CN102776578B - 一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，主要用于以水为增塑剂的聚乙烯醇纤维熔融纺丝，包括双螺杆(1)、夹套(2)、冷却套筒(3)、计量加料装置(4)、螺杆温度控制装置(5)、驱动传动系统(6)和电机(7)等。其一，所述双螺杆至少由计量加料装置(4)、小导程正向螺纹元件(8)、啮合块(9)和反向螺纹元件(10)组成，实现了溶胀、熔融连续化；其二，所述双螺杆螺纹元件至少由螺纹元件I(11)、螺纹元件II(12)和螺纹元件III(13)组成，利用压力差对水汽进行了密封。

Description

一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机

技术领域

本发明涉及一种双螺杆挤出机，特别是涉及一种能够用于聚乙烯醇熔融纺丝的溶胀，熔融，挤出连续式水汽密封型双螺杆。

背景技术

聚乙烯醇(PVA)是一种性能优良，用途广泛的聚合物。传统PVA纤维可通过湿法纺丝，凝胶纺丝制造，这些方法工序比较复杂，对环境污染较大。由于聚乙烯醇分子结构中含有大量羟基，会在大分子间形成大量氢键，导致其熔点与分解温度接近，理论上难以使用经济，高效，环境污染小的熔融纺丝方法。目前，研究人员通过改性剂水破坏聚乙烯醇分子间氢键，限制其结晶，降低了其熔点，得到了聚乙烯醇纤维的熔融纺丝加工窗口。

在聚合物加工设备中，螺杆挤出机是最为重要的设备之一，目前，单螺杆挤出机，双螺杆挤出机和多螺杆挤出机在工业中都已经实现商业化，其中，双螺杆挤出机可作为聚合物共混，聚合物反应的一种连续化学反应器，又是居最重要地位的，其应用也越来越广泛。双螺杆挤出机一般可分为啮合同向双螺杆挤出机，啮合异向双螺杆挤出机，非啮合双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机等，在热塑性塑料的成型加工中取得了很好的效果。

但是，目前在使用普通螺杆挤出机对聚乙烯醇进行熔融纺丝之前，都要在其它设备中对聚乙烯醇原料与增塑剂之间进行溶胀处理，之后加入螺杆挤出机之中进行加工。中国专利CN1786302所述一种适于规模化工业生产的制备高性能聚乙烯醇纤维的方法，在纺丝原料进入通用挤出-纺丝设备进行加工之前，将聚乙烯醇与含醇胺复合改性剂在密闭容器中进行了单独的溶胀处理。中国专利CN101899722，CN102086535所述的聚乙烯醇粗旦丝的制备方法，在进入普通单螺杆熔融挤出加工之前，都单独对聚乙烯醇与增塑剂水等进行了2小时以上溶胀处理。上述熔融纺丝生产聚乙烯醇纤维的方法，都将纺丝原料的溶胀过程与熔融挤出过程分别处理，是不连续的生产方式，在大规模工业化生产过程中将大大降低生产效率，同时，也会提高人力与物力的消耗，生产成本随之提高。此外，在聚乙烯醇的熔融纺丝过程中，由于熔体中含有大量的水份，在单螺杆或双螺杆高温熔融区，在较大压力下会蒸发出大量的水蒸气，水蒸气会从加料口逆出，聚乙烯醇与水的比例无法控制在一定的范围之内，熔体粘度无法保持，无法得到性能较高的聚乙烯醇纤维，纺丝甚至无法顺利进行。上述专利没有能够解决聚乙烯醇在熔融纺丝工艺中面临的这些问题。

发明内容

本发明提供了一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，目的在于克服在现有技术下双螺杆挤出机对于聚乙烯醇熔融纺丝的不足，实现了以水为增塑剂聚乙烯醇熔融纺丝的溶胀，熔融，挤出连续化生产，并且避免了聚乙烯醇熔融纺丝过程中水蒸气的逆出，对水蒸气起到了密封的作用，保持熔体中聚乙烯醇和水的比例在一定范围内，保证了聚乙烯醇熔融纺丝的进行。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现。本发明所述的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，包括双螺杆、夹套、冷却套筒、计量加料装置、螺杆温度控制装置、驱动传动系统、和电机等。所述的双螺杆依次包括进料区、溶胀区、熔融区和计量挤出区；

所述的双螺杆的溶胀区的螺纹元件至少由小导程正向螺纹元件、啮合块和反向螺纹元件组成；组合方式至少包含：依次为小导程正向螺纹元件、啮合块和反向螺纹元件的一个循环；

所述的双螺杆的熔融区的螺纹元件至少有螺纹元件I、螺纹元件II和螺纹元件III三种组合而成；组合方式至少包含：依次为螺纹元件I、螺纹元件II和螺纹元件III的至少一个循环，以及在所述循环后再接螺纹元件I；或者组合方式包含螺纹元件I，之后接螺纹元件II与螺纹元件III的至少一个循环，以及在所述循环后再接螺纹元件I；

本发明实现聚乙烯醇熔融纺丝的溶胀，熔融，挤出连续式生产以及对水蒸气进行密封的原理如下所述：

其一，设计两段计量加料装置，将聚乙烯醇与水的重量比例控制在需要的比例范围之内。用于聚乙烯醇原料加料的计量加料装置位于螺杆加料段末端，用于加水的计量加料装置位于上述计量加料装置之后(沿物料输送方向)，要求两段计量加料装置相互距离100mm至500mm之间，并且都位于螺杆加料段之内，能够保证两种原料均匀混合，不堵料。

其二，设计了长径比较大的双螺杆段，使聚乙烯醇与水在双螺杆的这个区域内得到充分的溶胀。所述双螺杆段位于溶胀段，由小导程正向螺纹元件、啮合块和反向螺纹元件组成一个基本循环段。物料在小导程正向螺纹元件处建立压力，进入反向啮合块和反向螺纹元件中反复混合，得到充分溶胀。

其三，设计以下螺纹元件，目的为对水蒸气进行密封，螺纹元件组合位于双螺杆熔融区。螺纹元件I具有大小适中的螺杆根径与螺槽深度；螺纹元件II具有较大的螺杆根径，较小的螺槽深度，物料在此处具有较小的流量，较大的压力；螺纹元件III具有较小螺杆根径，较大的螺槽深度，物料在此处具有较大的流量，较小的压力。以上三组螺纹元件具有相同的外径与中心距，按照螺纹元件I，螺纹元件II，螺纹元件III的顺序组合成一个基本循环段，此时，螺纹元件I的螺槽处压力适中，压力为P1，螺纹元件II的螺槽压力较高，压力为P2，螺纹元件III的螺槽中压力较低，压力为P3。当水蒸气从螺纹元件III处逆流到螺纹元件II与螺纹元件III连接处时，由于P3＜P2，压力差使得水蒸气无法继续往进料反方向逆流，水蒸气密封得以实现。

上述溶胀区双螺杆的螺纹元件至少有小导程正向螺纹元件、啮合块和反向螺纹元件组成；组合方式至少包含：依次为小导程正向螺纹元件、啮合块和反向螺纹元件的至少一个循环，以及在所述循环之后接普通导程螺纹元件。

上述熔融区双螺杆的螺纹元件至少有螺纹元件I、螺纹元件II和螺纹元件III三种组合而成；组合方式至少包含：依次为螺纹元件I、螺纹元件II和螺纹元件III的至少一个循环，以及在所述循环后再接螺纹元件I；或者组合方式包含螺纹元件I，之后接螺纹元件II与螺纹元件III的至少一个循环，以及在所述循环后再接螺纹元件I；所述螺纹元件I、螺纹元件II和螺纹元件III满足以下关系：

h₂S₂＜h₁S₁＜h₃S₃；D₀₃＜D₀₁＜D₀₂；

其中所述的h₁为螺纹元件I的螺槽深度，S₁为螺纹元件I的螺纹间距，D₀₁为螺纹元件I的螺杆根径；h₂为螺纹元件II的螺槽深度，S₂为螺纹元件II的螺纹间距，D₀₂为螺纹元件II的螺杆根径；h₃为螺纹元件III的螺槽深度，S₃螺纹元件III的螺纹间距，D₀₃为螺纹元件III的螺杆根径。

作为优选的技术方案：

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的螺纹元件主要技术参数如下：

小导程正向螺纹元件

螺杆根径D_0z≥15mm，螺槽深度h_z≥15mm，螺纹间距S_z≥5mm，螺棱宽度B_z≥5mm；

其中，0.3D_0z≤hz≤0.6D_0z，Bz≤S_z；

啮合块

错列角30°≤α≤90°

反向螺纹元件

螺杆根径D_0f≥15mm，螺槽深度h_f≥15mm，螺纹间距S_f≥10mm，螺棱宽度B_f≥5mm；

其中，0.3D_0f≤h_f≤0.6D_0f，B_f＜S_f；

螺纹元件I

螺杆根径D₀₁≥15mm，螺槽深度h₁≥15mm，螺纹间距S₁≥10mm，螺棱宽度B₁≥10mm；

其中，0.3D₀₁≤h₁≤0.6D₀₁，B₁≤S₁；

螺纹元件II

螺杆根径D₀₂≥20mm，螺槽深度h₂≥10mm，螺纹间距S₂≥5mm，螺棱宽度：B₂≥5mm；

其中，0.1D₀₂≤h₂≤0.3D₀₂，B₂≤S₂；

螺纹元件III

螺杆根径D₀₃≥10mm，螺槽深度h₃≥20mm，螺纹间距S₃≥10mm，螺棱宽度：B₃≥10mm；

其中，0.6D₀₃≤h₃≤2D₀₃，B₃≤S₃。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的双螺杆的长径比12≤L/D≤80。螺杆长径比是一个重要参量，不同类型的螺杆挤出机的长径比范围是不同的。对于工艺简单的挤出制品和造粒，只需长径比较小的螺杆挤出机。当需要对聚合物进行共混、填充、增强、反应等处理时，需要较长停留时间，就需要使用长径比较大的螺杆挤出机。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的双螺杆的中心距A≥D-h。双螺杆挤出机两根螺杆之间的中心距是一个重要的参量，他决定了双螺杆挤出机传动系统输出轴，推力轴承以及螺杆外径与根径等的大小设计。对于啮合型平行双螺杆，D-h≤A≤D，对于非啮合型平行双螺杆，一般A＝D，或A略大于D。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的D₀₃＝0.5D₀₂＝2/3D₀₁。对于平行双螺杆挤出机，各螺纹元件具有相同的外径，很大程度上反应了双螺杆挤出机的生产能力大小，而螺杆根径与螺槽深度则决定了螺纹元件局部的物料流量的大小，能在双螺杆中建立不同的压力分布。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的h₁＝0.4D₀₁，B₁＝S₁。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的h₂＝0.2D₀₂，B₂＝S₂。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的h₃＝D₀₃，1.1S₃≤B₃≤2S₃。

对于啮合型双螺杆挤出机，螺纹间距与螺棱宽度的大小直接影响了双螺杆的啮合方式，当螺纹间距S与螺棱宽度B相等时，可以制造出纵向横向皆封闭的全啮合型双螺杆，具有较强的物料输送能力。当螺纹间距S大于螺棱宽度B时，可以制造出纵向或者横向开放的双螺杆，具有较好的物料混合能力。

有益效果

本发明与现有技术相比具有以下优点：

其一，使用计量加料装置控制物料混合比例，利用大长径比，多段控温双螺杆使聚乙烯醇熔融纺丝实现连续化，大大提高了生产效率。

其二，通过对螺纹元件的全新设计与组合，在双螺杆中得到了特定的压力分布，利用压力差对水蒸气进行了密封，能够保持熔体的物料比例，保持熔体的粘度，使纺丝顺利进行，能提高产品的性能与产品质量的稳定性。是针对聚乙烯醇熔纺工艺做出的全新设计。

附图说明：

图1是本发明的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机的示意图

图2是本发明的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机溶胀区螺纹元件局部放大示意图

图3是本发明的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机熔融区螺纹元件局部放大示意图

其中，1：双螺杆2：夹套3：冷却套筒4：计量加料装置5：驱动传动系统6：螺杆温度控制装置7：电机8：小导程正向螺纹元件9：啮合快10：反向螺纹元件11：螺纹元件I12：螺纹元件II 13：螺纹元件III。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明所述的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，包括双螺杆(1)、夹套(2)、冷却套筒(3)、计量加料装置(4)、螺杆温度控制装置(5)、驱动传动系统(6)和电机(7)等，所述的双螺杆依次包括进料区、溶胀区、熔融区和计量挤出区。其一，所述的溶胀区的双螺杆至少由计量加料装置(4)、小导程正向螺纹元件(8)啮合块(9)反向螺纹元件(10)组成；其二，所述的熔融区的双螺杆螺纹元件至少由螺纹元件I(11)、螺纹元件II(12)和螺纹元件III(13)组成，组合方式至少包括：依次为螺纹元件I(11)、螺纹元件II(12)和螺纹元件III(13)的至少一个循环，以及在所述循环后再接螺纹元件I(11)；或者组合方式包含螺纹元件I(11)，之后接螺纹元件II(12)与螺纹元件III(13)的至少一个循环，以及在所述循环后再接螺纹元件I(11)；所述螺纹元件I(11)、螺纹元件II(12)和螺纹元件III(13)满足以下关系：

h₂S₂＜h₁S₁＜h₃S₃；D₀₃＜D₀₁＜D₀₂；

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，两段计量加料装置相互距离100mm≤l_j≤500mm。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的螺纹元件主要技术参数如下：

小导程正向螺纹元件(8)

螺杆根径D_0z≥15mm，螺槽深度h_z≥15mm，螺纹间距S_z≥5mm，螺棱宽度B_z≥5mm；

其中，0.3D_0z≤h_z≤0.6D0_z，B_z≤S_z；

啮合块(9)

错列角30°≤α≤90°；

反向螺纹元件(10)

螺杆根径D_0f≥15mm，螺槽深度h_f≥15mm，螺纹间距S_f≥10mm，螺棱宽度B_f≥5mm；

其中，0.3D_0f≤h_f≤0.6D_0f，B_f＜S_f；

螺纹元件I(11)

螺杆根径D₀₁≥15mm，螺槽深度h₁≥15mm，螺纹间距S₁≥10mm，螺棱宽度B₁≥10mm；

其中，0.3D₀₁≤h₁≤0.6D₀₁，B₁≤S₁；

螺纹元件II(12)

螺杆根径D₀₂≥20mm，螺槽深度h₂≥10mm，螺纹间距S₂≥5mm，螺棱宽度：B₂≥5mm；

其中，0.1D₀₂≤h₂≤0.3D₀₂，B₂≤S₂；

螺纹元件III(13)

螺杆根径D₀₃≥10mm，螺槽深度h₃≥20mm，螺纹间距S₃≥10mm，螺棱宽度：B₃≥10mm；

其中，0.6D₀₃≤h₃≤2D₀₃，B₃≤S₃。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的双螺杆的长径比12≤L/D≤80。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的双螺杆的中心距A≥D-h。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的D₀₃＝0.5D₀₂＝2/3D₀₁。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的h₁＝0.4D₀₁，B₁＝S₁。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的h₂＝0.2D₀₂，B₂＝S₂。

如上述一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，所述的h₃＝D₀₃，1.1S₃≤B₃≤2S₃。

图1是本发明的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机的示意图，所述的连续式水汽密封型双螺杆挤出机由双螺杆(1)、夹套(2)、冷却套筒(3)、计量加料装置(4)、螺杆温度控制装置(5)、驱动传动系统(6)和电机(7)等组成。

图2是本发明的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机溶胀区螺纹元件局部放大示意图，所述螺纹元件由小导程正向螺纹元件(8)、啮合快(9)和反向螺纹元件(10)组成。

图3是本发明的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机熔融区螺纹元件局部放大示意图，所述螺纹元件由螺纹元件I(11)、螺纹元件II(12)和螺纹元件III(13)组成。

Claims (7)

1.一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，包括双螺杆、夹套、冷却套筒、计量加料装置、螺杆温度控制装置、驱动传动系统和电机；其特征是：所述的双螺杆依次包括进料区、溶胀区、熔融区和计量挤出区；

所述的双螺杆的溶胀区的螺纹元件至少由小导程正向螺纹元件、啮合块和反向螺纹元件组成；组合方式至少包含：依次为小导程正向螺纹元件、啮合块和反向螺纹元件的一个循环；

所述的双螺杆的熔融区的螺纹元件至少有螺纹元件Ⅰ、螺纹元件Ⅱ和螺纹元件Ⅲ三种组合而成；组合方式至少包含：依次为螺纹元件Ⅰ、螺纹元件Ⅱ和螺纹元件Ⅲ的至少一个循环，以及在所述循环后再接螺纹元件Ⅰ；或者组合方式包含螺纹元件Ⅰ，之后接螺纹元件Ⅱ与螺纹元件Ⅲ的至少一个循环，以及在所述循环后再接螺纹元件Ⅰ；

所述的螺纹元件Ⅰ、螺纹元件Ⅱ和螺纹元件Ⅲ满足以下关系：

h₂S₂＜h₁S₁＜h₃S₃；

D₀₃＜D₀₁＜D₀₂；

其中所述的h₁为螺纹元件Ⅰ的螺槽深度，S₁为螺纹元件Ⅰ的螺纹间距，D₀₁为螺纹元件Ⅰ的螺杆根径；h₂为螺纹元件Ⅱ的螺槽深度，S₂为螺纹元件Ⅱ的螺纹间距，D₀₂为螺纹元件Ⅱ的螺杆根径；h₃为螺纹元件Ⅲ的螺槽深度，S₃螺纹元件Ⅲ的螺纹间距，D₀₃为螺纹元件Ⅲ的螺杆根径；所述的螺纹元件主要技术参数如下：

小导程正向螺纹元件

螺杆根径D_0z≥15mm，螺槽深度h_z≥15mm，螺纹间距S_z≥5mm，螺棱宽度B_z≥5mm；

其中，0.3D_0z≤h_z≤0.6D_0z，B_z≤S_z；

啮合块

错列角30°≤α≤90°；

反向螺纹元件

螺杆根径D_0f≥15mm，螺槽深度h_f≥15mm，螺纹间距S_f≥10mm，螺棱宽度B_f≥5mm；

其中，0.3D_0f≤h_f≤0.6D_0f，B_f＜S_f；

螺纹元件Ⅰ

螺杆根径D₀₁≥15mm，螺槽深度h₁≥15mm，螺纹间距S₁≥10mm，螺棱宽度B₁≥10mm；

其中，0.3D₀₁≤h₁≤0.6D₀₁，B₁≤S₁；

螺纹元件Ⅱ

螺杆根径D₀₂≥20mm，螺槽深度h₂≥10mm，螺纹间距S₂≥5mm，螺棱宽度B₂≥5mm；

其中，0.1D₀₂≤h₂≤0.3D₀₂，B₂≤S₂；

螺纹元件Ⅲ

螺杆根径D₀₃≥10mm，螺槽深度h₃≥20mm，螺纹间距S₃≥10mm，螺棱宽度B₃≥10mm；

其中，0.6D₀₃≤h₃≤2D₀₃，B₃≤S₃。

2.根据权利要求1所述的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，其特征在于，所述的计量加料装置至少有2个，位置位于双螺杆加料区，2个计量加料装置相互距离100mm≤l_j≤500mm。

3.根据权利要求1所述的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，其特征在于，所述的双螺杆的长径比12≤L/D≤80。

4.根据权利要求1所述的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，其特征在于，所述的双螺杆的中心距A≥D－h,其中所述D为螺杆直径，h为螺槽深度。

5.根据权利要求1所述的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，其特征在于，所述的D₀₃=0.5D₀₂=2/3D₀₁。

6.根据权利要求1所述的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，其特征在于，所述的h₁=0.4D₀₁，B₁=S₁。

7.根据权利要求1所述的一种连续式水汽密封型双螺杆挤出机，其特征在于，所述的h₂=0.2D₀₂，B₂=S₂。