包括带有螺纹的筒的挤出机的制作方法

本发明涉及挤出粘性塑料材料(特别是粘弹性材料例如橡胶)的领域。

背景技术：

通常使用挤出装置使这些材料成形，所述挤出装置包括在圆柱形筒中旋转的螺杆并通往压型装置。

为了改进所获得的产品的特征，已经对挤出机(特别是挤出机螺杆)的设计做出各种修改。因此以已知的方式，存在进料区域、然后是工作或塑化区域、均化区域以及最终部分，所述进料区域旨在接收固体或低粘度状态的材料，在所述工作或塑化区域中升高材料的压力和温度从而能够将其输送至设备的下游方向，在所述均化区域中捏合材料从而保证其性质适当地均衡，所述最终部分通往挤出模具或成形设备(例如模子)。

供应至材料的大部分能量来自挤出螺杆传递的机械能，所述机械能在材料经过上述各个工作区域的螺杆的螺纹和平坦的筒之间时所经受的剪切的作用下转化成热能。

为了改进设备的整体性能，可以通过增加螺杆的旋转速度从而增加挤出吞吐量。然而，该解决方案仍然受限，因为其造成供应至材料的能量增加，因此造成其温度增加，这可能不利于维持材料性质。

为了达到这些相同的目的，还有可能增加螺杆的螺距从而更容易输送材料。然而，该解决方案仅仍然限于挤出具有低粘度或极低粘度的材料，这些材料不需要高的输送压力也不需要进行特别大量的加工。

因此，为了以高吞吐量加工更具粘性的材料，最常见的途径是增加螺杆的直径并且重新设计更大的厂房，尽管这对挤出设备的成本并非没有影响。

考虑到经济方面，还有可能试图引入低温材料(即在车间的环境温度下)从而避免预热和塑化步骤的成本。引入的材料则具有高粘性并且需要输入大量能量才能将其挤出通过模具。

文献US 4125333描述了旨在处理熔融树脂的挤出机。根据所述文献，通过在筒中形成螺旋状通道从而改进挤出机的性能。这些筒通道以与螺杆相同的方向旋转并且旨在造成熔融树脂更好地附着在挤出机的金属部件上。

用于熔融塑料材料的另一个挤出机示例描述于文献CN 103770310，其中螺杆通道的深度在材料流动的方向上沿轴向增大，而圆筒通道的深度减小。该技术方案旨在允许挤出机处理固体和液体材料同时材料沿着挤出机的内部逐渐前行，从而在挤出机的出口处迅速获得熔融塑料材料。

这些文献中描述的挤出机都不能处理生橡胶。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种替代性解决方案，所述解决方案能够增加旨在处理粘弹性材料(例如橡胶)的挤出机的吞吐量同时控制设备的尺寸和需要的功率。

根据本发明的挤出机包括多个区域，每个区域分配特定的流变学功能并且从挤出机的上游端至下游端沿轴向设置。

挤出机包括具有给定直径的连续螺杆，所述螺杆在每个区域中包括至少一个螺旋状螺纹，所述螺纹以对于每个区域限定的方向和螺距从螺杆的中心轴沿径向以一定高度延伸，并且所述螺杆围绕筒中的轴线可旋转地驱动。挤出机的特征在于，筒包括限定至少一个螺旋状路径的至少一个螺旋状螺纹，一些材料流旨在通过所述螺旋状路径前行，所述螺纹行进通过所述区域的每一者并且沿径向向内以筒的螺纹的高度延伸，所述筒的螺纹的高度在螺杆的螺纹的高度的0.1和0.5倍之间，并且在所述挤出机中，筒的螺纹形成的螺旋以与螺杆的螺纹形成的螺旋的方向相反的方向旋转。

在挤出机的整个长度上带有螺纹的筒的存在能够增加材料的通道横截面并且增加吞吐量。螺杆的螺纹的螺旋状形状还能够有助于材料向前前进。

在实验室中进行的试验过程中，发现当筒的螺纹的高度在螺杆的螺纹的高度的0.1和0.5倍之间时，能够实现挤出机吞吐量的显著增加，同时能够优化穿过所述螺旋状路径的混合物的输入功。特别地，发现当筒的螺纹的高度大于螺杆的螺纹的高度的0.5倍时，当螺杆旋转时混合物不再被迫沿着螺旋状路径而是卡在停滞区域中，特别是筒的螺纹的凹槽的底部。还发现当筒螺纹的较小高度小于螺杆的螺纹的高度的0.1倍时，几乎对增加挤出机的吞吐量或混合物的输入功不产生效果。

因此通过调节筒的一个或更多个螺纹的螺距，所获得的沿着由筒的一个或更多个螺纹限定的一个或更多个螺旋状路径前行的材料的吞吐量在穿过挤出设备的材料的总吞吐量的10和50％之间。

优选地，筒的螺纹的高度等于螺杆的螺纹的高度的0.3倍，并且调节筒的螺纹的螺距使得沿着筒的所述螺旋状路径前行的材料流的比例为总流的30％。

而且根据本发明，由筒的螺纹形成的螺旋的旋转方向与由螺杆的螺纹形成的螺旋的旋转方向相反。筒的螺纹的方向与螺杆的螺纹的方向相反因此允许向材料供应额外的机械功而无需过多地增加旋转速度。

最后，正如下文可见，通过修改螺杆的螺纹和筒的螺纹在每个区域中的数目、高度、螺距和形状，优化了材料的输入功同时维持了希望的吞吐量性能。

优选地，螺旋状路径的宽度大于筒的螺旋状螺纹的宽度。

在实验室中进行的试验过程中发现，为了增加螺杆和筒挤出机的吞吐量，挤出机的螺杆和筒沿着其整个长度设置有螺纹，当在进入筒的端部和离开筒的端部之间形成弹性体材料时，使弹性体材料正确位移的一个必要条件是：螺纹路径的凹槽的宽度大于筒的螺旋状螺纹的宽度。有利地，需要在筒的整个长度上满足该条件。这是因为当以相反方向旋转时，在螺杆的螺纹和筒的螺纹之间形成的弹性体材料的剪切过大，使得材料的温度大大增加。因此，为了避免可能伴随着材料劣化风险的温度的增加，需要增加螺纹之间的材料通道的横截面。

现有技术的旨在阻止塑料或热塑性材料以流体或半流体状态旋转的筒的螺纹的情况并非如此。由于存在卡在筒的狭窄凹槽中的额外风险，所述挤出机不能处理弹性体混合物。

有利地，螺旋状路径的凹槽的宽度和筒的螺旋状螺纹的宽度之间的比例在3和10之间，优选在5和10之间。这些值能够最佳地保证形成材料所需的正确的材料剪切水平，同时保证材料流沿着挤出机的内部位移。

根据本发明的挤出机还可以单独或组合地包括如下特征：

-在每个区域中，筒的螺纹的螺距大于或等于螺杆的螺纹的螺距；

-筒的螺纹的高度和螺杆的螺纹的高度在至少一个区域的长度上恒定；

-挤出机包括一个或更多个区域，每个区域分别进行如下流变学功能之一：进料区域，所述进料区域旨在引入和塑化材料；压缩区域，所述压缩区域旨在增加材料的温度和压力；均化区域，所述均化区域旨在均化材料的流变学性质；稳定区域，在材料通过挤出模具离开之前，所述稳定区域旨在稳定材料流；

-在进料区域中，螺杆的每个螺纹包括至少一个切口，所述切口旨在促进机械附着进入的材料并且被设置成任何切口都不与设置在相邻螺纹上的切口沿轴向对齐；

-在进料区域中，螺杆包括至少四个螺纹；

-在压缩区域中，螺杆包括单个螺纹；

-在压缩区域中，螺杆的螺距在螺杆的直径的0.5和1.5倍之间；

-在压缩区域中，螺杆的轴的直径小于位于所述压缩区域的上游或下游的区域中的螺杆的轴的直径；

-在均化区域中，螺杆包括至少两个螺纹；

-在均化区域中，螺杆的螺距在螺杆的直径的1和1.5倍之间；

-在均化区域中，螺杆的螺纹或筒的螺纹中断从而形成圆柱形环状空间；

-在均化区域中，螺杆的轴或筒包括指状物，所述指状物沿径向延伸并且被设置成在所述圆柱形环状空间中蔓延；

-在稳定区域中，螺杆和筒各自包括两个螺纹。

附图说明

通过研究附图将更好地理解本发明，所述附图以非限制性实施例的形式提供并且：

-图1显示了根据本发明的挤出机的横截面的示意图；

-图2显示了进料区域的更详细的横截面图；

-图3显示了压缩区域的更详细的横截面图；

-图4显示了均化区域的更详细的横截面图；

-图5显示了均化区域的筒的更详细的横截面图；

-图6显示了稳定区域的更详细的横截面图；

-图7a显示了进料区域的筒的横截面图，图7b为与图2a相似的图，但是其中还显示了螺杆和混合物。

具体实施方式

图1中显示的挤出设备旨在处理弹性体材料(或橡胶)并且由连续圆柱形螺杆2形成，所述螺杆2通过齿轮传动马达组件(未显示)围绕筒1中的轴线XX'可旋转地驱动。螺杆和筒具有基本上相等的长度。考虑到材料在轴线XX'的箭头方向上从上游流动至下游，挤出机包括沿着轴线XX'接连前后设置的多个特定区域A、P、H和S。

在每个区域中，螺杆的轴20支撑一个或更多个沿径向向外延伸的螺旋状螺纹21。螺纹的数目、螺杆的螺纹的高度h₁和形状以及螺距可以从一个区域至另一个区域改变，正如下文可见。螺杆的螺纹形成螺旋，所述螺旋的旋转方向沿着螺杆的整个长度恒定。在图1中显示的螺杆的情况下，螺旋的旋转方向为顺时针方向。

筒1支撑一个或更多个螺旋状螺纹11，所述螺纹11的高度h₂、形状和螺距也可以根据所考虑的区域改变。这些螺纹在筒的整个长度上从其上游端至其下游端延伸。

附图显示了在其整个长度上具有螺纹的筒，所述筒包括两个沿着筒的整个长度螺距恒定的螺纹。

根据本发明优选地，筒1的螺旋状螺纹11的螺距为螺杆2的直径的一倍和四倍之间。

位于筒1的一个或更多个螺纹11的底部之间并且由所述螺纹限定的高度为h₂的自由空间形成一个或更多个螺旋状路径，一定比例的材料流通过所述螺旋状路径循环。

由筒的螺纹形成的螺旋的旋转方向与由螺杆的螺纹形成的螺旋的旋转方向相反。而且在用作本说明书基础的筒的情况中，螺纹以逆时针方向旋转。筒的螺纹的方向与螺杆的螺纹的方向相反的事实因此允许向材料输入额外的机械功而无需过多地增加旋转速度。

圆柱形螺杆2的直径D由在螺杆的螺纹的径向顶端之间测得的整体值限定。

为了显著增加吞吐量，筒的螺纹的高度h₂(参见图3)需要占据螺杆的螺纹的高度h₁的较大百分比。在实验室中进行的试验过程中，发现约至少10％的百分比是获得希望的益处的最小阈值，所述益处与吞吐量的增加相关，结合在低温引入时加工粘性或甚至高粘性材料的可能性，同时在挤出机的出口处实现对于通过模具成形压型条来说最佳的流变学状态。

一般地，采取一定步骤从而保证在筒1的一个或更多个螺纹11之间(换言之沿着由筒的一个或更多个螺纹11限定的一个或更多个高度为h₂的螺旋状路径)穿过的材料的吞吐量为穿过挤出设备的材料的总吞吐量的10和50％之间。

为了实现该性能并且促进材料流入筒的螺纹，因此调节筒的螺纹的螺距，使得在每个区域中其大于或等于螺杆的螺纹的螺距。

有益的，筒的螺纹的数目可以等于2。

图2为位于挤出机上游的进料区域A的细节图，材料经由孔口10引入所述进料区域A。在进料区域中，螺杆包括较多数目的螺纹，所述螺纹的螺距为螺杆的直径D的一倍和两倍之间。

使用包括至少四个螺纹的螺杆已经获得了良好结果。

位于该进料区域A中的螺杆的螺纹具有切口22，所述切口22旨在促进附着和推进进入的材料。当每个螺纹包括至少一个切口并且将其设置成任何切口都不与设置在相邻螺纹上的切口沿轴向对齐时，获得最佳结果。

筒的螺纹的高度h₂和螺杆的螺纹的高度h₁在进料区域的长度上恒定从而允许混合物在螺杆的螺纹和筒的螺纹之间以固体状态前进。

根据本发明的一个有利特征，螺旋状路径12的凹槽或自由空间的宽度“a”大于筒1的螺旋状螺纹11的宽度“b”。在筒1的整个长度上都满足该条件。

下文将解释与进料区域A相关的材料的行为，在所述进料区域A中混合物处于高度粘性状态并且混合物的前行伴随着沿着螺杆2的螺纹和筒1的螺纹的固体滑移，并且具有将混合物推至下游的作用。图7a显示了根据本发明的筒1的几何形状。图7b显示了在挤出机内形成的混合物M。混合物流在螺杆2的螺纹和筒1的螺纹之间穿过同时在剪切表面Sc上施加剪切应力。当螺杆2被旋转驱动时，表面Sc(位于螺杆的螺纹和筒的螺纹的顶部的表面)上的剪切使混合物M移动并且造成混合物前行，同时在螺杆2的螺纹和筒1的螺纹处出现混合物中的摩擦，所述摩擦具有使混合物减慢的倾向。考虑到这两种对混合物具有相反作用的现象来设计筒1的几何形状，从而允许混合物正确地形成，同时允许挤出机的吞吐量增加。

图3显示了压缩区域P，在所述压缩区域P中材料的压力和温度增加。该压力增加用于补偿由于材料循环通过位于下游的阶段而造成的压力下降。为了实现该目的，合适的是减小螺杆的螺距，所述螺距则在螺杆的直径D的0.5和1.5倍之间。压力的增加将支配挤出机的总吞吐量。因此，为了不降低该区域中的吞吐量，提出减小轴的直径并且相应地增加螺杆的螺纹的高度h₁。

在压缩区域P中，螺旋状路径12的凹槽的宽度“a”也大于筒1的螺旋状螺纹11的宽度“b”。如同在进料区域中那样，通过螺杆的螺纹和筒的螺纹之间的通道的横截面的增加，能够实现弹性体混合物的位移。材料穿过压缩区域并且经受大量剪切，这造成挤出机内的压力增加并且有助于维持挤出机的吞吐量，尽管下游的压力下降(在挤出机的出口处的拱顶或模具中)。

在该区域P中螺杆优选仅具有一个螺纹。

温度的增加伴随着螺杆的螺纹和筒的螺纹之间的材料的剪切以及螺杆的螺纹或筒的螺纹上的材料的滑移。由于如上所述的该第二作用降低，在形成本发明的主题的挤出机的情况下，需要提供更特别致力于该功能的区域。

参考图4和5，正是在均化区域H中大部分机械功通过处理的材料转化成热量形式。而且正是在该处获得这两个特征的流变学性质，例如温度、流动性和分布均质性。

在该区域中，螺杆的螺距减小至螺杆的直径D的1和2倍之间的螺距。螺旋状路径的凹槽的宽度大于筒的螺旋状螺纹的宽度，能够通过增加该区域中的通道横截面从而使混合物移动并且造成混合物前行，同时保证相对于螺杆的螺纹和筒的螺纹的良好的摩擦剪切率。

为了改进材料的均质性，通过增加螺杆的螺纹和筒的螺纹的数目从而促进穿过该区域的流被进一步细分。为了促进这种混合，因此第一个解决方案是通过在较短的轴向距离上中断螺杆的螺纹或筒的螺纹形成自由环状空间23从而使流改向。

参考图5和6，还能够通过形成障碍物增加输入功，所述障碍物在此呈现设置在筒上承载的固定指状物15的形式并且沿径向向内延伸进入在螺杆的螺纹上形成的自由环状空间23。通过相同的方式，还能够在螺杆上设置指状物并且通过沿轴向中断筒的螺纹从而形成所述相应的环状空间。

为了使材料达到希望的最佳性质，均化区域H一般在占挤出机的总长度的至少三分之一的长度上沿轴向延伸。

位于挤出设备下游的稳定区域S能够调节材料流的流速和压力，然后将该材料引入挤出模具(未显示)从而赋予压型条一定的形状，所述压型条旨在用在之后的转换设备中。

在该区域中，螺杆的螺距同样在螺杆的直径D的1和2倍之间。

已经确定对于筒1的如下几何形状实现挤出机的最佳操作条件：比例a/b的值在3和10之间，优选在5和10之间，螺旋状路径的凹槽的宽度“a”和筒1的螺纹的高度h₂之间的比例的值大于3。

根据本发明的挤出机因此包括功能区域，所述功能区域根据上述信息构造并且以提出的顺序设置并且彼此组合作用。本发明可以进行各种改变，其中一个区域相对于另一个区域的轴向长度可以变化，或者每个区域中的螺纹的数目、高度、螺距可以变化。

在本发明的一个示例性实施方案中，挤出机包括螺杆2，所述螺杆2具有150mm的直径、30mm的螺距高度h₁并且在带有螺纹的筒1中旋转，所述带有螺纹的筒1具有三个螺纹11，所述螺纹11的螺纹高度h₂等于10mm、螺距等于450mm，所实现的沿着筒11的螺纹前行的吞吐量等于穿过挤出机的材料的总吞吐量的30％。

用作本说明书的基础的本发明的实施方案因此是非限制性的，只要能够实现所描述和所保护的技术效果即可。