单螺杆塑化机、一组设备和用于塑化输出物的方法
【专利说明】单螺杆塑化机、一组设备和用于塑化输出物的方法
[0001] 本发明涉及一种用来输送、熔化、均化和压制（即塑化）输出物的单螺杆塑化机， 以及一种用于输送、熔化、均化和压制（即塑化）输出物的方法。
[0002] 尤其是，该"输出物"包括塑料，特别是热塑性的聚合物（必要时带有粉末状或纤 维状的添加物），以及食品。
[0003] 该"单螺杆塑化机"可以特别是挤出机，这样本发明特别涉及一种用于热塑性的聚 合物的单螺杆挤出机和一种利用这种挤出机塑化热塑性的聚合物的方法。
[0004] 单螺杆塑化机在现有技术中已经广为人知。在肖普内、沃尔克《挤出装置的工艺设 计》，公开出版物"进展报告VDI"，系列3,第715号，杜塞尔多夫，VDI出版2001年，国际标 准书号3-18-371503-1，于第4. 2章节中已有关于它们的结构和流动计算的详细说明。
[0005] 从专利文献DE1022017686A1中可以得到关于单螺杆塑化机的具体建议。
[0006] 单螺杆塑化机经常以例如挤出机的形式存在或存在塑料浇铸机中。在此应当特别 注意的是，在挤出机的内部，部分设备（能够）用于制造型材、管材、薄膜、吹塑件、板材、长 丝、非织造物、带子、半成品、软管、电缆、颗粒、复合物或泡沫半成品。
[0007] 对于塑化机提出了以下大量要求：为了能够很好地设计，应当在不同的对压情况 下能够维持尽可能恒定的传输速度。此外，应当在最佳的预设的挤出温度下实现待处理的 输出物的良好的均匀化。此外，它应当能够处理尽可能广范的多样性材料，但是同时消耗低 的有效能量并由此整体上对资源有利。除了通常要求实现尽可能好的性价比之外，它应当 是超水平地具有占地面积小、噪音低、可用性高、耐磨损和益于维修的优点。挤出机的制造 商特别感兴趣的是后者，以能够对于不同的吞吐量和塑料提供可靠的挤出机。
[0008]自工业化以来，挤出机构造成在预设的螺杆直径的条件下，根据工艺条件（即根 据压力、所用的聚合物的类型、模塑温度和均匀性等）达到相应的吞吐能力或吞吐量范围。
[0009] 如果应当在维持其他工艺条件的情况下提高吞吐能力，一般需要按照物理的相似 定律来增大螺杆直径。长度与直径的比值（其在技术领域中通常称为L/D)保持相同，或挤 出机由于熔化问题和停留时间问题而变得更长。这导致工程师力争建立具有尽可能小的螺 杆直径的挤出机。
[0010] 为了提升产出能力m，原则上必须提高空闲的通道体积，并且相应地调整停留时 间，以便材料完全熔化。但是不能任意地增大螺杆通道体积，这是因为螺杆还必须传输需要 的驱动转矩。因此，最终必须增大螺杆直径。
[0011] 为了避开位置紧凑的挤出机的缺点，在过去的十年里研发了快速转动的单螺杆挤 出机。实际常见的挤出机具有35毫米到100毫米的直径D，并且具有30D到40D的圆柱体 长度L，以及具有超过1米/秒的圆周速度。
[0012] 缺点是，通过高的圆周速度，材料10被大大剪切，熔化温度的高度由工艺条件决 定，并且加工窗口较窄。
[0013] 但是，最终所有市场常见的方案很难做到提供事实上不依赖于螺杆直径的、根据 相似定律可自由规划的通用的挤出机。对此有以下几个原因：首先，传输能力取决于聚合物 与钢之间以及聚合物内部的摩擦系数，因此它取决于通道深度、通道宽度和聚合物特性，这 就是说由于滑动特性和粘附特性是相似理论方面不能反映的，因此没有真正意义的物理相 似性。于是，熔化能力不是正好与停留时间和与剪切能量成比例。最后，不同的聚合物在粘 度、熔化焓、摩擦系数和形态方面不是物理相似的。
[0014] 因此，当前以经验和工艺方面的知识个性化地优化挤出机来适应所提出的各种任 务。具体来说，技术人员通过以下方式开始设计挤出机用于满足边界条件，即采用小的、成 熟的挤出机用作输出几何体的装置，在这种输出几何体的装置中开始运用物理的相似定 律，然后在后续的迭代的细化步骤中改进挤出机的工作性能。在此情况下不能保证，如此构 造的挤出机还能够达到成熟的具有这种输出几何体的挤出机的产品质量。
[0015] 在实际应用中，挤出机的已知参数范围为：
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[0018] 在格哈德?申克尔的《塑料挤出机技术》中，S卩《用于塑料的螺杆挤压机》一书的第 二版，卡尔?汉泽出版社，慕尼黑，1963年，于第167-169页中进行了不同的计算用来理解力 学模型规律，其中在一个例子中，对于其他的数值按照模型类似计算的挤出机的L/D比值 在150毫米直径D的情况下为大约3. 2,在第169页中提到，对于这种计算可能可以是"相 当短的螺杆"，但是这个理论的建议不能视为该问题的可实现的解决方案。
[0019] 实际应用中同样还有：自70年代以来，特别是由于引进沟槽套筒挤出机和快速转 动的单螺杆挤出机，相应的几何体被归为非经济的。低的吞吐量相对于高的回压由于大的 螺杆直径被认为是缺点。因此在过去的40多年里，科学界力争从尽可能小的和长的挤出机 中获得高的输出能力，即具有大的L/D比值。在实际应用中，自70年代起，对于快速转动螺 杆（快速转动的螺杆的特征在于以大于lm/s的圆周速度运行）而言，螺杆长度从大约20L/ D甚至朝着直到40L/D的方向发展。
[0020] 在热橡胶挤出机的领域中或通常橡胶挤出机的领域中，可以有具有大直径的很短 的挤出机，像例如在洛萨?科斯特的《橡胶挤出的实践》中，卡尔?汉泽出版社，慕尼黑，国际 标准书号978-3-446-40772-5,于第5页的表中有所提及；还由詹姆斯?怀特，赫尔穆特?波 坦特在《螺杆挤出》中证实，汉泽出版社，国际标准书号3-446-19624-2。其中讨论了橡胶挤 出机在结构上明显较短，并且在塑料挤出机中用水进行回火，而不是用电或者用油进行回 火。当橡胶预热送入挤出机时（添加温度=60-90°C)，那么热吞的挤出机可以从14-20L/ D减小到6-12L/D。
[0021] 然而，用于橡胶或热橡胶的挤出机与这里本发明客体的设计无关，这是因为在用 于橡胶或热橡胶的挤出机中不涉及熔化和塑化输出物。由于橡胶或热橡胶原来已经具有需 要的性能。因此，橡胶可以例如在室温下填入挤出机，并且于多数情况下在90°C和130°C之 间离开挤出机。如果达到太高的温度，那么橡胶20会快速地损坏。处理温度要低于130°C。 此外，在加工期间橡胶没有经历固体/液体相变。此外，橡胶一般以带状的形式送入挤出机 中，这样不需要如添加热塑性的聚合物的颗粒那样进行压缩。相反，橡胶挤出机的主要任务 是连续地传输，均匀地加热橡胶和构建挤出压力。
[0022] 相反，热塑性的塑料在170°C至350°C的温度下进行处理。如在本专利申请中所述 的那样，它在挤出机中额外地进行压缩和熔化，即必然会发生固体/液体相变。
[0023] 本发明的目的在于为现有技术提供改善方案或者替代方案。
[0024] 按照本发明的第一个方面，上述任务可以通过一种用于输送、熔化和均化输出物 的单螺杆塑化机来实现，其中所述单螺杆塑化机带有具有螺杆直径和有效长度的螺杆，并 且其中所述单螺杆塑化机设置成用于在运行中借助控制器以圆周速度转动螺杆，其中遵循 以下三个参数范围中的两个或所有参数范围，即：
[0025] ?螺杆直径D为至少150毫米，尤其是200毫米至800毫米，
[0026] ?有效长度L相对于螺杆直径D的比值L/D为1到8,或者。
[0027] ?控制器设置成用于以低于1. 5m/s的圆周速度驱动螺杆，优选地低于1.Om/s，特 别优选在〇. 〇5m/s与1.Om/s之间。
[0028] 在给定的参数范围内，以下中间值可以理解为具体一起公开的，如此通过以下可 以选择性地限制上述区间边界值：
[0029] ?备选地，螺杆直径D应当为至少150、200、300、400、500、600、700或800毫米，和 /或
[0030] ?备选地，螺杆直径D应当为至多500、600、700、800毫米或者更多，和/或
[0031] ?备选地，L/D的比值