CN102794900A - 一种用于废旧塑料再生加工的双螺杆挤出机的螺杆 - Google Patents

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罗京科
丁友江
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SHANGHAI INTCO INDUSTRIAL Co Ltd
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Abstract

本发明设计一种用于废旧塑料再生加工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螺纹套组成螺杆组合。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,延长废旧塑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

—种用于废旧塑料再生加工的双螺杆挤出机的螺杆
技术领域
[0001] 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再生加工废旧聚苯乙烯泡沫的螺杆,并适合其他废旧塑料如pp、PE、LDPE, PA6等的再生加工的螺杆。
背景技术
[0002]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。
[0003] 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。
[0004] 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. I)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。
[0005] 又,Rumshe i dt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. New dispersive mixers basedon elongational flow.Plastics Additives & Compouding, 1999, 8/9:21-23;ZhuChangwei,Jiang Nan. Analysis and Calculation of interfacial area growth functionof mixing of polymer melt. China Plastics,2001,15 (10):61-66)。
[0006] 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,在同向哨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。
[0007] 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塑料再生加工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
[0008] 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处理效果不佳的问题,提供一种用于废旧塑料再生加工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)、斜槽形螺纹套、反向螺纹套、捏合块、正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。
[0009] 为了解决上述技术问题,本发明的技术方案是:一种用于废旧塑料再生加工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螺纹套组成螺杆组合。
[0010] 所述螺杆组合有四种:
[0011] 第一种为通用组合:
[0012] 128/128,128/128,128/128,96/96,96/96,64/64,64/64, KB 45 。 /5/128, KB45。 /5/96,64/64,KB 45° /5/96,KB 60° /4/64,64/64,64/64,64/64, 128/128,128/128,96/96,64/64, KB 45。/5/128,KB 45。/5/96,64/64,KB 45。/5/96,KB 60。/4/64,64/64,64/64,64/64, KB 90 。 /5/64,128/128,128/128,128/128,128/128,128/128,128/128 ;
[0013] 第二种组合:在通用组合基础上,将KB45。/5/128,KB45。/5/96,64/64,KB45。/5/96,KB60。/4/64,64/64,64/64 换为 D-密/224,ZME-64/64,KB 45。/5/96,KB60。/4/64,64/64,64/64L ;
[0014] 第三种组合:在通用组合基础上,将KB 45° /5/128,KB 45° /5/96,64/64,KB45。/5/96,KB 60。/4/64,64/64,64/64 换为 KB 45。/5/128,KB 45。/5/96,ZME-64/64,D-密 /224,64/64L ;
[0015] 第四种组合:在通用组合基础上,将KB 45° /5/128,KB 45° /5/96,64/64,KB45。/5/96,KB 60。/4/64,64/64,64/64 换为 D-密/224,ZME-64/64,D-密/224,64/64L。
[0016] 作为本发明的一个优选方案:在双螺杆的喂料段处增加I个G12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,D128/128,D128/128,G12,128/128。
[0017] 作为本发明的另一个优选方案:在双螺杆的输出段处增加I个G12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,128/128,G12,D128/128,D128/128, D128/128, D128/128,D128/128。
[0018] 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、斜槽形螺纹套和反向螺纹套组成螺杆组合,减少捏合块的强剪切作用,缓解了废旧塑料在再生加工过程中的降解,同时增强了对废旧塑料的混合作用;同时,又通过在双螺杆的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,从而提闻了挤出效率。附图说明
[0019] 图I是通用螺纹套啮合的主视图。
[0020] 图2是反向螺纹套啮合的主视图。
[0021] 图3是通用螺纹套的主视图。
[0022] 图4是通用螺纹套的左视图。
[0023] 图5是单螺棱深槽螺纹套的主视图。
[0024] 图6是单螺棱深槽螺纹套的左视图。
[0025] 图7是捏合块图的主视图。 [0026] 图8是捏合块图的左视图。
[0027] 图9是正向密炼转子的主视图。
[0028] 图10是正向密炼转子的左视图。
[0029] 图11是斜槽形螺纹套的主视图。
[0030] 图12是斜槽形螺纹套的左视图。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
[0032] 如图中所示是一种用于废旧塑料再生加工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螺纹套组成螺杆组合。
[0033] 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 (Ι/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,有效地避免了局部强剪切情况的发生,彻底防止物料被降解、交联。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。
[0034] 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。
[0035] 反向螺纹套输送物料的方向与螺杆输送物料的方向相反,迫使物料向回运动,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、斜槽形螺纹套区域反复进行分布性混合和分散性混合。
[0036] 又由于反向螺纹套输送物料的方向与挤出方向相反,物料欲通过反向螺纹套,必须在反向螺纹套入口前建立高压,使物料以压力流的形式通过反向螺纹套。而这样的高压必须由其上游的正向螺纹套来建立,因此通过在喂料段可以引入单螺棱深槽螺纹套,以增大自由体积比,使得物料充满螺槽,建立起足够的正向压力,使得本发明的密炼转子、斜槽形螺纹套、反向螺纹套组合得以顺畅输送物料。[0037] 废旧聚苯乙烯泡沫,堆积比重小、含水量高、含有其它树脂杂质、含有发泡剂等残余助剂、且经历多次热历程后易降解。上述特性使得废旧聚苯乙烯泡沫再生加工成的再生粒子质量不稳定,波动幅度大,力学性能低,粒子应用领域局限。本发明根据废旧聚苯乙烯泡沫的具体特点,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、反螺纹套、单螺棱深槽螺纹套应用于双螺杆,设计出适合废旧聚苯乙烯泡沫等废旧塑料再生加工的螺杆组合。
[0038] 更为具体地说,本发明针对废旧聚苯乙烯泡沫等废旧塑料再生加工设计的6种螺杆组合,见表I。
[0039] 表I针对废旧聚苯乙烯泡沫等废旧塑料再生加工设计的6种螺杆组合
Figure CN102794900AD00061
Figure CN102794900AD00071
Figure CN102794900AD00081
Figure CN102794900AD00091
[0044] 注:128/128表示导程为128mm的通用螺纹套,D128/128表示导程为128mm的单螺棱深槽螺纹套,G12表示通用螺纹套与单螺棱深槽螺纹套过渡的过渡盘,96/96表示导程为96mm的通用螺纹套,64/64表示导程为64mm的通用螺纹套,ZME-64/64表示在导程为64mm的通用螺纹套上开有斜沟槽的斜槽形螺纹套,64/64L表示导程为64mm的反向螺纹套,KB45° /5/128表示错列角为45°的5片齿导程为128mm的正向捏合块,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 60° /4/64表示错列角为60°的4片齿导程为64mm的中性捏合块,KB 90° /5/64表示错列角为90°的5片齿导程为64mm的正向捏合块,D-密/224表示导程为224mm的正向密炼转子。 [0045] 由表I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、斜槽形螺纹套和反向螺纹套。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。
[0046] 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° /5/128、KB 45° /5/96共6个正向捏合块、KB 60° /4/64共2个中性捏合块和64/64共2个通用螺纹套,引入了 4个D-密/224密炼转子,减少了 64/64共4个通用螺纹套,引入了 2个ZME-64/64斜槽形螺纹套和2个64/64L反向螺纹套,改变了聚苯乙烯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的同时增强拉伸速率对所述物料的混合作用,迫使所述物料向回运动,降低局部强剪切,减少聚苯乙烯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,使所述物料在密炼转子的间隙之间反复行进分散性混合和分布性混合。
[0047] 组合6#在通用组合3#的基础上,在喂料段减少了 2个128/128通用螺纹套,引入了 I个过渡盘G12和2个单螺棱深槽螺纹套D128/128,加大喂料段的自由体积百分比,增强喂料能力,从而提高反螺纹套前端的压力,迫使熔融混炼好的聚苯乙烯物料顺畅通过反螺纹的螺槽向前输送;在输出段减少了 5个128/128通用螺纹套,引入了 I个过渡盘G12和5个单螺棱深槽螺纹套D128/128,加大输出段的自由体积百分比,增强输出能力,从而提高聚苯乙烯物料的挤出效率。
[0048] 本发明所设置螺杆通径为95mm。
[0049] 本发明所设置螺杆长径比为L/D=36。
[0050] 本发明所设置螺杆转速为480r · mirT1。
[0051] 本发明所设置的双螺杆挤出机加工温度见表2。
[0052] 表2双螺杆挤出机设定的加工温度[0053]
Figure CN102794900AD00101
[0054] 螺杆组合对聚苯乙烯再生粒子力学性能的影响:
[0055] 本发明根据国标GB/T12671-2008、GBT1040. 1-2006对不同螺杆组合制备的聚苯乙烯再生粒子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/m2)做了比较(表3)。
[0056] 表3不同螺杆组合对聚苯乙烯再生粒子力学性能的影响 [0057]
Figure CN102794900AD00102
[0058] 表3的数据表明,通过螺杆组合1#,2#,3#,4#,5#,6#制备的聚苯乙烯再生粒子的熔体质量流动速率比组合0#的低,拉伸强度和悬臂梁缺口冲击强度均比组合0#的高,.;而组合4#对应的熔体质量流动速率、拉伸强度和悬臂梁缺口冲击强度与1#对应的熔体质量流动速率、拉伸强度和悬臂梁缺口冲击强度相当,组合5#对应的熔体质量流动速率、拉伸强度和悬臂梁缺口冲击强度与2#对应的熔体质量流动速率、拉伸强度和悬臂梁缺口冲击强度相当,组合6#对应的熔体质量流动速率、拉伸强度和悬臂梁缺口冲击强度与3#对应的熔体质量流动速率、拉伸强度和悬臂梁缺口冲击强度相当;其中组合6#和组合3#对应的熔体质量流动速率、拉伸强度和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/224替代通用的捏合块KB 45° /5/128、KB 45° /5/96和KB60。/4/64,引入斜槽形螺纹套ZME-64/64和反螺纹套64/64L替代通用螺纹套64/64的组合可减少聚苯乙烯在再生加工过程中的分子链断裂,提高分散混合能力,从而获得更好的力学性能。
[0059] 本发明对不同螺杆组合制备的聚苯乙烯再生粒子的输送能力进行统计做了比较(表 4)。
[0060] 表4不同螺杆组合对制备的聚苯乙烯再生粒子的输送能力的影响[0061]
Figure CN102794900AD00111
[0062] 表4的数据表明:通过螺杆组合1#,2#,3#制备聚苯乙烯再生粒子的输送能力均比组合0#的低,说明了在通用螺杆组合的基础上引入反螺纹套,增强了物料回流,从而导致螺杆的输送能力降低。而通过螺杆组合4#,5#,6#制备聚苯乙烯再生粒子的输送能力均比组合0#的高,说明了在通用螺杆组合中,在喂料段引入单螺棱深槽螺纹套D128/128替代通用螺纹套128/128,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闻。
[0063] 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 (4)

1. 一种用于废旧塑料再生加工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螺纹套组成螺杆组合。
2.根据权利要求I所述的一种用于废旧塑料再生加工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: 128/128,128/128,128/128,96/96,96/96,64/64,64/64, KB 45 。 /5/128, KB45。 /5/96,64/64,KB 45° /5/96,KB 60° /4/64,64/64,64/64,64/64, 128/128,128/128,96/96,64/64, KB 45。/5/128,KB 45。/5/96,64/64,KB 45。/5/96,KB 60。/4/64,64/64,64/64,64/64, KB 90 。 /5/64,128/128,128/128,128/128,128/128,128/128,128/128 ; 第二种组合: 在通用组合基础上,将 KB 45。/5/128,KB 45。/5/96,64/64,KB 45。/5/96,KB60。/4/64,64/64,64/64 换为 D-密/224,ZME-64/64,KB 45。/5/96,KB 60。/4/64,64/64,64/64L ; 第三种组合: 在通用组合基础上,将 KB 45。/5/128,KB 45。/5/96,64/64,KB 45。/5/96,KB60。/4/64,64/64,64/64 换为 KB 45。/5/128,KB 45。/5/96,ZME-64/64,D-密/224,64/64L ; 第四种组合: 在通用组合基础上,将 KB 45。/5/128,KB 45。/5/96,64/64,KB 45。/5/96,KB60° /4/64,64/64,64/64 换为 D-密 /224,ZME-64/64,D-密 /224,64/64L。
3.根据权利要求I或2所述的一种用于废旧塑料再生加工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I个G12过渡盘,并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,D128/128,D128/128,G12,128/128。
4.根据权利要求I或2所述的一种用于废旧塑料再生加工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I个G12过渡盘,并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,128/128,G12,D128/128,D128/128,D128/128,D128/128,D128/128。
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