CN110746619B - 超声振动旋转剪切解缠结装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声振动旋转剪切解缠结装置，包括机头和超声发生系统，机头具有内腔，内腔一端为具有进料口的进料端，另一端设置有出料口，所述超声发生系统连接有超声振动头，所述超声振动头伸入机头的内腔；机头还包括解缠结芯棒，所述解缠结芯棒的一端连接有驱动解缠结芯棒转动的动力机构，另一端从机头的进料端伸入内腔并延伸至机头的出料口。超声振动头能够对塑料熔体施加超声振动场，可使分子链在被超声振动下变得松散，解缠结芯棒能够对塑料熔体施加旋转剪切场，分子链受到强烈的旋转剪切，逐渐彼此滑脱，沿流动方向取向，实现高效解缠结。

Description

超声振动旋转剪切解缠结装置

技术领域

本发明属于聚合物加工设备领域，尤其是一种超声振动旋转剪切解缠结装置。

背景技术

独特的长链结构是高分子聚合物区别于其他材料的重要特性，聚合物分子链与分子链之间会不可避免的相互穿插，产生羁绊，阻碍分子链运动，即为缠结。分子链缠结的程度越低，聚合物熔体粘度低，流动性好，加工容易，相反加工困难。所以，在聚合物加工过程中通过降低分子链的缠结程度能有效的降低聚合物熔体粘度，具有比较广阔的应用前景，如：1)可以更好的实现聚合物定构过程。少了羁绊后，分子链运动更简单，更容易形成我们希望形成的凝聚态结构，例如串晶或取向结构，有利于制品性能的提高；2)聚合物的加工性能会得到提高。超高分子链聚乙烯和其他的一些工程塑料的粘度太高，所以成型困难，但是如果生成更少的分子链缠结，它们的粘度会大幅度下降，在成型温度不变的情况下会改善加工性能。对于一般的聚合物来说，可以通过解缠结后使得加工温度减低，减少材料降解的可能；3)产品的缺陷会更少。对于一些轻薄的注塑制品来说，流动阻力小，产生翘曲变形或者短射的可能性就小。

聚合物熔体的粘度其实就是一个缠结与解缠的一个动态平衡，当这个平衡打破后就会发生粘度的变化，这就是所谓的剪切变稀。基于这个理论，许多研究表明，通过在聚合物成型过程中施加一定的外力场，可以有效的减低体系的粘度，成为一种有效的提高聚合物加工性能的方法。相较于传统的加入增塑剂或降低分子量等提高聚合物流动性和加工性的方法，通过解缠结来降低粘度、提高加工性能不会大幅影响材料的分子量，因此不会降低最终制品的力学性能。

目前，已公开的专利及研究表明外力场多分为低频振动和超声振动，对于低频振动，振动频率只有几赫兹到几十赫兹，再加上加工过程中剪切时间较短，当分子链的热运动导致的恢复缠结与剪切诱导的解缠结达到动态平衡时，分子链的缠结状态便维持不变，解缠结不会继续进行，粘度也将保持不变。因此，单纯的低频剪切场解缠结效果是十分有限的，不容易实现高效的分子链解缠。而超声振动的频率高达几十万赫兹，在较短时间内能传递给聚合物分子链极大的能量，有望实现高效解缠结。在实验中也发现了经过超声振动后机头内熔体压力的显著下降，然而其在加工中同样存在受热的分子链回复问题。同时，超声振动由于其频率高，振幅小，其在传递到熔体后，难以直接诱导熔体分子链在其振动方向上取向，而是使得熔体更加容易沿着流动方向取向，若能在单纯超声振动的基础上叠加旋转剪切，形成复合应力场，使得分子链在被超声振动下变得松散的情况下，再受到强烈的旋转剪切，逐渐彼此滑脱，沿流动方向取向，可实现高效解缠结。然而，目前国内还没有利用复合应力场实现聚合物熔体高度解缠结的研究，甚至还没有专门用于聚合物熔体解缠降粘的装置设备的研究，还缺少一种能够大规模制备解缠结聚合物原料的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声振动旋转剪切解缠结装置，可分别采用超声振动场、周向旋转剪切场及超声振动场与周向旋转剪切场叠加的复合应力场来处理聚合物熔体，以实现对聚合物熔体的解缠，同时连续输出解缠结熔体。

本发明的目的是这样实现的：超声振动旋转剪切解缠结装置，

包括机头和超声发生系统，机头具有内腔，机头的侧壁设置有连通内腔的进料口，机头的一端设置有出料口，所述超声发生系统连接有超声振动头，所述超声振动头伸入机头的内腔；其特征在于：

还包括解缠结芯棒，所述解缠结芯棒的一端连接有驱动解缠结芯棒转动的动力机构，另一端伸入机头的内腔并延伸至机头的出料口，解缠结芯棒的外壁与机头的内壁之间具有间距。

进一步地，所述出料口连接有可拆卸的成型口模。

进一步地，所述机头内设置有多个加热孔。

进一步地，所述机头的进料口处设置有第一温度压力传感器，出料口处设置有第二温度压力传感器。

进一步地，所述解缠结芯棒与机头的连接处设置有密封机构。

进一步地，所述密封机构包括密封圈、密封环、密封圈间隔环、轴承座和轴承盖，所述机头的进料端敞口，且进料端的内壁设置为阶梯状，所述轴承座和轴承盖通过螺钉与机头的进料端相连，所述解缠结芯棒的外壁设置有环形凸台，环形凸台的内侧壁抵靠在一阶梯面上，且解缠结芯棒贯穿轴承座和轴承盖，所述密封圈为两个，两个密封圈套在环形凸台与轴承座之间的解缠结芯棒外壁，密封圈间隔环设置在两个密封圈之间，密封环套在密封圈和密封圈间隔环外，且由轴承座压紧固定在进料端内壁的阶梯面上。

进一步地，所述解缠结芯棒外壁设置有剪切件，所述剪切件为螺旋形的剪切凸台。

进一步地，所述机头的侧壁设置有安装孔，安装孔内固定设置有圆环形的耐热橡胶固定板，耐热橡胶固定板的内侧连接有耐热橡胶密封圈，所述耐热橡胶密封圈套在超声振动头外壁。

进一步地，所述超声发生系统包括超声发生器、超声换能器和超声变幅杆，所述超声发生器、超声换能器、超声变幅杆和超声振动头依次连接。

进一步地，所述机头外壁固定设置有支撑杆，所述支撑杆固定连接有固定板，所述固定板与超声变幅杆固定连接，且固定板与超声变幅杆之间设置有隔热垫片。

本发明的有益效果是：超声发生系统和超声振动头能够对塑料熔体施加超声振动场，可使分子链在被超声振动下变得松散，解缠结芯棒能够对塑料熔体施加旋转剪切场，分子链受到强烈的旋转剪切，逐渐彼此滑脱，沿流动方向取向，实现高效解缠结。

附图说明

图1是本发明的主视剖视示意图。

图2是图1中A部分的放大示意图。

图3是本发明的俯视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2和图3所示，本发明的超声振动旋转剪切解缠结装置，包括机头5和超声发生系统，机头5具有内腔，机头5侧壁设置有连通内腔的进料口51，机头5的一端设置有出料口52，所述超声发生系统连接有超声振动头4，所述超声振动头4伸入机头5的内腔。

机头5的内腔即为解缠结的场所，机头5可以是一个整体部件，为了便于装配和检修，机头5包括上模体和下模体，上模体和下模体通过螺栓等连接件相连并且围成内腔。

超声发生系统用于产生超声波，并带动超声振动头4振动，超声振动头4即可对塑料熔体施加超声振动场。超声发生系统可采用现有的各种能够产生超声振动的设备，如超声发生系统包括超声发生器1、超声换能器2和超声变幅杆3，所述超声发生器1、超声换能器2、超声变幅杆3和超声振动头4依次连接。超声发生器1用于产生超声波，超声换能器2用于将超声波转换为振动波，超声变幅杆3用于调节、改变振动波的振幅，同时带动超声振动头4进行振动，超声振动头4则将振动波传递至塑料熔体。超声发生器1、超声换能器2、超声变幅杆3和超声振动头4的结构与尺寸设计为已有技术，直接在厂家购买即可。

还包括解缠结芯棒19，所述解缠结芯棒19的一端连接有驱动解缠结芯棒19转动的动力机构10，另一端伸入机头5的内腔并延伸至机头5的出料口52，解缠结芯棒19的外壁与机头5的内壁之间具有间距。

解缠结芯棒19用于对塑料熔体施加旋转剪切场，与超声振动场相配合形成复合场，促进分子链解缠结。具体地，动力机构10带动解缠结芯棒19高速转动，解缠结芯棒19的外壁即可对其附近的塑料熔体进行剪切，促进分子链逐渐彼此滑脱。

解缠结芯棒19从机头5远离出料口52的一端伸入，且延伸至机头5的出料口52，基本贯穿机头5的内腔，保证足够的剪切面积，提高解缠结效果。此外，解缠结芯棒19的轴向即为塑料熔体的流向，有利于分子链沿流动方向取向。

由于超声振动头4不能与金属接触，因此，超声振动头4与解缠结芯棒19之间具有一定的间距。解缠结芯棒19的外壁与机头5的内壁之间具有间距，即解缠结芯棒19的外壁与机头5的内壁之间存在腔体，该腔体可容纳塑料熔体，解缠结芯棒19与机头5之间的间距应当较小，可增加与塑料熔体的增加面积，避免塑料熔体的流量过大，使塑料熔体与解缠结芯棒19充分、均匀地接触，保证对塑料熔体进行充分地解缠结。

动力机构10可采用电机，电机连接有减速器，减速器通过联轴器与解缠结芯棒19相连，可带动解缠结芯棒19稳定地转动，且可以根据工艺要求，方便地调节电机的转速，进而控制解缠结芯棒19的转速。

塑料熔体通过进料口51进入机头5的内腔，然后朝着出料口52流动。进料口51可与挤出机相连，挤出机制得的塑料熔体直接通过进料口51进入机头5。具体地，进料口51可通过螺栓或者其他连接件直接或间接地与挤出机相连。

出料口52用于排出解缠结后的塑料熔体，为了实现连续化生产，简化生产过程，所述出料口52连接有可拆卸的成型口模7。塑料熔体通过成型口模7时，可以成为特定尺寸和形状的塑料材料，该塑料材料可直接进行后续机械加工。成型口模7采用螺钉等进行可拆卸安装，可根据生产需要更换不同的成型口模7，以实现不同形状和尺寸的塑料材料的生产。

挤出机、本发明的解缠结装置以及成型口模7组成一套塑料产品生产设备，可实现连续生产，且保证产品质量。

为了保证整个超声发生系统的稳定，所述机头5外壁固定设置有支撑杆22，所述支撑杆22固定连接有固定板24，所述固定板24与超声变幅杆3固定连接，且固定板24与超声变幅杆3之间设置有隔热垫片23。支撑杆22可通过螺钉等固定安装在机头5外壁，超声变幅杆3的外壳、固定板24以及支撑杆22可通过螺钉等进行连接。由于塑料熔体的解缠结温度较高，整个机头5的温度也比较高，而高温会影响超声变幅杆3的正常工作，因此，固定板24与超声变幅杆3之间设置有隔热垫片23，同时可以在超声变幅杆3处设置冷却机构，避免超声变幅杆3的温度过高，保证装置的正常运行。

为了保证机头5的密封性，在解缠结芯棒19与机头5的连接处以及超声振动头4与机头5的连接处均设置有密封机构，密封机构可采用现有的各种孔轴密封连接结构，具体地：

解缠结芯棒19与机头5之间的密封机构包括密封圈26、密封环27、密封圈间隔环28、轴承座29和轴承盖31，所述机头5的进料端敞口，且进料端的内壁设置为阶梯状，具体具有两个径向的阶梯面。所述轴承座29和轴承盖31通过螺钉与机头5的进料端相连，所述解缠结芯棒19的外壁设置有环形凸台192，环形凸台192的内侧壁抵靠在一阶梯面上，可起到一定的密封作用，解缠结芯棒19贯穿轴承座29和轴承盖31，并通过轴承安装在轴承座29中。所述密封圈26为两个，两个密封圈26套在环形凸台192与轴承座29之间的解缠结芯棒19外壁，密封圈间隔环28设置在两个密封圈26之间，密封环27套在密封圈26和密封圈间隔环28外，且由轴承座29压紧固定在进料端内壁的阶梯面上。密封圈26和密封环27进行双重密封，可保证良好的密封性。

超声振动头4与机头5之间的密封机构为：所述机头5的侧壁设置有安装孔，安装孔为阶梯孔，安装孔内固定设置有圆环形的耐热橡胶固定板21，耐热橡胶固定板21可通过螺钉与机头5相连，耐热橡胶固定板21的内侧连接有耐热橡胶密封圈30，耐热橡胶密封圈30外壁呈阶梯形，与安装孔内壁适配，可保证耐热橡胶密封圈30的稳定性。所述耐热橡胶密封圈30套在超声振动头4外壁，避免超声振动头4与安装孔内壁直接接触。

为了使机头5内部的塑料熔体维持在工艺要求的温度，以保证良好的流动性，所述机头5内设置有多个加热孔18。可在加热孔18内设置电加热棒、电加热丝等加热元件，用于对机头5进行加热。使用时，先利用加热元件将机头5的内腔预热至合适的温度，再将塑料熔体通入机头5内部，避免机头5内腔的温度较低而导致塑料熔体遇冷凝固。

为了便于检测和控制机头5内的塑料熔体的温度和压力，所述机头5的进料口51处设置有第一温度压力传感器15，出料口52处设置有第二温度压力传感器6。第二温度压力传感器6可安装在机头5上，也可以安装在成型口模7上。第一温度压力传感器15用于检测机头5进料口51处的塑料熔体的温度和压力，第二温度压力传感器6用于检测机头5出料口52处的塑料熔体的温度和压力，根据检测到的温度值，可判断塑料熔体的温度是否满足工艺要求，当温度异常时可及时进行调节。由于塑料熔体经过解缠结后，压力会降低，因此，可根据进料口51处与出料口52处的压力差来判断解缠结效果，当压力差不满足要求时可及时对设备进行检修。

所述解缠结芯棒19外壁设置有剪切件191，剪切件191直接与塑料熔体接触，向塑料熔体施加剪切场，提高解缠结效果。剪切件191可以是多个圆环形的凸台、板等等，作为优选的实施方式，所述剪切件191为螺旋形的剪切凸台。剪切件191设置为螺旋形，不仅能够对塑料熔体施加剪切场，还具有推动塑料熔体移动的作用，促使分子链沿流动方向取向。

具体地，剪切件191可以是设置在解缠结芯棒19外壁的螺纹，该螺纹为等距等深、大升角、浅螺槽的多头螺纹，螺纹外径D为45mm；螺纹长度L与外径的长径比L/D为5；螺槽深度为3mm；螺纹升角φ为75°；螺纹断面为矩形截面。

此外，螺纹的另一种实施参数为：螺纹长度L与外径的长径比L/D为10；螺槽深度为6mm；螺纹升角φ为80°。

本发明的机头5、动力机构10和成型口模7可通过螺栓等安装在一底座上，成为一个整体，机头5与底座之间设置有隔热垫，避免机头5的热量快速传递至底座，降低机头5的能耗。

本发明具体的工作流程为：对机头5进行预热，待机头5温度上升到适宜加工物料的温度时开启动力机构10，设置合适的转速。动力机构10驱动解缠结芯棒19转动。然后由挤出机将塑化好的塑料熔体通过进料口51输入机头5。再打开超声发生系统，设置合适的功率。聚合物熔体在机头5内腔壁及解缠结芯棒19之间，并接受到来自超声振动头4的超声振动，同时受到周向的强烈剪切实现解缠结。解缠结后的熔体在挤出机的挤出压力作用下通过成型口模7成型制品。第一温度压力传感器15和第二温度压力传感器6监测聚合物熔体在经过解缠结系统前后的温度压力变化。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明提出了复合应力场解缠结的方案，在单纯超声振动的基础上叠加旋转剪切，使得分子链在被超声振动下变得松散的情况下，再受到强烈的旋转剪切，逐渐彼此滑脱，沿流动方向取向，实现高效解缠结。

2.本发明能够直接得到表面质量好、结晶度和力学强度有一定提高的制品，也能通过更换成型口模7而获得粒料并用于二次加工。

3.本发明提供的解缠结装置包括超声振动解缠结系统和旋转剪切解缠结系统，超声振动功率、振幅可调，旋转剪切系统解缠结芯棒转速可调，可实现远高于挤出机螺杆旋转的转速，提供给熔体较大的剪切，实现高效解缠结。

4.本发明提供的解缠结装置总体尺寸和结构的复杂性较小，制造成本低。

5.由于本发明提供的解缠结装置具有在线检测系统，因而能够实时测量并精确控制熔体温度、压力等参数。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.超声振动旋转剪切解缠结装置，包括机头(5)和超声发生系统，机头(5)具有内腔，机头(5)侧壁设置有连通内腔的进料口(51)，机头(5)的一端设置有出料口(52)，所述超声发生系统连接有超声振动头(4)，所述超声振动头(4)伸入机头(5)的内腔；其特征在于：

还包括解缠结芯棒(19)，所述解缠结芯棒(19)的一端连接有驱动解缠结芯棒(19)转动的动力机构(10)，另一端伸入机头(5)的内腔并延伸至机头(5)的出料口(52)，解缠结芯棒(19)的外壁与机头(5)的内壁之间具有间距；机头(5)内设置有加热孔(18)。

2.根据权利要求1所述的超声振动旋转剪切解缠结装置，其特征在于：所述出料口(52)连接有可拆卸的成型口模(7)。

3.根据权利要求1所述的超声振动旋转剪切解缠结装置，其特征在于：所述机头(5)内设置有多个加热孔(18)。

4.根据权利要求1所述的超声振动旋转剪切解缠结装置，其特征在于：所述机头(5)的进料口(51)处设置有第一温度压力传感器(15)，出料口(52)处设置有第二温度压力传感器(6)。

5.根据权利要求1所述的超声振动旋转剪切解缠结装置，其特征在于：所述解缠结芯棒(19)与机头(5)的连接处设置有密封机构。

6.根据权利要求5所述的超声振动旋转剪切解缠结装置，其特征在于：所述密封机构包括密封圈(26)、密封环(27)、密封圈间隔环(28)、轴承座(29)和轴承盖(31)，所述机头(5)的进料端敞口，且进料端的内壁设置为阶梯状，所述轴承座(29)和轴承盖(31)通过螺钉与机头(5)的进料端相连，所述解缠结芯棒(19)的外壁设置有环形凸台(192)，环形凸台(192)的内侧壁抵靠在一阶梯面上，且解缠结芯棒(19)贯穿轴承座(29)和轴承盖(31)，所述密封圈(26)为两个，两个密封圈(26)套在环形凸台(192)与轴承座(29)之间的解缠结芯棒(19)外壁，密封圈间隔环(28)设置在两个密封圈(26)之间，密封环(27)套在密封圈(26)和密封圈间隔环(28)外，且由轴承座(29)压紧固定在进料端内壁的阶梯面上。

7.根据权利要求1所述的超声振动旋转剪切解缠结装置，其特征在于：所述解缠结芯棒(19)外壁设置有剪切件(191)，所述剪切件(191)为螺旋形的剪切凸台。

8.根据权利要求1所述的超声振动旋转剪切解缠结装置，其特征在于：所述机头(5)的侧壁设置有安装孔，安装孔内固定设置有圆环形的耐热橡胶固定板(21)，耐热橡胶固定板(21)的内侧连接有耐热橡胶密封圈(30)，所述耐热橡胶密封圈(30)套在超声振动头(4)外壁。

9.根据权利要求1所述的超声振动旋转剪切解缠结装置，其特征在于：所述超声发生系统包括超声发生器(1)、超声换能器(2)和超声变幅杆(3)，所述超声发生器(1)、超声换能器(2)、超声变幅杆(3)和超声振动头(4)依次连接。

10.根据权利要求9所述的超声振动旋转剪切解缠结装置，其特征在于：所述机头(5)外壁固定设置有支撑杆(22)，所述支撑杆(22)固定连接有固定板(24)，所述固定板(24)与超声变幅杆(3)固定连接，且固定板(24)与超声变幅杆(3)之间设置有隔热垫片(23)。

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