基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法及設備

《基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法及設備》是華南理工大學於2008年1月25日申請的專利，該專利的申請號為200810026054X，公布號為CN101219565，授權公布日為2008年7月16日，發明人是瞿金平。

《基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法及設備》通過一組具有確定幾何形狀的空間，它們的容積可以依次由小到大再由大到小周期性變化，容積變大時納入物料，容積變小時壓實、塑化並排出物料，實現正應力起主要作用的物料塑化輸運。由具有圓柱內腔的定子、置於定子內腔中並與定子偏心的轉子、布置在轉子的直徑方向並沿圓周方向均勻分布的若干葉片和布置在定子兩側的擋料盤組成葉片塑化輸運單元。定子內表面、轉子外表面、兩葉片及兩擋料盤圍成上述具有確定幾何形狀的空間。葉片塑化輸運單元可與各種螺桿擠壓單元或各種柱塞注射單元組合成擠出機或注射機的葉片塑化注射裝置，具有物料熱機械歷程短、能耗低、適應性廣以及體積小等特點。

2014年11月6日，《基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法及設備》獲得第十六屆中國專利金獎。

（概述圖為《基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法及設備》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法及設備
• 公布號：CN101219565
• 公布日：2008年7月16日
• 申請號：200810026054X
• 申請日：2008年1月25日
• 申請人：華南理工大學
• 地址：廣東省廣州市天河區五山路381號
• 發明人：瞿金平
• Int.Cl.：B29B7/00（2006.01）、B29B7/16（2006.01）、B29B7/44（2006.01）、B29C47/36（2006.01）、B29C47/58（2006.01）等
• 代理機構：廣州粵高專利代理有限公司
• 代理人：何淑珍
• 類別：發明專利

專利背景

高分子材料成型加工是高能耗過程作業，2008年1月前普遍採用螺桿機械，如螺桿擠出機、螺桿注射機等，但無論是擠出相關的各種製品加工，還是注射、壓延等製品加工，塑膠原料都必須經過輸送、熔融塑化這一基本和共性的過程，這一過程所用能量占高分子材料加工能耗的絕大部分。在螺桿機械中物料塑化輸運主要是靠螺桿旋轉時對物料的拖曳作用，固體輸送為摩擦拖曳，熔體輸送為粘性拖曳，物料的速度梯度與其流動和變形方向垂直，這種流動與變形主要受剪下應力支配。因此可以認為2008年1月前普遍採用的螺桿機械是基於剪下流變的高分子材料螺桿塑化輸運設備，無可避免地存在塑化輸運能力強烈依賴於物料與金屬料筒表面之間的摩擦力和物料內摩擦力的問題。這兩類問題又依賴於物料自身的物理性能和過程作業工藝條件。在螺桿機械中通常採取對料筒的固體輸送段開槽以增加與物料的摩擦力、增大螺桿長徑比、最佳化螺桿結構等措施可以在一定程度上解決上述問題。但這些措施又勢必造成物料塑化輸運所經歷的熱機械歷程加長、能耗增加、設備結構體積大等缺陷。

高分子材料動態成型加工設備在一定程度上縮短了成型加工過程中物料所經歷的熱機械歷程，降低了成型加工過程中物料的流動阻力，從而使得塑化輸運能耗降低、塑化能力提高。但高分子材料動態成型加工機械本質上還是基於剪下流變的螺桿塑化輸運設備，無法從根本上解決塑化輸運能力依賴於物料與金屬料筒表面之間的摩擦力和物料內摩擦力的問題，因此，其降低塑化輸運能耗與提高塑化輸運能力的空間也很有限。

發明內容

專利目的

《基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法及設備》的目的在於提供一種基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法，以解決高分子材料成型加工過程中物料經歷的熱機械歷程長、能耗高的問題。

該發明的目的還在於提供實現所述方法的一種基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運設備。

技術方案

《基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法及設備》的一種基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法是利用一組具有確定幾何形狀的空間，它們的容積可以依次由小到大再由大到小周期性變化，容積變大時納入物料，容積變小時壓實、塑化並排出物料，實現正應力起主要作用的物料塑化輸運。

實現上述方法的一種設備結構如下：採用具有圓柱內腔的空心定子、置於定子內腔中並與定子偏心的圓柱形轉子、布置在轉子的徑向矩形截面通孔中若干沿轉子圓周方向均勻分布的葉片以及在定子兩側布置並與定子同心安裝的擋料盤等零件組成一個葉片塑化輸運單元。該葉片塑化輸運單元中，轉子與定子的偏心距可以調整改變，其值大於0小於定子內腔半徑與轉子半徑之差；定子內表面、轉子外表面、兩葉片及兩擋料盤圍成了上述方法中提到的具有確定幾何形狀的空間，轉子旋轉時，在轉子直徑上的一對葉片由於外側頂面受定子的內表面約束在轉子徑向矩形截面通孔內往復移動，致使上述的空間容積由小到大再由大到小周期性變化；該空間容積由小變大時物料被逐漸納入，該空間容積由大變小時物料在正應力的主要作用下被研磨、壓實、排氣，同時在來自定子的外加熱輔助作用下熔融塑化並被排出，實現物料在很短的熱機械歷程內完成塑化輸運過程。在該空間容積由小到大再由大到小周期性變化時，物料在流動和變形過程中通過的截面積也由小到大再由大到小周期性變化，因此物料的速度梯度與其流動和變形方向一致，這種流動與變形主要受正應力支配，可以認為這是基於拉伸流變的葉片塑化輸運過程。多個葉片輸送塑化單元串聯疊加可以組合成全葉片塑化輸運擠出機，葉片塑化輸運單元與各種螺桿擠壓單元或各種柱塞注射單元可以組合成各種擠出機或注射機的葉片塑化注射裝置。

改善效果

《基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法及設備》採用基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法及設備，解決了螺桿塑化輸運過程中塑化能力主要依賴物料與金屬料筒表面之間的摩擦力和物料內摩擦力的問題，與螺桿塑化輸運技術及設備相比，具有如下優點：

1、完成塑化輸運過程所經歷的熱機械歷程縮短，塑化輸運能耗降低；

2、塑化輸運靠特定形狀的空間容積變化完成，具有完全正位移特性，效率提高；

3、塑化輸運過程在很短的熱機械歷程內完成，相應的塑化輸運設備體積縮小；

4、塑化輸運能力不依賴於物料的物理特性，塑化輸運穩定性提高，對物料適應性提高。

附圖說明

圖1為從擋料盤缺口納入物料的葉片塑化輸運單元結構示意圖；

圖2為從擋料盤缺口納入物料的葉片塑化輸運單元的A——A剖視圖；

圖3為從定子缺口納入物料的葉片塑化輸運單元結構示意圖；

圖4為從定子缺口納入物料的葉片塑化輸運單元的B——B剖視圖；

圖5為全葉片塑化擠出機結構示意圖；

圖6為全葉片塑化擠出機C——C剖視圖；

圖7為葉片、螺桿組合塑化擠出機結構示意圖；

圖8為葉片塑化注射裝置結構示意圖。

權利要求

1.一種基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法，其特徵在於通過一組具有確定幾何形狀的空間，它們的容積可以依次由小到大再由大到小周期性變化，容積變大時納入物料，容積變小時壓實、塑化並排出物料，實現正應力起主要作用的物料塑化輸運。

2.一種實現權利要求1所述方法的設備，其特徵在於由一個或一個以上葉片塑化輸運單元組合構成，所述葉片塑化輸運單元主要由具有圓柱內腔的空心定子(1)、圓柱形轉子(2)、葉片(3)、擋料盤(4)和擋料盤(5)構成，其中轉子(2)置於定子(1)的內腔並與定子(1)偏心，若干葉片(3)沿圓周方向均布在轉子(2)的徑向矩形截面通孔中，定子(1)兩側分別設擋料盤(4)和擋料盤(5)。

3.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於轉子(2)與定子(1)的偏心量(e)可調，範圍在大於0小於定子(1)內腔半徑與轉子(2)半徑之差之間。

4.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於葉片(3)在轉子(2)直徑上成對布置，不少於兩對，一對葉片(3)的總高度小於定子(1)圓柱內腔直徑，兩葉片(3)內側底面相互接觸，轉子(2)旋轉時兩葉片(3)外側頂面受定子(1)的內表面約束在轉子(2)的徑向矩形截面通孔內往復移動。

5.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於轉子(2)旋轉時，由定子(1)內表面、轉子(2)外表面、葉片(3)、擋料盤(4)和擋料盤(5)圍成的空間容積由小變大再由大變小周期性變化。

6.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於定子(1)兩側布置的擋料盤(4)和擋料盤(5)上分別開設有進料缺口(A)和出料缺口(B)，進料缺口(A)對應於葉片(3)逐漸移出轉子(2)的區域(C)，出料缺口(B)對應於葉片(3)逐漸移入轉子(2)的區域(D)。

7.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於定子(1)一側布置的擋料盤(5)上開設有出料缺口(B)，定子(1)上開設有進料口(AA)，並且對應於葉片(3)逐漸移出轉子(2)的區域(C)。

8.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於多個葉片塑化輸運單元可疊加組合成擠出機。

9.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於：葉片塑化輸運單元可與各種螺桿擠壓單元或各種柱塞注射單元組合成擠出機或注射機的葉片塑化注射裝置。

實施方式

實施例1

參考圖1、圖2，葉片塑化輸運單元主要由具有圓柱內腔的空心定子1、置於定子1內腔中並與定子1偏心的圓柱形轉子2、布置在轉子2的徑向矩形截面通孔中兩對沿轉子2圓周方向均勻分布的葉片3、布置在轉子兩側的擋料盤4和擋料盤5等組成。轉子2偏心安裝在空心定子1中，轉子2與定子1的偏心量可以調整，其值大於0小於定子內腔半徑與轉子半徑之差，葉片3成對安裝在轉子2的徑向矩形截面通孔中，兩葉片內側底面相互接觸，外部頂面與定子的內表面接觸。當轉子2逆時針方向旋轉時，在轉子2直徑上的一對葉片3由於外側頂面受定子1的內表面約束在轉子徑向矩形截面通孔內往復移動，致使定子1內表面、轉子2外表面、葉片3、擋料盤4和擋料盤5圍成的空間容積由小變大再由大變小周期性變化。在葉片3逐漸移出轉子2的區域C內，容積由小變大；在葉片3逐漸移入轉子2的區域D內，容積由大變小。當容積由小變大時可以通過擋料盤4上的進料缺口A納入高分子材料，容積由大變小時，物料在正應力的主要作用下被研磨、壓實、排氣、塑化，同時在來自定子的外加熱輔助作用下塑化熔融，並由擋料盤5上的出料缺口B排出。

參考圖3與圖4，容積由小變大時通過定子1上的進料口AA納入物料；容積由大變小時，物料在拉(壓)應力的主要作用下被研磨、壓實、排氣，同時在來自定子的外加熱輔助作用下塑化熔融，並由擋料盤5上的出料缺口B排出。

實施例2

參考圖5與圖6，全葉片塑化擠出機主要由葉片塑化輸運單元I、II、III和驅動軸1、料斗2、過渡套3、分流器4等零件組成。葉片塑化輸運單元I、II、III串聯疊加安裝。塑化輸運單元I的擋料盤5與塑化輸運單元II的擋料盤4同心固定連線，塑化輸運單元II的擋料盤5與塑化輸運單元III的擋料盤4同心固定連線，過渡套8與塑化輸運單元III的擋料盤5同軸固定連線。塑化輸運單元I的定子1相對於轉子2的偏心方向與塑化輸運單元II的定子1相對於轉子2的偏心方向相反，塑化輸運單元III的定子1相對於轉子2的偏心方向與塑化輸運單元II的定子1相對於轉子2的偏心方向相反。各塑化輸運單元的轉子2同軸固定連線，驅動軸1與塑化輸運單元I的轉子2同軸固定連線。分流器4被置於過渡套3的圓柱內腔中並與塑化輸運單元III的轉子2同軸固定連線。料斗2被固定安裝在塑化輸運單元I的定子1上。塑化輸運單元I的擋料盤5上的出料缺口B與塑化輸運單元II的擋料盤4上的進料缺口A相連通，塑化輸運單元II的擋料盤5上的出料缺口B與塑化輸運單元III的擋料盤4上的進料缺口A相連通。驅動軸1帶動塑化輸運單元I、II、III的轉子2旋轉時，來自料斗2的物料被納入葉片塑化輸運單元I，經塑化後依次進入塑化輸運單元II、III中被進一步塑化和均化，再經連線在過渡套3上的模具擠出、冷卻、定型得到製品。

實施例3

參考圖7，葉片、螺桿組合塑化擠出機主要由葉片塑化單元I、螺桿擠壓單元II和驅動軸1、料斗2等零件組成，其中，螺桿擠壓單元II由料筒3、螺桿4組成。葉片塑化輸運單元I和螺桿擠壓單元II串聯疊加安裝，螺桿擠壓單元II的料筒3與葉片塑化單元I的擋料盤5同軸固定連線，螺桿擠壓單元II的螺桿4與葉片塑化單元I的轉子2同軸固定連線3，驅動軸1與塑化輸運單元I的轉子2同軸固定連線。料斗2被固定安裝在塑化輸運單元I的定子1上。驅動軸1帶動塑化輸運單元I的轉子2和螺桿擠壓單元II的螺桿4旋轉時來自料斗2的物料被納入葉片塑化輸運單元I，經塑化後進入螺桿擠壓單元II中進一步塑化和均化，再經連線在螺桿擠壓單元II的料筒3上的模具擠出、冷卻、定型得到製品。

實施例4

參考圖8，葉片塑化注射裝置主要由全葉片塑化擠出機I、柱塞注射單元II和集料器1組成，其中，柱塞注射單元由注射油缸2、注射活塞3、注射料筒4、噴嘴5等零件組成。集料器1的進料端面與全葉片塑化擠出機I的過度套3上的出料端面固定連線，集料器1的出料端面與柱塞注射單元II的注射料筒4的進料端面固定連線。由全葉片塑化擠出機I塑化好的熔體經過集料器1進入柱塞注射單元II的注射料筒4中，在熔體的壓力下柱塞注射單元II的注射活塞3後退，當柱塞注射單元II的注射料筒4中儲料量達到注射製品要求的計量值時全葉片塑化擠出機I停止塑化，注射機的塑化計量工序結束。待注射機完成充模、保壓工序後，在制品冷卻階段全葉片塑化擠出機I開始塑化，注射機開始製品成型的新一個周期。

榮譽表彰

2014年11月6日，《基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法及設備》獲得第十六屆中國專利金獎。