RU2118257C1

RU2118257C1 - Extruder for processing thermoplastic materials

Info

Publication number: RU2118257C1
Application number: RU97117284A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Остриков; О.В. Абрамов
Original assignee: Воронежская государственная технологическая академия
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 1998-08-27

Abstract

FIELD: processing thermoplastic materials requiring continuous mixing and homogenizing. SUBSTANCE: extruder has case, hopper, screw, and shaping head with drawing die. Shape and configuration of inner surface of case vary to form six regions arranged in tandem and gradually turning one into other over helical line. Shape of inner surface of case varies in each region depending on its function. In charging region, case has constant inner nominal diameter. In mixing region, inner surface of case has rectangular slot made along helical line, its depth and pitch being constant throughout entire length of region. In compression region, case inner diameter varies and diametric clearance between screw and case reduces from region origin to its end. In homogenizing region, permanent-pitch and permanent-depth slot is made on inner surface of case to form oval helical duct opposing direction of screw thread. In gradual pressure rise region, clearance between outer diameter of screw and inner diameter of case reduces in direction of material flow. In pressure stabilization region, inner surface of nominal-diameter case is provided with slot forming varying-depth conical helical duct. Flow section of helical duct increases in direction of product flow in proportion to pressure rise. EFFECT: improved quality of finished product due to intensification of mixing and homogenizing processes as well as due to presetting rate of pressure rise. 4 dwg

Description

Изобретение относится к переработке термопластичных материалов, требующих непрерывного перемешивания и гомогенизации. The invention relates to the processing of thermoplastic materials requiring continuous mixing and homogenization.

Известна червячная машина (экструдер) для переработки полимерных материалов, содержащая корпус с винтовыми каналами по его внутренней поверхности, выполненными эксцентрично оси червяка, загрузочную воронку, червяк (шнек), профилирующую головку с фильерой (авт. св. СССР N 509446, кл. B 29 C 47/38, 1976). A known worm machine (extruder) for processing polymer materials, comprising a housing with screw channels along its inner surface, made eccentrically to the axis of the worm, a loading funnel, a worm (screw), a profile head with a die (ed. St. USSR N 509446, class B 29 C 47/38, 1976).

Недостатком известной червячной машины является низкое качество переработки материала, обусловленное недостаточной эффективностью процесса перемешивания и гомогенизации. Эксцентричная нарезка корпуса с винтовыми каналами по всей длине представляется нецелесообразной, так как процессы, протекающие внутри корпуса по его длине, различны по характеру и поэтому для каждой зоны червячной машины требуется обоснованный выбор формы исполнения внутренней поверхности цилиндра, обеспечивающий надежное и стабильное протекание процессов в червячной машине. A disadvantage of the known worm machine is the low quality of the processing of the material, due to the insufficient efficiency of the mixing process and homogenization. Eccentric cutting of the housing with screw channels along the entire length seems inappropriate, since the processes that occur inside the housing along its length are different in nature and therefore, for each zone of the worm machine, a reasonable choice of the execution form of the inner surface of the cylinder is required, which ensures reliable and stable flow of processes in the worm the car.

Технической задачей изобретения является улучшение качества готового продукта. An object of the invention is to improve the quality of the finished product.

Поставленная задача достигается тем, что в экструдере согласно изобретению на внутренней поверхности корпуса за счет изменения ее профиля и конфигурации образованы шесть последовательно расположенных зон, плавно переходящих одна в другую по винтовой линии, причем характер изменения формы внутренней поверхности корпуса в каждой зоне зависит от ее функционального назначения. В зоне загрузки внутренняя поверхность корпуса имеет постоянный номинальный диаметр; в зоне смешивания на внутренней поверхности корпуса выполнен по винтовой линии паз прямоугольной формы, глубина и шаг которого постоянны по всей длине зоны; в зоне сжатия внутренняя поверхность корпуса выполнена с изменяющимся диаметром, причем диаметральный зазор между витком шнека и корпусом уменьшается от начала к концу зоны; в зоне гомогенизации на внутренней поверхности корпуса выполнен паз с постоянным шагом и глубиной, образующий овальный винтовой канал, причем его направление противоположно направлению винтовой нарезки шнека; в зоне постепенного возрастания давления внутренняя поверхность корпуса выполнена с уменьшающимся зазором между наружным диаметром витка шнека и внутренним диаметром корпуса в направлении движения потока материала; в зоне стабилизации давления на внутренней поверхности корпуса номинального диаметра выполнен паз, образующий конический винтовой канал с изменяющейся глубиной, причем проходное сечение винтового канала увеличивается в направлении движения продукта пропорционально величине возрастания давления. The task is achieved in that in the extruder according to the invention on the inner surface of the housing due to changes in its profile and configuration, six successive zones are formed, smoothly turning one into another along a helical line, and the nature of the change in the shape of the inner surface of the housing in each zone depends on its functional destination. In the loading zone, the inner surface of the housing has a constant nominal diameter; in the mixing zone on the inner surface of the housing, a groove of a rectangular shape is made along the helix, the depth and pitch of which are constant along the entire length of the zone; in the compression zone, the inner surface of the casing is made with a varying diameter, and the diametrical gap between the turn of the screw and the casing decreases from the beginning to the end of the zone; in the homogenization zone on the inner surface of the housing, a groove with a constant pitch and depth is made, forming an oval helical channel, and its direction is opposite to the direction of the screw thread of the screw; in the zone of a gradual increase in pressure, the inner surface of the housing is made with a decreasing gap between the outer diameter of the screw turn and the inner diameter of the housing in the direction of movement of the material flow; in the pressure stabilization zone, a groove is made on the inner surface of the housing of the nominal diameter, forming a conical screw channel with a varying depth, and the passage section of the screw channel increases in the direction of product movement in proportion to the pressure increase.

При таком исполнении внутренней поверхности корпуса материал в процессе движения подвергается воздействию значительных сдвиговых деформаций, обеспечивающих требуемую степень термообработки продукта. Зоны, расположенные по длине корпуса, выполнены последовательно переходящими одна в другую по винтовой линии для обеспечения заданного изменения давления материала при его перемещении шнеком. Обрабатываемый продукт одновременно течет как по винтовым каналам шнека, так и по каналам на внутренней поверхности корпуса, без образования застойных зон и значительного обратного перетока материала, в особенности в зоне стабилизации давления, благодаря обоснованному выбору формы исполнения внутренней поверхности цилиндра. В зоне загрузки внутренняя поверхность корпуса постоянного номинального диаметра выполнена с шероховатостью не более Rz20, обеспечивающая хорошую подающую способность шнека. В зоне смешивания паз прямоугольной формы, выполненный по винтовой линии, представляется наиболее целесообразным решением, так как он может вместить наибольшее количество подводимого продукта. Постоянные глубина и шаг винтового паза в полной мере обеспечивают хорошее смесительное действие и необходимую производительность экструдера, а значения шага S₁ и глубины h зависят от свойств перерабатываемого материала и технологического режима переработки. Угол подъема винтовой линии паза равен углу винтовой нарезки шнека (φ₁ = φ), а направление винтового паза совпадает с нарезкой шнека. В зоне сжатия внутренняя поверхность корпуса выполнена с изменяющимся диаметром, при этом величина диаметрального зазора δ между витком шнека и корпусом постепенно уменьшается от начала к концу зоны (фиг. 1, 2) и в сочетании с резким уменьшением размера винтового канала шнека в этой зоне определяет необходимое давление для расплавления размягченных гранул, а также хороший эффект смешения. Значение изменяющегося диаметрального зазора зависит от свойств перерабатываемого продукта. В зоне гомогенизации паз, образующий овальный винтовой канал, выполнен противоположнонаправленным винтовой нарезке шнека (φ₂ < φ₁, см. фиг. 2). Кроме того, его шаг S₂ и глубина h постоянны и шаг меньше, чем в зоне смешивания (S₁ > S₂, см. фиг. 2). Овальная форма канала позволяет без значительного сопротивления течь расплаву материала, т. е. исключается возможность образования застойных зон. Внутренняя поверхность корпуса в этой зоне профилирована таким образом из соображений улучшения смешивающего и гомогенизирующего действия, приводящего к увеличению теплопередачи между частицами материала с разной температурой. Возникающие значительные сдвиговые деформации перерабатываемого материала из-за противоположного направления и меньшего шага обусловливают хорошее качество смешения. В зоне постепенного возрастания давления величина уменьшающегося диаметрального зазора δ в направлении движения потока материала определяется составом продукта. Уменьшающийся диаметральный зазор между витком шнека и корпусом (см. фиг. 2, 3) обуславливает желаемое значение давления, при котором происходит окончательное расплавление мелких включений и образуется однородный расплав материала. В зоне стабилизации давления выполнен паз, образующий конический винтовой канал с изменяющейся глубиной (см. фиг. 2, 4). Проходное сечение винтового канала увеличивается в направлении движения продукта пропорционально величине возрастания давления. Исходя из свойств перерабатываемого материала и технологического режима переработки подбирается такая величина проходного сечения винтового канала, при которой давление в предматричной зоне экструдера будет постоянным (P = const). Конусная форма канала позволяет стабилизировать давление из-за образования частичного перетока материала по этим каналам вследствие разницы давлений. Такая форма канала позволяет получать струю материала с большой кинетической энергией, при этом происходит увеличение скорости потока продукта в сужающейся части канала и снижение его давления. Наличие частичного перетока материала в этой зоне связано с незначительным снижением производительности экструдера, что в полной мере компенсируется стабилизацией давления в предматричной зоне, а следовательно, позволяет выравнить температурное поле расплава в радиальном и продольном направлениях. Таким образом, значительно улучшается качество готового продукта.With this design of the inner surface of the body, the material is subjected to significant shear deformations during movement, which provide the required degree of heat treatment of the product. Zones located along the length of the housing are made sequentially passing one into another along a helical line to ensure a given change in the pressure of the material when it is moved by the screw. The processed product simultaneously flows both through the screw channels of the screw and through the channels on the inner surface of the housing, without the formation of stagnant zones and significant backflow of material, especially in the pressure stabilization zone, due to a reasonable choice of the form of execution of the inner surface of the cylinder. In the loading zone, the inner surface of the casing of constant nominal diameter is made with a roughness of not more than Rz20, which provides a good feed capacity of the screw. In the mixing zone, a rectangular groove made along a helical line seems to be the most appropriate solution, since it can accommodate the largest amount of product supplied. The constant depth and pitch of the screw groove fully ensure good mixing action and the required performance of the extruder, and the values of step S ₁ and depth h depend on the properties of the material being processed and the technological mode of processing. The elevation angle of the groove helix is equal to the angle of the helical thread of the screw (φ ₁ = φ), and the direction of the helical groove coincides with the thread of the screw. In the compression zone, the inner surface of the casing is made with a varying diameter, while the diameter of the diametrical gap δ between the screw turn and the casing gradually decreases from the beginning to the end of the zone (Fig. 1, 2) and in combination with a sharp decrease in the size of the screw channel of the screw in this zone determines the necessary pressure to melt the softened granules, as well as a good mixing effect. The value of the changing diametrical clearance depends on the properties of the processed product. In the homogenization zone, the groove forming the oval helical channel is made in the opposite direction by screw threading of the screw (φ ₂ <φ ₁ , see Fig. 2). In addition, its pitch S ₂ and depth h are constant and the pitch is smaller than in the mixing zone (S ₁ > S ₂ , see Fig. 2). The oval shape of the channel allows the material to melt without significant resistance, i.e., the possibility of the formation of stagnant zones is excluded. The inner surface of the housing in this zone is thus profiled for reasons of improving the mixing and homogenizing action, leading to an increase in heat transfer between particles of material with different temperatures. The resulting significant shear deformations of the processed material due to the opposite direction and smaller pitch result in good mixing quality. In the zone of gradual increase in pressure, the value of the decreasing diametrical gap δ in the direction of movement of the material flow is determined by the composition of the product. The decreasing diametrical gap between the screw turn and the casing (see Fig. 2, 3) determines the desired pressure value at which the final melting of small inclusions occurs and a uniform material melt is formed. In the pressure stabilization zone, a groove is made forming a conical screw channel with a varying depth (see Fig. 2, 4). The bore of the screw channel increases in the direction of product movement in proportion to the magnitude of the pressure increase. Based on the properties of the material being processed and the technological mode of processing, such a value of the screw channel passage section is selected at which the pressure in the prematrix zone of the extruder will be constant (P = const). The conical shape of the channel allows you to stabilize the pressure due to the formation of a partial flow of material through these channels due to pressure differences. This shape of the channel allows you to get a stream of material with high kinetic energy, while there is an increase in the flow rate of the product in the tapering part of the channel and a decrease in its pressure. The presence of a partial flow of material in this zone is associated with a slight decrease in the productivity of the extruder, which is fully compensated by the stabilization of pressure in the prematrix zone, and therefore, it makes it possible to equalize the temperature field of the melt in the radial and longitudinal directions. Thus, the quality of the finished product is significantly improved.

На фиг. 1 показан общий вид экструдера; на фиг. 2 - развертка внутренней поверхности корпуса экструдера (показан характер изменения формы внутренней поверхности корпуса по его длине); на фиг. 3 - схема изменения внутреннего диаметра корпуса в зоне постепенного возрастания давления, обусловливающий уменьшающийся диаметральный зазор в направлении движения потока материала; на фиг. 4 - разрез по А-А на фиг. 2 (показана изменяющаяся глубина винтового канала корпуса экструдера). In FIG. 1 shows a general view of an extruder; in FIG. 2 - scan of the inner surface of the extruder body (the nature of the change in the shape of the inner surface of the body along its length is shown); in FIG. 3 is a diagram of a change in the inner diameter of the housing in the zone of gradual increase in pressure, causing a decreasing diametrical clearance in the direction of movement of the material flow; in FIG. 4 is a section along AA in FIG. 2 (showing the varying depth of the screw channel of the extruder body).

Экструдер содержит корпус 1, загрузочную воронку 2, шнек 3 с винтовой нарезкой 4, профилирующую головку 5 с фильерой 6. На внутренней поверхности корпуса 1 путем ее профилирования выполнены шесть последовательно расположенных зон: загрузки 7, смешивания 8, сжатия 9, гомогенизации 10, постепенного возрастания давления 11, стабилизации давления 12. В зоне смешивания 8 выполнен по винтовой линии паз прямоугольной формы, образующий винтовой канал 13. На внутренней поверхности корпуса 1 в зоне гомогенизации 10 выполнен паз, образующий овальный винтовой канал 14. В зоне стабилизации давления 12 имеется паз, образующий по винтовой линии конический канал 15. The extruder comprises a housing 1, a loading funnel 2, a screw 3 with a screw thread 4, a profiling head 5 with a die 6. On the inner surface of the housing 1, six successive zones are made by profiling it: loading 7, mixing 8, compression 9, homogenization 10, gradual increasing pressure 11, stabilizing the pressure 12. In the mixing zone 8, a groove of a rectangular shape is formed along the helical line, forming a helical channel 13. On the inner surface of the housing 1 in the homogenization zone 10, a groove is made forming an oval helical cable cash 14. In the pressure stabilization zone 12 there is a groove forming a conical channel 15 along a helical line.

Экструдер работает следующим образом. Подлежащий переработке материал направляют в загрузочную воронку 2, где он захватывается шнеком 3 и подается в корпус 1, на внутренней поверхности которого образованы шесть последовательно расположенных зон 7 - 12. Конструкция внутренней поверхности цилиндра в зоне загрузки 7 обеспечивает равномерную подачу материала, исключающую опасность заклинивания массы и возможность пульсации подачи. В зоне смешивания 8 материал перемещается как по винтовому каналу шнека, так и по каналу 13 корпуса, образованному пазом прямоугольной формы. В процессе движения перерабатываемый продукт нагревается, размягчается и частично перемешивается благодаря выбранной форме исполнения внутренней поверхности корпуса. В зоне сжатия 9 происходит образование однородного расплава за счет возрастания давления вследствие резкого уменьшения размеров винтового канала шнека и уменьшающегося диаметрального зазора между витком шнека и корпусом от начала к концу зоны. В зоне гомогенизации 10 расплавленный материал движется как по винтовому каналу шнека, так и по овальному винтовому каналу 14 корпуса, причем из-за противоположного направления винтовой нарезки 4 шнека и винтовой линии паза корпуса, а также меньшего шага винтовой линии паза, материал подвергается воздействию значительных сдвиговых деформаций; повышается эффект смешения и гомогенизации. Выходящий из овального винтового канала 14 материал плавно переходит в зону постепенного возрастания давления 11 без существенного сопротивления перемещению расплава в момент перехода из одной зоны в другую, т.е. исключается образование застойных зон. Уменьшающийся диаметральный зазор между витком шнека и корпусом в направлении движения продукта в сочетании с уменьшающимся шагом нарезки шнека обеспечивают необходимое значение давления, при котором происходит окончательное расплавление мелких включений и образуется гомогенная масса. Наличие в зоне стабилизации давления 12 паза, образующего по винтовой линии конический канал 15, способствует выравниванию давления за счет частичного перетока материала по этому каналу, что в конечном итоге, для нормальной работы экструдера, позволяет иметь заданную, однородную по сечению температуру расплава, поступающего к профилирующей головке 5, через которую он выдавливается в виде заготовки требуемого сечения. The extruder operates as follows. The material to be processed is sent to the loading funnel 2, where it is captured by the screw 3 and fed into the housing 1, on the inner surface of which six consecutive zones 7 - 12 are formed. The design of the inner surface of the cylinder in the loading zone 7 provides a uniform supply of material, eliminating the risk of jamming of the mass and the possibility of pulsation feed. In the mixing zone 8, the material moves along the screw channel of the screw, and along the channel 13 of the housing, formed by a rectangular groove. In the process of movement, the processed product is heated, softened and partially mixed due to the selected form of execution of the inner surface of the housing. In the compression zone 9, a homogeneous melt is formed due to an increase in pressure due to a sharp decrease in the size of the screw channel of the screw and a decreasing diametrical clearance between the turn of the screw and the housing from the beginning to the end of the zone. In the homogenization zone 10, the molten material moves both along the screw channel of the screw and the oval screw channel of the housing 14, and due to the opposite direction of the screw thread 4 of the screw and the helix of the groove of the housing, as well as the smaller pitch of the helical groove, the material is exposed to significant shear deformations; the effect of mixing and homogenization increases. The material emerging from the oval screw channel 14 smoothly passes into the zone of gradual increase in pressure 11 without significant resistance to the movement of the melt at the moment of transition from one zone to another, i.e. formation of stagnant zones is excluded. The decreasing diametrical clearance between the screw turn and the casing in the direction of product movement in combination with the decreasing screw cutting step provides the necessary pressure value at which the final melting of small inclusions occurs and a homogeneous mass is formed. The presence in the pressure stabilization zone 12 of the groove, forming a conical channel 15 along the helical line, helps to equalize the pressure due to the partial flow of material along this channel, which ultimately, for normal operation of the extruder, allows you to have a predetermined, uniform cross-section temperature of the melt flowing to profiling head 5, through which it is extruded in the form of a workpiece of the desired section.

Таким образом, использование изобретения позволит значительно улучшить качество готового продукта за счет интенсификации процессов смешения и гомогенизации, а также заданного темпа нарастания давления. Кроме того, благодаря обоснованному выбору формы исполнения внутренней поверхности корпуса возможно стабилизировать давление в предматричной зоне экструдера и соответственно иметь однородную по сечению температуру расплава, что обеспечивает лучшую степень термообработки материала. Thus, the use of the invention will significantly improve the quality of the finished product due to the intensification of the processes of mixing and homogenization, as well as a given rate of increase in pressure. In addition, due to a reasonable choice of the form of execution of the inner surface of the body, it is possible to stabilize the pressure in the prematrix zone of the extruder and, accordingly, have a melt temperature uniform in cross section, which ensures a better degree of heat treatment of the material.

Claims

\ \ \ 1 An extruder for processing thermoplastic materials, comprising a housing, a loading funnel, a screw, a profile head with a die, characterized in that six successive zones are formed on the inner surface of the housing by changing its profile and configuration, smoothly transitioning one into another a helical line, and the nature of the change in the shape of the inner surface of the housing in each zone depends on its functional purpose: in the loading zone, the inner surface of the housing has a constant nominal the diameter, in the mixing zone on the inner surface of the casing, a rectangular groove is made along a helical line, the depth and pitch of which are constant along the entire length of the zone, in the compression zone, the inner surface of the casing is made with a varying diameter, and the diametrical clearance between the screw turn and the casing decreases from the beginning to at the end of the zone, in the homogenization zone on the inner surface of the body, a groove is made with a constant pitch and depth, forming an oval screw channel, and its direction is opposite to the direction of the screw thread and the screw, in the zone of gradual increase in pressure, the inner surface of the housing is made with a decreasing gap between the outer diameter of the spiral of the screw and the inner diameter of the housing in the direction of movement of the material flow, in the zone of pressure stabilization on the inner surface of the housing of the nominal diameter, a groove is formed that forms a conical screw channel with a varying depth moreover, the bore of the screw channel increases in the direction of product movement in proportion to the magnitude of the pressure increase.