带有折流板的同向自洁双螺杆挤出机及其加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及双螺杆挤出机技术领域，特别涉及一种带有折流板的同向自洁双螺杆 挤出机及其加工方法。
【背景技术】
[0002] 具有自洁功能的同向双螺杆挤出机是目前广泛应用的混合加工装备。这类设备主 要包括机筒和平行安装于机筒内腔的双螺杆。为了产生高剪切，多采用多头螺纹结构的螺 杆，这导致了物料流动的拓扑路线不同，当被加工的物料从进料口进入机筒的内腔后，物料 会进入不同的拓扑流道，比如双头螺纹会将机筒内流道分割为三个不连通的流道，物料向 前输送过程中彼此不会相互混合，进料组合分的不均匀可能会导致进入不同流道物料组分 不均匀，这种不均匀不会在物料前行过程中通过彼此混合而得到提高，因此往往容易导致 产品质量不稳定。
[0003] 只有在安装了捏合块的区域才能彼此混合，但捏合块会带来高剪切、积料、存在死 角及自洁性下降等诸多问题。另一方面，由于几何啮合关系决定，采用多头螺纹还会导致 螺槽变浅，产量下降。传统的同向双螺杆挤出机，只在啮合区提供扰动作用提升混合质量， 在远离啮合区缺乏混沌混合触发机制，而且，物料在左右螺槽容积一致，无法引入拉伸力场 作用机理，螺槽容积主体部分缺乏有效提升混合的结构，导致分布混合效果不能进一步提 高，缺乏拉伸力场效应导致分散混合不理想。另外，双螺杆挤出机加工过程大部分为非充满 状态，几乎没有变化的流道，导致物料的塑化混炼效果大打折扣，为了提高混合效果和提高 产量，实践中常采用高转速实现高剪切、大长径比螺杆延长加工历程等方式，但带来了高能 耗、低效率和物料降解等诸多问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带有折流板的同向自洁双螺杆 挤出机，该挤出机将混沌混合、拓扑混沌和拉伸力场作用相结合，可有效提高加工效率和混 炼效果。
[0005] 本发明的另一目的在于提供一种上述带有折流板的同向自洁双螺杆挤出机的加 工方法。
[0006] 本发明的技术方案为：一种带有折流板的同向自洁双螺杆挤出机，包括机筒和螺 杆机构，螺杆机构设于机筒的内腔中，螺杆机构包括相互啮合的第一螺杆和第二螺杆，第一 螺杆为单头螺纹结构，第二螺杆为双头螺纹结构；第一螺杆的螺槽内设有折流板，折流板的 高度小于第一螺杆的螺槽深度，第一螺杆的螺槽在折流板处形成"8"字形双曲流动扰动的 流动线路；第一螺杆和第二螺杆等速旋转且时刻保持啮合，第一螺杆的螺纹结构和折流板 与第二螺杆的螺槽之间形成自洁模式，第二螺杆的螺纹结构与第一螺杆的螺槽之间形成自 洁模式，实现自洁功能。
[0007] 所述第一螺杆和第二螺杆的外侧边均与机筒的内壁相切，第一螺杆、第二螺杆和 机筒的内壁之间形成流道。
[0008] 所述第一螺杆的截面和第二螺杆的截面各由多段曲率半径不等的圆弧构成，构成 第一螺杆截面的圆弧数量和构成第二螺杆截面的圆弧数量相等。
[0009] 作为一种优选方案，所述第一螺杆的截面和第二螺杆的截面均由8段圆弧构成， 构成第一螺杆截面的8段圆弧依次为M 1My M2M3、M具、M4M5、M5M 6、M具、M7M8和M具，构成第二 螺杆截面的 8 段圆弧分别为 N1N^ N2N3、N3N4、N4N 5、N5N6、N6N7、N 7NjP N 8N1;
[0010] M1M2, M2M3, M3M4, M4M5, M5M6, M6M7, M7M8, M8M1 ig N , N2N3, N3N4, N4N5, N5N6, N6N7, N7N8, N8N1 --对应配合。
[0011] 其中，随着折流板轴向位置的变化，折流板的极角值可固定不变或呈现周期性变 化，折流板的高度也可固定不变或呈现周期性变化。具体包括：
[0012] (1)所述第一螺杆的旋转中心为O1，圆弧M具对应折流板，折流板的极角值随折流 板轴向位置的变化呈现线性周期性变化或非线性周期性变化；极角值为折流板中线与O 1M3 之间的夹角。
[0013] (2)所述第一螺杆的旋转中心为O1，圆弧M5M 6对应折流板，折流板的极角值固定不 变；极角值为折流板中线与O1M3之间的夹角。
[0014] (3)所述第一螺杆中，所述折流板的高度为固定值，或者折流板的高度随折流板轴 向位置的变化呈现周期性变化。
[0015] 所述机筒的内腔由两个连通的圆柱槽构成，第一螺杆和第二螺杆对应位于两个圆 柱槽内，内腔的截面呈横置的"8"字形。
[0016] 按照物料的输送方向，所述机筒设有依次连接的输送段、熔融段、排气段和混炼挤 出段；输送段上设有与内腔连通的进料口，排气段上设有与内腔连通的排气口；混炼挤出 段的末端设有出料口。
[0017] 上述带有折流板的同向自洁双螺杆挤出机的加工方法，包括以下步骤：
[0018] (1)物料从进料口进入输送段的流道后，第一螺杆和第二螺杆分别沿各自的轴线 进行同向等速转动；
[0019] 在第一螺杆和第二螺杆的轴向正位移输送力以及第一螺杆和第二螺杆之间的摩 擦力共同作用下，实现进料输送；同时，通过第一螺杆上折流板的轴向混合作用，实现第一 螺杆和第二螺杆之间物料组分的混合，并迫使物料向熔融段的流道方向移动；
[0020] (2)当物料移动至熔融段的流道处时，由于第一螺杆上折流板对物料的翻动作用， 强化了传热过程，而第二螺杆上流道截面的扩展和压缩作用，对物料进行压缩和挤压做功， 实现物料预熔融；且第一螺杆和第二螺杆高速旋转产生摩擦热，同时在机筒的外加热共同 作用下，使得物料进一步发生熔融；
[0021] 由于第一螺杆和第二螺杆之间形成的流道存在"一分二-二合一-一再分二"的 拓扑流道特性，加上流道的截面形状产生"扩张-压缩-扩张"的作用，加速了熔体状物料 与固体状物料的分离；同时，第一螺杆上设有折流板，将导致"8"字形双曲流动扰动而在螺 槽全程触发混沌混合，进一步加速固体的物料的熔融进程，使得物料成为熔体；
[0022] (3)熔体状物料从熔融段的流道进入排气段的流道后，第一螺杆上的单头螺纹流 道分别和第二螺杆上两个彼此分离的流道相通，扩大了物料的排气表面积，而且第一螺杆 内折流板的翻动作用和第二螺杆流道的压缩和扩展作用加速了气体从排气口排出，同时熔 融的物料受第一螺杆和第二螺杆的作用进一步向混炼挤出段的流道方向运动；
[0023] (4)熔体状物料进入混炼挤出段的流道后，熔融的物料受到两根螺杆组成流道导 致的"一分二-二合一-一再分二"的拓扑混沌作用，及第一根螺杆上折流板将导致"8"字 形双曲流动扰动而在螺槽全程触发混沌混合，再加上第二螺杆的周期性压缩扩张作用，三 种强化混合机理的作用使螺杆机构对熔体状物料进行混炼塑化，且使熔体状物料稳定从出 料口挤出；
[0024] 同时，第一螺杆和第二螺杆之间的相互擦拭作用实现了自洁作用。
[0025] 本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
[0026] 1、本发明的螺杆机构中，第一螺杆为带有折流板的单头螺纹，第二螺杆为双头螺 纹结构，两根螺杆等速啮合旋转，可以有效解决原料成分波动带来的产品质量不稳定问题， 兼顾了单头螺纹深螺槽的强大输送效率，提高了固体输送效率，可以更大程度的增加挤出 产量，适用于大产量加工。
[0027] 2、本发明采用了三种强化混合机理：1)折流板的设置引入了"8"字形双曲流动扰 动来触发螺槽全程混沌混合；2)两根螺杆组成的流道形成了"一分二一一二合一一一一再 分二"流动线路的拓扑混沌作用，提高了轴向混合作用；3)两根螺杆间及第二螺杆可实现周 期性"压缩一一扩张一一再压缩一一再扩张"作用，引入拉伸力场作用机理，有效实现了压 缩预热和分散混合。因此，可全面强化了混合混炼和传热过程，使完成塑化的热、机械历程 大大缩短，其能耗低、节能降耗效果显著。
[0028] 3、本发明保证了第一螺杆、第二螺杆紧密啮合同向旋转，两根螺杆之间相互擦拭 作用，实现了加工过程自洁作用。
[0029] 4、本发明通过引入折流板结构，尤其适用于非充满挤出过程，可以实现第一螺杆 及第二螺杆流道拉伸力场作用，全面强化了混合混炼强度和效果，具有极其优异的分散分 布混合效果，可以不用捏合块，大幅度提高了加工过程自洁功能，使加工过程停留时间分布 更窄，提高了加工效率和效果，尤其适用于高产量、纳米材料的加工。
【附图说明】
[0030] 图1是本带有折流板的同向自洁双螺杆挤出机实施例1的结构示意图。
[0031] 图2是图1中E-E方向的剖视图。
[0032] 图3是图1中F-F方向的剖视图。
[0033] 图4是实施例1中，螺杆机构及部分机筒的三维造型示意图。
[0034] 图5是实施例1中实现混沌混合、拓扑混沌及拉伸力场作用的原理示意图之一。
[0035] 图6是实施例1中实现混沌混合、拓扑混沌及拉伸力场作用的原理示意图之二。
[0036] 图7是实施例1中实现混沌混合、拓扑混沌及拉伸力场作用的原理示意图之三。
[0037] 图8是实施例2中，螺杆机构及部分机筒的截面结构示意图。
[0038] 图9是图8中螺杆机构及部分机筒的三维造型