专利名称：具有反馈装置的挤出机的制作方法
具有反馈装置的挤出机
本发明涉及用于加工材料的挤出机，所述挤出机包括含有腔体的挤出 机机筒和至少一个定位在所述腔体内的挤出机螺杆。所述腔体具有上游入 口部分和下游出口部分，所述上游入口部分用于供料待加工材料，所述下 游出口部分可与用于使经加工的材料通过挤出机的挤出机出口相连。
根据材料的类型，加工可以包括混合、捏合和/或熔融。例如，热塑性 材料，特别是聚合物或聚合物混合物，可在经加热的挤出机中熔融并以熔 融状态成型，例如作为测试样品。在同一工艺中，可以混入添加剂。另 外，非热塑性材料，例如食品或其它可食用材料，可以与其它组分在挤出 机中混合，并作为混合物被赋予期望的形状，例如薄膜和颗粒。
特别地，本发明的挤出机是具有有限尺寸和有效体积的挤出机，使其
适用于熔融和混合仅少量可用的聚合物。这些聚合物的处理量可为0.05 g/min至约10 g/min，或者，如果挤出机为间歇式，则其有效体积可为5-50 ml。这种挤出机特别适用于实验室环境，用于将常常仅少量可用的实验 等级材料和混合物加工成测试样品。可用量可为50-15 g，甚至仅为5 g。 以从工业挤出机得知的方式，通过将混合和/或熔融材料供料至挤出机腔体 的下游出口，通过口模或进入阴模(所述口模和阴模均具有适当的形 状)，以进行测试样品的成型。
这样的挤出机可从美国专利No.4695240得知。该文献教导，不能简 单地通过縮小大尺寸的工业挤出机来构造小挤出机。为了获得足够的停留 时间，挤出机机筒应当较长，而挤出机螺杆变得较细。可预见待加工聚合 物的粘度改变所引起的高扭力，造成螺杆失效。在该文献中，通过在挤出 机腔体的入口部分与出口部分之间引入热分离区，解决了与縮小尺寸相关 的问题。该文献声称，其构造消除了与縮小常规挤出机装置相关的挤出机 螺杆提前失效的问题。然而该文献并未公开所提出的方法是如何消除这个 问题的。
本发明的目的是提供一种具有可靠结构并适于处理各种小用量的聚合 物的挤出机。
根据本发明，上述目的通过如下实现所述至少一个挤出机螺杆的长 度与直径之比小于20:1;挤出机还包括至少一个从腔体的出口部分贯穿机 筒的循环通道以及至少两个将循环通道与出口部分的腔体上游相连接的循 环出口；挤出机还包括用于引导材料通过所述至少一个循环通道和循环出 口和/或挤出机出口的装置。
因此，在本发明的挤出机中，所述至少一个螺杆有利地是可靠，而通 过将挤出机中的材料流通过循环通道引导至特定的循环出口，可以改变能 够循环通过挤出机的材料的有效体积，使挤出机与材料的可用量相适应。
在一种优选实施方式中，挤出机包括具有至少两个循环出口的循环通 道。这要求在机筒中只存在一个通道，但仍能使挤出机可以改变有效体 积。通过选择所述至少两个循环出口中的一个，可以改变实际用于循环材 料的通道的长度，因而改变所用体积。通过操作设置在通道与循环出口之 间作为引导材料的装置的阀，可以选择期望的体积。通常，至少一个循环 出口位于腔体的入口部分，而其它出口位于更下游的位置。使用的出口在 越下游，材料由挤出机螺杆混合和以其它方式处理的时间越短。利用这一 点，可以在通过通道输运材料的时间与挤出机螺杆捏合和混合材料的时间 之间选择期望的平衡。
在另一种优选实施方式中，存在至少两个循环通道，其中每个具有至 少一个循环出口。因此，例如通过适当地设置阀，可以使用0、 1、 2个通 道，以适应挤出机中循环材料的体积。在一种特别优选的实施方式中，所 述至少两个循环通道具有不同的体积，不同的体积例如是由不同的横截面 积或不同的长度形成的。在另一种方法中，为了适应性修改循环通道的体 积，将此通道延伸超过最上游的循环出口并与挤出机外壳壁的开口相连。 然后，将与循环通道紧密配合的挡杆从外部推入通道，以封闭一个或更多 个循环出口，从而迫使循环材料流过未被挡杆封闭的循环通道。通过改变 将挡杆推入循环通道的深度，可以选择封闭循环出口的数量。对于由2个 或更多个部件构成的机筒(其可以被打开以取出挤出机螺杆)，可使用插
件来根据需要封闭循环出口或将其与循环通道相连。这些替代性方法的优 点是不需要用阀来开启和关闭循环出口 。
为了提供大量不同的有效体积，还可以采用只具有一个或具有多个循 环出口的循环通道或具有不同长度或横截面积的多个循环通道的组合。挤 出机具有不同横截面积的通道，可使其适于加工具有不同熔体粘度的材 料，较窄的通道适合高粘度材料，较宽的通道适合粘度较低的材料。
在将加工的材料实际供料至挤出机出口之前，通过将待加工的聚合物 通过挤出机腔体及相连的循环通道循环一段时间，可以获得适当的加工时 间，以对可用量的聚合物进行期望程度的加热和混合。因此，该挤出机不 再需要拥有数个不同的各自适于加工一定量的聚合物的备用挤出机。这对 于往往仅存在较少的实验量的材料的实验室环境是特别相关的。
从美国专利No. 6129450可知一种小型挤出机，该挤出机存在连接挤 出机腔体入口部分与出口部分的反馈通道。待加工的聚合物从腔体循环进 入反馈通道，以便得到层流，通过反馈通道中的传感器测量该层流的某些 流变参数。为了得到稳定的层流，通道的直径必须相当大。
在该文献中，并不存在本发明的构思，即通过提供至少两个进入挤出 机腔体的不同出口，可使挤出机具有各种有效体积。
设计挤出机，以使至少一个螺杆的长度与其直径相比较短，长度与直 径之比小于20:1，优选小于15:1，或甚至小于10:1。当采用锥形螺杆时， 直径是指其最大直径。与已知的按比例縮小的螺杆相比，这样的螺杆可以 更轻松地经受由通过机筒加工聚合物材料所施加的扭力。
挤出机本身在本领域中是已知的，通常包括包含中空的、基本轴向的 腔体的金属外壳或机筒，所述腔体中存在一个或更多个具有混合和输运功 能的旋转螺杆。在腔体的上游入口部分，存在将待加工材料供料到挤出机 中的入口。通过旋转所述至少一个螺杆来加工被供料的材料，将机筒加热 以使材料熔融，并且合适的螺杆配置可形成适当的混合以及输运至机筒的 下游出口部分。腔体的末端与朝向挤出机外部开口的出口相连，以使经混 合和/或熔融的材料在所述至少一个螺杆的输运作用下离开挤出机。挤出机 的出口开口可以提供有口模，使离开的材料具有该口模的形状，然后通过
冷却熔融出口流来保持该形状。出口也可以与包含所需形状的空腔的阴模 相连。然后用熔融材料填充此空腔，冷却后得到具有此空腔形状的物体。 这样的空腔例如可以具有特定的测试过程所规定的测试样品的形状。
在本发明的挤出机中，存在至少一个通道和至少两个循环出口，以将 腔体的出口部分与其上游位置相连。以此方式形成环路，通过此环路，螺 杆输运的到达腔体出口部分的材料流入一个或更多个循环通道，并通过这 些通道通过一个或更多个循环出口返回腔体，在这里再次供料至螺杆并再 次通过机筒向下游运动。因此，熔融聚合物流可以循环，直到已将其混合 和熔融到一定程度，足以通过挤出机出口排出并如上所述赋予其期望形 状。
在一种优选实施方式中，存在至少一个具有至少两个与腔体相连的循 环出口的循环通道。以此方式，可以仅仅通过一个循环通道就实现两种甚 至三种不同的有效体积，这可使结构更简单。
在另一种优选实施方式中，存在至少两个体积不同的循环通道，体积 不同是由长度差异和/或垂直于长度方向的横截面积的差异所造成的。
在另一种有效实施方式中，存在至少两个横截面积和/或长度不同的循 环通道。
这些差异可使循环体积在宽范围内变化，并且当存在具有不同横截面 积的通道时，可允许具有不同粘度的组合物被循环。横截面较大的通道可 使较高粘度的材料被循环，横截面较小的通道可用于更易流动的材料。
为了选择流过一个或更多个循环通道并流至一个或更多个通道出口或 直接流至挤出机出口的期望流路，在机筒的出口部分和挤出机出口之间， 并且在具有多于一个循环出口的循环通道内部(如果适用)，存在合适的 阀系统。通道通常穿过机筒，但也可以存在于机筒外部。如果材料以熔融 状态被加工，则将机筒和任何在外部延伸的通道加热，以将在其中流动的 材料保持熔融状态。
腔体的形状可以是圆柱形或圆锥形。当存在两个螺杆时，腔体基本上
是具有两个部分重合的圆柱形或圆锥形腔体的8字形，每个腔体中存在一 个圆柱形或圆锥形螺杆。对于单螺杆或多螺杆挤出机，这样的结构本身是
已知的。而且，具有多于两个螺杆的挤出机在本领域中是己知的，并且可 用于本发明的挤出机。如果存在两个螺杆，这些螺杆可以反向旋转但优选 同向旋转。这对于快速混合是高效的设置，并且可以确保限定的输运路 径。
通过附图进一步描述本发明，其中
图1为具有两个循环通道(其中一 个具有多于一个循环出口)的单螺杆挤出机的剖视图。图1示出了本发明 的一个实施例，但不限制本发明的范围。
图1示出了具有挤出机机筒3的挤出机1。在机筒3中，存在圆柱形
腔体5，其下游出口部分与挤出机出口 7相连。该出口与三通阀9连接， 三通阀9可将由挤出机螺杆11向下游输运的材料流引导至循环通道13和 15中的一个或两个(再循环)，或者引导至出口 17 (离开挤出机)。出 口 17可被设计以赋予离开它的材料流所需形状，或为此目的可将具有所 需出口形状的口模(未示出)与出口 17相连接。
通道15具有三个在上游的不同高度向腔体5开口的循环出口 19、 21 和23。存在阀25、 27和29，用于根据需要开启和关闭出口 19、 21和/或 23，从而改变有效的挤出机体积和/或循环时间以及整个循环时间的捏合/ 混合部分。阀29可以省略，其主要用于防止材料从挤出机腔体进入出口 通道23，当挤出机过量加料时可能会发生这种情况。出于同样的理由，在 循环通道13的上游端的循环出口中可以存在阀。
直径不同于通道15的通道13从腔体的出口部分7直接返回其入口部 分。图1中未示出用于将未加工原材料供料至挤出机的供料通道，其位于 循环出口23的上游。
权利要求
1.用于加工材料的挤出机，包括含有腔体的挤出机机筒和至少一个定位在所述腔体内的挤出机螺杆，所述腔体具有上游入口部分和下游出口部分，所述上游入口部分用于供料待加工材料，所述下游出口部分可与挤出机出口相连，用于使经加工的材料通过挤出机，其特征在于所述至少一个挤出机螺杆的长度与直径之比小于20∶1；所述挤出机还包括至少一个从所述腔体的出口部分贯穿所述机筒的循环通道以及至少两个将循环通道与所述出口部分的腔体上游相连接的循环出口；所述挤出机还包括用于引导所述材料通过所述至少一个循环通道和所述循环出口和/或所述挤出机出口的装置。
2. 如权利要求1的挤出机，其中所述长度与直径之比小于15:1。
3. 如权利要求1或2的挤出机，包括至少一个具有至少两个循环出口 的循环通道。
4. 如权利要求1或2的挤出机，包括至少两个循环通道，每个所述循 环通道具有至少一个循环出口 ，其中所述至少两个循环通道至少在体积和/ 或横截面积和/或长度上存在差异。
5. 如权利要求1-4中任何一项的挤出机，包括两个同向旋转的挤出机 螺杆。
全文摘要
用于加工材料的挤出机(1)，包括含有腔体(5)的挤出机机筒(3)和至少一个定位在所述腔体内的挤出机螺杆(11)，所述腔体具有上游入口部分和下游出口部分，所述上游入口部分用于供料待加工材料，所述下游出口部分可与挤出机出口(7)相连，用于使经加工的材料通过挤出机，所述至少一个挤出机螺杆的长度与直径之比小于20∶1；所述挤出机还包括至少一个从所述腔体的出口部分贯穿所述机筒的循环通道(13、15)以及至少两个将循环通道与所述出口部分的腔体上游相连接的循环出口(19、21、23)；所述挤出机还包括用于引导所述材料通过所述至少一个循环通道和所述循环出口和/或所述挤出机出口的装置。
文档编号B29C47/72GK101107116SQ200680002866
公开日2008年1月16日 申请日期2006年1月17日 优先权日2005年1月21日
发明者约翰尼斯·艾斯布兰德·泰斯尼特池 申请人:帝斯曼知识产权资产管理有限公司