CN111923371A - 一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构 - Google Patents

一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，属于超高分子量聚乙烯挤出技术领域，提供一种使挤出机的螺杆能连续、稳定地将超高分子量聚乙烯物料向挤出机头方向进行输送，并保证挤出质量的机筒结构；包括机筒本体，机筒本体在沿物料的挤出方向包括依次相连的进料段、压缩段和熔池段；在熔池段内设置有鼓形空腔；在压缩段和熔池段对应的内壁上分别间隔分布地设置有若干凸起的凸坝结构。通过采用本发明所述的机筒结构，可使相应的挤出机实现针对超高分子量聚乙烯的稳定挤出，并且通过在熔池段内的鼓形空腔中对压实的超高分子量聚乙烯熔体给与充分的松弛，以消除熔体内应力，最终实现提高超高分子量聚乙烯挤出制品的质量。

Description

一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构
技术领域
本发明涉及超高分子量聚乙烯挤出技术领域，尤其涉及一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构。
背景技术
超高分子量聚乙烯作为粘均分子量(Mη)大于150万的一种热塑性塑料，因具有极其规整的、非极性的以及超长的分子链结构，使得超高分子量聚乙烯具备了许多独特的性质，包括优异的抗冲击性、耐磨性、优秀的机械强度以及良好的生物相容性等。但是，超高分子量聚乙烯独特的分子结构也为它的加工和应用带来了巨大的困难和挑战，超长的分子链之间存在着大量的交叉和缠结，这些缠结即使加热到其熔点以上也难以完全解除，宏观上表现为超高分子量聚乙烯熔体极高的粘度，甚至其熔体呈现出类似于橡胶的状态，较低的分解温度决定了难以通过提高温度的方法来增加其流动性，而超高分子量聚乙烯的临界剪切应力值很低又使其在提高剪切速率来降低粘度时容易产生破裂，同时，超高分子量聚乙烯具有超低的摩擦系数，这导致在使用普通单螺杆挤出机对其进行挤出成型的过程中，常常发生超高分子量聚乙烯物料在筒壁或螺杆上打滑而无法向前输送的问题，最终难以稳定地制备出超高分子量聚乙烯型材，这极大的限制了超高分子量聚乙烯的成型和应用。
很多研究尝试过使用不同的方法来解决超高分子量聚乙烯难以加工的问题。目前，这些方法总体上分为三类：一是对超高分子量聚乙烯材料本身进行改性研究，通过不同的合成手段制备出具有低缠结的超高分子量聚乙烯原料；二是添加流动改性剂，加入低分子量聚乙烯或者其他无机填料如滑石粉、纳米二氧化硅等来降低超高分子量聚乙烯熔融后的粘度；三是使用不同的加工方法和工艺，比如使用模压成型、冻胶纺丝等。然而，这些方法都有各自的不足与缺陷，无法完全解决超高分子量聚乙烯的加工难题：制备具有低缠结的超高分子量聚乙烯需要开发新的合成方法和工艺，成本高、合成条件苛刻、产量低，并且难以实现工业化生产；添加流动改性剂虽然能够降低超高分子量聚乙烯的粘度，但是流动改性剂作为杂质存在于超高分子量聚乙烯中会影响材料本身的性能，使超高分子量聚乙烯优越而又独特的性质难以发挥出来；使用模压成型的方法生产超高分子量聚乙烯制品虽然能有效解决其难以流动的问题，但是模压成型耗时长且又难以实现连续化生产，这都极大的限制了产品的生产效率，而对于厚壁制品，模压成型的方法向厚壁制品内部进行传热的速度缓慢，很容易在制品内部形成还没有塑化的生料，极大地影响了制品的质量与性能；冻胶纺丝工艺虽然成功地解决了超高分子量聚乙烯的纺丝问题并实现了工业化生产，但是对制备大型制品或者各类型材如管材、棒材等都无法满足要求，并且冻胶纺丝过程中需要使用大量的有机溶剂十氢萘，这既增加了生产成本，对环境也造成了严重的污染。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种使挤出机的螺杆能连续、稳定地将超高分子量聚乙烯物料向挤出机头方向进行输送，降低物料输送过程中打滑，保证输送至机头口模处的物料熔体充实，并且在超高分子量聚乙烯熔体挤出前对其进行充分的松弛，消除熔体内应力，防止溶体挤出时发生破碎或开裂的超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，包括机筒本体，机筒本体在沿物料的挤出方向包括依次相连的进料段、压缩段和熔池段；进料段和压缩段内部为用于容纳螺杆的连通的圆柱形空腔；在熔池段内设置有鼓形空腔，鼓形空腔与圆柱形空腔同轴连通，并且鼓形空腔在沿挤出方向上呈中部外拱的拱形结构；在压缩段和熔池段对应的内壁上分别间隔分布地设置有若干凸起的凸坝结构。
进一步的是：进料段、压缩段和熔池段在沿挤出方向的长度之比为8～12∶83～88∶3～5。
进一步的是：还包括螺杆，螺杆设置于进料段和压缩段内部的圆柱形空腔内，螺杆延伸至接近圆柱形空腔沿挤出方向的尾端附近且未伸入至鼓形空腔内。
进一步的是：还包括挤出机头，挤出机头与熔池段连接；进料段、压缩段、熔池段和挤出机头依次通过法兰连接。
进一步的是：熔池段内的鼓形空腔在沿挤出方向的两端的口部直径相等，鼓形空腔的最大筒径D为螺杆的直径d的2～2.2倍；鼓形空腔在沿挤出方向上呈圆弧拱形结构，并且其圆弧拱形结构的曲率半径R设为螺杆的半径r的4～4.4倍。
进一步的是：压缩段内设置的凸坝结构沿挤出方向间隔分层设置，并且相邻层的凸坝结构交错设置；熔池段内设置的凸坝结构沿挤出方向间隔分层设置，并且相邻层的凸坝结构成排设置。
进一步的是：压缩段内设置的凸坝结构的相邻两层之间的间距L为螺杆的直径d的1/2～2/3，同一层内相邻两个凸坝结构之间的间距P为螺杆的直径d的1/4～1/3；熔池段内设置的凸坝结构的相邻两层之间的间距M为螺杆的直径d的1/2～2/3，并且熔池段内每层凸坝结构的数量与压缩段内每层凸坝结构的数量一致。
进一步的是：凸坝结构为梯形体结构，梯形体结构包括六个侧面，分别为：与机筒内壁接触的底面、与底面正对且朝向机筒中心方向的顶面、沿机筒的轴向方向间隔设置的左侧面和右侧面以及沿机筒的周向方向间隔设置的前侧面和后侧面，其中顶面的面积小于底面的面积。
进一步的是：凸坝结构的左侧面和右侧面呈镜像对称设置，凸坝结构的前侧面和后侧面呈镜像对称设置。
进一步的是：沿挤出方向，凸坝结构依次包括第一凸坝结构、第二凸坝结构和第三凸坝结构；其中第一凸坝结构分部设置于压缩段的上游部70％的长度范围内，第二凸坝结构分部设置于压缩段的下游部30％的长度范围内，第三凸坝结构分部设置于整个熔池段内；其中，凸坝结构的底面为长A是螺杆的直径d的1/6～1/4，宽B是螺杆的直径d的1/12～1/10的矩形，且凸起高度h为螺杆的直径d的1/12～1/10；第一凸坝结构的左侧面和右侧面对应的夹角为α，第二凸坝结构的左侧面和右侧面对应的夹角为β，第三凸坝结构的左侧面和右侧面对应的夹角为γ，且满足90°＞α＞β＞γ＞0°。
进一步的是：α的取值范围为60°～65°，β的取值范围为45°～50°，γ的取值范围为30°～35°。
进一步的是：并且第一凸坝结构的前侧面和后侧面对应的夹角为δ，第二凸坝结构的前侧面和后侧面对应的夹角位η，第三凸坝结构的前侧面和后侧面对应的夹角位θ；其中，δ的取值范围为70°～75°，η的取值范围为70°～75°，θ的取值范围为70°～75°。
本发明的有益效果是：通过采用本发明所述的机筒结构组成的单螺杆挤出机，通过所设置的相应凸坝结构可实现坝前压实、坝后补料的功能，熔体物料在机筒内能被有效地压实并跟随螺杆向前进行稳定输送，改善了超高分子量聚乙烯在螺杆熔融挤出生产过程中容易发生螺杆打滑、压不实以及挤出效率低的问题，可使相应的挤出机实现针对超高分子量聚乙烯的稳定挤出，而且能够将超高分子量聚乙烯熔体充分压实，从而使螺杆能连续稳定地向挤出机头输送超高分子量聚乙烯熔体；并且通过在熔池段内的鼓形空腔中对压实的超高分子量聚乙烯熔体给与充分的松弛，以消除熔体内应力，能够防止溶体挤出时发生破碎或开裂；并最终实现提高超高分子量聚乙烯挤出制品的质量。另外，本发明通过沿挤出方向，将凸坝结构依次分为三种不同的结构设置，且凸坝结构的相应坡度夹角逐级降低，保证对超高分子量聚乙烯熔体的逐级推送挤出作用效果。
附图说明
图1为本发明所述的超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构的结构示意图；
图2为压缩段内设置第一凸坝结构部分的局部示意图；
图3为压缩段内设置第二凸坝结构部分的局部示意图；
图4为熔池段内设置第三凸坝结构部分的局部示意图；
图5为图2中A-A截面的剖视图；
图6为图2中B-B截面的剖视图；
图7为图3中C-C截面的剖视图；
图8为图3中D-D截面的剖视图；
图9为图4中E-E截面的剖视图；
图10为图4中F-F截面的剖视图；
图中标记为：料段1、压缩段2、熔池段3、螺杆5、挤出机头4、法兰6、螺栓7、第一凸坝结构8、第二凸坝结构9、第三凸坝结构10、圆柱形空腔11、鼓形空腔12、底面13、顶面14、左侧面15、右侧面16、前侧面17、后侧面18、挤出方向19。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
需要说明，若本发明中有涉及方向性指示用于，如上、下、左、右、前、后的方向、方位用语，是为了利于构件间相对位置联系的描述，非为相关构件、构件间位置关系的绝对位置特指，仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如图1至图10中所示，本发明所述的一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，包括机筒本体，机筒本体在沿物料的挤出方向19包括依次相连的进料段1、压缩段2和熔池段3；进料段1和压缩段2内部为用于容纳螺杆5的连通的圆柱形空腔11；在熔池段3内设置有鼓形空腔12，鼓形空腔12与圆柱形空腔11同轴连通，并且鼓形空腔12在沿挤出方向19上呈中部外拱的拱形结构；在压缩段2和熔池段3对应的内壁上分别间隔分布地设置有若干凸起的凸坝结构。其中，挤出方向19如附图1中箭头所示，为机筒内部的溶体物料的移动方向。
其中，本发明中对于进料段1、压缩段2和熔池段3在沿挤出方向19的长度，具体可设置为三者的比值为8～12∶83～88∶3～5；如设置为10∶85∶5。
另外，不失一般性的，在机筒内会设置有螺杆5，本发明中将螺杆5设置于进料段1和压缩段2内部的圆柱形空腔11内，并且螺杆5延伸至接近圆柱形空腔11沿挤出方向19的尾端附近且未伸入至鼓形空腔12内，具体如附图1中所示位置关系。另外，一般还包括有挤出机头4，本发明中的挤出机头4为与熔池段3连接。另外，为了便于连接安装，本发明中优选设置进料段1、压缩段2、熔池段3和挤出机头4依次通过法兰6连接；如附图1中所示，在相应结构的端部设置有相应的法兰6，并通过螺栓7进行法兰连接。
另外，对于熔池段3内的鼓形空腔12，其结构大致呈鼓形，如附图中所示。并且，本发明中进一步设置其在沿挤出方向19的两端的口部直径相等的结构，即鼓形空腔12的进料口与出料口均为截面相等的圆形面。另外，对于鼓形空腔12的具体形状结构、尺寸参数，本发明中优选如下设置：鼓形空腔12的最大筒径D为螺杆5的直径d的2～2.2倍，鼓形空腔12在沿挤出方向19上呈圆弧拱形结构，并且其圆弧拱形结构的曲率半径R设为螺杆5的半径r的4～4.4倍。具体的相关的尺寸参数可结合附图中的标记位置所示。
本发明中通过设置熔池段3及其内部的鼓形空腔12，其目的是为了对被压实的超高分子量聚乙烯熔体在被挤出前给与充分的松弛，以消除熔体内应力，防止溶体挤出时发生破碎或开裂；并最终实现提高超高分子量聚乙烯挤出制品的质量。
另外，对于压缩段2内设置的凸坝结构，本发明中进一步优选设置其在沿挤出方向19间隔分层设置，同时可设置每层凸坝结构包括若干个沿周向间隔分布的凸坝结构，并且优选为等间距分布。另外，进一步优选设置相邻层的凸坝结构交错设置，即上一层的其中一个凸坝结构位于相邻的下一层的两个凸坝结构之间，如附图2和附图3中所示。另外，对于压缩段2内设置的凸坝结构的相邻两层之间的间距L可设置为螺杆5的直径d的1/2～2/3，如可具体取值为L＝1/2d，同时可设置同一层内相邻两个凸坝结构之间的间距P为螺杆5的直径d的1/4～1/3，如可具体设置P＝1/4d。
另外，对于熔池段3内设置的凸坝结构也设置其沿挤出方向19间隔分层设置，同时每层凸坝结构包括若干个沿周向间隔分布的凸坝结构，并且优选为等间距分布。另外，进一步优选设置相邻层的凸坝结构成排设置，如附图4中所示。另外，对于熔池段3内设置的凸坝结构的相邻两层之间的间距M可设置为螺杆5的直径d的1/2～2/3，如可具体取值为M＝1/2d。另外，考虑到熔池段3内的鼓形空腔12在沿挤出方向19的尺寸会发生变形，因此本发明中优选设置熔池段3内每层凸坝结构的数量与压缩段2内每层凸坝结构的数量一致。
本发明中的凸坝结构，其是用于实现坝前压实、坝后补料的功能，熔体物料在机筒内能被有效地压实并跟随螺杆5向前进行稳定输送，改善了超高分子量聚乙烯在螺杆5熔融挤出生产过程中容易发生螺杆5打滑、压不实以及挤出效率低的问题，可使相应的挤出机实现针对超高分子量聚乙烯的稳定挤出，而且能够将超高分子量聚乙烯熔体充分压实，从而使螺杆5能连续稳定地向挤出机头输送超高分子量聚乙烯熔体。具体的，本发明中的凸坝结构可设置为梯形体结构，其中梯形体结构包括六个侧面，分别为：与机筒内壁接触的底面13、与底面13正对且朝向机筒中心方向的顶面14、沿机筒的轴向方向间隔设置的左侧面15和右侧面16以及沿机筒的周向方向间隔设置的前侧面17和后侧面18，其中顶面14的面积小于底面13的面积；具体也可结合多个附图所示的结构综合加以理解。另外，需要进一步加以说明的是，由于机筒内壁本身为曲面结构，因此理论上底面13实际的形状结构应当为相应的曲面结构，在本发明中为了便于理解，将底面3近似看做为平面，如近似看做为一矩形平面。
更为优选的，本发明中进一步设置凸坝结构的左侧面15和右侧面16呈镜像对称设置，凸坝结构的前侧面17和后侧面18呈镜像对称设置。这样一来，整个凸坝结构大致呈一个中心对称的梯形体结构，其对应的截面如附图5和附图6中所示的截面将呈等腰梯形。
更为具体的，考虑到沿挤出方向19位于机筒内的溶体物料所需要的推挤作用力并不相同，以及容易物料的状态以及物理特性也存在一定的差异；本发明中进一步优先设置沿挤出方向19，将凸坝结构依次设置为三种不同尺寸的结构，分别包括第一凸坝结构8、第二凸坝结构9和第三凸坝结构10；并将其中第一凸坝结构8分部设置于压缩段2的上游部70％的长度范围内，第二凸坝结构9分部设置于压缩段2的下游部30％的长度范围内，第三凸坝结构10分部设置于整个熔池段3内；其中，所有凸坝结构的底面13均设置为长A是螺杆5的直径d的1/6～1/4，宽B是螺杆5的直径d的1/12～1/10的矩形，且凸起高度h为螺杆5的直径d的1/12～1/10；同时对于第一凸坝结构8的左侧面15和右侧面16对应的夹角为α，第二凸坝结构9的左侧面15和右侧面16对应的夹角为β，第三凸坝结构10的左侧面15和右侧面16对应的夹角为γ，且满足90°＞α＞β＞γ＞0°。在上述相应的参数设置确定后，梯形体结构的其它各面均可相应的确定下来。通过上述设置三种不同尺寸规格的凸坝结构对溶体物料将实现不同的推料挤压作用，并且结合逐级变化的设置，可进一步提高对溶体物料的挤压推料效果。
更为具体的，对于上述参数，本发明在结合实际的情况以及综合实验给出最佳的具体设置范围如下：α的取值范围为60°～65°，β的取值范围为45°～50°，γ的取值范围为30°～35°。例如可具体设置α＝60°、β＝45°、γ＝30°。
另外，对于凸坝结构8的前侧面17和后侧面18对应的夹角，由于其对溶体物料的推料作用影响较小；因此，当在上述设置有第一凸坝结构8、第二凸坝结构9和第三凸坝结构10的情况下，对于第一凸坝结构8的前侧面17和后侧面18对应的夹角为δ，第二凸坝结构9的前侧面17和后侧面18对应的夹角位η，第三凸坝结构10的前侧面17和后侧面18对应的夹角位θ；本发明中可设置δ的取值范围为70°～75°，η的取值范围为70°～75°，θ的取值范围为70°～75°；如可进一步直接设置δ＝η＝θ＝70°。
另外，需要进一步说明的是，本发明所述的机筒结构，除了上述提及的结构、连接关系改进外，其它与机筒结构相关设计，如筒径、排气孔、加热套以及导电通路等本领域技术人员均可按照常规的单螺杆挤出机的相关标准设定，本发明中不再加以详细阐述。

Claims (10)

1.一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，包括机筒本体，其特征在于：机筒本体在沿物料的挤出方向(19)包括依次相连的进料段(1)、压缩段(2)和熔池段(3)；进料段(1)和压缩段(2)内部为用于容纳螺杆(5)的连通的圆柱形空腔(11)；在熔池段(3)内设置有鼓形空腔(12)，鼓形空腔(12)与圆柱形空腔(11)同轴连通，并且鼓形空腔(12)在沿挤出方向(19)上呈中部外拱的拱形结构；在压缩段(2)和熔池段(3)对应的内壁上分别间隔分布地设置有若干凸起的凸坝结构。
2.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，其特征在于：进料段(1)、压缩段(2)和熔池段(3)在沿挤出方向(19)的长度之比为8～12∶83～88∶3～5。
3.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，其特征在于：还包括螺杆(5)，螺杆(5)设置于进料段(1)和压缩段(2)内部的圆柱形空腔(11)内，螺杆(5)延伸至接近圆柱形空腔(11)沿挤出方向(19)的尾端附近且未伸入至鼓形空腔(12)内；还包括挤出机头(4)，挤出机头(4)与熔池段(3)连接；进料段(1)、压缩段(2)、熔池段(3)和挤出机头(4)依次通过法兰(6)连接。
4.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，其特征在于：熔池段(3)内的鼓形空腔(12)在沿挤出方向(19)的两端的口部直径相等，鼓形空腔(12)的最大筒径D为螺杆(5)的直径d的2～2.2倍；鼓形空腔(12)在沿挤出方向(19)上呈圆弧拱形结构，并且其圆弧拱形结构的曲率半径R设为螺杆(5)的半径r的4～4.4倍。
5.如权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，其特征在于：压缩段(2)内设置的凸坝结构沿挤出方向(19)间隔分层设置，并且相邻层的凸坝结构交错设置；熔池段(3)内设置的凸坝结构沿挤出方向(19)间隔分层设置，并且相邻层的凸坝结构成排设置。
6.如权利要求5所述的一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，其特征在于：压缩段(2)内设置的凸坝结构的相邻两层之间的间距L为螺杆(5)的直径d的1/2～2/3，同一层内相邻两个凸坝结构之间的间距P为螺杆(5)的直径d的1/4～1/3；熔池段(3)内设置的凸坝结构的相邻两层之间的间距M为螺杆(5)的直径d的1/2～2/3，并且熔池段(3)内每层凸坝结构的数量与压缩段(2)内每层凸坝结构的数量一致。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，其特征在于：凸坝结构为梯形体结构，梯形体结构包括六个侧面，分别为：与机筒内壁接触的底面(13)、与底面(13)正对且朝向机筒中心方向的顶面(14)、沿机筒的轴向方向间隔设置的左侧面(15)和右侧面(16)以及沿机筒的周向方向间隔设置的前侧面(17)和后侧面(18)，其中顶面(14)的面积小于底面(13)的面积。
8.如权利要求7所述的一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，其特征在于：凸坝结构的左侧面(15)和右侧面(16)呈镜像对称设置，凸坝结构的前侧面(17)和后侧面(18)呈镜像对称设置。
9.如权利要求8所述的一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，其特征在于：沿挤出方向(19)，凸坝结构依次包括第一凸坝结构(8)、第二凸坝结构(9)和第三凸坝结构(10)；其中第一凸坝结构(8)分部设置于压缩段(2)的上游部70％的长度范围内，第二凸坝结构(9)分部设置于压缩段(2)的下游部30％的长度范围内，第三凸坝结构(10)分部设置于整个熔池段(3)内；其中，凸坝结构的底面(13)为长A是螺杆(5)的直径d的1/6～1/4，宽B是螺杆(5)的直径d的1/12～1/10的矩形，且凸起高度h为螺杆(5)的直径d的1/12～1/10；第一凸坝结构(8)的左侧面(15)和右侧面(16)对应的夹角为α，第二凸坝结构(9)的左侧面(15)和右侧面(16)对应的夹角为β，第三凸坝结构(10)的左侧面(15)和右侧面(16)对应的夹角为γ，且满足90°＞α＞β＞γ＞0°。
10.如权利要求9所述的一种超高分子量聚乙烯用单螺杆挤出机机筒结构，其特征在于：α的取值范围为60°～65°，β的取值范围为45°～50°，γ的取值范围为30°～35°；并且第一凸坝结构(8)的前侧面(17)和后侧面(18)对应的夹角为δ，第二凸坝结构(9)的前侧面(17)和后侧面(18)对应的夹角位η，第三凸坝结构(10)的前侧面(17)和后侧面(18)对应的夹角位θ；其中，δ的取值范围为70°～75°，η的取值范围为70°～75°，θ的取值范围为70°～75°。
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