CN1120037C - 尤其用于单螺杆挤压机的转子－定子式混合装置 - Google Patents

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Abstract

一种单螺杆挤压机包括一个与螺杆(4，9)相连接的混合装置(14)，该混合装置包括一个可被螺杆(4)驱动的转子(11)和一个定子，转子和定子各设置有相对的啮合齿(21)环(22a，22b，22c，22d，32a，32b，32c，32d)，从而沿一第一弯曲的混合路线将材料从螺杆(9)向外推动，接着沿一第二弯曲的混合路线向里返回螺杆(4)，齿(21)沿轴向延伸或相对螺杆的纵向轴线轴向延伸。本发明还包括一个混合装置，其包括：一个圆筒形的定子腔室(10，12)，该腔室具有沿径向延伸的相对表面并设置有沿轴向突出、沿径向隔开并由交替排列的齿(21)和隆起部分(20)构成的圆环(22a，22b，22c，22d)；一个可转动安装于所述定子内的转子(11)，该转子在其相对的侧面上设置有沿轴向突出、沿径向隔开并由交替排列的齿(21)和隆起部分(20)构成的圆环(32a，32b，32c，32d)；转子圆环和定子圆环以径向和轴向间隙相互啮合，从而限定一个弯曲的材料流动通道。

Description

尤其用于单螺杆挤压机的转子-定子式混合装置
本发明涉及一种用于挤压例如热塑性聚合物、橡胶、石蜡和固体添加剂这样的材料组合物的单螺杆挤压机以及用于这些材料的混合装置。该混合装置可用于制造在常温下其中的一种组份或多种组份为液体的油墨、涂料和其它材料。
单螺杆挤压机被广泛应用在塑料工业中，用于生产橡胶和热塑性聚合物及固体添加剂的化合物。这种挤压机结构简单，制造成本低；但是这种挤压机有限的分配和分散混合能力早已被人们所认可和熟知(例如，由Martin Gale于08/06/95发表在RAPRA技术有限公司学术报告上的“单螺杆混合存在的问题及解决方案”)。
有关单螺杆挤压机有限混合能力的其它背景内容已在1995年8月/9月出版的《塑料添加剂和化合物》第21-23页、题目为“基于拉伸流动的新式分散混合装置”和公开日为1999年8月3日的相关美国专利5932159中公开。该专利强调需要包括拉伸流动在内的多种分散力和穿过高应力区域的多条通道，在高应力条件下，一般很难在单螺杆挤压机内形成多条通道。
目前，已经有许多装置能够用于改善单螺杆挤压机的分配混合性能；但是，这些装置仅能够提高分散混合性能的界限。一个很好的实例是英国传递式混炼机(US4419014)，在该装置内，加工溶化物在转子上的空腔和筒壁上的相对空腔之间来面移动。转子的转动意味着材料将一直被细分并重新定向。但是，由于相对的空腔壁之间的间隔很大，因此其不能形成高的剪切率。实际上，由于溶化物可能会停滞，因此这种低剪切率还限制了空腔的最大尺寸。
另外，从筒体径向突出或从转子或螺杆本身的表面上径向突出的销杆也可被用于提高混合性能。虽然由于销杆能够产生紊流，从而提高分配混合能力，但是由于销杆并未相对互补的剪切表面移动，因此其并未提高分散混合性能。在筒体上设置销杆的情况下，越过销杆的螺旋形行程的间隙将产生高剪切作用，而且还允许聚合物的溶化物有效的再循环，从而提高分配混合性能。但是，受到高剪切作用的材料所占的比例却很小。
本发明的主要目的在于提供一种改进的单螺杆挤压机和一种与这种挤压机一起使用的混合装置。
根据本发明的第一方面提供一种包括一可驱动螺杆的单螺杆挤压机和一个与螺杆相连接的混合装置，所述螺杆具有至少一个行程并定位于一个静止的筒体内，以在螺杆的外部和内部之间形成一个环形的材料流动间隙，从而使材料能够从流动间隙的上游部分流入混合装置，接着或者返回流动间隙的下游部分或者被排出，所述混合装置包括一个可被一螺杆驱动的转子和一定子，转子和定子上各设置有相对的啮合齿环，以使材料能够沿第一弯曲的混合路线从环形间隙被向外顶推，接着沿一第二弯曲的混合路线向里返回，所述的齿沿轴向延伸，或大体上相对螺杆的纵向轴线延伸。
根据本发明的第二方面提供一种用于将固体与液体、液体和液体混合在一起的混合装置，其中的液体可以是聚合物合金，这种混合装置可与能够驱动转子并能够将处于流体状态下的材料在足够压力的作用下导入混合装置内的其它设备或一组设备一起使用，从而使将被混合的材料流入混合装置内，所述混合装置包括：
(i)一个圆筒形的定子腔室，该腔室内设置有沿径向延伸的相对表面，所述表面上设置有径向突出且沿径向间隔开的圆环，所述的圆环由交替排列的齿和隆起部分构成；
(ii)一个可转动安装在定子内的转子，所述转子在其相对的侧面上设置有径向突出且沿径向间隔开的圆环，所述圆环上设置有交替排列的齿和隆起部分；
(iii)转子环和定子环在径向和轴向间隙内相互啮合，从而形成一个弯曲的材料流动路线。
我们发现：与现有技术中的单螺杆挤压机相比，根据本发明第一方面的挤压机能够显著提高挤压机的性能和被挤压产品的质量，同时根据本发明第二方面的混合装置也具有很多优点，而且能够改善固体和液体例如液态的热塑性材料和固体添加剂的混合性能，并改善了聚合物合金的制造。定子上的齿环可以尽可能地薄，同时保持其机械完整性，因为齿环的唯一作用是为溶化物的流动提供一个挡板并提供一个与转子互补的剪切表面。这种设置可限制溶化物滞留在定子的齿之间。此外，螺杆可被用作混合装置的主轴承，同时因为上述的齿相对筒体是同心的，因此对齿的长度没有限制。
混合装置定位于螺杆之两端的中部。
混合装置定位于螺杆/挤压机的出料端。
由于挤压机将被用于挤压一系列的材料，因此很清楚：为实现最佳的混合，需要设置一套具有不同几何特性的混合装置，以提供不同的混合性能。为能够合理便利地更换混合装置，挤压机上设置有易于拆卸的装置，例如一对可拆卸的凸缘，混合装置容纳于这对可拆卸的凸缘内。
定子腔室的内径大于与其相连接的挤压机的内径，而且转子较短。
很清楚，混合装置可与所有能够在足够压力下引入需要混合的材料并使这些材料流过混合装置的设备一起使用。其中的一种设备是单螺杆挤压机。因此，必须为混合装置设置一个入口和一个出口，以使在压力作用下被运送的材料能够进入、通过并流出混合装置的出口。在混合装置内，材料经历四种作用，即：(i)在压力作用下适当地从一中央进料部分沿径向移动到一出口部分；(ii)沿轨道的移动，其包括将径向移动的材料划分为多个部分，其中的一些部分沿一条路线移动，而邻近的部分沿相反的路线移动；(iii)剪切作用；(iv)拉伸变形。
这种混合装置与传统挤压机上的混合装置的区别之处在于：一个长而薄的螺杆和任意辅助混合装置被容纳在一个狭窄的缸体内，即最初的内筒直径，因为混合装置在其最佳的结构中设置有一容纳在一腔室内的短宽转子，同时其内径大于与其相连接的筒体的内径。通过这种基本的几何形状可以清楚两个显著的优点。首先，通过混合装置的最短路线长度仅随转子半径的增加而线性增加，而混合空间则随半径平方的增加而增加。第二，角速度随转子半径的增加而增加。这就意味着最大的混合空间与可能的最高剪切率同时发生。
相互啮合意味着转子或定子圆环的齿一直伸入到形成于一对相邻转子环或定子环之间的低谷部分内，同时隆起部分也可以延伸到低谷部分内或不能延伸到该低谷部分内。设置一个沿角度方向驱动转子或定子或同时驱动转子和定子的装置，从而在定子和转子之间产生相对移动。一般情况下，仅有转子绕其轴线被驱动。
在混合装置的一种结构形式中，圆环与转子的轴线同轴。但是，这些圆环与转子的轴线也可偏心设置，从而当圆环相互接近时，产生清洁作用。最大的偏心度被限制为在互补的部件上形成互补低谷部分的圆环之间的间隔。
给定的圆环和齿在定子或转子表面上的任意位置上的最大组合高度由定子和转子之间的间距所限定。该间距可在0.1和300mm之间变化，最好为1到100mm。
隆起部分和齿的组合高度可围绕其周边或沿径向路线在上述范围内变化。这种变化可以是连续的，也可以是不连续的，即过渡区域既可以是平缓的，也可以呈台阶状，但在最佳的形式中，隆起部分和齿的高度是相同的。
齿及围绕其周边的隆起部分之厚度是可变的，但在最佳实施例中，其厚度相同。其厚度可落入0.1至100mm的范围内，最好为1-30mm。
所有的齿都可以具有其中的一个特征或所有特征，而其间的过渡部分可以是连续或不连续的，即过渡部分既可以是平缓的，也可以成阶梯状。
定子、转子、隆起部分和齿可由在工作温度下和在运行过程中产生的机械应力作用下尺寸稳定的任意材料制成。这样的材料包括钢、陶瓷、橡胶和塑料。
隆起部分和齿可被永久固定在转子和定子上，或可拆卸地安装到转子和定子上。可拆卸的隆起部分和齿还可以以能够重新定位和重新定向的方式被连接。围绕转子形成一个腔室的定子也可以围绕转子固定或可拆卸地装配。
定子最好由一对相对的杯形插入件限定而成，这对杯形插入件被口对口地夹在一起。当将其装配到一个单螺杆挤压机内时，这种夹紧作用将形成于前部筒体和后部筒体上的突出的凸缘上。这样，就可以通过更换成本较低的插入件来改变该设备的混合几何结构。
在运行过程中，从混合装置的入口到出口的压力梯度将使材料流过该设备。材料可沿三条曲折的路线流动：相互啮合的环形隆起部分和齿之间的锯齿形路线，沿着由隆起部分所限定的环形沟槽路线和穿过齿间间隙的路线。所有这三条路线都因为相对移动而连续变化，并在横跨其边缘的一个转子表面上取料，然后将材料下放到其正面。
在一种结构中，在定子和转子的齿之间设置间隙，以形成径向沟槽。转子的转动将使齿与转子和定子之间的间隙以及间隙与间隙周期性对准。
但上述间隙可以交错排列，以改变混合特性。对于任意给定的圆环，齿与间隙的组合长度都等于该隆起部分的周长。上述的齿沿圆环的长度是任意的，而且其长度未必相等。
分散混合产生于转子上的环形隆起部分和齿的表面与定子上的对应部分之间的间隙内。由于转子的转动，这些间隙内的材料将受到压力和粘性流。这样，就使高剪切区域内的溶化物得到更新。因此，分配混合能够保证：这些被充分分散的材料均匀分布在大部分溶化物内。
分配混合是当溶化物从定子齿之间的间隙内出现，并进入定子齿的下一组间隙内时对溶化物的反复剪切而产生的。由于流入和流出这些间隙的速度在限定齿附近大于在限定齿中部的速度，而且还能够显著地使溶化物重新定向。
该混合装置可与许多功能性的辅助元件结合使用，而且每个辅助元件都能够得到一些公知设备的支持。上述辅助元件包括：
a)接收加工材料的装置；
b)将一种或多种化合物溶化并形成液体的装置；
c)从混合装置的入口侧排出加工溶化物内气体的装置；
d)在混合装置的入口侧产生压力的装置；
e)驱动混合装置之转子的装置；
f)从混合装置的出口侧排出加工溶化物内气体的装置；
g)在混合装置的出口侧产生压力的装置；
h)过滤加工溶化物的装置；
i)形成加工溶化物的装置。
通常情况下，元件d和e是混合装置工作所需的部件。其它辅助性功能元件可根据使用者的要求来设置，但一个单螺杆挤压机可提供功能元件a，b，c，d和e及f，g，h和i。
通常情况下，元件d和e是混合装置工作所需的部件。其它辅助性功能元件可根据使用者的要求来设置。
适合于提供一种或多种功能性辅助元件的设备包括：
1)单螺杆挤压机能够提供功能元件a，b，c，d和e及f，g，h和i；
2)双螺杆挤压机能够提供功能元件a，b，c，d和e及f，g，h和i；
3)Z形叶片混合装置能够提供功能元件a，b和c；
4)内置混合装置能够提供功能元件a，b和c；
5)齿轮或其它泵能够提供功能元件d，e和g；
6)外部电机能够提供功能元件e；
7)可拆卸的过滤装置能够提供功能元件h；
8)可拆卸的模具能够提供功能元件I。
现参照附图，通过实施例对本发明作出说明，其中附图：
图1示出了根据本发明第一方面的单螺杆挤压机和根据本发明第二方面的混合装置的最佳形式；
图1a为图1所示之混合装置的放大视图；
图2为前部混合插入件(10)的端部视图；
图2a为沿图2之剖面线a-a的剖视图；
图2b为沿图2之剖面线b的剖视图；
图3为混合转子(11)的端部视图；
图3a为沿图3之剖面线c-c的剖视图
图3b为沿图3之剖面线d-d的剖视图
图4为前部混合插入件(10)和混合转子(11)相互啮合的端部视图；
图4a为沿图4之剖面线e-e的剖视图；
图4b为沿图4之剖面线f-f的剖视图；
图5为前部混合插入件(10)和相对图4转动33.75度的转子(11)相互啮合的端部视图；
图5a为沿图5之剖面线g-g的剖视图；
图5b为沿图5之剖面线h-h的剖视图；
图6为另一前部混合插入件的端部视图，图中齿与齿之间的间隙没有径向对中；
图6a为沿图6之剖面线i-i的剖视图；
图6b为沿图6之剖面线j-j的剖视图；
图7为另一混合转子的端部视图；
图7a为沿图7之剖面线k-k的剖视图
图7b为沿图7之剖面线l-l的剖视图；
图8至图8e为齿在由齿和定子壁上的隆起部分所形成的沟槽内可能对中的剖视图；
图8a示出了一个在沟槽内对称对中的齿；
图8b示出了一个与外侧沟槽壁相对中的齿；
图8c示出了一个与内侧沟槽壁相对中的齿；
图8d示出了一个具有负齿距的齿；
图8e示出了一个具有正齿距的齿；
图9a至9e为齿的前缘和尖端的可能变型的剖视图，同时箭头表示转动方向；
图9a示出了具有中性尖端的中性前缘；
图9b示出了一个正的前缘和中性尖端；
图9c示出了一个负的前缘和中性尖端；
图9d示出了一个中性前缘和正的尖端斜度；
图9e示出了一个中性前缘和负的尖端斜度；
图10a至10c为隆起部分和齿的剖视图，图中示出了前缘形状的几种可能变形；
图10a示出了对称的前缘；
图10b示出了负的边缘偏斜；
图10c示出了正的边缘偏斜；
图11a至11e示出了齿截面的几种可能变型；
图11a示出了位于平行沟槽内的平行齿；
图11b示出了位于平行沟槽内的负掠角(negative sweep)；
图11c示出了位于平行沟槽内的正掠角；
图11d示出了位于锥形沟槽内的锥形齿；
图11e示出了位于倒锥形沟槽内的倒锥形齿；
图12示出了插入件的端壁之几何形状的几种可能变型；
图12a示出了锥形端壁沿剖面线mm的剖视图；
图12b示出了倒锥形端壁沿剖面线mm的剖视图；
图13示出了转子盘几何形状的可能变型；
图13a为倒锥形圆盘沿剖面线nn的剖视图；
图13b为锥形圆盘沿剖面线nn的剖视图。
参照图1，单螺杆挤压机包括一花键1或其它使转动驱动装置与后部挤压机螺杆相连接的连接装置，冷却套管2，漏斗或进料区3，一后部挤压机螺杆4，一后部筒体5，一加大的凸缘5A，一前部筒体6，一加大的凸缘6A，一模具7，一喷嘴8，一前部螺杆9，一后部混合插入件12和一个前部混合插入件10及一个传动心轴13，其中后部混合插入件12和前部混合插入件10一起形成一个包围混合转子11的腔室。该单螺杆挤压机的螺杆被混合装置14断开，混合装置14包括部件10、11、12和13。
图1a为本发明的一个实施例的视图，在该实施例中，混合装置14包括一后部混合插入件12和一前部混合插入件10及一心轴13，这两个插入件一起形成一个包围混合转子11的腔室。筒体5和6可被加热，区域3可通过冷却套管2得以冷却。此外，连接挤压机筒体5a和6a的凸缘可被加热或冷却，以使散失到周围环境中的热量和在混合装置内通过未示出的装置产生的热量保持平衡。
参照图2、2a和2b，插入件10的内表面由一系列沿径向隔开的圆环22a、22b、22c和22d。安装于这些圆环上的是沿周边间隔开并沿径向突出的齿21，以使相邻齿之间的间隙构成隆起20，隆起20使圆环具有城堡(锯齿)形的外观。
参照图3、3a和3b，转子11固定于一个驱动轴13上并形成一圆环形的主体，该主体上相对的表面各设置有一系列沿径向隔开的圆环32a、32b、32c和32d。安装于这些圆环上的是一些沿周边间隔开并沿径向突出的齿31，以使相邻齿之间的间隙形成隆起30，从而使圆环具有城堡形的外观。圆环32a、32b、32c和32d与圆环22a、22b、22c和22d在图4、4a和4b及图5、5a和5b所示的作用位置上相互啮合。圆环、齿和隆起被并排设置，从而形成一条曲折的材料混合流动路线，箭头40和41(图4)示出了至少能够阻止溶化物流过齿之间的空隙的路线。从转子排出的材料流并不受第二插入件(12)的约束，即不受图示半个混合装置的约束。
当转子11相对其壳体移动时，将出现下述位置：(a)转子上的齿与隆起部分上的齿成一直线(图4a)，(b)转子上的齿与隆起部分上的齿不在一条直线上(图4b)，(c)转子上的齿位于(a)和(b)之间的位置上。位置(a)表示正被混合的材料具有最大剪切力(即分散)和最大径向流量的瞬间。位置(b)表示等分的外流材料根据其是位于由转子齿所包围的位置上还是位于由壳体齿包围的位置上而沿不同的方向被移送。
图6示出了一个间隙不对齐的插入件，从而形成一个连续的线性径向路线并使最小阻力的路线包括沿环形的位移和沿径向的位移。
图7示出了一个转子，该转子上的齿没有相互对齐，这样就形成了一个连续的线性径向路线并使最小阻力的路线包括沿环形的位移和沿径向的位移。
图8、9和10示出了不同几何形状的齿。参照图8至10，可以看到：前缘的形状和单个齿的方位能够促进溶化物在混合装置内沿特定方向的移动，这种移动不仅非常有利于材料通过混合装置的运输，而且还能够加速分散状态例如拉伸流动。
图8示出了介于定子齿81和83之间的转子齿82，齿82在图8a中位于中央位置上，在图8b中与外齿81相摩擦，在图8c中与内定子齿83相摩擦，图8还示出了在混合装置内向外推动材料的正齿距齿体8e和将材料引入中央的负齿距8d。
图9示出了前缘上的中性斜度9a，将材料从谷底输送至转子圆盘的正斜度9b，将材料向下推向定子内的负斜度9c。箭头表示转动方向。图9d和9e示出了齿尖的变化情况。
图10示出了介于定子齿100和102之间的转子齿101，在前缘上具有正斜角10c的转子齿将在混合装置内向外推动材料，而在前缘上具有负斜角10b的转子齿将材料引向中央部分。
聚合物，共混聚合物或聚合物/固体添加剂的混合物通过料斗和进料口3被进送到挤压机内并通过后部螺杆4的转动沿后部筒体5运送，其中螺杆4通过一连接件1被一个未示出的外部驱动装置所驱动。通过筒体5补给的热量使聚合物成为液体或至少在到达后部混合插入件12内之前处于易于变形的状态下。
混合插入件可与两个筒体部分的凸缘一体制成并使其可拆卸，这样不用更换整个筒体，仅通过更换廉价的插入件就可以改变混合的几何形状和混合效果。
前部插入件和后部插入件10、12通过凸缘被夹在一起，从而形成一个具有入口12a和出口10a的圆筒形腔体，如图1a所示。混合插入件和转子的表面被一系列环形隆起部分所覆盖。具体实例如图2中的标记22d所示，在该图中，隆起部分相对偏移，从而使其能够相互啮合，如图4所示。在隆起部分的顶部设置一系列如图2所示的齿21。聚合物的溶化物可通过齿间的空隙围绕环形沟槽向外或向里流动，或者沿齿尖上的较长路线流动。在操作状态下，转子的转动将使其产生无序组合。所有这些路线将从横跨其边缘的一个圆盘表面上取出材料并将其向下放到正面上。
聚合物的溶化物通过前部螺杆9从出料口10a沿前部筒体输送，并产生压力，迫使溶化物通过模具7内的喷嘴8。

Claims (9)

1.一种用于挤压例如聚合物这样的材料的单螺杆挤压机，其包括：一个可驱动的螺杆(4)，该螺杆具有至少一个行程并设置于一个固定的平行筒体(5，6)内，从而在螺杆的外部和筒体的内部之间形成一个环形的材料流动间隙；一个混合装置(14)，该混合装置能够接收通过螺杆(4)输送过来的材料，所述材料在压力作用下通过该混合装置(14)，所述混合装置(14)包括一个可被螺杆(4)驱动的转子及一个定子，所述转子和定子各设置有适合于交迭的齿环(21)，从而能够使进入混合装置(14)内的材料从环形间隙沿一第一弯曲的混合路线向外受到顶推，接着沿一第二弯曲的混合路线向里返回，所述的齿沿径向延伸或大体上相对螺杆的纵向轴线径向延伸，其特征在于：
(i)所述混合装置(14)的直径大于螺杆(4)之输送端的直径，从而使混合装置的转子和定子上的齿(21，31)位于螺杆(4)直径的外部；
(ii)所述材料主要通过螺杆(4)在筒体(5，6)内所产生的压力被迫通过混合装置。
2.根据权利要求1所述的挤压机，其特征在于：所述混合装置(14)定位于螺杆(4)两端的中间部分上。
3.根据权利要求1所述的挤压机，其特征在于：所述混合装置(14)定位于螺杆/挤压机的出料端。
4.根据权利要求1-3任一所述的挤压机，其特征在于：设置有易于拆卸的装置，从而能够快速更换具有不同特性的混合装置(14)，以适应正被挤压的材料的变换。
5.根据权利要求4所述的挤压机，其特征在于：所述易于拆卸的装置是一对可拆卸的凸缘。
6.根据权利要求1-3任一所述的挤压机，其特征在于：所述转子(11)的直径大于与其相连接的螺杆的直径。
7.根据权利要求1-3任一所述的挤压机，其特征在于：所述定子齿设置于可拆卸的插入件上。
8.根据权利要求1-3任一所述的挤压机，其特征在于：所述转子齿设置于可拆卸的转子上。
9.根据权利要求1-3任一所述的挤压机，其特征在于：所述定子腔室的每个相对的表面都设置有多个沿轴向突出、沿径向隔开的圆环(22a，22b，22c，22d)，所述圆环上设置有交替排列的齿(21)和隆起部分(20)，在相邻的圆环之间形成有沟槽；所述转子(11)的每个相对的表面设置有多个沿轴向突出、沿径向隔开的圆环(32a，32b，32c，32d)，所述圆环上设置有交替排列的齿(31)和隆起部分(30)，在相邻的圆环之间形成有沟槽；所述转子圆环(32a，32b，32c，32d)和定子圆环(22a，22b，22c，22d)以一个定子圆环定位于转子沟槽内、同时以一个转子圆环定位于定子沟槽内的形式交叉排列，从而使所述定子圆环齿(21)的至少齿尖与至少转子圆环隆起部分(30)的顶部沿径向和轴向间隙相交迭，所述转子圆环齿(31)的至少齿尖与至少定子圆环的隆起部分(20)的顶部沿径向和轴向间隙相交迭，从而沿材料流过混合装置的方向从转子(11)的转动轴线向外沿径向形成一第一弯曲的材料流动路线，在所述第一流动路线(41)之后沿径向向里指向转子(11)之转动轴线的方向上形成有一第二弯曲的材料流动路线(40)。
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