CN1171757A - 挤压机螺杆 - Google Patents
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Abstract
用在挤压机筒内的挤压机螺杆(10),它用于把热塑性聚合物从该挤压机的第一端推向前至第二端。该挤压机螺杆包含输送段(14)和至少一头螺旋片(20),螺旋片(20)大体上沿螺杆(10)的长度延伸。挡条(24)位于这样的位置,即固体粒料的快速熔化开始变慢而且固体床宽度的减小率趋于零处。当聚合物颗粒被输送穿过螺杆(10)时,挡条(24)使螺杆具有挤出物的高输出量和聚合物颗粒料的滞留时间的严密控制,结果使挤出物是均匀熔化的并且大体上没有降解产物和/或截留空气。
Description
本发明涉及挤压机螺杆，更具体地说是涉及用于塑炼热塑性聚合物的挤压机中的螺杆。本发明还涉及高产的偏二氯乙烯聚合物(PVDC)或氯乙烯聚合物(PVC)塑炼挤压机螺杆设计的改进，该螺杆具有可控进给特点。
典型的挤压机螺杆含有根部和绕根部螺旋地延伸的单头螺旋片。该螺旋片与筒的内圆柱面构成螺旋通道，热塑性聚合物就沿该螺旋通道输送。该螺杆典型地分为进给段，锥形输送段和计量段。进给段用于输送从漏斗进入筒内的未熔化的聚合物的散装原料。锥形输送段用于补偿当散装聚合物被压缩和聚合物被挤压向筒的内壁时产生的体积缩小，以便通过机械的剪切而产生良好的热传导和有效的熔化。典型的情况是聚合物在输况送段中开始熔化。在螺杆的这一输送段中，必要的良好的压缩是特别重要的，以保证聚合物的均匀熔化。计量段用于把熔化的聚合物推前至挤压机的排料端。
未熔化的热塑性聚合物原料，一般是粉状，颗粒状，或片状，它们导入螺杆的进给段并借助于螺杆上螺旋片的旋转沿螺杆被推向前。当固体粒料由进给段进入输送段时，由于螺杆旋转产生的摩擦热和筒上的加热元件的传导热，使固体粒料开始熔化。
在固体粒料穿过挤压机的运动过程中，或因摩擦热，或因热传导，或因两者，与热的筒接触的固体粒料开始熔化，形成粘附在筒的内表面的一层熔化膜，而不与热筒接触的固体粒料则仍保留为固体物质。当熔化膜的厚度超过筒与螺旋片之间的间隙时，螺旋片的导向缘就从筒的内表面上刮下熔化膜并把它集中到前边或螺旋片的导向缘处，形成熔化的聚合物池。随着固体料粒继续熔化，熔化的聚合物池的宽度增大，同时固体物团(通常称为固体床)的宽度减小，导致固体床破裂成熔化的聚合物流中漂浮的固体凝块。当发生这种情况时，仅有小部分(或没有)固体物团受到筒的作用，而热量必须从筒通过熔化的聚合物池到达固体物团。结果是，由于热塑性聚合物的热传导性非常低而使固体床一旦破裂后，熔化效率就大大降低。
在PVDC树脂的挤压中，由于压紧的固体粒料被挤压到输送段的减小了的体积内在输送段前部之中靠近筒(内)表面的聚合物熔化膜的温度急速升高。这熔化的膜的温度可达到引起局部的降解，然后在膜中起泡和产生暗黑的抛物线波形。升高的温度直接和聚合物在筒(内)表面处的圆周速度及在该处形成的压力有关。降解通常发生在输送段的前部分，在该处大量的压紧的固体粒料的表面积被快速压缩，由此产生高的压力。
现今这一问题的解决办法是制造低压缩力螺杆(压缩比小于3.1)和在计量段的入口处或输送段的末端处安装挡条(节制物)。名词“压缩比”用在此处时，表示进给段螺旋片的深度与计量段螺旋片深度之比。可在螺杆几个螺旋片之间延伸的上述挡条的作用是阻挡和促使未充分和未均匀熔化的聚合物颗粒料返回。具有挡条的这种螺杆的例子示于Schrenk等的美国专利No，3,115,674的图中。这些设计曾用直径3.5英寸(89mm)的螺杆以高的产生率〔300磅(138kg)/英寸〕成功地挤压出纯的PVDC树脂；但在挤压以粉料供给的纯PVDC与少量的PVDC膜片屑(再循环的)的混合料方面是不成功的。
通常压缩成扁平盘状(尺寸约是0.25”×0.35”×0.075”)(6.4mm×8.9mm×1.9mm)的膜片屑漂浮在圆的粉状粒料(大约直径为220微米)流中。一般只占全部树脂重量5～10％的这些膜片屑具有高出周围粉料的较狭窄的熔化峰(因为它们业已早被熔化)，同时具有向螺杆中的固体床的中心聚集的趋势。固体床中心处的较窄熔点和再循环物的存在，使得它们在该处不能接受由筒/聚合物界面来的粘滞热，导致再循环的聚合物的延迟熔化以及后来在最终的膜片产物中出现未熔化的聚合物(凝胶)。
需要提供一种具有高挤出量的挤压机螺杆，但也要求它能对聚合物料粒的滞留时间提供严格的控制，当它们被输送穿过螺杆时，该聚合物粒料含有少量再循环的树脂，结果产生一种均匀熔化和基本上无降解物和/或截留空气的挤出物。
一方面，本发明涉及的是用在挤压机筒内的挤压机螺杆，用于把至少一种热塑性聚合物从挤压机(它含有输送段)的第一端推向前至第二端，所说的挤压机螺杆含有：至少一头螺旋片，其中一头螺旋片大体上沿着挤压机螺杆的整个长度延伸并形成螺旋通道，聚合物就通过螺旋通道输送；和位于某处的挡条，在该处，固体料粒的快速熔化开始变慢并且固体床宽度的减小率趋于零。
另一方面，本发明涉及用在挤压机筒内的挤压机螺杆，用于把至少一种热塑性聚合物从挤压机的第一端推向前至第二端，该挤压机螺杆包括：
进给段、输送段及计量段，所说的挤压机螺杆具有至少一头螺旋片，其中一头螺旋片大体上沿挤压机螺杆的整个长度延伸并形成螺旋通道，聚合物就通过该通道来输送；位于某处的挡条，在该处，固体料粒的快速熔化开始变慢并且固体床宽度的减小率趋于零。
业已发现，通过在某处设置挡条，在该处固体粒料的快速熔化开始变慢并且固体床宽度的减小率趋于零，该螺杆能有高的挤出物输出量，该挤出物是均匀熔化的并基本上没有凝胶和/或截留空气。本发明的螺杆在设计上通过控制固体床的宽度和深度来提高熔化率，同时减少过量的粘滞加热。还发现增加了挡条后，通过减少被进给段传送至输送段的固体粒料的数量，能降低在输送段的前部分产生的压力。
图1是典型的单头螺旋片的侧视图，表示了本发明的挡条的位置；
图2是沿图1的2-2线截取的横截面图。
本发明可应用于任何传统设计的挤压机螺杆，包括单头螺旋片螺杆，例如单段、双段及三段螺杆；以及复合(多头)螺旋片螺杆，例如双头螺旋片螺杆。此外，本发明可用于控制热塑性聚合物变种的及共聚合物的特性和滞留时间，例如聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯乙烯，以及复(乙烯醇)。本发明在控制纯偏二氯乙烯聚合物树脂的特性和滞留时间方面是实用的，该树脂含有少量的再循环的偏二氯乙烯聚合物树脂。
现在参考图1，图中一般以数字10代表挤压机螺杆，它包括进给段12，输送段14和计量段16。如图所示，输送段14分成三个长度基本相等的纵向区，包括前输送区(I区)、中输送区(II区)及后输送区(III区)。前输送区从进给段的结束处开始，而后输送区结束于计量段的开始处。中输送区开始于前输送区结束处而后输送区开始于中输送区的结束处。图示的挤压机螺杆是具有“单头螺旋片”型式的螺杆，并包含根部18和跨越挤压机螺杆长度的单头螺旋片20。如图所示，单头螺旋片具有固定的直径和节距。但应该认识到具有变节距的螺杆螺旋片也是可以用于实施本发明的。单头螺旋片形成螺旋通道22，通过该通道来传输聚合物。挡条24的位置延伸跨过通道22，通道22由相邻的螺旋片20构成。
最好是，顺着挡条24的流向来增设的挡条。例如，贯穿输送段14的长度内可以在单头螺旋片螺杆的相邻螺旋片之间插入一或更多的挡条，且最好是，位于输送段14的末端或计量段16的开始端。增设的挡条可保证完成熔化，而不冒过份剪切和加热的风险。
通常，挤压机螺杆具有低的压缩比。挤压机螺杆的压缩比可以小于3.5，推荐值为是小于3.3，最好是3.0。
在图1所示的挤压机螺杆的工作中，未熔化的热塑性粉状、丸状或片状原料(此后称固体粒料)被导入进给段12，在该处为筒(内)表面处产生的摩擦热加热至某温度，该温度足以在筒(图中未表示)的(内)表面上形成熔化的聚合物薄膜。该薄膜的厚度还不足以使该处的螺旋片20收集它。当固体粒料继续由进给段12移向输送段14时，熔化的聚合物薄膜便在未熔化的聚合物上产生牵动，由此使未熔化的聚合物挤入通道22的尾部。
随着熔化的继续，筒内表面上的熔化聚合物膜的厚度增大，直至它能被螺旋片20的导向缘刮下为止。螺诈片20在它的前部或导向缘处收集熔化的聚合物，形成熔化的聚合物池。借助剪切动作，现在热量进入熔化聚合物池，剪切的能量是从螺杆的旋转传来的，导至固体粒料的快速熔化。由于固体粒料继续从输送段的I区移向II区，熔化的聚合物池的宽度增大，而未熔化的聚合物物质(通常称为固体床)的宽度减小，直至减小率趋于零为止。当固体床宽度的减小率趋于零时，固体粒料的快速熔化开始变慢。当不希望受到理论的约束时，就会相信上述现象的产生是由于热量从粘滞的熔化的聚合物池耗散入筒内造成的，筒的温度低于熔化的聚合物池。
业已发现，通过在输送段14之内插入跨越通道22的挡条24，能提高固体粒料的熔化率。已经发现挡条24的插入增大了固体床的宽度而减小了固体床的深度。固体床宽度的增大提高了固体粒料的熔化率，而且固体床深度的减小使得来自熔化的固体粒料的热量更快地到达位于固体床中心的压紧的固体粒料。
还发现挡条的增设减小了在输送段开始端产生的压力。压力的产生是因为由进给段传输到输送段的固体粒料的量大于计量段能够泵出的从输送段来的熔化物的量。在上面提到的位置中插入的挡条有助于螺杆的固体粒料传输能力与熔化物泵出能力的平衡。压力生成的减少有助于减少过量的快速摩擦加热，过量的快速摩擦加热将导致PVDC的降解。
挡条24的布局是严格的。如果挡条在螺杆中放得太靠前，熔化率实际上可能降低。另一方面，如果它在螺杆中的位置太靠后，它对熔化率的作用则可以忽略不计。螺杆中的热塑性聚合物的熔化率很大程度上取决于筒与聚合物之间的接触量。在较小程度上，这一熔化率取决于其它因素的变化，包括挤压机的热传递动力学和被挤压的热塑性材料的类型。通常，挡条24位于固体粒的快速熔化开始变慢而且固体床宽度的减小率趋于零处。挡条24的位置最好跨越在前输送区(I区)和输送段的中输送区(II区)内的任意通道上。仅出于解释的目的，取具有18至26个通道(螺旋通道的圈数)的SARAN聚合物挤压机螺杆作为一个例子，挡条24更好是使其位置跨越在从I区中的最后通道开始至II区中的第3通道的任何通道上，而顶好的是，挡条24应位于挤压机螺杆的第9、第10、第11或第12通道(从挤压机的槽8算起，如图1所示)中的任一通道内。
挡条24的位置最好是与螺杆10的纵轴线成45°锐角或小些的角，而顶好的是其位置基本上平行于螺杆的纵轴线。
通常，专用螺杆的挡条的最佳高度取决于几个因素，诸如被送入的聚合物的类型，特别是聚合物Tg(玻璃化温度)和结晶度；是否添加了碎的颗粒；与聚合物掺和的添加物的类型，特别是片状添加物等等；聚合物的进料方式；应用于本发明范围内的挡条的数量。通常，挡条的高度是螺旋片20高度的10～60％，最好是25～55％，顶好是35～50％。业已发现，当挡条的高度大于螺旋片高度的60％时会导致对固体聚合物流动的过大而阻碍和缩短了输送段的快速熔化区。还发现，挡条的高度小于初始螺旋片的高度的10％时，就不能有效地控制固体床宽度、深度和固体粒料的传送率，不能有效地压紧聚合物和消除在聚合物中的截留空气。
如图2所示，挡条24通常具有凸轮状横截面28，横截面有一宽底30和一修平的顶部32。通常，顶部32具有平顶，它至少0.1英寸(2.5mm)长，最好是从0.125英寸(3.175mm)至0.25英寸(6.35mm)长，而顶好是0.2英寸(5.1mm)长。这个平顶与筒的内表面之间的间隙是严格的。这个间隙对熔化率和螺杆的固体粒料传送性能有巨大的影响。最好的是，这个间隙是根部通道与筒表面之间距离的10～70％，更好地是20～60％，而顶好是50％。这个间隙和筒的内表面与通道22之间的间隙相比相对地较小，这个间隙降低了螺杆的固体粒料传送率，它同样也使在螺杆前部产生的压力减小到500～1000磅/英寸2。这一减低了的压力意味着较少的粘滞加热，而且其后由于较低的熔化温度而改善了挤出物的质量。这个间隙也加大和减小了固体床的深度而不用减小输送段的快速熔化区的长度。
挡条24可用任何合适的材料来制造，只要该材料能和被加工的聚合物相容并能经受在挤压机中遇到的加工温度。此外，最好是使挡条用与制造螺杆的根部18的材料相似的材料来制造。例如，挡条可用钢来制造，此时的螺杆被设计用来加工聚乙烯。当要加工偏二氯乙烯共聚物时，挡条24最好用镍合金来制造。挡条24可焊在或用其它方法紧固在挤压机螺杆的根部18上。
虽然出于解释本发明的目的而给出了某些代表性实施例和细节，但内行的人显然能在不背离本发明为后附权利要求规定的范围时，可以对此处已公开的各种方法和设备作出各种修改。
Claims (20)
1.用在挤压机筒内的挤压机螺杆，它用于把至少一种热塑性聚合物从包括输送段的挤压机的第一端推向前至第二端，所说的挤压机螺杆具有：至少一头螺旋片，其中一头螺旋片大体上沿着挤压机螺杆的整个长度延伸并形成螺旋通道，聚合物就通过螺旋通道输送；和位于某处的挡条，在该处，固体粒料的快速熔化开始变慢并且固体床的宽度的减小率趋于零。
2.用在挤压机筒内的挤压机螺杆，它用于把至少一种热塑性聚合物从挤压机的第一端推向前至第二端，该挤压机螺杆包括：
进给段、输送段、及计量段，所说的挤压机螺杆具有至少一头螺旋片，其中一头螺旋片大体上沿挤压机螺杆的整个长度延伸并形成螺旋通道，聚合物就通过该通道来输送；和位于某处的挡条，在该处，固体粒料的快速熔化开始变慢并且固体床宽度的减小率超于零。
3.根据权利要求2的挤压机螺杆，其中所说的输送段具有：3个大体上等长度的纵向区，包括前输送区(I区)，中输送区(II区)和后输送区(III区)；而所说的挡条横跨插入在I区和II区范围内的任何一个通道中。
4.根据权利要求3的挤压机螺杆，其中所说的挡条横跨插入从I区的最后通道开始至II区第3通道的任意通道中。
5.根据权利要求2的挤压机螺杆，它具有：24～30个通道，和插入挤压机螺杆的第9、第10、第11或第12通道中的任一个通道的挡条。
6.根据权利要求5的挤压机螺杆，其中所说的挡条位于挤压机螺杆的第10通道之中。
7.根据权利要求2的挤压机螺杆，其中所说的挡条与所说的螺杆的纵轴线成45°的锐角或小些的角度。
8.根据权利要求2的挤压机螺杆，其中所说的挡条大体上平行于所说的螺杆的纵轴线。
9.根据权利要求2的挤压机螺杆，其中所说的挡条大体上与所说的螺旋片垂直。
10.根据权利要求2的挤压机螺杆，其中所说的挡条的高度是所说的螺旋片的高度的10～60％。
11.根据权利要求10的挤压机螺杆，其中所说的挡条的高度是所说的螺旋片的高度的25～55％。
12.根据权利要求11的挤压机螺杆，其中所说的挡条的高度是所说的螺旋片的高度的35～50％。
13.根据权利要求2的挤压机螺杆，其中所说的挤压机螺杆含有大体上沿挤压机螺杆的整个长度延伸的两头螺旋片。
14.根据权利要求2的挤压机螺杆，其中所说的挡条具有通常呈凸轮形的横截面，该横截面具有宽底和修平的顶部。
15.根据权利要求14的挤压机螺杆，其中所说的修平的顶部与筒内表面有间隙，其间隙为根部通道与筒内表面之间距离的10～70％。
16.根据权利要求15的挤压机螺杆，其中所说的修平的顶部与筒内表面有间隙，其间隙为根部通道与筒内表面之间距离的20～60％。
17.根据权利要求16的挤压机螺杆，其中所说的修平的顶部与筒内表面有间隙，其间隙为根部通道与筒内表面之间的距离的50％。
18.根据权利要求2的挤压机螺杆，它包括至少一个增设的挡条，此挡条插入在所说的输送段的末端或在所说的计量段的开始端。
19.根据权利要求15的挤压机螺杆，它包括至少一个增设的挡条，此挡条插入在所说的输送段的末端或在所说的计量段的开始端。
20.根据权利要求1的挤压机螺杆，其中所述热塑性聚合物含有纯偏二氯乙烯聚合物树脂与少量再循环的偏二氯乙烯聚合物树脂的混合物。
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