CN111688141A - 一种无压缩比的螺杆 - Google Patents

Abstract

一种无压缩比的螺杆，安装在机筒内，螺杆包括加料段、压缩段、均化段和销钉头，压缩段单个螺槽的容积大于加料段单个螺槽的容积，均化段单个螺槽的容积等于压缩段单个螺槽的容积，压缩段的螺距大于加料段的螺距，均化段的螺距大于压缩段的螺距，均化段单个螺槽的深度小于压缩段单个螺槽的深度，均化段的螺槽为双边槽、且螺槽内局部槽深呈“浅‑薄”变化，均化段的螺槽呈波浪状；螺杆的总压缩比在1.7～2.5的范围内变化。本发明的螺杆在压缩段和均化段采用等容积螺槽，纤维加进去之后，能够实现在等容过程中的螺旋推进，避免了容积突变带来的高剪切，大大减少了对纤维长度的损失，且螺杆的压缩比较小，避免了强剪切作用，大大减少了长玻纤的折损。

Description

一种无压缩比的螺杆

技术领域

本发明涉及纤维增强聚合物基复合材料成型加工中装备技术领域，特别涉及一种无压缩比的螺杆。

背景技术

相比传统的短玻纤增强热塑性塑料(SFT)，长玻纤增强热塑性塑料(LFT)制品内的玻纤长度更长，并且形成增强骨架网络，大幅度地提高增强效果，赋予制品更优异的力学性能、尺寸稳定性和耐温性，使得LFT在汽车工业、家用电器、工业设备、通讯设施、户外制品等领域广泛应用。

目前生产长玻纤塑料(LFT)制品的注塑成型方法可以分为在线配混法和LFT粒料直接注塑成型法两种；在线配混具有玻纤含量调配灵活、材料成本较低等优势，也有固定投资较大、设备通用性差(不能兼顾其他材料成型)的劣势。在线配混注射成型方法是目前国内外最新也是最有效的成型纤维增强聚合物基复合材料的方法，这种成型工艺是将连续长纤维、塑料和助剂在注塑生产线上直接配混，将配混过程和注射过程集中在一个工艺完成，然后注射到模腔成型为制品，与普通的两步注射成型法相比减少了造粒环节，因此也称“一步法”，一步法省去了中间的造粒工序，节约了能耗，免除了造粒过程的仓储，同时避免了造粒过程中对纤维的剪切，最大程度的保留了制品中的纤维长度，能最大限度的提升复合材料的综合性能。

在在线配混注射成型工艺中，熔体与纤维的分散性至关重要，熔体与纤维的分散均匀直接关系到复合材料的服役性能，复合材料是靠螺杆混炼塑化的，决定分散效果好坏的最关键的因素就是螺杆。

从注射成形初期开始，材料与产品已产生快速的进化和扩张，但是对螺杆的基本研究一直没有停止，螺杆的基本设计却从1950年代都没有变化。目前在生产现场面临的多样问题，或许来自这个奇特的状况，即螺杆的塑化问题，这项单纯的疑问，就是研究开发无压缩螺杆的契机。在螺杆可视化实验中，通过使用装置蓝宝石的特殊料管--SapphireBarrel，以重复观察解析料管内所发生的现象。通过选用直接注塑成型法进行解决方案的探究，在加料段内，发现了如下情况：LFT料粒在加料段螺槽内被不断压实，粒料随机取向；而且在此区域内，LFT以固体粒料形式存在，玻纤长度没有明显减少，说明在加料段内纤维没有受到大的损伤；但是在压缩段，情况又是另一番状况：玻纤在压缩段发生明显折损，发现碎绒状玻纤；玻纤团簇有朝螺槽方向取向以及集中在螺槽一侧的趋势；在最末端的均化段内，传统螺杆均化段浅螺槽对玻纤剪切强度大；玻纤在均化段螺槽呈现层流流态，不利于纤维混合分散；通过分析焚烧玻纤，观察在传统螺杆销钉混炼头的形态观测：玻纤沿所在流道方向取向，呈层流分布，承受高剪切；销钉混炼头只能实现简单的二维“分流-汇合”，不能搓开玻纤团簇，不能在径向维度上翻转混合玻纤。

通过焚烧试验可以得出如下结论：

1.熔体压力严重影响玻纤折损情况，熔体压力越高，剪切强度越大，那么玻纤折损越厉害；

2.从加料段到均化段，传统螺杆螺槽体积变化大，高压缩，熔体压力变化剧烈，使玻纤严重折损；

3.玻纤以层流的形式在螺杆中输送，即使销钉混炼头也无法实现玻纤“槽顶-槽底”翻转，也不能搓开玻纤团簇，不利于玻纤分散。

因此，传统塑化系统对玻纤造成了剧烈折损，残留长度甚至低于1mm，达不到长玻纤的要求。

相关资料显示，长玻纤增强塑料(LFT)制品的力学性能(刚性、强度、韧性)与制品内的玻纤长度密切相关，当玻纤长度从1mm增长到10mm时，制品力学性能呈现大幅度提高。因此，抑制玻纤折损，增长制品内玻纤长度，是LFT注塑成型的首要目标。

因此，有必要做进一步改进。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种结构简单、低剪切、加工性能好、可减小纤维折断概率、热传导好、实用性强的无压缩比的螺杆，以克服现有技术中的不足之处。

按此目的设计的一种无压缩比的螺杆，安装在机筒内，其特征在于：所述螺杆包括加料段、压缩段、均化段和销钉头，所述压缩段单个螺槽的容积大于加料段单个螺槽的容积，均化段单个螺槽的容积等于压缩段单个螺槽的容积，压缩段的螺距大于加料段的螺距，均化段的螺距大于压缩段的螺距，均化段单个螺槽的深度小于压缩段单个螺槽的深度，均化段的螺槽为双边槽、且螺槽内局部槽深呈“浅-薄”变化，均化段的螺槽呈波浪状；所述螺杆的压缩比在1.7～2.5的范围内变化。

所述均化段的螺槽上设有第一流动区和第二流动区，第一流动区与第二流动区相互错开，螺杆旋转时，第一流动区的熔体流入第二流动区。

所述压缩段单个螺槽的深度大于加料段单个螺槽的深度。

所述压缩段单个螺槽的容积为加料段单个螺槽的容积的1.4～2倍之间。

所述加料段的螺槽深度为16.5～18mm，螺距为70～75mm，直径为108mm，长度为1258mm。

所述压缩段的螺槽深度为18～23mm，螺距为100～105mm，长度为774mm。

所述均化段的螺槽一边深度为8～11mm、另一边深度为12～15mm，螺距为108～112mm，长度为565mm。

所述机筒上对应于压缩段的位置设置有玻纤加料口。

本发明的无压缩比的螺杆与现有传统螺杆相比，具有如下优点：

1、螺杆压缩比较小，避免了强剪切作用，大大减少了长玻纤的折损；

2、波浪螺杆的上下捏合作用分散开了纤维，有利于纤维与聚合物的分散；同时也在一定程度上形成了拉伸挤压作用，造成复合材料熔体的粘度降低，流动性提高，因而纤维在复合材料中的高占比同样可以具有良好的流动性及加工性能；

3、保护了制品中纤维的长度；熔体产生熔膜后，进入无压缩区(波浪段)，因熔体体积没有变化，故熔体的各个单元的压力无差异及变化，尽量减少了纤维折断的概率；

4、加强了温度和压力的均匀性；因为波浪的存在，增加了热传导，加强了塑化及溫度、压力等方面的均匀性；

5、提高了纤维与聚合物的界面相容性，强化了配混塑化效果；制品中内应力减少并得到均化。

附图说明

图1为本发明一实施例中螺杆的整体结构示意图。

图2为本发明一实施例中螺杆的塑化熔融机理图。

图3为本发明一实施例中螺杆均化段的结构示意图。

图4为本发明一实施例中塑化系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1-图4，本无压缩比的螺杆，安装在机筒5内，螺杆包括加料段1、压缩段2、均化段3和销钉头4，压缩段2单个螺槽的容积大于加料段1单个螺槽的容积，均化段3单个螺槽的容积等于压缩段2单个螺槽的容积，压缩段2的螺距大于加料段1的螺距，均化段3的螺距大于压缩段2的螺距，均化段3单个螺槽的深度小于压缩段2单个螺槽的深度，均化段3的螺槽为双边槽、且螺槽内局部槽深呈“浅-薄”变化，均化段3的螺槽呈波浪状；螺杆的压缩比为1.7～2.5。本无压缩比的螺杆针对玻纤在传统螺杆输送过程中的折损机理，兼顾常规塑料塑化成型，通过无压缩“等容流变”+低剪切+“等压流变”的设计，最大限度的保证了玻纤的长度；其中，无压缩“等容流变”：保持压缩段2和均化段3相邻螺槽体积一致，使得每个螺槽的熔体压力也能保持一致，避免熔体压力突变导致玻纤剧烈折损；低剪切“等压流变”：通过槽内局部槽深“浅-薄”变化实现熔体槽内横向流动和翻转混合，打散层流，避免高剪切；引发拉伸流变效应，促使玻纤团簇搓开，同时，强化热传导熔融，抑制强剪切。采用此螺杆的塑化系统可兼容其他塑料的塑化成型。

均化段3的螺槽上设有第一流动区a和第二流动区b，第一流动区a与第二流动区b相互错开，螺杆旋转时，第一流动区a的熔体流入第二流动区b。

压缩段2单个螺槽的深度大于加料段1单个螺槽的深度。

机筒5上对应于压缩段2的位置设置有玻纤加料口。玻纤在加工过程中存在如下特点：玻纤对螺杆转速响应不敏感，对温度有一定的要求，玻纤对背压敏感，背压越大，玻纤易碎，玻纤在加工过程中要求尽量保持原长度，故在压缩段2添加玻纤以减少玻纤折断。

参见图1，本无压缩比的螺杆分为加料段1、压缩段2、均化段3，均化段后端有销钉头4。整段螺杆的压缩比为在1.7～2.5的范围内变化，加料段1的螺槽较深，为16.5～18mm，螺距为70～75mm，直径为108～112mm，长度为1258mm。在加料段1内，热塑性材料被加入到螺杆与机筒5组成的螺旋通道内，形成固体塞6，并在螺杆剪切热和外部加热双重加热体系下软化，形成熔体池7并在摩擦作用下向前推进。玻纤在加工过程中要求尽量保持原长度，减少由于螺杆剪切历程造成的折损，故在压缩段2添加玻纤，避开长的热机械历程以减少玻纤折断。为了将玻纤连续添加入螺杆中，要求在玻纤添加段卸载压力。体积增大，卸载压力，达成与外部压力一致的区域，此时螺距增大到100～105mm，螺槽深增大到18～23mm，长度为774mm，压缩段2单个螺槽容积是加料段1单个螺槽容积的1.4～2倍，将从加料段1传递过来的压力释放，由于螺槽体积增大，故无建压作用，但是可以连续输送熔体。玻纤与熔融的聚合物混合，增大的容积满足了玻纤添加和混合的需求，为接下来的混合物上下捏合做好了准备。在均化段3内，螺距继续增大到108～112mm，螺槽单边深8～11mm，另一边为12～15mm，均化段长度为565mm，相比于压缩段2，均化段3螺距增大，但是螺槽深减小，单个螺槽体积变化不大，实现熔体从压缩段2到均化段3的平稳过渡。参见图3，第一流动区a和第二流动区b相互错开，第一流动区a的熔体向第二流动区b流动，通过槽内局部槽深“浅-薄”变化实现熔体槽内横向流动和翻转混合，打散层流，避免高剪切，引发拉伸流变效应，促使纤维团簇搓开。螺杆尾部的销钉头4，该混炼头只能实现简单的二维“分流-汇合”，对纤维和熔体没有混合效果。玻纤添加要求体积变化波动范围较小，螺杆在压缩段2和均化段3体积压缩比接近于一，保证熔体在近似不变容积的状态下进行流动。通过保持压缩段2和均化段3相邻螺槽体积一致，使得每个螺槽的熔体压力也能保持一致，避免熔体压力突变导致玻纤剧烈折损。

参见图2，从图中可以看出，在压缩段2，大部分粒料已经熔融，此时玻纤加入合适，同时螺槽变深，螺距增大，单个螺槽体积增加，释放压力，玻纤在此段被加入到螺槽中。同时熔体过渡到均化段3时，单个螺槽体积基本不变，不发生突变，强剪切作用不明显。

参见图4，此为按照长玻纤在线配混要求建立的无压缩低剪切塑化系统，首站落料部位c采用特殊设计，保证粒料输送顺畅，不存在堵塞，粒料经过无压缩“等容流变”+低剪切“等压流变”塑化系统d塑化熔融，并与来自外部的长玻纤混合均匀，流经低流动阻力三小件e，汇入到低流动阻力射嘴通道f，在螺杆注射压力注入模具型腔，成型为制品。其中，低流动阻力三小件e的作用是平衡响应时间和流动压力损失，低流动阻力射嘴通道f的作用是促进熔体流动。

本无压缩比的螺杆在压缩段2要求能够添加玻纤，设计上采用大的螺槽深度，故此段卸载压力，体积增大，达成与外部压力一致的区域，利于长玻纤加入，均化段3和压缩段2采用等容积螺槽，体积变化波动范围较小，螺杆在压缩段2和均化段3体积压缩比接近于一，保证熔体在近似不变容积的状态下进行流动，使得熔体体积没有变化，纤维加进去之后，能够实现在等容过程中的螺旋推进，避免了容积突变带来的高剪切，大大减少了对纤维长度的损失，且熔体包覆在玻纤上，实现了玻纤输送的润滑，同时此阶段熔体的各个单元的压力无差异及变化，减少了玻纤受背压折断的概率；均化段3螺槽深度变浅，但是螺距增大，纤维与熔体混合后的聚合物在压缩段2和均化段3平稳过渡，无压缩，无压力突变，最大限度的保证了纤维的长度。此无压缩比的螺杆适用于长纤维在线配混聚合物复合材料加工，能够保持纤维分散混合的良好效果。

上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种无压缩比的螺杆，安装在机筒(5)内，其特征在于：所述螺杆包括加料段(1)、压缩段(2)、均化段(3)和销钉头(4)，所述压缩段(2)单个螺槽的容积大于加料段(1)单个螺槽的容积，均化段(3)单个螺槽的容积等于压缩段(2)单个螺槽的容积，压缩段(2)的螺距大于加料段(1)的螺距，均化段(3)的螺距大于压缩段(2)的螺距，均化段(3)单个螺槽的深度小于压缩段(2)单个螺槽的深度，均化段(3)的螺槽为双边槽、且螺槽内局部槽深呈“浅-薄”变化，均化段(3)的螺槽呈波浪状；所述螺杆的压缩比为1.7～2.5。

2.根据权利要求1所述无压缩比的螺杆，其特征在于：所述均化段(3)的螺槽上设有第一流动区(a)和第二流动区(b)，第一流动区(a)与第二流动区(b)相互错开，螺杆旋转时，第一流动区(a)的熔体流入第二流动区(b)。

3.根据权利要求2所述无压缩比的螺杆，其特征在于：所述压缩段(2)单个螺槽的深度大于加料段(1)单个螺槽的深度。

4.根据权利要求3所述无压缩比的螺杆，其特征在于：所述压缩段(2)单个螺槽的容积为加料段(1)单个螺槽的容积的1.4～2倍之间。

5.根据权利要求4所述无压缩比的螺杆，其特征在于：所述加料段(1)的螺槽深度为16.5～18mm，螺距为70～75mm，直径为108mm，长度为1258mm。

6.根据权利要求5所述无压缩比的螺杆，其特征在于：所述压缩段(2)的螺槽深度为18～23mm，螺距为100～105mm，长度为774mm。

7.根据权利要求6所述无压缩比的螺杆，其特征在于：所述均化段(3)的螺槽一边深度为8～11mm、另一边深度为12～15mm，螺距为108～112mm，长度为565mm。

8.根据权利要求4所述无压缩比的螺杆，其特征在于：所述机筒(5)上对应于压缩段(2)的位置设置有玻纤加料口。

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