专利名称：高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型法及其成型设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流动性差的高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型法及其成型设备。
背景技术：
目前高分子材料棒材的成型方法主要有采用普通单(双)螺杆挤出机结合棒材机头和模压烧结成型两种方法。对热塑性塑料和成型具有一定流动性的高分子材料棒材的成型方法一般采用单 (双)螺杆挤出机结合棒材机头来成型，该成型方法成熟、成型效率高，得到广泛应用。对于热固性塑料和成型流动性差这类高分子材料，如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和聚四氟乙烯(PTFE)等棒材等成型采用模压烧结的成型方法，该方法成型过程不连续，塑化时间长， 成型速度为l_2m/h，生产效率较低，不宜成型大型和特小型的成品，在生产应用中受到一定限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术而提出一种高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型法及其成型设备，实现对热固性塑料和成型流动性差这类高分子棒材连续、 高效成型。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于包括有螺杆固定支座、螺杆、进料座、前端机筒、轴承、轴承座、中间机筒、后端机筒、定型套、箱体、动力输入轴和送料环，所述的螺杆固定在螺杆固定支座上，前端机筒分别通过轴承与进料座和轴承座固定在箱体上，中间机筒、后端机筒和定型套间通过法兰连接并固定在轴承上，前端机筒的原料入口处内嵌有送料环，动力输入轴通过齿轮与前端机筒配合连接，将动力传递到前端机筒上，所述的螺杆结构分为进料压缩段、压实段、螺杆根圆渐缩段和螺棱直线消失段，其中在进料压缩段的结构为等螺距变螺槽深度、 变螺距变螺槽深度或变螺距等螺槽深度，螺杆的几何压缩比逐渐达到高分子材料的物理压缩比；所述的压实段的结构为螺杆的几何压缩比接近或者大于高分子材料的物理压缩比，确保高分子材料在该段被压实；所述的螺杆根圆渐缩段的结构为螺杆顶圆和螺杆根圆直径逐渐缩小，其单位节距螺杆螺槽体积和进料压缩段的单位节距螺槽体积相近；所述的螺棱直线消失段的结构为在螺杆的螺棱线的尾部，螺棱线呈平行于螺杆方向的一段直线，并随螺杆根圆的消失而消失。按上述方案，所述的前端机筒内壁开有沟槽。按上述方案，所述的前端机筒内壁安设有增压内衬，增压内衬上开有沟槽。按上述方案，所述的沟槽与螺杆的压实段相对应；所述的中间机筒与螺杆根圆渐缩段相对应，其中中间机筒的内壁与螺杆根圆渐缩段的螺棱间间隙应保持足够小，确保高分子材料沿着螺槽方向运动。当高分子材料经过该段时，通过加热器的加热和高分子材料运行过程中摩擦热的共同作用，高分子材料实现了预热甚至局部实现了塑化。按上述方案，所述的后端机筒的型腔截面面积与螺棱直线消失段的尾部无螺棱处、中间机筒与螺杆间所形成的型腔截面面积相同或相近。当高分子材料进入螺棱直线消失段，高分子材料的运动方向由随螺槽螺旋运动转变为沿平行螺杆方向的直线运动，随着螺杆根圆的消失，被压实的高分子材料充满后端机筒的型腔而形成棒材型胚；当高分子材料输送到达棒料成型区(定型套)时，通过后端机筒的变径或变形使得高分子材料在输送过程中形成一定的阻力，保证棒材型胚在后端机筒内得到充分压实，在加热器加热和物料运行过程中摩擦热的共同作用，高分子材料棒材实现塑化。高分子材料棒材单螺杆挤出成型机筒成型法，其特征在于按以下步骤顺序进行 高分子材料从进料座进料，螺杆静止，在送料环的输送挤压和前端机筒旋转的摩擦拖曳的共同作用下，高分子材料随螺槽方向前行，高分子材料逐渐被压实；在螺杆的压实段，对应前端机筒内壁或者前端机筒的增压内衬设有沟槽，在压实段将产生足够的挤出压力，确保高分子材料随螺槽继续前行，进入螺杆根圆渐缩段，螺杆顶圆和螺杆根圆直径逐渐减少，高分子材料随螺槽前行；进入螺棱直线消失段，高分子材料的运动方向由随螺槽螺旋运动转变为沿平行螺杆方向的直线运动，随着螺杆根圆的消失，被压实的高分子材料充满后端机筒的型腔而形成棒材型胚；在挤出压力的作用下，棒材型胚沿螺杆方向做直线运动并在摩擦热、机筒外加热器加热的共同作用下，逐渐塑化；棒材型胚在定型套内实现冷却定型过程；最后通过牵引装置、计量装置和切割装置共同协调工作下，实现高分子材料棒材的连续成型。本发明的基本原理是螺杆静止，前端机筒旋转，在送料环的输送挤压和前端机筒旋转的摩擦拖曳的共同作用下，高分子材料随螺槽方向前行，高分子材料逐渐被压实，在螺杆压实段，对应机筒或者内衬上开有沟槽，在该段将产生足够的挤出压力，确保物料随螺槽继续前行。进入螺杆根圆渐缩区，螺杆顶圆外径和螺杆根圆直径逐渐减少，高分子材料随螺槽前行。进入螺杆直线消失段，高分子材料的运动方向由随螺槽螺旋运动转变为沿平行螺杆方向的直线运动，随着螺杆根圆的消失，被压实的高分子材料充满后端机筒的形腔而形成棒材型胚，棒材型胚沿螺杆方向做直线运动并在摩擦热、机筒外热的共同作用下，逐渐塑化；高分子材料棒材型胚在定型套内实现高分子材料棒材冷却和定型过程；最后通过牵引装置、计量装置和切割装置共同协调工作下，实现高分子材料棒材的连续成型。本发明优点
(1)该发明与传统单(双)螺杆成型高分子棒材具有不同的成型工艺
本发明具有独特的成型工艺，其成型工艺物料从进料座进料一逐渐压实一完全压实态一形成棒材型胚一塑化一冷却精密定型一牵引、切割、堆放等过程。普通单螺杆成型高分子材料棒材的成型工艺物料从进料座进料一逐渐压实一完全压实态一塑化一通过机头形成棒材型胚一冷却精密定型一牵引、切割、堆放等过程。本发明工序中棒材型胚成型在前而塑化在后，而传统成型工序是先实现高分子材料的塑化，再在机头中实现棒材成型；
(2)本发明可实现流动动差甚至没有流动性这类高分子材料或复合材料采用单螺杆连续成型棒材
本发明先形成棒材型胚然后塑化，这种成型工艺确保成型过程于物料的流动性没有必然关系，即使流动性很差甚至没有流动性高分子材料也能成型，成型过程连续，成型速度是模压烧结方法的5倍以上；
(3)本发明所成型得到的高分子材料棒材可保持高分子材料的物理性能在进行高分子材料棒材成型时，对流动性差的高分子材料不需要进行工艺改性来提高高分子材料的流动性，同时成型温度低于高分子材料分解温度，则成型的高分子材料棒材将完好的保留高分子材料的性能，表1为采用本发明成型流动性很差的纯超高分子量聚乙烯棒材，结果显示本发明所生产的纯超高分子量聚乙烯板材完全保留了超高分子量基乙烯原有的优异性能。
图1为本发明的成型设备结构示意图； 图2为图1中螺杆的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的描述，但是不会构成对本发明的限制。本发明的成型设备主要包括螺杆定位座1、螺杆2、进料座3、齿轮4、前端机筒5、 轴承6、轴承座7、中间机筒8、后端机筒9、定型套10，加热器11、箱体12、齿轮13、进料输送环14和动力输入轴15，所述的螺杆2固定在螺杆固定支座1上，前端机筒5分别通过轴承 6与进料座3和轴承座7固定在箱体12上，中间机筒8、后端机筒9和定型套10间通过法兰连接并固定在轴承7上，前端机筒的原料入口处内嵌有送料环14，动力输入轴15通过齿轮4、齿轮13与前端机筒配合连接，将动力传递到前端机筒上，所述的螺杆2具有以下结构特征进料压缩段19、压实段18、螺杆根圆渐缩段17和螺棱直线消失段16，其中在进料压缩段的结构为等螺距变螺槽深度、变螺距变螺槽深度或变螺距等螺槽深度，螺杆的几何压缩比逐渐达到高分子材料的物理压缩比；所述的压实段的结构为螺杆的几何压缩比接近或者大于高分子材料的物理压缩比，确保高分子材料在该段被压实；所述的螺杆根圆渐缩段的结构为螺杆顶圆和螺杆根圆直径逐渐缩小；所述的螺棱直线消失段的结构为在螺杆的螺棱线的尾部，螺棱线呈平行于螺杆方向的一段直线，并随螺杆根圆的消失而消失。所述的中间机筒5的内壁与对应螺杆顶圆的间隙保持足够小。所述的前端机筒内壁开有沟槽或前端机筒内壁安设有增压内衬，增压内衬上开有沟槽，提高对高分子材料的输送能力，所述的沟槽与螺杆的压实段相对应；所述的中间机筒与螺杆根圆渐缩段相对应，其中中间机筒的内壁与螺杆根圆渐缩段的螺棱间间隙应保持足够小，确保高分子材料沿着螺槽方向运动。当高分子材料经过该段时，通过加热器的加热和高分子材料运行过程中摩擦热的共同作用，高分子材料实现了预热甚至局部实现了塑化。所述的后端机筒的型腔截面面积与螺棱直线消失段的尾部无螺棱处、中间机筒与螺杆间所形成的型腔截面面积相同或相近。所述的定型机筒的截面形状通过与中间机筒的截面形状变化来设计棒材型胚形成的阻力大小，从而达到棒材的致密性。高分子材料棒材单螺杆挤出成型机筒成型法需要的动力装置、传动装置、温度控制系统都可采用现有单螺杆挤出机相同设备及技术，牵引装置、计量装置和切割装置采用现有常规装备。
高分子材料棒材单螺杆挤出成型机筒成型法，其特征在于按以下步骤顺序进行 高分子材料从进料座进料，螺杆静止，在送料环的输送挤压和前端机筒旋转的摩擦拖曳的共同作用下，高分子材料随螺槽方向前行，高分子材料逐渐被压实；在螺杆的压实段，对应前端机筒内壁或者前端机筒的增压内衬设有沟槽，在压实段将产生足够的挤出压力，确保高分子材料随螺槽继续前行，进入螺杆根圆渐缩段，螺杆顶圆和螺杆根圆直径逐渐减少，高分子材料随螺槽前行；进入螺棱直线消失段，高分子材料的运动方向由随螺槽螺旋运动转变为沿平行螺杆方向的直线运动，随着螺杆根圆的消失，被压实的高分子材料充满后端机筒的型腔而形成棒材型胚；在挤出压力的作用下，棒材型胚沿螺杆方向做直线运动并在摩擦热、机筒外加热器加热的共同作用下，逐渐塑化；棒材型胚在定型套内实现冷却定型过程；最后通过牵引装置、计量装置和切割装置共同协调工作下，实现高分子材料棒材的连续成型。表1采用本发明所生产的纯UHMWPE棒材进行关键性能参数检测报告，表明样品在密度、维卡软化温度、耐磨性和干摩擦系数等方面完好的保留了纯UHMWPE的物理性能。 表1按本发明方法生产的纯UHMWPE棒材进行关键性能参数检测报告
权利要求
1.高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于包括有螺杆固定支座(1)、 螺杆(2)、进料座(3)、前端机筒(5)、轴承(6)、轴承座(7)、中间机筒(8)、后端机筒(9)、定型套(10)、箱体(12)、动力输入轴(15)和送料环(14)，所述的螺杆(2)固定在螺杆固定支座(1)上，前端机筒(5)分别通过轴承(6)与进料座(3)和轴承座(7)固定在箱体(12)上， 中间机筒(8)、后端机筒(9)和定型套(10)间通过法兰连接并固定在轴承(7)上，前端机筒的原料入口处内嵌有送料环(14)，动力输入轴(15)通过齿轮与前端机筒配合连接，将动力传递到前端机筒上，所述的螺杆结构分为进料压缩段(19)、压实段(18)、螺杆根圆渐缩段 (17)和螺棱直线消失段(16)，其中在进料压缩段的结构为等螺距变螺槽深度、变螺距变螺槽深度或变螺距等螺槽深度，螺杆的几何压缩比逐渐达到高分子材料的物理压缩比；所述的压实段的结构为螺杆的几何压缩比接近或者大于高分子材料的物理压缩比，确保高分子材料在该段被压实；所述的螺杆根圆渐缩段的结构为螺杆顶圆和螺杆根圆直径逐渐缩小，其单位节距螺杆螺槽体积和进料压缩段的单位节距螺槽体积相近；所述的螺棱直线消失段的结构为在螺杆的螺棱线的尾部，螺棱线呈平行于螺杆方向的一段直线，并随螺杆根圆的消失而消失。
2.按权利要求1所述的高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于所述的前端机筒内壁开有沟槽。
3.按权利要求1所述的高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于所述的前端机筒内壁安设有增压内衬，增压内衬上开有沟槽。
4.按权利要求2或3所述的高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于所述的沟槽与螺杆的压实段相对应；所述的中间机筒与螺杆根圆渐缩段相对应，其中中间机筒的内壁与螺杆根圆渐缩段的螺棱间间隙应保持足够小，确保高分子材料沿着螺槽方向运动。
5.按权利要求4所述的高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型设备，其特征在于所述的后端机筒的型腔截面面积与螺棱直线消失段的尾部无螺棱处、中间机筒与螺杆间所形成的型腔截面面积相同或相近。
6.高分子材料棒材单螺杆挤出成型机筒成型法，其特征在于按以下步骤顺序进行高分子材料从进料座进料，螺杆静止，在送料环的输送挤压和前端机筒旋转的摩擦拖曳的共同作用下，高分子材料随螺槽方向前行，高分子材料逐渐被压实；在螺杆的压实段，对应前端机筒内壁或者前端机筒的增压内衬设有沟槽，在压实段将产生足够的挤出压力，确保高分子材料随螺槽继续前行，进入螺杆根圆渐缩段，螺杆顶圆和螺杆根圆直径逐渐减少，高分子材料随螺槽前行；进入螺棱直线消失段，高分子材料的运动方向由随螺槽螺旋运动转变为沿平行螺杆方向的直线运动，随着螺杆根圆的消失，被压实的高分子材料充满后端机筒的型腔而形成棒材型胚；在挤出压力的作用下，棒材型胚沿螺杆方向做直线运动并在摩擦热、机筒外加热器加热的共同作用下，逐渐塑化；棒材型胚在定型套内实现冷却定型过程； 最后通过牵引装置、计量装置和切割装置共同协调工作下，实现高分子材料棒材的连续成型。
全文摘要
本发明涉及一种高分子材料棒材单螺杆挤出机筒成型法及其成型设备，按以下步骤顺序进行从进料座进料，螺杆静止，随螺槽方向前行，逐渐被压实；高分子材料随螺槽继续前行，进入螺杆根圆渐缩段，进入螺棱直线消失段，高分子材料的运动方向由随螺槽螺旋运动转变为沿平行螺杆方向的直线运动，随着螺杆根圆的消失，充满后端机筒的型腔而形成棒材型胚；在挤出压力的作用下，棒材型胚沿螺杆方向做直线运动并在摩擦热、机筒外加热器加热作用下塑化；冷却定型过程；最后实现高分子材料棒材的连续成型。本发明优点实现流动动差甚至没有流动性这类高分子材料或复合材料采用单螺杆连续成型棒材；所成型得到的高分子材料棒材可保持高分子材料的物理性能。
文档编号B29C47/66GK102310541SQ201110281580
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者秦建华 申请人:武汉工程大学