CN107139425A - 强拉伸同向差速多螺杆挤出机及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种强拉伸同向差速多螺杆挤出机及其加工方法，挤出机中的螺杆机构包括相互啮合的第一螺杆和第二螺杆，第一螺杆包括依次连接的第一正向输送元件、第一混炼元件和第一反向输送元件，第二螺杆包括依次连接的第二正向输送元件、第二混炼元件和第二反向输送元件，第一螺杆的外径与第二螺杆的外径不相等。其加工方法是物料进入机筒的内腔后，在螺杆机构的轴向正位移输送力和第一螺杆与第二螺杆之间的摩擦力共同作用下，实现物料输送；同时，利用第一螺杆和第二螺杆之间的速度差和直径差产生强拉伸作用，使物料在输送过程中得到充分混合、熔融和混炼塑化。本发明利用两根螺杆转速不同、直径不同产生的强拉伸作用，强化了混合混炼和传热过程。

Description

强拉伸同向差速多螺杆挤出机及其加工方法
技术领域
本发明涉及多螺杆挤出机技术领域，特别涉及一种强拉伸同向差速多螺杆挤出机及其加工方法。
背景技术
具有自洁功能的同向双螺杆挤出机是目前广泛应用的混合加工装备。这类双螺杆挤出机，只在啮合区提供扰动作用来提升混合质量，在远离啮合区缺乏混沌混合触发机制，而且，物料在左右螺槽容积一致，拉伸力场作用很小，螺槽容积主体部分缺乏有效提升混合的结构，会导致分布混合效果不能进一步提高，缺乏拉伸力场效应导致分散混合不理想。另外，双螺杆挤出机加工过程大部分为非充满状态，几乎没有变化的流道导致物料的塑化混炼大打折扣，为提高混合效果和提高产量，工程实践中常常采用高转速实现高剪切，大长径比螺杆延长加工历程，但该方式带来了高能耗、低效率和物料降解等诸多问题。近年来，出现了差速双螺杆挤出技术，即利用两根螺杆的速度差来强化加工过程的熔融和混合，虽然成功引入了混沌混合和拉伸力场作用，但无法提供更强的拉伸作用来降低临界毛细管数，从而使多相混合的尺度进一步缩小，因此，加工细微尺度及纳米材料时仍然面临极大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种强拉伸同向差速多螺杆挤出机，该结构的挤出机可产生较强的拉伸力场作用，加速熔融效率，实现优异的分散混合效果，有效减小分散相粒径，进而提高加工效率。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述强拉伸同向差速多螺杆挤出机实现的加工方法。
本发明的技术方案为：一种强拉伸同向差速多螺杆挤出机，包括机筒和螺杆机构，螺杆机构安装于机筒的内腔中，螺杆机构包括相互啮合的第一螺杆和第二螺杆，第一螺杆包括依次连接的第一正向输送元件、第一混炼元件和第一反向输送元件，第二螺杆包括依次连接的第二正向输送元件、第二混炼元件和第二反向输送元件，第一螺杆的外径与第二螺杆的外径不相等。其中，第一螺杆和第二螺杆的外径不同，导致两根螺杆的线速度差和两根螺杆的流道容积差别更大，使得两根螺杆在差速作用下的拉伸作用更强。
所述第一螺杆中，第一正向输送元件、第一混炼元件和第一反向输送元件均为单头螺纹结构；第二螺杆中，第二正向输送元件、第二混炼元件和第二反向输送元件均为双头螺纹结构。第一螺杆和第二螺杆的外轮廓线均与机筒的内壁相切，螺杆机构与机筒的内腔之间形成流道。
作为一种优选方案，所述第一螺杆中，第一混炼元件的外周边沿为带有第一凹口的间断式螺棱结构，第一混炼元件的整体外轮廓形状与第一正向输送元件相同；
第二螺杆中，第二混炼元件的外周边沿为带有第二凹口的间断式螺棱结构，第二混炼元件的整体外轮廓形状与第二正向输送元件相同；
第一凹口和第二凹口均为半圆柱状的凹槽结构。该结构的混炼元件可提供更强大的分布混合能力，但其自洁能力相对于光滑边沿的螺杆结构会有所下降。
作为另一种优选方案，所述第一螺杆中，第一混炼元件为多个第一捏合块连接形成的组合结构；
第二螺杆中，第二混炼元件为多个第二捏合块连接形成的组合结构。该结构的混炼元件除了可提供具有正位移输送能力超大产量的完全自洁的混合之外，还引入更强的拉伸力场效应，提供更强大的分散混合能力。
除此之外，第一混炼元件也可采用与第一正向输送元件结构相同的螺杆结构，第二混炼元件也可采用与第二正向输送元件结构相同的螺杆结构，即第一混炼元件和第二混炼元件的外周边沿均为光滑的螺棱结构，该结构可提供具有正位移输送能力超大产量的完全自洁的混合。
所述第一螺杆和第二螺杆同向旋转且时刻保持啮合，第一螺杆与第二螺杆之间的转速比为2～7，即第一螺杆转速为第二螺杆转速的2～7倍，或第二螺杆转速为第一螺杆转速的2～7倍。该结构中，第一螺杆与第二螺杆之间的转速比选择2～7为最优方案，理论上，转速比越大，第一螺杆与第二螺杆之间螺槽的深度会越小，其混合效果也会越好，但转速比过大时，螺槽深度接近于零，在几何上无法实现，而当转速比小于2时，其差速效果不明显，对物料的拉伸作用相当弱，起不到强拉伸作用的效果。
所述第一螺杆和第二螺杆中，其中一个螺杆为大直径螺杆，另一个螺杆为小直径螺杆，大直径螺杆的外径与内径之间的比值为1.1～1.8，小直径螺杆的外径与内径之间的比值为1.1～4.5。由试验证明，结合第一螺杆和第二螺杆的转速比，该内、外径比值可更好地保证两根螺杆的螺槽深度与对物料的强拉伸作用达到最佳状态，从而最大限度地提高其强拉伸作用。
所述第一螺杆的径向截面轮廓由多段曲率半径不相等的圆弧和多段曲率半径不相等的非圆曲线弧相间连接构成，第二螺杆的径向截面轮廓也由多段曲率半径不相等的圆弧和多段曲率半径不相等的非圆曲线弧相间连接构成；构成第二螺杆径向截面轮廓的圆弧及非圆曲线弧总数量是构成第一螺杆径向截面轮廓的圆弧及非圆曲线弧总数量的2～7倍。
所述螺杆机构还包括第三螺杆，第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆依次啮合形成“一字型”或“非一字型”的三螺杆排布方式，第三螺杆的结构与第一螺杆相同。
所述机筒设有沿物料输送方向依次连接的输送段、熔融段、排气段和混炼挤出段，输送段上设有与机筒内腔连通的进料口，排气段上设有与机筒内腔连通的排气口，混炼挤出段的末端设有出料口；
螺杆机构中，第一螺杆包括沿物料输送方向依次连接的第一正向输送元件、第一混炼元件、第一反向输送元件和第一正向输送元件，第二螺杆包括沿物料输送方向依次连接的第二正向输送元件、第二混炼元件、第二反向输送元件和第二正向输送元件；
其中，第一混炼元件和第二混炼元件位于熔融段中部的机筒内，第一反向输送元件和第二反向输送元件位于熔融段后部的机筒内。
本发明通过上述强拉伸同向差速多螺杆挤出机实现的加工方法为：物料进入机筒的内腔后，在螺杆机构的轴向正位移输送力和第一螺杆与第二螺杆之间的摩擦力共同作用下，实现物料输送；同时，利用第一螺杆和第二螺杆之间的速度差和直径差产生强拉伸作用，使物料在输送过程中得到充分混合、熔融和混炼塑化；
其中，在螺杆机构内，第一螺杆与第二螺杆之间产生拉伸作用；第一混炼元件与第一反向输送元件之间产生界面更新作用，第二混炼元件与第二反向输送元件之间也产生界面更新作用，从而强化了传热过程；再加上第一螺杆和第二螺杆高速旋转产生摩擦热；以及机筒的外加热；四者共同作用使得物料进一步发生融化，加速物料中熔体与固体的分离，进一步加速固体的熔融进程，使物料全部形成熔体。
上述方法中，物料在机筒中的加工过程具体如下：
(1)物料从进料口进入输送段对应的流道后，第一螺杆和第二螺杆分别沿各自的螺杆轴线进行同向差速转动；在第一螺杆和第二螺杆的轴向正位移输送力，以及第一螺杆和第二螺杆之间的摩擦力的共同作用下实现进料输送，并迫使物料向熔融段对应的流道方向移动；
(2)当物料移动至熔融段对应的流道处时，由于第一螺杆和第二螺杆产生拉伸作用；同时第一混炼元件与第一反向输送元件之间、第二混炼元件与第二反向输送元件之间分别产生界面更新作用，从而强化了传热过程；再加上第一螺杆和第二螺杆高速旋转产生摩擦热；以及机筒的外加热；四者共同作用使得物料进一步发生融化，加速物料中熔体与固体的分离，进一步加速固体的熔融进程，使物料全部形成熔体；
(3)成为熔体的物料从熔融段对应的流道进入排气段对应的流道后，第一螺杆和第二螺杆上对应的第一正向输送元件和第二正向输送元件均采用大导程输送元件(即该输送元件的导程L/D大于或等于3)，扩大了物料的排气表面积，在强拉伸作用下气体从排气口排出，同时熔融的物料受第一螺杆和第二螺杆的作用进一步向混炼挤出段对应的流道方向运动；
(4)成为熔体的物料进入混炼挤出段的流道后，熔融的物料受到两根螺杆形成的流道(即包括螺杆机构与机筒内腔之间、以及两根螺杆的螺槽之间形成的流道)所产生的周期性压缩扩张作用和两根螺杆的差速旋转所导致强拉伸作用，从而对熔体的物料进行进一步混炼塑化，且使熔体的物料稳定从出料口挤出；同时，第一螺杆和第二螺杆之间的相互擦拭作用实现了自洁作用。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本强拉伸同向差速多螺杆挤出机及其加工方法中，利用第一螺杆和第二螺杆的转速不同、直径不同产生的强拉伸作用，强化了混合混炼和传热过程，使物料完成塑化的热历程和机械历程均大大缩短，从而有效降低挤出机的能耗。
本强拉伸同向差速多螺杆挤出机的螺杆机构中，第一螺杆和第二螺杆采用对应的正向输送元件、混炼元件和反向输送元件依次连接构成，混炼元件的加入可提供更强的拉伸力场作用，能显著降低物料分散的临界毛细管数，使得分散相的粒径更小，适用微纳尺度材料加工，能显著提高制品质量；同时，正向输送元件和反向输送元件保证了第一螺杆、第二螺杆紧密啮合同向差速旋转，两根螺杆之间相互擦拭作用，实现了加工过程自洁作用。
附图说明
图1为实施例1中螺杆机构的结构示意图。
图2为实施例1中螺杆机构及机筒的结构示意图。
图3为图1中螺杆机构的截面视图。
图4为图1中第一混炼元件和第二混炼元件的结构示意图。
图5为实施例2中第一正向输送元件和第二正向输送元件的结构示意图。
图6为实施例3中第一混炼元件和第二混炼元件的结构示意图。
图7为实施例4中螺杆机构的结构示意图。
图8为实施例5中螺杆机构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，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
本实施例一种强拉伸同向差速多螺杆挤出机，如图2所示，包括机筒1和螺杆机构，机筒1内设有内腔2，螺杆机构安装于内腔中，如图1所示，螺杆机构包括第一螺杆3和第二螺杆4，第一螺杆和第二螺杆相互啮合，且第一螺杆和第二螺杆的最外侧边沿都与内腔的内壁相切；第一螺杆、第二螺杆与机筒的内腔形成流道；第一螺杆由第一正向输送元件5、第一混炼元件6、第一反向输送元件7和第一正向输送元件5依次连接组成，第二螺杆由第二正向输送元件8、第二混炼元件9、第二反向输送元件10和第二正向输送元件8依次连接组成。
其中，如图3所示，第一螺杆的截面轮廓由2段圆弧和2段非圆曲线弧组成，第二螺杆的截面轮廓由4段圆弧和4段非圆曲线弧(该非圆曲线弧可为直线状或摆线状)构成；且第一螺杆为单头螺纹，第二螺杆为双头螺纹，当第一螺杆和第二螺杆同向转动时，第一螺杆的转速为第二螺杆转速的2倍，且两根螺杆始终保持彼此啮合接触实现自洁功能。
如图1或图4所示，第一混炼元件的主体结构与第一正向输送元件相同，只是在其螺棱上开设有第一凹口18；第二混炼元件的主体结构与第二正向输送元件相同，只是在其螺棱上开设有第二凹口19；且第一凹口和第二凹口均为半圆柱状的凹槽结构。
机筒的内腔由两个连通的圆柱槽构成，且内腔的截面形状呈卧倒的“8”字。
如图3所示，第一螺杆的旋转中心O1和第二螺杆的旋转中心O2之间的距离为C，且第一螺杆最大外径为D1，最小内径为d1，和第二螺杆的最大外径为D2，最小内径为d2，为了保证两根啮合旋转，则要求：
D1-d1＝D2-d2
C＝(D1+d2)/2
并且1.1≤D1/d1≤1.8，1.1≤D2/d2≤4.5。存在特征角度β：
如图3所示，第二螺杆的截面轮廓关于O1O2轴对称，也关于经过O2且与O1O2轴垂直的直线对称，其中所包括的4段圆弧分别为N1N2、N3N4、N5N6和N7N8，N1N2、N5N6这2段圆弧的半径均为d2/2，对应的圆心角γ/2，而N3N4、N7N8这2段圆弧的半径均为D2/2，对应的圆心角均为α/2，且圆弧N3N4、N7N8均与机筒内壁相切。圆弧所对应的圆心角α、γ满足：
α+γ＝2π-2β
另外4段非圆曲线弧分别为N2N3、N4N5、N6N7和N8N1，其中，N2N3、N4N5、N6N7和N8N1形状完全相同，其弧线可采用直线或者摆线弧，根据实际需要，也可采用圆弧代替，所对应的圆心角均为β/2。
第一螺杆的截面轮廓由2段圆弧M1M2、M3M4和2段非圆曲线弧M2M3、M4M1组成。其中，圆弧M1M2，半径均为D1/2，对应的圆心角γ，与N1N2、N5N6啮合；圆弧M3M4，半径均为d1/2，对应的圆心角α，与N3N4、N7N8啮合。另外2段非圆曲线弧分别是M2M3、M4M1，关于O1O2轴对称，其形状由与之相啮合的第二螺杆横截面切割确定。
第一螺杆和第二螺杆的螺距L均为0.01D～10000D。
如图2所示，机筒1设有输送段14、熔融段15、排气段16和混炼挤出段17；输送段14、熔融段15、排气段16和混炼挤出段17自被加工的物料的移动方向依次排列；输送段的上面设有与内腔连通的进料口11，排气段的上面设有与内腔连通的排气口12；混炼挤出段的末端设有出料口13。螺杆机构中，第一混炼元件和第二混炼元件位于熔融段中部的机筒内，第一反向输送元件和第二反向输送元件位于熔融段后部的机筒内，输送段、熔融段的前部、排气段以及混炼挤出段对应的机筒内均设置第一正向输送元件和第二正向输送元件，位于排气段内的第一正向输送元件和第二正向输送元件采用大导程输送元件。
通过上述强拉伸同向差速多螺杆挤出机实现的加工方法，包括以下步骤：
(1)物料从进料口进入输送段的流道后，第一螺杆和第二螺杆分别沿各自螺杆轴线同向差速转动；在第一螺杆和第二螺杆的轴向正位移输送力以及第一螺杆和第二螺杆之间的摩擦力共同作用下实现进料输送，并迫使物料向熔融段的流道方向移动；
(2)当物料移动至熔融段对应的流道处时，由于第一螺杆和第二螺杆产生拉伸作用；同时第一混炼元件与第一反向输送元件之间、第二混炼元件与第二反向输送元件之间分别产生界面更新作用，从而强化了传热过程；再加上第一螺杆和第二螺杆高速旋转产生摩擦热；以及机筒的外加热；四者共同作用使得物料进一步发生融化，加速物料中熔体与固体的分离，进一步加速固体的熔融进程，使物料全部形成熔体；
(3)成为熔体的物料从熔融段对应的流道进入排气段对应的流道后，第一螺杆和第二螺杆上对应的第一正向输送元件和第二正向输送元件均采用大导程输送元件(即该输送元件的导程L/D大于或等于3)，扩大了物料的排气表面积，在强拉伸作用下气体从排气口排出，同时熔融的物料受第一螺杆和第二螺杆的作用进一步向混炼挤出段对应的流道方向运动；
(4)成为熔体的物料进入混炼挤出段的流道后，熔融的物料受到两根螺杆形成的流道(即包括螺杆机构与机筒内腔之间、以及两根螺杆的螺槽之间形成的流道)所产生的周期性压缩扩张作用和两根螺杆的差速旋转所导致强拉伸作用，从而对熔体的物料进行进一步混炼塑化，且使熔体的物料稳定从出料口挤出；同时，第一螺杆和第二螺杆之间的相互擦拭作用实现了自洁作用。
实施例2
本实施例一种强拉伸同向差速多螺杆挤出机，与实施例1相比较，其不同之处在于：如图5所示，第一螺杆的外径小于第二螺杆的外径，即第二螺杆的外径与内径之间的比值为1.1～1.8，第一螺杆的外径与内径之间的比值为1.1～4.5。
实施例3
本实施例一种强拉伸同向差速多螺杆挤出机，与实施例1相比较，其不同之处在于：如图6所示，第一螺杆中，第一混炼元件为多个第一捏合块连接形成的组合结构；第二螺杆中，第二混炼元件为多个第二捏合块连接形成的组合结构。该结构的混炼元件除了可提供具有正位移输送能力超大产量的完全自洁的混合之外，还引入更强的拉伸力场效应，提供更强大的分散混合能力。
实施例4
本实施例一种强拉伸同向差速多螺杆挤出机，与实施例1相比较，其不同之处在于：如图7所示，螺杆机构还包括第三螺杆20(其旋转中心为O3)，第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆依次啮合形成“一字型”的三螺杆排布方式，第三螺杆的结构与第一螺杆相同。
实施例5
本实施例一种强拉伸同向差速多螺杆挤出机，与实施例1相比较，其不同之处在于：如图8所示，螺杆机构还包括第三螺杆20(其旋转中心为O3)，第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆依次啮合形成“非一字型”的三螺杆排布方式，第三螺杆的结构与第一螺杆相同。
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 (10)

1.强拉伸同向差速多螺杆挤出机，包括机筒和螺杆机构，螺杆机构安装于机筒的内腔中，其特征在于，螺杆机构包括相互啮合的第一螺杆和第二螺杆，第一螺杆包括依次连接的第一正向输送元件、第一混炼元件和第一反向输送元件，第二螺杆包括依次连接的第二正向输送元件、第二混炼元件和第二反向输送元件，第一螺杆的外径与第二螺杆的外径不相等。
2.根据权利要求1所述的强拉伸同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述第一螺杆中，第一正向输送元件、第一混炼元件和第一反向输送元件均为单头螺纹结构；第二螺杆中，第二正向输送元件、第二混炼元件和第二反向输送元件均为双头螺纹结构。
3.根据权利要求1所述的强拉伸同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述第一螺杆中，第一混炼元件的外周边沿为带有第一凹口的间断式螺棱结构，第一混炼元件的整体外轮廓形状与第一正向输送元件相同；
第二螺杆中，第二混炼元件的外周边沿为带有第二凹口的间断式螺棱结构，第二混炼元件的整体外轮廓形状与第二正向输送元件相同；
第一凹口和第二凹口均为半圆柱状的凹槽结构。
4.根据权利要求1所述的强拉伸同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述第一螺杆中，第一混炼元件为多个第一捏合块连接形成的组合结构；
第二螺杆中，第二混炼元件为多个第二捏合块连接形成的组合结构。
5.根据权利要求1所述的强拉伸同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述第一螺杆和第二螺杆同向旋转且时刻保持啮合，第一螺杆与第二螺杆之间的转速比为2～7。
6.根据权利要求1所述的强拉伸同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述第一螺杆和第二螺杆中，其中一个螺杆为大直径螺杆，另一个螺杆为小直径螺杆，大直径螺杆的外径与内径之间的比值为1.1～1.8，小直径螺杆的外径与内径之间的比值为1.1～4.5。
7.根据权利要求1所述的强拉伸同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述第一螺杆的径向截面轮廓由多段曲率半径不相等的圆弧和多段曲率半径不相等的非圆曲线弧相间连接构成，第二螺杆的径向截面轮廓也由多段曲率半径不相等的圆弧和多段曲率半径不相等的非圆曲线弧相间连接构成；构成第二螺杆径向截面轮廓的圆弧及非圆曲线弧总数量是构成第一螺杆径向截面轮廓的圆弧及非圆曲线弧总数量的2～7倍。
8.根据权利要求1所述的强拉伸同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述螺杆机构还包括第三螺杆，第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆依次啮合形成“一字型”或“非一字型”的三螺杆排布方式，第三螺杆的结构与第一螺杆相同。
9.根据权利要求1所述的强拉伸同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述机筒设有沿物料输送方向依次连接的输送段、熔融段、排气段和混炼挤出段，输送段上设有与机筒内腔连通的进料口，排气段上设有与机筒内腔连通的排气口，混炼挤出段的末端设有出料口；
螺杆机构中，第一螺杆包括沿物料输送方向依次连接的第一正向输送元件、第一混炼元件、第一反向输送元件和第一正向输送元件，第二螺杆包括沿物料输送方向依次连接的第二正向输送元件、第二混炼元件、第二反向输送元件和第二正向输送元件；
其中，第一混炼元件和第二混炼元件位于熔融段中部的机筒内，第一反向输送元件和第二反向输送元件位于熔融段后部的机筒内。
10.由权利要求1～9任一项所述强拉伸同向差速多螺杆挤出机实现的加工方法，其特征在于，物料进入机筒的内腔后，在螺杆机构的轴向正位移输送力和第一螺杆与第二螺杆之间的摩擦力共同作用下，实现物料输送；同时，利用第一螺杆和第二螺杆之间的速度差和直径差产生强拉伸作用，使物料在输送过程中得到充分混合、熔融和混炼塑化；
其中，在螺杆机构内，第一螺杆与第二螺杆之间产生拉伸作用；第一混炼元件与第一反向输送元件之间产生界面更新作用，第二混炼元件与第二反向输送元件之间也产生界面更新作用，从而强化了传热过程；再加上第一螺杆和第二螺杆高速旋转产生摩擦热；以及机筒的外加热；四者共同作用使得物料进一步发生融化，加速物料中熔体与固体的分离，进一步加速固体的熔融进程，使物料全部形成熔体。
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