CN103252885B - 一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，包括，机筒（12）、机筒衬套（1）、螺杆（5）、机筒衬套沟槽（2）、螺杆螺槽（4）；其特征在于：所述机筒衬套沟槽（2）为半封闭的，由机筒衬套沟槽螺棱推进面（6）、机筒衬套沟槽底面（11）和机筒衬套沟槽螺棱后缘面（10）围成，机筒衬套沟槽（2）沿挤出方向容积逐渐减小；所述的螺杆螺槽（4）也为半封闭的，由螺杆螺棱推进面（7）、螺杆螺槽底面（8）和螺杆螺棱后缘面（9）围成，螺杆螺槽（4）沿挤出方向容积逐渐增加；当螺杆（5）旋转时，机筒衬套沟槽（2）内的聚合物在机筒衬套沟槽螺棱推进面（10）的推动下沿所述的机筒衬套沟槽（2）方向向前运动，螺杆螺槽（4）内的聚合物在螺杆螺棱推进面（9）的推动下沿所述的螺杆螺槽（4）方向向前运动，机筒衬套沟槽（2）内的聚合物和螺杆螺槽（4）内的聚合物在机筒衬套与螺杆间隙（3）处发生界面剪切而产生巨大的内摩擦热，实现聚合物的快速高效熔融，可有效解决传统光滑机筒单螺杆挤出机熔融塑化送效率低、能耗大等缺陷。

Description

一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机
技术领域
本发明是一种沟槽机筒挤出机，主要涉及一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，实现聚合物的高速高效熔融，并获得较高的挤出产量，实现管材、片材、异型材等塑料制品的高速高效挤出。
背景技术
传统的光滑机筒单螺杆挤出机中，熔融的热源为机筒外加热源和聚合物与机筒内表面的外摩擦热，在二者的共同作用下，机筒内表面处的聚合物首先发生熔融，产生熔膜，随着熔融的进行，螺杆螺棱推进面将熔膜刮下使熔融聚合物聚集于螺棱推进面处形成熔池，并将螺槽内的固相逐渐熔融，聚合物熔融主要发生在螺杆轴向。这种传统光滑机筒单螺杆挤出机的聚合物熔融缺点主要包括：（1）熔融塑化效率低，特别是当螺杆转速增加、产量增大时，容易导致塑化不良，熔融效果差，影响产品质量；（2）能耗大，聚合物熔融主要依靠机筒外热源。因此这种结构和塑化机理的缺陷限制了单螺杆挤出机朝着高速、高效和节能方向的发展。
已经有一些公开的针对提高单螺杆挤出机挤出效率的改进方法或设备，这些改进方法的共同特点是在加料段机筒衬套内壁开设轴向直槽或螺旋沟槽来增大机筒表面的等效摩擦力，由于机筒内表面等效摩擦力的提高有效增大了固体塞输送的动力，提高了输送效率。但这些改进方法或设备主要针对固体输送效率，挤出机的熔融方式始终未曾改变，仍为沿螺杆轴向熔融方式，而且上述改进方法或设备在改善固体输送效率的同时却带来熔融塑化质量的降低，因为固体输送产量增加，给熔融塑化带来了更大的负担，导致熔融塑化质量更差。为提高塑化质量，已有采用增大螺杆长径比的方法，但是，加大长径比导致物料塑化输送所经历的热机械历程过长、能耗增加、设备体积庞大等问题；为提高塑化质量，也有在螺杆头部采用混炼元件的方法。混炼元件虽然塑化、剪切、分散能力较好，但是输送能力较弱，无正向泵送作用，是一种压力消耗元件，能耗大，并会产生较高的压力降且容易产生滞流，严重影响挤出的稳定性，是治标不治本的措施；为提高塑化质量，也有采用降低转速的方法，但是降低转速更是以牺牲效率和产量为代价。
因此，上述手段和措施均无法以从本质上解决单螺杆挤出机的熔融塑化效率问题，塑化问题已经成为当前制约单螺杆挤出机实现高速化、高效化、节能化发展以及大型塑料制品挤出成型的技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，有效解决了传统光滑机筒单螺杆挤出机存在的熔融塑化效率低、能耗大等技术缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
技术方案1，一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，包括，机筒12、机筒衬套1、螺杆5、机筒衬套沟槽2、螺杆螺槽4；其特征在于：机筒衬套1贯穿整个机筒12，机筒衬套沟槽2从机筒衬套1内壁始端一直延伸到机筒衬套1内壁末端，机筒衬套沟槽2为半封闭的，由机筒衬套沟槽螺棱推进面6、机筒衬套沟槽底面11和机筒衬套沟槽螺棱后缘面10围成，机筒衬套沟槽2沿挤出方向容积逐渐减小；所述的螺杆螺槽4也为半封闭的，由螺杆螺棱推进面7、螺杆螺槽底面8和螺杆螺棱后缘面9围成，螺杆螺槽4沿挤出方向容积逐渐增加；当螺杆5旋转时，机筒衬套沟槽2内的聚合物在机筒衬套沟槽螺棱推进面6的推动下沿所述的机筒衬套沟槽2方向向前运动，螺杆螺槽4内的聚合物在螺杆螺棱推进面7的推动下沿所述的螺杆螺槽4方向向前运动，机筒衬套沟槽2内的聚合物和螺杆螺槽4内的聚合物在机筒衬套与螺杆间隙3处发生界面剪切而产生巨大的内摩擦热，实现聚合物的快速高效熔融。
技术方案2，根据技术方案1所述的一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，其特征在于：机筒衬套沟槽2沟槽数为6-20，机筒衬套沟槽2槽深沿挤出方向逐渐变浅，机筒衬套沟槽2最大槽深等于机筒衬套1平均直径的5%-20%，机筒衬套沟槽2最小槽深不大于机筒衬套1平均直径的5%，机筒衬套沟槽2槽宽等于机筒衬套1平均直径的5%-15%，机筒衬套沟槽2沟槽螺纹升角为0°-90°，机筒衬套沟槽2螺纹螺旋方向与螺杆5螺纹螺旋方向相反。
技术方案3，根据技术方案1或2所述的一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，其特征在于：螺杆5的螺纹头数为单头或多头，螺杆螺槽4槽深沿挤出方向逐渐变深，螺杆螺槽4最大槽深等于螺杆5平均直径的15%-25%，螺杆螺槽4最小槽深等于螺杆5平均直径的5%-15%，螺杆5的长径比为5-30。
技术方案4，根据技术方案1或2所述的一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，其特征在于：所述的机筒衬套1内表面为圆筒形或锥筒形,所述的螺杆5外表面为圆筒形或锥筒形。
技术方案5，根据技术方案3所述的一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，其特征在于：所述的机筒衬套1内表面为圆筒形或锥筒形，所述的螺杆5外表面为圆筒形或锥筒形。
本发明一种沟槽机筒挤出机与现有技术相比较，本发明具有以下优点。
1、机筒衬套1内壁全程开设沟槽，由于机筒衬套沟槽2和螺杆螺槽4均有固体输送，机筒衬套沟槽2内的固体塞与螺杆螺槽4内的固体塞在机筒衬套与螺杆间隙3处发生界面剪切，固相之间发生内摩擦，因聚合物的内摩擦系数是外摩擦系数的5倍以上，因此，固体塞之间将产生巨大的内摩擦热，从而实现聚合物的高速高效熔融。该沟槽挤出机的熔融主要发生在机筒衬套沟槽2和螺杆螺槽4的固相界面处，固体床横截面宽度的变化也主要发生在机筒衬套沟槽2径向方向，熔膜位置随着机筒衬套沟槽2内固体塞和螺杆螺槽4内固体塞界面位置的变化而变化，机筒衬套沟槽2内固相越来越少 ，螺杆螺槽4内液相越来越多，因熔融主要发生在机筒衬套沟槽2径向方向，这种熔融过程可称之为“径向熔融”。
2、为了保证机筒衬套沟槽2内固体塞和螺杆螺槽4内固体塞的每个层面都受到剪切，提高熔融塑化效率，在螺杆5长度方向机筒衬套沟槽2容积和螺杆螺槽4容积相互变换，即机筒衬套沟槽2容积越来越小，螺杆螺槽4容积越来越大，从而实现高速高效熔融。
3、由于机筒衬套沟槽2具有输送和熔融功能，而且内摩擦热是聚合物熔融的主要热源，因此该沟槽机筒挤出机具有产量大、能耗小的优点。
附图说明
图1：本发明机筒衬套沟槽物料和螺杆螺槽物料输送模型图。
图2：本发明螺杆外表面和机筒衬套内表面均为圆筒形的结构示意图。
图3：本发明螺杆外表面和机筒衬套内表面均为锥筒形的结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的具体实施例加以说明。
请参阅图1所示，为本发明机筒衬套沟槽物料和螺杆螺槽物料输送模型图。从图中可以看出，1为机筒衬套，2为机筒衬套沟槽，3为机筒衬套与螺杆间隙，4为螺杆螺槽，5为螺杆，6为机筒衬套沟槽螺棱推进面，7为螺杆螺棱推进面，8为螺杆螺槽底面，9为螺杆螺棱后缘面，10为机筒衬套沟槽螺棱后缘面，11为机筒衬套沟槽底面。
请参阅图2所示，为本发明螺杆外表面和机筒衬套内表面均为圆筒形的结构示意图，12为机筒。
第一实施例：本实例螺杆外表面和机筒衬套内表面均为圆筒形，螺杆直径90mm,导程为90mm，螺纹头数为2，长径比为30，右旋，初始端螺槽槽深为8mm，末端螺槽槽深为18mm，螺杆槽深逐渐增大；机筒衬套内径为90.5mm，沟槽数为10，左旋，沟槽螺纹升角为30°，机筒衬套初沟槽始端槽深为12mm，机筒衬套沟槽末端槽深为4mm，机筒衬套沟槽宽为10mm。螺杆转速为125r/min，驱动功率为162kw，加工原料为高密度聚乙烯（牌号：5000S）。
本发明的工作原理见图1、图2，机筒衬套沟槽2为半封闭的，由机筒衬套沟槽螺棱推进面6、机筒衬套沟槽底面11和机筒衬套沟槽螺棱后缘面10围成，机筒衬套沟槽2沿挤出方向容积逐渐减小；所述的螺杆螺槽4也为半封闭的，由螺杆螺棱推进面7、螺杆螺槽底面8和螺杆螺棱后缘面9围成，螺杆螺槽4沿挤出方向容积逐渐增加；当螺杆5旋转时，机筒衬套沟槽2内的聚合物在机筒衬套沟槽螺棱推进面6的推动下沿所述的机筒衬套沟槽2方向向前运动，螺杆螺槽4内的聚合物在螺杆螺棱推进面7的推动下沿所述的螺杆螺槽4方向向前运动，机筒衬套沟槽2内的聚合物和螺杆螺槽4内的聚合物在机筒衬套与螺杆间隙3处发生界面剪切而产生巨大的内摩擦热，实现聚合物的快速高效熔融。
按该方法和结构参数设计的单螺杆挤出机的最高产量为942kg/h，名义比功率为0.171kw/(kg/h),比流量为7.536(kg/h)/rpm，熔体温度为185℃，熔融塑化效果良好。而同等参数下按传统熔融机理设计的Battenfeld挤出机的最高产量为800kg/h，名义比功率为0.300kw/(kg/h),比流量为5.839(kg/h)/rpm，熔体温度195℃。
第二实施例：本实例螺杆外表面和机筒衬套内表面均为锥筒形，螺杆大端直径为90mm，小端直径为60mm，导程为90mm，螺纹头数为4，长径比为5，右旋，初始端螺槽槽深为6mm，末端螺槽槽深为12mm，螺杆槽深逐渐增大；机筒衬套内径大端直径为91mm，小端直径为60.3mm，沟槽数为12，左旋，沟槽螺纹升角为50°，机筒衬套沟槽初始端槽深为10mm，机筒衬套沟槽末端槽深为2mm，机筒衬套沟槽宽为8mm。螺杆转速100r/min，驱动功率50kw，加工原料为低密度聚乙烯（牌号：LD607）。
本发明的工作原理见图1、图3，机筒衬套沟槽2为半封闭的，由机筒衬套沟槽螺棱推进面6、机筒衬套沟槽底面11和机筒衬套沟槽螺棱后缘面10围成，机筒衬套沟槽2沿挤出方向容积逐渐减小；所述的螺杆螺槽4也为半封闭的，由螺杆螺棱推进面7、螺杆螺槽底面8和螺杆螺棱后缘面9围成，螺杆螺槽4沿挤出方向容积逐渐增加；当螺杆5旋转时，机筒衬套沟槽2内的聚合物在机筒衬套沟槽螺棱推进面6的推动下沿所述的机筒衬套沟槽2方向向前运动，螺杆螺槽4内的聚合物在螺杆螺棱推进面7的推动下沿所述的螺杆螺槽4方向向前运动，机筒衬套沟槽2内的聚合物和螺杆螺槽4内的聚合物在机筒衬套与螺杆间隙3处发生界面剪切而产生巨大的内摩擦热，实现聚合物的快速高效熔融。
按该方法和结构参数设计的单螺杆挤出机的最高产量为330kg/h，名义比功率为0.152kw/(kg/h)，比流量为3.300 (kg/h)/rpm，熔体温度是180℃，熔融塑化效果良好；而同等参数下按传统熔融机理设计的Battenfeld挤出机的最高产量为250kg/h，名义比功率为0.224kw/(kg/h),比流量为3.125 (kg/h)/rpm，熔体温度192℃。
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求书指出了本发明的范围，因此，与本发明的权利要求书相当的含有和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，包括，机筒(12)、机筒衬套(1)、螺杆(5)、机筒衬套沟槽(2)、螺杆螺槽(4)；其特征在于：机筒衬套(1)贯穿整个机筒(12)，机筒衬套沟槽(2)从机筒衬套(1)内壁始端一直延伸到机筒衬套(1)内壁末端，机筒衬套沟槽(2)为半封闭的，由机筒衬套沟槽螺棱推进面(6)、机筒衬套沟槽底面(11)和机筒衬套沟槽螺棱后缘面(10)围成，机筒衬套沟槽(2)沿挤出方向容积逐渐减小；所述的螺杆螺槽(4)也为半封闭的，由螺杆螺棱推进面(7)、螺杆螺槽底面(8)和螺杆螺棱后缘面(9)围成，螺杆螺槽(4)沿挤出方向容积逐渐增加；当螺杆(5)旋转时，机筒衬套沟槽(2)内的聚合物在机筒衬套沟槽螺棱推进面(6)的推动下沿所述的机筒衬套沟槽(2)方向向前运动，螺杆螺槽(4)内的聚合物在螺杆螺棱推进面(7)的推动下沿所述的螺杆螺槽(4)方向向前运动，机筒衬套沟槽(2)内的聚合物和螺杆螺槽(4)内的聚合物在机筒衬套与螺杆间隙(3)处发生界面剪切而产生巨大的内摩擦热，实现聚合物的快速高效熔融。
2.根据权利要求1所述的一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，其特征在于：机筒衬套沟槽(2)沟槽数为6-20，机筒衬套沟槽(2)槽深沿挤出方向逐渐变浅，机筒衬套沟槽(2)最大槽深等于机筒衬套(1)平均直径的5％-20％，机筒衬套沟槽(2)最小槽深不大于机筒衬套(1)平均直径的5％，机筒衬套沟槽(2)槽宽等于机筒衬套(1)平均直径的5％-15％，机筒衬套沟槽(2)沟槽螺纹升角为0°-90°，机筒衬套沟槽(2)螺纹螺旋方向与螺杆(5)螺纹螺旋方向相反。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，其特征在于：螺杆(5)的螺纹头数为单头或多头，螺杆螺槽(4)槽深沿挤出方向逐渐变深，螺杆螺槽(4)最大槽深等于螺杆(5)平均直径的15％-25％，螺杆螺槽(4)最小槽深等于螺杆(5)平均直径的5％-15％，螺杆(5)的长径比为5-30。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，其特征在于：所述的机筒衬套(1)内表面为圆筒形或锥筒形,所述的螺杆(5)外表面为圆筒形或锥筒形。
5.根据权利要求3所述的一种基于径向熔融的沟槽机筒挤出机，其特征在于：所述的机筒衬套(1)内表面为圆筒形或锥筒形，所述的螺杆(5)外表面为圆筒形或锥筒形。
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