CN108603824A - 流变仪 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种用于确定和/或监测粘性流体，特别是塑料熔体和塑料溶液的流动特性的流变仪。所述流变仪包括一壳体(1)，其中至少一个基本直线的通道(4)在入口(2)和出口(3)之间形成，其中通道(4)具有矩形横截面，并且包括沿通道(4)布置的多个压力测量装置(5)，其中通道(4)其长度上设置有周期地变窄(6)和变宽(7)的横截面。

Description

流变仪

本发明涉及一种流变仪，其特别用于确定和/或监测热塑性塑料的流动特性。

具体地，本发明涉及一种如权利要求1的前序部分的特征的流变仪。

热塑性塑料通常通过挤出工艺或注塑工艺加工。对于材料制备，通常使用配混机或同向旋转双螺杆挤出机。在这种情况下，塑料的塑化通常通过螺杆塑化单元实现。增塑的塑料熔体通常是非牛顿流体，其表现出依赖时间或依赖剪切速率行为。这里，粘度不是恒定的，而是随剪切速率而变化。然而，塑料熔体和塑料溶液也表现出复杂的拉伸流变行为，因为拉伸粘度取决于应变速率和应力持续时间并且发生的特定效应，例如应变硬化。

例如，根据H.-J.Luger,J.Miethlinger：玻璃纤维增强聚丙烯在拉伸和剪切流变测定中的研究，塑料技术会议，索斯诺维茨，波兰(2015年)，或根据Miethlinger：聚合物挤出和复合[聚合物挤出和复合]–最新研究.第24届莱奥本塑料学术讨论会，莱奥本矿业大学，奥地利(2015年)，可得知与纯剪切流变学实验相比，拉伸流变学研究能够提供重要的附加信息。因此，在加工热塑性塑料时会出现非常复杂的过程，这些过程可以在数学上得以捕获并且仅在有限的程度上通过理论得以描述。可以仅在有限的程度上对所述过程进行实验性的模拟或研究，以便例如记录和优化，以及进一步提升塑化过程的质量。这尤其适用于主要用于塑化的屏障型螺杆和具有延伸元件的螺杆。在这种情况下特别重要的是波形螺杆和能量传递螺杆。

为了研究增塑的非牛顿材料的粘度，在DE 42 20 157 A1中提出了一种用于测量粘度的装置，其中由挤出机螺杆产生的材料被压过矩形槽。在通道状槽中设置多个压力传感器。

DE 34 90 044 T1公开了一种用于测量液体物质内摩擦的装置。除了摩擦之外，液体的摩擦系数也可以通过所述装置测定。为此，设置有一种液体流过的套管。在套管内，可以设置收缩部，该收缩部以类似于文丘里管的方式发挥作用。为了记录测量值，提供有温度计。

DE 195 29 578 A1提出了另一种用于确定可流动物质的流变性质的装置。在所述文献中提出的狭缝流变仪具有逐渐变细的环形间隙，在该间隙处进行压力测量。

DE 198 46 579 C1描述了一种用于在塑化物质流过具有限定横截面和限定长度的毛细管时确定压力降低的装置。在此，通过泵将熔体压过毛细管，其中可以对该泵进行容积调节。可以通过压力传感器和温度测量传感器实现对流动过程的监测。

US 5,277,058 A公开了一种具有间隙可设定的流变仪。剪切速率和剪切力可以通过流变仪测定。

尽管现有技术中已知的流变仪能够捕获非牛顿流体流动期间的特定过程，但由于流变仪的相应构造，这些流变仪仅限于非常单一的应用，并且不允许通过捏合和输送元件，屏障型螺杆，波形螺杆和/或能量传递螺杆再现塑化的复杂过程的质量。

因此，现有技术示出了不同的连续工作流变仪，即所谓的挤出流变仪，其具有一个或多个熔体通道或流体通道。此处，所述多个通道在每种情况下通常并联连接，以便使其可以通过一个测量过程记录具有不同剪切速率的多个测量值。然而，以这种方式不可能模拟或研究塑化螺杆，特别是屏障型螺杆中的复杂过程。

本发明的目的在于提供一种流变仪，该流变仪能够特别用于过程监控以及用于具有屏障型螺杆、波形螺杆和能量传递螺杆以及其他延伸元件的螺杆塑化单元的开发和研究。

根据本发明，通过权利要求1的特征的组合实现了该目的，并且从属权利要求示出了本发明的进一步有利的配置。

根据本发明，因此规定流变仪具有壳体，在该壳体中，至少一个基本直线的通道在入口和出口之间形成。在这种情况下，通道设有矩形横截面。压力测量装置沿通道布置。根据本发明，通道形成为使得其在其长度上设置有周期地变窄和变宽的横截面。

在本发明的一个特别有利的改进方案中，规定设置两个通道，这两个通道彼此平行并且通过至少一个腹板彼此分开。所述腹板，与和所述腹板相对的壳体壁一起形成间隙，从而通过所述间隙可以从一个通道流到另一个通道。

为了研究、模拟和/或监控加工螺杆例如屏障型螺杆、波形螺杆和能量传递螺杆的复杂过程，应该注意的是，这种螺杆塑化单元中的流动过程非常复杂，并且包括阻力流和压力流的叠加。在这种情况下，阻力流产生于螺杆旋转，而压力流则产生于由螺杆产生的工具阻力。因此，借助于本发明所述的流变仪，可以通过实验性的模拟螺杆中的过程，且通过对本发明所述的熔体或溶液的进行多次剪切和拉伸变形，可以将拉伸流变学的益处有利地用于过程监控。

本发明所述的流变仪的结构具有以下效果，即在非牛顿流体中不会出现阻力流，而是可以以与阻力流分离的方式研究非牛顿流体的压力流行为。

根据本发明，通过入口引入增塑的可流动材料。可流动材料的引入可以通过挤出机、齿轮泵等实现。对于挤出、注塑或配混过程中的过程监控，任选的，可以通过插入另一泵将部分输送的材料引入流变仪中。

为了保持温度恒定，另外加热流变仪，例如加热到180℃-300℃的温度将是有利的。然而，根据本发明，进给的材料也可以仅部分地塑化，以便以这种方式同样实验性的记录和/或在线监测在屏障型螺杆中发生的熔化行为。

本发明所述的可变的通道的横截面根据在每种情况下存在的横截面积产生不同的压力分布。以这种方式，特别是在生产过程的在线监测期间，可以得出关于热塑性材料的组成和质量的结论。在此，还应特别注意的是，工业中使用的材料含有添加剂物质，从而形成化合物。添加剂物质的行为取决于不同的参数，并且可以在生产过程中改变。可以通过在线监测在早期就检测出这种变化，从而可以采取适当的措施来维持高质量的生产，例如调节概念。

根据本发明，当使用彼此平行的两个通道时，可以证明两个通道的变窄和变宽的横截面彼此不同是重要的。这意味着，从入口开始，一个通道的横截面变窄，而另一个通道的横截面变宽。因此，关于通道的相应通道长度或贯穿长度，在两个通道中存在不同的压力条件，这导致通过腹板的间隙的流体产生不同的流动传递行为。根据本发明，在这种情况下，间隙可以在通道的整个长度上具有相同的高度。但是，也可以改变间隙高度。

在本发明的一个特别有利的改进方案中，可以规定，腹板具有成型的顶部边缘。该成型的顶部边缘可以形成为矩形、双曲线形、波浪形或具有另一个尺寸，这导致从一个通道到另一个通道的不同流动条件。因此，本发明所述的流变仪能够普遍用于通过实验性的测定复杂的流动条件。

根据本发明，腹板可以形成为可拆卸的，从而在通道结构保持不变的情况下，可以使一个通道到另一个通道具有不同的流动传递条件。

在本发明的一个优选的改进方案中，规定通道的变窄和变宽的横截面由成型的通道壁形成。这意味着通道的一个壁，优选地形成有矩形横截面，在侧面横截面中成形为例如正弦形、梯形或锯齿形或类似形状。

此处，通道的三个侧壁形成为平面的并且在通道的行程长度上保持不变，而第四壁设有轮廓。在这种情况下，优选的是，腹板的槽被分配给通道的非异形壁。

在一个优选的实施例中，本发明所述的流变仪因此具有两个彼此平行的通道。然而，根据本发明，还可以提供更多数量的通道，例如四个通道，所述通道彼此平行地延伸并且在每种情况下通过设置有流动传递间隙的腹板彼此分开。因此流体可以从一个通道流入相邻通道。这模拟了屏障型螺杆、波形螺杆和/或能量传递螺杆的特定设计中的过程，从而允许实验性的确定这些螺杆的压力-通过行为。由于本发明所述的流变仪中不存在阻力流，因此可以更容易地解释测量数据并且可以将所述测量数据与发生的物理过程相关联。这导致许多可能性，例如记录流动传递腹板，熔体通道的波浪设计或流体的物质行为，包括拉伸粘度，对压力-通过性能的影响。多重剪切和拉伸变形另外允许拉伸流变测定法的优点能够以特殊方式用于过程分析和过程监控。

因此可以使用本发明所述的流变仪来模拟各种各样的过程，包括研究所涉及的流体的性质。相应地，流变仪适用于持续的过程监控，以便能够确定在生产过程中出现的材料性质的变化。通过这种方式，可以实现高质量和可再现的生产过程质量。

本发明所述的流变仪的通道的尺寸可以与相应的条件匹配。在这种情况下，如果通道的宽度相对于相应的通道横截面明显大于通道的高度，则可能是有利的。在这种情况下，宽度可以大于或等于通道高度的5倍或10倍。通过这种方式，与螺杆中出现的流动条件类似，确保可靠的流动特性与通道的可靠的通流相同。考虑到流体的壁粘附和壁摩擦，并用于改善流动条件的模拟，通道的宽度大于通道的高度的5倍到10倍。

为了能够模拟螺杆特别是屏障型螺杆中的流动条件，同时为了能够以特殊方式利用拉伸流变测定法的优势进行过程分析和过程监控，通道应该尽可能在其整个长度上具有1到15个变窄和变宽的横截面，其中变窄和变宽的横截面优选地具有相同的数量。

将相邻通道彼此分开的如本发明所述的腹板可以具有3mm至20mm之间的宽度。

因此，关于流变仪的结构和操作模式，本发明所述的流变仪适用于复制特别出现在屏障型螺杆、波形螺杆和/或能量传递螺杆中的几何形状，且适用于在待研究的材料中产生不同的剪切速率和不同的应变速率分布，由此流变仪中的这些流动过程能够通过压力信号的时间变化捕获到材料质量的非常小的变化。通过腹板与流变仪的内壁一起形成的槽，可以提供与所述螺杆中的真实条件相同或至少非常接近的压力流过程。通过这种方式，所述流变仪可以特别优选地用于基础研究和持续的过程监控。

接下来将结合附图在示例性实施例的基础上描述本发明，其中

图1示出了根据本发明所述的流变仪的第一示例性实施例的局部透视图，

图2示出了图1中所示的流变仪的截面图，

图3示出了与图1类似的透视图，

图4a至4c示出了根据本发明所述的腹板的简化横截面形状，

图5示出了根据图1所示的图示的简化平面图，

图6至图8示出了通道壁的不同轮廓的示例。

图1示出了处于打开状态的根据本发明所述的流变仪的示例性实施例。在这方面，图2示出了用于说明的截面图。流变仪具有一壳体1，在壳体1中形成两个彼此平行的通道4。这两个通道4通过腹板8彼此分开，腹板8可以形成为可拆卸的。腹板8具有顶部边缘10，该顶部边缘10与盖板12的内壁形成间隔。该间隔产生间隙9(特别参见图2和图4a至4c)。

如图1所示，壳体设有流入分配器13，流入分配器13将流入的流体物质分配到两个平行通道4的入口2。流体因此流过通道4并通过出口3离开。为了说明的目的，图5中再次示出了该布置。图5还示出了另外的泵14，其可以设置用于输送流体。

在通道的区域中设有多个压力测量装置5，如图5所示。另外，还可以提供温度测量装置(未示出)。

特别是在图1至图3中可以看出，通道4均都有不同的通道横截面。对于通道的恒定宽度B，这会导致相应的通道或由宽度B和高度H产生的有效通道横截面产生变化的高度H。

可以从图2中的截面图中看出图1中的通道4的下壁的不同轮廓。这也以说明的方式特别地示出了在顶部边缘10和盖板12之间形成的间隙9。不言而喻，流过的流体质量根据相应的通道横截面具有不同的压力，这些压力因此也导致通过间隙9的不同的流动传递行为。

因此，通道4的壁的轮廓形成最小值和最大值，如图3所示。在这方面，图6至图8示出了不同的可能轮廓。根据图6，如图1和图3中所示，轮廓以正弦方式实现，而图7和8示出梯形或锯齿状轮廓。由此可以看出，相对于根据图6至图8中的箭头从左侧开始的流动方向，出现通道横截面减小的相对缓慢的增加，这与相对慢的压力增加有关。在具有最小通道横截面的最大值之后，根据图7和图8发生横截面的相对快速增加。

在所示的示例性实施例中，相应通道的整个长度可以在100mm和400mm之间。通道的宽度B可以在15mm和40mm之间，而在通道壁的结构最大化处(图3)，最小高度可以在0.6mm到2.0mm之间。在最小轮廓处的最大高度可以在3.0和8.0mm之间，如图6所示。根据要研究或监测的几何形状以及流体的相应特性，根据本发明，在通道的整个长度上实现通道横截面的1到15最大值和1到15最小值之间的交替切换是可能的。

优选地，在每种情况下这些变窄的横截面6和变宽的横截面7(参见图2)形成为以在相邻的通道中交替，从而在一个通道中存在压力最大值，而在另一个通道中形成压力最小值，其中通道的行程长度相同。

图4a至图4c示出了腹板8的顶部边缘10的不同轮廓。虽然图4a形成具有用于形成间隙9的平坦顶部边缘6的矩形形状，但是根据图4b可见顶部边缘10是双曲线圆形的。还可以在腹板的宽度上提供顶部边缘的波状结构。图4c示出了另一种变型，其中使用上部和下部腹板，间隙9能够位于腹板的中心区域中。如上所述，还可以在其长度上以可变的方式成形腹板8，从而也可以通过腹板产生拉伸流动过程。

流变仪可以用在不同的安装位置，以对塑化单元或螺杆的过程进行实际模拟或监控。

因此，本发明所述的流变仪允许实验螺杆模拟，特别是用于实验性的确定压力-通过量行为。由于在根据本发明的波流变仪中没有产生阻力流，因此可以以与阻力流分离的方式研究流体的压力流行为。这使得可以更简单地解释测量数据和相关的物理过程。通过适当的温度控制，还可以以仅部分塑化的状态提供流体的供给，以便实验性的记录和分析熔化行为。总之，流变仪可以实现研究流体的拉伸流动行为。本发明的一个特别重要的方面是借助流变仪监测正在进行的生产过程，以便能针对流体性质的变化作出反应。不言而喻，可以使用波流变仪来监测各种流体类型和流体处理机器的过程，也就是说也可以用于没有塑化的过程。

附图标记列表

1 壳体

2 入口

3 出口

4 通道

5 压力/温度测量装置

6 变窄的横截面

7 变宽的横截面

8 腹板

9 间隙

10 顶部边缘

11 通道壁

12 盖板

13 流入行为

14 泵。

Claims (10)

1.一种用于确定和/或监测粘性流体，特别是塑料熔体和塑料溶液的流动特性的流变仪，其特征在于，所述流变仪具有一壳体(1)，其中至少一个基本直线的通道(4)在入口(2)和出口(3)之间形成，其中所述通道(4)具有矩形横截面，并且具有沿所述通道(4)布置的多个压力测量装置(5)，其中所述通道(4)其长度上设置有周期地变窄(6)和变宽(7)的横截面。

2.根据权利要求1所述的流变仪，其特征在于，形成两个通道(4)，所述两个通道(4)彼此平行并且通过至少一个腹板(8)彼此分开，其中所述腹板(8)与壳体壁一起形成间隙(9)。

3.根据权利要求2所述的流变仪，其特征在于，所述腹板(8)具有一成型的顶部边缘(10)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的流变仪，其特征在于，所述通道(4)的所述变窄(6)和变宽(7)的横截面由成型通道壁(11)形成。

5.根据权利要求4所述的流变仪，其特征在于，所述通道壁(11)的横截面为正弦形、梯形或锯齿形。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的流变仪，其特征在于，相对于相应的通道长度，平行通道(4)的所述变窄(6)和变宽(7)的横截面彼此不同。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的流变仪，其特征在于，所述通道壁(11)在其长度上具有多个变窄(6)和变宽(7)的横截面。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的流变仪，其特征在于，所述通道(4)的宽度(B)满足等式B≥5H，其中H定义为所述通道(4)的高度，其中特别是B≥10H是可能的。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的流变仪，其特征在于，所述通道(4)在其长度上具有1至15个变窄(6)和变宽(7)的横截面，所述变窄和变宽的横截面优选地具有相同的数量。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的流变仪，其特征在于，所述腹板(8)形成为可拆卸的。