CN105922538A - 用于聚合物的发泡工艺的挤出机螺杆以及具有这样的螺杆的挤出机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于聚合物的发泡工艺的挤出机螺杆以及具有这样的螺杆的挤出机。该螺杆依次包括加料段、压缩段、计量段和螺杆头部，其中在从加料段到螺杆头部的方向上，在计量段的整个长度上或者在其一部分长度上，计量段的垂直于螺杆轴线的截面积减小。本发明的螺杆特别适合于具有发泡过程的挤出成型工艺，特别是可以在不降低生产效率的情况下避免气体逃逸到表面，并且避免计量段的温度因剪切热而升高。

Description

用于聚合物的发泡工艺的挤出机螺杆以及具有这样的螺杆的挤出机
技术领域
本发明涉及用于聚合物的发泡工艺的挤出机螺杆，更具体地说涉及用于聚合物的具有发泡过程的挤出成型工艺的螺杆。本发明还涉及采用该螺杆的挤出机。
背景技术
近年来，人们对塑料制品的要求不断提高，特别是在节能环保方面，要求在满足制品的使用要求的同时尽可能降低生产成本，提高资源利用率，实现绿色制造。在常规的塑料成型工艺中增加发泡工艺是一种重要的绿色环保生产方式，它与非发泡的工艺相比显著降低了原料消耗，降低了环境压力。但是发泡工艺同时也具有导致生产效率降低的缺点。
在聚合物的挤出成型加工中，影响塑化过程的主要因素包括螺杆转速、螺杆背压和料筒温度。螺杆是挤出工艺中的重要塑化部件，是提供压力的场所，在成型加工过程中起到至关重要的作用。聚合物在挤出机的料筒中分三种形态：玻璃态、高弹态、粘流态，对应的螺杆分为三段：加料段、压缩段和计量段。在具有发泡过程的挤出成型工艺中，发泡气体在挤出机料筒的压缩段和计量段发生生成和分散的过程。气体在聚合物中的生成过程是固态发泡剂的分解过程，需要外部料筒加温和螺杆的剪切热，而在计量段中螺杆的剪切提供气体在聚合物中的分散过程。如果在计量段中聚合物温度高，呈现流体状态，就无法给气体提供压力并保持气体均匀分散于聚合物物料中，导致气体逃逸到表面。为了避免这一点，与不具有发泡过程的挤出成型工艺相比，计量段的热量必须减少，也就是外部供热量要下降。但是从压缩段带来的热量无法移走，如果迅速移走，将导致压缩段的热量减少，并导致塑化不良。因此普遍采用降低螺杆转数、减少外部供热的方式，从而导致制品的产量大大降低。这也是采用发泡工艺后导致生产效率降低的重要原因。
发明内容
因此，本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种特别适合于聚合物的发泡工艺的螺杆。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：螺杆依次包括加料段、压缩段、计量段和螺杆头部，其中在从加料段到螺杆头部的方向上，在计量段的整个长度上或者在其一部分长度上，计量段的垂直于螺杆轴线的截面积减小。
本发明还提出了采用本发明的螺杆的挤出机，特别是单螺杆挤出机。
在现有技术的螺杆中，在聚合物物料的挤出方向上，计量段的截面积基本上保持恒定，甚至略微增大。相反，在本发明的技术方案中，螺杆的计量段的截面积在计量段的整个长度上或者在其一部分长度上减小。本发明人发现，这样的螺杆特别适合于具有发泡过程的挤出成型工艺，特别是可以在不降低生产效率的情况下避免以上所述的气体逃逸到表面的弊端，并且避免计量段的温度因剪切热而升高。
根据本发明的一种实施方案，螺杆的尾部还可以包括螺杆光杆部分。螺杆光杆部分的尾部可以开有槽键，通过槽键和槽将螺杆安装在挤出机上。
根据本发明的另一种实施方案，螺杆的计量段和螺杆头部之间还可以具有混炼段。混炼段可以采用两个多头螺纹斜槽型屏障段，螺纹上的正向槽沟截面形状可以采用常规槽沟,优选弧形。混炼段能形成强烈的剪切作用，让熔体在槽中形成涡流，混合更加均匀。同时，这种混炼结构有利于提高产量。
根据本发明的另一种实施方案，螺杆的长径比为18至40，优选20至35，更优选26至28。
根据本发明的另一种实施方案，螺杆的计量段的垂直于螺杆轴线的最大截面积与最小截面积之比为2:1至1.2:1，优选1.8:1至1.5:1。
根据本发明的另一种实施方案，螺杆的计量段的截面积减小发生在计量段的起始处或者靠近起始处，例如计量段总长的前四分之一范围内。
根据本发明的另一种实施方案，螺杆的计量段的垂直于螺杆轴线的截面积还发生增大的过程。优选的是，螺杆的计量段的垂直于螺杆轴线的截面积先减小后增大。
根据本发明的另一种实施方案，螺杆的加料段的长度可以为5D至10D，优选6D至8D；螺杆的压缩段的长度可以为5D至10D，优选6D至8D；螺杆的计量段的长度可以为5D至10D，优选6D至8D。其中D为螺杆的加料段的直径或者加料段的平均直径。
根据本发明的另一种实施方案，在从加料段到螺杆头部的方向上，螺杆的计量段的垂直于螺杆轴线的截面积可以连续地减小，也可以间歇性地或者突变性地减小，也就是可以存在一个或多个截面积保持恒定的区段。
不同的气体在不同的聚合物中溶解度不一样，这与发泡剂的选型有关系。目前市面上的发泡剂产生的气体主要以氮气、二氧化碳为主，品种有放热型偶氮二甲酰胺、吸热型的柠檬酸类及小苏打类型。氮气溶解度低，二氧化碳溶解度高，吸热型的发泡剂更容易解决计量段的温升问题。因此，根据本发明的螺杆的设计参数可以针对不同的发泡剂进行优化。
根据本发明的螺杆的工作过程如下：混有发泡剂的聚合物固体料通过料仓进入螺杆进料段，在料筒与螺杆进料段、压缩段的螺槽的共同作用力下压实。在料筒加热圈和剪切热的共同作用下，聚合物逐渐熔融，固态发泡剂逐渐分解，产生的气泡混合进入熔体中。带有气泡的熔体在计量段获得更大容积进行气泡的包覆和均匀混合，均化形成稳定的带气泡聚合物熔体流。通过混炼段时，在大输送角和导程的多头螺纹作用下，气体快速剪切变小并快速溶解到聚合物熔体中，形成气体-聚合物均相溶液。
附图说明
图1是根据本发明的一种挤出机螺杆的示意图，其中计量段从起始处突变为具有较小的截面，之后截面又增大。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明。但应理解，以下实施例仅是对本发明实施方式的举例说明，而非对本发明的范围限定。
在实施例中，除非特别说明，所有原料均为市售。实施例中的歧化聚丙烯为自制，采用公知方法；均聚聚丙烯采购自独山子石化公司T30S，共聚聚丙烯采购自独山子公司，型号为K8003；POE采购自陶氏化学公司，型号为Engage 8842；EPDM采购自美国杜邦公司，型号为3722；SBS采购自巴陵石化公司，型号为YH-815；SEBS采购自美国科腾热塑性弹性体公司，型号为SEBS1650；EVA采购自韩国现代石油化学公司，型号为430；高抗冲聚苯乙烯采购自镇江奇美，型号为PH88。
实施例中的粒状发泡剂、增容剂或者成核剂均是由相应的粉状物料按照公知技术在双螺杆造粒机中熔融挤出后造粒制得。
实施例
原料配比：均聚聚丙烯40％，歧化聚丙烯20％，嵌段共聚聚丙烯39.5％，发泡剂0.5％。其中，均聚聚丙烯熔融指数为0.5g/10min，共聚聚丙烯熔融指数为0.5g/10min，歧化聚丙烯为熔融指数1.0g/10min的化学改性聚丙烯(自制)；发泡剂为柠檬酸和碳酸氢钠的等摩尔混合物，细度为2000目。
制备方法：
发泡料预混：将均聚、共聚聚丙烯、发泡剂置于混料机中低速搅拌，10分钟后取出待用；
发泡瓶的吹塑：将步骤A得到的预混料投入螺杆直径50mm、长径比22:1、压缩比为3:1的挤出机加料口，其中该螺杆为图1所示的根据本发明的挤出机螺杆，计量段分为具有较小截面的部分和具有较大截面的部分，较小截面部分的长度为计量段总长度的1/2，较小截面的截面积为较大截面的截面积的1/2。料筒温度为170、186、194、203、210℃，口模温度为192、195℃，螺杆转速为120转/分钟，吹胀比为2:1，经过吹塑成型模具得到中空吹塑成型体；经跟踪检测，生成过程无异味散发，吹出的瓶子厚度0.3mm，密度0.8g/cm3，计算得到中空吹塑成型体的发泡倍率为1.1。
对比例
除了使用的螺杆为现有技术的螺杆以外，其余均与以上实施例相同。该现有技术的螺杆与以上实施例中使用的本发明螺杆的区别仅在于其计量段没有截面较小的部分，即整个计量段只有截面较大的部分，且截面积保持恒定，而计量段的总长度与以上实施例中相同。
在120转/分钟的螺杆转速情况下，得到的中空吹塑成型体的表面具有气泡破孔等表面缺陷。只有在80转/分钟或者更低的转速下才能得到合格产品。
从实施例和对比例可以看出，采用本发明的螺杆提高了生产效率。

Claims (10)

1.用于聚合物的发泡工艺的挤出机螺杆，其依次包括加料段、压缩段、计量段和螺杆头部，其中在从加料段到螺杆头部的方向上，在计量段的整个长度上或者在其一部分长度上，计量段的垂直于螺杆轴线的截面积减小。
2.根据权利要求1的挤出机螺杆，其特征在于，在从加料段到螺杆头部的方向上，螺杆的计量段的垂直于螺杆轴线的截面积连续地或者间歇性地或者突变性地减小。
3.根据权利要求1的挤出机螺杆，其特征在于，螺杆的计量段的垂直于螺杆轴线的最大截面积与最小截面比之比为2:1至1.2:1，优选1.8:1至1.5:1。
4.根据权利要求1至3之一的挤出机螺杆，其特征在于，螺杆的计量段的截面积减小发生在计量段的起始处或者靠近起始处，例如计量段总长的前四分之一范围内。
5.根据权利要求1至3之一的挤出机螺杆，其特征在于，螺杆的计量段的垂直于螺杆轴线的截面积还发生增大的过程，优选的是螺杆的计量段的垂直于螺杆轴线的截面积先减小后增大。
6.根据权利要求1至3之一的挤出机螺杆，其特征在于，螺杆的加料段的长度为5D至10D，优选6D至8D；螺杆的压缩段的长度为5D至10D，优选6D至8D；螺杆的计量段的长度为5D至10D，优选6D至8D；其中D为螺杆的加料段的直径或者加料段的平均直径。
7.根据权利要求1至3之一的挤出机螺杆，其特征在于，螺杆的尾部包括螺杆光杆部分，螺杆光杆部分的尾部开有槽键，通过槽键和槽将螺杆安装在挤出机上。
8.根据权利要求1至3之一的挤出机螺杆，其特征在于，螺杆的计量段和螺杆头部之间具有混炼段，混炼段采用两个多头螺纹斜槽型屏障段。
9.根据权利要求1至3之一的挤出机螺杆，其特征在于，螺杆的长径比为18至40，优选20至35，更优选26至28。
10.挤出机，特别是单螺杆挤出机，其具有根据权利要求1至9之一的挤出机螺杆。
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