CN107662326B - 一种实现超临界流体分散注入的双螺杆机筒结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于聚合物加工领域，特别涉及的是一种实现超临界流体分散注入的双螺杆机筒结构，该机筒是在组合式机筒的基础上，在机筒外套和机筒内衬上分别加工有半圆形流道，在机筒内衬的特定位置，加工与胶料流动方向成一定角度的多个注射口，以实现超临界流体的分散、有针对性注射；在机筒的两端设计有端面密封环，避免超临界流体的泄漏损失，整套机筒结构的设计保证了超临界流体在聚合物中良好的渗透扩散效果，提高了超临界流体对聚合物的作用效果，对改善聚合物加工情况，提高加工质量具有良好作用，而且各部件构型简单，便于加工安装。
Description
技术领域：
本发明属于聚合物加工领域，特别涉及一种具有提高超临界流体分散效果、实现超临界流体分散注入的双螺杆机筒结构。
技术背景：
双螺杆挤出机是橡胶工业中极为重要的材料加工设备，随着橡胶工业的快速发展，高混合效果、高性能的材料对传统的双螺杆挤出机提出了更高的要求。为了进一步优化材料性能，提高制品品质，满足工业生产需求，广大研究人员一方面对挤出机的转子构型进行优化及改进，强化螺纹段功能；另一方面采用超临界流体等化工技术辅助加工，为聚合物的加工创造更合适的环境，以期制备出更具优良性能的材料。
超临界流体作为近年发展起来的化工新技术，具有优异的溶解能力、传质能力、低粘度、高扩散性等优点，不仅在萃取、染色、干燥、制备超细微粒、化学反应中应用广泛，而且应用在聚合物加工过程中也具有降低玻璃转变温度、改善极性填料的分散效果，提高混炼效果的作用。
根据中国专利文献，公布号为CN200810220199.3、名称为超临界流体辅助动态硫化制备热塑性弹性体的方法的文献中公布了一种超临界流体辅助动态硫化法制备塑料/橡胶热塑性弹性体的方法(具体内容参考文献)，超临界流体的加入有利于提高弹性体力学性能、降低加工能耗，具有较好的市场前景。然而该专利主要以聚合物反应成型加工的方法与应用为保护对象，并未提及超临界流体的注入系统。
根据中国专利文献，公布号为：201120510694.5、名称为一种超临界流体辅助加工成套设备的文献中公布了一种超临界流体辅助加工的成套设备(具体内容参考文献)。该套设备主要由双螺杆挤出机、加气装置和加料装置组成。其加气装置包括二氧化碳钢瓶、净化器、储气罐、过滤器、预热器；加料装置包括料斗、螺杆输送器和送料管路。超临界流体是由注气口直接注入，具有提高加工能力，改善材料性能的作用。该专利主要对由双螺杆挤出机、加气装置和加料装置组成的超临界流体辅助加工成套设备提出保护，其中并未涉及为改善超临界流体注射情况的注入系统设计。
根据美国专利文献，公布号为US005866053A、名称为连续化生产微孔以及超微孔发泡材料的方法的文献中公布了一种超临界流体辅助双螺杆挤出机连续化生产微孔以及超微孔的发泡材料(具体内容参考文献)。该专利主要对发泡设备以及加工方案提出了保护。该发泡设备中超临界流体注射区域采用同一区域多孔注射的方法。这在一定程度上具有提高超临界流体与聚合物的直接接触面积，改善聚合物加工效果的作用，然而受到双螺杆饥饿喂料，机筒中物料充满度低这个加工特性限制，超临界流体与聚合物之间的相互作用有待进一步提高。
发明内容：
本发明的目的在于改善超临界流体与聚合物在双螺杆挤出机中的分散混合效果，根据聚合物在双螺杆挤出机机筒中的分布情况以及物料的速率分布实现超临界流体的有效注射，并进一步提高材料加工效果，提高材料性能。
本发明的一种实现超临界流体分散注入的双螺杆机筒结构是由三部分组成的，机筒内衬、机筒外套、端面封闭环；
所述机筒外套内表面上加工有绕双螺杆机筒内部流道一周的类半圆状流道a，两端加工有阶梯状封端台阶；
所述机筒内衬外表面上同样加工有类半圆状流道b，类半圆状流道b上加工有与聚合物流动方向成锐角角度的超临界流体注射口a、超临界流体注射口b、超临界流体注射口c、超临界流体注射口d，两端加工有阶梯状封端台阶，类半圆状流道a与类半圆状流道b配合组成超临界流体流道，阶梯状封端台阶与端面封闭环配合形成密封。
所述类半圆状流道b上的注射口的方向与聚合物流动方向所成角度为45°～65°。
所述类半圆状流道b上注射口的位置在啮合区以及进入啮合区的物料充满处。
所述机筒外套与机筒内衬为过盈配合。
所述的机筒内衬为双“C”字形薄壁结构。在机筒内衬的外弧面上加工有类半圆状流道,在流道上分布有圆形注射口。本发明中机筒内衬上注射口的位置的选取是根据具体的物料流动过程中在机筒中的充满度以及物料的流动速率确定的。根据Polyflow模拟分析得到的胶料流动过程中的速率分布图，可以得到在双螺杆挤出机的上、下啮合区，以及靠近螺纹元件处物料流动速率较高，方向为圆周方向；根据模拟出来的压力分布图，在螺纹元件啮合的上啮合区中物料压力较大，说明该区域中物料充满度高，致密性好。因此注射区设置有4个注射口；注射口的法线与物料流动方向的切线成锐角，指向胶料流动的方向；为了保证四个注射口法线均与物料流动方向的切线成锐角，两个注射口分别位于上、下啮合区中，另外两个分别位于上、下啮合区之前的位置。在机筒内衬套两端开设有阶梯状封端台阶。
所述的机筒外套的内壁形状与机筒内衬的外壁形状一致，并与机筒内衬为过盈配合，在机筒外套的内壁上同样加工有类半圆状流道，在上啮合区设有注射口总流道，在机筒外衬套两端同样开设有阶梯状封端台阶。
端面密封环的内表面为双“C”字形,外表面为椭圆形。端面密封环与机筒内衬和机筒外套端面上的凹槽配合安装，延长超临界流体流动路径，避免超临界流体经过机筒内衬与机筒外套产生压力损失以及资源损失，起到密封保压的作用。
所述双螺杆转动方向为同向。
本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
1.注射口方向处锐角的设置避免了熔融的胶料在压力作用下通过注射口进入超临界流体流道，因为胶料流动方向为转子转动方向为同向，胶料流动方向在注射口的分矢量与超临界流体流入方向矢量的合成方向为螺杆的转动方向，因而它可以降低超临界注射口上积胶现象的发生机率；同时锐角的设置有利于物料与超临界流体合理接触，因为超临界流体的注入方向最终朝向螺杆的转动方向，所以可以尽量避免由于超临界流体造成的断流、逆流等不稳定流动的现象，保证挤出稳定，成型制品表面光滑。
2.注射口位于物料在机筒中较高的充满度和致密性的区域能保证超临界流体与聚合物充分的接触，因为在靠近螺纹元件处圆周方向物料流动速率较高，所以能降低超临界流体与聚合物作用需要的时间，保证加工质量；注射口位于物料流动速率较高的位置能保证经超临界流体溶胀后的物料能迅速通过超临界区域，从而提高产量，降低产能消耗，实现高效加工。
3.本发明利用对半分开的组成部分，克服了现有技术中传统挤出机弯曲流道加工较复杂，成本昂贵的技术问题，并且使胶料与超临界流体充分接触，增大了胶料与超临界流体接触面积，相对于一般方形分流道，使胶料与气体混合得更加均匀，挤出的胶料综合物理机械性能更佳。
4.本发明利用注射口的位置设置在双螺杆挤出机的上、下啮合区以及进入啮合区之前的物料充满度高的区域，实现在不同注射口位置上超临界流体流动的方向与物料流动方向成锐角，这是因为螺杆在转动的一个周期内，螺槽内的胶料会连续通过超临界注射口，并形成物料压力，保证超临界流体在机筒内较长时间的维持超临界状态而且注射的超临界流体不会导致物料流动过程中产生较大波动。
附图说明：
图1(a)为本发明中超临界流体注射区机筒的装配图；
其中：1-机筒外套，2—机筒内衬，3-端面密封环
图1(b)为本发明中超临界流体流道示意图；
其中：4-注射主流道，5-超临界流体流道
图2为本发明中机筒外套示意图；
其中：6-超临界流体类半圆状流道，7-阶梯状封端台阶
(a)为机筒外套A-A面剖视图，(b)为机筒外套侧视图
图3为本发明中机筒内衬示意图；
(a)为机筒内衬B-B面视图，(b)为机筒内衬侧视图
其中：8-超临界流体半圆状流道，箭头9的方向为超临界流体流动的方向，10-超临界流体注射口a,箭头11的方向为聚合物流动的方向，12-超临界流体注射口b，13-超临界流体注射口c,14-超临界流体注射口d,15-阶梯状封端台阶
图4为本发明中端面密封环示意图；
图5为超临界流体注射区域横截面胶料速率分布矢量图；
图6为超临界流体注射区域横截面横截面胶料速率分布云图；
图7为超临界流体注射区域胶料的压力分布图；
图8为再生胶门尼粘度比对情况；
图9为再生胶拉伸强度比对情况；
具体实施方式：
下面对照附图并结合具体实施方法对本发明做进一步说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“背面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。这类术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1a所示，超临界流体注射区域机筒包括机筒外套1、机筒内衬2、端面封闭环3；机筒外套1与机筒内衬2为过盈配合，端面密封环3与机筒外套1和机筒内衬2形成的凹槽配合安装。
图1b中4为注射主流道，流道直径是3mm，5为超临界流体整流道，由机筒外套1上直径为2mm的类半圆状流道6和机筒内衬2上直径为2mm的类半圆状流道8组合而成。
如图2所示，机筒外套为圆柱体内部开设有双“C”字形通孔，两圆弧的中心距为58mm，内径为73mm。在机筒外套的内壁上加工有类半圆状流道6，流道的内径为2mm，在上啮合区设有单个注射主流道4。在机筒外衬套两端同样开设有阶梯状台阶7，台阶深度为5mm，高度为3mm。
如图3所示，机筒内衬2为双“C”字形薄壁结构，两圆弧中心距为58mm，内径为65mm，厚度为4mm。在机筒内衬的外弧面上加工有类半圆状流道8，流道的内径为2mm。在流道上分布有超临界流体注射口a 10,超临界流体注射口b 12，超临界流体注射口c 13，超临界流体注射口d 14，超临界流体注射口b 12、d 14的位置设置在双螺杆挤出机的上、下啮合区中物料充满度高的区域，有利于超临界状态的延续；超临界流体注射口a 10、c 13的位置提前到啮合区之前，是为了保证注射口的方向9与胶料流动方向10成锐角，为45°～65°。在机筒内衬套两端开设有阶梯状封端台阶15，封端台阶深度为5mm，高度为2mm。
图3中注射口位置的选取是根据图5和图6中超临界流体注射区域物料流动过程中的压力分布以及速率分布图确定的。
如图4所示，端面密封环的内轮廓为双“C”字形结构，两圆弧的中心距为58mm，内径为69mm，密封环的厚度为5mm。端面密封环放置在机筒外套1和机筒内衬2装配后形成的凹槽中，起到延长超临界流体流动路径，避免因超临界流体经过机筒外套1与机筒内衬2之间的间隙而形成压力损失以及资源损失。
二氧化碳气体经过增压设备，制备成超临界流体之后，经注射主流道4进入机筒外套1和机筒内衬2之间的超临界流体整流道5，再经过类半圆状流道8上独特分布的超临界流体注射口11，进入机筒内部；该设计实现了超临界流体的分布注射、有效注射，保证了超临界流体最大程度上与聚合物接触，并在聚合物中高效扩散，具有明显的提高生产效率，降低能耗的效果。
用Polyflow模拟分析超临界流体在胶料中的运动，其基本假设及边界条件如下：
1.壁面无滑移；
2.压力边界条件对压力较低区域设置零点压力；
3.实际边界条件：壁面上Vn＝Vs＝0；流体入口设置为inflow；流体出口设置为outflow；胶料的内表面按照Cartesian Velocities imposed(Vx,Vy.Vz)设定。
4.参数计算模型为Shear-rate dependence of viscosity,采用幂率模型，其本构方程为：
5.参数设定：
如图5、6、7所示，根据Polyflow模拟分析得到的胶料流动过程中的速率分布图，双螺杆挤出机的上、下啮合区，以及靠近螺纹元件处物料流动速率较高，方向为圆周方向，因此注射口的方向与该处流道方向一致，与注射点的切线方向成锐角；根据模拟出来的压力分布图，在螺纹元件啮合的上啮合区中物料压力较大，说明该区域中物料充满度高，致密性好，因此将注射口设置在啮合区中。锐角角度的设置避免了熔融的胶料在压力作用下通过注射口进入超临界流体流道，因为胶料流动方向为转子转动方向为同向，胶料流动方向在注射口的分矢量与超临界流体流入方向矢量的合成方向为螺杆的转动方向，因而它可以降低超临界注射口上积胶现象的发生机率；同时锐角的设置有利于物料与超临界流体合理接触，因为超临界流体的注入方向最终与螺杆的转动一致，所以可以尽量避免由于超临界流体造成的断流、逆流等不稳定流动的现象。
如图3、6所示，之所以注射口的位置设置在双螺杆挤出机的上、下啮合区以及进入啮合区之前的物料充满度高的区域，这是因为螺杆在转动的一个周期内，螺槽内的胶料会连续通过超临界注射口，并形成物料压力；同时实现在不同注射口位置上超临界流体流动的方向与物料流动方向成锐角，这对于保证超临界流体在机筒内较长时间的维持超临界状态而且注射的超临界流体不会导致物料流动过程中产生较大波动有重要意义，合理的注射口位置选择对与保证聚合物具有良好的加工效果起到至关重要的作用。
如图8、9所示，通过超临界流体分散注入(注射角度为40°，55°，70°)和单一流道注入在相同的工艺条件(螺杆转速在40r/min～80r/min,机筒温度在120℃～170℃)下制备了再生胶，并比对了两种方法制备的再生胶门尼粘度和物理机械性能。结果证明：注射角度为55°时，超临界流体分散注入情况下制备的再生胶门尼粘度比单一流道制备的再生胶的门尼粘度低16％；并且在注射角度为55°时，超临界流体分散注入的情况下再生胶的拉伸强度有显著提高。结果如图8和图9所示，而注射角度过大过小都会降低胶料的性能，综合考虑，注射角度为45°～65°。
以上实施方案仅用于说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种实现超临界流体分散注入的双螺杆机筒结构，其特征在于：由机筒外套、机筒内衬、端面封闭环三部分组成；
所述机筒外套内表面上加工有绕双螺杆机筒内部流道一周的类半圆状流道a，两端加工有阶梯状封端台阶；
所述机筒内衬外表面上同样加工有类半圆状流道b，类半圆状流道b上加工有与聚合物流动方向成锐角角度的超临界流体注射口a、超临界流体注射口b、超临界流体注射口c、超临界流体注射口d，两端加工有阶梯状封端台阶，类半圆状流道a与类半圆状流道b配合组成超临界流体流道，阶梯状封端台阶与端面封闭环配合形成密封；
所述类半圆状流道b上的注射口的方向与聚合物流动方向所成角度为45°～65°；
所述类半圆状流道b上注射口的位置在啮合区以及物料充满处；
所述的机筒内衬为双“C”字形薄壁结构；
所述类半圆状流道b上的注射口的方向与聚合物流动方向所成角度为55°；
机筒外套与机筒内衬为过盈配合。
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