CN1143344A - 聚合物挤塑模具 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于挤塑聚合物的包含一个或多个孔的模具，其中在聚合物排放端，孔被扩口，该孔具有一定的相对尺寸和形状。该模具用来制造诸如薄膜、型材、片材、纤维、线材等制品。也公开了使用这种模具的方法和包括这样模具的挤塑设备。

Description

聚合物挤塑模具
发明领域
本发明涉及一种改进的聚合物挤塑用模，其中该模具孔的出口处扩成扩口状，而且规定了扩口及未扩口段的相对尺寸和形状。
技术背景
通过模具挤塑聚合物形成成形的挤塑制品是一种公知的方法，并广泛为工业所采用，请见比如H.Mark等人编辑的《聚合物科学及工程大全》(Encyclopedia of Polymer Sience and Engineering)第二版，卷6，John&Sons出版公司出版；New York 1986年版p571-631及P802-824(纤维)，该书在此引作参考。可以通过聚合物挤塑方法制造的制品包括薄膜、纤维、片材、线材(包括将要切成颗粒进一步加工的线材)和型材。一般挤塑制品是基本连续的，经常切成可使用的长度。
挤塑法是这样一种方法，其中强力迫使熔融的聚合物通过一具有一定形状的孔，然后将挤塑物冷却，最后一般成为固体。挤塑物的横断面(与流动方法垂直)一般与模孔具有相同的形状。由于挤塑在工业上非常重要，人们一直试图改进模具，使该方法操作费用更低，和/或不合格产品更少等。在此方法中的一个特别问题就是“模具滴料(die drips)”，这是在模孔周围收集到的(一般是)少量的熔融聚合物，它会引起产品缺陷和停工等问题。
美国专利4,822,546叙述了一中聚合物挤塑模具，其优点是适用于高流动性聚合物，而且模具是水下切粒机的一部分。但没有提及这种模具在其它挤塑方法中的应用。
发明概述
本发明涉及一种模具，它具有供挤塑聚合物用的扩口的孔，它包括具有一个或多个扩口孔的模体，该孔具有如下的组件：
具有表面S1的第一区；
具有表面S2的第二区；
具有表面S3的第三区；
长度L1，这是所述第一区、第二区和第三区的总长度；
所述第三区的长度L3；
聚合物的流动轴A；以及
所述模具在其排料侧具有表面S5；而且
L1/L3大约为2或更高；
L3的长度要足以使在通过所述孔的聚合物在排出所述孔之前基本上与S3的周边接触；
A和S3都垂直于S5；
如果所述第二区具有一个台阶式面积变化，则由S2与A所形成的角度T约为45°至约90°。
如果所述第二区具有多于一个的台阶式面积变化，则相当于角T的每个台阶的类似角度为约45～90°。
在所述第三区的孔的面积为在所述第一区孔的面积的约1.1～约1.7倍；以及
所述第一区和所述第三区的几何形状是相似的。
本发明还包括一个聚合物挤塑设备，它包括一个模具和泵压聚合物通过所述模具的装置，其中的改进包括，挤塑聚合物的模具具有一个或多个有如下组件的扩口的孔：
具有表面S1的第一区；
具有表面S2的第二区；
具有表面S3的第三区；
长度L1，它是所述第一区、第二区和第三区的总长度；
所述第三区的长度L3；
聚合物流动轴A；以及
所述模具在其排料侧具有表面S5；以及
其中：
L1/L3约为2或更高；
L3的长度要足以使正在通过所述孔的聚合物在离开所述孔之前基本上与S3的周边接触；
A和S3都垂直于S5；
如果所述第二区具有一个台阶式面积变化，则由S2和A所形成的角度T为大约45°至约90°。
如果所述第二区具有多于一个台阶式面积变化，则与所述角度T相当的每个台阶的类似角度为45°～90°；
所述第三区的孔面积是所述第一区中孔的面积的约1.1～约1.7倍；
所述第一区及所述第三区的几何形状是相似的；
而且要求，所述模具的表面S5不与液体冷却介质接触。
本发明进一步涉及一种挤塑聚合物的方法，它包括将聚合物挤塑通过一个具有一个或多个具有如下组件的扩口孔的模具：
具有表面S1的第一区；
具有表面S2的第二区；
具有表面S3的第三区；
长度L1，它是所述第一区、第二区和第三区的总长度；
所述第三区的长度L3；
聚合物流动轴A；以及
所述模具在其排料侧具有表面S5；以及
其中：
L1/L3为约2或更高；
L3的长度要足以使正在通过所述孔的聚合物在排出所述孔之前基本上与S3的周边接触；
A和S3都垂直于S5；
如果所述第二区具有一个台阶式面积变化，则由S2与A所形成的角度T为大约45°至约90°；
如果所述第二区具有多于一个台阶式面积变化，则相当于角T的每个台阶的类似角度为约45°～90°；
所述第三区的孔的面积为在所述第一区孔的面积的约1.1～约1.7倍；
所述第一区及所述第三区的几何形状是相似的；
而且要求所述模具的表面S5不与液体冷却介质接触。
发明详述
涉及到模具及其孔的本发明的公开，在本文中应用于模具本身、包含在挤塑设备中的模具以及用于挤塑聚合物的方法中的模具。
附图说明
本文中的图未按比例制图。
在图1中所示的是在Z2(见下面)具有一个台阶的本发明扩口模孔的剖面图。此剖面垂直于表面S5(见下面)。显示的只是具有一个孔的模体的一部分。该模具可包含多于一个的孔，也可具有挤塑模具一般具有的其它功能部件，比如将该模具固定于挤塑设备上的装置、测量模温的装置、加热模具的装置、密封模具和挤塑设备的其它部分的接触面，使熔融聚合物不会泄漏的装置等。
沿着孔的整个长度可认为该孔有3个区，即具有表面S1的第一区Z1、具有表面S3的(扩口的)第三区Z3和具有表面S2的第二区或过渡区Z2。图1的S4是该模具的入口侧表面，而S5是在该模具排料侧或出口侧。S4不一定是平的，而S5必须是平的，而且只要求在孔附近(近到足以使挤出件接触到S5)处垂直于A。若S1大致上平行于聚合物流动轴A(大致平行意味着在5°左右)则为优选，若S1平行于A则更为优选。Z3的孔表面S3平行于聚合物流动轴A而垂直于表面S5。
图1中模具的剖面AA和BB垂直于流轴A。L1是孔的总长度，而L3是Z3区的长度。在AA和BB处的截面贯穿在图1中所示的(整个)孔。BB截面取在靠近Z1和Z2区相交的点，但又在Z1之中。在截面AA处孔的面积大约是同一个孔在截面BB处面积的1.1～1.7倍，优选约1.3～1.45倍(或者说，在Z2中每个台阶后的面积是Z1区或前一台阶面积的至少1.1倍)。L1/L3约为2或更高，优选约2～约20，更优选约3或更高，或者约3～约10。
孔在AA处与BB处的截面几何形状彼此基本类似。“几何形状类似”意味着“如果用外形变换法能使一个图形与另一个重合，也就是说如果一个图形是另一个的放大或缩小，这两个几何图形就叫相似”，“相似”的定义取自《James and James数学词典》(James and James MathematicsDictionany)第三版，D.Van Nostrand公司Princeton，N.J.1968年出版P331。换句话说，在BB处的孔截面是AA处截面尺寸上的缩小，使AA处孔截面的面积是BB截面面积的1.1～1.7倍。
角度T是S2与A所形成的角，或者说若Z2包含一个台阶，则孔以接近该角度由S1过渡到S2。这个过渡可经过一个台阶或一系列台阶。过渡区(各)台阶也可呈曲线状。这时取R线为在该曲线与Z1表面相交点处的曲线切线。在一优选模具中，角度T(或者Z2含有多于一个台阶时与T类似的角)大约60～90°。
图2是本文各实施例中使用的孔的轮廓线。在这些实施例中对其有所叙述。
当聚合物流入Z1区，它当然呈现了Z1区断面的形状(在BB截面)。随着聚合物流过过渡区，然后进入Z3，它就膨胀而具有了如AA的截面，也就是说，最终与在Z3的孔的形状及尺寸相吻合。因此，如果L3有足够的长度，则由模具排出的聚合物就将具有与AA截面相同的形状和大体相近的尺寸(离开模具的聚合物的截面稍大于在AA处的孔截面，这是由于众所周知的“离模膨胀”现象造成的)。虽然Z1对于本文中的模孔是必须的，该模具也可包括Z1的“延伸”部分，它不是L1或Z1的一部分，其尺寸和/或形状也不一定非和Z1一样不可，此延伸部分将熔融聚合物引导到Z1。
在Z2当中可以有一个或多于一个的孔面积改变。本文中每次改变就称作一个台阶。如果只有一个台阶，那么Z2只要求角度T为约45°～90°。与此台阶紧靠着的Z3有S3为其表面。如果由多于一个的台阶，则每一个台阶都有一个与只有一个台阶时的角度T相当或类似的角度。这些角度中的每一个也必须是约45°～约90°。只有最后一个台阶的下游(按聚合物流动计)孔表面为S3。在Z2中的其它所有位于其它各台阶中相当于S3的表面(这里一起标作S2A)都在ZL中，而且这些表面中每一个都平行于A。最好这些平行于A的表面中的每一个都足够地长，使得在达到下一台阶之前聚合物基本与每个S2A表面的周边相接触。
据认为，希望L3有最小的数值，因为这能让聚合物基本上达到挤塑产物所需的最后形状和尺寸。“基本上接触”一词意味着聚合物要么与表面(S3和/或S2A)相接触，要么与表面的距离在O.13mm以内。
据认为，S3和S2A不应延伸得长于聚合物为保持与S3或S2A的周边充分接触所需的长度太多。对于任何特定方法所需要的S3或S2A的长度可很容易，通过简单的常规实验，通过改变如本文中各实施例中使用的串联阴模嵌件的L3加以确定，这些特定方法包括不同的挤塑件形状和尺寸、使用的聚合物、聚合物温度、挤塑速度等。
该模具可以用任何制造聚合物挤塑模所常用的材料制造，比如工具钢。应小心避免使用镍和其它在孔表面，特别在转角表面产生污损的材料。模具的表面精加工应与对一般挤塑模所进行的一样。本文中的所有测量可认作是具有在模具制造中正常的一般机加工和其它加工误差。
该挤塑模可含有一个或多个孔。许多模具只含有一个孔，特别如果孔的截面积较大时，另一些如成丝用的模具(经常称作纺丝头)一般具有许多孔。如果在AA(Z1)和BB(Z2)处截面(因此也就是孔)都是圆形、都是正方形或矩形则是优选的。
可以在正常进行挤塑的任何设备中进行挤塑。这类设备一般都包括一个熔融聚合物(除非将熔融的聚合物供给该设备)的装置和一个以适当的速度将熔融聚合物泵送或压过模孔的装置。泵送或熔融并泵送的有用装置是齿轮泵、单螺杆和双螺杆挤塑机、活塞(如在柱塞式挤塑机中)或装有熔融聚合物的(空气压力)加压罐。挤塑条件如聚合物温度可以是在挤塑该种聚合物时一般常用的条件。
在聚合物离开挤塑模之后，一般就固化，而在使用弹性体时可以是交联。热塑性塑料一般经冷却而固化。冷却介质可以是空气或液体比如水。若冷却介质是液体，该液体不与模具的表面S5接触。如果挤出物要被切成小块如粒料，优选切刀(桨叶)则不与模具，特别是表面S5接触。
使用本文所述的挤塑模具的聚合物包括热塑性塑料、交联前的弹性体和交联前的热固性塑料。热塑性塑料包括聚酯、聚酰胺、聚醚、聚烯烃、热塑性聚酰亚胺、聚酰亚胺-聚醚和聚碳酸酯等。被挤塑的聚合物可含有常用的添加剂，如填料、增强剂、抗氧剂、着色剂、颜料等。这些添加剂的例子是碳黑、玻璃纤维、粘土、云母、石墨纤维、钛白粉、碳纤维和天然纤维。
在本文的所有实施例中，孔都具有圆形截面(AA和BB)。
实施例1～3使用的实验设备
使用一台57mm双螺杆Werner&Pfleiderer(W&P)挤塑机来熔融聚合物并产生足够的压力将树脂压过模具。除了测试模具以外，使用的所有的操作条件，像机筒温度、螺杆转速、加料速度等是测试聚合物的正常加工条件。
Rynite和Zytel树脂是EI.dv Pont de Nemours公司的商品。
实施例1
使用的模板具有可供两个阴模嵌件用的洞。嵌件从背面放入模板并用定位圈锁住。第一个嵌件是对照件，它具有直径4.5mm的成型段、长径比3/1的标准形状。第二个嵌件是测试孔，它在模具末端有一个如图2所示的扩口截面。成型段第一段的内径(在图2中表示为[1])为4.5mm，这是对照模。如图2中用[2]表示的扩口段的内径为5.4mm，这样直径比为1.2。扩张段与未扩张段的面积比为1.44。由表面向模内的扩口深度(图2中显示为[3])为6mm，或为原直径的1.33倍。
树脂的总生产率为68Kg/hr或者说34Kg/hr.孔。测试用树脂为ZytelTOG33，这是用33％的碎玻璃纤维增强的尼龙66。在开车后的30秒钟之内，在从标准模具拉出线材的出口处看到明显的滴料聚集。从扩口模出来的线材显示出改善的线材质量，并且没有滴料。开车后5分钟，在扩口模具周围的模出口表面仍然是清洁的。而在标准模具周围的出口表面则被模口滴料所环绕，大约有1/8～1/4″长，而且由于热降解开始转变成棕色。
实施例2
挤塑机与模板与在实施例1中所述的相同。测试树脂是Rynite530，这是主要含有PET树脂和30％碎玻璃纤维的掺混物。以68Kg/hr的生产率通过2个孔进行测试。在标准模具上观察到板块聚集的滴料，在2分钟之内就有了明显的堆集。在开车后不久可观察到在扩口的模出口附近有少量熔融树脂。5分钟后，标准模具周围的模具表面上覆盖上一层树膜和玻璃纤维的混合物，严重的降解很显著。在扩口模具周围的模具表面显示出开始时的料滴，但未出现增长。10分钟后，在标准模具明显有大量滴料聚集，而且此料滴开始干扰线材的流动。扩口模具的原始料滴仍然未显示出生长。
实施例3
挤塑机和模板与上面叙述的相同。测试树脂为Zytel103，这是一种未增强的尼龙66树脂。在开车后大约20分钟，标准模在线材离开模具处的周围显示出滴料的增长。而在扩口模周围的模表面仍保持清洁。在开车后60分钟，在标准模具周围的积聚继续增长，而扩口模具保持清洁。虽然未增强树脂经过模具在标准模具上积聚模口滴料的速度小于在实施例1和2中的两种增强树脂，而扩口模具保证操作比直接通过模具的标准模有所改善。
实施例4
使用一台40mm W&P双螺杆挤塑机来熔融树脂并产生足够的压力迫使熔体通过模板。使用的模板与上面实施例1中所述的相同。测试树脂是Rynite530，速度为68Kg/hr。前成型段(图2中的[1])直径为4.5mm，扩口段(图2中的[2])直径为5.4mm。扩口段由模具表面往回延伸6.0mm。第二测试孔有两级扩大，从4.5mm到4.8mm和从4.8mm到5.4mm(直径比为1.067和1，125)。每段扩口段长度4mm。与标准直通式模具相比，在减少在模具表面出口处模具滴料的积聚效果上，两种形状都是有效的。
实施例5
使用一台40mm W&P双螺杆挤塑机来熔融树脂并产生足够的压力迫使熔体通过模板。使用的模板与上面叙述的相同。测试树脂是Rynite530，速度为68Kg/hr。挤塑机在正常加工条件下操作。第一测试孔是在前面实施例4中所述直径比1.2的扩口孔，第二测试模有三段扩大，即由4.5mm到4.8mm，从4.8mm到5.05mm和从5.05mm到5.4mm。每段扩口段都长3mm。与标准直通式模具相比，在减少在模具出口处模具滴料的积聚效果上，这两种形状都是有效的。

Claims (18)

1、用于挤塑聚合物具有扩口孔的模具，它包括一个具有一个或多个有如下组件的扩口孔的模体：
具有表面S1的第一区；
具有表面S2的第二区；
具有表面S3的第三区；
长度L1，这是所述第一区、第二区和第三区的总长度；
所述第三区的长度L3；
聚合物流动轴A；以及
所述模具在其排料侧具有表面S5；以及
其中：
L1/L3约2或更大；
L3足够长，使得通过所述孔的聚合物在离开所述孔之前基本上与S3的周边接触；
A和S3都垂直于S5；
如果所述第二区具有一个台阶式面积变化，则由S2与A形成的角度T约为45°至约90°；
如果所述第二区具有多于一个的台阶式面积变化，则相当于所述角度T的每个台阶的类似角度为45°到90°；
在所述第三区孔的面积是在所述第一区孔面积的约1.1至约1.7倍；以及
所述第一区和所述第三区的几何形状相似。
2、如权利要求1的模具，其中L1/L3为约3至约10。
3、如权利要求1的模具，其中S1近似地平行于A。
4、如权利要求1的模具，其中角度T或类似角度为约60°至约90°。
5、如权利要求1的模具，其中在所述第一区的孔面积为在所述第三区的孔面积的约1.30至约1.45倍。
6、如权利要求1的模具，其中L1/L3为约3至约10，S1近似平行于
A，角度T或类似角度为约60°至约90°，在所述第一区内孔的面积为在所述第三区的孔面积的约1.30至约1.45倍。
7、包括一个模具和一个泵送聚合物通过所述模具的装置的聚合物挤塑设备，其中的改进包括，用于挤塑聚合物的模具具有一个或多个具有如下组件的孔：
具有表面S1的第一区；
具有表面S2的第二区；
具有表面S3的第三区；
长度L1，这是所述第一区、第二区和第三区的总长度；
所述第三区的长度L3；
聚合物流动轴A；以及
所述模具在其排料侧具有表面S5；以及
其中：
L1/L3为约2或更大；
L3要足够长，使得通过所述孔的聚合物在离开所述孔之前基本上与S3的周边接触；
A和S3都垂直于S5；
如果所述第二区具有一个台阶式面积变化，则由S2和A所形成的角度T为约45°至约90°。
如果所述第二区具有多于一个的台阶式面积变化，则相当于所述角度的每个台阶的类似角度是45°至90°；
所述第三区中孔的面积是在所述第一区孔的面积的约1.1至1.7倍；
所述第一区和所述第三区的几何形状相似；
还要保证所述平行扩口模具的表面S2不与液体冷却介质接触。
8、如权利要求7的设备，其中L1/L3为约3至约10。
9、如权利要求7的设备，其中S1近似地平行于A。
10、如权利要求7的设备，其中角度T或类似角度为约60°至约90°。
11、如权利要求7的设备，其中在所述第一区的孔面积是在所述第三区孔面积的约1.30至约1.45倍。
12、如权利要求7的设备，其中L1/L3为约3至约10，S1近似地平行于A，角度T或类似角度为约60°至约90°，以及在所述第一区的孔的面积是在所述第三区孔的面积的约1.30至约1.45倍。
13、一种挤塑聚合物的方法，它包括将聚合物挤塑通过一个具有一个或多个具有如下组件扩口孔的模具：
具有表面S1的第一区；
具有表面S2的第二区；
具有表面S3的第三区；
长度L1，这是所述第一区、第二区和第三区的总长度；
所述第三区的长度L3；
聚合物流动轴A；以及
所述模具在其排料侧具有表面S5；以及
其中：
L1/L3为约2或更大；
L3要足够长，使得通过所述孔的聚合物在离开所述孔之前基本上与S3的周边接触；
A和S3都垂直于S5；
如果所述第二区具有一个台阶式面积变化，则由S2与A形成的角度T为约45°至约90°；
如果所述第二区具有多于一个的台阶式面积变化，则相当于所述角度T的每个台阶的类似角度是45°至90°；
在所述第三区中孔的面积是在所述第一区孔的面积的约1.1至1.7倍；
所述第一区和所述第三区的几何形状相似；
还要保证，所述模具的表面S5不与液体冷却介质接触。
14、如权利要求13的方法，其中L1/L3为约3至约10。
15、如权利要求13的方法，其中S1近似地平行于A。
16、如权利要求13的方法，其中角度T或类似角度是约60°至约90°。
17、如权利要求13的方法，其中在所述第一区中孔的面积是在所述第三区中孔的面积的约1.30至约1.45倍。
18、如权利要求13的方法，其中L1/L3为约3至约10，S1近似地平行于A，角度T或类似角度是约60°至约90°，在所述第一区中孔的面积是在所述第三区中孔的面积的约1.30至约1.45倍。
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