用下，逐渐塑化；然后在挤出压力的继续作用下，高分子材料棒材型胚在定型机筒内实现定型过程；最后通过牵引装置、计量装置和切割装置共同协调工作下，实现高分子材料棒材的连续成型。
本发明的基本原理是：高分子材料在螺杆的旋转挤压作用下，沿螺槽方向运动并逐渐被压实，在螺杆的进料压缩段对应机筒开有沟槽，在该段可产生足够的挤出压力，保证高分子材料继续随螺槽前行，当压实的高分子材料进入螺杆根圆渐缩区，随螺杆根圆的消失，压实的高分子材料充满后端机筒型腔，形成了高分子材料棒材型胚，在摩擦热和机筒外加热器的共同作用下实现塑化，在定型机筒段，实现高分子材料棒材的冷却和精确定型。
本发明的有益效果在于：
1）本发明与传统单（双）螺杆成型高分子棒材具有不同的成型工艺
本发明具有独特的成型工艺，其成型工艺是：物料从料斗座进料→逐渐压实→完全压实态→形成棒材型胚→塑化→冷却精密定型→牵引、切割、堆放等过程。普通单螺杆成型高分子材料棒材的成型工艺：物料从进料座进料→逐渐压实→完全压实态→塑化→通过机头形成棒材型胚→冷却精密定型→牵引、切割、堆放等过程；
2）本发明可实现流动性差甚至没有流动性这类高分子材料或复合材料采用单螺杆连续成型棒材
本发明先形成棒材型胚然后塑化，这种成型工艺确保成型过程于物料的流动性没有必然关系，即使流动性很差甚至没有流动性高分子材料也能成型，成型速度是模压烧结方法的5倍以上；
3）本发明所成型得到的高分子材料棒材可保持高分子材料的物理性能
在进行高分子材料棒材成型时，对流动性差的高分子材料不需要进行工艺改性来提高高分子材料的流动性，同时成型温度低于高分子材料分解温度，则成型的高分子材料棒材将完好的保留高分子材料的性能，表1为采用本发明成型流动性很差的纯超高分子量聚乙烯棒材，结果显示本发明所生产的纯超高分子量聚乙烯板材完全保留了超高分子量基乙烯原有的优异性能。
附图说明
图1为本发明的成型设备结构示意图；
图2为本发明的螺杆结构简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述，但是不会构成对本发明的限制。
本发明的成型设备主要包括：螺杆1、料斗座2、增压内衬3、前端机筒4、中间机筒5、加热器6、后端机筒7、定型机筒8和冷却水槽9，本发明的机筒由前端机筒4、中间机筒5、后端机筒7和定型机筒8组成，它们之间通过法兰相互连接，中间机筒5和后端机筒7的外侧分别安设有加热器，其中前端机筒4通过法兰与料斗坐2相连接，所述的螺杆1与减速器输出轴连接，在工作时做旋转运动；
所述的螺杆5包括有进料压缩段9、固体塞段10和螺杆根圆渐缩段11，具有以下结构特征为：所述的进料压缩段的结构为：等螺距变螺槽深度、变螺距变螺槽深度或变螺距等螺槽深度，螺杆的几何压缩比逐渐增大直至接近或达到高分子材料的物理压缩比；所述的固体塞段的结构为：螺杆的几何压缩比等于或者大于高分子材料的物理压缩比，使高分子材料在其到达该段时被压实；所述的螺杆根圆渐缩段的结构为：螺杆根圆直径逐渐缩小直至消失，对应螺杆顶圆直径逐渐缩小，单位节距螺杆的螺槽体积和进料压缩段的单位节距螺槽体积相近，使高分子材料逐渐形成棒材型胚。
所述的前端机筒内壁安设有增压内衬，增压内衬上开有沟槽，提高对高分子材料的输送能力；
所述的沟槽与螺杆的固体塞段相对应，中间机筒5与螺杆根圆渐缩段相对应，所述的螺杆的螺杆根圆渐缩段与螺杆的固体塞段的几何压缩比相近，保证物料处于压实状态。当高分子材料经过该段时，通过中间机筒外装设的加热器的加热和高分子材料运行过程中摩擦热的共同作用，高分子材料实现了预热甚至局部实现了塑化；
所述的中间机筒5的内壁与对应的螺杆顶圆的间隙保持足够小，后端机筒内截面面积与中间机筒和螺杆根圆渐缩段的尾段所形成的型腔截面面积相近，保证物料处于压实状态。
高分子材料棒材单螺杆挤出成型机筒成型法需要的动力装置、传动装置、温度控制系统都可采用现有单螺杆挤出机相同设备及技术，牵引装置、计量装置和切割装置采用现有常规装备。
高分子材料棒材单螺杆挤出成型机筒成型法，按以下顺序进行：，其特征在于按以下步骤顺序进行：高分子材料从料斗座进料，螺杆旋转，高分子材料在螺杆的挤压作用下随螺槽方向前行，随着高分子材料逐渐被压实，前端机筒内壁或者前端机筒内壁上的增压内衬上开有沟槽，则在进料压缩段将产生足够的挤出压力，确保高分子材料随螺槽继续前行，进入螺杆根圆渐缩段，随螺杆根圆的消失，被压实的高分子材料充满后端机筒型腔而形成高分子材料棒材型胚；所得的高分子材料棒材型胚在摩擦热、中间机筒外热的共同作用下，逐渐塑化；然后在挤出压力的继续作用下，高分子材料棒材型胚在定型机筒内实现定型过程；最后通过牵引装置、计量装置和切割装置共同协调工作下，实现高分子材料棒材的连续成型。
在高分子材料管材成型过程中在加热区的温度均小于高分子材料的分解温度。
表1采用本发明所生产的纯UHMWPE棒材进行关键性能参数检测报告，表明样品在密度、维卡软化温度和耐磨性等方面完好的保留了纯UHMWPE的物理性能。
表1 按本发明生产的纯UHMWPE棒材进行关键性能参数检测报告
序列 检测内容 备注
1 样品按照GB/T8802-2001进行维卡软化温度检测，结果为79.3℃； 与模压纯超高分子量聚乙烯的软化温度79℃一致
2 样品按照QB/T2668-2004附录B进行砂浆磨损率检测，测试结果为0.13%。 远小于QB/T2668-2004标准0.54%
3 样品按照GB/T1033.1-2008中的浸渍法进行密度检测，结果为0.931g/cm3; 与纯超高分子量聚乙烯密度完全一致
4 在销-盘磨损试验机进行摩擦磨损试验，干摩擦系数为0.09 与模压纯超高分子量聚乙烯样品0.10一致

Claims (7)

1.高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于包括有螺杆（1）、料斗座（2）、前端机筒（4）、中间机筒（5）、后端机筒（7）和定型机筒（8），所述的螺杆（1）与减速器输出轴连接，在工作时做旋转运动，所述的前端机筒（4）、中间机筒5、后端机筒（7）和定型机筒（8）间通过法兰连接，前端机筒（4）通过法兰与料斗坐（2）相连接，所述的螺杆（1）结构分为：进料压缩段（9）、固体塞段（10）和螺杆根圆渐缩段（11），其中在进料压缩段的结构为：等螺距变螺槽深度、变螺距变螺槽深度或变螺距等螺槽深度，螺杆的几何压缩比逐渐增大达到高分子材料的物理压缩比；所述的固体塞段的结构为：螺杆的几何压缩比等于或者大于高分子材料的物理压缩比，使高分子材料在其到达该段时被压实；所述的螺杆根圆渐缩段的结构为：螺杆根圆直径逐渐缩小直至消失，对应螺杆顶圆直径逐渐缩小，单位节距螺杆的螺槽体积和进料压缩段的单位节距螺槽体积相近，使高分子材料逐渐形成棒材型胚。
2.按权利要求1所述的高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于所述的前端机筒内壁开有沟槽。
3.按权利要求1所述的高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于所述的前端机筒内壁安设有增压内衬，增压内衬上开有沟槽。
4.按权利要求2或3所述的高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于所述的沟槽与螺杆的固体塞段相对应，中间机筒（5）与螺杆根圆渐缩段相对应，所述的螺杆的螺杆根圆渐缩段与螺杆的固体塞段的几何压缩比相近，保证物料处于压实状态。
5.按权利要求4所述的高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于所述的中间机筒（5）和后端机筒（7）的外侧分别安设有加热器。
6.按权利要求1或5所述的高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于所述的后端机筒内截面面积与中间机筒和螺杆根圆渐缩段的尾段所形成的型腔截面面积相近，保证物料处于压实状态。
7.高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型方法，其特征在于按以下步骤顺序进行：高分子材料从料斗座进料，螺杆旋转，高分子材料在螺杆的挤压作用下随螺槽方向前行，随着高分子材料逐渐被压实，前端机筒内壁或者前端机筒内壁上的增压内衬上开有沟槽，则在进料压缩段将产生足够的挤出压力，确保高分子材料随螺槽继续前行，进入螺杆根圆渐缩段，随螺杆根圆的消失，被压实的高分子材料充满后端机筒型腔而形成高分子材料棒材型胚；所得的高分子材料棒材型胚在摩擦热、中间机筒外热的共同作用下，逐渐塑化；然后在挤出压力的继续作用下，高分子材料棒材型胚在定型机筒内实现定型过程；最后通过牵引装置、计量装置和切割装置共同协调工作下，实现高分子材料棒材的连续成型。
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