专利名称：科学设计的分离型螺杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于单螺杆挤出机的改进型螺杆设计。
背景技术：
单螺杆挤出机广泛用于加工塑性材料，用于将固体塑料熔化成适于形成所需形状的熔融状态或熔融料。挤出机的性能基本上取决于螺杆的几何特征。在为改进挤出机性能而研发的各种特殊螺杆中，利用屏障螺纹的分离型螺杆最为成功。具有紧密间隙的屏障螺纹将螺杆槽分为固体料槽和熔融料槽。只有熔融的塑性材料才能够从固体料槽越过屏障螺纹而流入熔融料槽。虽然分离型螺杆显著地改进了挤出机的性能，但是所有的分离型螺杆都具有一些不理想的结构特征，并且其结构仍然可以改进。以前的分离型螺杆所遇到的问题包括但不限于对固体床运动的阻塞、塑性材料在死点处或在深熔融料槽内的降解、在端部处固体床小块从很大深度的固体料槽进入熔融料槽、在端部处在极浅深度的固体料槽端部的熔融料过热、在端部处极深熔融料槽的很差计量能力以及在与阻力流相反方向上从深熔融料槽进入浅计量槽的不希望的熔融料分配。
发明内容
本发明提供一种用于单螺杆挤出机的螺杆，其包括位于挤出机供料端且具有较深深度的供料段、位于挤出机排出端且具有较浅深度的计量段以及位于所述供料段与所述计量段之间的压缩段。所述压缩段具有至少一对与挤出机料筒具有最小间隙的螺旋主螺纹和与所述料筒具有紧密间隙的螺旋屏障螺纹。所述主螺纹起始于所述螺杆的供料端并在所述供料段内保持基本恒定的螺距，并且所述主螺纹在所述供料段内形成具有基本恒定的槽宽度和基本恒定的槽深度的螺旋供料槽。所述主螺纹的螺距在所述供料段端部处或在所述供料段端部附近增加。所述屏障螺纹起始于所述主螺纹的推挤侧附近，但是在紧接在所述主螺纹的螺距增加之后的主螺纹下游的点处与所述主螺纹充分分开而不会产生死点，并且所述屏障螺纹在所述压缩段内形成螺旋固体料槽和螺旋熔融料槽。所述主螺纹的最小间隙或主螺纹间隙是所述螺杆和所述料筒的机械加工和装配中的可用最小值。所述屏障螺纹的紧密间隙基本上大于所述主螺纹间隙，从而允许熔融料从所述固体料槽流经所述屏障螺纹间隙而流入所述熔融料槽中，并且防止固体塑性材料进入所述熔融料槽。所述供料段的供料槽延续到所述压缩段并成为具有基本相同的槽深度和槽宽度的所述固体料槽，所述固体料槽的槽面积基本没有减小，并且不会阻塞紧密装填的固体塑性材料从所述供料槽到所述固体料槽的运动。通过迅速增加所述主螺纹和所述屏障螺纹的螺距，在所述熔融料槽长度起点的约10 30%内，所述熔融料槽的宽度迅速增加到所述固体料槽宽度的约30 50%，然后在其长度的约70 90%内，保持其宽度基本恒定。所述熔融料槽的起点具有与所述计量段的深度基本相同或更深的深度，显著大于所述屏障螺纹的紧密间隙，具有朝向所述固体料槽或所述供料槽的开口而不会产生死点。在所述熔融料槽长度的约70 90 %内，所述熔融料槽的深度逐渐增加到所述计量槽深度的约150 200%。在所述熔融料槽长度的约70 90%之后，通过增加所述屏障螺纹的螺距并减小与增加量基本相同量的固体料槽宽度，在所述熔融料槽长度终点的约10 30%内，所述熔融料槽的宽度迅速增加到所述固体料槽与所述熔融料槽的组合槽宽度的约50 80%，同时在同一长度上，所述熔融料槽的深度增加到所述计量槽深度的约170 220%。所述固体料槽的起点具有与所述供料槽宽度基本相同的宽度，并且在所述固体料槽长度的约70 90%内，其宽度保持基本恒定。所述固体料槽的起点具有与所述供料槽深度基本相同的深度，并且在所述固体料槽长度的约70 90%内，其深度逐渐减小到与所述计量槽深度基本相同的深度。在所述固体料槽长度的约70 90%之后，在所述固体料槽的长度终点的约10 30%内，所述固体料槽的宽度迅速减小到所述固体料槽与所述熔融料槽的组合槽宽度的约 20 50%。在基本相同的长度上，所述固体料槽的深度迅速减小到所述计量槽深度的约 20 50%，并且在同一长度上，所述屏障螺纹的间隙显著增加到所述计量槽深度的约20 50%。所述固体料槽的端部具有所述计量槽深度的约20 50%的相对较浅深度，以防止大量固体材料进入所述计量槽，同时提供朝向所述计量槽的充分大的开口而不会产生死点， 并且使具有较浅深度的槽面积最小，以避免产生过多热量。通过将所述主螺纹转换为第二屏障螺纹以及将所述屏障螺纹转换为第二主螺纹， 所述主螺纹与所述屏障螺纹在所述压缩段的端部互换其功能。螺纹互换导致所述熔融料槽和所述固体料槽的位置相对于螺杆旋转而转换，并且通过螺杆旋转的阻力流，在不需要所述熔融料槽中具有高压的情况下，使熔融料从深熔融料槽分配到浅固体料槽。在约1 3倍螺杆直径的螺杆轴向长度内，在螺纹互换之后位于第二主螺纹的从动侧的熔融料槽的深度从所述计量槽深度的约170 220%迅速减小到所述计量槽深度。 在同一螺杆轴向长度上，在螺纹互换之后位于第二主螺纹的推挤侧的固体料槽的深度从所述计量槽深度的约20 50%迅速增加到所述计量槽深度。
图1是具有常规螺杆的单螺杆挤出机的示意图。图2是典型的常规螺杆的示意图。图3示出了在熔融过程中常规螺杆槽的理想化横截面。图4示出了具有对角线屏障螺纹的分离型螺杆的展开螺杆槽。图5示出了具有平行屏障螺纹和恒定主螺纹螺距的分离型螺杆的展开螺杆槽。图6示出了随着主螺纹螺距和屏障螺纹螺距的增加，在整个供料段和压缩段具有恒定固体料槽宽度的分离型螺杆的展开螺杆槽。图7示出了具有敞开的平行屏障螺纹、恒定螺纹螺距和螺纹互换的分离型螺杆的展开螺杆槽。
图8示出本发明的科学设计的分离型螺杆的展开螺杆槽的示例性实施例。
具体实施例方式对背景技术部分所提及的单螺杆挤出机中螺杆的几何形状和功能的一般性理解将有助于理解和认识本发明示例性实施例的新颖结构特征和优点。如要获得更多的背景信息，请参见技术文献 Chan I. Chung, Extrusion of Polymers, Theory and Practice (1st ed. 2000)；在此通过引用方式将该文献的全部内容并入本文作为参考。在下面针对本发明具体实施例的说明书和相关附图中披露了本发明的几个方面。 在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以设计出替换实施例。另外，为了不影响对本发明相关细节的理解，本发明示例性实施例中的已知元件将不再进行详细描述或者将其省略。此外，为了便于理解说明书，下面将就本文所使用的若干术语进行论述。本文所使用的词语“示例性”是指“用作范例、实例或例证”。本文被描述为“示例性”的任何实施例不一定解释为比其他实施例优选或有利。同样，术语“本发明的实施例”、 “实施例”或“发明”不要求本发明的所有实施例都包括所论述的特征、优点或操作模式。图1示意性地示出了具有常规螺杆102的示例性单螺杆挤出机100。由马达104 旋转螺杆102，由加热器108加热料筒106。图2示意性地示出了常规螺杆102的设计。螺杆102具有一条螺旋状螺纹或螺棱202，从而沿螺杆102形成具有槽深206的连续螺杆槽 204。螺纹202与料筒之间具有最小的间隙。螺纹202行进一圈的轴向距离为螺杆102的节距或螺距208。螺杆102包括三个不同的段位于挤出机供料端且具有恒定深度的供料段 210、位于挤出机排出端且具有恒定深度的计量段212以及位于供料段210与计量段212之间的过渡段或压缩段214。供料段210的深度远大于计量段212的深度，通常比计量段212 的深度深2 5倍，过渡段214的深度从供料段210的深度到计量段212的深度减小。螺杆102的螺纹部分的长度L或螺杆长度一般用螺杆直径D的倍数表示。例如，长度/直径比为30或30L/D的螺杆长度等于螺杆直径D的30倍。大多数螺杆的L/D范围约为20 45，通常在30左右。这三个不同段的长度、深度以及螺杆102的螺距208需要根据塑性材料的具体性质和加工的具体要求来设计。在简单设计中，螺杆102的三个不同段的长度大致相同，各段的长度约为螺杆长度L的三分之一，螺杆102的螺距208大致等于螺杆直径D。参照图1和图2，呈小球、碎片、粉末或薄片等形态的固体塑性材料从料斗110供应到螺杆102内。供应到螺杆102内的固体塑性材料从挤出机的供料端到排出端向下游移动，并通过螺杆102的旋转而被压实，从而在螺杆槽204中形成致密装填的固体床。固体床的基本上完全压实通常出现在距料斗110约4 7L/D处。固体床随着螺杆102而旋转，从而以与螺杆102几乎相同的圆周速度在料筒106上摩擦，并且随着固体床沿着螺杆槽204 缓慢向下滑落而逐渐熔融。图3示出了固体床302的熔融机构。在固体床302与热料筒304之间形成有熔融塑性材料的薄膜或熔融料膜306，并且熔融料膜306被固体床302在料筒304上的摩擦力高度剪切，大量的热产生在熔融料膜306内。马达提供摩擦力。利用在熔融料膜306内产生的热量，熔融主要出现在固体床302的与料筒304接触的顶部表面上。固体床302的厚度308(不是宽度310)由于熔融而沿着螺杆槽减小。塑性材料具有非常低的导热性，所以塑性材料因热料筒304热传导所造成的熔融通常极小。实际上，在高螺杆速度下，熔融料膜306内会产生大量的热，为避免对熔融料过度加热，必须冷却料筒304以去除过度的热量。 形成在料筒304上的熔融料通过螺杆的旋转螺纹的擦拭作用而被收集到熔池312中。固体床302的量沿着螺杆槽逐渐减少，而熔池312中的量逐渐增加。为了获得良好的产品质量， 需要固体床302在螺杆102的端部之前完全熔融，从而形成具有相同温度的均质熔池并且在整个螺杆槽内混合。再次参照图1，螺杆102通过机头112泵出或计量熔融料。机头112通过接头连接在料筒106上。通过位于螺杆102端部的过滤网组114过滤熔融料以去除大的外来固体颗粒，并且过滤网组114会产生大的压降。螺杆102端部的压力或排出压力P为经由过滤网组114、接头和机头112的压降的总和。挤出机的螺杆执行三个主要功能固体输送、熔融和计量。螺杆固体输送能力和计量能力的增加几乎与螺杆速度的增加成比例，但是螺杆熔融能力的增加远小于螺杆速度的增加比例。因此，随着螺杆速度的增加，在沿着螺杆槽更向下的点处出现固体床的完全熔融。最后，随着螺杆速度的增加，在螺杆内部出现固体床的不完全熔融，从而限制了产量。此外，可以观察到，当固体床朝螺杆端部变少时，固体床变得不稳定并破碎成被称为“固体床小块”的小固体块。固体床小块会混入熔池中，使得熔池不均质，从而也限制了产量。为了提高螺杆的熔融能力和/或为了防止固体床小块混入熔池中，已经研发了多种特殊螺杆设计。最成功的特殊螺杆设计为分离型螺杆，例如在作为背景技术的Maillefer 的美国专利3，358，327,Geyer的美国专利3，375，549,Lacher的美国专利3，271，819,Barr 的美国专利3，698，541、Hsu的美国专利3，858，856、Kim的美国专利3，867，079、Dray和 Lawrence的美国专利3，650，652以及Chung的美国专利4，000, 884中披露的那些设计。除了主螺纹以外，这些分离型螺杆通常在压缩段内具有屏障螺纹，从而将螺杆槽分成两个槽， 即固体料槽和熔融料槽。屏障螺纹与料筒之间一般具有紧密间隙，从而仅允许熔融料流过紧密间隙，而防止不完全熔融的塑性材料和固体床小块从固体料槽越过屏障螺纹进入熔融料槽。虽然这些分离型螺杆比常规螺杆表现得更好，但是所有这些分离型螺杆都具有一些不理想的结构特征，会引起对固体床运动的阻塞、熔融料的停滞或计量能力较差。对固体床运动的阻塞会导致输出波动，而熔融料的停滞会导致熔融料的降解。计量能力较差会降低每次螺杆旋转的输出率，并增大从挤出机排出的熔融料的温度。如图4所示，作为背景技术的Maillefer的美国专利3，358，327、Geyer的美国专利3，375，549以及Lacher的美国专利3，271，819披露的分离型螺杆在压缩段416内大致具有对角线屏障螺纹。计量槽402与供料槽404被对角线屏障螺纹406完全分开。因此， 在这些分离型螺杆的计量槽402内不存在固体床小块。然而，对角线屏障螺纹406使固体料槽408的宽度沿螺杆槽减小，而熔融料槽410的宽度沿螺杆槽增加。固体料槽408的宽度减小迫使固体床沿固体料槽408减小其宽度。因为固体床主要在其与料筒接触的表面上熔融并且固体床的厚度仅在熔融时减小，所以固体床被紧密装填并且阻止其宽度的任何变形。因此，固体料槽408的宽度减小引起固体床沿固体料槽408的运动阻塞。此外，因为对角线屏障螺纹406与主螺纹414连接，所以对角线屏障螺纹在其起点和终点处产生死点 412。尤其是对于刚性聚合材料而言，这些具有对角线屏障螺纹的分离型螺杆受到由于对固体床运动的阻塞以及熔融料在死点处的降解所引起的输出波动的影响。作为背景技术的Barr的美国专利3，698，541和Hsu的美国专利3，858，856披露的分离型螺杆具有与主螺纹平行的屏障螺纹，同时在整个螺杆上保持主螺纹的螺距恒定。一旦形成固体料槽和熔融料槽，它们的宽度就保持恒定。恒定的固体料槽宽度不会引起固体床沿固体料槽运动的任何阻塞。然而，压缩段504内的屏障螺纹502从主螺纹506的推挤边 (如图5所示的Barr的美国专利3，698，541的情况)或者从主螺纹的从动边(如Hsu的美国专利3，858，856的情况)陡峭地开始，从而在其起点处，供料槽518的面积从供料段508 到压缩段504内的固体料槽520急剧减小，通常减小约35%，并产生图5所示的死点510。槽面积的急剧减小引起对固体床运动的严重阻塞，从而引起输出波动。屏障螺纹 502与主螺纹506合并而终止，从而产生另一个死点512。此外，窄的熔融料槽514在端部变得很深，以容纳熔融料的增加量。随着螺杆槽的深度/宽度比增加，螺杆槽的计量能力减小，这是因为附着在螺纹的较大表面上的熔融料并未移动。因此，在端部的窄而深的熔融料槽514具有较差的计量能力。分离型螺杆受到在死点处和在深熔融料槽内的熔融料降解的影响。在主螺纹推挤侧的深熔融料槽514内累积的熔融料必须分配到位于压缩段504端部的计量槽516中。然而，熔融料分配的所需方向与下文描述的由螺杆旋转驱动的熔融料自然流动的方向相反，并且熔融料的分配要求在熔融料槽514的端部具有高压。熔融料槽514 端部的高压还降低了沿着熔融料槽的计量量，从而不利地影响了螺杆的性能。螺杆槽内的熔融料附着在所有螺杆表面和料筒表面上。附着在螺杆表面上的熔融料随着螺杆旋转，但是附着在料筒表面上的熔融料不会移动并且与静止料筒一起不动。因此，如图5所示，附着在料筒表面上的静止熔融料在螺杆槽内沿着与螺杆旋转方向相反的方向从螺纹的从动侧移动到推挤侧，这称为“阻力流”。阻力流提供了螺杆的计量能力。图6示出了作为背景技术的Kim的美国专利3，867，079披露的分离型螺杆。这种螺杆从供料段端部的主螺纹604开始屏障螺纹602，从而形成熔融料槽606。通过增加主螺纹604和屏障螺纹602的螺距，使熔融料槽宽度逐渐增加到供料槽608宽度的约50 100%。供料槽608从供料段起不被屏障螺纹602分割，并且其宽度在压缩段610内保持恒定。因此，在整个供料段和压缩段，固体料槽612的宽度保持恒定。这种分离型螺杆的设计消除了对固体床运动的阻塞问题。然而，主螺纹604和屏障螺纹602的螺距朝向压缩段610 的端部变得极大，并且两个槽的输送量都减小。在屏障螺纹602的起点处仍然存在死点614 的问题。在这种设计中，固体料槽612朝向计量槽616敞开。如果固体料槽612的端部比屏障螺纹602的间隙深并且更接近于固体塑性材料的尺寸，那么不完全熔融的塑性材料可以进入计量槽616。如果固体料槽612的端部很浅并且接近于屏障螺纹602的间隙，那么存在极浅槽深度的大固体料槽区域并且在该区域内将出现熔融料过热。除了在熔融料槽宽度增大到所需宽度之后其便保持恒定的主要差别以外，Dray和Lawrence的美国专利3，650，652 披露的分离型螺杆类似于Kim的美国专利3，867，079披露的分离型螺杆。图7示出了作为背景技术的Chimg的美国专利4，000, 884披露的分离型螺杆。这种分离型螺杆具有平行于主螺纹704的屏障螺纹702，并且与Barr的美国专利3，698，541 披露的分离型螺杆类似，主螺纹螺距保持恒定，但是屏障螺纹702在起点和终点处不与主螺纹704连接。因此，熔融料槽706朝向供料槽708敞开而没有死点，并且固体料槽710朝向计量槽712敞开而没有死点。在压缩段714的端部，主螺纹704终止，而屏障螺纹702转换为新的主螺纹716。螺纹的这种互换使熔融料槽706和固体料槽710的位置相对于螺杆旋转而发生转换，从而通过螺杆旋转的阻力流使熔融料从端部的深熔融料槽706分配到浅的计量槽712中，而不需要在深熔融料槽706中的高压。然而，与Barr的美国专利3，698，541 披露的分离型螺杆类似，供料槽708的宽度在压缩段的起始处被熔融料槽706急剧地减小。 因此，在压缩段714的起始处出现了对固体床运动的阻塞。因为固体料槽710朝向计量槽 712敞开，所以这种分离型螺杆也受到针对Kim的美国专利3，867，079披露的分离型螺杆所论述的相同问题的影响。本发明的目的是消除所有之前的分离型螺杆所遇到的全部问题，例如对固体床运动的阻塞、塑性材料在死点处或在深熔融料槽内的降解、在端部处固体床小块从很大深度的固体料槽进入熔融料槽、在端部处在极浅深度的固体料槽端部的熔融料过热、在端部处极深熔融料槽的很差计量能力以及在与阻力流相反方向上从深熔融料槽进入浅计量槽的不希望的熔融料分配。本发明的另一个目的是实现具有一致温度及从挤出机释放混合的均质熔融料质量，以获得良好的产品质量和提高的生产率。前述目的的从属目的是教导和提供一种实现所述目的的新颖的分离型螺杆。在下面针对本发明具体实施例的说明书和相关附图中披露了本发明的几个方面。 一些示例性实施例包括用于说明的示例性范围或尺寸。在不脱离本发明的范围的情况下， 本领域技术人员可以利用额外实施例、范围、尺寸或类似的说明性特征。图8是本发明的示例性实施例。位置1至位置6表示从螺杆的供料端起沿着螺杆轴的六个特定位置。与料筒具有最小间隙的主螺纹802起始于螺杆的供料端，从而形成供料槽804。主螺纹802的螺距在供料段内保持基本恒定，并且其螺距在位置1的供料段端部处或在供料段端部附近增加。位置2与位置4之间的与料筒具有紧密间隙的第一屏障螺纹806起始于位置2，位置2位于紧接在主螺纹802的螺距增加之后的主螺纹802的推挤侧附近。位置2位于位置1下游的供料槽宽度的约5 15%的位置。第一屏障螺纹806的起点与主螺纹802分开而不会产生死点，并且第一屏障螺纹在压缩段812内形成固体料槽 808和熔融料槽810。第一屏障螺纹806的间隙大于主螺纹802的间隙，从而允许熔融料从固体料槽808流经间隙而流入熔融料槽810中，并且防止固体塑性材料进入熔融料槽810。在位置1的供料槽804延续并成为具有与位置1处基本相同的槽深度和槽宽度的固体料槽808，固体料槽808的槽面积基本没有减小，因此不会阻塞固体床的运动。熔融料槽810的起点具有与计量槽深度相同或更深的深度，因此在位置1与位置2之间对固体料槽808和/或供料槽804提供开口而不会产生死点。以下示例性结构特征是本发明示例性实施例的新特征屏障螺纹806起始于主螺纹802下游并与主螺纹802分开，从而在熔融料槽810的起点不会产生死点，同时在基本不减小宽度和深度的情况下使供料槽804转换成固体料槽808以避免对固体床运动的阻塞。通过迅速增加主螺纹802和第一屏障螺纹806的螺距，在熔融料槽810从位置1到位置3的长度起点的约10 30%内，熔融料槽810的宽度迅速增加到固体料槽808的宽度约30 50 %，然后在其从位置3到位置4的长度起点的约70 90 %内，保持其宽度基本恒定。在熔融料槽从位置1到位置4的长度起点的约70 90%内，熔融料槽深度逐渐增加到计量槽深度的约150 200%。然后，通过增加第一屏障螺纹806的螺距并减小与增加量基本相同量的固体料槽宽度，在熔融料槽从位置4到位置5的长度终点的约10 30%内，熔融料槽的宽度迅速增加到固体料槽808与熔融料槽810的组合槽宽度的约50 80%。在
10熔融料槽810的长度起点的约70 90%之后，在熔融料槽从位置4到位置5的长度终点的约10 30%内，熔融料槽810的深度迅速增加到计量槽深度的约170 220%。固体料槽 808起点的宽度和深度与供料槽804的宽度和深度基本相同，并且在固体料槽808从位置1 到位置4长度的约70 90%内，保持基本相同的宽度，同时在同一长度上，其深度逐渐减小到与计量槽深度基本相同的深度。然后，在固体料槽808从位置4到位置5的长度终点的约10 30%内，固体料槽808的宽度迅速减小到固体料槽808与熔融料槽810的组合槽宽度的约20 50%，并且在同一长度上，其深度也迅速减小到计量槽深度的约20 50%。 位置4与位置5之间的第二屏障螺纹816具有比第一屏障螺纹806更大的螺纹间隙，以适应由于固体料槽面积迅速减小而导致的从固体料槽808流入熔融料槽810的更高的熔融料流速。虽然固体料槽808的端部具有相对较浅的深度以防止固体床块进入计量槽814，但是固体料槽808的端部朝向计量槽814充分敞开而不会产生死点，并且使在位置5附近具有相对较浅深度的固体料槽面积相对较小，从而基本上避免产生过多热量。固体料槽808与熔融料槽810的组合宽度在位置3与位置5之间基本恒定。虽然固体料槽808的宽度和深度朝向位置4与位置5之间的压缩段812的端部迅速减小，但是由于固体床变得很小且不牢固，所以基本防止了对固体床运动的阻塞，并且在到达位置4之后便基本上破碎了。以下结构特征是本发明示例性实施例的另一新特征迅速改变固体料槽808和熔融料槽810的槽面积，并且利用朝向压缩段812端部的第二屏障螺纹816。在位置5的压缩段812的端部，主螺纹802转换成位于位置5与位置6之间的第三屏障螺纹818，第二屏障螺纹816转换成第二主螺纹820。螺纹的这种互换导致熔融料槽 810和固体料槽808的位置相对于螺杆旋转而转换。熔融料槽810在位置5的螺纹互换之前位于原主螺纹802的推挤侧，但是熔融料槽810在位置5的螺纹互换之后位于第二主螺纹820的从动侧。在位置5与位置6之间，现在位于第二主螺纹820的从动侧的熔融料槽 810的深度从计量槽深度的约170 220%迅速减小到计量槽深度，而在同一位置之间，现在位于第二主螺纹820的推挤侧的固体料槽808的深度从计量槽深度的约20 50%迅速增加到计量槽深度。整个螺杆槽的深度在位置6变得与计量槽深度基本相同。通过螺杆旋转的阻力流，在不需要深熔融料槽810中具有高压的情况下，基本上可以有效地在位置5与位置6之间使熔融料从深熔融料槽810分配到浅固体料槽808。位置5与位置6之间的轴向距离通常约为螺杆直径的1 3倍。第三屏障螺纹818的螺纹间隙被设计成足够大，从而几乎通过阻力流就可以实现熔融料分配，但是其也要设计成足够小，从而在熔融料分配过程中进一步提高熔融料质量。可以取消位置5与位置6之间的第三屏障螺纹818，以简化设计或者缩短位置5与位置6之间的螺杆长度。在改进性能的实践中，使用至少两个本发明示例性实施例的螺杆。其中一个使用直径为120mm、长度约30L/D的螺杆，用于在螺杆速度约95rpm、排出压力约160kg/cm2下以约450kg/hr的输出率非常稳定地挤出聚丙烯，而没有任何明显的排出压力波动。其中另一个使用直径为120mm、长度约30L/D的螺杆，用于在螺杆速度约85rpm、排出压力约63kg/ cm2下以约750kg/hr的输出率非常稳定地挤出无定形聚对苯二甲酸乙二醇酯，而没有任何明显的排出压力波动。前述的说明书和附图阐明了本发明的原理、优选实施例和操作模式。然而，本发明不应当解释为限制于上述具体实施例。本领域技术人员将会理解上述实施例的额外变化形
11式。 因此，上述实施例应当被认为是说明性而不是限制性的。因此，应当理解，在不脱离所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，本领域技术人员可以对上述实施例进行变化。
权利要求
1. 一种用于单螺杆挤出机的螺杆，其包括位于挤出机供料端且具有较深深度的供料段、位于挤出机排出端且具有较浅深度的计量段以及位于所述供料段与所述计量段之间的压缩段；所述压缩段具有至少一对与挤出机料筒具有最小间隙的螺旋主螺纹和与所述料筒具有紧密间隙的螺旋屏障螺纹；所述主螺纹起始于所述螺杆的供料端并在所述供料段内保持基本恒定的螺距，并且所述主螺纹在所述供料段内形成具有基本恒定的槽宽度和基本恒定的槽深度的螺旋供料槽；所述主螺纹的螺距在所述供料段端部处或在所述供料段端部附近增加； 所述屏障螺纹起始于所述主螺纹的推挤侧附近，但是在紧接在所述主螺纹的螺距增加之后的主螺纹下游的点处与所述主螺纹充分分开而不会产生死点，并且所述屏障螺纹在所述压缩段内形成螺旋固体料槽和螺旋熔融料槽；所述主螺纹的最小间隙或主螺纹间隙是所述螺杆和所述料筒的机械加工和装配中的可用最小值；所述屏障螺纹的紧密间隙或屏障螺纹间隙基本上大于所述主螺纹间隙，从而允许熔融料从所述固体料槽流经所述屏障螺纹间隙而流入所述熔融料槽中，并且防止固体塑性材料进入所述熔融料槽；所述供料段的供料槽延续到所述压缩段并成为具有基本相同的槽深度和槽宽度的所述固体料槽，所述固体料槽的槽面积基本没有减小，并且不会阻塞紧密装填的固体塑性材料从所述供料槽到所述固体料槽的运动；通过迅速增加所述主螺纹和所述屏障螺纹的螺距，在所述熔融料槽长度起点的约 10 30%内，所述熔融料槽的宽度迅速增加到所述固体料槽宽度的约30 50%，然后在其长度的约70 90%内，保持其宽度基本恒定；所述熔融料槽的起点具有与所述计量段的深度基本相同或更深的深度，具有朝向所述固体料槽或所述供料槽的开口而不会产生死点，并且在所述熔融料槽长度的约70 90% 内，所述熔融料槽的深度逐渐增加到所述计量槽深度的约150 200% ；在所述熔融料槽长度的约70 90%之后，通过增加所述屏障螺纹的螺距并减小与增加量基本相同量的固体料槽宽度，在所述熔融料槽长度终点的约10 30%内，所述熔融料槽的宽度增加到所述固体料槽与所述熔融料槽的组合槽宽度的约50 80%，同时在同一长度上，所述熔融料槽的深度增加到所述计量槽深度的约170 220% ；所述固体料槽的起点具有与所述供料槽宽度基本相同的宽度，并且在所述固体料槽长度的约70 90%内，其宽度保持基本恒定；所述固体料槽的起点具有与所述供料槽深度基本相同的深度，并且在所述固体料槽长度的约70 90%内，其深度逐渐减小到与所述计量槽深度基本相同的深度；在所述固体料槽长度的约70 90%之后，在所述固体料槽的长度终点的约10 30% 内，所述固体料槽的宽度减小到所述固体料槽与所述熔融料槽的组合槽宽度的约20 50%，同时在基本相同的长度上，所述固体料槽的深度减小到所述计量槽深度的约20 50%，并且在同一长度上，还显著增大了所述屏障螺纹的间隙；所述固体料槽的端部具有所述计量槽深度的约20 50%的相对较浅深度，以防止大量固体材料进入所述计量槽，同时提供朝向所述计量槽的充分大的开口而不会产生死点， 并且使具有较浅深度的槽面积最小，以避免产生过多热量；通过将所述主螺纹转换为第二屏障螺纹以及将所述屏障螺纹转换为第二主螺纹，所述主螺纹与所述屏障螺纹在所述压缩段的端部互换其功能；螺纹互换导致所述熔融料槽和所述固体料槽的位置相对于螺杆旋转而转换，并且通过螺杆旋转的阻力流，在不需要所述熔融料槽中具有高压的情况下，使熔融料从深熔融料槽分配到浅固体料槽；在约1 3倍螺杆直径的螺杆轴向长度内，在螺纹互换之后位于第二主螺纹的从动侧的熔融料槽的深度从所述计量槽深度的约170 220%迅速减小到所述计量槽深度，而在同一螺杆轴向长度上，在螺纹互换之后位于第二主螺纹的推挤侧的固体料槽的深度从所述计量槽深度的约20 50%迅速增加到所述计量槽深度。
2.根据权利要求1所述的螺杆，其中，所述压缩段具有多于一对的主螺纹和屏障螺纹。
3.根据权利要求1所述的螺杆，其中，所述供料槽的深度和/或宽度在所述供料段内不是恒定的，而是逐渐地或阶梯式地变化。
4.根据权利要求1所述的螺杆，其中，所述屏障螺纹的紧密间隙沿着屏障螺纹起点的约70 90%不是恒定的，而是逐渐地或阶梯式地变化。
5.根据权利要求1所述的螺杆，其中，所述屏障螺纹的紧密间隙沿着屏障螺纹终点的约10 30%不是恒定的，而是逐渐地或阶梯式地变化。
6.根据权利要求1所述的螺杆，其中，所述固体料槽的深度或所述熔融料槽的深度沿着所述压缩段非逐渐式地变化。
7.根据权利要求1所述的螺杆，其中，所述固体料槽的深度或所述熔融料槽的深度沿着所述压缩段以多于两个的不连续阶梯方式变化。
8.根据权利要求6所述的螺杆，其中，所述固体料槽的深度或所述熔融料槽的深度沿着所述压缩段以多于两个的不连续阶梯方式变化。
9.根据权利要求1所述的螺杆，其中，在所述压缩段的端部处，所述固体料槽的终点深度与所述屏障螺纹的终点间隙基本相同。
10.根据权利要求1所述的螺杆，其中，所述熔融料槽在所述压缩段端部的宽度明显大于所述固体料槽与所述熔融料槽的组合宽度的80%或者明显小于所述固体料槽与所述熔融料槽的组合宽度的50%。
11.根据权利要求1所述的螺杆，其中，所述固体料槽与所述熔融料槽在所述压缩段端部的组合宽度小于或大于在所述熔融料槽的宽度增加之前的值。
12.根据权利要求1所述的螺杆，其中，在多于一个的不连续阶梯内，在所述熔融料槽长度终点的约10 30%内，所述熔融料槽的宽度迅速增加，所述固体料槽的宽度相应减
13.根据权利要求1所述的螺杆，其中，所述主螺纹终止于所述压缩段的端部，并且在熔融料分配过程中，螺纹互换之后不存在屏障螺纹。
14.根据权利要求13所述的螺杆，其中，在小于一个螺杆直径的螺杆轴向长度内进行螺纹互换之后的熔融料分配。
15.根据权利要求1所述的螺杆，其中，在所述压缩段的端部不进行螺纹互换。
16.根据权利要求1所述的螺杆，其中，使所述螺杆与具有特殊设计的计量段或具有特殊设计的混合段组合，以进一步改进挤出机的性能。
17.根据权利要求1所述的螺杆，其中，所述螺杆用作多级螺杆的第一级，所述多级螺杆具有由供料段或排出段、压缩段和计量段组成的至少一个级。
全文摘要
本发明公开了一种具有新结构特征的科学设计的新颖的分离型螺杆，其消除了以前分离型螺杆的缺点并进一步改进了其性能。这些重要的新结构特征包括在不产生任何死点的情况下开始屏障螺纹同时保持恒定的固体料槽宽度的结构；在不产生任何死点的情况下终止屏障螺纹同时保证良好熔融料质量的结构；避免过深的槽深度同时保证足够的熔融料输送能力的熔融料槽结构；以及避免具有浅的槽深度的槽面积过大同时保证良好熔融料质量的固体料槽结构。
文档编号B29C47/60GK102189665SQ201010576639
公开日2011年9月21日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年3月5日
发明者郑灿一 申请人:郑灿一