一种带组合式旋转芯棒和分层双通道温控装置的三层共挤塑料薄膜吹塑机头的制作方法
【专利摘要】一种带组合式旋转芯棒和分层双通道温控装置的三层共挤塑料薄膜吹塑机头，涉及塑料多层复合薄膜的成型领域。该机头带有组合式螺纹元件的旋转芯棒。中、外层物料分别从中、外层物料入口装置进入机头，经由内、中层芯模和中、外层芯模组成的半圆环形主流道、多阶并联式歧管、多头螺纹变截面分流道和稳压区过渡流道向口模方向复合流动。各层芯模设有可进行独立温控的加热、冷却系统。通过改变旋转芯棒的旋转速度、螺纹元件的组合、并联式歧管的阶数、分流道的头数和倾斜角、修正分流道的截面形状和稳压区过渡流道间隙等措施，保证三类塑料熔体从机头入口至口模流出的沿程压力降、停留时间以及复合界面处的剪切应力相等，实现不同物性塑料的复合薄膜的制取。
【专利说明】一种带组合式旋转芯棒和分层双通道温控装置的三层共挤塑料薄膜吹塑机头
【技术领域】
[0001]本发明涉及生产三层共挤复合塑料薄膜的吹塑机头，具体涉及对机头的螺旋芯棒结构的改进及各层芯模温控的方法，特别适合三层高精度复合吹塑薄膜的制取。
【背景技术】
[0002]随着高聚物新型材料的不断出现和市场上对高聚物挤出薄膜性能要求的不断提高，单一组分的薄膜往往不能经济地满足使用和加工的要求。使用多层共挤工艺能够将多层具有不同特性的物料，经过多台挤出机塑化后，共同挤入到一个复合机头中汇合。通过吹塑、冷却、牵引及卷取等工序，能够最经济的生产最佳性价比的复合功能膜。
[0003]通过复合共挤吹塑机头结构的创新设计，各层薄膜厚度的有效调整，以及各层物料的温度的精确控制，可使复合薄膜的综合性能得到提高。在一个宽广的范围内，重新构建薄膜的结构，基材的选择范围更加广泛，膜的各层结构组合更加方便灵活，成本更加低廉。它可将不同物料的优良特性进行互补，可以得到特殊要求的性能和外观，诸如防氧和防湿的高阻隔性、着色性、保温性。热成型和热粘合能力、强度、刚度、硬度以及防穿刺性，不仅增加了薄膜的附加值，简化了复合工艺的流程，减少了投资，而且使薄膜的质量更加稳定。
[0004]多层共挤吹塑工艺主要用于生产食品包装用阻隔膜、多层双向定向收缩膜、中空保鲜膜、土工膜、包装用重载膜、密封膜、拉伸膜、捆包膜等。这些膜在食品、医药、日化产品的包装、农用大棚、水利、环境工程等领域有着广泛的用途。
[0005]多层共挤吹塑薄膜主要由基材、阻隔材料和粘合剂等组成。本专利以三层共挤吹塑薄膜为结合点，阐述如何解决多层共挤吹塑薄膜制取过程中的共性技术难点。
[0006]多层共挤吹塑薄膜制取过程中的共性技术难点:它的核心在于复合机头的流道设计，应保证物料从机头入口至口模出口的沿程压力降和停留时间相等；保证各组分的熔融物料在复合区流道内汇合时，各层熔料在口模周向的轴向流速和温度分布均匀一致，厚度偏差小，无料流的痕迹；保证各层料流的结合面处剪切应力一致，熔体的机械应力和热应力较小；此外还应使各层料流的温差不宜过大，当相邻层树脂熔点、粘度相差较大时，若各层料温控制不当，对某些热稳定性较差的树脂有可能形成分解层，出现无晶点。为此希望各层机头流道能进行独立温控。
【发明内容】
[0007]针对性能差异较大的塑料材料多层复合膜加工的问题，本发明实现了基于组合式旋转芯棒和多层双通道独立温度控制的多层复合吹膜机头。通过对复合机头的各层芯模内设置的导热油流道和冷却介质流道内热载体的流量和温度的控制，可以实现了对各复合层流道内料流分区温度的精确控制，确保物料温度在规定温度区以获得最佳流动状态。机头中心芯棒可以根据不同物料的流变特性和热力学特性配置不同构形和几何参数的螺纹元件，按照不同工艺条件的要求，调整中心芯棒的旋转速度，推动物料以一定的压力和速度向口模方向流动，避免了由于最内层物料由于流程过长导致的流动不畅和周向分布不均问题。通过组合式芯棒不同构形和几何参数的螺纹元件的科学配置、中心芯棒转速的调节、由内层芯模和中层芯模、中层芯模和外层芯模组成的环状半圆形主流道、多阶并联式歧管、多头螺纹变截面分流道和稳压区过渡流道的合理配置和参数的科学计算和各层流道的分区温度的独立控制，可以有效控制各层不同性能的物料的轴向和周向流速、压力、停留时间以及各层之间的剪切应力，消除料流痕迹和晶点。从而提高最终复合膜的制品质量。
[0008]本发明所涉及的装置如附图1，该设备包括:
[0009]吹气管入口 1、可旋转中心芯棒2、底端封口板3、止推轴承4、内层芯模5、内层芯模环状半圆形主流道51、内层芯模一阶并联式歧管52、内层芯模二阶并联式歧管53、内层芯模三阶并联式岐管54内层芯模四阶并联式岐管55、内层芯模多头螺纹变截面分流道56、内层芯模稳压区过渡流道57、中层物料入口装置6、中层芯模7、中层芯模环状半圆形主流道71、中层芯模一阶并联式歧管72、中层芯模二阶并联式歧管73、中层芯模三阶并联式岐管74、中层芯模四阶并联式岐管75、中层芯模多头螺纹变截面分流道76、中层芯模稳压区过渡流道77、外层芯模8、复合流道外模9、吹气管出口 10、螺母11、复合流道内模12、外层物料入口装置13和内层物料入口装置14。
[0010]整体复合吹膜机头通过螺钉固定在基座上，吹气管入口与高压空气供气装置相连。高压空气从吹气管入口吹入，经过在可旋转中心芯棒中的输气管，从吹气管出口吹出。可旋转中心芯棒下端通过联轴器和无级变速装置相连，可按照工艺要求，以设定速度旋转，将内层物料向口模方向推动。
[0011]可旋转中心芯棒通过止推轴承与内层芯模相连，底端封口板通过螺栓与内层芯模相连。内层物料入口装置一端通过螺钉与内层芯模相连，一端与内层物料挤出机的出口相连。内层芯模通过螺钉与中层芯模相连。中层物料入口装置一端通过螺钉与中层芯模相连，一端与中层物料挤出机的出口相连。中层芯模通过螺钉与外层芯模相连。外层物料入口装置一端通过螺钉与外层芯模相连，一端与外层物料挤出机的出口相连。复合流道外模通过螺钉与外层芯模相连，复合流道内模通过螺钉与可旋转中心芯棒相连。吹气管出口通过螺钉与复合流道内模相连。内层芯模5、中层芯模7形成的半圆形主流道、内层芯模多阶并联式歧管、内层芯模多头螺纹变截面分流道56和稳压区过渡流道；由中层芯模7、外层芯模8形成半圆形主流道、中层芯模多阶并联式歧管、中层芯模多头螺纹变截面分流道76和稳压区过渡流道向；
[0012]机头设有三个物料入口，分别为附图1中的内层物料入口 A、中层物料入口 B、外层物料入口 C，其中内层物料入口装置、中层物料入口装置、外层物料入口装置分别与相应物料的挤出机出口相连。内层物料从内层物料入口装置进入机头，被可旋转中心芯棒推动向口模方向流动。中层物料从中层物料入口装置进入机头，经由内层芯模和中层芯模组成的环状半圆形主流道、多阶并联式歧管、多头螺纹变截面分流道和稳压区过渡流道向口模方向流动；外层物料从外层物料入口装置进入机头，经由中层芯模、外层芯模组成的半圆环形主流道、多阶并联式歧管、多头螺纹变截面分流道和稳压区过渡流道向口模方向流动。由内层芯模和中层芯模、中层芯模和外层芯模组成的半圆形主流道、多阶并联式歧管、多头螺纹变截面分流道和稳压区过渡流道的配置和参数确定，诸如并联式歧管的阶数、分流道的头数和倾斜角、变截面的形状和稳压区过渡流道间隙的选取、都必须经过科学计算，应保证物料从机头入口至稳压区过渡流道出口的沿程压力降和停留时间相等。当物料的物性和工艺发生变化时，本发明可以通过分流道的截面形状和稳压区过渡流道间隙的修正来调节。
[0013]由内层芯模、中层芯模、外层芯模、复合流道外模和复合流道内膜共同构成了复合区流道，三种物料分别从各自的流道中流出，在复合区流道内汇合，然后从机头上部的口模出口处流出。
[0014]当不同组分的物料实现共挤出时，由于不同组分的树脂融熔温度和成型加工温度相差甚大，有的甚至超过80°C，为此本发明在内层芯模、中层芯模、外层芯模内设置了均匀折返分布的加热介质和冷却介质的双通道流道。可以分别实现对内层物料、中层物料和外层物料的温度进行准确控制，附图1中，D 口为外层芯模加热介质流道入口，E 口为外层芯模冷却介质流道入口口为内层芯模加热介质流道入口，I 口为内层芯模冷却介质流道入口 ；F 口为中层芯模加热介质流道入口，G 口为中层芯模冷却介质流道入口。加热介质可以使用导热油或己二醇，冷却介质可以使用软化水或低温导热油。图中的括号表示是从主视图角度看不见而后视图能看到的入口。
[0015]为实现对内层物料、中层物料和外层物料分别独立的温度控制，在内层芯模5、中层芯模7、外层芯模8内设置有均匀折返分布的加热介质流道和冷却介质流道；加热介质和冷却介质两种介质的的温差范围为10-20°C ；
[0016]可旋转中心芯棒中部为通孔，用于放置吹气管。吹气管两端与可旋转中心芯棒的内孔通过滑动轴承相连接，滑动轴承采用脂润滑。可旋转中心芯棒2采用芯轴、螺纹元件的组合设计方式，长径比控制在6-10 ;建议在6-8之间。可旋转中心芯棒2包括多个螺纹元件，每个螺纹元件外径相同，长径比范围为1.5-2，螺纹头数为单头或多头，螺槽容积沿物料流动方向逐渐变小，槽深为1/10-1/5倍螺杆直径。
[0017]按照设计功能的要求，图1中的可旋转中心芯棒使用4个正向输送螺纹元件，每个螺纹元件长径比为1.5-2，槽深为1/10到1/5倍螺杆直径之间。螺槽的容积应逐步缩小，各螺纹元件的螺棱应园滑过度，无死角。
[0018]内层芯模和中层芯棒的结构图及外部展开图如附图2所示，内层芯模由内层芯模环状半圆形主流道51、内层芯模一阶并联式歧管52、内层芯模二阶并联式歧管53、内层芯模三阶并联式岐管54、内层芯模四阶并联式岐管55、内层芯模多头螺纹变截面分流道56、内层芯模稳压区过渡流道57组成，中层芯模由中层芯模环状半圆形主流道71、中层芯模一阶并联式歧管72、中层芯模二阶并联式歧管73、中层芯模三阶并联式岐管74、中层芯模四阶并联式岐管75、中层芯模多头螺纹变截面分流道76、中层芯模稳压区过渡流道77组成。
[0019]在内层芯模、中层芯模、外层芯模内设置的均匀折返分布的加热介质和冷却介质的双通道流道展开示意图如附图3所示。
[0020]在中层芯模与外层芯模、内层芯模与中层芯模之间构建了由半圆形主流道、多阶并联式歧管、多头螺纹变截面分流道和稳压区过渡流道组成的中外层物料流道；通过并联式歧管的阶数、分流道的头数和倾斜角、变截面的形状和稳压区过渡流道间隙参数的配置，改变中、外层料流的流场分布状态，最终使熔融物料各质点从机头入口至稳压区过渡流道出口的沿程压力降和停留时间保持相等。
[0021]当物料的物性和工艺发生变化时，釆用通过各层独立的双通道温控系统温度调节、中心芯棒内压缩空气的压力和流量的调节、改变旋转中心芯棒的旋转速度和牵引速度、修正分流道的截面形状和稳压区过渡流道间隙、调整中心芯棒上螺纹元件的组合形式这八措施之一或两种以上措施，实现不同物性塑料的复合薄膜的制取。
[0022]上述带组合式旋转芯棒和分层双通道独立温控系统的三层塑料薄膜复合吹膜机头，类似机理同样适合于多层塑料薄膜复合吹膜机头。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明实施例1机头正视图。
[0024]图2(a)是实施例1内层芯模的结构图。
[0025]图2(b)是实施例1中层芯模的结构图。
[0026]图2(c)是实施例1内层芯模流道的外部周向展开图。
[0027]图3是实施例1在内层芯模、中层芯模、外层芯模内设置的均匀折返分布的加热介质和冷却介质的双通道流道展开示意图。
[0028]图4是本发明的实施例2。
【具体实施方式】
[0029]实施例1
[0030]图1是本发明的一个实施例，用于生产由三种不同种类塑料材料组成，且不同材料流变性能差别较大的三层复合膜。整体复合吹膜机头通过螺栓固定在基座上，吹气管入口与高压空气供气装置相连。高压空气从吹气管入口吹入，经过在可旋转中心芯棒中的输气管，从吹气管出口吹出。可旋转中心芯棒下端通过键与链轮和无级变速装置相连，可按照工艺要求，以设定速度旋转，将内层物料向口模方向推动。中层物料从中层物料入口装置进入机头，经由内层芯模和中层芯模组成的环状半圆形主流道、多阶并联式歧管、多头螺纹变截面分流道和稳压区过渡流道向口模方向流动；外层物料从外层物料入口装置进入机头，经由中层芯模、外层芯模组成的半圆环形主流道、多阶并联式歧管、多头螺纹变截面分流道和稳压区过渡流道向口模方向流动。
[0031]由内层芯模、中层芯模、外层芯模、复合流道外模和复合流道内膜共同构成了复合区流道，三种物料分别从各自的流道中流出，在复合区流道内汇合，然后从机头上部的口模出口处流出。
[0032]可旋转中心芯棒通过止推轴承与内层芯模相连，底端封口板通过螺栓与内层芯模相连。内层物料入口装置一端通过螺钉与内层芯模相连，一端与内层物料挤出机的出口相连。内层芯模通过螺钉与中层芯模相连。中层物料入口装置一端通过螺钉与中层芯模相连，一端与中层物料挤出机的出口相连。中层芯模通过螺钉与外层芯模相连。外层物料入口装置一端通过螺钉与外层芯模相连，一端与外层物料挤出机的出口相连。复合流道外模通过螺钉与外层芯模相连，复合口模内模通过螺钉与可旋转中心芯棒相连。吹气管出口通过螺钉与复合流道内模相连。
[0033]三种不同的塑料材料被各自的挤出机送入机头的三个物料入口，即内层物料入口A、中层物料入口 B、外层物料入口 C，三个入口的直径为10-30mm。由于内层物料流动距离较远，可旋转中心芯棒初始按照5-20转/分钟的设定速度旋转，并根据复合膜的挤出情况进行调整。
[0034]内层芯模、中层芯模、外层芯模内设有均匀分布的导热油流道和冷却水流道，可进行单独温控。D 口为外层芯模导热油流道入口，E 口为外层芯模冷却水流道入口 ；H 口为内层芯模导热油流道入口，I 口为内层芯模冷却水流道入口 ；F 口为中层芯模导热油流道入口，G口为中层芯模冷却水流道入口。
[0035]可旋转中心芯棒采用芯轴、螺纹元件的组合设计方式，芯棒螺杆直径100_，长径比为6。使用4个导程相同的正向输送螺纹元件，每个螺纹元件长径比为1.5，槽深为1/6倍螺杆直径。内层芯模和中层芯棒的外部周向剖面展开图如附图2所示。在内层芯模、中层芯模、外层芯模内设置的均匀折返分布的加热介质和冷却介质的双通道流道展开示意图如附图3所示。
[0036]实施例2
[0037]图4是本发明的实施例2，用于对流动性较差的塑料物料进行三层复合吹膜加工。实施例2与实施例1不同之处在于:
[0038]对于流动性较差或热敏性物料，需要尽量缩短物料在机头流道中的停留时间，为此需要缩短中层芯模和内层芯模的流道长度，因此本发明的实例2中，将A、B、C三台挤出机置于同一水平面位置，相邻两台挤出机中心的夹角均为120°，通过一个喂料分配器从内部分别向半圆环形主流道供料。
[0039]三种不同的塑料材料被各自的挤出机送入机头的三个物料入口，即内物料入口 A、中层物料入口 B、外层物料入口 C，三个入口的直径约为10-30mm。旋转中心芯棒初始按照5-20转/分钟的设定速度旋转，并根据复合膜的挤出情况进行调整。
[0040]可旋转中心芯棒采用芯轴与螺纹元件的积木式组合设计方式，采用4个正向输送螺纹元件，螺纹元件长约为1-2个导程。上端两个螺纹元件的导程相同，螺旋升角为17度42分，槽深约为1/8倍螺杆直径，长度约为I倍导程。下端两个螺纹元件导程比上端的大。下端两个螺纹元件的导程不等，长径比约为1.5，槽深也为1/8倍螺杆直径。中层物料从中层物料入口装置进入机头，经由内层芯模和中层芯模组成的环状半圆形主流道、多阶并联式歧管、多头螺纹变截面分流道和稳压区过渡流道形主流道向口模方向流动；外层物料从外层物料入口装置进入机头，经由中层芯模、外层芯模组成的环状半圆形主流道、多阶并联式歧管、多头螺纹变截面分流道和稳压区过渡流道向口模方向流动。当物料的物性和工艺发生变化时，本发明可以通过各层独立的双通道温控系统温度和中心芯棒内压缩空气的压力和流量的调节、改变旋转中心芯棒的旋转速度和牵引速度、修正分流道的截面形状和稳压区过渡流道间隙、调整中心芯棒上螺纹元件的组合形式等措施来实现宽广物料范围的创新复合薄膜结构的制取。
【权利要求】
1.一种带有组合式旋转芯棒和分层双通道独立温控系统的三层塑料薄膜复合吹膜机头，其特征在于: 包括吹气管入口(I)、可旋转中心芯棒(2)、底端封口板(3)、止推轴承(4)、内层芯模(5)、内层芯模环状半圆形主流道(51)、内层芯模一阶并联式歧管(52)、内层芯模二阶并联式歧管(53)、内层芯模三阶并联式岐管(54)内层芯模四阶并联式岐管(55)、内层芯模多头螺纹变截面分流道(56)、内层芯模稳压区过渡流道(57)、中层物料入口装置￠)、中层芯模(7)外层芯模(8)、复合流道外模(9)、吹气管出口(10)、螺母(11)、复合流道内模(12)、外层物料入口装置(13)和内层物料入口装置(14)； 复合吹膜机头的内层芯模(5)、中层芯模(7)、外层芯模(8)分别通过螺钉固定在基座上，吹气管入口(I)与高压空气供气装置相连；高压空气从吹气管入口(I)吹入，经过在可旋转中心芯棒(2)中的输气管，从吹气管出口(10)吹出； 可旋转中心芯棒(2)通过止推轴承(4)与内层芯模(5)相连，底端封口板(3)通过螺栓与内层芯模(5)相连；内层物料入口装置(14) 一端通过螺钉与内层芯模(5)相连，一端与内层物料挤出机的出口相连；内层芯模(5)通过螺钉与中层芯模(7)相连；中层物料入口装置(6) —端通过螺钉与中层芯模(7)相连，一端与中层物料挤出机的出口相连；中层芯模(7)通过螺钉与外层芯模(8)相连；外层物料入口装置(13) —端通过螺钉与外层芯模(8)相连，一端与外层物料挤出机的出口相连；复合流道外模(9)通过螺钉与外层芯模(8)相连，复合流道内模(12)通过螺母(11)与可旋转中心芯棒(2)相连；吹气管出口(10)通过螺钉与复合流道内模(12)相连；内层芯模(5)、中层芯模(7)形成的半圆形主流道、内层芯模多阶并联式歧管、内层芯模多头螺纹变截面分流道(56)和稳压区过渡流道；由中层芯模(7)、外层芯模(8)形成半圆形主流道、中层芯模多阶并联式歧管、中层芯模多头螺纹变截面分流道(76)和稳压区过渡流道向； 机头设有三个物料入口，分别为内层物料入口(A)、中层物料入口(B)、外层物料入口(C)，它们分别与对应内层物料入口装置(14)、中层物料入口装置￠)、外层物料入口装置(13)相对应。
2.根据权利要求1所述的三层塑料薄膜复合吹膜机头，其特征在于:可旋转中心芯棒(2)下端通过联轴器和无级变速驱动装置相连，能按照设定方向进行调速；内层物料从内层物料入口装置(14)进入机头，被可旋转中心芯棒(2)推动向口模方向流动，中层物料从中层物料入口装置(6)进入机头，沿由内层芯模(5)、中层芯模(7)形成的半圆形主流道、内层芯模多阶并联式歧管、内层芯模多头螺纹变截面分流道(56)和稳压区过渡流道向口模方向流动；外层物料从外层物料入口装置(13)进入机头，沿由中层芯模(7)、外层芯模(8)形成的半圆形主流道、中层芯模多阶并联式歧管、中层芯模多头螺纹变截面分流道(76)和稳压区过渡流道向口模方向流动；在机头上部的口模处，由内层芯模(5)、中层芯模(7)、外层芯模(8)、复合流道外模(9)、复合流道内模(12)共同形成了复合区流道，三种物料分别从各自的流道中流出，在复合区流道内汇合定型，然后从机头出口处流出。
3.根据权利要求1所述的一种带有旋转芯棒和分层独立温控系统的三层塑料薄膜复合吹膜机头，其特征在于:可旋转中心芯棒(2)采用芯轴、螺纹元件的组合设计方式，长径比控制在6-10 ； 可旋转中心芯棒(2)包括多个螺纹元件，每个螺纹元件外径相同，长径比范围为1.5-2，螺纹头数为单头或多头，螺槽容积沿物料流动方向逐渐变小，槽深为1/10-1/5倍螺杆直径。
4.根据权利要求1所述的一种带有组合式旋转芯棒和分层双通道独立温控系统的三层塑料复合吹膜机头，其特征在于:为实现对内层物料、中层物料和外层物料分别独立的温度控制，在内层芯模(5)、中层芯模(7)、外层芯模(8)内设置有均匀折返分布的加热介质流道和冷却介质流道；加热介质和冷却介质两种介质的的温差范围为10-20°C。
5.根据权利要求1所述的一种带有组合式旋转芯棒和分层双通道独立温控系统的三层塑料复合吹膜机头，其特征在于:在中层芯模与外层芯模、内层芯模与中层芯模之间构建了由半圆形主流道、多阶并联式歧管、多头螺纹变截面分流道和稳压区过渡流道组成的中外层物料流道；通过并联式歧管的阶数、分流道的头数和倾斜角、变截面的形状和稳压区过渡流道间隙参数的配置，改变中、外层料流的流场分布状态，最终使熔融物料各质点从机头入口至稳压区过渡流道出口的沿程压力降和停留时间保持相等。
6.根据权利要求1所述的一种带有组合式旋转芯棒和分层双通道独立温控系统的三层塑料复合吹膜机头，其特征在于:当物料的物性和工艺发生变化时，釆用通过各层独立的双通道温控系统温度调节、中心芯棒内压缩空气的压力和流量的调节、改变旋转中心芯棒的旋转速度和牵引速度、修正分流道的截面形状和稳压区过渡流道间隙、调整中心芯棒上螺纹元件的组合形式这八措施之一或两种以上措施，实现不同物性塑料的复合薄膜的制取。
【文档编号】B29C49/04GK104275790SQ201410500329
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】江波, 张冰, 邹永刚 申请人:北京化工大学