CN1798643A - 用于挤出粘弹性材料的喷嘴(入口扩展部) - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于挤出粘弹性材料特别是聚合物、糊状物等的喷嘴装置(1)，其具有多个相互平行设置的相同形式的喷嘴通道(2)，所述通道沿着材料的轴向输送方向(F)延伸通过喷嘴装置(1)。根据本发明，入口区域从内部区域朝着入口方向相反于轴向的输送方向(F)沿着长度LE扩展，其中，入口扩展部在轴向的输送方向和通道－入口区域的内壁之间测得的扩展角度至少在轴向分区内处在5°至45°特别是在8°至25°的范围内。

Description

用于挤出粘弹性材料的喷嘴(入口扩展部)
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分和权利要求17前序部分所述的用于挤出粘弹性材料的喷嘴装置以及方法。
背景技术
用于挤出粘弹性材料特别是聚合物、糊状物等的喷嘴装置本身是已知的。通常，其配置有多个相互平行排列的相同形式的喷嘴通道，这些通道穿过喷嘴分别从入口延伸到出口，并且各个喷嘴通道沿着材料的轴向输送方向分别在喷嘴通道上游侧的端部具有一个入口区域，并且在喷嘴通道的下游侧的端部具有一个出口区域。入口可设置为相互相邻。
在用于挤出粘弹性材料例如糊状物、聚合物时使这些材料发生成形。但是该成形要求材料的流动。在某些位置上所述材料也会发生撕裂。由于粘弹性材料的弹性性质，在成形时和在这种粘弹性材料中形成裂缝时也产生机械的材料应力，这种应力传入到已成形的材料中。接着，这能在成形之后在已成形的材料中造成进一步的、可视的自发变形。相关地，人们通常称之为“形状记忆”，因为从成形装置中出来的具有其机械材料应力的材料唤起“记忆”先前形状并且要回复到该先前的形状的印象。在利用喷嘴装置挤出(Strangbildung：形成条状物)糊状物或聚合物的过程中，这会造成从各个喷嘴通道出来的条状物起皱。在将材料分配和分开到不同的喷嘴通道上并且另一方面在材料在喷嘴通道内伸长时，所述应力被导入到材料中。这种由于分配和分开材料而在材料中产生的应力由于其关于所形成条状物的不对称性可能产生最不利的影响。由于材料应力和由此存在的条状物在喷嘴通道内方向变化的趋势，也会出现一种非对称的壁摩擦，该摩擦还有可能会增强该材料应力。无论如何，这种由粘弹性材料形成的条状物在其以喷嘴装置排出时容易形成上述的起皱。
此外，在由粘弹性材料成条的过程中必须耗费相对多的能量或在喷嘴装置上高的压差，以便分开材料，将材料分配到成形的喷嘴通道上并最后通过成形的喷嘴通道挤压材料，其中材料被拉伸。换句话说，常规的用于使粘弹性材料成形的喷嘴装置对于这种材料具有相对较高的喷嘴阻力。这对糊状材料特别成问题，因为不同于传统的聚合物如聚酯或橡胶，在这里只存在有限的可能性，通过在喷嘴装置内一个至少局部的、即使主要只限于在材料表面的温度升高使其喷嘴阻力和导入到材料中的应力减小。
发明内容
本发明的目的在于，在粘弹性材料成形为材料条状物时使粘弹性材料中的这种材料应力最小化，以及使用于挤出所需的能量消耗或为此所需的压差即喷嘴阻力降低。
根据本发明，该目的在开头所述的喷嘴装置中通过以下措施达到，即喷嘴通道的入口区域从内部区域向着入口逆着轴向的输送方向沿着长度LE扩展，其中入口扩展部的在轴向的输送方向和通道-入口区域的内壁之间测得的扩展角度至少在5°至45°的范围内，但优选在8°至25°的范围内。
由此即使在材料通过喷嘴装置相对高的输送速度时，可以实现一种“平缓的”、即对于粘弹性材料足够缓慢的伸长，从而使得粘弹性材料的松弛时间小于材料在入口扩展部内伸长的持续时间。
在此，在制造技术上特别简单的是，从内部区域到入口的扩展角度保持恒定，即存在锥形的入口扩展部。
合乎目的地，这样地设计喷嘴装置，使得喷嘴通道沿着其整个长度具有圆形的横截面。因此在壁上到处都具有相同的边界条件，这导致均匀的且尽可能对称的伸长。
喷嘴装置一种紧凑的结构方式的特征在于，通道-入口区域的轴向长度在喷嘴通道总长度的50％至80％之间。
喷嘴通道的内壁至少在部分区域内由特氟隆或类似材料组成，以便减小粘弹性材料在内壁上的附着和减小其上的滑动摩擦。
在一特别优选的实施方式中，在喷嘴体的上游侧端部在两个相邻的入口之间分别设置一个平行于轴向输送方向F延伸的分隔壁，该分隔壁在其上游侧端部具有切割边。当粘弹性材料例如聚合物材料或糊状材料冲到本发明的喷嘴装置上时，因此在壳体内沿着输送方向F流过的产品流被分成多股分流，其中每股分流分别流经多个喷嘴通道中的一个。通过锋利的切割边，流到喷嘴装置上的产品流在其进入多个喷嘴通道内时已经被切割成多股分流。由于对于产品每个切割边只是一个很小的作用面，在切割边上一个很大的力局部地作用到冲出的粘弹性产品上。由此，沿着切割边产生一个局部集中的、使产品分开的剪切力。但是在流过切割边的粘弹性产品在切割边上被撕断之前，其发生变形直至达到断裂应力和断裂伸长，同时在粘弹性材料中存储势能，该势能继续传递到多股分流上。但总体上，在借助切割边将粘弹性材料分开和分配到多个喷嘴通道上时导入材料中的应力明显小于在没有锋利切割边的传统喷嘴装置中产生的应力，从而在将流过本发明的喷嘴装置的粘弹性材料分成多股分条状物时，少得多的内容物已经达到粘弹性材料的形变记忆中，由此大大减少产品条状物在从喷嘴通道流出时的变形倾向(起皱等)以及大大减少喷嘴阻力。这种有益作用在糊状物-喷嘴装置的情况下特别明显。
优选地在每个相邻入口的入口区域上游侧设置的区域完全被平行于轴向的输送方向延伸的分隔壁包围，该分隔壁的上游侧端部分别设计成切割边。进入各个喷嘴通道中的材料实际上在任何必须分开的地方被切割，使得非常少的应力导入到材料中。
切割边相对于轴向的材料输送方向可以构成一个不同于90°的角度。例如切割边可以相对于材料输送方向倾斜一个约30至60°的角度地延伸。但优选是锐角。即相对于输送方向的角度越锐利，区域沿输送方向测得的长度LS也就越大，在该区域中材料的切割过程可在垂直于输送方向的径向上例如从径向外部朝着径向内部进行。然后材料的在径向内部流动的区域例如首先切割，而材料的在径向内部流动的区域以后切割。但是，接着在径向外部的区域已经有时间来消除其在剪切过程中导入材料中的应力。因此，通过该切割过程，导入到分配到喷嘴通道的材料中的应力比其在垂直于流动方向延伸的切割边的情况下总体上小得多(简单的“冲模”-原理)。
优选出口区域从喷嘴通道-内部区域朝出口方向在长度LA上沿轴向输送方向F钟形地扩展，其中优选出口扩展部的在轴向的输送方向和通道-出口区域的内壁之间测得的扩展角沿轴向的输送方向持续增大。特别地，扩展角度的增加可以沿着轴向的输送方向持续增大，其中，例如扩展角可以从喷嘴内部的0°增大到喷嘴体下游侧端部处的90°。在此，扩展部在纵剖图上可以是例如一圆弧，其曲率半径RA大于喷嘴通道-内部区域的半径RK。弯曲扩展的出口区域通过从在喷嘴通道内部区域中的垂直切线向着倾斜于垂线延伸的、在极端情况下是水平的切线的一弯曲的连续的过渡而在出口区域下游侧端部代替传统的出口的棱边。
当粘弹性材料例如聚合物材料或糊状物等碰到本发明喷嘴装置的喷嘴通道上时，被分成多股分流的产品流被挤压通过多个喷嘴通道。当进入喷嘴通道中和在入口区域内成形时，在材料中出现应力。接着，在切割边上切割的过程中和/或在喷嘴通道内伸长的过程中，在材料中产生的且还未松弛的应力在扩展的出口区内实际上完全地放松。由此，在这种喷嘴几何构造下，多股小的产品条状物实际上无应力地离开各个喷嘴通道。扩展的出口区域能够在轴向和在径向上实现产品的松弛(Rexalation)。由此避免从喷嘴通道流出的粘弹性产品条状物的表面的皱纹(“鲨鱼皮”)。
在一特别的实施方式中，喷嘴通道内壁在出口区域内在长度LR上沿轴向的输送方向具有比喷嘴通道内壁其余部分都更高的表面粗糙度。由此，通过选择粗糙度和/或粗糙区的材料就能有针对性地影响产品的表面。
在使用上述的喷嘴装置的情况下，在用于挤出所述粘弹性材料特别是聚合物、糊状物等的方法中，借助于喷嘴装置的上游侧端部和下游侧端部之间的压差Δp将粘弹性材料挤压通过喷嘴装置。在此根据本发明这样地选择压差Δp，使得在喷嘴装置的相应的轴向分区内粘弹性材料沿着输送方向F的流速vF满足vF＜L/TRELAx的条件，在所述分区内发生用于成形条状物所需的材料变形的至少一部分，其中TRELAX为粘弹性材料的松弛时间，而L(＝LS、LE、LA)为喷嘴装置的各个轴向分区的轴向长度。
由此保证，在用于形成条状物所需的各个成形步骤中，例如在沿长度LS在切割边上进行的切割、沿入口扩展部的长度LE的伸长和沿出口扩展部的长度LA的最终松弛中，总是给材料留有足够的用于松弛的时间，使得材料在其在本发明的喷嘴装置末端流出时实际上不再具有应力。
为了最佳地利用如上所述的粗糙化的轴向分区，在本发明方法中使粘弹性材料沿输送方向F的流速vF与喷嘴装置的粗糙化轴向分区的长度LR这样地相匹配，使得满足条件vF＞LR/TREKAX，其中TRELAX为粘弹性材料的松弛时间而LR为粗糙化的分区的轴向长度。由此，如上所述的，通过选择粗糙度和/或粗糙化区域的材料可有针对地影响产品表面。
粗糙区域的轴向长度LR因此优选小于出口扩展部的轴向长度LA，小于入口扩展部的轴向长度LE并且小于切割边的轴向长度LS。
但有利的是，在喷嘴通道的大的轴向分区域上设有多个相继的粗糙区域，这些区域满足vF＞LR/TRELAX的条件。以这种方式能影响壁附着和壁滑动的交替间隙(Wechselspiel)(附着/滑动效应)。因此，通过周期性或通过长度LR的粗糙的轴向壁段的空间频率以及通过流速有针对性更多地引起(ausloesen)每个时间单位内的壁撕断，即通过交替的相对粗糙和相对光滑的壁段“人工地”强制一个较高频率的附着/滑动效应。此优点在于，不会产生高的材料应力并因此在产品上出现很少的撕裂或者甚至不会出现撕裂。
附图说明
本发明的其他优点、特征和应用可能性借助附图从以下不理解为限制性的优选实施例的说明得出，其中：
图1为沿着轴向的产品输送方向F的本发明喷嘴装置的剖视图；
图2为沿着产品输送方向F的图1的本发明喷嘴装置的俯视图；
图3为沿着轴向的产品输送方向F的本发明的喷嘴通道的剖视图；
图4为沿着轴向的产品输送方向F的本发明另一喷嘴通道的剖视图；
图5为沿着轴向的产品输送方向F的现有技术的喷嘴通道的剖视图；
图6为沿着轴向的产品输送方向F的现有技术的另一喷嘴通道的剖视图。
具体实施方式
图1是沿着轴向的产品输送方向F的一个特别为生产面条的糊状物设计的本发明喷嘴装置1的剖视图。具有总共四个喷嘴通道2的喷嘴装置1(参见图2)安置在圆柱形的壳体7内。入口3位于每个喷嘴通道2的上游侧端部，并且出口4位于每个喷嘴通道2的下游侧端部。每个喷嘴通道2的邻接入口3的入口区域2a锥形地扩展，而出口区域2c设计成圆柱形的。扩展角度α(参见图3)为约10-20°。在喷嘴装置1的上游侧端部有四个分隔壁5(参见图2)，这些壁平行于轴向的输送方向F延伸并将各入口3上游的区域划分成四个分别位于入口3上游的分区。分隔壁5的相反于轴向输送方向F指向的棱边分别被设计成倾斜延伸的切割边5a，该切割边从壳体7的内壁出发既径向地向内延伸也沿着输送方向F延伸。
图2是沿着产品输送方向F(参见图1)的图1的本发明喷嘴装置的俯视图。可以看出具有其分别锥形扩展的入口区域2a的四个喷嘴通道2以及从圆柱形壳体7径向向内延伸的分隔壁5，该分隔壁将喷嘴装置1上方的区域分成四个分区。这四个锋利的切割边5a倾斜地相反于输送方向F延伸。
如图1中用流动型线(Stroemungsprofile)V(r)示意示出的那样，现在一种粘弹性材料例如聚合物材料或糊状物等流到本发明的喷嘴装置1上时，在壳体7内沿着输送方向F流过的产品流被分为四股分流，其中一条分别流过四个喷嘴通道2之一。流过喷嘴装置1的产品流在进入到四条喷嘴通道2中之前就已经被锋利的切割边切成四股分流。因为每条切割边5a相反于输送方向F对产品只是很小的作用面，所以在切割边5a上，一个非常大的力局部地作用到流到切割边5a上的粘弹性产品上。沿着切割边5a产生一局部集中的分割产品的剪切力。但在流到切割边5a上的粘弹性产品在切割边上被撕断之前，它发生变形直至达到其断裂应力，同时将势能储存在粘弹性材料中，并且当该材料进入到各个喷嘴通道2中时，在所述粘弹性材料在四股产品分流中发生成形或变形之前，所述势能继续传递到四股分流上并在这四股分流中导致部分的松弛。在这里，当流入到喷嘴通道2中时和在各个入口区域2a中变形的过程时也在材料中出现应力。但是这些应力小于切割边5a上的应力并且不导致产品撕断。
与传统的不带切割边和不带具有本发明约10-20°扩展角的锥形扩展部的喷嘴装置不同，按本发明分隔壁5的切割边5a和喷嘴通道2的入口区域2a的设计使在经过本发明喷嘴装置1输送的且在其中成形的材料中产生的应力大小以及喷嘴装置1的流动阻力减小。
在本发明的喷嘴装置1中，由一个大的产品条条到四个小的产品条条的与产生材料应力有关的变形主要分两步进行。在第一步中，大的产品条条在切割边5a上被切成四个小的分条。在第二步中，四个分条接着在锥形的入口区域2a中被伸长。在第一步(切割边5a上的切割)之后立即且还在第二步(在入口区域2a内的伸长)之前，在材料在分隔壁5上沿着滑动时，在材料进行至少部分的松弛(应力消除，势能减少)。然后，当产品在锥形入口区域2a内伸长时同样会产生材料应力，接着在邻接的圆柱形出口区域2c内再进行至少部分的松弛。由此，分成四股小的产品条的粘弹性材料实际上就能无应力地离开喷嘴通道2的出口4，从而四股流出的产品条上也没有发生显著的变形(例如起皱)。因为由于切割边，在小得多的产品-剪力作用下已经出现产品的撕断，本发明喷嘴装置1的流动阻力也明显降低。
因此，本发明的喷嘴装置1能够实现具有相对于传统喷嘴装置更小的压差的操作，即在产品中沿着喷嘴装置1的方向具有更小的压降，并且在流出的产品分条上实际上完全“消除”形状记忆。
图3是沿轴向的产品输送方向F的一个同样特别为用于生产面条的糊状物设计的本发明喷嘴通道2的剖视图。该喷嘴通道2可作为用于图1中所示喷嘴通道2的替换。代替图1所示的喷嘴通道2的圆柱形出口区域2c，这里在入口区域2a的下游侧首先连接一个相对较短的圆柱形内区域2b，然后再连接一个钟形扩展的出口区域2c。该出口区域2c通过从喷嘴通道2的内部区域2b内的一垂直切线到出口区域2c下游侧端部的一水平切线的弯曲连续的过渡区取代出口4的棱边(参见图1)。出口扩展部的曲率半径RA朝着出口4连续地减小，亦即存在一个具有朝着出口4逐步减小的曲率的钟形扩展部。
如图1中所述，现在当一种粘弹性材料例如聚合物材料或糊状物等流到本发明喷嘴装置1的喷嘴通道2上时，分成四股分流的产品流被挤压通过四个喷嘴通道2(参见图1和2)。如图1中，在这里当进入到喷嘴通道2中时和在入口区域2a中变形时，材料中也产生应力。在第一步(在切割边5a上的切割)和/或第二步(在入口区域2a中的伸长)中在材料内产生的且未松弛的应力，在这里在该扩展的出口区域2c内实际上也完全地松弛。因此即使在这种喷嘴几何结构下，四个小的产品条实际上无应力地离开喷嘴通道2。但扩展的出口区域2c的一个特别优点是，其能够实现产品在轴向和径向上的松弛。由此能避免从喷嘴通道2流出的粘弹性产品条表面起波纹(“鲨鱼皮/Haifischhaut”)，如这些波纹在尖锐棱边的出口4的情况下在圆柱形的出口区域2c上(参见图1)实际上一直出现。
图1和图3中所示的松弛区域的轴向长度，该轴向长度基本上由切割边5a的轴向长度Ls以及由出口区域2c的轴向长度LA构成，并且粘弹性材料沿着产品输送方向F的最大流速VF优选这样地与产品材料的松弛时间TRELAX相匹配，使得材料在流过各个松弛区域时具有足够的时间，以便消除先前在其中所产生的应力，即VF×TRELAX＜LS或VF×TRELAX＜LA。
如果在配有切割边5a的喷嘴装置1内使用图3的带有锥形入口区域2a和钟形出口区域2c的喷嘴通道2，这能够不仅实现沿喷嘴装置1在产品中一个更小的压降和在产品的流出的分条中实际上完全“消除”体积形状记忆，而且还实现“消除”这些产品条上的表面形状记忆。
喷嘴通道的钟形出口区域2c的另一优点在于，其能够实现从位于喷嘴通道2内部的具有抛物线速度曲线的流体平缓过渡到位于喷嘴通道2之外的具有恒定速度曲线的“流体”，即运动的条。因此能预防从喷嘴通道2流出的各条的表面上形成裂纹。
图4为沿轴向的产品输送方向F的另一同样专门为生产面条的糊状物设计的本发明另一喷嘴通道2的剖视图。喷嘴通道2邻接入口3的入口区域2a钟形地扩展，而出口区域2c则被设计成圆柱形的。入口-扩展部的曲率半径RE在入口3处是最小的，并且沿喷嘴通道2随着进入深度的增加而逐渐增大，以便相切地过渡为圆柱形的出口区域2c。
类似于钟形的出口区域，钟形扩展的入口区域2a也有助于产品受保护的处理。通过使产品在钟形扩展的入口区域2a内受保护地加速，避免大多数造成在产品中产生裂纹的速度的突然变化，从而在这里也实现从在喷嘴通道2上游侧的具有恒定速度曲线的流体平缓过渡到在喷嘴通道2内部的具有抛物线速度曲线的流体。
图5是沿轴向的产品输送方向F的现有技术的喷嘴通道2的剖视图。喷嘴通道从其入口3至其出口4设计为具有恒定半径RK的圆柱体。
图6是沿轴向的产品输送方向F的现有技术的另一喷嘴通道2的剖视图。入口区域2a具有相对于本发明大得多的扩展角度α并且也具有与本发明相比明显更短的长度LE。
附图标记清单
1    喷嘴装置
2    喷嘴通道
2a   喷嘴通道的入口区域
2b   喷嘴通道的内部区域
2c   喷嘴通道的出口区域
3    喷嘴通道的入口
4    喷嘴通道的出口
5    分隔壁
5a   切割边
7    壳体
F    输送方向
LS   切割边的轴向长度
LE   入口扩展部的轴向长度
LA   出口扩展部的轴向长度
RK   喷嘴通道横截面的曲率半径
RE   入口扩展部的曲率半径
RA   出口扩展的曲率半径
VF   粘弹性材料的流速
α   扩展角度

Claims (18)

1.一种用于挤出粘弹性材料特别是聚合物、糊状物等的喷嘴装置，其包括至少一个穿过喷嘴从一入口延伸到一出口的喷嘴通道，该喷嘴通道沿材料的轴向输送方向穿过喷嘴在喷嘴通道上游侧端部具有一个入口区域、在喷嘴内部具有一个内部区域而且在喷嘴通道的下游侧端部具有一个出口区域，其特征在于，入口区域从内部区域朝着入口相反于轴向输送方向(F)沿一长度LE扩展，其中入口扩展部的在轴向输送方向和通道-入口区域的内壁之间测得的扩展角度至少在轴向各分区中处在5°至45°特别是8°至25°的范围内。
2.如权利要求1所述的喷嘴装置，其特征在于，从内部区域至入口的扩展角度是恒定的。
3.如权利要求1或2所述的喷嘴装置，其特征在于，喷嘴通道沿其整个长度具有圆形横截面。
4.如上述权利要求之一所述的喷嘴装置，其特征在于，通道-入口区域的轴向长度在喷嘴通道总长度的50％至80％之间。
5.如上述权利要求之一所述的喷嘴装置，其特征在于，喷嘴通道的内壁至少在各分区中由特氟隆构成。
6.如上述权利要求之一所述的喷嘴装置，其特征在于，该喷嘴装置具有多个相互平行设置的带有相互相邻的入口的相同形式的喷嘴通道，并且在喷嘴体的上游侧端部分别在两个相邻的入口之间设置一个平行于轴向输送方向F延伸的分隔壁，该分隔壁在其上游侧端部具有一切割边。
7.如权利要求6所述的喷嘴装置，其特征在于，在每个所述相邻入口的入口区域上游侧设置的区域完全被平行于轴向输送方向延伸的分隔壁包围，其上游侧端部分别设计成一切割边。
8.如权利要求6或7所述的喷嘴装置，其特征在于，切割边相对于轴向输送方向F构成一个不同于90°的角度。
9.如上述权利要求之一所述的喷嘴装置，其特征在于，出口区域从喷嘴通道-内部区域朝出口在一长度LA上沿轴向输送方向F特别是钟形地扩展。
10.如权利要求9所述的喷嘴装置，其特征在于，出口扩展部的在轴向输送方向和通道-出口区域的内壁之间测得的扩展角度沿轴向输送方向持续增大。
11.如权利要求9或10所述的喷嘴装置，其特征在于，扩展角度的增加沿着轴向的输送方向持续增加。
12.如权利要求11所述的喷嘴装置，其特征在于，扩展角度从喷嘴内部中的0°增加到喷嘴体下游侧端部处的90°。
13.如权利要求12所述的喷嘴装置，其特征在于，扩展部在纵剖面上为一圆弧。
14.如权利要求13所述的喷嘴装置，其特征在于，扩展部的圆弧的曲率半径RA大于喷嘴通道-内部区域的半径RK。
15.如上述权利要求之一所述的喷嘴装置，其特征在于，在出口区域内的喷嘴通道-内壁在一长度LR上沿轴向输送方向具有比喷嘴通道-内壁其余部分更高的表面粗糙度。
16.如权利要求15所述的喷嘴装置，其特征在于，粗糙区的轴向长度LR小于出口的轴向长度LA并小于入口的轴向长度LE。
17.一种用于在使用如权利要求1至16之一所述的喷嘴装置的情况下挤出粘弹性材料特别是聚合物、糊状物等的方法，其中，借助于在喷嘴装置的上游侧端部和下游侧端部之间的压差Δp将粘弹性材料挤压穿过喷嘴装置，其特征在于，压差Δp这样地选择，使得在一喷嘴通道的内部区域内粘弹性材料沿输送方向F的流速vF满足vF＜LA/TRELAX的条件，其中TRELAX为粘弹性材料的松弛时间而LA为出口扩展部的轴向长度。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在一喷嘴通道的内部区域内粘弹性材料沿着输送方向F的流速vF满足vF＞LR/TRELAX的条件，其中TRELAX为粘弹性材料的松弛时间而LR为粗糙区的轴向长度。
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