CN1051494C

CN1051494C - 带有模式混料件的多螺杆配混挤塑机

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Publication number: CN1051494C
Application number: CN95193412A
Authority: CN
Inventors: 莱夫特里斯·N·瓦尔萨米斯; 爱德华多·L·卡内多; 乔斯·M·佩雷拉; 道格拉斯·V·波施奇
Original assignee: Farrel Corp
Current assignee: Farrel Corp
Priority date: 1994-06-03
Filing date: 1995-06-01
Publication date: 2000-04-19
Anticipated expiration: 2015-06-01
Also published as: ES2152403T3; DK0764074T3; MX9606025A; TW261569B; ATE197569T1; EP0764074B1; EP0764074A1; KR970703230A; JP2912021B2; WO1995033608A1; CN1149852A; DE69519431D1; DE69519431T2; CA2191860C; AU2661695A; PL317539A1; PL177289B1; RU2145281C1; AU680372B2; BR9508698A

Abstract

多螺杆配混挤塑机(20)，它的同向旋转螺杆组件(21，22)包括成组的有较大翼尖间隔的不对称几何构型的模式混料件(51，52)，53，54)，后者可以沿它们各自旋转驱动的螺杆轴(30)可卸式地装于适当地轴向位置，以便相对于拟混配的特定塑料与添加剂能获得最佳性能。不对称的几何构型提供了动态的楔入加压，能反复驱动塑料通过大的剪切间隙作较大的沿周流动。这样就能优于先有技术而在较低和更匀的温度下配混塑料，从而可在较高的粘度下处理塑料，而塑料此时所具的较高剪切应力也能促进其在较大间隙下的分散混合。

Description

带有模式混料件的多螺杆配混挤塑机

本发明涉及塑料用的同向旋转、相互啮合、多螺杆配混挤塑机领域。

具体地说，本发明涉及这样一类机器，它所具有的同向旋转螺杆包括成组的具有较大翼尖间隔的不对称几何构型的模式混料件，且其中的这些成组的不对称模式混料件可以沿它们各自的螺杆轴，安装于任何适当的轴向位置，在这类机器中可以不用捏合块或捏合盘。

在先有技术领域中周知的相互啮合的双螺杆挤塑机，传统上是根据此挤塑机要执行的一系列处理功能，利用沿着相应的挤塑机轴安装的一批不同的部件。

一般地说，这种挤塑机的螺杆包括许多输送(正向输送)螺杆件，设计用来接收塑料和添加剂，并把它们输送到挤塑机的一个特殊工区上，这个工区专用来将塑料变换为包括有添加剂在内的热均匀的复合熔体。挤塑机的这一特殊工区在传统上包括许多捏合部件，它们通常呈块状或盘状形式，设计用来将每单位体积的高能传递给带有添加剂的塑料。传给挤塑机螺杆上捏合件的旋转驱动能消耗到塑料中，引起发热并促使各种添加剂配混到塑料复合物熔体中。

上述捏合件在传统上采用特殊的横剖面构型，设计成在相邻捏合件之间提供“有效的刮削”(很小的间隙，例如1mm或更小)，同时还在捏合件的外径与筒的内壁间提供有效的刮削。作为这种极小间隙几何结构的结果，就有很强的能量消耗到挤塑机的捏合工区中，造成局部性的极端发热。这种热能如果不予以及时地和不间断地除去，就会造成复合物熔体的过热，而有可能使塑料降解。

与上述捏合盘有关的另一个问题是一般它们会产生局部高压，特别是在捏合盘的梢端邻区。这种局部高压会形成轴的偏转力，将螺杆轴推向筒壁的内表面，使挤塑机的磨损加速。从工艺观点考虑，这种局部高压有可能使原先已碎离的固体粒料重熔到一起而结块，有悖于获得均匀复合物熔体的目的。此外，在这种先有的挤塑机中，当涉及到分散或广泛性混合时，各种不同的流体粒料就容易受到极其不均匀的捏合剪切速率。结果就必须重复多次捏合剪切作用，以保证所有的流体粒料能受到相同水平的剪切作用和/或有着相同的温度变化历程。

本发明的实施形式是这样的配混挤塑机，它有同向旋转相互啮合的螺杆，这些螺杆包括成组的具有较大间隔的，几何构型一致的模式混料件，而其中它们的不对称几何构型则提供了动态的楔入加压作用，用来驱动塑料通过大的剪切间隙作较大的切向流动。这样，塑料的大的切向流动就有利地受到动态楔入加压作用的重复驱动，而得以重复地通过大的剪切间隙。借助这种较大的剪切间隙，与使用典型的先有技术捏合件相比，就能在较低的和更均匀的温度下混合塑料。在绝大多数塑料中，粘度随温度的升高而降低。因此，与先有技术中的配混挤塑机中通常出现的情形相比，较低的温度就能使塑料在较高的粘度下处理。由于低温塑料的较高粘度，塑料的剪应力也就较高，于是即使在采用了较大的间隙时，也能促进分散混合。

在本发明下述的说明性实施例中所反映的其它种种优点在于这样的事实，通过采用种种成组的模式混料件并把它们沿螺杆的长度安装到所选定的位置上，操作人员就能根据特定的塑料与所配混的具体添加剂，灵活而合理地操作配混挤塑机使其具有最佳性能。模式混料件可依广泛的轴向位置与构型范围布置和装配成不同的组，用以改进加工特性、区域温度水平以及动态楔剪作用在双筒内的大小与轴向位置，同时用来使这类动态效应与塑料和待配混的添加剂的所需性质相匹配。

本发明及其进一步的目的、特点、优点与各个方面，将可由下面结合附图所作的详细描述中获得更清楚的了解，这些附图并非按比例绘制，而是以清楚阐明本发明的原理为其重点的。在所有的各个附图中，以相同的标号指相同的部件、相同的部分或类似的几何结构。

包括于说明书中并构成本说明书一部分的这些附图，现在是用来说明本发明的最佳实施例的，它们与前面一般性的描述以及将于下面对最佳实施例所作的详细描述一起，用来解释本发明的原理。在附图中：互啮合、同向旋转的双螺杆(图1中只示明有一个)包括着具有较大翼尖间隔的不对称模式混料件。

图1A与1B是图1中某些部分的放大图，每个图中都示明了相应的一组模式混料件。

图2是在各个模式混料件的上游端附近，沿图1中的平面2-2或图1A中的平面2-2或图1B中的平面2-2所截取并往下游观察的放大的横剖图。

图3是图2的模式混料件之一的进一步放大图，用来说明这类模式混料件中所设置的有利的不对称几何关系。

图3A是图3的上半部，供进一步说明用。

图3B是图3的上半部以及图3A本身的进一步放大图，用于说明目的。

图4A与4B分别是带有两个各具右手(“RH”)扭转(twist)轴向延伸翼的不对称模式混料件的端视图与侧视图。RH扭转是一种正向挤出扭转，它也可视作下游挤出扭转。图4A是图4B中的混料件从上游观察，如箭头4A-4A示向时的端视图。图4B是图4A中的混料件按箭头4B-4B示向的侧视图。

图5A与5B分别是类似于图4A与图4B所示的另一不对称模式混料件的端视与侧视图，只是其中的两个轴向延伸翼各具有左手(“LH”)扭转。LH扭转是一种反向挤出扭转，它也可视作上游挤出扭转。图5A是图5B中的混料件从上游观察，如箭头4A-4A示向时的端视图。图5B是图5A中的混料件按箭头5B-5B示向的侧视图。

图6A与6B分别是类似于图4A与4B的RH扭转不对称模式混料件的端视图与侧视图，只是图6A与6B中所示的混料件的轴向长度为图4A与4B中所示的2/3。图6A是图6B中的混料件往上游观察，如箭头6A-6A示向时的端视图。图6B是图6A中的混料件按箭头6B-6B示向的侧视图。

图7A与7B分别是类似于图5A与5B中所示LH扭转不对称模式混料件的端视图与侧视图，只是图7A与7B中所示的混料件的轴向长度为图5A与5B中所示的2/3。图7A是图7B中的混合件往上游观察，如箭头7A-7A示向时的端视图。图7B是图7A中的混料件按箭头7B-7B示向的侧视图。

图8是沿图4B、5B、6B或7B中任何一个相应的8-8平面截取的横剖面图。所示模式混料件的这一剖面图是叠置于双螺杆理想自清理剖面(图中的阴影区)之上。此种“双螺杆理想自清理剖面”乃是能够用于同向旋转、相互啮合的双螺杆挤塑机中这样一种剖面的最大比例区，其中螺杆能连续地和同向旋转与其配对的另一螺杆接触，同时也能连续地与挤塑机套的圆柱形筒壁的内表面接触。图8中的剖面比较用来着重表明围绕这些不对称模式混料件周围设置有较大的间隙。

下面说明最佳实施例。图1、2、3与3A示明的多螺杆配混挤塑机20具有成对的相互啮合同向旋转的螺杆21与22。由于图1是侧视剖面图，只能看到一个螺杆21。箭头23表示通过机器20的下游方向。在机器20中，螺杆21与22的套24包括一批筒形段26-1至26-9，它们由适当的先有技术中已知的可折卸的连接装置，以可卸下的方式相互连接地设于轴向上准直的位置。

所示明的第一筒形段26-1具有一个入口25，用来将适当的物料按箭头27的示向送入此套内处理。在套24的上游端，如图1中的左侧所示，有一合适的驱动机构28由虚线29所示的机械连接件连接到螺杆21和22各自的圆轴30(图2)上，用来依相同速度和沿相同方向驱动这两个螺杆。驱动机构28与带有适当的止推轴承的机械连接件29是本项技术中周知的。例如，螺杆21与22绕它们各自轴线31与32的转动方向可以是反时针方向的，如箭头34′所示，沿螺杆轴线31与32往下游方向观察的结果。要注意到，沿轴线31与32往下游观察如箭头34′所示的反时针转动方向，是和沿这些轴线往上游观察如箭头34所示的顺时针转动方向相同。

所示的第七个筒形段26-7有一个用来释放由箭头37示出的挥发物的通风口36。在套24的下游端处的第九个筒形段26-9界定出此套的出口38，从其中按箭头39所示排出已配混好的挤出物。图1中的右侧可以看到螺杆21的轴30的下游稍端33。应知通常有一合适的模具(未示明)安装于出口38处，而从机器20排出的挤出物39即通过此模具。

每个圆形螺杆轴30包括一或多个键槽40(图2)，沿各自的轴并平行于各自的轴线31或32延伸，用来接收与安装在相应轴上部件中的对应键槽44相配合的键42，以在各圆形螺杆轴30与可卸下地安装于其上的部件之间形成形锁合旋转驱动连接。在入口25的区域(图1)中，各螺杆21与22包括一批相互啮合同向旋转的运输螺杆件45与46，它们首尾相连地安装并键合到各自的轴上。要注意到螺杆件46比螺杆件45长，同时螺杆件46的螺棱板49与螺杆件45的螺棱47相比，具有合适的较长的螺旋线升程，以便快速地将送入的物料从入口25送到下游。如图所示，每个运输螺杆件45与46分别有两个螺棱47或49。每个这样的螺棱绕其相应的螺杆轴线31或32延展整个一圈即360°。

由于各运输螺杆件45上的螺旋棱47具有整圈式结构，当把这些运输螺杆件如图1所示，以首尾相接关系安装并键合到相应的螺杆轴30上时，就能提供不间断的螺棱，遍及相邻组配的输送件45和46的整个轴向长度。

输入的物料27包括合适的塑料与合适的添加剂，它们将于机器20中配混与混合。各个螺杆21与22的运输螺杆件45和46，将这些待加工的物料送到首尾相连地安装于它们各自轴30上的模式混料件51与52的第一组50-1。如图所示，此混料组50-1包括有RH扭转(twist)不对称模式混料件51，它相邻并位于LH扭转不对称模式混料件52的紧邻上游处。从图1A中可以极清楚地注意到，位于模式混料件51紧邻上游处的运输螺杆件45的两个螺棱，是与此混料件51的翼片62(图2、4A与4B)的相应翼尖60(图2、4A与4B)准直。这样，混料件51的两个翼尖60便有效地构成了两个螺棱47下游的连续体，但是翼尖60的螺旋角与螺旋线升程则不同于螺棱的螺旋角与螺旋线升程。换言之，在各螺棱47为相应翼尖60遇合的相接处，螺旋扭转中会有急剧的改变(下降)。

在各螺杆21或22的第一混料组50-1的下游的另一混料组50-2(图1B)包括不对称的模式混料件53与54(分别示明于图6A、6B和7A、7B)。

在混料组50-1与50-2之间有一批邻接的，依序装配的运输螺杆件45，安装并键合在相应的轴30上。图中示明了四个螺杆件45，以及一个短的运输螺杆件48，后者的两个螺棱47各绕其相关的轴线31或32伸延半个整圈即180°。从图1A中可以极清楚地注意到，位于模式混料件52最邻近下游处的运输螺杆件45的两个螺棱47，是同此混料件52的两个翼片64的翼尖60(图5A与5B)准直的。这样，下游相邻的运输件45的两个螺棱47便有效地形成了混料件52的翼片64的翼尖60的下游连续体，但是在各下游的运输螺旋螺棱47与上游挤出翼片64的翼尖60的会合处，于螺旋扭转中存在急剧的反向。

短螺杆输送件48的两个螺棱47与模式混料件53的翼片66的翼尖60(图2、6A与6B)准直，使得这些翼尖有效地构成了螺棱47下游的连续体，但在这些螺棱与邻近下游翼尖60之间的会合处，螺旋扭转中有急剧改变(下降)。

在第二混料组50-2与挤塑机出口38之间是最后的一列螺杆运输件，它依序包括：两个螺杆件45、两个较长的螺杆件46，它们有位于通风口36邻近的较短螺距和较长螺旋线升程的螺棱48，以及七个之多的螺杆件45。这最后一列七个螺杆件45用来蓄集压力把挤出物39通过出口38处的模具(未示明)排出。较长的螺杆件46以其较长的螺旋线升程通常使下游的输送速度增加，以防在通风口36处附近将筒形件完全填满而有利于挥发物37的排出。应该注意到各个轴端33包括有适当的紧固装置，例如锁紧螺母带着垫圈拧合到轴端上，用以保持和固定住安装到相应的轴30之上来形成螺杆21和22的一串组装件45、46、51、52、45、48、53、54、45、46与45。

在各个螺杆21与22中，如图1B较清楚地表明，位于第二混料组50-2的模式混料件54下游紧邻处的运输件45的两个螺棱47，是与此混料件的翼片68的翼尖60准直(图7A与7B)，有效地形成了翼片68的翼尖60的下游连续体。在各下游运输螺棱47与模式混料件54的各上游挤出翼尖60相会合处的螺旋扭转有一急剧的反转。

为了说明各不对称模式混料件51、52、53与54的特点，最好是采用一些按以下解释的有确定意义的名词。这里所用到的下述名词、尺寸、系数与比例等，它们各自的意义如下：

“水平”、“垂直”、“顶部”、“底部”、“上”、“下”、“朝上”与“向下”是用来方便与清楚地描述构件、零件、部件或方向相对于附图中各图在观察或表示中的情形，这时是假定各个附图位于它们通常竖立的定向中。应该认识到这些词并非用于限定目的，因为在机器20的运行过程中，机器20中的构件、零件部件或方向是会由图中所示的情形移动或转动到不同的定向或角度位置的。

“物料”或“材料”是用来指一种或一批“物料”或“材料”。

“塑料”是指可以包括任何适当添加剂的用于配混挤塑机20中进行配混的任何适当的一或多种塑料。

“键槽”、“键”与“键合”是用在足够广泛意义下的包括其它等效装置，例如花键，用来在可旋转驱动轴和可卸下地安装于该轴上并为该轴带动旋转的运输螺杆件或不对称模式混料件之间，提供形锁合的旋转驱动关系。

以下各标号所具意义分别说明如下：

D 筒壁的内径(ID)，也可以指筒的孔径，筒的内径；

δ 翼尖间隔；

e 图3、3A与3B中沿周边方向的翼尖宽度；

Φ 角翼尖宽度；

Φ₁ 周边方向中的前夹角翼尖宽度；

Φ₂ 周边方向中的后夹角翼尖宽度；

R_B 筒的内半径；

R₀ 翼尖半径；

X₀ 底座半宽度；

R₁ 前向面半径；

x₁ 前向面中心点坐标，垂直于翼片；

y₁ 前向面中心点坐标，垂直于底座；

α 前向面楔角；

R₂ 后向面半径

列出于下面的各方程中的所有直线距离均与筒的内半径R_B有关。下述各比例定义为：

a＝e/δ 翼尖间隔的长宽比

b＝x₀/R₀ 翼片的展弦比

ε＝Φ₁/Φ 翼尖的对称系数

这里涉及到18个无量纲的几何变量：12个距离比、5个角度与1个角度比。下面的6个变量视作为主要的或独立的设计变量，它们是δ/R_B、a、b、ε、α和β，可以选择来用于任何特定的不对称模式混料件。其它的12个变量则视为因变量，可以通过联立地求解下述12个方程算出。注意“atan”乃是“arctan”的计算机缩写符号。

(1) . . . . . . . {(\frac{x_{1}}{R_{B}})}^{2} + {(\frac{y_{1}}{R_{B}})}^{2} = {(\frac{R_{0}}{R_{B}})}^{2} + {(\frac{R_{1}}{R_{B}})}^{2} - 2 (\frac{R_{0}}{R_{B}}) (\frac{R_{1}}{R_{B}}) \cos α

(2) . . . . . . (\frac{R_{1}}{R_{B}}) \sin α = \sqrt{{(\frac{x_{1}}{R_{B}})}^{2} + {(\frac{y_{1}}{R_{B}})}^{2}} \sin (φ_{1} + a \tan (\frac{x_{1}}{y_{1}}))

(3) . . . . . . {(\frac{x_{2}}{R_{B}})}^{2} + {(\frac{y_{2}}{R_{B}})}^{2} = {(\frac{R_{0}}{R_{B}})}^{2} + {(\frac{R_{2}}{R_{B}})}^{2} - 2 (\frac{R_{0}}{R_{B}}) (\frac{R_{2}}{R_{B}}) \cos β

(4) . . . . . . . . (\frac{R_{2}}{R_{B}}) \sin β = \sqrt{{(\frac{x_{2}}{R_{B}})}^{2} + {(\frac{y_{2}}{R_{B}})}^{2}} \sin (φ_{2} + a \tan (\frac{x_{2}}{y_{2}}))

(5) . . . . . . . \frac{R_{1}}{R_{B}} - \frac{x_{1}}{R_{B}} = \frac{x_{0}}{R_{B}}

(6) . . . . . . . . \frac{R_{2}}{R_{B}} - \frac{x_{2}}{R_{B}} = \frac{x_{0}}{R_{B}}

(7) . . . . . . \frac{e}{R_{B}} = a \frac{δ}{R_{B}}

(8) . . . . . . \frac{x_{0}}{R_{B}} = b \frac{R_{0}}{R_{B}}

(9) . . . . . . \frac{e}{R_{B}} = φ \frac{R_{0}}{R_{B}}

(10) . . . . . . φ_{1} = \frac{ϵφ}{1 + ϵ}

(11) . . . . . . φ_{2} = \frac{φ}{1 + ϵ}

(12) . . . . . . . \frac{δ}{R_{B}} = 1 - \frac{R_{0}}{R_{B}}

一旦选定了6个独立变量或自变量的范围，就可以计算出因变量的应有范围。应该注意到这六个自变量的范围并不能随意选定，而要受到某些参数例如Φ≥0的约束，整个这些参数条件构成了一系列复杂的边界条件。此外，根据本发明，为了在各种塑料与待配混的添加剂的处理中改进配混挤塑机的加工特性，后面可以看到，以上这六个自变量有其合适的、较合适的和最合适的范围。

进一步参看图2，所示的套组件24包括两个邻接的筒形段83与84，它们有相交的各自大致为圆柱形的内壁面81与82(筒的内表面)。这些圆柱形表面81与82如图2中的横剖面所示，外观上呈两个相交成8字形的圆。

每个不对称的模式混料件51、52、53或54有一个用来装配到轴30上的轴向孔56。运输螺杆件45、46与48有孔与键槽(未示明)，与图2中所示的用于模式混料件的类似。

图3、3A与3B中极清楚地示明了不对称模式混料件51、52、53或54的剖面57。示明于图3中每个模式混料件分别有两个不对称翼片62、64、66或68。图3中还分别示明了在套组件24中筒形段83或84的圆柱形内表面81或82的直径D。混料件各部分的尺寸以后可以用这种筒形段的即筒的内径D表示，所以各部分的尺寸都可以普遍地相对于D表示出而得以适用于各种规格的配混挤塑机，或者为了类似的能进行统一说明的理由，这些尺寸也可以用筒的内半径R_B表示。

每个翼片62、64、66或68包括一个半径为R₁的凸形前向面70，它沿拐角71与翼尖60的表面遇合。此凸形前向面70与不对称剖面57的平直切线部73(称作“平直部”)在点72遇合。如图3A所示，此会合的切点72位于基线X上相隔一段与坐标距离Y₁相等的距离，而前向面的中心点74即位于此基线上方。成对的基线半宽度X₀即处于此基线X上的轴线31或32的两侧。

每个翼片62、64、66或68包括半径为R₂的一个凸形后向面76，它沿拐角77与翼尖60的表面遇合，后向面的半径R₂最好恒大于前向面半径R₁，理由见后。半径为R₂的后向面中心点78在基线X上隔一小的坐标距离y₂。前向面中心74坐标距离x₁与后向面中心点78的坐标距离x₂，是按垂直于各模式混料件51、52、53或54的两个不对称翼片62、64、66或68的中心线75(主弦)时测量的。这一中心线主弦75之所以称作“中心线”，是因为它穿过轴线31或32。坐标x₂恒大于x₁而坐标y₂恒小于y₁。由于后向面中心点78略在基线X之上方，于是可以看到，平直部73是略伸出基线X外一小段距离，而在会合切点79处与凸形后向面76会合。

为了说明在不对称翼片62、64、66或68的凸形前向面70与筒的内壁面81或82之间的一个有利的楔角α，下面参看图3B。先引出一个第二半径R₁。此第二半径R₁是从前向面中心点74延伸到前向面70的剖面57与翼尖60的表面相交处的拐角71的一条线段86。由于从点74至拐角71的线段86是弧形前向面70的半径，它就在点71正交(垂直)于凸形前向面70在点71的切线。从轴线31或32至拐角71引伸出一条直线90，此直线90上由虚线91表明它延伸出到筒的内表面81或82上的一点92。由于上述引伸出的线90、91是从轴线31或32(即筒的内表面的轴线同时也是螺杆组件21或22的轴线)辐射出，这样的延伸线90、91便是筒的内表面的半径，因而在点92垂直于筒的内表面在点92的切线。

在拐角点71处引出前向面71的切线即图中的虚线93。引出的另一条虚线94则在点92处与筒的内表面81或82相切。切线93与94间的角α称为前向面楔角，这是因为它能在平直部至弯曲部会合点72处附近开始一直到翼尖而至前向拐角71处提供基本上是恒定的和均匀的楔入作用。线段86与直线90由于分别垂直于切线93与94，它们也就在自身之间限定出相同的前向面楔角α，如图3B报示。根据几何原理，可知分别垂直于两条相交直线(切线93与94)的直线86与90它们之间界定出的角度与这两条相交直线间的角度相同。

按类似的理由，可知从后向面中心点78延伸到翼尖至后向拐角77的线段87是弧形后向面的另一个半径R₂。因此，线段87在拐角点77处垂直于后向面曲线76的切线95(虚线所示)。从轴线31或32辐射到拐角点77的线段96如图所示，延伸一段虚线97到筒的内表面81或82上的点98。这样，筒的内表面81或82在点98的切线99(以虚线表明)即垂直于线段96、97。切线95与99间的角β称作后向面楔角且总是大于前向面楔角α。直线87与96也在它们之间界定出与切线95和99间所界定的相同的角度β，其几何原理与上面关于角α的相同。

通过前向面70与筒的内表面81或82间楔入区85中楔角α(图3B)所产生的动态楔入作用，拟配混的塑料27(图1)即在区85中受到动态楔入加压作用，依箭头88所示，以较大的沿周塑料流推进，通过翼尖60处的较大剪切间隔δ。这样，在动态楔入加压作用下，重复地驱动大的沿周塑料流88，而得以重复地通过大剪切间隙δ。由于这种较大的剪切间隙，与采用典型的先有技术的捏合件相比，这里的塑料就能在较低和较均匀的温度下混合。由于绝大多数塑料的粘度随温度的升高而下降，所获得的较低温度就能塑料在高于先有技术的配混挤塑机中通常所发生的粘度下进行加工。由于低温塑料有较高的粘度，塑料中的剪应力也较高，因而纵然采用了较大的间隙δ，也能改进分散混合效果。

此外，由于将后向面楔角β选择成大于前向面的楔角α，塑料在其通过后向翼尖拐角77后就会突然松释即减小了它的沿周流速。塑料在通过拐角77后在后向楔入松释区89中的这种突然松释，就能有效地促致塑料从筒的内表面81或82上脱出，几乎类似于塑料从这种内表面上弹离。因此，不需在后向楔角区89中耗用多少能量，这样，与采用对称式捏合块或控合盘的情形相比，可以节能和使塑料保持在较低的温度下。

用根据ASTM试验方法D1238〔条件为230℃(446°F)，柱塞重2.16kg〕测得的熔体流动指数(MFI)为2.5的聚丙烯塑料，进行了共七个试验的试验序列。所用的配混挤塑机包括按图1、1A、1B、2、3、3A与3B所布置的螺杆组件21与22。这七个试验结果汇总于下面列出的表I的1至7栏中。“SEI”指比能输入，是以所得的质量流率(磅/小时)去除测得的能量输入的结果。八个相接连的筒形段26-2至26-9的温度以适当的温度传感器进行了测量，由这些传感器进行测温的情形之一以T表示，所示的传感器100插入于筒形段26-6中，得以对相应的筒形段的温度作出反应。出口温度与出口压力分别是挤出物39的温度以及它通过模具挤出时的压力。头部温度则是指出口头部在最后筒形段26-9下游端处的温度。模具温度即挤出物39受迫所通过的模具(未示明)的温度。

对于八个筒形段与出口头部，在各个试验栏中列出了两个温度。各栏中的左侧温度值是设定温度(或目标温度)，右侧的温度是实际所得的温度即各个测量出的温度值。应该注意到，在所有的七个试验中，沿此筒的整个长度上获得了较低和较均匀的温度。

表I材料：聚丙烯，熔体流动指数MFI＝2.5

试验	1		2		3		4		5		6		7
试验	1		2		3		4		5		6		7		流率 (lb/hr)	680		680		740		830		830		830		830
转速 (rpm)	350		350		350		350		350		350		350		流率 (lb/hr)	680		680		740		830		830		830		830
转速 (rpm)	350		350		350		350		350		350		350		SEI (hp-hr/lb)	0.103		0.100		0.095		0.085		0.085		0.082		0.079
筒 T1 (°F)	400	395	400	395	400	395	400	395	400	400	400	395	400	395	SEI (hp-hr/lb)	0.103		0.100		0.095		0.085		0.085		0.082		0.079
筒 T1 (°F)	400	395	400	395	400	395	400	395	400	400	400	395	400	395	筒 T2 (°F)	400	410	400	405	400	410	400	405	400	405	400	405	400	405
筒 T3 (°F)	400	405	400	405	400	405	400	400	400	400	400	400	400	400	筒 T2 (°F)	400	410	400	405	400	410	400	405	400	405	400	405	400	405
筒 T3 (°F)	400	405	400	405	400	405	400	400	400	400	400	400	400	400	筒 T4 (°F)	400	390	400	390	400	390	400	390	400	390	400	390	400	395
筒 T5 (°F)	400	400	350	380	350	390	350	365	300	355	400	395	400	400	筒 T4 (°F)	400	390	400	390	400	390	400	390	400	390	400	390	400	395
筒 T5 (°F)	400	400	350	380	350	390	350	365	300	355	400	395	400	400	筒 T6 (°F)	400	395	350	325	350	325	350	325	300	275	400	365	400	360
筒 T7 (°F)	400	395	350	320	350	300	350	325	300	270	400	295	400	330	筒 T6 (°F)	400	395	350	325	350	325	350	325	300	275	400	365	400	360
筒 T7 (°F)	400	395	350	320	350	300	350	325	300	270	400	295	400	330	筒 T8 (°F)	400	395	350	330	350	335	350	350	300	280	400	390	400	395
头部温度 (°F)	400	400	400	395	400	395	400	395	400	395	400	395	400	400	筒 T8 (°F)	400	395	350	330	350	335	350	350	300	280	400	390	400	395
头部温度 (°F)	400	400	400	395	400	395	400	395	400	395	400	395	400	400	模具温度 (°F)	330		330		330		330		330		330		330
出口温度 (°F)	435		400		400		390		410		395		415		模具温度 (°F)	330		330		330		330		330		330		330
出口温度 (°F)	435		400		400		390		410		395		415		出口压力 (psig)	830		880		820		750		830		760		740

图4A与4B是不对称模式混料件51的端视图与侧视图，此混料件51已参照图1与图1A作了说明。在图4A与4B中，两个翼片62相对于螺杆轴线1或32位于径向相对的角度位置。如图所示，翼片62及其翼尖60在混料件51的轴向长度L内具有90°的右手扭转。仔细观察表示筒形段26-3的图1A当可看到，所表明的这一轴向长度L乃是筒形段的轴向长度的一半。以图中所示的两个相对的键槽44和一个90°的扭转，此混料件就能装配成多组和多个结合体的形式，而以它们的翼尖60准直，在它们的首尾相连的接合处形成不间断的螺旋。

图5A与5B是相对于图1与1A说明过的不对称模式混料件52的端视与侧视图。所示明的混料件52有两个相对于螺杆轴线31或32位于径向相对角度位置的翼片64。这两个翼片64及其翼尖60如图所示，在轴向长度L(筒形段轴向长度的一半)上具有90°的左手扭转。借助两个如图所示的相对键槽44和90°的扭转，此混料件52就能装配成多组和多个结合体的形式，而以它们的翼尖60准直，在它们的首尾相连的接合处形成不间断的螺旋。此外，混料件51和52可组装成前述混料组50-1。其翼尖在接合处104(图1)准直，但在接合处104形成尖点的扭转有突然的转向。

图6A和6B是图1所示的非对称模式混料件53的端视和侧视图。所示的混料件53有两个径向相对的翼片66。具有翼尖60的翼片66如图所示，在三分之二L的轴向长度范围内具有90°的右手扭转。于是，混料件53的长度如图所示为筒形段长度的三分之一。借助于两个如图所示的相对键槽44和90°的扭转，混料件53能装配成多组和多个结合体的形式，而以其翼尖在其首尾结合处准直，以形成不间断的螺旋。此外，右手扭转的混料件51与53则能组装成以它们的翼尖准直，而在它们的接合处改变RH螺距。RH扭转混料件51与53能在LH扭转混料件52的上游组装成以其翼尖准直，但这时会在扭转中存在突然的换向而在它们的接合处形成尖点。

图7A与7B是90°扭转的不对称LH扭转模式混料件54的端视图与侧视图。此混料件54也已在图1A与1B中给出。它具有2/3L的轴向长度并且与混料件53类似，只是它们的螺旋扭转具有相等的螺距和相反的方向。这样，当首尾相连地安装成图1B所示的混料组50-2时，由于它们的轴向长度较短，就形成一个具有较尖点104(图1A)更陡的V形的尖点106，这样，与较长的混料件51和52的翼尖60的螺旋角相比，就能在它们的翼尖60中形成较大的螺旋角(较短的螺旋线升程)。

在图8中，是将一对称的模式混料件的剖面57叠置于双螺杆的理想的自清理剖面107(阴影区)之上。正如以前说明过的，这种双螺杆的理想的自清理剖面只能够用于同向旋转、相互啮合的双螺杆挤压机中这样一种自清理剖面的最大比例区，其中螺杆能连续地和与其同向旋转螺杆保持清理接触，同时也能连续地与一圆柱形筒的内壁面81或82保持清理接触。在剖面107与57之间的阴影区占有显著比例量的事实表明，在这些模式混料件的不对称剖面57周围设有较大的间隔。

在机器20的运行中，下游流主要是沿着筒的运输螺杆件45、46或48相互啮合区域中的通道流。这种通道流沿螺旋槽出现在逐螺旋螺棱47之间。与这种通道流不同的则是较大量的沿周流，形成在沿着筒的安装有成组的不对称模式混料件51、52、53或54的区域内。通过它们的动态楔入作用和它们的较大的剪切间隙，它们产生出较大比例量的沿周流，如图3B中的箭头88所示。应知筒中的整团塑料都是向下游行进的，但是所示和所描述的不对称构型会产生较大比例量的沿周流88，由此而使塑料重复地通过较大的翼尖间隔δ，用以高效和高质量地形成均匀配混的塑料。

发明人所进行的分析研究结果，对于前面在不对称剖面57中所讨论过的独立设计变量，选择了下面的理想范围：

表II

翼尖间隔δ对筒的内半径R_B之比＝约0.01～约0.15

翼尖间隔的长宽比a＝约1至约8

翼片展弦比b＝约0.5至约0.8

翼尖对称系数ε＝约0至约1

前向面楔角α＝约5°至约25°

后向面楔角β＝约10°至约90°

而β至少较α约大1°。

用于不对称剖面57的这些独立设计变量的更理想范围如下：

表III

δ/R_B＝约0.02至约0.12

a＝约1.5至约6

b＝约0.55至约0.75

ε＝约0.25至约0.75

α＝约10°至约20°

β＝约20°至约30°

β至少较α约大5°。

对于不对称剖面57的这些独立设计变量的最理想范围如下：

表IV

δ/R_B＝约0.03至约0.10

a＝约2至约5

b＝约0.6至约0.7

ε＝约0.4至约0.6

α＝约12°至约16°

β＝约22°至约28°

β至少较α约大7°。

再来观察用4A与4B、图5A与5B、图6A与6B以及图7A与7B，模式混料件的翼尖60的螺旋角优选范围是约20°至约60°。此翼尖的螺旋线升程的最佳范围是约2D至约8D。

此外还应注意到，相对于模式混料件51、52、53与54所示的90°扭转是与它们的双键槽构型有关。对于三键槽构型，则采用60°的扭转角给翼尖60在首尾连接处提供准直。对于四键槽构型，则可用90°或45°扭转角为翼尖在上述接合处提供这种准直，等等。

由于本领域普通技术人员能够认识到为适应具体的配混挤塑机的操作要求及环境而要作出的其它一些变动与修改，本发明就不能局限于上面所选择的供说明用的例子，而应包括在不脱离本发明为下述权利要求书及等效向空所请求保护的本发明的实际精神与范围内的，配混挤塑机中的所有变化与更改内容。

Claims

1.多螺杆配混挤塑机(20)，此机器包括：

套组件(24)，它具有两个邻接的基本上是圆柱状的筒形段(83，84)，每个筒形段各有其内壁面(81，82)；

挤出配混螺杆(21，22)，设在上述各邻接的筒形段(83，84)内，这些螺杆沿轴向相互连接并按相同方向绕转动轴线(31，32)转动；

每个螺杆(21，22)包括多个运输螺杆件(45、46、48)，它们以可卸下的方式安装并键合于可旋转驱动的轴(30)上；

上述运输螺杆件(45、46、48)相互啮合；

各螺杆(21，22)包括至少一组(50)不对称的模式混料件(51，52与53，54)；

各模式混料件(51，52，53，54)以可卸下的方式安装和键合到上述轴(30)上；

各模式混料件(51，52，53，54)有多个不对称翼片(62，64，66，68)；

上述模式混料件(51，52，53，54)相互啮合；以及

上述不对称模式混料件(51，52，53，54)的各组(50)包括有至少一个模式混料件(52，54)，后者具有一个左手扭转，它安装在紧邻的下游并与具有一个右手扭转的至少一个模式混料件相邻。

2.如权利要求1所述的配混挤塑机，特征在于：

每个翼片(62，64，66，68)具有前向面(70)和后向面(76)以及位于此前向面与后向面之间的翼尖(60)；

前向面(70)与筒的内壁面(81，82)界定出前向面楔角α；

后向面(76)与筒的内壁面(81，82)界定出后向面楔角β；和

角β比角α至少约大5°

3.如权利要求2所述的配混挤塑机，特征在于：

前向面楔角α在约5°至约25°的范围内，而

后向面楔角β在约10°至约50°的范围内。

4.如权利要求3所述的配混挤塑机，特征在于：

翼尖(60)距筒的内壁面(81，82)有翼尖间隔δ；

筒的内壁面(81，82)有筒的内半径R_B；而

翼尖间隔δ对筒的内半径R_B之比为约20％到约15％。

5.如权利要求4所述的配混挤塑机，特征在于：

翼尖(60)具有一周向宽度e；

翼尖间隔的长宽比a定义为翼尖周向宽度e对翼尖间隔δ的比；而

此翼尖间隔的长宽比在约1至约8的范围。

6.如权利要求5所述的配混挤塑机，特征在于：

筒的内壁面(81，82)相对转动轴线(31，32)同轴；

翼尖周向宽度e相对转动轴线(31，32)同心；而

翼尖间隔δ沿周向宽度e不变。

7.如权利要求2所述的配混挤塑机，特征在于：

前向面楔角α是在约10°至约18°的范围；

后向面楔角β是在约20°至约36°的范围；而

角β比角α大至少约6°。

8.如权利要求3所述的配混挤塑机，特征在于：

翼尖(60)具有距筒的内壁面(81，82)的翼尖间隔δ；

筒的内壁面(81，82)具有筒的内半径R_B；而

翼尖间隔δ对筒的内半径R_B之比为约30％至约14％。

9.如权利要求8所述的配混挤塑机，特征在于：

翼尖(60)有一周向宽度e；

翼尖间隔长宽比a定义为翼尖周向宽度e对翼尖间隔δ之比；而

此翼尖间隔长宽比从约1.5至约6。

10.如权利要求6所述的配混挤塑机，特征在于：

翼尖周向宽度e对翼尖间隔δ的长宽比是从约1.5至约6。

11.如权利要求1所述的多螺杆配混挤塑机，特征在于：

内壁表面(81，82)具有内径D；

前述的多个不对称翼片(62，64，66，68)是围绕转动轴线(31，32)沿轴向延伸并且有角扭转；而

翼片(62，64，66，68)的角扭转具有在约2D至约8D范围内的螺旋线升程。

12.如权利要求11所述的多螺杆配混挤塑机，特征在于：

各个不对称模式混料件(51，52，53，54)具有轴向长度；

各个上述模式混料件(51，52，53，54)具有轴向孔(56)，其中设有多个键槽(40，44)；

各个模式混料件(51，52，53，54)上的翼片(62，64，66，68)具有首尾相接的许多围绕转动轴线(31，32)的扭转；而

上述首尾相接的扭转数等于180°除以所述键槽数。

13.如权利要求11所述的多螺杆配混挤塑机，特征在于：

第一批所述运输螺杆件(45，46)以可卸下的方式安装并键合到前述轴(30)之上，位于各组(50)的不对称模式混料件(51，52)的上游；

第二批所述运输螺杆件(45，46，48)以可卸下的方式安装并键合到前述轴30之上，位于各组的不对称模式混料件的下游；

与一个组中的所述右手扭转模式混料件(51，53)的上游端相邻的输送螺杆件(45，48)的螺棱的下游端，是与所述这组中前述右手扭转模式混料件(51，53)的翼片(62，66)的上游端准直。

14.如权利要求13所述的多螺杆配混挤塑机，特征在于：

与左手扭转模式混料件(52，54)的下游端邻接的运输螺杆件(45)的螺棱(47)的上游端，是与所述左手扭转模式混料件(52，54)的下游端准直。

15.不对称的模式混料件(51，52，53，54)，用于以可拆卸的方式安装于配混挤塑机(20)的可旋转驱动的螺杆轴(30)之上并与该轴成键合关系，其中：

不对称模式混料件(51，52，53，54)具有用来纳置上述轴(30)的轴向孔(56)：

轴向孔(56)具有至少一个键槽(40，44)；

不对称模式混料件(51，52，53，54)具有一批不对称翼片(62，64，66，68)；

每个翼片(62，64，66，68)有一前向面(70)和一后向面(76)以及在此前向面与后向面之间的翼尖(60)；而

前向面(70)的曲率半径小于后向面的曲率半径。

16.不对称的模式混料件(51，52，53，54)，用于以可折卸的方式安装于配混挤塑机(20)的可旋转驱动的螺杆轴(30)之上并与该轴成键合关系，其中：

不对称模式混料件(51，52，53，54)具有用来纳置上述轴(30)的轴向孔(56)以及与此轴向孔同轴的转动轴线(31，32)；

轴向孔(56)具有至少一个键槽(40，44)；

不对称模式混料件(51，52，53，54)的构型便于以可卸下方式装配到螺杆轴(30)上而得以安装到配混挤塑机(20)之中，此挤塑机设计成可使两个相互啮合同向转动的螺杆(21，22)分别定位于两个相邻接的基本上圆柱状的筒形段(82，84)上，这两个筒形段各有一个筒表面内半径R_B；

不对称模式混料件(51，52，53，54)有两个位于转动轴线(31，32)相对侧上的不对称翼片(62，64，66，68)；

每个翼片(62，64，66，68)有前向面(70)和后向面(76)以及在此前向面与后向面之间的翼尖(60)；

前向面(70)有与翼尖(60)邻接的凸形部；

前向面(70)的上述凸形部具有从前向面中心点(74)延伸出的半径R₁；

从前向面中心点(74)延伸到前向面(70)上述凸形部的点(71)处的半径为R₁的部分，同从转动轴线(31，32)延伸至前向面的凸形部的上述点处的第一径向线(90)界定出一个角α；

后向面(76)沿拐角(77)与翼尖(60)遇合；

从后向面(76)在拐角(77)处延伸出并作为后向面在该拐角的笔直延伸部而延伸到筒的内表面(81，82)上一个点上的几何直线，与此筒的内表面在上述点处的切线(99)界定出一个角β；而

角β大于角α。

17.如权利要求16所述的不对称模式混料件，特征在于：

角β至少比角α约大5°。

18.如权利要求17所述的不对称模式混料件，特征在于：

翼尖(60)离转动轴线(31，32)的径向距离为R₀；而

此不对称模式混料件的构型使得上述径向距离R₀较前述筒表面的内半径R_B小一个翼尖间隔δ，而翼尖间隔δ对筒表面的内半径R_B之比则在约0.01至约0.15的范围内。

19.如权利要求16所述的不对称模式混料件，特征在于：

前向面(70)的上述凸形部沿在所述点处的第一拐角(71)与翼尖邻接；

从前向面中心点(74)延伸出的前述第一径向线延伸到第一拐角(71)；

角α是在约5°至约25°的范围内；而

角β是在约10°至约90°的范围内。

20.如权利要求19所述的不对称模式混料件，特征在于：

翼尖(60)离转动轴线(31，32)的径向距离为R₀；

不对称模式混料件(51，52，53，54)有一个从垂直于前述径向距离R₀测量的基线半宽度X₀；以及

不对称模式混合件(51，52，53，54)有一个翼片的展弦比X₀/R₀在约0.5至约0.8的范围内。

21.如权利要求20所述的不对称模式混料件，特征在于：

前向面中心点(74)偏离从垂直于径向距离R₀所测量的一个距离X₁；而

所述基线半宽度X₀等于前向面所述凸形部的半径R₁减去此偏离的距离X₁。