CN104859065B - 剪切形变与拉伸形变协同作用的螺杆式混合方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了剪切形变与拉伸形变协同作用的螺杆式混合方法及装置。该装置在靠近导流板的中空螺杆的内孔中设有过渡板、收敛板和螺杆头，过渡板安装在靠近料斗的一端的中空螺杆内，至少一组收敛板设置在过渡板与螺杆头之间，螺杆头设置在中空螺杆前部顶端；过渡板中心设有通孔，过渡板上的流道以及中空螺杆上的多个开口与螺槽连通；一组收敛板由两块收敛板连接组成，其中一块收敛板设有由小到大逐渐增大的中心孔，另一块收敛板设有由大到小逐渐减小的中心孔。本发明物料在流动过程中受到剪切形变与拉伸形变的交替作用，实现拉伸形变与剪切形变协同作用的塑化混合过程，具有停留时间可控、混合效果好、混合效率高等特点。

Description

剪切形变与拉伸形变协同作用的螺杆式混合方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高分子材料混合方法及装置，特别是涉及用于通过剪切形变与拉伸形变协同作用的高分子材料混合方法及装置。

背景技术

高分子材料成型加工过程中，为了避免单一高分子材料性能的局限性，通常通过共混改性的方法将不同的聚合物、填料及各种助剂等共混在一起，以此来提高材料的性能，共混设备是这一过程必需用到的装置。共混设备的发展经历了间歇式混合设备和连续式混合设备两个发展阶段。间歇式混合设备主要包括开炼机、密炼机、捏炼机等，而连续式混炼设备如单螺杆挤出机，以及在单螺杆挤出机的基础上发展而来的双螺杆挤出机、多螺杆挤出机等。这些混炼设备其混炼机理大多是建立在剪切形变的基础之上，物料的流动及混合也主要由剪切形变支配。为了提高混合效率及混合效果，通常采用使物料受到高剪切强度及延长高剪切的作用时间。高剪切强度将导致诸多问题：1、比能耗高，驱动负载大；2、高剪切作用产生大量的粘性耗散热从而导致熔体温度升高，物料降解甚至热分解，同时使得加工过程中物料的温度难以控制；3、由于剪切速率增大及熔体温度升高使得共混物熔体粘度低，混合效果变差；4、粒子在以剪切为主的流动中可能作旋转运动，混合分散效果降低。

为了提高混合装置的混合效率及改善混合效果，本领域的技术人员主要从装置的几何结构以及成型过程中的工艺参数等方面进行改进：1、开发新型结构的螺杆如使用楔形螺棱，同时在螺棱上开设锥形槽等产生收敛流道，强化混合过程中的拉伸作用；2、通过外加力场如振动力场、超声波、高频电场等使物料受到复合应力作用；3、在成型模具中设计收敛——发散流道，使得物料受到压缩/膨胀作用等。这些方法是在以剪切变形为主的混合装置上不同程度的引入了拉伸流场，提高了装置的混合效率及混合效果。然而，上述方法中物料在混合过程中依然由剪切应力/形变支配，是以剪切形变为主的混合过程。如果能将拉伸流场引入到物料的混合过程，强化混合过程中物料受到的拉伸形变作用，变剪切形变支配的混合混炼过程为拉伸形变支配的混合混炼过程，将最大程度的提高物料的分散与分布效果，从而达到提高制品性能的目的。

发明内容

本发明旨在解决目前基于剪切形变的单螺杆混合设备混合效率低、物料停留时间不易控制的问题，提供一种剪切形变与拉伸形变协同作用的塑化混炼装置，达到提高混合效果的目的。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

剪切形变与拉伸变形协同作用的螺杆式混合方法：物料在料筒的摩擦拖曳作用下沿螺槽方向流动，受到剪切形变作用；在熔体压力作用下受剪切作用后的物料从螺杆头进入空心螺杆中，物料在由收敛板串联叠加所形成的具有收敛与发散流动特性的流道中受到周期性变化的拉伸形变作用，然后物料从过渡板上的流道流入到螺槽中，实现物料在螺槽及空心螺杆内孔中的循环流动塑化混炼过程，处理后的物料从螺杆头前端的导流盘流出。

实现上述方法的剪切形变与拉伸变形协同作用的螺杆式混合装置，主要由驱动电机、联轴器、减速箱、法兰盘、料斗、机筒、过渡板、中空螺杆、收敛板、螺杆头、导流盘和堵头组成；中空螺杆与减速箱相连，机筒的一端安装在法兰盘上，机筒的另一端与导流板连接，堵头安装在导流板上；料斗在靠近法兰盘处与机筒的空心部分连通，中空螺杆同心安装在机筒中；在靠近导流板的中空螺杆的内孔中设有过渡板、收敛板和螺杆头，过渡板安装在靠近料斗的一端的中空螺杆内，至少一组收敛板设置在过渡板与螺杆头之间，螺杆头设置在中空螺杆前部顶端；过渡板中心设有通孔，过渡板上的流道以及中空螺杆上的多个开口与螺槽连通；过渡板上的流道和中空螺杆的开口连通；一组收敛板由两块收敛板连接组成，其中一块收敛板设有由小到大逐渐增大的中心孔，另一块收敛板设有由大到小逐渐减小的中心孔，两块收敛板的空心孔连通，并与过渡板上的流道连通；螺杆头内的流道一端与收敛板的中心孔连通，另一端与导流盘前端的机筒空腔连通。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述过渡板上的流道和中空螺杆的开口至少为3个。优选所述过渡板开有4‐8个开口的流道。

优选地，一组收敛板中两块收敛板中心孔的最大直径和最小直径都相同。

优选地，不同组的收敛板中心孔的最大直径和最小直径都相同。

优选地，所述收敛板中心孔加工成双曲面或者圆锥面形式的流道。

优选地，所述螺杆转速可调或收敛板中心孔的形状或者大小可调。

优选地，所述电机、联轴器、减速箱、法兰盘和机筒安装在机架上。

本发明中空螺杆与减速箱相连接并在电机的带动下旋转；过渡板置于中空螺杆的最里端，与过渡板串联连接的是若干块收敛板；螺杆头与螺杆由螺纹连接，通过螺杆头将收敛板、过渡板、及螺杆形成一条完整的中空螺杆。由于相邻两块收敛板的收敛方向相反，从而在螺杆内孔中形成周期性变化的收敛——发散流道；在过渡板上沿圆周方向开有四条通道，物料通过这些通道从螺杆内孔流入螺槽中。

混合过程如下：物料从料斗加入，在料筒及螺杆的拖曳作用下沿螺槽向螺杆头方向流动，在熔体压力作用下通过螺杆头上的孔道进入到具有收敛——发散流动特性的螺杆内孔中，然后从过渡板上的流道中进入螺槽，形成物料的循环流动。达到混合要求时，打开安装在导流板上的堵头，将混合好的物料排出。由于螺槽中的物料主要受到剪切形变作用，而在螺杆内孔中的收敛——发散流道中主要受到拉伸形变作用，因而实现了剪切形变与拉伸形变协同作用的塑化混合过程。

本发明与现有混合方法及装置相比，具有如下优点：

1、本发明将拉伸形变引入到单螺杆挤出的物料的混合过程，提高了装置的混合效率与混合效果；

2、本发明可用于共混体系中组份粘度差别大的高分子复合材料体系的混合，对物料适应性广；

3、本发明通过一条螺杆便实现了剪切形变与拉伸形变协同作用的塑化、输运、混合过程，设备结构简单，操作方便。

附图说明

图1为实施例1剪切形变与拉伸形变协同作用的螺杆式混合装置的结构示意图；

图2为图1的中空螺杆的剖视图；

图3为图2收敛板的形状示意图；

图4为图2中A‐A向截面图；

图5为实施例2剪切形变与拉伸形变协同作用的螺杆式混合装置的结构示意图；

图6为图5的中空螺杆的剖视图；

图7为图5收敛板的形状图；

图8为图6中B‐B向截面图；

图9为2块收敛板时碳纳米管/等规聚丙烯复合材料透射电镜照片；

图10为4块收敛板时碳纳米管/等规聚丙烯复合材料透射电镜照片；

图11为6块收敛板时碳纳米管/等规聚丙烯复合材料透射电镜照片；

图12为8块收敛板时碳纳米管/等规聚丙烯复合材料透射电镜照片。

图中示出：驱动电机1、联轴器2、减速箱3、法兰盘4、料斗5、机筒6、过渡板7、中空螺杆8、收敛板9、螺杆头10、导流盘11、堵头12、机架13

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

如图1所示，剪切形变与拉伸形变协同作用的螺杆式混合装置，主要由驱动电机1、联轴器2、减速箱3、法兰盘4、料斗5、机筒6、过渡板7、中空螺杆8、收敛板9、螺杆头10、导流盘11、堵头12、机架13组成；中空螺杆8与减速箱3相连，在电机1的带动下旋转；机筒6的一端安装在法兰盘4上，机筒6的另一端与导流板11连接，堵头12安装在导流板11上；料斗5在靠近法兰盘4处与机筒6的空心部分连通，中空螺杆8同心安装在机筒6中；电机1、联轴器2、减速箱3、法兰盘4和机筒6安装在机架13上。

如图2‐4所示，在靠近导流板11的中空螺杆8的内孔中设有过渡板7、收敛板9和螺杆头10，过渡板7安装在靠近料斗5的一端的中空螺杆8内，至少一组收敛板设置在过渡板7与螺杆头10之间，螺杆头10设置在中空螺杆8前部顶端；过渡板7中心设有通孔，通孔通过过渡板7上的流道以及中空螺杆8上的多个开口与机筒6的筒体的螺槽连通；优选过渡板7上的流道和中空螺杆的开口为4个，过渡板7上的流道和中空螺杆的开口连通；进一步优选过渡板7开有对称的4个开口的流道，流道以双曲线为母线（如图4所示）。一组收敛板由两块收敛板9连接组成，其中一块收敛板设有由小到大逐渐增大的中心孔，另一块收敛板设有由大到小逐渐减小的中心孔，两块收敛板9的空心孔连通，并与过渡板7上的流道连通；优选一组收敛板中两块收敛板中心孔的最大直径和最小直径都相同；优选不同组的收敛板中心孔的最大直径和最小直径都相同；优选收敛板9中心孔加工成母线为双曲线形式的流道，利用该结构使得物料在收敛与发散流道中拉伸速率的大小保持不变，亦即在流道内的整个流动过程物料受到恒拉伸形变作用。螺杆头10内的流道一端与收敛板7的中心孔连通，另一端与导流盘11前端的机筒6空腔连通。相邻两块收敛板的收敛方向相反，从而形成能产生收敛与发散流动的流道，使得混合过程中物料受到周期性变化的拉伸形变作用。

塑化混合过程如下：物料由料斗5加入，经过中空螺杆8的固体输送、熔融、熔体输送，并在螺槽中剪切形变作用下初步混合后物料输送到了螺杆的顶端。当导流板11上的堵头12堵住时，在熔体压力的作用下物料通过螺杆头10上的孔流入到中空螺杆8的收敛与发散流道中，然后再由过渡板7上的四个流道流入到螺杆8的螺槽中，形成循环流动，当混合质量达到要求时，打开导流板11上的堵头12，就可以把物料排出，完成一次混合过程。

混合过程中一方面物料在螺槽中流动，物料主要受到剪切形变作用。另一方面当物料在螺杆8的收敛与发散流道中流动时，物料流经的截面面积发生从小变大再从大变小的周期性变化。当物料流经的截面面积从小变大时，物料在发散流动过程膨胀，相反当物料流经的截面面积从大变小时，物料在收敛流动过程被压缩，无论是被压缩还是膨胀作用物料均受到与速度梯度方向一致的应力作用，形成了以拉伸形变为主的混合过程。通过两种混合方式相结合，从而实现了剪切形变与拉伸形变协同作用的输运混合过程。收敛板9流道大端与小端的比值越大，物料在流道中受到的收敛作用越明显，产生的拉伸/挤压应力越大。物料在流道中反复通过收敛与发散的作用，受到周期性变化的拉伸流场的作用，一方面强化塑化混合过程的传质、传热过程，提高混合效果与混合效率，另一方面也有利于多相体系界面更新，提高混合性能。

实施例2

如图5-8所示，一种剪切形变与拉伸形变协同作用的螺杆式混合装置，主要由驱动电机1、联轴器2、减速箱3、法兰盘4、料斗5、机筒6、过渡板7、中空螺杆8、收敛板9、螺杆头10、导流盘11、堵头12、机架13组成；其基本结构同实施例1，不同之处为收敛板9的结构不同。参考图5，收敛板9是将实施例1的内孔为双曲面形式的收敛板换成内孔为圆锥面形式的收敛板，结构如图8所示。物料流过的流道横截面积呈线性变化，这种收敛板的特点是其产生的拉伸速率的大小随位置而变化。

实施例3-6

如图1-4所示，一种剪切形变与拉伸形变协同作用的螺杆式混合装置，主要由驱动电机1、联轴器2、减速箱3、法兰盘4、料斗5、机筒6、过渡板7、中空螺杆8、收敛板9、螺杆头10、导流盘11、堵头12、机架13组成；其基本结构同实施例1，不同之处为收敛板9的数量不同。通过改变空心螺杆中收敛板的数量进行碳纳米管填充聚丙烯对比实验，其中碳纳米管重量含量为1%，收敛板9的数量分别为2、4、6、8。混合后得到的复合材料利用透射电镜对碳纳米管在机体中分散的均匀性进行表征，其透射电镜图分别如图9、图10、图11、图12所示，从图9-图12可以看出：(1)利用该装置能够实现拉伸形变与剪切形变协同作用的塑化混炼过程；(2)随着收敛板数量的增多，其他工艺条件相同时拉伸形变作用的时间越长，碳纳米管在基体中分散得越均匀。

Claims (9)

1.剪切形变与拉伸变形协同作用的螺杆式混合方法，其特征在于，物料在料筒的摩擦拖曳作用下沿螺槽方向流动，受到剪切形变作用；在熔体压力作用下受剪切作用后的物料从螺杆头进入空心螺杆中，物料在由收敛板串联叠加所形成的具有收敛与发散流动特性的流道中受到周期性变化的拉伸形变作用，然后物料从过渡板上的流道流入到螺槽中，实现物料在螺槽及空心螺杆内孔中的循环流动塑化混炼过程，处理后的物料从螺杆头前端的导流盘流出。

2.实现权利要求1所述方法的剪切形变与拉伸变形协同作用的螺杆式混合装置，其特征在于：主要由驱动电机、联轴器、减速箱、法兰盘、料斗、机筒、过渡板、中空螺杆、收敛板、螺杆头、导流盘和堵头组成；中空螺杆与减速箱相连，机筒的一端安装在法兰盘上，机筒的另一端与导流板连接，堵头安装在导流板上；料斗在靠近法兰盘处与机筒的空心部分连通，中空螺杆同心安装在机筒中；在靠近导流板的中空螺杆的内孔中设有过渡板、收敛板和螺杆头，过渡板安装在靠近料斗的一端的中空螺杆内，至少一组收敛板设置在过渡板与螺杆头之间，螺杆头设置在中空螺杆前部顶端；过渡板中心设有通孔，过渡板上的流道以及中空螺杆上的多个开口与螺槽连通；过渡板上的流道和中空螺杆的开口连通；一组收敛板由两块收敛板连接组成，其中一块收敛板设有由小到大逐渐增大的中心孔，另一块收敛板设有由大到小逐渐减小的中心孔，两块收敛板的空心孔连通，并与过渡板上的流道连通；螺杆头内的流道一端与收敛板的中心孔连通，另一端与导流盘前端的机筒空腔连通。

3.根据权利要求2所述的剪切形变与拉伸变形协同作用的螺杆式混合装置，其特征在于，所述过渡板上的流道和中空螺杆的开口至少为3个。

4.根据权利要求3所述的剪切形变与拉伸变形协同作用的螺杆式混合装置，其特征在于，所述过渡板开有4‐8个开口的流道。

5.根据权利要求2所述的剪切形变与拉伸变形协同作用的螺杆式混合装置，其特征在于，一组收敛板中两块收敛板中心孔的最大直径和最小直径都相同。

6.根据权利要求2所述的剪切形变与拉伸变形协同作用的螺杆式混合装置，其特征在于，不同组的收敛板中心孔的最大直径和最小直径都相同。

7.根据权利要求2所述的剪切形变与拉伸变形协同作用的螺杆式混合装置，其特征在于，所述收敛板中心孔加工成双曲面或者圆锥面形式的流道。

8.根据权利要求2所述的剪切形变与拉伸变形协同作用的螺杆式混合装置，其特征在于，所述螺杆转速可调或收敛板中心孔的形状或者大小可调。

9.根据权利要求2所述的剪切形变与拉伸变形协同作用的螺杆式混合装置，其特征在于，所述电机、联轴器、减速箱、法兰盘和机筒安装在机架上。