CN102794899A - 一种用于废旧橡塑共混体系复合改性的双螺杆挤出机的螺杆 - Google Patents
一种用于废旧橡塑共混体系复合改性的双螺杆挤出机的螺杆 Download PDFInfo
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Abstract
本发明设计一种用于废旧橡塑共混体系复合改性的双螺杆挤出机的螺杆,包括用于同向啮合双螺杆挤出机的双螺杆,其特征在于,在双螺杆的熔融段处设置由正向密炼转子、斜槽形螺纹套和反向密炼转子成螺杆组合。藉助上述结构,本发明的优点:减少剪切速率对物料的混合作用的同时增强拉伸速率对物料的混合作用,迫使物料向回运动,降低局部强剪切,减少废旧塑料在强剪切的作用下加剧分子链断裂,加大周向流动,延长物料在熔融段的停留时间,使物料在密炼转子的间隙之间反复混合。
Description
技术领域
本发明涉及同向啮合双螺杆挤出机的螺杆,尤其是一种采用双螺杆挤出机复合改性WPSF(Waste Polystyrene Foam,简称WPSF)/SBS/CaCO3共混体系的螺杆,并适合其他废旧橡塑共混体系如PP/PE/SEBS、PVC/PE/PET/EVA等的复合改性的螺杆。
背景技术
目前,我国废旧塑料的年产生量已超过1000万吨。废旧塑料一般具有密度波动大、含水量高、含有其它树脂杂质、含有阻燃剂或发泡剂等残余助剂、且经历多次热历程后易降解的特性。上述特性使得再生塑料质量不稳定,波动幅度大;力学性能低,应用领域局限;再生效率低、耗能高、原料损耗大、加工成本高。废旧聚苯乙烯泡沫是常见废旧塑料中的一种。
对废旧塑料进行优质再生,开发清洁高效的梯级利用技术和高附加值产品是国内外废旧塑料资源化技术的研究热点。迄今对废旧塑料再生工艺和配方领域进行了众多的研究,而针对废旧塑料再生加工的双螺杆挤出机的螺杆的研究较少。
根据耿孝正,在《双螺杆挤出机及其应用》(中国轻工业出版社,2003.1)中提到的,在双螺杆挤出过程中,螺杆元件对物料要完成两种混合,其一为分散混合,将物料组合的粒度减小,将固体块或聚集体破碎成微粒,或使不相容聚合物的分散相尺寸达到所要求的范围;其二为分布混合,使物料各组分的空间分布达到均匀。分散混合主要是通过剪切应力(和拉伸应力)起作用,即剪切速率(拉伸速率)是决定性的变量。剪切速率(拉伸速率)越高,越有利于分散,物料通过高应力区的次数越多,越有利于分散。对促进混合而言,拉伸流动比剪切流动更有效,拉伸流动可导致较高的分布混合效率,但是产生稳定 拉伸流动是十分困难的,必须要有足够的时间才能得到所需的总伸长应变。
又,Rumsheidt和Mason等人分析了液滴在流场中的破裂问题,发现纯拉伸力场优于剪切力场。研究发现,拉伸力场是实现流体混合,尤其是分散混合最有效的方法,拉伸力场对敏感性物料的影响最小(Raueendaal DC.Newdispersive mixers based on elongational flow.Plastics Additives&Compouding,1999,8/9:21-23;Zhu Changwei,Jiang Nan.Analysis andCalculation of interfacial area growth function of mixing of polymer melt.China Plastics,2001,15(10):61-66)。
而目前,常规的双螺杆元件的拉伸速率极小,要比剪切速率要小两个数量级,即拉伸力场远小于剪切力场,不利于分散分布,大大降低了物料的混合效果。又,在同向啮合双螺杆挤出机的挤出过程,由于剪切力场大,导致螺杆机内局部出现强剪切的状况,虽物料在螺杆内受剪切作用时间越长,混合效果越好,但同时强剪切可能会造成材料降解、交联等现象。还有一点,常规螺纹元件中物料基本上是沿着螺槽的方向流动,只有在啮合区螺槽间有少量的物料交换,即混合不充分。
故,现有的双螺杆在螺杆组合的设计上,存在设置排列不合理的情况。鉴于上述情况,亟待设计一种用于废旧橡塑共混体系复合改性的同向啮合双螺杆挤出机的螺杆,既对废旧塑料行进充分脱挥排气、提供好的混合效果,又避免局部强剪切、减少废旧塑料的降解,提供高效的输送能力。
发明内容
本发明克服了目前双螺杆挤出机在废旧塑料再生加工时存在混合效果不佳的问题,提供一种用于废旧橡塑共混体系复合改性的双螺杆挤出机的螺杆,该螺杆通过对通用螺纹套(双螺棱、正向输送、常规槽深)、捏合块、正向密炼转子、斜槽形螺纹套、反向密炼转子有效组合排列,对废旧塑料进行充分脱挥排气、提供好的混合效果,又避免局部强剪切、减少废旧塑料的降解,又提供高效的输送能力。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案是:一种用于废旧橡塑共混体系复合改性的双螺杆挤出机的螺杆,包括用于同向啮合双螺杆挤出机的双螺杆, 其特征在于,在双螺杆的熔融段处设置由正向密炼转子、斜槽形螺纹套和反向密炼转子组成螺杆组合。
所述螺杆组合有四种:
第一种为通用组合:
96/96、96/96、96/96、72/72、72/72、56/56、56/56、56/56、KB45°/5/96、KB45°/5/56、56/56、KB60°/4/56、96/96L、96/96、96/96、72/72、72/72、96/96、96/96、72/72、72/72、56/56、56/56、KB90°/5/56、56/56、56/56、KB45°/5/96、KB45°/5/56、56/56、KB60°/4/56、96/96L、96/96、96/96、96/96、96/96、96/96;
第二种组合:在通用组合基础上,将KB45°/5/96、KB45°/5/56、56/56、KB60°/4/56、96/96L换为D-密152、56/56、KB60°/4/56、96/96L;
第三种组合:在通用组合基础上,将KB45°/5/96、KB45°/5/56、56/56、KB60°/4/56、96/96L换为D-密152、56/56、D-密152L;
第四种组合:在通用组合基础上,将KB45°/5/96、KB45°/5/56、56/56、KB60°/4/56、96/96L换为D-密152、ZME-56/56、D-密152L。
作为本发明的一种优选方案,在双螺杆的喂料段处增加1个G8过渡盘,将通用螺纹套组合换成单螺棱深槽螺纹套组合,例如,D96/96、D96/96、D96/96、G8、72/72,加大自由体积百分比,增强喂料段的喂料能力,从而提高反螺纹套前端的压力,迫使熔融混炼好的物料顺畅通过反向螺纹套或反向密炼转子的螺槽向前输送。
为了达到更好地输送效果,更进一步地,可以在双螺杆的侧喂料段处增加2个G8过渡盘,并将通用螺纹套组合换成单螺棱深槽螺纹套组合,例如,72/72、G8、D96/96、D96/96、G8、72/72,加大自由体积百分比,增强侧喂料段的喂料能力,从而提高反螺纹套前端的压力,迫使熔融混炼好的物料顺畅通过反向螺纹套或反向密炼转子的螺槽向前输送。
作为本发明的另一个优选方案,在双螺杆的输出段处增加1个G8过渡盘,将通用螺纹套组合换为单螺棱深槽螺纹套组合,例如,96/96、G8、D96/96、D96/96、D96/96、D96/96,加大自由体积百分比,增强输出段的输出能力,从而提高挤出效率。
本发明的有益效果是:本发明通过在双螺杆的熔融段设置正向密炼转子、反向密炼转子和斜槽形螺纹套组成螺杆组合,通过减少捏合块的强剪切作用而缓解了废旧塑料在复合改性过程中的降解,同时增强了对废旧橡塑共混体系的混合作用。通过在双螺杆的喂料段、侧喂料段和输送段设置单螺棱深槽螺纹套组合,加大自由体积百分比,增强螺杆的喂料能力和输送能力,从而提高了挤出效率。
附图说明
图1是通用螺纹套的主视图。
图2是通用螺纹套的左视图。
图3是单螺棱深槽螺纹套的主视图。
图4是单螺棱深槽螺纹套的左视图。
图5是捏合块图的主视图。
图6是捏合块图的左视图。
图7是正向密炼转子的主视图。
图8是正向密炼转子的左视图。
图9是反向密炼转子的主视图。
图10是反向密炼转子的左视图。
图11是斜槽形螺纹套的主视图。
图12是斜槽形螺纹套的左视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
在同向啮合双螺杆挤出机的挤出过程,螺杆混合挤出加工过程中,聚合物材料在螺杆内受剪切作用时间越长,混合效果越好,但同时可能会造成材料降解、交联等现象,因此控制合适的转速或喂料速率以及采用最佳螺杆组合是进行有效挤出生产的保证。为此,本发明如图中所示,对现有的螺杆组合进行改进,其特征在于,在双螺杆的熔融段处设置由正向密炼转子、斜槽形螺纹套和反向螺纹套组成螺杆组合。
其中,正向密炼转子的几何结构类似于橡胶加工中常用的密炼机转子,在相同的运转条件下,通用组合与机筒间隙区和啮合区的剪切速率最高可达200 (1/s),其流道中各部门物料所受的剪切速率高低差别较大,极不均匀;而本发明采用的密炼转子与机筒间隙区和啮合区的剪切速率大大降低,密炼转子区域的剪切速率为20-30(1/s)。因此,密炼转子流场中的剪切速率要比通用组合捏合块的剪切速率均匀得多,再加上密炼转子大大增加了跨螺棱的流动,增加了螺槽间的物料交换,有利于分布性混合;跨过螺棱的物料必然沿螺旋区向体积缩小的方向运动,从而在螺旋区产生拉伸流动,有利于分散混合。
斜槽形螺纹套的几何结构是在通用螺纹套的螺棱上加工成斜槽形的沟槽,在斜槽形沟槽区域对物料进行分流、增加界面,同时对料流形成垂直于流动方向的剪切,由于螺棱开槽导致了物料在螺纹中的高充满度,增加了物料的停留时间,进一步加强了对物料的分布混合。
反向螺纹套或反向密炼转子输送物料的方向与螺杆输送方向相反,必须在所述反向螺纹套或反向密炼转入口前建立高压,使物料以压力流的形式通过反向螺纹套或反向密炼转子。而这样的高压必须由其上游的正向螺纹套来建立,因此通过在喂料段引入单螺棱深槽螺纹套增大自由体积比,使得物料充满螺槽,建立起足够的压力,使得本发明的螺杆顺畅输送物料。
聚苯乙烯流动性能好,而弹性体SBS,由于分子量和粘度较大,流动性不如前者,CaCO3也不易于流动和分散,三者容易分流,导致混合不均。本发明根据废旧橡塑共混体系WPSF/SBS/CaCO3共混体系的具体特点,对双螺杆挤出机的螺杆进行组合,特别是将正向密炼转子、斜槽形螺纹套、反向密炼转子、单螺棱深槽螺纹套应用于双螺杆,设计出适合WPSF/SBS/CaCO3等共混体系材料复合改性的螺杆组合。
本发明针对WPSF/SBS/CaCO3等共混体系材料复合改性设计的6种螺杆组合见表1。
表1针对WPSF/SBS/CaCO3等共混体系设计的6种螺杆组合
注:96/96表示导程为96mm的通用螺纹套,96/96L表示导程为96mm的反向螺纹套,D96/96表示导程为96mm的单螺棱深槽螺纹套,G8表示通用螺纹套与单螺棱深槽螺纹套过渡的过渡盘,72/72表示导程为72mm的通用螺纹套,56/56表示导程为56mm的通用螺纹套,ZME-56/56表示在导程为56mm的通用螺纹套上开有斜沟槽的斜槽形螺纹套,KB 45°/5/96表示错列角为45°的5片齿导程为96mm的正向捏合块,KB 45°/5/56表示错列角为45°的5片齿导程为56mm的正向捏合块,KB 60°/4/56表示错列角为60°的4片齿导程为56mm的中性捏合块,KB 90°/5/56表示错列角为90°的5片齿导程为56mm的正向捏合块,D-密/152表示导程为152mm的正向密炼转子,D-密/152L表示导程为152mm的反向密炼转子。
由表1采取的组合方式可以看出:组合1#、2#、3#在组合0#(通用组合)基础上引入了正向密炼转子、反向密炼转子和斜槽形螺纹套。组合4#在组合1#、 组合5#在组合2#、组合6#在组合3#的基础上分别引入了单螺棱深槽螺纹元件。
以组合3#和组合6#为例对本发明的螺杆组合进行说明。组合3#在通用组合0#的基础上,减少了KB 45°/5/96、KB 45°/5/56共4个正向捏合块、KB 60°/4/56共2个中性捏合块和96/96L共2个反向螺纹套,引入了2个D-密/152正向密炼转子和2个D-密/152L反向密炼转子;减少了56/56共2个通用螺纹套,引入了2个ZME-56/56斜槽形螺纹套,改变了废旧橡塑共混体系熔融物料的压力及速度场,减少剪切速率对所述物料的混合作用,同时增强拉伸速率对所述物料的混合作用,降低局部强剪切,减少所述物料在强剪切的作用下加剧分子链断裂,加大周向流动,延长所述物料在熔融段的停留时间,使所述物料在正向密炼转子、反向密炼转子和斜槽形螺纹套的区域反复行进分散性混合和分布性混合。
组合6#在通用组合3#的基础上,在喂料段和侧喂料段减少了共5个96/96通用螺纹套,引入了3个过渡盘G8和5个单螺棱深槽螺纹套D96/96,加大喂料段和侧喂料段的自由体积百分比,增强喂料能力,从而提高反螺纹套或反向密炼转子前端的压力,迫使熔融混炼好的所述物料顺畅通过反向螺纹套或反向密炼转子的螺槽向前输送;在输出段减少了4个96/96通用螺纹套,引入了1个过渡盘G8和4个单螺棱深槽螺纹套D96/96,加大输出段的自由体积百分比,增强输出段的输出能力,从而提高所述物料的挤出效率。
本发明所设置的WPSF/SBS/CaCO3共混体系配方为WPSF:SBS(KUMHOKTR-101):CaCO3(10μm):=0.5:0.2:0.3(质量比)。
本发明所设置螺杆通径为75mm。
本发明所设置螺杆长径比为L/D=40。
本发明所设置螺杆转速为480r·min-1。
本发明所设置的双螺杆挤出机加工温度见表2。
表2双螺杆挤出机设定的加工温度
螺杆组合对WPSF/SBS/CaCO3共混体系力学性能的影响:
本发明根据国标GB/T12671-2008、GBT1040.1-2006对不同螺杆组合制备的WPSF/SBS/CaCO3共混体系材料的熔体质量流动速率(g/10min)、拉伸强度(MPa)、悬臂梁缺口冲击强度(kJ/㎡)、断裂伸长率(%)做了比较(表3)。
表3不同螺杆组合对WPSF/SBS/CaCO3共混体系材料力学性能的影响
表3的数据标明,通过螺杆组合1#,2#,3#,4#,5#,6#制备的WPSF/SBS/CaCO3共混体系材料的熔体质量流动速率、拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度和断裂伸长率均比组合0#的高;而组合4#对应的拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度和断裂伸长率与1#对应的拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度和断裂伸长率相当,组合5#对应的拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度和断裂伸长率与2#对应的拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度和断裂伸长率相当,组合6#对应的拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度和断裂伸长率与3#对应的拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度和断裂伸长率相当;其中组合6#和组合3#对应的拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度最高,说明了在通用螺杆组合中引入正向密炼转子D-密/152替代通用的捏合块KB 45°/5/96和KB 45°/5/56,引入反向密炼转子D-密/152L替代通用的捏合块KB 60 °/4/56和反向螺纹套96/96L,引入单螺棱深槽螺纹套ZME-56/56替代通用螺纹套56/56的组合可减少WPSF/SBS/CaCO3共混体系在复合改性过程中的分子链断裂,提高分散混合能力,从而获得更好的增韧和增强效果。
本发明对不同螺杆组合制备的WPSF/SBS/CaCO3共混体系材料的输送能力进行统计做了比较(表4)。
表4不同螺杆组合对WPSF/SBS/CaCO3共混体系材料输送能力的影响
表4的数据表明:通过螺杆组合1#,2#,3#制备WPSF/SBS/CaCO3共混体系材料的输送能力与组合0#的相当,而通过螺杆组合4#,5#,6#制备WPSF/SBS/CaCO3共混体系材料的输送能力均比组合0#的高,说明了在通用螺杆组合中,在喂料段和侧喂料段引入单螺棱深槽螺纹套D96/96替代通用螺纹套96/96,并在输出段引入单螺棱深槽螺纹套D96/96替代通用螺纹套96/96的组合可,加大了喂料段、侧喂料段和输出段的自由体积比,加强了螺杆对物料的喂料量和输送速度,从而使整体螺杆的输送能力提高。
以上仅表达了本发明的实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种用于废旧橡塑共混体系复合改性的双螺杆挤出机的螺杆,包括用于同向啮合双螺杆挤出机的双螺杆,其特征在于,在双螺杆的熔融段处设置由正向密炼转子、斜槽形螺纹套和反向密炼转子组成螺杆组合。
2.根据权利要求1所述的一种用于废旧橡塑共混体系复合改性的双螺杆挤出机的螺杆,其特征在于,所述螺杆组合有四种:
第一种为通用组合:
96/96、96/96、96/96、72/72、72/72、56/56、56/56、56/56、KB45°/5/96、KB45°/5/56、56/56、KB60°/4/56、96/96L、96/96、96/96、72/72、72/72、96/96、96/96、72/72、72/72、56/56、56/56、KB90°/5/56、56/56、56/56、KB45°/5/96、KB45°/5/56、56/56、KB60°/4/56、96/96L、96/96、96/96、96/96、96/96、96/96;
第二种组合:
在通用组合基础上,将KB45°/5/96、KB45°/5/56、56/56、KB60°/4/56、96/96L换为D-密152、56/56、KB60°/4/56、96/96L;
第三种组合:
在通用组合基础上,将KB45°/5/96、KB45°/5/56、56/56、KB60°/4/56、96/96L换为D-密152、56/56、D-密152L;
第四种组合:
在通用组合基础上,将KB45°/5/96、KB45°/5/56、56/56、KB60°/4/56、96/96L换为D-密152、ZME-56/56、D-密152L。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于废旧橡塑共混体系复合改性的双螺杆挤出机的螺杆,其特征在于,在双螺杆的喂料段处增加1个G8过渡盘,将喂料段处的通用螺纹套组合换成单螺棱深槽螺纹套组合,例如,D96/96、D96/96、D96/96、G8、72/72。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于废旧橡塑共混体系复合改性的双螺杆挤出机的螺杆,其特征在于,在双螺杆的侧喂料段处增加2个G8过渡盘,将喂料段处的通用螺纹套组合换成单螺棱深槽螺纹套组合,例如,72/72、G8、D96/96、D96/96、G8、72/72。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于废旧橡塑共混体系复合改性的双螺杆挤出机的螺杆,其特征在于:在双螺杆的输出段处增加1个G8过渡盘,将输出段处的通用螺纹套组合换为单螺棱深槽螺纹套组合,例如,96/96、G8、D96/96、D96/96、D96/96、D96/96。
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C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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