CN109476043B - 捏合盘、螺杆元件和挤出机 - Google Patents

Abstract

增强了树脂材料在螺杆的转动方向上的混合性能。捏合盘(7)安装到可转动轴(3)上并且布置在圆筒(2)中。本发明的捏合盘(7)的面向圆筒(2)的外周向表面(8)具有带部分(9)，该带部分在轴(3)的轴向方向(X)上在捏合盘(7)的两个端部(7a、7b)之间延伸并且与圆筒(2)形成最小间隙。带部分(9)包括至少一个弯曲部分(10)。

Description

捏合盘、螺杆元件和挤出机

技术领域

本发明涉及捏合盘、使用该捏合盘的螺杆元件和挤出机，特别地涉及捏合盘的结构。

背景技术

用于热塑性树脂材料的混合过程或脱挥发分过程的挤出机具有安装到轴上的螺杆，并且该螺杆根据功能在轴的轴向方向上分段。具体地，主要输送树脂材料的螺杆设置在树脂材料的给料器处，并且塑化和混合树脂材料的螺杆设置在其下游，并且将混合的树脂材料朝向模具输送的螺杆设置在其下游。在这些螺杆中，塑化和混合树脂材料的螺杆通常是所谓的捏合盘式螺杆，在该捏合盘式螺杆中，多个捏合盘布置在轴的轴向方向上。

JP2001-260208公开了一种具有大致椭圆形横截面的捏合盘。在捏合盘的面向圆筒的外周向表面中，定位在纵向轴线上的边缘表面比其他边缘表面更靠近圆筒。这使得能够在纵向轴线上的边缘表面处实现强混合性能。JP2003-211440公开了一种具有类似横截面的捏合盘。在该捏合盘中，纵向轴线上的边缘表面形成相对于轴的轴向方向倾斜的带部分。树脂材料不仅在圆筒的周向方向上而且在其轴向方向上从带部分接收输送力。这允许树脂材料以复杂的方式流动并且增强混合性能。

发明内容

在JP2001-260208中公开的捏合盘中，树脂材料大致在螺杆的转动方向上被混合，因为边缘表面在与轴的轴向方向平行的方向上延伸。因此，树脂材料相当简单地移动，并且在混合功能方面存在改进的余地。在JP2003-211440中公开的捏合盘中，树脂材料在与带部分垂直的方向上被推动，并且力的一部分有助于螺杆的转动方向上的混合功能。然而，螺杆的转动方向上的混合作用与JP2001-260208中公开的捏合盘的混合作用没有很大不同，并且仍有改进的余地。

本发明的目的在于提供一种捏合盘，该捏合盘具有用于树脂材料在螺杆的转动方向上的改进的混合功能。

本发明的捏合盘安装到可转动轴上并且布置在圆筒中。本发明的捏合盘的面向圆筒的外周向表面具有带部分，该带部分在轴的轴向方向上在捏合盘的两端之间延伸并且与圆筒形成最小间隙，并且该带部分包括至少一个弯曲部分。树脂材料沿着带部分沿不同方向被推动，并且由于带部分的弯曲部分以复杂的方式被混合。

因此，根据本发明，可以提供一种捏合盘，该捏合盘具有用于树脂材料在螺杆的转动方向上的改进的混合功能。

附图说明

图1是第一实施例的挤出机的示意前视图；

图2A是图1所示的挤出机的捏合盘的示意前视图；

图2B是沿图2A中的线A-A截取的截面图；

图2C是沿图2A中的线B-B截取的截面图；

图2D是沿图2A中的线C-C截取的截面图；

图2E是沿图2A中的线D-D截取的截面图；

图2F是沿图2A中的线E-E截取的截面图；

图3A是图2A中所示的捏合盘的侧视图；

图3B是图3A中所示的捏合盘的外周向表面的展开图；

图3C是类似于图3B的视图，示出了带部分的另一实施例；

图3D是类似于图3B的视图，示出了带部分的另一实施例；

图4A是概念性地示出了实施例中的树脂材料的流动的视图；

图4B是概念性地示出了比较例中树脂材料的流动的视图；

图5是第二实施例的捏合盘的示意前视图；

图6是第三实施例的捏合盘的外周向表面的展开图；以及

图7是示出实施例和比较例中树脂材料的生产量与未熔化的树脂材料的比率之间的关系的曲线图。

附图标记列表

1 挤出机

2 圆筒

3 轴

4 螺杆

5 螺杆元件

6、6a-6c 螺杆元件

7 捏合盘

8 捏合盘的外周向表面

9、19、29 带部分

9a 第一部分

9b 第二部分

10 弯曲部分

R 转动方向

X 轴向方向

具体实施方式

参考附图，将描述本发明的实施例。本实施例的挤出机是双螺杆挤出机，但是本发明也可以应用于单螺杆挤出机或多螺杆挤出机。在以下描述中，“轴向方向”意为轴的轴向方向。“轴向方向”对应于螺杆的轴向方向和圆筒的轴向方向。“周向方向”意为沿着螺杆的外周长并且与轴向方向垂直的方向。“周向方向”包括轴的转动方向和与其相反的方向两者。

图1示出了根据本发明的实施例的挤出机的截面图。挤出机1包括圆筒2、彼此平行延伸的两个可转动轴3(图1中仅示出一个轴3)和安装在轴3上的螺杆4。轴3和螺杆4布置在圆筒2中。螺杆4通过适当的手段(诸如花键联接)由轴3保持，并且防止该螺杆4相对于轴3转动。轴3借助于马达(未示出)沿方向R绕中心轴线3a被转动地驱动。树脂材料从布置在圆筒2的上游侧的给料器(未示出)供给，在圆筒2中输送的同时被混合，并在连接到模具的出口(未示出)处流出。螺杆4沿轴向方向X被分段成多个螺杆元件。具有成螺旋形延伸的螺纹(flight)5a的多个输送螺杆元件5分别设置在给料器和出口附近，并且具有“捏合盘”的多个混合螺杆元件6设置在给料器和出口之间。在本实施例中，设置了三个混合螺杆元件6a至6c，但是混合螺杆元件6的数量不限于三个。混合螺杆元件6a至6c具有相同的构造。输送螺杆元件5具有主要沿轴向方向X输送树脂材料的功能。混合螺杆元件6具有主要混合树脂材料的功能。具体地，混合螺杆元件6在树脂材料和待与树脂材料混合的添加剂两者上施加大的压力和大的剪切力。通过更换螺杆元件5和6可以获得适合于各种过程的螺杆构造。

图2A示出了如在与图1相同的方向上观察的混合螺杆元件6的前视图。每个混合螺杆元件6由沿轴向方向X布置的多个捏合盘7组成。捏合盘7沿轴向方向X相互成一体，构成单个混合螺杆元件6。捏合盘7的厚度(沿轴向方向X的尺寸)是捏合盘7的最大直径的0.05至2倍，并且捏合盘7的数量在2个和30个之间。应当注意的是，一个捏合盘7可以构成一个螺杆元件6。捏合盘7的最大半径(上述最大直径的1/2)等于轴3的中心与随后描述的带部分的外周向表面之间的距离。

图3A、图3B示出了每个捏合盘7。图3A是沿轴向方向X从树脂材料的给料器观察的捏合盘7的侧视图，图3B是捏合盘7的面向圆筒2的外周向表面的展开图。在图3A中，实线示出了沿图3B中相对于轴向方向X穿过捏合盘7的中心的线A-A的截面图，虚线示出了沿图3B中相对于轴向方向X穿过捏合盘7的的一端的线B-B的截面图。

如图3A所示，捏合盘7具有大致椭圆形的形状。捏合盘7具有面向圆筒2的外周向表面8。捏合盘7的外周向表面8具有两个带部分9，这两个带部分相对于轴向方向X在捏合盘7的两个端部7a、7b之间延伸并且与圆筒2形成最小间隙。带部分9在捏合盘7的纵向轴线7c上布置在外周向表面8上彼此相对的两个位置处。最小间隙意为在某一位置处与圆筒2的间隙小于在周向方向上在该位置的前面和后面的位置处的间隙。带部分9的外周向表面呈弧形，该弧形与圆筒2的内表面2a同轴，并且带部分9与圆筒2的内表面2a之间的间隙在周向方向上的任何位置处是恒定的。带部分9也可以是平面的。在两个带部分9之间，外周向表面8具有比捏合盘7的带部分9更大的曲率半径。

如图3B所示，带部分9具有沿轴向方向X定位在其中心部分的单个弯曲部分10。弯曲部分10是带部分9的一部分与其邻近该部分的另一部分形成除零度以外的一角度处的部分。带部分9具有相对于轴向方向X斜对地延伸的第一部分9a和在弯曲部分10处与第一部分9a连接并且相对于轴向方向X并在相对于轴向方向X的与第一部分9a相反的方向上斜对地延伸的第二部分9b。第一部分9a和第二部分9b具有直线形状，并且弯曲部分10是第一部分9a与第二部分9b的交叉点。第一部分9a在与转动方向R相反的方向上相对于轴向方向X从一端7a延伸，并且第二部分9b在与转动方向R相同的方向上延伸到另一端7b。结果，相对于轴3的转动方向R在带部分9或弯曲部分10的前面，带部分9形成凹部(pocket)11，该凹部被带部分9部分地包围。

第一部分9a和第二部分9b相对于周向方向彼此对称。在第一部分9a与轴向方向X之间形成的锐角θ1和在第二部分9b与轴向方向X之间形成的锐角θ2优选为30度或以上并且小于90度。

图4A和图4B是类似于图3B的展开图，分别示出了本实施例的混合螺杆元件6和比较例的混合螺杆元件。在图4A中仅示出了每个捏合盘7的带部分9中的一个，并且在图4B中仅示出了每个捏合盘107的带部分109中的一个，但是另外的带部分9、109具有相同的构造。当轴3沿转动方向R转动时，树脂材料在螺杆4与圆筒2的内表面2a之间接收剪切力(参见图3A)并接收塑化和混合作用。尤其，当树脂材料通过其中螺杆4与圆筒2之间的间隙变窄的带部分9、109时，树脂材料接收到大的剪切力。树脂材料在圆筒2的固定内表面2a与转动螺杆4之间流动，使树脂材料被转动螺杆4推动并在带部分9之上穿越(ride)。在图4A所示的本实施例的捏合盘7中，树脂材料如箭头所示流动。具体地，第一部分9a附近的树脂材料在与第一部分9a接触时，沿着第一部分9a相对于周向方向斜对地朝向在轴向方向X上的中心(凹部11的中心)流动。第二部分9b附近的树脂材料在与第二部分9b接触时，沿着第二部分9b相对于周向方向斜对地朝向在轴向方向X上的中心流动。第一部分9a附近的树脂材料和第二部分9b附近的树脂材料相对于轴向方向X沿着彼此相反的方向流动。弯曲部分10附近的树脂材料基本沿周向方向朝向在轴向方向X上的中心(凹部11的中心)流动。结果，树脂材料从不同方向朝向凹部11聚集，并随着轴3转动进一步朝向凹部11的后侧输送。这允许树脂材料接收强大的压缩力。

在图4B所示的比较例的捏合盘107中，树脂材料从直线延伸的带部分109沿周向方向接收剪切力，但如箭头所示，树脂材料容易地从带部分109的端部逸出，并且不能有效地捕获树脂材料。另一方面，在本实施例的捏合盘7中，树脂材料在被压缩的同时被有效地聚集到凹部11，并且在圆筒2与带部分9之间相对于转动方向R在凹部11的后侧邻近凹部11的间隙处接收进一步更强的压缩作用和剪切作用。以这样的方式，可以增强树脂材料的混合性能。

在相邻的捏合盘7处发生类似现象，其中树脂材料由于在周向方向上和轴向方向X上施加到树脂材料的剪切力而以复杂的方式流动。因此，可以增强树脂材料的塑化和混合性能。

图3C示出了带部分的另一实施例。带部分19具有大致弯曲的形状，并且沿轴向方向X存在无数弯曲部分。第一部分19a和第二部分19b都以曲线延伸。带部分19通常沿相同的方向弯曲并且没有拐点。因此，以与图3B所示的实施例相同的方式，在轴向方向X的中心附近形成单个凹部11。树脂材料在从取决于沿轴向方向X的位置的不同方向接收剪切力的同时被混合。因此，在该实施例中可以获得高混合性能。

图3D示出了带部分的又一实施例。带部分29具有交替改变方向的四个部分(第一部分29a至第四部分29d)。凹部11分别形成在第一部分29a与第二部分29b之间以及第三部分29c与第四部分29d之间。第一部分29a至第四部分29d直线延伸。分别在第一部分29a至第四部分29d与轴向方向X之间形成的角度(锐角)θ1至θ4是相同的，但可以彼此不同。在该实施例中，树脂材料在从取决于沿轴向方向X的位置的不同方向接收剪切力的同时被混合，并且可以获得高混合性能。

图2B至图2F分别是沿图2A中的线A-A、线B-B、线C-C、线D-D和线E-E的截面图，概念性地示出了每个捏合盘7中的带部分9的位置。具体地，这些图概念性地示出了沿树脂材料的输送方向从上游到下游观察的每个捏合盘的截面。带部分9的角度位置在相邻的捏合盘7之间相差45度。具体地，假设角度坐标θ，如图所示，最左边的第一捏合盘71的带部分9定位在θ＝90°和270°处，其右侧的第二捏合盘72的带部分9定位在θ＝45°和225°处。类似地，第三捏合盘73的带部分9定位在θ＝0°和180°处；第四捏合盘74的带部分9定位在θ＝315°和135°处；并且第五捏合盘75的带部分9定位在θ＝270°和90°处。因此，当沿树脂材料的输送方向从上游到下游观察时，轴3沿逆时针方向R转动，并且捏合盘71至75的带部分9布置成使得它们相对于输送方向朝向下游侧沿顺时针方向转动。结果，捏合盘71至75的带部分9整体作用类似于第一螺杆元件的沿顺时针方向螺旋地延伸的螺纹5a，并向下输送树脂材料。因此，本实施例的混合螺杆元件6在轴向方向X上输送树脂材料，同时在周向方向上压缩树脂材料。

在本实施例中，每个捏合盘7的弯曲部分10的角度位置相对于上游侧的相邻的捏合盘7的弯曲部分10的角度位置偏移45度。然而，角度位置可以偏移其他角度，例如大于0度且等于或小于60度的任何角度，诸如30度或60度。具体地，每个捏合盘7的弯曲部分10的角度位置可以相对于上游侧的相邻的捏合盘7的弯曲部分10的角度位置在与轴3的转动方向R相反的方向上偏移180/N度(其中，N是等于或大于3的整数)。

图5是与图1类似的视图，示出了本发明的第二实施例。在该实施例中，三个混合螺杆元件的构造彼此不同。图5的左侧的混合螺杆元件6(即，相对于树脂材料的输送方向的上游混合螺杆元件6)被称为第一螺杆元件61，图5的中心处的混合螺杆元件(即，相对于树脂材料的输送方向的中心混合螺杆元件)被称为第二螺杆元件62，并且图5的右侧的混合螺杆元件(即，相对于树脂材料的输送方向的下游混合螺杆元件)被称为第三螺杆元件63。

第一螺杆元件61具有与第一实施例的混合螺杆元件6a相同的构造。另一方面，在第二螺杆元件62中，每个捏合盘7的弯曲部分10的角度位置相对于上游侧的相邻的捏合盘7的弯曲部分10的角度位置在与轴3的转动方向R相反的方向上偏移90度。因此，第二螺杆元件62在轴向方向X上不产生输送作用。另一方面，在第三螺杆元件63中，带部分9以与第一螺杆元件61相反的方式分布。当沿树脂材料的输送方向从上游到下游观察时，由于带部分9沿逆时针方向分布，所以输送力从下游到上游发生。树脂材料在第一螺杆元件61的下游输送，并在第三螺杆元件63的上游输送，并且高压被施加到树脂材料。因此，可以进一步增强塑化和混合性能。在第三螺杆元件63中，每个捏合盘7的弯曲部分10的角度位置可以相对于下游侧的相邻的捏合盘7的弯曲部分10的角度位置在轴3的转动方向R上偏移大于0度且等于或小于60度，诸如30度、45度或60度的任何角度。具体地，每个捏合盘7的弯曲部分10的角度位置可以相对于下游侧的相邻的捏合盘7的弯曲部分10的角度位置在轴3的转动方向R上偏移180/N度(其中，N是等于或大于3的整数)。

图6是与图3B类似的视图，示出了本发明的第三实施例。在该实施例中，由带部分9形成的凹部11定位在带部分9或弯曲部分10相对于轴3的转动方向R的后侧。树脂材料首先与定位在凹部11的后侧的凸出部9c接触，然后流动，使得它从凸出部9c分叉到右侧和左侧。在该实施例中，可以获得树脂材料的高分布作用。尽管在分布作用下没有对树脂材料施加大的剪切力，但树脂材料由于到右侧和左侧的分布作用而接收大的应变。这也增强了混合性能。

(实施例)

通过使用由Japan Steel Works制造的双螺杆挤出机1TEX30α，将本实施例的捏合盘7的混合性能与比较例的捏合盘的混合性能进行比较。螺杆4的直径为30mm。使用由PrimePolymer Co.，Ltd制造的聚丙烯J108M作为树脂材料。将树脂材料在30℃的温度下供给到双螺杆挤出机，螺杆以100rpm转动，并将圆筒的温度设定在165℃。该实施例与图2A所示的实施例相同，并且比较例具有以与图4B所示的捏合盘107相同的方式沿轴向方向X直线延伸的带部分。图7示出了测试结果。横轴表示每小时从圆筒挤出的树脂材料的量，并且纵轴表示被挤出的树脂材料中未熔化的树脂材料的标准化量。实线是该实施例的近似曲线，并且虚线是比较例的近似曲线。当纵轴超过1时，树脂材料被判断为劣质，因为在这种情况下存在一定量的未熔化的树脂材料。随着生产量的增加，未熔化的树脂材料的比率增加，并且纵轴达到1时的生产量是螺杆的塑化性能的上限。基于近似曲线，当未熔化的树脂材料的比率达到1时，该实施例显示出比比较例大40％的生产量。因此，证实了增加了每单位时间可以被塑化的树脂材料的量，或者根据本发明可以增强塑化性能。

Claims (10)

1.一种捏合盘，所述捏合盘安装在可转动轴上并且布置在圆筒中，在沿所述圆筒的轴向方向观察时，所述捏合盘包括两个接近所述圆筒的壁面的部分和两个远离所述壁面的部分，其中，

所述捏合盘的面向所述圆筒的外周向表面具有带部分，所述带部分相对于所述轴的轴向方向而在所述捏合盘的两端之间延伸并且与所述圆筒形成最小间隙，所述带部分在一个接近所述圆筒的壁面的部分仅设置有一根，且包括至少一个弯曲部分。

2.根据权利要求1所述的捏合盘，其中，所述带部分包括：第一部分，所述第一部分相对于所述轴向方向斜对地延伸；以及第二部分，所述第二部分在所述弯曲部分处连接到所述第一部分并且相对于所述轴向方向在与所述第一部分相反的方向上斜对地延伸。

3.根据权利要求2所述的捏合盘，其中，所述第一部分和所述第二部分直线延伸，并且所述第一部分和所述第二部分与所述轴向方向形成锐角，其中，所述锐角等于或大于30度。

4.根据权利要求2所述的捏合盘，其中，所述第一部分和所述第二部分以曲线延伸。

5.一种螺杆元件，包括多个根据权利要求1所述的捏合盘，所述多个捏合盘沿轴向方向成一体。

6.根据权利要求5所述的螺杆元件，其中，所述捏合盘的厚度是所述捏合盘的最大直径的0.05至2倍，并且所述捏合盘的数量在2个和30个之间。

7.根据权利要求5或6所述的螺杆元件，其中，凹部由所述弯曲部分附近的所述带部分形成，并且所述凹部相对于所述轴的转动方向位于所述弯曲部分的前面。

8.根据权利要求5或6所述的螺杆元件，其中，凹部由所述弯曲部分附近的所述带部分形成，并且所述凹部相对于所述轴的转动方向位于所述弯曲部分的后面。

9.一种挤出机，包括：

螺杆，所述螺杆被分成多个根据权利要求5至8中任一项所述的螺杆元件；

轴，所述轴安装到所述多个螺杆元件中；以及

圆筒，所述螺杆布置在所述圆筒中。

10.根据权利要求9所述的挤出机，其中，所述多个螺杆元件包括沿树脂材料的输送方向布置在上游的第一螺杆元件、布置在所述第一螺杆元件的下游的第二螺杆元件、以及布置在所述第二螺杆元件的下游的第三螺杆元件，

其中，当沿所述树脂材料的输送方向从上游到下游观察时，

在所述第一螺杆元件中，每个捏合盘的弯曲部分的角度位置相对于下游侧的相邻的捏合盘的弯曲部分的角度位置在与所述轴的转动方向相反的方向上偏移大于0度且等于或小于60度的角度，

在所述第二螺杆元件中，每个捏合盘的弯曲部分的角度位置相对于上游侧的相邻的捏合盘的弯曲部分的角度位置在与所述轴的转动方向相反的方向上偏移90度，以及

在所述第三螺杆元件中，每个捏合盘的弯曲部分的角度位置相对于上游侧的相邻的捏合盘的弯曲部分的角度位置在所述轴的转动方向上偏移大于0度且等于或小于60度的角度。

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