CN115157591B - 一种交变式拉伸混炼元件与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交变式拉伸混炼元件与方法；若干相异曲面收敛凸棱，沿周向均匀阵列于鼓形基体表面的中心区域；相异曲面收敛凸棱的两个侧面，分别为阳面和阴面；当相邻两个相异曲面收敛凸棱的阳面相对时，为单次收敛流道；当相邻两个相异曲面收敛凸棱的阴面相对时，为轴向二次收敛流道；鼓形基体外表面曲率半径先增大后减小，使进入轴向单次收敛流道和轴向二次收敛流道的熔体，在垂直于熔体流动方向上的尺寸先减小，再增大。本发明基于以拉伸流场为主导的塑化混炼过程，开设多维度、交变式的收敛流道，具有强化分散分布混合效果及塑化效果，提高加工能效，避免强剪切导致的大幅温升以及装拆便利等优势，拓宽了其在物料与加工设备方面的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物成型加工技术领域，尤其涉及一种交变式拉伸混炼元件与方法。
背景技术
注塑成型能够高效生产具有复杂表面或结构的高分子材料制品。由于注塑成型的原料大部分是含有多种功能性固体填料的多相多组分体系，如交联剂、增塑剂、发泡剂、稳定剂、导电填料及色母等，这对注塑成型加工设备的塑化***核心部件——螺杆，提出了较高要求。螺杆的混炼塑化能力影响着制品的最终性能及生产的成本。
要得到具有预期功能的多相多组分聚合物复合体系改性材料，需将各个组分以一定的粒径较为均匀地分散分布在聚合物基体中。实现这种混炼效果的两种流场为剪切流场和拉伸流场，二者常常复合共存。传统以剪切流场为主导的螺杆元件或设备通过提供强剪切作用以塑化成型聚合物，过高的剪切作用往往产生大量的粘性耗散热，且对于多相多组分体系的分散混合效果受限，容易导致物料经受的热机械历程过长发生分子链断链而降解，熔体温升幅度较大，不利于整个成型加工过程的温度控制和热能管理，因此，高分子材料的混炼塑化装置亟需突破传统螺杆的限制加以改进。目前已有大量研究表明，拉伸流场可在相同的形变速率下提供约两倍于剪切流场的作用力以实现固体团聚颗粒的破碎，具有更高的分散效率和更强的分散能力，且加工温升低、能耗低、降解少。
中国发明专利申请CN107471537A公开了一种引入拉伸流场的注塑机用螺杆混炼元件，主要通过梯形螺纹和锥形螺纹交替排布的特殊结构引入拉伸流道，迫使物料经受多次剪切拉伸作用以实现快速塑化，提高混炼效果，但其结构易产生流动死区。
中国专利号为CN211279618的实用新型专利提出了一种基于内嵌半筒组装并开设拉伸孔的混炼元件，通过设置一系列拉伸孔和分隔棱增强了聚合物分散混合效果，但其结构较为复杂。
然而，针对整台成型加工设备的优化往往改造周期长、成本高，主要面向实验室研究需要。
因此，在聚合物成型加工技术领域中，如何构建可大规模工业化生产应用的低能耗、低温升、高混合的塑化单元仍亟待研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种交变式拉伸混炼元件与方法。其针对多项多组分聚合物复合体系具有优异的混合混炼效果，能够有效缩小塑化加工过程中的温升幅度，实现良好的热能管理，同时降低分子链的降解和加工能耗，具有较广泛的物料适应性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种交变式拉伸混炼元件，包括料筒18和其内的拉伸元件基体；所述拉伸元件基体为鼓形基体1；
若干相异曲面收敛凸棱2，沿周向均匀阵列于鼓形基体1表面的中心区域；
相异曲面收敛凸棱2的两个侧面，分别为阳面7和阴面8；
当相邻两个相异曲面收敛凸棱2的阳面7相对时，所夹间隙形成多组轴向单次收敛流道5；
当相邻两个相异曲面收敛凸棱2的阴面8相对时，所夹间隙则形成多组轴向二次收敛流道4；
在鼓形基体1的两端面处，分别设置若干导料棱3；各导料棱3的导料棱侧面9之间形成多条导料通路6；导料棱3与相异曲面收敛凸棱2之间的空间形成过渡流道10；
鼓形基体1外表面12曲率半径先增大后减小，使进入轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4的熔体，在垂直于熔体流动方向上的尺寸，先逐渐减小，再逐渐增大，即熔体在鼓形基体1的径向方向先收敛变薄，再发散增厚。
相异曲面收敛凸棱2的阳面7外形曲线为椭圆曲线；椭圆曲线的长轴平行于鼓形基体1轴线。
相异曲面收敛凸棱2的阴面8外形曲线为曲率周期性变化的波浪形曲线；波浪形曲线两侧分别与对应的阳面7椭圆曲线相切。
波浪形曲线为轴对称曲线；该轴对称曲线的对称轴为阳面7椭圆曲线的短轴所在直线；
波浪形曲线的曲率半径沿鼓形基体1的轴向连续变化，在对称轴两侧至少各设有一个曲率半径极值点，且在对称轴处为曲率半径的又一极值点，以形成至少两处收敛-发散流道，使熔体物料反复经受拉伸破碎。
导料棱3的轴向截面形状为拱形，便于熔体向前流动；相邻导料棱3之间的夹角均为18°，且端面处的两组导料棱相位周期性对齐。
导料棱3的顶面为平面或者，曲率恒定或者逐渐增大的球形面；
当采用球形面时，用于在导料棱3的顶面16和连接面15及料筒18内表面13之间形成数个周向次级收敛流道14；该周向次级收敛流道14用于加强熔体流入与流出鼓形基体1时的扰动。
鼓形基体1的外表面12曲率半径沿轴向逐渐增大与减小的变化速率一致。
轴向单次收敛流道5压缩比范围为4：1～5：1；轴向二次收敛流道4压缩比范围为2：1～3：1。
导料通路6与各轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4错列设置，使熔体多次分散汇聚。
相异曲面收敛凸棱2为偶数个，且至少为四个，使得轴向单次收敛流道5与轴向二次收敛流道4数量一致；鼓形基体1两个端面的导料棱3个数与相异曲面收敛凸棱2的个数一致，即导料通路6与轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4的数量一致，使熔体流入与流出时均经过至少一次分散与汇聚。
若干相异曲面收敛凸棱2须完全相同；若干导料棱3与相异曲面收敛凸棱2的高度一致。
鼓形基体1芯部开设连接孔，便于与螺杆芯轴17定位装配。
一种聚合物熔体拉伸混炼方法，实现步骤为：
工作时，熔融的熔体物料经鼓形基体1一侧端面的导料棱3被扰乱、分割成数股料流，先进入上游位的过渡流道10，然后进入由若干相异曲面收敛凸棱2构成的轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4；
当熔体物料经过轴向单次收敛流道5时，先逐渐收敛，再逐渐发散，然后流入下游位的过渡流道10，再由鼓形基体1另一侧端面的导料棱3扰乱、分割成数股料流，直至进入下一个工序；
当熔体物料经过轴向二次收敛流道4时，先逐渐收敛、再逐渐发散、再次逐渐收敛、再次逐渐发散，使熔体物料反复拉伸破碎，然后流入下游位的过渡流道10，再由鼓形基体1另一侧端面的导料棱3扰乱、分割成数股料流，直至进入下一个工序；
当熔体物料经过轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4的同时，由于鼓形基体1外表面12曲率半径先增大后减小，使进入轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4的熔体，在垂直于熔体流动方向上的尺寸，先逐渐减小，再逐渐增大，即熔体在鼓形基体1的径向方向先收敛变薄，再发散增厚。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明拉伸元件基体为鼓形基体1；若干相异曲面收敛凸棱2，沿周向均匀阵列于鼓形基体1表面的中心区域；相异曲面收敛凸棱2的两个侧面，分别为阳面7和阴面8；当相邻两个相异曲面收敛凸棱2的阳面7相对时，所夹间隙形成多组轴向单次收敛流道5；当相邻两个相异曲面收敛凸棱2的阴面8相对时，所夹间隙则形成多组轴向二次收敛流道4；在鼓形基体1的两端面处，分别设置若干导料棱3；各导料棱3的导料棱侧面9之间形成多条导料通路6；导料棱3与相异曲面收敛凸棱2之间的空间形成过渡流道10；鼓形基体1外表面12曲率半径先增大后减小，使进入轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4的熔体，在垂直于熔体流动方向上的尺寸，先逐渐减小，再逐渐增大，即熔体在鼓形基体1的径向方向先收敛变薄，再发散增厚。
本发明上述特征，实现了以拉伸流场为主导的分散分布混合与塑化成型过程。与传统剪切流场为主导的加工方式相比，具有更高的分散效率和更强的分散能力；加工温升范围小，有效防止了分子链降解，温度仅提高1-3℃，拓宽了物料适应性；加工能耗低，节约成本。
本发明收敛流道具有交变式、多维度的突出特点。鼓形基体外表面与螺杆料筒内表面之间形成垂直方向上的轴向收敛流道；同时，若干相异曲面收敛凸棱的同名面相对排列，沿周向形成了多组单次-二次交变式轴向收敛流道；另外，鼓形基体的两端面处的若干导料棱与螺杆料筒内表面之间，又形成了数个周向次级收敛流道。因此，流入混炼元件的物料将反复经历均化、汇合与拉伸作用，从而提高物料的分散分布混合与塑化效果。
本发明提出的混炼元件能够组装于挤出机、注塑机等成型设备的螺杆芯轴上，构建多种功能的塑化***，其应用操作简便且适用范围较广。
本发明基于以拉伸流场为主的塑化混炼过程，开设多维度、交变式的收敛流道，具有强化分散分布混合效果及塑化效果，提高加工能效，避免强剪切导致的大幅温升以及装拆便利等优势，拓宽了其在物料与加工设备方面的适应性。
附图说明
图1为本发明交变式拉伸混炼元件的立体结构示意图。
图2为本发明交变式拉伸混炼元件与料筒装配示意图。
图3为图2沿A-A方向的剖面图。
图4为本发明交变式拉伸混炼元件的另一结构立体示意图。
图5为图4交变式拉伸混炼元件与料筒装配示意图。
图6为图5中A所示的局部放大示意图。
图7本发明示例性的交变式拉伸混炼元件与螺杆组合结合的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
本发明公开了一种交变式拉伸混炼元件，包括料筒18和其内的拉伸元件基体；所述拉伸元件基体为鼓形基体1；
若干相异曲面收敛凸棱2，沿周向均匀阵列于鼓形基体1表面的中心区域；
相异曲面收敛凸棱2的两个侧面，分别为阳面7和阴面8；
当相邻两个相异曲面收敛凸棱2的阳面7相对时，所夹间隙形成多组轴向单次收敛流道5；
当相邻两个相异曲面收敛凸棱2的阴面8相对时，所夹间隙则形成多组轴向二次收敛流道4；
在鼓形基体1的两端面处，分别设置若干导料棱3；各导料棱3的导料棱侧面9之间形成多条导料通路6，以快速分割流入的聚合物熔体，增加其在过渡流道中的扰动与交换；导料棱3与相异曲面收敛凸棱2之间的空间形成过渡流道10；
鼓形基体1外表面12曲率半径先增大后减小，使进入轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4的熔体，在垂直于熔体流动方向上的尺寸，先逐渐减小，再逐渐增大，即熔体在鼓形基体1的径向方向先收敛变薄，再发散增厚，以实现大尺寸分散相的有效破碎细化。
相异曲面收敛凸棱2的阳面7外形曲线为椭圆曲线；椭圆曲线的长轴平行于鼓形基体1轴线。
相异曲面收敛凸棱2的阴面8外形曲线为曲率周期性变化的波浪形曲线；波浪形曲线两侧分别与对应的阳面7椭圆曲线相切。
波浪形曲线为轴对称曲线；该轴对称曲线的对称轴为阳面7椭圆曲线的短轴所在直线；
波浪形曲线的曲率半径沿鼓形基体1的轴向连续变化，在对称轴两侧至少各设有一个曲率半径极值点，且在对称轴处为曲率半径的又一极值点，以形成至少两处收敛-发散流道，使熔体物料反复经受拉伸破碎。
导料棱3的轴向截面形状为拱形，便于熔体向前流动；相邻导料棱3之间的夹角均为18°，且端面处的两组导料棱相位周期性对齐。
导料棱3的顶面为平面或者，曲率恒定或者逐渐增大的球形面；
当采用球形面时，用于在导料棱3的顶面16和连接面15及料筒18内表面13之间形成数个周向次级收敛流道14；该周向次级收敛流道14用于加强熔体流入与流出鼓形基体1时的扰动。
鼓形基体1的外表面12曲率半径沿轴向逐渐增大与减小的变化速率一致。
轴向单次收敛流道5压缩比范围为4：1～5：1；轴向二次收敛流道4压缩比范围为2：1～3：1；导料通路6与各轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4错列设置，使熔体多次分散汇聚，迫使聚合物熔体经历多次分散汇聚作用，强化传质传热效果。这种结构，构成了物料流经多维度收敛流道，经历了更加强烈的均化、汇合与拉伸作用，进一步提升了分散分布混合与塑化效果。
相异曲面收敛凸棱2为偶数个，且至少为四个，使得轴向单次收敛流道5与轴向二次收敛流道4数量一致；鼓形基体1两个端面的导料棱3个数与相异曲面收敛凸棱2的个数一致，即导料通路6与轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4的总数一致，使熔体流入与流出时均经过至少一次分散与汇聚。
若干相异曲面收敛凸棱2须完全相同；若干导料棱3与相异曲面收敛凸棱2的高度一致，二者与料筒18内表面之间的间隙均约为0.25mm。
实际应用中，鼓形基体1芯部开设连接孔，便于与其他部件，如螺杆芯轴17定位装配。
本发明聚合物熔体拉伸混炼方法，可通过如下步骤实现：
工作时，熔融的熔体物料经鼓形基体1一侧端面的导料棱3被扰乱、分割成数股料流，先进入上游位的过渡流道10，然后进入由若干相异曲面收敛凸棱2构成的轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4；
当熔体物料经过轴向单次收敛流道5时，先逐渐收敛，再逐渐发散，然后流入下游位的过渡流道10，再由鼓形基体1另一侧端面的导料棱3扰乱、分割成数股料流，直至进入下一个工序；
当熔体物料经过轴向二次收敛流道4时，先逐渐收敛、再逐渐发散、再次逐渐收敛、再次逐渐发散，使熔体物料反复拉伸破碎，然后流入下游位的过渡流道10，再由鼓形基体1另一侧端面的导料棱3扰乱、分割成数股料流，直至进入下一个工序；
当熔体物料经过轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4的同时，由于鼓形基体1外表面12曲率半径先增大后减小，使进入轴向单次收敛流道5和轴向二次收敛流道4的熔体，在垂直于熔体流动方向上的尺寸，先逐渐减小，再逐渐增大，即熔体在鼓形基体1的径向方向先收敛变薄，再发散增厚。
本发明基于以拉伸流场为主导的塑化混炼过程，开设多维度、交变式的收敛流道，具有强化分散分布混合效果及塑化效果，提高加工能效，避免强剪切导致的大幅温升以及装拆便利等优势，拓宽了其在物料与加工设备方面的适应性。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种聚合物熔体拉伸混炼方法，其特征在于，采用交变式拉伸混炼元件实现；
所述交变式拉伸混炼元件包括料筒(18)和其内的拉伸元件基体；所述拉伸元件基体为鼓形基体(1)；
若干相异曲面收敛凸棱(2)，沿周向均匀阵列于鼓形基体(1)表面的中心区域；
相异曲面收敛凸棱(2)的两个侧面，分别为阳面(7)和阴面(8)；
当相邻两个相异曲面收敛凸棱(2)的阳面(7)相对时，所夹间隙形成多组轴向单次收敛流道(5)；
当相邻两个相异曲面收敛凸棱(2)的阴面(8)相对时，所夹间隙则形成多组轴向二次收敛流道(4)；
在鼓形基体(1)的两端面处，分别设置若干导料棱(3)；各导料棱(3)的导料棱侧面(9)之间形成多条导料通路(6)；导料棱(3)与相异曲面收敛凸棱(2)之间的空间形成过渡流道(10)；
鼓形基体(1)外表面(12)曲率半径先增大后减小，使进入轴向单次收敛流道(5)和轴向二次收敛流道(4)的熔体，在垂直于熔体流动方向上的尺寸，先逐渐减小，再逐渐增大，即熔体在鼓形基体(1)的径向方向先收敛变薄，再发散增厚；
相异曲面收敛凸棱(2)的阳面(7)外形曲线为椭圆曲线；椭圆曲线的长轴平行于鼓形基体(1)轴线；
相异曲面收敛凸棱(2)的阴面(8)外形曲线为曲率周期性变化的波浪形曲线；波浪形曲线两侧分别与对应的阳面(7)椭圆曲线相切；
波浪形曲线为轴对称曲线；该轴对称曲线的对称轴为阳面(7)椭圆曲线的短轴所在直线；
波浪形曲线的曲率半径沿鼓形基体(1)的轴向连续变化，在对称轴两侧至少各设有一个曲率半径极值点；
轴向单次收敛流道(5)压缩比范围为4：1～5：1；轴向二次收敛流道(4)压缩比范围为2：1～3：1；
导料通路(6)与各轴向单次收敛流道(5)和轴向二次收敛流道(4)错列设置，使熔体多次分散汇聚；
相异曲面收敛凸棱(2)为偶数个，且至少为四个，使得轴向单次收敛流道(5)与轴向二次收敛流道(4)数量一致；鼓形基体(1)两个端面的导料棱(3)个数与相异曲面收敛凸棱(2)的个数一致，即导料通路(6)与轴向单次收敛流道(5)和轴向二次收敛流道(4)的总数一致，使熔体流入与流出时均经过至少一次分散与汇聚；
导料棱(3)的轴向截面形状为拱形，便于熔体向前流动；相邻导料棱(3)之间的夹角均为18°；
导料棱(3)的顶面为平面或者，曲率恒定或者逐渐增大的球形面；
当采用球形面时，用于在导料棱(3)的顶面(16)和连接面(15)及料筒(18)内表面(13)之间形成数个周向次级收敛流道(14)；该周向次级收敛流道(14)用于加强熔体流入与流出鼓形基体(1)时的扰动；
所述聚合物熔体拉伸混炼步骤如下：
工作时，熔融的熔体物料经鼓形基体(1)一侧端面的导料棱(3)被扰乱、分割成数股料流，先进入上游位的过渡流道(10)，然后进入由若干相异曲面收敛凸棱(2)构成的轴向单次收敛流道(5)和轴向二次收敛流道(4)；
当熔体物料经过轴向单次收敛流道(5)时，先逐渐收敛，再逐渐发散，然后流入下游位的过渡流道(10)，再由鼓形基体(1)另一侧端面的导料棱(3)扰乱、分割成数股料流，直至进入下一个工序；
当熔体物料经过轴向二次收敛流道(4)时，先逐渐收敛、再逐渐发散、再次逐渐收敛、再次逐渐发散，使熔体物料反复拉伸破碎，然后流入下游位的过渡流道(10)，再由鼓形基体(1)另一侧端面的导料棱(3)扰乱、分割成数股料流，直至进入下一个工序；
当熔体物料经过轴向单次收敛流道(5)和轴向二次收敛流道(4)的同时，由于鼓形基体(1)外表面(12)曲率半径先增大后减小，使进入轴向单次收敛流道(5)和轴向二次收敛流道(4)的熔体，在垂直于熔体流动方向上的尺寸，先逐渐减小，再逐渐增大，即熔体在鼓形基体(1)的径向方向先收敛变薄，再发散增厚。
2.根据权利要求1所述聚合物熔体拉伸混炼方法，其特征在于：鼓形基体(1)的外表面(12)曲率半径沿轴向逐渐增大与减小的变化速率一致。
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