CN107685436A

CN107685436A - 一种超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机

Info

Publication number: CN107685436A
Application number: CN201711067903.1A
Authority: CN
Inventors: 许梦艳
Original assignee: Individual
Current assignee: Guangdong Zhiyue Electric Appliance Co.,Ltd.
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2018-02-13
Anticipated expiration: 2037-11-03
Also published as: CN107685436B

Abstract

一种强制均化可调速螺杆挤出机，包括进料部、强混部和混合压缩部，进料部包括旋转设置在第一级螺筒中的进料螺杆；所述混合压缩部包括第二级螺筒、压缩螺杆、驱动杆；压缩螺杆配合在第二级螺筒中，所述压缩螺杆尾部固定连接驱动杆；所述强混部包括连接壳体、混料部和熔体混料通道，所述混料部包括沿熔体混料通道周向垂直于驱动杆轴向间隔设置的至少两个混料子部和驱动部，所述驱动部带动所述混料叶片旋转。所述强制均化可调速螺杆挤出机，既获得了压缩螺杆相对于进料螺杆各自独立调节转速，又获得了熔融料在进入混合压缩部强制混料大幅提高熔体均匀性，适于粘度大原料组分多有不熔颗粒的原料的塑化。

Description

一种超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机

技术领域

本发明涉及挤出机的技术领域，具体涉及一种超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机。

背景技术

超高分子量聚乙烯是指黏均相对分子质量在1.5×106以上的线性结构聚乙烯。由于相对分子量极高，塑化如下困难：

1）极易堵塞螺杆，由于黏度极高、流动性极差，且高分子量聚乙烯的原料是粉状的，塑化时相互摩擦系数极低，在用现有技术的常规塑化螺杆加工时，粉状的高分子量聚乙烯在螺旋前进中发生“抱螺杆”现象，导致物料在机筒压缩段发生堵塞而停滞不前；

2）原料流变性能差，普通聚乙烯熔体呈黏性流体状，而超高分子量聚乙烯熔融时呈半透明状，即典型的高黏弹态，其黏度高达1.0×109Pa•s，熔体流动速率（MFR）（2.16kg）几乎为零，即使将测试负荷加重到21.6kg，也难测出其MFR值来。且超高分子量聚乙烯的分子量越大，其熔融黏度越大，因而给塑化、挤出、注塑等剪切成型加工带来极大困难。

由于其黏度极高，成型加工困难，长期以来其非连续形状的制品的生产基本上依靠压制烧结法或用棒材、板材、管材来加工，效率极低，使超高分子量聚乙烯的实际应用受到限制。

超高分子量聚乙烯一般想尽办法改性，以在不改变基本性能的前提下改善其熔体的流动性。① 用流动改性剂改性；采用强力的流动改性剂，使得超高分子量聚乙烯的分子解开缠绕结构，分子间的润滑性得以保留，这样就可以在改变聚乙烯流动性的同时，也使得塑化后的材料没有失去其本来的基本性能。② 液晶高分子复合材料改性，液晶高分子能够简单提高超高分子量聚乙烯的流动性，两者在高温作用下结合在一起，两者间形成微弱的分子作用力形成螺旋状分子结构，增进了分子流动能力。③ 化学交联改性，加入过氧化物或，偶联剂如硅烷和硅氧烷，可增加超高分子量聚乙烯的可塑性。尽管如此，仍然需要专门的塑化机械才能完成超高分子量聚乙烯的成型。中北大学刘亚青CN101003174A公开了一种超临界流体辅助高分子材料挤出成型机，用以对超高分子量聚乙烯塑化，其通过在双螺杆挤出机的加料段、压缩段和均化段通入超临界二氧化碳 (SC-CO2)并使其被细化成多个流束后注入，扩大了接触面积，不仅降低了聚合物的熔融温度，而且降低了聚合物熔体的粘度。

单螺杆强制塑化。

由于超高分子量聚乙烯与筒壁和螺杆的摩擦因子很小，因此，容易打滑形成料塞，现有技术解决一般是加料段设计轴向沟槽、强制冷却和采用低压缩比、深螺槽来实现超高分子量聚乙烯的强制输送，同时尽可能地增加混炼均匀性。北京化工大学何继敏的CN2227016Y公开了一种超高分子量聚乙烯单螺杆挤出机，加料段机筒独立于压缩段和计量段，可独立冷却，加料段机筒内套设内套11，内套11内壁设有轴向沟槽，沟槽沿挤出方向逐渐变浅，直至最后消失，防止粉料轴向打转，同时加料段螺杆采用双头螺棱，提高进料能力；为改善压缩段堵塞现象，压缩段BD分为第一压缩段BC和第二压缩段CD，第一压缩段压缩比小于第二压缩段，同时第二压缩段CD和前面计量段设有机筒销钉，强行沿物料圆周搅拌一周，促进物料的混熔。但是，仍然未克服单螺杆在加料段粉末固体塞输送、压缩段物料是半固体，靠近机筒侧和靠近螺棱槽一侧难以充分混合，熔体从计量段挤出时是螺旋运动的带状物。

双螺杆混炼塑化。

双螺杆具有较高的剪切能力以及较强输送能力，两根螺杆啮合在一起，将物料强制推进，不会象单螺杆挤出机那样形成料塞，而是在塑化段将物料压实成为熔体并继续剪切推进，最后在计量段将物料输送进模具，双螺杆挤出可有效解决熔体在料筒中的打滑现象，因而可实现超高分子量聚乙烯高效的连续塑化。江苏圣杰实业有限公司的CN1462682A公开了一种用于中高粘度体系的双螺杆挤出机，其两根螺杆通过啮合型螺棱元件和非啮合型螺棱元件排列组合形成，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。但是上述手段主要是针对脱挥的，其他功能并未增强。

由此，需要设计一种超高分子量聚乙烯螺杆挤出机，突破现有单螺杆塑化、双螺杆混炼塑化的缺陷。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机。

本发明的目的是这样实现的，一种超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，包括一级螺杆和二级螺杆，所述一级螺杆的旋转轴线和二级螺杆的旋转轴线以倾斜角相交并连通；所述一级螺杆包括压缩进料机构、行星混炼机构和一级驱动齿轮，所述压缩进料机构包括进料主体和压塑螺杆，压塑螺杆由一级驱动齿轮驱动旋转配合在进料主体中；行星混炼机构旋转啮合在压塑螺杆的下部周围；二级螺杆包括计量机筒、混炼螺杆和二级驱动齿轮，混炼螺杆由二级驱动齿轮驱动旋转设置在计量机筒中；

还包括协同驱动机构，所述协同驱动机构包括驱动电机、驱动锥体，驱动锥体上设有轴向间隔排列的螺旋齿条，一级驱动齿轮和二级驱动齿轮分别啮合在所述螺旋齿条上。

进一步地，进料主体内设有料腔、压缩锥孔；压塑螺杆包括压缩锥体和中心螺杆部，压缩锥体旋转设置在压缩锥孔中。

进一步地，行星混炼机构包括行星机筒和行星螺杆，进料主体出口固定连接行星机筒，至少6根行星螺杆啮合在行星机筒和中心螺杆部之间。

进一步地，计量机筒包括与计量机筒的旋转轴线以倾斜角相交的倾斜入料筒，所述压塑螺杆还包括输送螺杆部，所述输送螺杆部旋转配合在所述倾斜入料筒中。

进一步地，所述混炼螺杆包括进料段，所述进料段设有3～6圈的强送螺棱，所述强送螺棱构成旋转轮廓，所述旋转轮廓适应倾斜入料筒和计量机筒相交形成的空间，旋转轮廓为中间直径最大，两边直径近似等于计量机筒内径的凸曲线。

进一步地，所述倾斜角在45º～60º之间。

进一步地，所述螺旋齿条包括小直径段的第一螺旋齿条和大直径段的第二螺旋齿条，所述一级驱动齿轮啮合第二螺旋齿条，所述二级驱动齿轮啮合第一螺旋齿条。

进一步地，还包括驱动壳体，所述驱动壳体上分别设有成对地设置在驱动壳体底板和顶板上的压塑螺杆轴承座、驱动锥体轴承座和混炼螺杆轴承座，所述驱动锥体轴承座的轴承旋转轴线分别与压塑螺杆轴承座的轴承旋转轴线和混炼螺杆轴承座的轴承旋转轴线具有相同夹角。

进一步地，所述压缩锥体上设有连续的压缩螺旋槽和预热螺旋槽，并进料主体的壁上于压缩螺旋槽对应位置设有排气孔，压缩螺旋槽深度连续地由深变浅。

进一步地，压缩螺杆在压缩锥体上方设有导料部，所述导料部上设有用于将粉料送入压缩螺旋槽入口的导料槽。

所述超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，为了解决“适于超高分子量聚乙烯混炼”和“突破现有单螺杆塑化、双螺杆混炼塑化的缺陷” 的技术问题，主要采取了如下改进措施：

1）压塑螺杆同时实现粉料的压缩推进和塑化

压塑螺杆的导料部、压缩锥体持续地将粉料压缩并螺旋输送到进料主体出口，固态的压缩粉料经中心螺杆和行星螺杆之间进行有效的塑化，达到高粘弹性体状态；

粉料的压缩输送克服了现有技术螺杆输送的高分散度缺陷，在压缩螺旋槽中的粉料压缩体在预热螺旋槽中得到有效导热，加热效率大大提高。

2）一级螺杆和二级螺杆的协同驱动

采用两阶挤出机方式来分别实现进料塑化和混炼计量，但是现有技术一般采用单独驱动的方式，而采用一级螺杆的旋转轴线和二级螺杆的旋转轴线以倾斜角相交并连通的方式，则省掉了通常二阶挤出机相连的中间真空室，同时采用驱动锥体同时驱动一级驱动齿轮和二级驱动齿轮，获得固定的传动比，省掉了一个发动机。

通过以上两个方面结构的相互配合，共同做到了在粉料压缩进料、压缩预热同时剪切熔融，同时使得二级螺杆的驱动同时带动一级螺杆的驱动结构，结构简单巧妙，适于粘度大原料组分多有不熔颗粒的原料的塑化。

附图说明

图1为本发明超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机实施例的主剖视图。

上述图中的附图标记：

100 一级螺杆，200 二级螺杆，300 协同驱动机构，400 驱动壳体

10 压缩进料机构，20行星混炼机构，30 混炼计量机构， 40 驱动电机,50 驱动位置调整机构

1 进料主体，2 压塑螺杆，3 料腔，4压缩锥孔，5 导料部，6 压缩锥体，7中心螺杆部，8压缩螺旋槽，9 预热螺旋槽，11一级驱动齿轮,12 一级驱动轴，13 压塑螺杆轴承座,14 间歇送料机构，15 输送螺杆部

21 行星机筒，22行星螺杆，23 顶端法兰,24 内齿,25 止推环

31 计量机筒，32 混炼螺杆,33 倾斜入料筒，34 二级驱动齿轮,35 二级驱动轴，36 混炼螺杆轴承座

41 驱动锥体，42 螺旋齿条，42.1 第一螺旋齿条，42.2 第二螺旋齿条，43驱动锥体轴承座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，但不用来限制本发明的范围。

如图所示，一种超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，包括一级螺杆100和二级螺杆200，所述一级螺杆100的旋转轴线和二级螺杆200的旋转轴线以倾斜角α相交并连通；所述一级螺杆100包括压缩进料机构10、行星混炼机构20，所述二级螺杆200包括混炼计量机构30，所述压缩进料机构10包括进料主体1和压塑螺杆2，压塑螺杆2旋转设置在进料主体1中；进料主体1内设有料腔3、压缩锥孔4；料腔3和压缩锥孔4为中空旋转体；料腔3连通间歇送料机构14。压塑螺杆2依次设有正锥形的导料部5、倒锥形的压缩锥体6和中心螺杆部7，所述导料部5位于料腔3中，所述压缩锥体6旋转配合在所述压缩锥孔4中；压缩锥体6上设有螺旋角在小于等于45º的连续的压缩螺旋槽8和预热螺旋槽9，并进料主体1的壁上于压缩螺旋槽对应位置设有排气孔，前3-6圈的压缩螺旋槽深度连续地由深变浅；导料部5设有用于将粉料送入压缩螺旋槽入口的导料槽；粉料经螺旋槽持续压缩并预热，从进料主体1出口持续螺旋输出固态压缩料流。压塑螺杆2设有一级驱动轴12和固定在一级驱动轴上的一级驱动齿轮11。

行星混炼机构20包括行星机筒21、行星螺杆22，所述进料主体1通过出口定位部1.1固定连接所述行星机筒21的顶端法兰23，行星机筒具有内齿24；至少6根行星螺杆22旋转啮合在行星机筒21和中心螺杆部7之间；行星机筒21末端设有止推环25。中心螺杆部7包括正锥形减压螺杆段7.1和圆柱形剪切螺杆段7.2；中心螺杆部7具有45º螺旋角的连续螺棱。所述固态压缩料流经行星混炼机构20在连续剪切拉伸成薄片的过程中加热熔融变成片状高粘弹性体，并从行星机筒21出口螺旋输出到二级螺杆200中；

二级螺杆200的混炼计量机构30包括计量机筒31、混炼螺杆32，混炼螺杆32旋转设置在计量机筒31中，计量机筒31具有与计量机筒的旋转轴线以倾斜角α相交的倾斜入料筒33，倾斜入料筒33连接在行星机筒21的末端。所述压塑螺杆2还包括输送螺杆部15，所述输送螺杆部15旋转配合在所述倾斜入料筒33中。混炼螺杆32设有二级驱动轴35和固定在二级驱动轴35上的二级驱动齿轮34。在二级螺杆200的进料段，混炼螺杆32设有强送螺棱35，3-6圈的强送螺棱35构成旋转轮廓L，所述旋转轮廓L适应倾斜入料筒33和计量机筒31以倾斜角α相交形成的空间，旋转轮廓L具有中间直径最大，两边直径近似等于计量机筒31内径的凸曲线特征。所述混炼螺杆32为单螺杆或双啮合螺杆或者行星螺杆结构。

倾斜角α优选在45º～60º之间。

还包括协同驱动机构300，所述协同驱动机构300包括驱动电机40、驱动锥体41，所述驱动电机40旋转驱动所述驱动锥体41，所述驱动锥体41的旋转轴线设置分别与压缩螺杆2的旋转轴线和混炼螺杆32具有相同驱动夹角β，所述驱动夹角β等于倾斜角α的一半，由此决定了驱动锥体41的下啮合母线水平且平行于混炼螺杆32的旋转轴线，上啮合母线平行于压塑螺杆2的旋转轴线，且一级驱动齿轮11和二级驱动齿轮34具有相同的分度圆直径D_驱。所述驱动锥体41上沿轴向间隔排列多个螺旋齿条42，所述一级驱动齿轮11旋转啮合在位于驱动锥体41的上啮合母线上的螺旋齿条42；所述二级驱动齿轮34旋转啮合在位于驱动锥体41的下啮合母线上的锥齿42。

压塑螺杆2上端旋转伸出进料主体1外设有一级驱动轴12，所述一级驱动轴12上固定有一级驱动齿轮11和驱动位置调整机构50，所述一级驱动轴12上设有键槽51，一级驱动齿轮11通过滑动键52配合在键槽51中，驱动位置调整机构50驱动滑动键52在键槽51中的位置来调整其与哪一列螺旋齿条42啮合；混炼螺杆32左端于计量机筒31外设有二级驱动轴5，在二级驱动轴35上设有二级驱动齿轮34和驱动位置调整结构50，所述二级驱动轴35上设有键槽51，二级驱动齿轮34通过滑动键52配合在键槽51中，驱动位置调整机构50驱动滑动键52在键槽51中的位置来调整其与螺旋齿条42的哪部分啮合。

所述螺旋齿条42包括小直径段的第一螺旋齿条42.1和大直径段的第二螺旋齿条42.2，所述一级驱动齿轮11啮合在第二螺旋齿条42.2上，二级驱动齿轮34啮合在第一螺旋齿条42.1上。这样，使用一个驱动电机40就可同时满足一级螺杆100和二级螺杆200的旋转驱动，同时，协同驱动机构300可达到压塑螺杆2的旋转和混炼螺杆32的旋转具有固定的转速比。详细分析如下：

假设第一螺旋齿条42.1的分度圆直径为D_小，第二螺旋齿条42.2的分度圆直径为D_大，则驱动锥体的第一螺旋齿条42.1与二级驱动齿轮34的第二传动比i₂为i₂=主动齿轮转速/从动齿轮转速=驱动锥体齿数/二级驱动齿轮齿数=D_驱/D_小；驱动锥体的第二螺旋齿条42.2与一级驱动齿轮11的第一传动比i₁为i₁=主动齿轮转速/从动齿轮转速=驱动锥体齿数/一级驱动齿轮齿数=D_驱/ D_大；因此，第二传动比i₂大于第一传动比i₁，且二者有固定比例，i₂/ i₁= D_大/D_小。因此，由于大直径的第二螺旋齿条42.2驱动一级驱动齿轮11以缓慢旋转，而小直径的第一螺旋齿条42.1驱动混炼螺杆32以较快速度旋转，压缩进料、剪切混炼需要转速相对较慢，而计量段的混炼螺杆则需要快速旋转，维持超高分子量聚乙烯的高弹性态。

为了保证压缩螺杆2的旋转轴线和混炼螺杆32具有相同驱动夹角β，所述超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机还包括驱动壳体400，所述驱动壳体400上分别设有成对地设置在驱动壳体底板和顶板上的压塑螺杆轴承座13、驱动锥体轴承座43和混炼螺杆轴承座36。所述驱动锥体轴承座43的轴承旋转轴线分别与压塑螺杆轴承座12的轴承旋转轴线、混炼螺杆轴承座37的轴承旋转轴线具有相同夹角，等于倾斜角α的一半。

所述超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，做到了在粉料压缩进料、压缩预热同时剪切熔融，同时使得二级螺杆的驱动同时带动一级螺杆的驱动结构，结构简单巧妙，适于粘度大原料组分多有不熔颗粒的原料的塑化。

Claims

1.一种超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，其特征在于，

包括一级螺杆（100）和二级螺杆（200），所述一级螺杆（100）的旋转轴线和二级螺杆（200）的旋转轴线以倾斜角（α）相交并连通；

所述一级螺杆（100）包括压缩进料机构（10）、行星混炼机构（20）和一级驱动齿轮（11），所述压缩进料机构（10）包括进料主体（1）和压塑螺杆（2），压塑螺杆（2）由一级驱动齿轮驱动旋转配合在进料主体（1）中；行星混炼机构旋转啮合在压塑螺杆（2）的下部周围；

二级螺杆（200）包括计量机筒（31）、混炼螺杆（32）和二级驱动齿轮（34），混炼螺杆（32）由二级驱动齿轮（34）驱动旋转设置在计量机筒（31）中；

还包括协同驱动机构（300），所述协同驱动机构（300）包括驱动电机（40）、驱动锥体（41），驱动锥体（41）上设有轴向间隔排列的螺旋齿条（42），一级驱动齿轮（11）和二级驱动齿轮（34）分别啮合在所述螺旋齿条上。

2.如权利要求1所述超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，其特征在于，进料主体（1）内设有料腔（3）、压缩锥孔（4）；压塑螺杆（2）包括压缩锥体（6）和中心螺杆部（7），压缩锥体（6）旋转设置在压缩锥孔（4）中。

3.如权利要求2所述超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，其特征在于，行星混炼机构（20）包括行星机筒（21）和行星螺杆（22），进料主体出口固定连接行星机筒（21），至少6根行星螺杆（22）啮合在行星机筒（21）和中心螺杆部（7）之间。

4.如权利要求3所述超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，其特征在于，计量机筒（31）包括与计量机筒的旋转轴线以倾斜角（α）相交的倾斜入料筒（33），所述压塑螺杆（2）还包括输送螺杆部（15），所述输送螺杆部（15）旋转配合在所述倾斜入料筒（33）中。

5.如权利要求4所述超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，其特征在于，所述混炼螺杆（32）包括进料段，所述进料段设有3～6圈的强送螺棱（35），所述强送螺棱（35）构成旋转轮廓（L），所述旋转轮廓（L）适应倾斜入料筒（33）和计量机筒（31）相交形成的空间，旋转轮廓（L）为中间直径最大，两边直径近似等于计量机筒（31）内径的凸曲线。

6.如权利要求1所述超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，其特征在于，所述倾斜角（α）在45º～60º之间。

7.如权利要求1所述超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，其特征在于，所述螺旋齿条（42）包括小直径段的第一螺旋齿条（42.1）和大直径段的第二螺旋齿条（42.2），所述一级驱动齿轮（11）啮合第二螺旋齿条（42.2），所述二级驱动齿轮（34）啮合第一螺旋齿条（42.1）。

8.如权利要求1所述超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，其特征在于，还包括驱动壳体（400），所述驱动壳体（400）上分别设有成对地设置在驱动壳体底板和顶板上的压塑螺杆轴承座（13）、驱动锥体轴承座（43）和混炼螺杆轴承座（36），所述驱动锥体轴承座（43）的轴承旋转轴线分别与压塑螺杆轴承座（12）的轴承旋转轴线和混炼螺杆轴承座（37）的轴承旋转轴线具有相同夹角。

9.如权利要求8所述超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，其特征在于，所述压缩锥体（6）上设有连续的压缩螺旋槽（8）和预热螺旋槽（9），并进料主体（1）的壁上于压缩螺旋槽对应位置设有排气孔，压缩螺旋槽深度连续地由深变浅。

10.如权利要求9所述超高分子量聚乙烯塑化螺杆挤出机，其特征在于，压缩螺杆（2）在压缩锥体（6）上方设有导料部（5），所述导料部上设有用于将粉料送入压缩螺旋槽入口的导料槽。