CN1669776A - 高分子材料振动塑化挤出过程全程可视化实验设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高分子材料振动塑化挤出过程全程可视化实验设备的料筒，由耐温耐压透明玻璃制成，透明料筒与机头、料斗座联接处采用柔性耐压增强垫片结合迷宫式密封结构，并用拉杆固定，螺杆与特殊的旋转及轴向振动驱动装置柔性联接，通过铰接式远红外加热器加热玻璃料筒。本发明既可用于高分子材料振动塑化挤出过程的可视化实验及生产，也可用于传统形式挤出机的实验与生产。

Description

高分子材料振动塑化挤出过程全程可视化实验设备

技术领域

本发明涉及高分子材料成型加工领域中的一种具有全程筒型透明料筒的高分子材料振动塑化挤出过程全程可视化实验设备。

背景技术

高分子材料振动塑化挤出技术是一种新型节能的高分子材料加工成型方法，具有广阔的市场前景。高分子材料振动塑化挤出机中振动力场被引入到挤出全过程，聚合物的输送行为表现出特殊复杂的非线性粘弹性，物料流变行为的变化降低了挤出设备的能耗，改善了制品性能。

由于高分子材料在挤出过程中处于高压中温状态，长期以来，物料的挤出输送过程都是在金属料筒中进行的。为了深入了解挤出过程的机理，改进挤出设备，人们开始了挤出过程的可视化研究。可视化实验手段可以分为静态可视化和动态可视化两个分支。其中静态可视化技术的主要设备方法有骤冷顶出螺杆法和剖分料筒法。采用静态可视化技术有几个明显的缺点：一是取样时必须停机，无论是顶出螺杆或拆去上半个料筒，都难免引起标本的局部畸变，甚至破坏。二是，骤冷和取出螺杆总是需要一定的时间(10～20min)，此时看到的物态和停机时的物态会有一定的差别；三是，这种方法只能观察重新凝固后的物态，无法看到动态的、连续的、尤其是无法看到那些精细的物理过程。而高分子材料振动塑化挤出过程是随时间变化的动态过程，静态可视化手段只能保留停机瞬间物态变化情况，无法观察到振动力场对挤出过程动态连续的作用情形。而动态可视化装置则采用局部或全程透明材质的料筒，能够连续、实时、在线地观察挤出过程的有关装置。目前，根据透明料筒的结构形式，动态可视化挤出装置可分为两种，一种是视窗型，一种是筒型。CN2162346Y公开的视窗型挤出设备可以用于生产，但是局部视窗型料筒结构复杂、玻璃部分没有加热，造成整个料筒加热难以均匀，而且难以在线、实时观察塑化挤出的全过程。CN1217251A公开了一种带有透明螺筒的螺杆挤出机，该专利并未提出透明螺筒的加热方法，因此在指导高分子材料挤出成型过程可视化实验设备的实施方面还存在欠缺。目前，采用筒式可视化挤出装置挤出的流体多为低粘度流体，如表面活性剂羧甲基纤维素钠(CMC)，相对分子质量为108.13，粘度为0.8～1.2Pa·s，在室温下对挤出过程进行模拟，模拟过程压力也较低，不能用于观察挤出过程中聚合物的固体输送、熔融、均化的全过程。最近有人采用丙烯酸树脂做料筒，研制成功全透明的同向双螺杆挤出机，采用的硅油粘度达到1000Pa·s，但模拟温度仍为室温。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于动态全程观察，并能用于真实的高分子材料固体输送、熔融、均化挤出的高分子材料振动塑化挤出过程全程可视化实验设备。

本发明的高分子材料振动塑化挤出过程全程可视化实验设备，主要包括：

可作轴向大振幅振动的螺杆，和

三段耐高压高温的透明玻璃筒组成的全程可视化料筒，用于完成物料的固体输送、熔融塑化、熔体挤出全过程，实现实时、在线观察、测量振动对物料塑化挤出过程的影响。

料筒分为不同长度的几个区段，透明玻璃筒之间用金属联接段连接，在金属联接段上设置测温及测压传感器插孔，用于测得不同位置的温度、压力，并可根据需要进行组合，适应不同观察要求。

透明玻璃筒与金属联接段的连接采用柔性耐压增强垫片结合迷宫式密封方式，并通过拉杆固定透明料筒与机头、料斗座，保证满足正常挤出生产工作压力下(15MPa)不泄漏。

料筒外部安装远红外加热器实现透明料筒全程均匀加热，同时加热器采用铰接方式，可按需要打开，便于从多方位进行观察；

螺杆与旋转及轴向振动驱动装置连接，实现螺杆的旋转与轴向可控振动的复合运动。特别地，当螺杆轴向振动振幅为零时，螺杆恒速旋转，即为传统的传动方式。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、由于透明料筒由耐温耐压透明玻璃制成，在玻璃料筒与金属零件接触部位，采用柔性耐压垫片并结合金属件接触表面迷宫式密封方式，再用拉杆固定料斗座、透明料筒和机头，保证了透明料筒受力均匀，设备耐压性能好，能够承受15MPa的工作压力。

2、由于透明料筒材质的导热系数较小，如采用传统的接触式传导加热则加热效率很低，因此在料筒外设置非接触式远红外加热器，远红外加热器发射出的远红外线，直接辐射到透明料筒上，并透过一定深度后被吸收，转变成热能，从内部加热料筒及物料，因此能够对玻璃料筒进行均匀快速的加热。

3、远红外加热器采用铰接结构，当挤出稳定后可将加热器打开，全方位地对料筒内部物料的加工形态变化进行连续动态的观察。

4、本发明的螺杆与特殊旋转及轴向振动驱动装置柔性联接，使螺杆除了做周向的旋转外还可以做轴向的振动，从而将振动力场引入到挤出的全过程。

5、由于所采用的料筒材料可耐高温、高压，远红外加热器可对料筒进行快速均匀的加热，这样不仅克服了视窗型透明料筒结构复杂、加热冷却均匀性差的缺点，而且所观察的结果能够反映振动力场作用下聚合物加工过程的真实情况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是本发明高分子材料振动塑化挤出过程全程可视化实验设备的结构示意图。

图2是组合式筒型透明料筒布置示意图

图3是筒型透明料筒的形状示意图。

图4是筒型透明料筒的密封形式示意图。

图5是本发明高分子材料振动塑化挤出过程全程可视化实验设备的远红外加热器与筒型透明料筒的布置示意图。

图中1为料斗座，2为远红外加热器，3为金属联接筒，4为透明料筒，5为螺杆，6为端面耐温耐压柔性垫片，7为圆周方向耐温耐压柔性垫片，8为拉杆，9为机头部件，10为螺杆旋转及轴向振动的驱动装置，11为铰链，12、14为上部加热器，13为下部加热器，15为测温孔，16为测压孔。

具体实施方式

在图1中螺杆旋转及轴向振动的驱动装置10通过柔性联接与螺杆5联接，使螺杆5在作旋转运动的同时还可以作轴向脉动。螺杆5套在由料斗座1、透明料筒4及金属联接筒3组合而成的料筒中，并通过拉杆8将料斗座1、透明料筒4及金属联接筒3组合而成的料筒、机头部件9固定。透明料筒4与金属零件的联接处(如与金属联接筒3、料斗座1以及机头部件9的联接处)均放置了端面耐温耐压柔性垫片6和圆周方向耐温耐压柔性垫片7。在透明料筒外放置远红外加热器2。

图2所示实施例中，采用了料筒分段组合的形式，这是为了满足实验数据采集的需要。例如在沿挤出方向上需设置两个测温、测压点，则整个料筒可由三段透明料筒4、两段金属联接筒3串联而成，在透明料筒4之间设置的金属联接筒3上布置测温孔15及测压孔16。当需要测量挤出过程中不同位置的压力和温度值时，或螺杆各功能段长度参数改变或螺杆长度改变时，采用图1、2中所示的组合形式的筒型透明料筒，则可根据需要改变组合料筒的长度、位置和数目，从而适应不同实验条件要求。图1中的远红外加热器2也根据组合料筒的分段情况相应布置，实现对整个挤出过程的分段温度控制。

图3中透明料筒4两端外径稍小于料筒中部的外径，作为定位凸台。由于透明料筒4属于脆性材料，如与金属零件直接接触时，易由于受力不均，致使透明料筒破裂，因此在安装时，需在定位凸台上套上圆周方向耐温耐压柔性垫片7，再放入金属零件的定位孔中，保证透明料筒4内壁与螺杆5之间的均匀间隙。透明料筒4与金属联接筒3、料斗座1、机头部件9等金属零件联接时，在透明料筒4与金属零件之间要放置端面耐温耐压柔性垫片6，端面耐温耐压柔性垫片6可以减少安装时由于拉杆施力不均产生的应力不平衡状况，保证透明料筒安装时的强度，如图4所示。玻璃料筒4在拉杆8的作用下被压紧固定在两个金属联接件3之间，在压紧力的作用下，柔性垫片6压缩变形，起到密封的作用，与此同时玻璃料筒端面与金属联接件表面形成的节流间隙变窄，熔体经过节流间隙与膨胀空腔组成的通道，产生很大的能量损耗，流体压头大为下降，使流体难于进一步渗漏，达到进一步密封的目的。

在图5中，远红外加热器由三部分组成(12、13、14)，其中上部两块加热器12、14与下部加热器13由铰链11联接，当挤出机稳定挤出后，可打开上部两块加热器，上部两块加热器利用铰链定位支撑，必要时还可将整个加热器沿垂直方向下沉，实现全方位的观察。远红外加热器(12、13、14)与玻璃料筒4不接触，且存在最佳的安装距离。

本发明的螺杆与特殊旋转及轴向振动驱动装置柔性联接，用以激发螺杆轴向振动，通过改变激振装置产生的激振力的频率和振幅以适应不同物料、不同加工条件的要求。本发明的螺杆还可以与传统的传动装置联接。因此，本发明既可用于高分子材料振动强化的动态成型过程的可视化实验及生产，也可用于传统形式挤出机的实验与生产。

Claims (5)

1、一种高分子材料振动塑化挤出过程全程可视化实验设备，其特征在于包括：

可作轴向大振幅振动的螺杆，和

三段耐高压高温的透明玻璃筒组成的全程可视化料筒，用于完成物料的固体输送、熔融塑化、熔体挤出全过程，实现实时、在线观察、测量振动对物料塑化挤出过程的影响。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于料筒分为不同长度的几个区段，透明玻璃筒之间用金属联接段连接，在金属联接段上设置测温及测压传感器插孔，用于测得不同位置的温度、压力。

3、根据权利要求1所述的设备，其特征在于透明玻璃筒与金属联接段的连接采用柔性耐压增强垫片结合迷宫式密封方式，并通过拉杆固定透明料筒与机头、料斗座。

4、根据权利要求1所述的设备，其特征在于料筒外部安装远红外加热器实现透明料筒全程均匀加热，同时加热器采用铰接方式安装。

5、根据权利要求1所述的设备，其特征在于螺杆与旋转及轴向振动驱动装置连接。

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