CN105291402A - 一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合，包括双螺杆挤压机，和设置在该双螺杆挤压机上的机筒；该机筒内设有两根平行的螺杆（6），每根螺杆（6）上均安装有多个不同规格的螺旋件；该螺杆（6）对称布设于机筒内，且转向相同，采用双螺杆旋转挤压的方式，原料被挤出过程中产生的摩擦热量少；原料所受螺杆啮合剪切作用稳定均匀；原料混合和塑料质量比较好；双螺杆啮合旋转工作，使得螺杆组合对原料的力学性能不受影响，而且节约能源，降低了生产成本。

Description

一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合
技术领域
本发明属于粉体加工设备技术领域，具体涉及一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合。
背景技术
纳米粉体母粒所包含的碳纤维材料是近年来开发的新产品。它由超细粉末材料和聚丙腈碳纤维两种成份混合组成，强度可高达250～560MPa，而一般普通粉末材料通常只有12MPa，这种粉末材料还具有重量轻、耐热性、阻燃性能好等优点，适用于各种土木建筑工程，是一种优良的结构材料，还可用于航天工程。碳纤维材料工艺流程是：破碎及预均化；生料制备、磨粉；生料均化、筛选和分级；预热分解、干燥；粉末材料熟料的烧成；粉末材料粉磨；粉末材料包装。
目前，碳纤维材料生产用的原料在机筒内所受螺杆啮合剪切作用不是很稳定，原料混合和塑料质量都比较低，严重影响该原料的性能。
针对上述技术问题，故需要进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种原料在机筒内所受螺杆啮合剪切作用稳定均匀，原料混合和塑料质量比较好，并且能保证力学性能不受影响的一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合，包括双螺杆挤压机，和设置在该双螺杆挤压机上的机筒；该机筒内设有两根平行的螺杆，每根螺杆上均安装有多个不同规格的螺旋件；该螺杆对称布设于机筒内，且转向相同，该螺杆的一端连接螺杆轴承，并由该螺杆轴承带动该螺杆转动；所述螺杆包括带有花键的花键轴、螺纹元件和捏合元件；该螺纹元件和捏合元件的内孔带有与花键轴上花键相对应的花键槽；多个不同正、反向的螺纹元件和多个不同正、反向的捏合元件按顺序排列在花键轴上，花键轴的两端将排列好的螺纹元件和捏合元件固定，所述螺杆的一端设有与花键槽槽口相匹配的螺杆头，螺杆的另一端通过螺杆轴承固定连接；该螺杆头的外径小于该螺杆的外径。
作为本发明的一种优选方案，每根螺杆可分为：输送段、熔融段、混炼段、排气段及均化段共5段，装配时，两根螺杆相位相差90°相位角。
作为本发明的一种优选方案，以Z/Y、XZ/Y、GDZ/Y表示螺纹元件为正向螺纹，Z/YL表示螺纹元件为反向螺纹，其中Z表示螺纹元件的导程，其单位为mm，Y表示螺纹元件的长度单位为mm，XZ/Y中的X表示Z的1/Y的导程；而GDZ/Y中的的GD表示螺纹元件的螺槽的槽深由深向浅过度。
作为本发明的一种优选方案，所述的以Z/Y、XZ/Y和Z/YL表示的多个不同的正、反向的螺纹元件中Z/Y、XZ/Y和Z/YL有各种不同的具体数据为：28/14,68/34，X68/34，GD34/34，44/22，L22/22，34/34。
作为本发明的一种优选方案，以＠/n/m表示正向捏合元件，＠/n/mCZ表示该捏合元件的缺口与螺杆整体在一条直线上，而＠/n/mCF表示该捏合元件的缺口与螺杆方向是斜的；＠表示捏合元件的错位角，n表示捏合块的个数，m表示整个捏合元件的长度；其具体数据为：44/5-45°，44/4-60°，28/4-60°，40-45°/5-54，40-90°/5-32，28/5-45°30/5-45°，40-44-44-CZ，40-45°/5-32，40-44/44-CF；其中，捏合元件为40-45°/5-54，＠/n/m/Q表示规格相同的正、反向捏合元件为Q个。
作为本发明的一种优选方案，所述螺杆还可以分为11个加热区，即第一加热区、第二加热区、第三加热区、第四加热区、第五加热区、第六加热区、第七加热区、第八加热区、第九加热区、第十加热区、第十一加热区；其中
第一加热区包括以下元件：28/14，68/34，68/34；
第二加热区包括以下元件：28/14，X68/34，X68/34；
第三加热区包括以下元件：X68/34，GD34/34，68/34
第四加热区包括以下元件：68/34，44/5-45°，44/4-60°，28/4-60°；
第五加热区包括以下元件：44/22，40-45°/5-54，40-90°/5-32，28/5-45°，L22/22；
第六加热区包括以下元件：44/22，44/22，28/14，30/5-45°，28/5-45°；
第七加热区包括以下元件：40-44-44-CZ，30/5-45°，40-45°/5-32，40-90°/5-32；40-44/44-CF；
第八加热区包括以下元件：44/22，44/22，28/14，44/5-45°，
第九加热区包括以下元件：44/4-60°，40-45°/5-54，L22/22，68/34
第十加热区包括以下元件：68/34，34/34，44/22
第十一加热区包括以下元件：44/22，44/22，28/14，28/14。
作为本发明的一种优选方案，所述螺杆长度为1897.5mm，直径为30mm。
本发明的有益效果是：采用双螺杆旋转挤压的方式，原料被挤出过程中产生的摩擦热量少；原料所受螺杆啮合剪切作用稳定均匀；原料混合和塑料质量比较好；双螺杆啮合旋转工作，使得螺杆组合对原料的力学性能不受影响，而且节约能源，降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合实施例的结构示意图。
图2是本发明螺纹元件的结构示意图。
图3是本发明捏合元件的结构示意图。
图中附图标记：螺杆6，花键轴6-1，螺纹元件6-2，捏合元件6-3，花键槽6-4，螺杆头6-5，螺杆轴承7。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
实施例一：如图1所示：一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合，包括双螺杆挤压机，和设置在该双螺杆挤压机上的机筒；该机筒内设有两根平行的螺杆6，每根螺杆6上均安装有多个不同规格的螺旋件；该螺杆6对称布设于机筒内，且转向相同，
该螺杆6的一端连接螺杆轴承7，并由该螺杆轴承7带动该螺杆6转动所述螺杆6包括带有花键的花键轴6-1、螺纹元件6-2和捏合元件6-3；该螺纹元件6-2和捏合元件6-3的内孔带有与花键轴6-1上花键相对应的花键槽6-4；多个不同正、反向的螺纹元件6-2和多个不同正、反向的捏合元件6-3按顺序排列在花键轴6-1上，花键轴6-1的两端将排列好的螺纹元件6-2和捏合元件6-3固定，所述螺杆6的一端设有与花键槽6-4槽口相匹配的螺杆头6-5，螺杆6的另一端通过螺杆轴承7固定连接；该螺杆头6-5的外径小于该螺杆6的外径。
每根螺杆6可分为：输送段A、熔融段B、混炼段C、排气段D及均化段P共5段，，装配时，两根螺杆6相位相差90°相位角。
输送段A，一般为输送物料，防止溢料。
熔融段B,此段通过热传递和摩擦剪切，使物料充分熔融和均化。
混炼段C，使物料组分尺寸进一步细化与均匀，形成理想的结构，具分布性与分散性混合功能。
排气段D，排出水汽、低分子量物质等杂质。
均化段P，输送和增压，建立一定压力，使模口处物料有一定的致密度，同时进一步混合，最终达到顺利挤出造粒的目的。
以Z/Y、XZ/Y、GDZ/Y表示螺纹元件6-2为正向螺纹，Z/YL表示螺纹元件6-2为反向螺纹，其中Z表示螺纹元件6-2的导程，其单位为mm，Y表示螺纹元件6-2的长度单位为mm，XZ/Y中的X表示Z的1/Y的导程；而GDZ/Y中的的GD表示螺纹元件6-2的螺槽的槽深由深向浅过度。
以Z/Y、XZ/Y和Z/YL表示的多个不同的正、反向的螺纹元件6-2中Z/Y、XZ/Y和Z/YL有各种不同的具体数据为：28/14,68/34，X68/34，GD34/34，44/22，L22/22，34/34，
以＠/n/m表示正向捏合元件6-3，＠/n/mCZ表示该捏合元件6-3的缺口与螺杆整体在一条直线上，而＠/n/mCF表示该捏合元件6-3的缺口与螺杆方向是斜的；＠表示捏合元件6-3的错位角，n表示捏合块的个数，m表示整个捏合元件6-3的长度；其具体数据为：44/5-45°，44/4-60°，28/4-60°，40-45°/5-54，40-90°/5-32，28/5-45°30/5-45°，40-44-44-CZ，40-45°/5-32，40-44/44-CF；其中，捏合元件6-3为40-45°/5-54，＠/n/m/Q表示规格相同的正、反向捏合元件为Q个。
螺杆6长度为1897.5mm，直径为30mm。
本发明的工作原理：在操作过程中，对于螺纹元件6-2的使用分为正向和反向螺纹，正向螺纹主要用于物料的输送，反向螺纹主要起到增压及物料的返混作用，螺纹元件6-2的几何参数主要有导程及螺槽深度，可分为大、中、小导程；螺槽深度有深、中、浅之分；
大导程，指螺距为1.5D~2D，小导程，指螺距为0.4D左右。
其使用规律：随着导程增加，螺杆挤出量增加，物料停留时间减少，混合效果降低。
选用大导程螺纹的场合，以输送为主的场合，利于提高产量；热敏性聚合物，缩短停留时间，减少降解；排气处选用（也有选用浅槽），增大表面积，利于排气，挥发等。
选用中导程螺纹场合，以混合为主的场合，具不同的工作段逐渐缩小的组合，用于输送和增压。
选取用小导程螺纹的场合，为一般是组合上逐渐减小，用于输送段和均化计量段，起到增压，提高熔融；提高混合物化程度及挤出稳定。
对于捏合元件6-3是双螺杆挤压机的关键元件，其主要作用是提供强剪切力，物料通过捏合元件6-3的剪切力的剪切作用实现高度分散，物料通过捏合区时，其界面与剪切方向不同，由于剪切作用使物料不断更新界面，使物料细化和均匀。
方向，分正向和反向。反向，对物料的输送有阻碍作用，起到延长时间，提高填充增大压力，大大提高混炼效果的作用。
角度，一般有“30°、45°、60°、90°”之分，其作用与效果：正向时，增大交错角，将降低输送能力，延长停留时间，提高混炼效果，但越易漏流。对于分布混合与分散混合而言，分布混合随着角度大而更加有效，分散混合在角度45。时最好，其次是30。，最差是60。
反向时，增大角度，将减少聚合物之有效限制，但越易漏流。
螺棱宽度一般有7mm、11mm、11.2mm、14mm、19mm等等，这是衡量剪切大小和混合大小的一个最重要参数之一，宽度越大剪切越大混合越小；宽度越小剪切越小混合越大。对于分布混合与分散混合而言，分布混合，随宽度增大而有效性减少，分散混合随宽度增而有效性增大；宽度越小，物料轴向有效流量和径向有效流量之比随之增大。
头数，一般分单头、双头、三头。其作用效果：
正向时，头数越少，挤出输送能力越大，扭矩越大，混合特性也越优，但剪切作用越少。
反向时，头数越少，挤出输送能力越小，混合特性越优。二头螺纹可主来挤塑，受热均匀且又是短，自洁性能好（常用的）。三头螺纹，能灵活选择物料在机角的压力和温度分布，加纤稳定，排气表面更新效果好，但产量低。
螺杆6的分段及其功能：在第一加热区E段，主要是起到输送物料和防止溢料；包括以下元件：28/14，68/34，68/34；在该区段，由于物料聚合物原料形态差异，需要较大的容料空间以适应加料量的调整，防止物料在进料口堆积产生溢料，由于本发明采用11段加热方式，在此区域螺纹的导程由小到大，采用中等螺槽大导程正向螺纹即可。
在第二加热区F段，主要是起到输送物料的一个平衡过度；包括以下元件：28/14，X68/34，X68/34；基本和第一加热区E段类似，所不同的是由于是平衡过度，所需导程相对应的就会减少，此区的螺槽容积变化由大到小，还是采用中等螺槽大导程正向螺纹。
在第三加热区G段，主要是起到输送物料的一个平衡过度的同时，也要为物料的充分熔融准备；包括以下元件：X68/34，GD34/34，68/34；延续第二加热区F段，为下一阶段的熔融准备，由小导程到大的导程逐渐过度，采用深槽正向螺纹将松散的粉状物料压实或提高颗粒物料在螺杆6中的充满度，以促进物料在下一区域内的熔融。
在第四加热区H段，通过热传递和摩擦剪切，开始为物料的充分熔融和均化进行，包括以下元件：68/34，44/5-45°，44/4-60°，28/4-60°；由输送区到受压后开始熔融的准备，开始发生混合，为物料的热源提供保证，在此区间，设置螺纹元件6-2，不同角度的捏合元件6-3。
在第五加热区I段，通过热传递和摩擦剪切，使物料的充分熔融和均化，包括以下元件：44/22，40-45°/5-54，40-90°/5-32，28/5-45°，L22/22；此区段，物料经输送区受到一定的压缩比后开始熔融，并发生混合，使物料熔融的热源有两种来源，一是机筒加热提供的外加热，另一个是螺杆6的外剪力产生的，此区间设置反向捏合元件6-3，为下一区段准备。
在第六加热区J段，为混炼物料准备，使物料逐渐变细，包括以下元件：44/22，44/22，28/14，30/5-45°，28/5-45°；物料经熔融后处于融化状态，共混体系各组分之间的混合从熔融开始混合，分散相聚合物尺寸发生变化。
在第七加热区K段，混炼物料，使物料尺寸进一步细化与均匀，形成理想的结构，包括以下元件：40-44-44-CZ，30/5-45°，40-45°/5-32，40-90°/5-32；40-44/44-CF；经熔融后的物料处于融化状态，从初级毫米级的宏观粒子到熔融结束时的微米级，该区域作用就是将组分进一步细化和匀化，因此，该区域的元件组合以捏合元件6-3为主。
在第八加热区L段，此区域为物料排气区的初始部分，包括以下元件：44/22，44/22，28/14，44/5-45°，排气区的物料流动特征是完全熔融状态的物料经压缩后突然减压，可挥发性物料在真空条件下迅速挥发，脱离熔体。
在第九加热区M段，包括以下元件：44/4-60°，40-45°/5-54，L22/22，68/34，在紧邻排气区开始位置设置反螺纹元件6-2或反向捏合元件6-3，将熔体密封，建立起高压；排气区采用大导程螺纹元件6-3，以形成低充满度和薄的熔体区，使物料有可暴露的自由表面，以利于气体的排放。
在第十加热区N段，包括以下元件：68/34，34/34，44/22，第十一加热区O段，包括以下元件：44/22，44/22，28/14，28/14；该两段主要用于熔体输送和增压，建立一定压力，使模口处物料有一定的致密度，同时进一步混合，最终达到顺利挤出造粒的目的，此区的螺杆6构型应通过螺纹元件6-2导程渐变或螺槽渐变来实现增压。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记螺杆6，花键轴6-1，螺纹元件6-2，捏合元件6-3，花键槽6-4，螺杆头6-5，螺杆轴承7等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合，包括双螺杆挤压机，和设置在该双螺杆挤压机上的机筒；该机筒内设有两根平行的螺杆（6），每根螺杆（6）上均安装有多个不同规格的螺旋件；该螺杆（6）对称布设于机筒内，且转向相同，该螺杆（6）的一端连接螺杆轴承（7），并由该螺杆轴承（7）带动该螺杆（6）转动；其特征在于：所述螺杆（6）包括带有花键的花键轴（6-1）、螺纹元件（6-2）和捏合元件（6-3）；该螺纹元件（6-2）和捏合元件（6-3）的内孔带有与花键轴（6-1）上花键相对应的花键槽（6-4）；多个不同正、反向的螺纹元件（6-2）和多个不同正、反向的捏合元件（6-3）按顺序排列在花键轴（6-1）上，花键轴（6-1）的两端将排列好的螺纹元件（6-2）和捏合元件（6-3）固定，所述螺杆（6）的一端设有与花键槽（6-4）槽口相匹配的螺杆头（6-5），螺杆（6）的另一端通过螺杆轴承（7）固定连接；该螺杆头（6-5）的外径小于该螺杆（6）的外径。
2.按权利要求1所述的一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合，其特征在于：每根螺杆（6）可分为：输送段（A）、熔融段（B）、混炼段（C）、排气段（D）及均化段（P）共5段，，装配时，两根螺杆（6）相位相差90°相位角。
3.按权利要求1所述的一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合，其特征在于：以Z/Y、XZ/Y、GDZ/Y表示螺纹元件（6-2）为正向螺纹，Z/YL表示螺纹元件（6-2）为反向螺纹，其中Z表示螺纹元件（6-2）的导程，其单位为mm，Y表示螺纹元件（6-2）的长度单位为mm，XZ/Y中的X表示Z的1/Y的导程；而GDZ/Y中的的GD表示螺纹元件（6-2）的螺槽的槽深由深向浅过度。
4.按权利要求3所述的一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合，其特征在于：所述的以Z/Y、XZ/Y和Z/YL表示的多个不同的正、反向的螺纹元件（6-2）中Z/Y、XZ/Y和Z/YL有各种不同的具体数据为：28/14,68/34，X68/34，GD34/34，44/22，L22/22，34/34。
5.按权利要求1所述的一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合，其特征在于：以＠/n/m表示正向捏合元件（6-3），＠/n/mCZ表示该捏合元件（6-3）的缺口与螺杆整体在一条直线上，而＠/n/mCF表示该捏合元件（6-3）的缺口与螺杆方向是斜的；＠表示捏合元件（6-3）的错位角，n表示捏合块的个数，m表示整个捏合元件（6-3）的长度；其具体数据为：44/5-45°，44/4-60°，28/4-60°，40-45°/5-54，40-90°/5-32，28/5-45°30/5-45°，40-44-44-CZ，40-45°/5-32，40-44/44-CF；其中，捏合元件（6-3）为40-45°/5-54，＠/n/m/Q表示规格相同的正、反向捏合元件为Q个。
6.按权利要求2所述的一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合，其特征在于：所述螺杆（6）还可以分为11个加热区，即第一加热区（E）、第二加热区（F）、第三加热区（G）、第四加热区（H）、第五加热区（I）、第六加热区（J）、第七加热区（K）、第八加热区（L）、第九加热区（M）、第十加热区（N）、第十一加热区（O）；其中
第一加热区（E）包括以下元件：28/14，68/34，68/34；
第二加热区（F）包括以下元件：28/14，X68/34，X68/34；
第三加热区（G）包括以下元件：X68/34，GD34/34，68/34
第四加热区（H）包括以下元件：68/34，44/5-45°，44/4-60°，28/4-60°；
第五加热区（I）包括以下元件：44/22，40-45°/5-54，40-90°/5-32，28/5-45°，L22/22；
第六加热区（J）包括以下元件：44/22，44/22，28/14，30/5-45°，28/5-45°；
第七加热区（K）包括以下元件：40-44-44-CZ，30/5-45°，40-45°/5-32，40-90°/5-32；40-44/44-CF；
第八加热区（L）包括以下元件：44/22，44/22，28/14，44/5-45°，
第九加热区（M）包括以下元件：44/4-60°，40-45°/5-54，L22/22，68/34
第十加热区（N）包括以下元件：68/34，34/34，44/22
第十一加热区（O）包括以下元件：44/22，44/22，28/14，28/14。
7.按权利要求6所述的一种用于纳米粉体母粒加工的螺杆组合，其特征在于：所述螺杆（6）长度为1897.5mm，直径为30mm。
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