CN103770231A - 一种双向拉伸形变协同作用的混合方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向拉伸形变协同作用的混合方法及装置。该方法的物料在混合装置中沿旋转方向及轴向流动方向作周期性变化的收敛与发散流动，物料受到周期性变化的压缩与膨胀作用，实现双向拉伸形变协同作用的混合过程。该装置的第一混合单元主要由转子轴、单向导流盘、双向导流盘、圆台形内腔定子、斜凹叶片和斜凸叶片组成；在圆台形内腔定子的圆台形内腔中，转子轴沿轴向至少间隔开有一组以上的梯形截面通槽，每组梯形截面通槽沿转子轴径向均匀分布多个叶片槽，每组梯形截面通槽沿转子轴径向均匀分布多个叶片槽；本发明强化了混合过程中的传质、传热过程，具有混合效率高、混合性能好等特点。

Description

一种双向拉伸形变协同作用的混合方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高分子材料混合方法及装置，特别是涉及用于通过双向拉伸形变协同作用的高分子材料混合方法及装置。

技术背景

高分子材料成型加工过程中用到的物料通常是由不同的聚合物、填料、助剂等组成的，因而混合是高分子材料成型加工的必经阶段。高分子材料的混合通常是通过将各组分在连续混合装置或间歇式混合装置中配混而成。连续混合装置一般是由螺杆式挤出机，如双螺杆挤出机、三螺杆及多螺杆挤出机等来完成；而间歇式的配混过程主要是由密炼机、开练机等设备来完成。这些混合装置的混合机理是建立在剪切形变的基础之上的，也就是说混合过程中物料主要受到与运动方向垂直的应力与形变作用。为了提高混合效果，通常采用让物料受到高剪切应力作用。高剪切应力作用将导致如下问题：(1)比能耗高，驱动负载大；(2)高剪切作用产生大量的粘性耗散热从而导致熔体温度升高，物料降解甚至热分解，同时使得加工过程中物料的温度难以控制；(3)由于剪切速率增大及熔体温度升高使得共混物熔体粘度低，混合效果变差；(4)粒子在以剪切为主的流动中可能作旋转运动，混合分散效果降低。

为了提高分散混合效率及改善混合效果，目前主要采用的办法主要包括：(1)通过外加力场如振动力场、超声波、高频电场等使物料受到复合应力作用；(2)开发新型的螺杆结构如使用楔形螺棱，同时在螺棱上开设锥形槽等；(3)在成型模具中设计收敛‐发散流道，使得物料受到压缩或膨胀作用等。这些方法在以剪切形变为主的混合过程中强化了物料所受到的拉伸形变作用，提高了混合效率及混合效果，但成型过程中物料仍然主要受到剪切应力作用，是剪切形变支配的塑化混合过程。如果能够使物料在混合时的运动方向与速度梯度方向一致，亦即混合过程中物料主要受到拉伸应力作用，实现拉伸形变支配的混合过程，将有利于提高分散混合效果，对提高制品的性能具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于解决基于剪切形变的混合效率低、对粘度相差悬殊的复合材料混合效果差的问题，提供一种双向拉伸形变协同作用的高分子材料混合分散装置，以提高对高分子材料的混合分散效果。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

双向拉伸形变协同作用的混合方法：物料在混合装置中沿旋转方向及轴向流动方向作周期性变化的收敛与发散流动，物料受到周期性变化的压缩与膨胀作用，实现双向拉伸形变协同作用的混合过程。

实现所述混合方法的双向拉伸形变协同作用的混合装置，主要由驱动***、加料单元、第一混合单元和第二混合单元依次连接组成；驱动***主要由电机、转子轴和减速箱组成，电机通过减速箱与转子轴连接，转子轴为圆柱形，转子轴依次穿过加料单元、第一混合单元和第二混合单元；

所述加料单元主要由转子轴、定位套、单向导流盘、圆柱形内腔定子、直凹叶片和直凸叶片组成；圆柱形内腔定子设置在定位套和单向导流盘之间，圆柱形内腔定子的圆柱形内腔与定子外圆偏心，偏心距小于圆柱形内腔半径与转子轴半径之差；在圆柱形内腔定子中，转子轴沿轴向至少间隔开有2组矩形截面通槽，每组矩形截面通槽沿转子轴径向均匀分布多个叶片槽；直凹叶片及直凸叶片为矩形截面，直凹叶片开有矩形凹槽，直凸叶片设有矩形凸起；直凹叶片及直凸叶片依次间隔设置在叶片槽内；

单向导流盘上设有一个物料出口；该物料出口将进料单元与第一混合单元连通；

所述第一混合单元主要由转子轴、单向导流盘、双向导流盘、圆台形内腔定子、斜凹叶片和斜凸叶片组成；圆台形内腔定子设置在单向导流盘和双向导流盘之间，圆台形内腔定子的圆台形内腔与外圆偏心，偏心距小于圆台形内腔定子圆台形内腔小端半径与转子轴半径之差；圆台形内腔小端与单向导流盘连接；斜凹叶片和斜凸叶片为梯形截面，斜凹叶片上开有矩形凹槽，斜凸叶片上设有矩形凸起；在圆台形内腔定子的圆台形内腔中，转子轴沿轴向至少间隔开有一组以上的梯形截面通槽，每组梯形截面通槽沿转子轴径向均匀分布多个叶片槽，每组梯形截面通槽沿转子轴径向均匀分布多个叶片槽；

第二混合单元V主要由转子轴、双向导流盘、卸料盖、圆台形内腔定子、斜凹叶片和斜凸叶片组成，卸料盖上设有排料口；该圆台形内腔定子设置在双向导流盘和卸料盖之间；第二混合单元和第一混合单元中的圆台形内腔定子的圆台形内腔锥度方向相反，其他设置与第一混合单元相同；双向导流盘上设有2个物料出口；两个物料出口将第一混合单元和第二混合单元的物料双向流通连通。

优选地，所述圆柱形内腔定子的圆柱形内腔与定子外圆偏心的偏心距为圆柱形内腔半径与转子轴半径差的1/8-4/5。

所述每组矩形截面通槽沿转子轴径向均匀分布4个叶片槽；相邻两组叶片槽相差45°的相位角。

所述圆台形内腔定子的圆台形内腔与外圆偏心的偏心距为圆台形内腔定子的圆台形内腔小端半径与转子轴半径差的1/8-4/5。

所述每组梯形截面通槽沿转子轴径向均匀分布4个叶片槽，相邻两组叶片槽相差45°的相位角。

所述第一物料出口将第一混合单元从大变小的区域与第二混合单元体积从小变大的区域连通，第二物料出口将第一混合单元从小变大的区域与第二混合单元体积从大变小的区域连通。

所述转子轴分别与圆台形内腔定子的外圆和圆台形内腔定子的外圆同心安装。

本发明采用具有圆台形内腔的空心定子、置于定子内腔中并与定子偏心的圆柱形转子轴、布置在转子轴的径向矩形截面通槽中至少2组沿转子轴圆周方向均匀分布的叶片以及在定子两侧布置并与定子同心安装的导流盘等零件组成一个混合单元。该叶片混合单元中，转子轴与定子的偏心距可以改变，其值大于0并小于定子圆台形内腔小端半径与转子轴半径之差；定子内表面、转子外表面、叶片及两导流盘围成了具有一定几何形状的空间。转子轴旋转时，该空间的容积由小到大再由大到小周期性变化。当该空间容积由小变大时（也可相反），物料从加料单元或相邻混合单元进入该混合单元，当该空间容积由大变小时物料被排出该单元并进入到相邻混合单元，从而实现物料沿转子轴旋转方向受到拉伸应力作用；相邻两混合单元定子圆锥形内腔的锥度方向相反，物料在两个混合单元间轴向流动时做收敛与发散流动，从而实现物料沿轴向流动时受到拉伸应力作用。上述两种拉伸应力作用相互叠加，实现了双向拉伸形变协同作用的混合过程。

本发明与现有混合方法及装置相比，具有如下优点：

1、本发明拉伸形变作用下相界面更新快，混合效率提高；

2、本发明拉伸形变作用强化了混合过程中的传质、传热，能量利用率高，混合效果好；

3、本发明拉伸形变支配的混合过程中物料的温升小，物料热降解及分解减少；

4、本发明装置可用于粘度悬殊的高分子复合材料体系的混合，对物料适应性广。

附图说明

图1为双向拉伸形变协同作用混合装置的结构示意图

图2为图1中加料单元的结构示意图；

图3为图2的A-A向剖视图；

图4为图3中直凹叶片的结构示意图；

图5为图2中直凸叶片的结构示意图；

图6的B-B向剖视图；

图7为图1中第一混合单元结构示意图；

图8为图7的C-C向剖视图

图9为图6的D-D向剖视图；

图10为图8中的斜凹叶片的结构示意图；

图11为图8中的斜凸叶片的结构示意图；

图12第二混合单元结构示意图；

图13为图12的E—E向剖视图。

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所示，一种双向拉伸形变协同作用的混合装置，主要由驱动***I、加料单元II、第一混合单元III、第二混合单元IV依次连接组成；驱动***I主要由电机、转子轴1和减速箱组成，电机通过减速箱与转子轴1连接，为转子轴提供必要的速度与转矩；转子轴与减速箱的输出轴同心安装。转子轴1为圆柱形，转子轴1依次穿过加料单元II、第一混合单元III和第二混合单元IV。

如图2、3所示，加料单元I主要由转子轴1、定位套2、单向导流盘3、圆柱形内腔定子6、直凹叶片8、直凸叶片9共同组成；圆柱形内腔定子6设置在定位套2和单向导流盘3之间，圆柱形内腔定子6的圆柱形内腔与定子外圆偏心，偏心距e小于圆柱形内腔半径与转子轴半径之差，优选为圆柱形内腔半径与转子轴半径差的1/8-4/5；在圆柱形内腔定子6中，转子轴1沿轴向至少间隔开有3组矩形截面通槽，每组矩形截面通槽沿转子轴径向均匀分布多个叶片槽，优选为四个叶片槽，四个叶片槽的端面共面，相邻两个叶片槽相差45°的相位角；如图4、5所示，直凹叶片8及直凸叶片9为矩形截面，直凹叶片8开有矩形凹槽，直凸叶片9设有矩形凸起；直凹叶片8及直凸叶片9依次间隔设置在叶片槽内，一个截面共计2个直凹叶片8及2个直凸叶片9。转子轴1与圆柱形内腔定子6的定子外圆同心安装。

转子轴1旋转时，在转子轴1直径上的一对叶片由于叶片顶部受到定子的内表面约束使得叶片在矩形截面通槽内可沿径向设置的矩形截面通槽往复移动。由于定子内孔与外圆偏心，因而转子轴1旋转时由转子轴1的外圆柱面、圆柱形内腔定子6的内孔、直凹叶片8、直凸叶片9、定位套2、单向导流盘3形成的封闭空间容积大小随叶片组在直槽中的位置变化而发生周期性变化。

如6所示，单向导流盘3上设有一个物料出口。安装时，单向导流盘3上的圆弧形物料出口将进料单元II空间容积从大变小区域与第一混合单元III空间容积从小变大的区域（也可以是由大变小的区域）连通，物料只能从进料单元II流入第一混合单元III。

如图7、8所示，第一混合单元III主要由转子轴1、单向导流盘3、双向导流盘4、圆台形内腔定子7、斜凹叶片10、斜凸叶片11共同组成；圆台形内腔定子7设置在单向导流盘3和双向导流盘4之间，圆台形内腔定子7的圆台形内腔与外圆偏心，偏心距e小于圆台形内腔定子7圆台形内腔小端半径与转子轴半径之差，优选为圆台形内腔定子7圆台形内腔小端半径与转子轴半径差的1/8-4/5；圆台形内腔小端与单向导流盘3连接；如图9、10所示，斜凹叶片10和斜凸叶片11为梯形截面，斜凹叶片10上开有矩形凹槽，斜凸叶片11上设有矩形凸起。在圆台形内腔定子7的圆台形内腔中，转子轴1沿轴向至少间隔开有一组以上的梯形截面通槽，每组梯形截面通槽沿转子轴径向均匀分布多个叶片槽，每组梯形截面通槽沿转子轴径向均匀分布多个叶片槽，多个叶片槽的端面共面；优选每组梯形截面通槽沿转子轴径向均匀分布4个叶片槽，相邻两组叶片槽相差45°的相位角；转子轴1与圆台形内腔定子7的外圆同心安装。

与进料单元I相类似，在转子轴直径上的一对叶片转子轴旋转时由于斜凹叶片10或斜凸叶片11在顶部受到定子的内表面约束使得叶片在梯形截面通槽内可径向沿梯形截面通槽往复移动。转子轴1与圆台形内腔定子7的外圆同心安装。转子轴1旋转时，由转子轴1的外圆柱面、圆台形内腔定子7的内腔、斜凹叶片10、直凸叶片11、单向导流盘3、双向导流盘4形成的封闭空间容积大小周期性变化。

如图12、13所示，第二混合单元IV主要由转子轴1、双向导流盘4、卸料盖5、圆台形内腔定子7、斜凹叶片10和斜凸叶片11组成，卸料盖上设有排料口；该圆台形内腔定子7设置在双向导流盘4和卸料盖5之间；第二混合单元IV和第一混合单元III中的圆台形内腔定子的圆台形内腔锥度方向相反，其他设置与第一混合单元相同。转子轴1旋转时，由转子轴1的外圆柱面、圆台形内腔定子7的内孔、斜凹叶片10、直凸叶片11、双向导流盘4、卸料盖5形成的封闭空间容积大小周期性变化。

如图9所示，双向导流盘4上设有2个物料出口，两个物料出口将第一混合单元和第二混合单元的物料双向流通连通。优选地第一物料出口13将第一混合单元III从大变小的区域与第二混合单元IV体积从小变大的区域连通，使得物料从第一混合单元III流入第二混合单元IV；相应地，第二物料出口14将第一混合单元III从小变大的区域与第二混合单元IV体积从大变小的区域连通，使得物料从第二混合单元IV流入第一混合单元III,从而实现物料在两个混合单元中循环流动。

物料在同一个输送单元内流动时沿径向作周期性变化的收敛与发散流动，受到径向变化的拉伸形变作用；由于两混合单元的定子内腔的锥度方向相反，物料在一个混合单元中作收敛流动，在另一混合单元中作发散流动，物料受到轴向的拉伸形变作用。两种拉伸形变作用相互叠加，形成双向拉伸形变协同作用的混合过程。满足混合要求的物料从卸料盖5上的排料口排出。

Claims (8)

1.一种双向拉伸形变协同作用的混合方法，其特征在于，物料在混合装置中沿旋转方向及轴向流动方向作周期性变化的收敛与发散流动，物料受到周期性变化的压缩与膨胀作用，实现双向拉伸形变协同作用的混合过程。

2.实现权利要求1所述混合方法的双向拉伸形变协同作用的混合装置，其特征在于，主要由驱动***、加料单元、第一混合单元和第二混合单元依次连接组成；驱动***主要由电机、转子轴和减速箱组成，电机通过减速箱与转子轴连接，转子轴为圆柱形，转子轴依次穿过加料单元、第一混合单元和第二混合单元；

所述加料单元主要由转子轴、定位套、单向导流盘、圆柱形内腔定子、直凹叶片和直凸叶片组成；圆柱形内腔定子设置在定位套和单向导流盘之间，圆柱形内腔定子的圆柱形内腔与定子外圆偏心，偏心距小于圆柱形内腔半径与转子轴半径之差；在圆柱形内腔定子中，转子轴沿轴向至少间隔开有2组矩形截面通槽，每组矩形截面通槽沿转子轴径向均匀分布多个叶片槽；直凹叶片及直凸叶片为矩形截面，直凹叶片开有矩形凹槽，直凸叶片设有矩形凸起；直凹叶片及直凸叶片依次间隔设置在叶片槽内；

单向导流盘上设有一个物料出口；该物料出口将进料单元与第一混合单元连通；

所述第一混合单元主要由转子轴、单向导流盘、双向导流盘、圆台形内腔定子、斜凹叶片和斜凸叶片组成；圆台形内腔定子设置在单向导流盘和双向导流盘之间，圆台形内腔定子的圆台形内腔与外圆偏心，偏心距小于圆台形内腔定子圆台形内腔小端半径与转子轴半径之差；圆台形内腔小端与单向导流盘连接；斜凹叶片和斜凸叶片为梯形截面，斜凹叶片上开有矩形凹槽，斜凸叶片上设有矩形凸起；在圆台形内腔定子的圆台形内腔中，转子轴沿轴向至少间隔开有一组以上的梯形截面通槽，每组梯形截面通槽沿转子轴径向均匀分布多个叶片槽，每组梯形截面通槽沿转子轴径向均匀分布多个叶片槽；

第二混合单元V主要由转子轴、双向导流盘、卸料盖、圆台形内腔定子、斜凹叶片和斜凸叶片组成，卸料盖上设有排料口；该圆台形内腔定子设置在双向导流盘和卸料盖之间；第二混合单元和第一混合单元中的圆台形内腔定子的圆台形内腔锥度方向相反，其他设置与第一混合单元相同；双向导流盘上设有2个物料出口；两个物料出口将第一混合单元和第二混合单元的物料双向流通连通。

3.根据权利要求2所述的双向拉伸形变协同作用的混合装置，其特征在于，所述圆柱形内腔定子的圆柱形内腔与定子外圆偏心的偏心距为圆柱形内腔半径与转子轴半径差的1/8-4/5。

4.根据权利要求2所述的双向拉伸形变协同作用的混合装置，其特征在于，所述每组矩形截面通槽沿转子轴径向均匀分布4个叶片槽；相邻两组叶片槽相差45°的相位角。

5.根据权利要求2所述的双向拉伸形变协同作用的混合装置，其特征在于，所述圆台形内腔定子的圆台形内腔与外圆偏心的偏心距为圆台形内腔定子的圆台形内腔小端半径与转子轴半径差的1/8-4/5。

6.根据权利要求2所述的双向拉伸形变协同作用的混合装置，其特征在于，所述每组梯形截面通槽沿转子轴径向均匀分布4个叶片槽，相邻两组叶片槽相差45°的相位角。

7.根据权利要求2所述的双向拉伸形变协同作用的混合装置，其特征在于，所述第一物料出口将第一混合单元从大变小的区域与第二混合单元体积从小变大的区域连通，第二物料出口将第一混合单元从小变大的区域与第二混合单元体积从大变小的区域连通。

8.根据权利要求2所述的双向拉伸形变协同作用的混合装置，其特征在于，所述转子轴分别与圆台形内腔定子的外圆和圆台形内腔定子的外圆同心安装。

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