CN103171117A

CN103171117A - 一种单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置

Info

Publication number: CN103171117A
Application number: CN2013101358118A
Authority: CN
Inventors: 何继敏; 方晓峰; 薛平
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-04-18
Also published as: CN103171117B

Abstract

本发明涉及一种单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置，包括机筒（1）、螺杆（2）、料斗（3）、加热装置（4）、定型芯轴（6）、定型套（7）以及风冷装置（8）；所述螺杆（2）和所述定型芯轴（6）之间设置带通孔（11）的分流盘（5），所述分流盘（5）固定在所述机筒（1）与所述定型套（7）的连接端，所述分流盘（5）的一面与所述定型芯轴（6）固定连接，所述分流盘（5）的另一面与螺杆（2）相分离，物料在机筒流道（10）中做旋转运动，物料在定型流道（12）中做直线运动。本发明由于分流盘将混合物料的螺旋运动转变为直线运动，从而有效地消除了现有挤出滤芯常见的螺旋“汇合痕”，保证了滤芯的机械强度和过滤性能。

Description

一种单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置

技术领域

本发明涉及一种单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置，尤其是涉及一种单螺杆连续挤出活性炭与超高分子量聚乙烯混合物的活性炭滤芯挤出装置。

背景技术

活性炭滤芯具有优异的物理吸附和化学吸附功能，能够有效地去除水中的余氯、异味、颗粒、颜色、有机物及一些微生物，活性炭滤芯是真正的深层型结构，具有过滤和净化双重作用，它在使用时不需要添加助剂，也不需要进行碳处理后的过滤，在现代净水工业当中得到了广泛的应用。

目前活性炭滤芯的主要成型方式为烧结法：将活性炭粉末颗粒与粘结剂混合倒入特定形状的模具当中，然后将模具加热并保温一段时间烧结成型，待定型后，将模具打开取出制品。这种方法适用于小规模生产，但由于其能耗大、效率低、成本较高等因素严重制约了活性炭滤芯的发展。

基于净水工业的发展和活性炭滤芯成型工艺的进步，利用螺杆挤出成型来生产活性炭滤芯的方法应运而生。美国专利US5976432及中国专利CN1233971A中提出将螺杆与定型芯轴通过螺纹连接为一体，螺杆的螺槽深度逐渐减小而产生对物料的压缩。由于螺杆的压缩比较大，导致挤出活性炭滤芯过于密实而降低孔隙率。美国专利US2009/0274893A中也采用螺杆与芯棒直接连接的结构，螺杆螺距逐渐减小，对物料产生较大程度的压缩，物料在机筒内所受阻力增大，滤芯挤出不畅，且较为密实。上述专利中，由于螺杆与芯棒固定为一体，物料在挤出及定型过程中始终随螺杆而转动，因此制得的活性炭滤芯表面存在螺旋状的“汇合痕”，严重地影响了滤芯的机械强度和过滤性能。此外，由于悬空的定型芯轴随螺杆一起转动，物料在定型段移动过程中因定型芯轴的旋转扰动而容易导致管状滤芯出现壁厚不均。另一方面，现有挤出活性炭滤芯的装置主要适用于活性炭与普通聚乙烯的混合物的挤出，普通聚乙烯虽然挤出较为容易，但由于其熔融时呈流体状态，会将活性炭包覆起来而封闭活性炭的孔洞，严重影响其过滤性能。

发明内容

本发明设计了一种单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置，其解决的技术问题是：

（1）传统活性炭滤芯的挤出装置制得的活性炭滤芯表面存在螺旋状的“汇合痕”，严重地影响了滤芯的机械强度和过滤性能。

（2）传统活性炭滤芯的挤出装置由于悬空的定型芯轴随螺杆一起转动，物料在定型段移动过程中因定型芯轴的旋转扰动而容易导致管状滤芯出现壁厚不均。

（3）现有挤出活性炭滤芯的装置主要适用于活性炭与普通聚乙烯的混合物的挤出，普通聚乙烯虽然挤出较为容易，但由于其熔融时呈流体状态，会将活性炭包覆起来而封闭活性炭的孔洞，严重影响其过滤性能。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置，包括机筒（1）、螺杆（2）、料斗（3）、加热装置（4）、定型芯轴（6）、定型套（7）以及风冷装置（8）；所述机筒（1）内装有一根同轴的所述螺杆（2），所述螺杆（2）与所述机筒（1）内壁之间形成螺旋形的机筒流道（10）；所述定型套（7）内壁与同轴的所述定型芯轴（6）外表面之间形成定型流道（12），所述机筒（1）一端与所述定型套（7）一端固定连接，所述螺杆（2）和所述定型芯轴（6）之间设置带通孔（11）的分流盘（5），所述分流盘（5）固定在所述机筒（1）与所述定型套（7）的连接端，所述分流盘（5）的一面与所述定型芯轴（6）固定连接，所述分流盘（5）的另一面与螺杆（2）相分离，物料在机筒流道（10）中做旋转运动，物料在定型流道（12）中做直线运动。

物料从机筒与螺杆之间的螺旋流道经分流盘上的通孔，进入定型套与定型芯轴之间的定型流道，变旋转运动为直线运动，在定型芯轴上向前轴向移动，出定型套后进一步经风冷而冷却定型。

进一步，所述螺杆（2）由螺槽等距等深的输送段（L1）、螺槽深度逐渐增大的松弛段（L2）以及均匀分布有分流销钉（21）的分流段（L3）组成，所述螺杆（2）的压缩比ε满足0.80≤ε＜1，ε=h₂/h₁，式中h₁为输送段L（1）的螺槽深度，h₂为松弛段（L2）螺棱终止处的螺槽深度。

物料从螺杆输送段到达松弛段时，因螺杆压缩比ε小于1，其压缩状态得到松弛，同时减小了物料在机筒内移动时所受阻力，可防止挤出滤芯材料过于密实而降低孔隙率。分流段设置的分流销钉，可将输送过来的螺旋状料带分割和打散为多股小料流，改变物料的运动轨迹，以改善活性炭与聚合物粘结剂之间的混合均匀程度，有利于提高微孔分布的均匀性，同时减小了物料通过分流盘通孔时的阻力。

进一步，分流盘可以是通孔型分流盘，其沿圆周均匀分布圆形通孔，其作用是将机筒内物料由螺旋运动变为直线运动而进入定型流道。由于相邻圆形通孔的倒角相交处构成锐角，可对物料进行分割，以减小物料通过分流盘时所受的阻力。

进一步，分流盘可以是分流筋型分流盘，其沿圆周均匀分布扇形通孔，其作用是将机筒内物料由螺旋运动变为直线运动而进入定型流道。由于相邻扇形通孔之间的分流筋的轴向截面为梭形，可对物料进行分割，以减小物料通过分流盘时所受的阻力。

进一步，所述定型芯轴（6）包括平直段（62）和直径缓慢减小的锥形段（61）。当料坯出定型套后进一步经受风冷冷却时，支撑管状滤芯的定型芯轴呈锥形缓慢减小直径，以适应管状滤芯的内径冷却收缩，从而防止管状滤芯“抱死”在芯轴上而导致无法正常挤出。

进一步，所述挤出装置适用的物料为活性炭与超高分子量聚乙烯或其他高分子聚合物材料的混合物。

超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）是粘均分子量在150万以上的线性结构聚乙烯，具有耐磨、耐冲击、耐腐蚀、自润滑、吸收冲击能、卫生无毒等优良的综合性能。由于分子量极高，与普通聚乙烯熔融时呈现流体状态（粘流态）不同，其熔融时呈半透明橡胶状的高粘弹态（不流动）。因此，用超高分子量聚乙烯作为活性炭的聚合物粘合剂，与普通聚乙烯作为粘合剂相比，可最大程度避免出现熔融聚合物流体将活性炭的孔隙封堵的现象，从而提高活性炭滤芯的孔隙率。

活性炭粉末颗粒与超高分子量聚乙烯树脂粉末或其他高分子聚合物材料的混合物料由料斗加入机筒，螺杆旋转向前输送混合物料，机筒外壁加热装置加热使超高分子量聚乙烯软化，软化的超高分子量聚乙烯将活性炭粘结起来，混合物料在机筒流道内呈“螺旋带”状，“螺旋带”经过分流销钉被分割、打散，初步改变运动轨迹，打散物料经过分流盘通孔进入定型流道，物料由旋转运动变为直线运动，在定型套外壁加热装置（温度低于机筒温度）的外热作用下，物料又粘结在一起形成管状滤芯，然后从定型套内挤出，通过风冷装置冷却定型，制得孔径一致、壁厚均匀的活性炭滤芯。

该单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置与传统活性炭滤芯的挤出装置相比，具有以下有益效果：

（1）本发明由于分流盘将混合物料的螺旋运动转变为直线运动，从而有效地消除了现有挤出滤芯常见的螺旋“汇合痕”，保证了滤芯的机械强度和过滤性能。

（2）本发明螺杆松弛段减小了流动阻力，尤其是降低挤出活性炭与超高分子量聚乙烯混合物的流动阻力，防止滤芯过度密实而导致孔隙率下降。

（3）本发明螺杆分流段上的分流销钉促进了混合物料组分的分散与混合均匀，从而改善了滤芯微孔结构的均匀性。

（4）本发明由于定型芯轴固定在分流盘上静止不动，不存在现有技术中定型芯轴随螺杆旋转而产生扰动的现象，从而改善了滤芯壁厚的均匀度。

（5）本发明定型芯轴直径缓慢减小的锥形段适应管状滤芯的内径冷却收缩，从而防止管状滤芯“抱死”在芯轴上而导致无法正常挤出。

（6）本发明与传统烧结法相比，本发明提供的连续挤出法，生产能耗低，生产效率高。

附图说明

图1：本发明单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置结构示意图；

图2：图1中螺杆的结构示意图；

图3：图1中分流盘第一种结构（通孔型分流盘）的放大侧视图；

图4：图3中通孔沿圆周的展开剖视图；

图5：图1中分流盘第二种结构（分流筋型分流盘）的放大侧视图；

图6：图5的A-A剖视图；

图7：图5的B-B放大剖视图。

附图标记说明：

1—机筒；2—螺杆；21—分流销钉；3—料斗；4—加热装置；5—分流盘；5a—通孔型分流盘；5b—分流筋型分流盘；51—圆形通孔；52—锐角；53—分流筋；54—扇形通孔；6—定型芯轴；61—锥形段；7—定型套；8—风冷装置；9—管状滤芯；10—机筒流道；11—通孔；12—定型流道；L1—输送段；L2—松弛段；L3—分流段。

具体实施方式

下面结合图1至图7，对本发明做进一步说明：

如图1所示，机筒1内装有一根同轴的螺杆2，螺杆2与机筒1内壁之间形成螺旋形的机筒流道10。机筒1末端与定型套7通过法兰和螺栓相连接。定型套7内壁与同轴的定型芯轴6外表面之间形成定型流道12。在螺杆2和定型芯轴6之间设置分流盘5，分流盘5固定在机筒1末端和定型套7之间。定型芯轴6与分流盘5固定连接在一起（或二者制作为一个整体），螺杆2与分流盘5之间存有间隙，即螺杆2与分流盘5相分离。因此，当螺杆2转动时，分流盘5和定型芯轴6均保持静止状态。分流盘5的通孔11将机筒流道10与定型流道12连接起来成为物料成型流道。机筒1、定型套7及其联结法兰的外壁均安装加热装置4以对机筒1、定型套7和分流盘5进行加热控温，风冷装置8用于对从定型套7出来的管状滤芯9进行进一步冷却定型。

定型芯轴6通过螺纹固定在分流盘5中心（也可以将定型芯轴6和分流盘5制作为一个整体），其包括平直段和直径缓慢减小的锥形段两部分。定型芯轴6的平直段的长度大于定型模7的长度，其与定型套7共同对定型套中的物料产生摩擦阻尼作用，形成一定的压力，从而保证物料在定型套7中汇合形成管状虑芯9。定型芯轴6的锥形段部分是为了进一步对管状滤芯9的移动提供支撑作用，并适应管状滤芯9的在风冷过程中的内径收缩变化，防止管状滤芯9“抱死”在定型芯轴6上。

如图2所示，螺杆2的有效长度包括螺槽等距等深的输送段L1、螺槽深度逐渐增大的松弛段L2和均匀分布有分流销钉21的分流段L3。松弛段L2由于螺槽深度h逐渐减小，螺杆压缩比ε小于1（ε=h₂/h₁，式中h₁为输送段L₁的螺槽深度，h₂为松弛段L2螺棱终止处的螺槽深度），而常规螺杆的压缩比ε则大于1，因此从输送段L1过来的物料在松弛段L2因空间增大而得以使压实程度稍有降低，以防止物料被过度压实，同时减小流动阻力。压缩比ε过大，物料受压缩程度高，压缩比ε过小，物料太过松散而难以形成连续整体。因此，压缩比ε以满足0.80≤ε＜1为宜。

在螺杆2的分流段L3沿螺杆圆柱体表面径向均匀分布分流销钉21至少1圈以上，每圈分流销钉21的个数至少3个以上。分流销钉21的形状以采用沿螺杆轴向带有锐角的菱形销钉为宜，其作用是将从螺纹输送过来的“螺旋带”整体分割和打散为多股小料流，改变物料的运动轨迹，同时减小物料通过分流盘5时的流动阻力。分流销钉21的作用还在于促进混合物组分混合均匀，有利于提高滤芯微孔的均匀性。

如图3所示，分流盘5可以是通孔型分流盘5a，其沿圆周均匀分布圆形通孔51。

如图4所示，相邻圆形通孔51的倒角相交处构成锐角52。圆形通孔51及其相邻之间的锐角52有利于将从螺杆2输送过来的料流实现分割，减小物料通过分流盘时所受阻力，使物料顺利通过分流盘5a的圆形通孔51而进入定型流道12，并将物料的螺旋运动变为直线运动。

如图5和图6所示，分流盘5也可以是分流筋型分流盘5b，其沿圆周均匀分布扇形通孔54。

如图7所示，相邻扇形通孔54之间的分流筋53的轴向截面为梭形，分流筋53的进料端为锐角，有利于将从螺杆2输送过来的料流实现分割，减小物料通过分流盘5b时受到的阻力，使物料顺利通过分流盘5b的扇形通孔54而进入定型流道12，并将物料的螺旋运动变为直线运动。

为了更好地描述本发明所提及的单螺杆连续挤出活性炭滤芯材料的制备方法，现以活性炭与超高分子量聚乙烯混合物为例，阐述活性炭连续挤出的过程：活性炭粉末颗粒与超高分子量聚乙烯树脂粉末的混合物料由料斗3喂入机筒1，在旋转螺杆2的作用下，在螺槽中以以螺旋运动方式向前输送。输送过程中，在机筒1外壁安装的加热装置5和螺杆2的剪切作用下，超高分子量聚乙烯逐步发生软化，软化的超高分子量聚乙烯将活性炭粉末粘结起来，在挤出压力的作用下，在机筒流道10内形成较为致密的“螺旋带”向前输送，“螺旋带”从输送段L1到达松弛段L2时，由于压力减小，其密实程度稍有下降，然后进入分流段L3，“螺旋带”被分流销钉21所分割、打散成为多股料流，然后被分流盘5（即通孔型分流盘5a或分流筋型分流盘5b）进一步分割，通过分流盘5的通孔11（即圆形通孔51或扇形通孔54），进入定型流道12，其运动轨迹从螺旋运动转变为直线运动，在定型套7和定型芯轴6共同产生的摩擦阻尼作用下，软化超高分子量聚乙烯将活性炭重新粘结在一起，由于定型套7的温度已降低，物料在定型套中形成管状滤芯9并基本定型。出定型套7后，管状滤芯9在风冷装置8提供的冷却气流作用下，进一步冷却定型，最终获得孔径一致、壁厚均匀的表面没有螺旋“汇合痕”的活性炭滤芯。

本发明实施例：

先将烘干的活性炭与超高分子量聚乙烯（德国Ticona公司，牌号GUR4150）按照质量比为80∶20进行混合，所选取的活性炭粒径为60—100目，超高分子量聚乙烯树脂的粉末粒径为60—100目。螺杆2的转数为2r/min，温度沿挤出方向依次设置为： 150℃、160℃、180℃、165℃。通过本发明装置，制得壁厚为7.5±0.1mm的活性炭滤芯，经分析测试，活性炭滤芯的平均孔径为44μm，孔隙率达到56.2%。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置，包括机筒（1）、螺杆（2）、料斗（3）、加热装置（4）、定型芯轴（6）、定型套（7）以及风冷装置（8）；所述机筒（1）内装有一根同轴的所述螺杆（2），所述螺杆（2）与所述机筒（1）内壁之间形成螺旋形的机筒流道（10）；所述定型套（7）内壁与同轴的所述定型芯轴（6）外表面之间形成定型流道（12），所述机筒（1）一端与所述定型套（7）一端固定连接，其特征在于：所述螺杆（2）和所述定型芯轴（6）之间设置带通孔（11）的分流盘（5），所述分流盘（5）固定在所述机筒（1）与所述定型套（7）的连接端，所述分流盘（5）的一面与所述定型芯轴（6）固定连接，所述分流盘（5）的另一面与螺杆（2）相分离，物料在机筒流道（10）中做旋转运动，物料在定型流道（12）中做直线运动。

2.根据权利要求1所述单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置，其特征在于：所述螺杆（2）由螺槽等距等深的输送段（L1）、螺槽深度逐渐增大的松弛段（L2）以及均匀分布有分流销钉（21）的分流段（L3）组成。

3.根据权利要求2所述单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置，其特征在于：所述螺杆（2）的压缩比ε满足0.80≤ε＜1，ε=h₂/h₁，式中h₁为输送段L（1）的螺槽深度，h₂为松弛段（L2）螺棱终止处的螺槽深度。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置，其特征在于：所述分流盘（5）为通孔型分流盘（5a），其沿圆周均匀分布圆形通孔（51），相邻圆形通孔（51）的倒角相交处构成锐角（52）。

5.根据权利要求1至3中任何一项所述单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置，其特征在于：所述分流盘（5）为分流筋型分流盘（5b），其沿圆周均匀分布扇形通孔（54），相邻扇形通孔（54）之间的分流筋（53）的轴向截面为梭形。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置，其特征在于：所述定型芯轴（6）包括平直段（62）和直径缓慢减小的锥形段（61）。

7.根据权利要求1至7中任何一项所述单螺杆连续挤出活性炭滤芯的挤出装置，其特征在于：所述挤出装置适用的物料为活性炭与超高分子量聚乙烯或其他高分子聚合物材料的混合物。