CN109794214B - 一种强剪切力高分子断链方法及其剪刀式强剪切力化学反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高分子聚合物化学接枝改性领域，公开了一种强剪切力高分子断链方法及其剪刀式强剪切力化学反应器，在高分子聚合物进入反应设备后，高分子聚合物承受设备径向剪切力的同时，高分子聚合物的流动方向由螺旋方向变为轴向方向，通过运动方向和速度的急剧改变，增大剪切力从而将高分子链剪断。具体是通过螺杆旋转实现螺杆螺棱断面与料筒棱断面之间类似剪刀两个面之间相对运动，实现了高分子熔体输送速度矢量急剧变化，由于高分子料流速度的急剧变化，剪切速率迅速提高，剪切应力大大增强，在剪切面实现了对输送物料的强力剪切。这种强剪切力式的高分子断链方法将剪刀式强化学反应器对熔融态高分子材料的剪切性能提高了150%。

Description

一种强剪切力高分子断链方法及其剪刀式强剪切力化学反 应器

技术领域

本发明涉及高分子聚合物化学接枝改性领域，具体涉及一种用于高分子聚合物化学接枝改性的强剪切力高分子断链方法及其剪刀式强剪切力化学反应器。

背景技术

用于特殊用途的改性高分子聚合物在现在的应用越来越广泛，热熔胶（MeltAdhesive）作为一种可塑性的粘合剂，就是改性高分子聚合物之一，由于其无毒无污染，黏合强度大、速度快等优点而备受青睐，越来越被市场需要。热熔胶的粘结性能的好坏取决于热熔胶制备时的接枝反应的程度，而接枝反应的程度又取决于聚烯烃分子的断链程度。因此，提高高分子聚合物分子链的断链程度，可以极大提高热熔胶产品的性能。许多生产热熔胶厂家通过过氧化物引发高分子断链，接枝马来酸酐来实现的热熔胶的生产，这种断链方法会引起热熔胶性能的缺陷。一种剪刀式的高效强剪切力化学反应器可以实现高聚物高效断链。

公开号为CN113054A发明的“力化学反应器”是一种力化学反应的磨盘形力化学反应器，类似于中国传统石磨与磨盘碾压的原理，在加工高分子材料的过程中，提供强大的挤压、剪切作用，使材料受到垂直、环向、剪切等多种应力作用而破碎。该发明由于受到磨盘半径的限制，会使得物料流受到剪切的有效行程受限，因此对于难以加工的聚合物需重新添加，多次重复加工。

公开号为CN10356682A，CN104890215A和106863746 A所发明的强剪切力化学反应器，都是在安装在挤出机熔融段后，其通过强剪切段中的螺杆在料筒内旋转实现强物料的剪切和输送。这三个发明通过采用不同的螺杆螺棱形状和料筒内槽的形状，让物料通过这些剪切结构并受到强烈剪切式向前运动，其行程为螺旋式前进，所以增加了物料流的剪切行程，使得物料的剪切更为充分，进一步提高了高分子聚合物热熔胶产品的性能，并且可以实现连续生产。但是这几种剪切结构对于某些难于加工的高分子聚合物进行挤出加工时，也存在着接枝反应不充分，接枝率低等问题。

上述力化学反应器的剪切结构对某些高分子材料进行反应加工时，由于物料在剪切段流动时主要是沿着螺杆所设计的螺槽向前运动，流动到螺棱和料筒部分剪切的物料会受到强烈剪切，但是也存在部分物料所受到剪切作用小，存在剪切力不够，接枝共聚反应不充分的问题。本发明是基于公开号为CN10356682A，CN104890215A和106863746 A的基础上进行的进一步的改进，其目的在于改变物料流的运动轨迹、速度和物料的剪切机理，有效避免部分物料未受到强剪切而流出，提高聚合物的接枝反应的程度。因此，需要进一步对其结构进行优化设计，同时进行实验研究，设计并确定出较佳的设计参数及其完整的技术方案，以进一步提高挤出机对高分子聚合物分子链的剪切性能，提高接枝率和挤出率，以适应热熔胶产品性能的需求。

采用力化学反应结构对高分子聚合物接枝改性，首要的任务是将高分子的分子链的断裂，在力化学反应器内部要实现高分子断裂极强的剪切力。本发明借鉴剪刀工作原理，设计了一种新型的螺杆及料筒剪刀式强剪切结构。高分子材料通过螺杆棱和料筒棱间隙的时候，一方面是流动的速度方向急剧改变，另一方面是高分子物料经过间隙时候，螺杆高速旋转料筒静止，物料通过类似于剪刀间隙，受到强烈的剪切，从而将高分子链剪断。由于螺杆和料筒是分段安装的，可以通过增加螺杆和料筒的段数来增加物料的剪切次数，提高剪切效果。

发明内容

本发明的目的是提高高分子聚合物化学接枝改性的断链效果，进而提供了一种强剪切力高分子断链方法及其剪刀式强剪切力化学反应器。

本发明采用如下技术方案：

一种强剪切力高分子断链方法，在高分子聚合物进入反应设备后，高分子聚合物承受设备径向剪切力的同时，高分子聚合物的流动方向由螺旋方向变为轴向方向，通过运动方向和速度的急剧改变，增大剪切力从而将高分子链剪断。

高分子聚合物是按螺旋转动、轴向运动剪切、螺旋转动、轴向汇合、螺旋转动、轴向运动剪切、螺旋转动、轴向汇合......的周期变化方式进行流动，高分子聚合物由螺旋转动、轴向运动剪切、螺旋转动到轴向汇合的流向变化构成一次对高分子聚合物的剪切周期。

所述剪切周期不少于5个，如果高分子链难以断裂，需要适当增加其剪切段数，一般设置5-10个剪切周期。

一剪刀式强剪切力化学反应器，包括通过螺棱配合连接的螺杆和料筒，螺杆外螺棱的轴向宽度、径向高度、螺旋升角与料筒内螺棱的轴向宽度、径向高度、螺旋升角分别对应相等，螺杆外螺棱头数大于料筒内螺棱头数且两者的头数差为2；螺杆旋转、料筒静止时，螺杆外螺棱和料筒内螺棱之间形成剪刀式强剪切应力。

所述螺杆外螺棱为五头螺旋结构，料筒内螺棱为三头螺旋结构。根据所要剪切高分子材料高分子断链的难易程度以及螺杆机筒的直径，可以改变螺杆外螺棱头数和料筒内螺棱头数。螺杆外螺棱头数要大于料筒内螺棱头数，两者数量差始终为2。

所述螺杆外螺棱和料筒内螺棱的螺旋升角为40度到45度，最优升角为43.4度，螺棱轴向宽度范围25mm到35mm，最优宽度为30mm，径向高度范围为 18mm到到25mm，最优高度为20mm。

螺杆外螺棱和料筒内螺棱之间设有0.5~3mm的端面轴向间隙；螺杆外螺棱和料筒内槽的径向间隙以及料筒内螺棱和螺杆根部的径向间隙为0.3-0.5mm。

所述螺杆由若干螺杆段通过花键轴依次紧密串联而成，料筒是由若干料筒段通过内外螺纹紧密串联而成，螺杆段与料筒段通过螺棱一一对应配合连接，一对配合连接的螺杆段与料筒段构成一个剪切周期。根据所剪切材料断链的难易程度，可以适当增加和减少剪切段的段数即剪切周期。

所述螺杆和料筒的轴向总长不小于850mm。该长度为所有剪切周期的轴向总长度，可以根据所剪切高分子材料性能适当增加其长度。

本发明所述剪刀式强剪切挤出机的螺杆与料筒，是利用剪刀强剪切原理对高分子材料的高分子链进行剪断，高分子材料每次通过螺杆棱和料筒棱形成的剪切面，都会受到剧烈的剪切。

本发明所述的剪刀式强剪切料筒与螺杆结构中，可根据高分子材料剪切的难易程度，增加或者减少其剪切段数。物料通过螺杆棱分成若干股料流，进入螺杆棱和料筒棱形成的剪切面，料流由多股的旋转运动进入剪切面的直线运动，速度急剧改变，在工作过程中螺杆旋转，料筒静止，高分子材料在剪切面受到强烈的剪切后，从多股的料筒棱的螺旋间隙流出后，在轴向前进方向重新混合，再进入下一剪切段。工作过程中增加螺杆的转速对于这种剪刀型剪切效果更明显。本发明通过螺杆旋转实现螺杆螺棱断面与料筒棱断面之间类似剪刀两个面之间相对运动，实现了高分子熔体输送速度矢量急剧变化，由于高分子料流速度的急剧变化，剪切速率迅速提高，剪切应力大大增强，在剪切面实现了对输送物料的强力剪切。这种强剪切力式的高分子断链方法将剪刀式强化学反应器对熔融态高分子材料的剪切性能提高了150%。

附图说明

图1是本发明剪刀式强剪切挤出机强剪切段的螺杆和料筒装配结构示意图；

图2是本发明剪刀式强剪切挤出机的螺杆段（Ⅰ）结构示意图；

图3是本发明剪刀式强剪切挤出机的螺杆段（Ⅰ）装配起来的结构示意图；

图4是本发明剪刀式强剪切挤出机的料筒部段（Ⅱ）结构示意图；

图5是本发明剪刀式强剪切挤出机的料筒部段（Ⅱ）中间剖开后的结构示意图；

图6是本发明剪刀式强剪切挤出机物料流经的通道结构示意图（将料筒壁厚隐去）；

图中：Ⅰ-螺杆段，Ⅱ-料筒段，Ⅲ-花键轴；

1-螺杆外螺棱，2-螺杆内花键孔，3-料筒内螺棱，4-外螺纹，5-内螺纹。

具体实施方式

本发明所述强剪切力高分子断链方法，是基于在挤出机熔融段末端增加强剪切段，对熔融态高分子材料实施剪刀式的强剪切应力，从而在热应力的作用下实现长链分子的断裂和形成一定数量的活性基团，有利于化学接枝改性的顺利进行。本发明方法具体是在高分子聚合物进入反应设备后，高分子聚合物承受设备径向剪切力的同时，高分子聚合物的流动方向由螺旋方向变为轴向方向，通过运动方向和速度的急剧改变，增大剪切力从而将高分子链剪断。该方法可以使聚合物受到强烈的剪切作用并且有较高物料剪切率，物料在通过该力化学反应器可以充分反应以实现接枝改性。

所述的强剪切段是在螺杆和料筒增加剪刀式剪切结构：剪刀式强剪切结构为螺杆和料筒分别设置对应的剪切棱；物料通过螺杆的螺旋式剪切棱缝隙后，进入螺杆和料筒的剪切棱之间的强剪切部分，之后从料筒的螺旋式剪切棱缝隙流出，进入一段平缓流动段后进入下一段剪刀式强剪切段；剪刀式剪切段的螺杆和料筒部分为组合式分段结构，可根据高分子的材料剪切的难易程度，所需要的剪切应力适当增加或者减少其组合段的数量；分段的螺杆部分通过内花键安装到花键轴上；分段的料筒彼此之间的连接是上一个料筒前面的内螺纹和下一段料筒的外螺纹连接。

如图1-6所示的剪刀式强剪切力化学反应器结构是以本发明方法为前提下的实施例结构，所给出的详细实施方式以及具体操作过程，不限于本发明。

如附图1所示为本发明剪刀式强剪切挤出机的螺杆与料筒配合的结构示意图。螺杆旋转，料筒静止；熔融态的高分子聚合物每次进入组合段，分为五股料流，分别流入螺杆螺棱之间的缝隙，随着螺杆旋转螺旋向前运动后，进入螺杆螺棱和料筒螺棱之间0.5~3mm的轴向间隙，运动方向由原来的螺旋运动变为轴向直线运动，运动方向和速度急剧改变，聚合物熔体受到剪刀式的剪切应力和螺杆螺棱与料筒螺棱之间0.5~3mm的间隙内分子之间的强摩擦力的双重作用力。因此，熔融态的高分子聚合物在进入螺杆螺棱和料筒螺棱所形成的剪刀间隙，承受剧烈的强剪切应力，然后从料筒螺棱的旋转缝隙中流出，再进入下一段的组合剪切段继续剪切，即高分子料流的运动周期为：流经螺杆螺棱螺旋旋转运动+短距离轴向直线剪切+机筒螺棱螺旋旋转+轴向直线汇合。

如图2和3所示，螺杆段Ⅰ通过花键孔安装到花键轴Ⅲ上，各段螺杆通过花键连接起来组成强剪切螺杆；如图4和5所示，料筒段Ⅱ一端加工外螺纹，另一端加工内螺纹，内外螺纹尺寸吻合，料筒段外螺纹和另一段料筒的内螺纹旋合，各段料筒通过螺纹连接起来组成强剪切机筒。

本发明所述剪刀式强剪切力化学反应器包括多段螺杆和料筒组合起来的强剪切段。由于螺杆棱和机筒棱在空间中交错，当螺杆与料筒节数加大时，安装时应该按照螺杆-料筒-螺杆-料筒……的顺序或者料筒-螺杆-料筒-螺杆……的顺序依次安装，强剪切段数增多，强剪切效果更好，一组螺杆和料筒组合件的总长为85mm。

如附图2所示为剪刀式强剪切螺杆段部分，其中，1为螺杆螺棱，2为螺杆内花键孔，螺杆的螺棱为均匀的五头螺旋结构，螺旋升角均为43.4度，螺杆的螺旋间隙大约10mm，其螺棱轴向方向宽度为30mm，径向方向的高度为20mm，附图3为螺杆段安装到花键轴上的整体示意图。

如附图4所示为剪刀式强剪切段料筒段的示意图，附图5是为了方便看到内部，将料筒段剖切一半后的打开图，其中，3为料筒螺棱， 4为料筒一侧的外螺纹，5为料筒一侧的内螺纹，料筒的螺棱为均匀的三头螺旋结构，其螺棱轴向方向宽度为30mm，径向方向的高度为20mm，料筒螺棱的螺旋间隙为12mm，各个料筒段通过螺纹相互连接，一段料筒的外螺纹4端旋入另一段料筒的内螺纹孔5中，料筒的外径为220mm，本发明的料筒外表面为圆筒形，以便在外表面安装电加热器和散热器。

本实施例中，高分子物料从螺杆左端进入剪刀式强剪切段，分成若干股料流进入螺杆段部分的螺旋间隙，流出间隙后进入螺杆棱和料筒棱形成的剪切间隙，高分子物料由多股的旋转运动汇合后变为直线运动进入剪切面的，料流速度和方向急剧改变，剪切面中螺杆螺棱旋转，料筒螺棱静止，旋转的螺杆棱类似于锋利的剪刀，将流出的一股股料流剪断，高分子材料在剪切面受到强烈的剪切后，再从多股的料筒棱的螺旋间隙流出，料流在轴向前进方向重新混合，再进入下一剪切段，料流的运动轨迹从附图6可以看到，最终由挤出口挤出。所述过程仅为本实施例的物料剪切过程。

Claims (5)

1.一种剪刀式强剪切力化学反应器，包括通过螺棱配合连接的螺杆和料筒，其特征在于，螺杆外螺棱的轴向宽度、径向高度、螺旋升角与料筒内螺棱的轴向宽度、径向高度、螺旋升角分别对应相等，螺杆外螺棱头数大于料筒内螺棱头数且两者的头数差为2；螺杆旋转、料筒静止时，螺杆外螺棱和料筒内螺棱之间形成剪刀式强剪切应力；

在高分子聚合物进入反应设备后，高分子聚合物承受设备径向剪切力的同时，高分子聚合物的流动方向由螺旋方向变为轴向方向，通过运动方向和速度的急剧改变，增大剪切力从而将高分子链剪断；

高分子聚合物是按螺旋转动、轴向运动剪切、螺旋转动、轴向汇合、螺旋转动、轴向运动剪切、螺旋转动、轴向汇合的周期变化方式进行流动，高分子聚合物由螺旋转动、轴向运动剪切、螺旋转动到轴向汇合的流向变化构成一次对高分子聚合物的剪切周期；

所述剪切周期不少于5个；

螺杆外螺棱和料筒内螺棱之间设有0.5~3mm的端面轴向间隙；螺杆外螺棱和料筒内槽的径向间隙以及料筒内螺棱和螺杆根部的径向间隙为0.3-0.5mm。

2.根据权利要求1所述的剪刀式强剪切力化学反应器，其特征在于，所述螺杆外螺棱为五头螺旋结构，料筒内螺棱为三头螺旋结构。

3.根据权利要求2所述的剪刀式强剪切力化学反应器，其特征在于，所述螺杆外螺棱和料筒内螺棱的螺旋升角为40度到45度，螺棱轴向宽度范围25mm到35mm，径向高度范围为18mm到25mm。

4.根据权利要求3所述的剪刀式强剪切力化学反应器，其特征在于，所述螺杆由若干螺杆段通过花键轴依次紧密串联而成，料筒是由若干料筒段通过内外螺纹紧密串联而成，螺杆段与料筒段通过螺棱一一对应配合连接，一对配合连接的螺杆段与料筒段构成一个剪切周期。

5.根据权利要求4所述的剪刀式强剪切力化学反应器，其特征在于，所述螺杆和料筒的轴向总长不小于850mm。

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