专利名称：一种单螺杆纳米塑料挤出机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种纳米级塑料复合材料或纳米级塑料母料的生产机械，特别是一种单螺杆纳米塑料挤出机。
随着科技的发展，对材料、特别是塑料提出了诸如高强度、高耐热、高韧性及低比重等的要求，按现有技术生产的塑料在上述指标上均满足不了使用要求。而新兴的纳米材料可大大提高材料的性能。纳米材料是指在三维空间中至少有一维在1-100nm尺寸范围之间的粒子，它是介于原子簇和宏体物体交界的过渡区域，即非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，即接近于分子或原子的临界状态。
利用纳米粒子的特性，如小尺寸效应，表面与界面效应，量子尺寸效应，将无机纳米级材料添加到塑料中制备纳米塑料可使塑料呈现许多优异的物理性能。如可兼具高强度、高耐热、高韧性、低比重等优异的综合性能。可保持良好的透明度和光泽性。不同功能的纳米级粒子材料的加入，可制备出杀菌、耐磨、红外吸收、紫外阻隔、阻燃、阻隔、磁性、缓释等纳米复合塑料，也可以改善塑料的加工性能，使过去认为难以加工的材料变得易于加工。因此纳米级复合塑料具有广泛的应用前景，对于研制高性能结构材料具有重要意义。
目前纳米材料的研究，从理论到实践应用均已取得一定进展。但其在塑料中的应用发展却相对较迟缓，究其原因，正是由于其小尺寸效应、大的比表面积、表面原子处于活化状态等特点所导致的易于团聚，在塑料中难以达到纳米分散、分布状态，不能发挥其性能优势。因此，纳米材料在塑料中的分散混合和分布混合成为纳米塑料推广应用的主要难题。
本实用新型的目的是提供一种单螺杆纳米塑料挤出机，它在加工中能产生极高的剪应力来分散易于团聚的纳米级粒子，而这种分散混合与一般单、双螺杆挤出机的无序分散混合性质不同，是有序的分散混合，可以完全按分散需要达到按设计分散混合和分布混合的质量——分流层数和分流层厚从而制成纳米材料。
本实用新型的目的是按如下技术方案实现的。一种单螺杆纳米塑料挤出机，包括干燥料斗、加料底座、衬套、机筒、螺杆、定子、转子、驱动装置及加热控温系统，其特征是所述螺杆包括固相输送段、压缩段、固液分离段、液相输送段、混炼转子段；所述机筒的前端具有混炼定子段，后端接有拉槽衬套；螺杆的转子与机筒的定子构成可以打破纳米材料在塑料中团聚，使之有序地强制分散、分布的混炼单元。在所述螺杆的固相输送段、压缩段、因液分离段、液相输送段、混炼转子段之间具有过渡段。所述螺杆的长度与直径之比为28-32比1。所述螺杆的混炼转子段与机筒混炼定子段所构成的混炼单元结构为空腔换位结构，其空腔形状为菱形、圆形、椭圆形三种形式。所述转子及定子在圆周上每圆分布的空腔数为4-12个，在轴向分布的空腔排数为4-12排。
本实用新型采用了在螺杆的头部设计有一个混炼转子，这个混炼转子与机筒前端装有的混炼定子结合成一个空腔换位的混合单元。转子的外表面与定子的内表面上均设计有按一定形式分布的圆形、椭圆形或菱形空腔，并互相交错着，在螺杆旋转时，螺杆所输送的一股熔体首先被转子圆周腔数所切割分配，然后转子第一圈每一个空腔中的物料又被定子第一圈空腔所切割分配，接着依次地在转子和定子的空腔之间传递换位，进行这种切割分配，其分散混合程度也随着这个过程的重复次数而成指数的增加。其分散混合能力(混合层数)几乎可以以天文数字发生。物料通过这个混炼单元后的分散混合层数Sn可按下式计算Sn＝An式中A为转子圆周分布的空腔数，n为转子与定子间轴向交错的空腔排数。
设转子圆周分布的空腔数为10时，而转子和定子轴向空腔排数均为12，而且相交错，其分散数(混合层数)Sn为1024，几乎是天文数字。所以它有转统塑料机械所不能比拟的分散、分布混合能力，而这种混合是有序的，完全可以根据纳米材料的要求，设计达到混炼单元的技术参数。
综上所述，本实用新型在单螺杆挤出机的前端，螺杆和机筒的头部采用了特殊设计的混炼单元，这个混炼单元以对螺杆输送过来的熔体采取分割换位的方式强化了对纳米级材料在塑料中的分散、分布混合。从而使纳米材料得以充分发挥其性能优势。物料在混炼区所造成的压力降，由机筒后部特殊设计的锥度拉槽衬套所产生的正向压力来补偿。本实用新型适用于生产各种纳米塑料母料或直接生产纳米塑料复合制品。
以下结合附图以实施列做具体介绍。
图1为本实用新型的示意图，图2为
图1中的螺杆5的示意图，图3为
图1中的衬套3、机筒4与定子6的组合示意图，图4为图3中的A-A剖面图，图5-7为混炼单元的几种空腔形状图，图8、图9为混炼单元的结构形式图，图中代号1.干燥料斗2.加料底座3.衬套 4.机筒5.螺杆6.定子7.转子 8.加热器9.冷却风机10.机架 11.电机12.联轴器13.减速器 14.机头如
图1，装于机架10内的调频电机11通过联轴器12、减速器13带动螺杆5转动，经表面有机化修饰的纳米级材料与树脂的混合物进入干燥料斗1被脱除水分或低分子挥发物，然后被螺杆输送向前，在机筒4外部装有若干加热器8和冷却风机9，螺杆5将物料挤压并初步熔融混合后推入螺杆头部的转子7和机筒头部定子6构成的空腔换位混炼单元中，在这里物料中的纳米粒子被强化分散并有序分布，通过机头14制成纳米塑料母料或直接生产纳米塑料复合制品。
如图2，螺杆5包括带进料段的固相输送段51、压缩段52、固液分离段53、液相输送段54、混炼转子段55，在螺杆5的后部具有止退螺纹56B、圆柱部分56C，用于防止泄漏，花键部分57用于传功，固相输送段51和固液分离段53均为多头螺纹，本实施例中采用双头螺纹，固液分离段53的双头螺纹为主螺纹58和辅螺纹58A，其外径分别为D、D1，使在运行中，二外径D、D1的差值用于通过熔融的液体，和阻挡未熔的固态物料，使其继续被加热直到熔融才能通过。而固相输送段51中两条螺纹的直径相同，其中一条辅螺纹56A是开放的，不与另一条主螺纹56搭接，在固相输送段51、压缩段52、固液分离段53之间具有过渡段51A、52A。螺杆5的头部为一个混炼转子段55，与机筒头部对应部位的定子6构成一个空腔换位混炼单元。在这个混炼单元里，物料从液相输送段54被挤压至此，首先被转子区55圆周分布的第一圈各空腔所切割分配，然后转子55第一圈每一个空腔里的物料又被定子第一圈各空腔所切割分配，这样依次地在转子和定子的空腔之间传递换位，进行这种切割和分配，其对纳米级材料在塑料中的分散程度也随着这个过程的重复次数而成指数的增加。从而使纳米级材料不仅能按要求在塑料中达到分散目的，而且可以按要求达到分布目的。经此，充分得到有序混合了的物料被送至机头14处，生产出纳米复合制品或纳米塑料母粒。本实施例中螺杆5的有效长度与直径比例为30∶1。
如图3，机筒4的前端内壁上有定子6，该段具有按一定形式排列的空腔。该定子段6与图2中的螺杆转子段55构成了一个空腔换位混炼单元。机筒4的后端，接有加料底座2和衬套3，加料底座2带有水环21如图4，在加料底座2内装有衬套3，衬套3内具有带直拉槽22的孔，直拉槽22的截面为水滴形，该水滴形的两侧A、B与中心线C的距离不相等，该中心线C为从水滴形的最深点E到圆心O的连线。本实用新型中的衬套2作用较大，因为螺杆和机筒前端的转子和定子会使料流产生较大的压力降。就需要拉槽衬套所形成的输送压力来补偿。
如图5、6、7本实用新型中转子和定子所构成的混炼单元的空腔形状包括三种，即菱形空腔、圆球形空腔和椭圆形空腔。
本实用新型中转子和定子所构成的混炼单元，根据挤出螺杆的直径不同可以分为二种结构形式图8为螺杆直径较大时的结构形式；图9为螺杆直径较小时的结构形式。
权利要求1.一种单螺杆纳米塑料挤出机，包括干燥料斗、加料底座、衬套、机筒、螺杆、定子、转子、驱动装置及加热控温系统，其特征是所述螺杆包括固相输送段、压缩段、固液分离段、液相输送段、混炼转子段；所述机筒的前端具有混炼定子段，后端接有拉槽衬套；螺杆的转子与机筒的定子构成可以打破纳米材料在塑料中团聚，使之有序地强制分散、分布的混炼单元。
2.根据权利要求1所述单螺杆纳米塑料挤出机，其特征是在所述螺杆的固相输送段、压缩段、因液分离段、液相输送段、混炼转子段之间具有过渡段。
3.根据权利要求1所述的单螺杆纳米塑料挤出机，其特征是所述螺杆的长度与直径之比为28-32比1。
4.根据权利要求1所述的单螺杆纳米塑料挤出机，其特征是所述螺杆的混炼转子段与机筒混炼定子段所构成的混炼单元结构为空腔换位结构，其空腔形状为菱形、圆形、椭圆形三种形式。
5.根据权利要求1所述的单螺杆纳米塑料挤出机，其特征是所述转子及定子在圆周上每圆分布的空腔数为4-12个，在轴向分布的空腔排数为4-12排。
6.根据权利要求1所述的单螺杆纳米塑料挤出机，其特征是所述转子及定子的结构随螺杆直径大小不同采用二种形式螺杆直径较大时采用向小直径过渡的形式；螺朴直径较小时采用直径不变的形式。
7.根据权利要求1所述的单螺杆纳米塑料挤出机，其特征是所述机筒上接有带直拉槽的衬套，该直拉槽的截面为水滴形，该水滴形的两侧与中线的距离不相等。
专利摘要单螺杆纳米塑料挤出机,螺杆包括带进料段的固相输送段、压缩段、固液分离段、液相输送段、混炼转子段。螺杆头部的转子与机筒相应部位的定子构成了一个混炼单元,能产生较大的剪应力,打破纳米材料在塑料中的团聚,使之强制性的、有序地分散混合和分布混合,解决纳米级材料在塑料中分散和分布难的问题。从而使纳米塑料得以充分发挥其性能优势。本实用新型适于生产纳米级塑料母料,也可以用于直接生产各种纳米塑料复合材料。
文档编号B29C47/38GK2485126SQ0122708
公开日2002年4月10日 申请日期2001年6月14日 优先权日2001年6月14日
发明者徐凌秀, 万青 申请人:徐凌秀