CN1172786C - 用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机，包括驱动电机、联轴器、齿轮箱、主辅料加料系统、混合输送系统、排气系统和挤出切粒系统、机筒，其特征在于置于机筒内的两根平行螺杆轴上以任何排列组合方式同时串列有啮合型和非啮合型螺纹元件。该双螺杆挤出机兼备啮合型双螺杆挤出机和非啮合型双螺杆挤出机的优点，具有最佳脱挥、混合、输送和传热效果，主要适用于各种中、高粘度物流体系如树脂、弹性体、粘合剂、涂料等化学反应、掺混均化、脱挥、洗涤和凝聚等过程，尤其适用于本体、溶液和乳液聚合而成的多相体系的反应、混合、洗涤、凝聚和脱挥。

Description

用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机

技术领域

本发明涉及一种双螺杆挤出机，特别是涉及一种用于以中、高粘度为特征的多相体系的化学反应、洗涤、凝聚、掺混和脱除残余低分子物的双螺杆挤出机。

背景技术

目前，合成高聚物通常经过各种聚合反应例如本体聚合、溶液聚合、乳液聚合或悬浮聚合等聚合反应制备各种各样的高聚物，然而经各种聚合反应得到的聚合产物，其粘度普遍很高，但都含有在聚合过程中使用的各种溶剂、水、各种助剂，以及未反应的单体和反应副产物，必须进行所谓后处理，将上述溶剂、水、未反应单体及助剂等物质从聚合物中除去或降低到不影响聚合物性能或环保要求的最低水平，脱除这些物质的过程称为脱挥发物过程，简称脱挥。随着社会进步和人们对环保的重视，许多聚合过程正在向无溶剂化改良，一些水性聚合物也提出了更严格的脱挥要求。另一方面，有时出于某些改性和加工工艺上的需要，在聚合物熔体或物流中加入一些低分子化合物，以便于聚合物与其他无机、有机增强填料和各种有助于加工或使被加工混合物具有所需最终性能的各种添加剂进行混炼，而经混炼过程后又需要将这些不需要的可挥发物质分离出去。此外，有些工艺要求使用与聚合物不互溶的低沸点物，将产品中需要的助剂等从粘稠的聚合物中溶解后进行分离，如采用现有通常的工艺过程和设备，则流程复杂，设备庞大，费时费力，并产生大量的废液，这些过程都要求使用新的工艺和设备来进行改进。

“闪蒸排气技术”是实现“脱挥”的一种有效方法。它是通过螺杆功能，使聚合物流体处在高压及高于挥发性成分沸点温度的状态下，进入排气段，在此压力突然降低或呈负压时，在较大的闪蒸推动力作用下，例如低沸点物、水分及低分子物急剧气化，冲破熔体包裹的阻力以气态排出机体外。这种“闪蒸排气”的过程经过多次重复，可使熔体内残余挥发份含量降至最低。

目前使用的双螺杆挤出机中，通常按照两根螺杆的旋转方向，有同向旋转和异向旋转；以及按照螺杆啮合方式有啮合型、非啮合型两种类型双螺杆挤出机。这两种类型双螺杆挤出机是能够高效率完成各种中、高粘度物流体系的化学反应、掺混均化、脱挥、洗涤和凝聚等过程的有效设备。但同向旋转双螺杆挤出机对物料剪切作用大，对产品的某些性能如拉伸强度、抗撕裂强度、定伸模量等会有不利的影响。异向非啮合双螺杆挤出机自洁性较差，输送效果差，造成物料停留时间长，分散混合性较差，对产品的某些性能也有不利的影响。因此限制了他们各自在生产中的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中双螺杆挤出机的缺陷，经发明人集多年从事双螺杆挤出机设计、开发、研究及大量工业化生产和应用实践的经验积累，开发出一种具有最佳脱挥、混合和输送效果的用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机。

本发明提供的用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机包括驱动电机1、联轴器2、齿轮箱3、加料系统4、混合输送系统5、排气系统6和挤出切粒系统7、机筒11，其特征在于置于机筒内的两根螺杆8上以任何排列组合方式同时串列有啮合型螺纹元件9和非啮合型螺纹元件10，两根螺杆可同向平行旋转或异向平向旋转，螺杆直径为15～400mm，优选为15～300mm，螺杆有效长径比为8～100，优选为12～60，螺杆中心距为15～400mm，螺杆啮合深度3～70mm，螺距8～550mm，螺杆头数1～6，机筒中啮合型螺纹元件与非啮合型螺纹元件的总长度比0.2～100，所述加料系统的主辅料加料口为1～6个，所述脱挥排气(液)系统的脱挥排气(液)口数量为1～5个，加料口和脱挥排气(液)口的数量和位置可依据工艺过程的需要设置在机筒的不同位置上。

根据本发明提供的用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机中，置于机筒内的两根螺杆上以任何排列组合方式可同时串列啮合型螺纹元件和非啮合型螺纹元件，是指可以根据工艺需要调整组合排列啮合或非啮合型螺纹元件的数目、长短及排列次序等，例如包括一个或一组啮合型螺纹元件与一个或一组非啮合型螺纹元件的组合，一个或一组非啮合型螺纹元件与一个或一组啮合型螺纹元件的组合，啮合型螺纹元件—非啮合型螺纹元件—啮合型螺纹元件的组合，非啮合型螺纹元件—啮合型螺纹元件—非啮合型螺纹元件以及多重组合排列等，例如当需要加强物料的输送或剪切效果时，可排列啮合型螺纹元件并适当增加其长度；当需要加强物料的排气效果时，可排列非啮合型螺纹元件并适当增加其长度。再结合两螺杆旋转方向为同向或异向，由此构成本发明特有的显著区别于现有技术的双螺杆挤出机，具有最佳脱挥、掺混和输送效果的高效的双螺杆挤出机系列。所述置于机筒内的两根螺杆可采用如图2所示的两种连接方式，一种是在芯轴12上串列各种啮合型螺纹元件9或非啮合型螺纹元件10，另一种是啮合型螺纹元件9或非啮合型螺杆元件10直接通过螺纹连接。两根螺杆必须在相同的位置以相同的方式排列相同的螺纹元件，其中啮合型螺纹元件与非啮合型螺纹元件的总长度比可根据适用体系的工艺条件如温度、压力等变化而变化，一般在0.2～100范围内；同时各段啮合与非啮合型螺纹元件的长度、数目以及排列次序主要取决于所适用体系的工艺过程和条件，例如螺纹元件的形式如啮合或非啮合型，设定的进料口位置、数目，如1～6个，进料速度及温度，各区段温度、压力和脱挥排气口压力等因素。所述脱挥排气(液)系统可根据被排除物料的性质和产品需要，设置一段或多段脱挥排气(液)段及相应脱挥排气(液)口1～5个，例如第一脱挥排气(液)段进行常压或加压的预脱挥，第二排气段进行真空下的二次脱挥等，使最终产品中挥发份达到产品规格要求。根据适用体系工艺需要，还可在啮合和非啮合螺纹元件间或啮合、非啮合的同类型元件间穿插配合适当的通用功能螺纹元件，如圆柱、反向块、啮合块等，使得本发明的双螺杆挤出机组能广泛应用于各种聚合反应和聚合物改性、脱挥、洗涤和凝聚等各种工艺需要，可适应当前聚合物生产过程中“精细化”、“绿色化”发展趋势的要求。

本发明提供的用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机的一个方案为异向旋转非啮合型螺纹元件和啮合型螺纹元件组合的双螺杆挤出机，如图3。即在异向旋转双螺杆挤出机的前段采用非啮合型螺纹元件进行脱挥处理，使其具有混合性能好，对物料剪切小，物料表面更新面积大，啮合区容积大的特点，使其在排气段具有较大蒸汽自由容积，易于实现排气脱挥的最佳效果；在后段采用啮合型螺纹元件，利用其较好的输送性能和自洁效果，避免使脱挥完成后的物料长时间滞留于筒体内。由此可见，这种由啮合型螺纹元件与非啮合型螺纹元件组合的异向双螺杆挤出机兼备了啮合型和非啮合型两种异向双螺杆挤出机的优点，同时克服了各自的缺点，在一台异向双螺杆挤出机上实现现有技术中两种双螺杆挤出机的双重功能特点。

本发明提供的用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机的又一个方案为异向旋转啮合型螺纹元件+异向非啮合型螺纹元件+异向啮合型螺纹元件组合的异向旋转双螺杆挤出机，如图4。即在异向旋转双螺杆挤出机的前段采用啮合型螺纹元件加强进料输送，达到最佳输送性能的效果，并增加对物料剪切作用，使之迅速升温；中段采用非啮合型螺纹元件进行脱挥处理，使其具有混合性能好，对物料剪切小，物料表面更新面积大，啮合区容积大的特点，使其在排气段具有较大蒸汽自由容积，强化排气脱挥的效果；脱挥完成后的后段采用啮合型螺纹元件，利用其较好的输送性能和自洁效果，使脱挥完成后的物料尽快输送出机体。这种组合方式构成的挤出机同时具备啮合型和非啮合型两种异向双螺杆挤出机的优点，克服了各自的缺点，在一台双螺杆挤出机上实现现有技术中两种双螺杆挤出机的双重功能特点。该结构也可应用于物料的洗涤工艺，如图5，物料E从A段加料口加入，采用啮合型螺纹元件加强进料输送，在B段后部注入洗涤剂F，如水、醇等低分子物，将产品中可溶杂质与不可溶的产品分离，B段为非啮合型螺纹元件，混溶洗涤作用时间长，由于C段为啮合区，熔体压力大于B段非啮合区，低粘度的洗涤溶液会向B段流动，B段上部设有一双螺杆过滤器D，洗涤后的低粘度溶液G会通过过滤器被强制抽出，双螺杆过滤器同时阻止高粘度的物料被抽出，螺杆使物料继续向前，在C段啮合区加快输送。这种类型的双螺杆挤出机可以高效地完成这一称作“洗涤”或脱除聚合物中低分子物的工艺过程，并能节省90％以上的洗涤用溶剂。

本发明采用等间隙啮合螺纹元件与非啮合螺纹元件相结合的工作原理，综合利用同向旋转双螺杆挤出机和异向旋转双螺杆挤出机的优点，将啮合型螺纹元件与非啮合型螺纹元件组合在同一台挤出机上，使这种新一代结构的双螺杆挤出机同时具有啮合型双螺杆挤出机和非啮合型双螺杆挤出机的各个优点，又避免了各种机型的不足，使物料在机筒内具有最佳的停留时间分布和最适合的受力状态，停留时间分布特性是影响产品最终品质的一个重要因素，这样使得最终产品的品质为最优化。

本发明提供用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机系列能够高效率的完成各种中、高粘度物流体系如树脂、弹性体、粘合剂、涂料等的化学反应、掺混均化、脱挥、洗涤和凝聚等过程，并使完成了脱挥发过程的聚合物熔体能够迅速排出机体，避免长时间在机筒内停留而影响产品的质量。由于啮合和非啮合两种螺纹元件的优化组合，整套系统生产成本低，生产流程短、能集多种功能于一体、生产效率高、产生三废少，产品质量好，并易于实现连续化和大型化生产。

本发明提供的一种用于以中、高粘度为特征的体系的化学反应和脱除残余低分子物的双螺杆挤机出设备，主要适用于塑料、橡胶、涂料和粘合剂工业中高分子材料的反应、混炼、洗涤和脱挥过程。尤其适用于本体、溶液和乳液聚合而成的多相体系的反应、混合、洗涤、凝聚和脱挥。

附图说明

图1：用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机结构示意简图

1驱动电机、2联轴器、3齿轮箱、4加料系统、5输送混合系统、6脱挥排气系统、7挤出切粒系统、8螺杆、9啮合型螺纹元件、10非啮合型螺纹元件、11机筒、12芯轴

图2：螺杆元件的串列示意图，13连接螺纹

图3：非啮合型螺纹元件与啮合型螺纹元件排列结构示意图

图4：啮合型螺纹元件、非啮合型螺纹元件及啮合型螺纹元件排列结构示意图

图5：啮合型螺纹元件、非啮合型螺纹元件及啮合型螺纹元件排列结构应用于洗涤工艺原理示意图，

具体实施方式

本发明用下列具体实施方案结合附图来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于具体实施方案。

本发明提供的用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机包括驱动电机1，联轴器2，齿轮箱3，加料系统4，输送混合系统5，脱挥排气系统6和挤出切粒系统7，所述输送混合系统5主要由筒体11、螺杆芯轴12、螺纹元件9、10、螺杆温控系统(未示出)组成。电机1通过联轴器2将动力传送到齿轮箱3，齿轮箱3将动力分配给两根输出轴，输出轴连接到输送混合系统5，输出轴带动螺杆芯轴以同向或异向旋转。本实施方案使用了螺杆直径为80mm的异向旋转双螺杆挤出机。螺杆有效长径比为60，机筒分10段控温，螺杆中心距为80mm，螺纹啮合深度为9mm，螺距为80mm，螺杆头数1～2，设置加料口2个，脱挥排气口3个，机筒中啮合型螺纹元件与非啮合型螺纹元件之比为2∶3，如图3。操作开始先接通电源，设置各区段温度，升温，待筒体温度达到设定温度时，启动电机，在适当的温度和压力条件下将50％的改性聚苯乙烯乙苯溶液按一定速度加入主加料口中，在前6段筒体内排列非啮合型螺纹元件，在第5段筒体设置第一排气口进行预脱挥，可脱除50％～60％的挥发份，在第6段筒体设置第二加料口，加入助脱挥剂，在第7至第10段筒体内排列啮合型螺纹元件，在第7段筒体设置第二排气口，脱除40％～30％的挥发份，脱除了大量挥发份的产品利用啮合型螺纹元件加快挤出输送速度，并在第9段筒体的第三排气口完成最后少量挥发份的脱除，达到要求的产品从出料口至挤出造粒系统7，完成整个加工过程，成品挥发份含量可达0.03％。

Claims (7)

1.一种用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机，包括驱动电机(1)，联轴器(2)，齿轮箱(3)，主辅料加料系统(4)，输送混合系统(5)，排气系统(6)，挤出切粒系统(7)，机筒(11)，其特征在于置于机筒内的两根螺杆上以任何排列组合方式同时串列有啮合型螺纹元件(9)和非啮合型螺纹元件(10)。

2.根据权利要求1所述的用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机，其特征在于所述两根螺杆呈平行异向旋转或平行同向旋转。

3.根据权利要求1所述的用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机，其特征在于所述啮合型螺纹元件和非啮合型螺纹元件的排列组合形式为：一个或一组啮合型螺纹元件—一个或一组非啮合型螺纹元件、一个或一组非啮合型螺纹元件—一个或一组啮合型螺纹元件、啮合型螺纹元件—非啮合型螺纹元件—啮合型螺纹元件、非啮合型螺纹元件—啮合型螺纹元件—非啮合型螺纹元件，及多重组合排列。

4.根据权利要求1～3任一权利要求所述的用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机，其特征在于所述螺杆直径为15～400mm，螺杆有效长径比为8～100，螺杆中心距为15～400mm，螺纹啮合深度3～70mm，螺距8～550mm，螺杆头数1～6，机筒中啮合型螺纹元件与非啮合型螺纹元件的总长度比0.2～100，加料口1～6个，脱挥排气口1～5个。

5.根据权利要求4所述的用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机，其特征在于所述螺杆直径为15-300mm。

6.根据权利要求4所述的用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机，其特征在于所述螺杆有效长径比为12～60。

7.权利要求1所述的用于中、高粘度体系的双螺杆挤出机用于各种中、高粘度体系的化学反应、掺混均化、洗涤、脱挥和凝聚过程的用途。