基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过程强化方法及装置

摘要

本发明公开了基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过程强化方法及装置。该方法利用与各自旋转轴线偏心的两螺旋转子异向啮合旋转时，转子与定子内壁面的间隙、两转子的径向啮合间隙和轴向啮合间隙周期性由大变小再由小变大，使物料在两转子轴向循环连续密炼的过程被强化。两螺旋转子的旋转轴线固定且相互平行，转子外表面为偏心啮合型凸棱结构，其中心轴线与转子旋转轴线存在一定的偏心量。两转子内啮合转动时，纳入物料随转子与定子内壁面的间隙、两转子的径向啮合间隙和轴向啮合间隙周期性变化被塑化挤压输送，从而达到强化密炼效果。本发明可以实现高分子材料连续密炼过程，具有提高生产效率，提升产品质量，同时降低能耗等的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料混炼加工方法与装置，具体是指基于偏心螺旋的高分子材料连 续密炼过程强化方法及装置。

技术背景

随着高分子材料学科的不断发展，高分子材料的制品在各个行业领域得到了广泛的应 用，任何高分子材料均需要通过成型加工才能成为有用的制品。因此，高分子材料的成型 加工工艺和加工设备对于高分子材料制品的性能显得尤为重要。其中，高分子材料的密炼 过程是整个加工过程中重要的一步。传统的加工方法主要是以密炼机塑炼和混炼为主。密 炼机对高分子材料的密炼过程为间歇式的，其密炼工艺为：物料从密炼机加料口投入混炼 室，在外力和外热的复合作用下承受剪切、捏合、混合、塑化和均化，最后开启卸料门将 混炼好的物料排出，再进行下一批物料的密炼。密炼机操作简单，而且物料无需进行特殊 的预处理，设备工作原理易掌握，但是由于密炼机的间歇混炼，每一批混炼的物料都存在 有差异，再加上混炼过程中能量的波动以及混炼室内物料的流动特性等因素限制了混炼物 料的质量的提高。这种间歇式的传统密炼设备得到的混炼物料已经难以满足现代工业生产 中高端产品的要求。传统的密炼机存在设备能耗大、产品质量波动大、生产效率低、密炼 效果有限制等固有缺陷，已经成为高分子材料加工发展的一个亟待解决的难题。因此，高 分子材料的混炼加工亟待在技术和设备上有新的突破和进展。

为了提高高分子材料密炼的生产效率，提高密炼产品的质量并尽可能的降低生产能耗， 研究人员做了大量的工艺以及设备方面的优化研究。新的工艺，如更优化的混炼配方的开 发；设备优化方面主要是对混炼设备的混炼转子或螺杆的改进。这些研究在一定的程度上 提高了混炼的生产效率，同时对混炼产品的质量也有所提高，但是在降低能耗方面效果并 不明显，很难达到高效节能的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过程强化方法，以解 决高分子材料密炼加工过程中能耗高、密炼过程不连续、效率低等问题。

本发明的目的还在于提供实现所述方法的一种基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过 程强化装置。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过程强化方法：利用与各自旋转轴线偏心的 第一螺旋转子和第二螺旋转子异向啮合旋转时，第一螺旋转子和第二螺旋转子与定子内壁 面的间隙、第一螺旋转子和第二螺旋转子的径向啮合间隙和轴向啮合间隙周期性由大变小 再由小变大，使物料在两转子轴向循环连续密炼的过程被强化。

一种所述方法的基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过程强化装置，主要由与各自旋 转轴线偏心的第一螺旋转子和第二螺旋转子及定子组成；第一螺旋转子和第二螺旋转子异 向旋转啮合，置于空心的定子中；第一螺旋转子和第二螺旋转子的外表面为偏心啮合型凸 棱结构，第一螺旋转子的凸棱结构轴线和第二螺旋转子的凸棱结构轴线分别与本第一螺旋 转子的转子旋转轴线和第二螺旋转子的转子旋转轴线存在相同的偏心量，且第一螺旋转子 和第二螺旋转子的水平偏心方向相同排布，偏心量大于0而小于定子内腔半径与螺旋转子 的凸棱结构表面半径之差；

第一螺旋转子和第二螺旋转子均设有排列相同的三块凸棱体，第一螺旋转子分别设有 第一螺旋凸棱体、第一三角状凸棱体和第二三角状凸棱体；第二螺旋转子分别设有第二螺 旋凸棱体、第三三角状凸棱体和第四三角状凸棱体；第一螺旋凸棱体和第二螺旋凸棱体为 绕转子圆柱外表面轴向的螺旋体；第一三角状凸棱体和第二三角状凸棱体以及第三三角状 凸棱体和第四三角状凸棱体分别为设置在转子两端，顶点相对交错分布的三角状凸棱体； 第一螺旋转子上的第一螺旋凸棱体、第一三角状凸棱体和第二三角状凸棱体分别与第二螺 旋转子上的第二螺旋凸棱体、第三三角状凸棱体和第四三角状凸棱体形成的间隙啮合。

优选地，所述偏心量大于定子内腔半径与螺旋转子的凸棱结构表面半径之差的三分之 一，小于定子内腔半径与螺旋转子的凸棱结构表面半径之差。

本发明两转子内啮合转动时，由于螺旋转子凸棱结构的轴线同本转子旋转轴线偏心， 转子与定子内壁面的间隙、两转子的径向啮合间隙和轴向啮合间隙周期性由大变小再由小 变大，纳入物料随转子与定子内壁面的间隙、两转子的径向啮合间隙和轴向啮合间隙周期 性变化被塑化挤压输送。在这种连续的周期性变化过程中，物料在外力和外热的复合作用 下承受了剪切、拉伸、混合、塑化和均化，从而达到对物料强化密炼效果。

本发明采用基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过程强化方法及装置，解决了传统高 分子材料密炼技术及设备生产不连续、效率低、能耗高等问题，与传统高分子材料密炼技 术及设备相比，具有如下优点：

1、物料混炼过程连续，生产效率提升，能耗降低，混匀度高度稳定，物料分散混合效 果好；

2、混炼塑化的能力不依赖于物料的物理特性，密炼的稳定性提高，对物料的适应性提 高；

3、整个混炼塑化的过程使物料的拉伸和剪切的强度均提高，混炼效果好，产品质量提 高，降低了生产的成本。

附图说明

图1为基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过程强化装置结构示意图；

图2为图1的A A剖视图；

图3为偏心螺旋密炼转子结构示意图；

图4为基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过程强化装置与螺杆输运装置组合连续密 炼设备结构示意图；

图5为基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过程强化装置的注射设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限 于实施例表述的范围。

实施例1

如图1、图2，图3所示，一种基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过程强化装置主要 由与各自旋转轴线偏心的第一螺旋转子I和第二螺旋转子II及定子8组成；第一螺旋转子 I和第二螺旋转子II异向旋转啮合，置于空心定子8中。第一螺旋转子I和第二螺旋转子 II的外表面为偏心啮合型凸棱结构，第一螺旋转子I的凸棱结构轴线2和第二螺旋转子II 的凸棱结构轴线5分别与本第一螺旋转子的转子旋转轴线3和第二螺旋转子的转子旋转轴 线7存在相同的偏心量e，且第一螺旋转子I和第二螺旋转子II的水平偏心方向相同排布， 偏心量e大于0而小于定子8内腔半径与螺旋转子的凸棱结构表面半径之差。优选地，偏 心量大于定子内腔半径与螺旋转子的凸棱结构表面半径之差的三分之一，小于定子内腔半 径与螺旋转子的凸棱结构表面半径之差。第一螺旋转子I和第二螺旋转子II分别与第一同 心轴1和第二同心轴6连接；第一螺旋转子I和第二螺旋转子II均设有排列相同的三块凸 棱体，第一螺旋转子I分别设有第一螺旋凸棱体14、第一三角状凸棱体15和第二三角状 凸棱体17；第二螺旋转子II分别设有第二螺旋凸棱体10、第三三角状凸棱体4和第四三角 状凸棱体13；第一螺旋凸棱体14和第二螺旋凸棱体10为绕转子圆柱外表面轴向的螺旋体； 第一三角状凸棱体15和第二三角状凸棱体17以及第三三角状凸棱体4和第四三角状凸棱 体13分别为设置在转子两端，顶点相对交错分布的三角状凸棱体；第一螺旋转子I和第二 螺旋转子内啮合旋转，第一螺旋转子I上的第一螺旋凸棱体14、第一三角状凸棱体15和 第二三角状凸棱体17分别与第二螺旋转子II上的第二螺旋凸棱体10、第三三角状凸棱体4 和第四三角状凸棱体13形成的间隙啮合。第一螺旋转子I和第二螺旋转子内啮合旋转导致 偏心方向相对位置的变化，使得第一螺旋转子I和第二螺旋转子与定子8内壁面的第一间 隙9、第二间隙16以及及第一螺旋转子I和第二螺旋转子的径向啮合间隙11和轴向啮合 间隙12均呈周期性由大变小再由小变大变化，纳入该间隙的物料随着间隙的容积变化被研 磨、挤压、输送，使物料在两转子轴向循环连续密炼的过程被强化。

实施例2

参考图4，偏心转子、螺杆组合连续密炼设备主要由双螺杆送料装置I、基于偏心螺 旋的连续密炼过程强化装置II、输送定型装置III三部分组成。其中送料装置I主要实现物 料的添加及输送，基于偏心螺旋的连续密炼过程强化装置II主要实现物料的密炼强化效果， 输送定型装置III则实现物料输出及制品成型。送料装置I由第一转动轴9和第二转动轴10 上设置双螺杆部件11及加料装置8组成，基于偏心螺旋的连续密炼过程强化装置II主要由 第一偏心螺旋转子7、第二偏心螺旋转子12组成，输送定型装置III由单螺杆部件2和出料 定型装置1组成。其中，第一偏心螺旋转子7和第二偏心螺旋转子12异向啮合，第一螺旋 转子I和第二螺旋转子II均设有排列相同的三块凸棱体，第一螺旋转子7分别设有第一螺 旋凸棱体5、第一三角状凸棱体4和第二三角状凸棱体6；第二螺旋转子12分别设有第二 螺旋凸棱体14、第三三角状凸棱体15和第四三角状凸棱体13；第一螺旋凸棱体5和第二 螺旋凸棱体14为绕转子圆柱外表面轴向的螺旋体；第一三角状凸棱体4和第二三角状凸棱 体6以及第三三角状凸棱体15和第四三角状凸棱体13分别为设置在转子两端，顶点相对 交错分布的三角状凸棱体；第一螺旋转子7和第二螺旋转子12内啮合旋转，第一螺旋转子 7上的第一螺旋凸棱体5、第一三角状凸棱体4和第二三角状凸棱体6分别与第二螺旋转子 12上的第二螺旋凸棱体14、第三三角状凸棱体15和第四三角状凸棱体13形成的间隙啮合。 第一偏心螺旋转子7和第二偏心螺旋转子12外表面轴线同本转子的第一转动轴9和第二转 动轴10的轴线偏心，偏心螺旋的连续密炼过程强化装置II进料端与双螺杆送料装置I连接 或成一体结构，偏心螺旋的连续密炼过程强化装置II出料端与螺杆输送定型装置III连接或 成一体结构。物料从进料口8加入，首先经过双螺杆送料装置I的剪切混炼，再输送至偏 心螺旋的连续密炼过程强化装置II，利用第一偏心螺旋转子7和第二偏心螺旋转子12与定 子3内壁面的间隙、第一偏心螺旋转子7和第二偏心螺旋转子12的径向啮合间隙和轴向啮 合间隙周期性由大变小再由小变大，使物料在第一偏心螺旋转子7和第二偏心螺旋转子12 轴向循环连续密炼的过程被强化，最后由输送定型装置III输出物料并成型制品。高分子材 料在受到高强度的拉伸和剪切作用被高效混炼塑化的同时，实现低耗、连续、稳定挤出成 型。

实施例3

参考图5，基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过程强化装置的注射设备主要由高分 子物料塑化输送单元I、柱塞注射单元II和集料器5组成。高分子物料塑化输送单元I，主 要包括料斗1、第一螺杆输送部件2、第二螺杆输送部件4及连续密炼过程强化装置3等部 件；柱塞注射单元II主要包括注射油缸6、注射柱塞7、注射料筒8、容腔9、集料管10和 喷嘴11等部件；集料器5连接物料塑化输送单元I和柱塞注射单元II两部分，其进料端面 与塑化输送单元I的过度套上的出料端面固定连接，其出料端面与柱塞注射单元II的注射 料筒8的进料端面固定连接，容腔9和集料管10相连通。物料从料斗1加入到高分子物料 塑化输送单元I中，经过螺杆输送部件2的输送到达连续密炼过程强化装置3(连续密炼过 程强化装置3的结构和原理同实施例1的基于偏心螺旋的高分子材料连续密炼过程强化装 置)，使物料在两偏心螺旋转子轴向循环连续密炼的过程被强化，随后由螺杆输送部件4将 塑化好的熔体经过集料器5输送进入柱塞注射单元II的注射料筒8中，注射柱塞7在喷嘴 容腔9内熔体压力的作用下向后移动，达到预设计量后，由注射柱塞7在注射压力推动下 向前完成注射，同时进入下一个加工周期。