CN104085073B - 一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置及方法，其装置包括电控箱、激振器、动力单元、塑化混合单元、超临界流体输送单元和成型单元，激振器、动力单元、塑化混合单元和成型单元依次连接，塑化混合单元上设有超临界流体输送单元，激振器、动力单元和塑化混合单元分别与控制箱连接。其方法是动力单元驱动螺杆转动，激振器驱动螺杆在轴向上做周期性振动；物料在螺杆的剪切力场和振动力场的双重作用下塑化熔融，同时超临界流体输送单元向料筒内注入超临界流体，超临界流体与熔融的物料在双重力场作用下快速形成超临界流体/聚合物熔体的单项体系；最后进入成型单元进行发泡定型。本发明塑化混炼速度快，超临界流体与聚合物熔体混合效果好。

Description

一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置及方法

技术领域

本发明涉及微孔塑料连续挤出成型技术领域，特别涉及一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置及方法。

背景技术

微孔塑料一般是指泡孔直径为0.1～10um，泡孔密度为10⁹～10¹⁵个/cm3，材料密度相比发泡前可减少5％～95％的新型泡沫塑料。近年来，一些超临界流体凭借其对多数有机物溶解性能好、粘度低、扩散系数大、无毒、不燃、无溶剂残留、价廉易得、使用安全、不污染环境等独特优点成为取代传统化学发泡剂的理想物理发泡剂。

超临界流体微孔塑料挤出成型基本过程为：聚合物粒料或粉料从料斗口进入挤出机料筒进行塑化，利用高压柱塞泵将超临界流体注入挤出机料筒，超临界流体与料筒内熔料进行混合，最终形成超临界流体/聚合物熔体单相体系，单相体系通过挤出机机头压力突降引起热力学不稳定诱导气泡成核，控制挤出机机头温度，使泡孔固化定型，得到微孔发泡产品。微孔塑料连续挤出成型周期短，生产效率高，适用于微孔塑料的工业化生产。

然而，由于挤出机料筒内熔融物料逗留时间短，聚合物熔体与超临界流体难以充分均匀的混合。又因为微孔塑料挤出成型工艺的复杂性，微孔塑料挤出成型得到的制品往往泡孔尺寸不均，泡孔密度不稳定。因此如何使注入料筒的超临界流体与料筒内逗留时间非常短的塑料熔体充分混合均匀，形成高气体含量的超临界流体/聚合物熔体单相体系，得到泡孔密度大、尺寸均匀的微孔塑料是超临界流体微孔塑料挤出成型急需解决的一个难题。另外，目前大多数超临界流体注气装置中储气瓶直接通过气体管路连接高压柱塞泵，当储气瓶内气压低于一定值时瓶内气体将无法继续进入高压柱塞泵，此时必须更换储气瓶，而储气瓶内还有大量残存气体没有被充分利用，这势必会造成不必要的浪费，从而增加生产成本。

传统三段式螺杆包括加料段、熔融段和计量段三个功能段，排气螺杆主要包括加料段、第一压缩段、第一计量段、排气段、第二压缩段和第二计量段六个功能段，然而，这两种螺杆都不适合直接用于超临界流体微孔塑料的挤出发泡生产，普遍存在以下问题：料筒超临界流体注入口死角处容易有物料堆积，易出现降解或堵塞进气阀的现象；螺杆长径比较小，物料停留时间短，超临界流体与聚合物熔体混合不均且挤出过程中压力波动大；螺杆计量段偏短，机头建立压力后导致熔料倒流量过大引起料筒上注气口发生冒料问题等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超临界流体利用率高、塑化和混合效果较好、发泡制品泡孔形态好的超临界流体微孔塑料的挤出成型装置。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述装置实现的超临界流体微孔塑料挤出成型方法。

本发明的技术方案为：一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置，包括电控箱、激振器、动力单元、塑化混合单元、超临界流体输送单元和成型单元，激振器、动力单元、塑化混合单元和成型单元依次连接，塑化混合单元上设有超临界流体输送单元，激振器、动力单元和塑化混合单元分别与控制箱电气连接。

所述塑化混合单元包括螺杆、料筒、加热器和料斗，螺杆置于料筒内，料筒外周装有加热器，位于螺杆加料端处的料筒上设有料斗，料筒上设有超临界流体注气孔，超临界流体注气孔处与超临界流体输送单元连接。

所述螺杆为一体式的实心结构，螺杆上设有十个功能段，各功能段分别为依次连接的花键连接段、螺纹密封段、加料段、第一压缩段、第一计量段、屏障段、超临界流体注入段、第二压缩段、第二计量段和螺杆头；花键连接段末端与动力单元连接，螺杆头与成型单元连接。

所述屏障段的外圆柱面上均匀分布有多个进料槽和出料槽，按照屏障段的 圆周方向，进料槽和出料槽交替分布，进料槽和出料槽之间为屏障体，相邻两个屏障体之间的间隙为0.3～0.6mm。

所述超临界流体注入段的螺纹槽深度大于第二压缩段或其它功能段的螺纹槽深度，超临界流体注入段的螺纹上设有断开沟槽，各断开沟槽沿螺杆中心轴线均匀分布；超临界流体注入段上，与料筒的超临界流体注气孔对应之处设有刮料销钉，各刮料销钉沿螺杆中心轴线均匀分布；超临界流体注入段上，刮料销钉处的外径与螺杆直径相等；各刮料销钉的高度与超临界流体注入段的螺纹槽深度相等。超临界流体注入段的螺纹槽深度大于其它功能段的螺纹槽深度，由于螺纹槽突然加深，料筒内压力急剧下降，此时超临界流体容易进入挤出机，并能在设有断开沟槽的螺纹输送混合作用下与熔料进行混合，再加上料筒注气口下方的刮料销钉在螺杆旋转作用下刮掉注气口死角堆积的物料，可有效防止其降解或堵塞注气口。

所述第二压缩段和第二计量段均为双头螺纹；第二计量段上设有7～9个螺距，相比传统螺杆，其长度较长，加强了螺杆的输送能力，减小熔料倒流量，同时提高稳压效果，降低机头压力波动，改善料筒注气口冒料的现象。

螺杆头上设有多个混炼销钉，各混炼销钉沿螺杆中心轴线均匀分布；混炼销钉的截面形状可为圆形、矩形或菱形。

所述动力单元包括相连接的电动机和减速器，电动机与电控箱电气连接，减速器的空心传动轴通过滚动花键与螺杆连接；

所述成型单元为挤出机头，或包括依次连接的过渡段、熔体泵和挤出机头；

当成型单元为挤出机头时，挤出机头与料筒固定连接；

当成型单元包括依次连接的过渡段、熔体泵和挤出机头时，过渡段与料筒固定连接，挤出机头与熔体泵固定连接，过渡段内设有静态混合器，过渡段外周设有加热器。

所述超临界流体输送单元包括通过气体管路依次连接的第一储气瓶、气体压力表、增压泵、第二储气瓶、冷却循环泵、高压柱塞泵、单向阀和单向注气接头，单向注气接头与料筒上的超临界流体注气孔连接；超临界流体输送单元通过设置两个储气瓶，进行三级供气，设置增压泵将第一储气瓶内的气体泵入 第二储气瓶内，并维持第二储气瓶内气体压力恒定；由于第一储气瓶内气体可完全泵入第二储气瓶，所以提高了第一储气瓶内气体利用率；根据实际需要，还可在管路中增设冷却循环泵，利用冷却循环泵将通入高压柱塞泵的气体降温液化，可以大幅提升流体的输送效率。

料筒上，超临界流体注气孔位于螺杆的超临界流体注入段处。

所述单向注气接头与超临界流体注气孔的连接处设有密封环。

本发明通过上述装置实现一种超临界流体微孔塑料挤出成型方法，动力单元驱动塑化混合单元中的螺杆转动，激振器驱动螺杆在轴向上做周期性振动；物料进入塑化混合单元后，在螺杆的剪切力场和振动力场的共同作用下塑化熔融，同时超临界流体输送单元向塑化混合单元的料筒内注入超临界流体，超临界流体与熔融的物料在复合力场作用下能够快速形成超临界流体/聚合物熔体的单相体系；最后进入成型单元进行发泡定型。

其中，螺杆对物料的具体工作过程为：粒料通过加料段依次进入第一压缩段和第一计量段，在螺杆剪切和料筒加热器的作用下达到基本熔融状态；屏障段在螺杆旋转作用下使物料在进料槽、出料槽中作涡状环流运动，促使熔料进一步混合和均化，阻止未熔的固体颗粒进入下一段；熔料进入超临界流体注入段后，由于螺纹槽突然加深，料筒内压力急剧下降，此时超临界流体容易进入挤出机，并能在设有断开沟槽的螺纹输送混合作用下与熔料进行混合，料筒注气口下方的刮料销钉在螺杆旋转作用下刮掉注气口死角堆积的物料，防止其降解或堵塞注气口；熔料与超临界流体在双头螺纹的第二压缩段、第二计量段作用下快速压缩与均化，其中第二计量段长度为7～9个螺距，加强了螺杆的输送能力，减小熔料倒流量，同时提高稳压效果，降低机头压力波动，改善料筒注气口冒料现象；在螺杆头处，在混炼销钉的混炼段作用下，形成稳定、均匀分布的超临界流体/聚合物熔体单相体系，最后送入挤出机口模。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)塑化混炼效率高。通过设置激振器，在传统挤出塑化基础上，物料受到振动力场作用，其分子被迫取向，分子与分子间容易滑移，物料能被快速均匀熔融。

(2)超临界流体与聚合物熔体混合效果好。在螺杆剪切力场和振动力场共同作用下，快速均匀熔融的物料熔体弹性与粘性进一步降低，同时对螺杆进行改进，增大了螺杆长径比，设置10个功能段，螺杆混炼销钉与瞬时变化的轴向振动压力使超临界流体与聚合物熔体快速均匀混合形成高气体含量的超临界流体/聚合物熔体单相体系。

(3)发泡制品泡孔形态好。传统挤出发泡时泡孔沿流动方向发生取向，往往在流动方向被拉伸成椭圆形状。通过激振器在螺杆轴向方向叠加振动场后，泡孔会在两个方向上被拉伸，避免了单一方向的取向。在螺杆的剪切力场和振动力场共同作用下，料筒内超临界流体与聚合物熔体能够混合的更加均匀，有利于改善泡孔形态。

(4)气体利用效率高。超临界流体输送单元中，通过增压泵将第一储气瓶内的气体泵入第二储气瓶内，并维持第二储气瓶内气体压力恒定。因为第一储气瓶内气体可完全泵入第二储气瓶，所以提高了第一储气瓶内气体利用率；利用冷却循环泵将通入高压柱塞泵的气体降温液化，能够大幅提升流体的输送效率。

(5)物料适应性广。在螺杆振动力场作用下聚合物分子被迫取向，分子间容易滑移，物料熔融塑化温度较低，所以挤出温度比传统螺杆挤出机低，动态挤出下物料不容易产生分解，对物料的适应性广。

附图说明

图1为本超临界流体微孔塑料挤出成型装置的结构示意图。

图2为本超临界流体微孔塑料挤出成型装置中的螺杆结构示意图。

图3为图2中屏障段的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置，如图1所示，包括电控箱12、激振器13、动力单元、塑化混合单元、超临界流体输送单元和成型单元，激振器、动力单元、塑化混合单元和成型单元依次连接，塑化混合单元上设有超临界流体输送单元，激振器、动力单元和塑化混合单元分别与控制箱电气连接。

塑化混合单元包括螺杆14、料筒15、加热器16和料斗17，螺杆置于料筒内，料筒外周装有加热器，位于螺杆加料端处的料筒上设有料斗，料筒上设有超临界流体注气孔，超临界流体注气孔处与超临界流体输送单元连接。

如图2所示，螺杆为一体式的实心结构，螺杆上设有十个功能段，各功能段分别为依次连接的花键连接段1、螺纹密封段2、加料段3、第一压缩段4、第一计量段5、屏障段6、超临界流体注入段7、第二压缩段8、第二计量段9和螺杆头10；花键连接段末端与动力单元连接，螺杆头与成型单元连接。

如图3所示，屏障段的外圆柱面上均匀分布有多个进料槽6-1和出料槽6-2，按照屏障段的圆周方向，进料槽和出料槽交替分布，进料槽和出料槽之间为屏障体6-3，相邻两个屏障体之间的间隙为0.3～0.6mm。

超临界流体注入段的螺纹槽深度大于第二压缩段或其它功能段的螺纹槽深度，超临界流体注入段的螺纹上设有断开沟槽，各断开沟槽沿螺杆中心轴线均匀分布；超临界流体注入段上，与料筒的超临界流体注气孔对应之处设有刮料销钉，各刮料销钉沿螺杆中心轴线均匀分布；超临界流体注入段上，刮料销钉处的外径与螺杆直径相等；各刮料销钉的高度与超临界流体注入段的螺纹槽深度相等。超临界流体注入段的螺纹槽深度大于其它功能段的螺纹槽深度，由于螺纹槽突然加深，料筒内压力急剧下降，此时超临界流体容易进入挤出机，并能在设有断开沟槽的螺纹输送混合作用下与熔料进行混合，再加上料筒注气口下方的刮料销钉在螺杆旋转作用下刮掉注气口死角堆积的物料，可有效防止其降解或堵塞注气口。

第二压缩段和第二计量段均为双头螺纹；第二计量段上设有7～9个螺距，相比传统螺杆，其长度较长，加强了螺杆的输送能力，减小熔料倒流量，同时 提高稳压效果，降低机头压力波动，改善料筒注气口冒料的现象。

螺杆头上设有多个混炼销钉，各混炼销钉沿螺杆中心轴线均匀分布；混炼销钉的截面形状可为圆形、矩形或菱形。

如图1所示，动力单元包括相连接的电动机18和减速器19，电动机与电控箱电气连接，减速器的空心传动轴通过滚动花键与螺杆连接；

成型单元包括依次连接的过渡段20、熔体泵21和挤出机头22；过渡段与料筒固定连接，挤出机头与熔体泵固定连接，过渡段内设有静态混合器23，过渡段外周设有加热器。

超临界流体输送单元包括通过气体管路依次连接的第一储气瓶24、气体压力表25、增压泵26、第二储气瓶27、冷却循环泵28、高压柱塞泵29、单向阀30和单向注气接头31，第一储气瓶的容量大于第二储气瓶，单向注气接头与料筒上的超临界流体注气孔连接；超临界流体输送单元通过设置两个储气瓶，进行三级供气，设置增压泵将第一储气瓶内的气体泵入第二储气瓶内，并维持第二储气瓶内气体压力恒定；由于第一储气瓶内气体可完全泵入第二储气瓶，所以提高了第一储气瓶内气体利用率；根据实际需要，还可在管路中增设冷却循环泵，利用冷却循环泵将通入高压柱塞泵的气体降温液化，可以大幅提升流体的输送效率。

料筒上，超临界流体注气孔位于螺杆的超临界流体注入段处。

单向注气接头与超临界流体注气孔的连接处设有密封环32。

本实施例通过上述装置实现一种超临界流体微孔塑料挤出成型方法，动力单元驱动塑化混合单元中的螺杆转动，激振器驱动螺杆在轴向上做周期性振动；物料进入塑化混合单元后，在螺杆的剪切力场和振动力场的双重作用下塑化熔融，同时超临界流体输送单元向塑化混合单元的料筒内注入超临界流体，超临界流体与熔融的物料在双重力场作用下快速形成超临界流体/聚合物熔体的单项体系；最后进入成型单元进行发泡定型。

其中，螺杆对物料的具体工作过程为：粒料通过加料段依次进入第一压缩段和第一计量段，在螺杆剪切和料筒加热器的作用下达到基本熔融状态；屏障段在螺杆旋转作用下使物料在进料槽、出料槽中作涡状环流运动，促使熔料进 一步混合和均化，阻止未熔的固体颗粒进入下一段；熔料进入超临界流体注入段后，由于螺纹槽突然加深，料筒内压力急剧下降，此时超临界流体容易进入挤出机，并能在设有断开沟槽的螺纹输送混合作用下与熔料进行混合，料筒注气口下方的刮料销钉在螺杆旋转作用下刮掉注气口死角堆积的物料，防止其降解或堵塞注气口；熔料与超临界流体在双头螺纹的第二压缩段、第二计量段作用下快速压缩与均化，其中第二计量段长度为7～9个螺距，加强了螺杆的输送能力，减小熔料倒流量，同时提高稳压效果，降低机头压力波动，改善料筒注气口冒料现象；在螺杆头处，在混炼销钉的混炼段作用下，形成稳定、均匀分布的超临界流体/聚合物熔体单相体系，最后送入挤出机口模。

实施例2

本实施例一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置，与实施例1相比较，其不同之处在于，成型单元为挤出机头，挤出机头与料筒固定连接。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (7)

1.一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置，其特征在于，包括电控箱、激振器、动力单元、塑化混合单元、超临界流体输送单元和成型单元，激振器、动力单元、塑化混合单元和成型单元依次连接，塑化混合单元上设有超临界流体输送单元，激振器、动力单元和塑化混合单元分别与控制箱电气连接；

所述塑化混合单元包括螺杆、料筒、加热器和料斗，螺杆置于料筒内，料筒外周装有加热器，位于螺杆加料端处的料筒上设有料斗，料筒上设有超临界流体注气孔，超临界流体注气孔处与超临界流体输送单元连接；

所述螺杆为一体式的实心结构，螺杆上设有十个功能段，各功能段分别为依次连接的花键连接段、螺纹密封段、加料段、第一压缩段、第一计量段、屏障段、超临界流体注入段、第二压缩段、第二计量段和螺杆头；花键连接段末端与动力单元连接，螺杆头与成型单元连接；

所述超临界流体注入段的螺纹槽深度大于第二压缩段的螺纹槽深度，超临界流体注入段的螺纹上设有断开沟槽，各断开沟槽沿螺杆中心轴线均匀分布；超临界流体注入段上，与料筒的超临界流体注气孔对应之处设有刮料销钉，各刮料销钉沿螺杆中心轴线均匀分布；超临界流体注入段上，刮料销钉处的外径与螺杆直径相等；各刮料销钉的高度与超临界流体注入段的螺纹槽深度相等。

2.根据权利要求1所述一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置，其特征在于，所述屏障段的外圆柱面上均匀分布有多个进料槽和出料槽，按照屏障段的圆周方向，进料槽和出料槽交替分布，进料槽和出料槽之间为屏障体，相邻两个屏障体之间的间隙为0.3～0.6mm。

3.根据权利要求1所述一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置，其特征在于，所述第二压缩段和第二计量段均为双头螺纹；第二计量段上设有7～9个螺距。

4.根据权利要求1所述一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置，其特征在于，所述动力单元包括相连接的电动机和减速器，电动机与电控箱电气连接，减速器的空心传动轴通过滚动花键与螺杆连接；

所述成型单元为挤出机头，或包括依次连接的过渡段、熔体泵和挤出机头；

当成型单元为挤出机头时，挤出机头与料筒固定连接；

当成型单元包括依次连接的过渡段、熔体泵和挤出机头时，过渡段与料筒固定连接，挤出机头与熔体泵固定连接，过渡段内设有静态混合器，过渡段外周设有加热器。

5.根据权利要求1所述一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置，其特征在于，所述超临界流体输送单元包括通过气体管路依次连接的第一储气瓶、气体压力表、增压泵、第二储气瓶、冷却循环泵、高压柱塞泵、单向阀和单向注气接头，第一储气瓶的容量大于第二储气瓶，单向注气接头与料筒上的超临界流体注气孔连接；

料筒上，超临界流体注气孔位于螺杆的超临界流体注入段处。

6.根据权利要求5所述一种超临界流体微孔塑料挤出成型装置，其特征在于，所述单向注气接头与超临界流体注气孔的连接处设有密封环。

7.根据权利要求1～6任一项所述装置实现一种超临界流体微孔塑料挤出成型方法，其特征在于，动力单元驱动塑化混合单元中的螺杆转动，激振器驱动螺杆在轴向上做周期性振动；物料进入塑化混合单元后，在螺杆的剪切力场和振动力场的共同作用下塑化熔融，同时超临界流体输送单元向塑化混合单元的料筒内注入超临界流体，超临界流体与熔融的物料在复合力场作用下形成超临界流体/聚合物熔体的单相体系；最后进入成型单元进行发泡定型。