基于挤压拉伸的高分子塑化输运方法、模块、装置及设备与流程

[0001]
本发明涉及高分子材料塑化输运技术领域，更具体地说，涉及一种基于挤压拉伸的高分子塑化输运方法、模块、装置及设备。


背景技术：

[0002]
高分子材料成型加工过程作业能耗较高，从上世纪30年代开始，螺杆机械就已经广泛使用，如螺杆挤出机、螺杆注射机等，但无论是挤出制品加工，还是注射、压延、吹塑等制品加工，塑料原料都必须经过固体输送、熔融塑化这一基本和共性的过程，这一过程所用能量占高分子材料加工能耗的绝大部分。
[0003]
在螺杆机械中物料固体输运主要是靠螺杆旋转时，螺杆对物料的摩擦拖拽作用，熔体输送靠的是粘性拖曳，物料的速度梯度与其流动和变形方向垂直，这种流动与变形主要受剪切应力支配，流动变形与剪切应力的方向一致，螺杆旋转无法推动物料的时候，螺杆可以打滑空转，不属于强制挤压输送范畴；因此可以认为目前普遍采用的螺杆机械是基于剪切流变的高分子材料螺杆塑化输运设备。这样就存在塑化输运能力强烈依赖于物料与金属料筒表面之间的摩擦力和物料内摩擦力的问题。这两类问题又与物料自身物性与金属材料、工艺过程有关联。在螺杆机械中通常采取对料筒的固体输送段开槽以增加与物料的摩擦力、增大螺杆长径比、优化螺杆结构等措施可以在一定程度上解决上述问题。但这些措施又势必造成物料塑化输运所经历的热机械历程加长、能耗增加、设备结构体积大等缺陷。
[0004]
后续进行的新型螺杆设计及改造，都改变不了其剪切流变的本质。为了改变这种情况，迫切需要在高分子材料加工方式上进行创新。


技术实现要素：

[0005]
为克服现有技术中的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于挤压拉伸的高分子塑化输运方法、模块、装置及设备；本发明可缩短塑化输运过程的热机械历程，降低塑化输运能耗，提高输送效率，缩小设备体积和占用空间。
[0006]
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种基于挤压拉伸的高分子塑化输运方法，其特征在于：用于输运高分子物料的输运空间容积实现依次由小到大再由大到小的周期变化；在输运空间容积由小到大变化过程中，高分子物料被强制纳入至输运空间中；在输运空间容积由大到小变化过程中，高分子物料受正应力作用被压实、塑化，之后强制排出，从而依靠输运空间容积变化实现高分子物料正位移输送和塑化输运。
[0007]
优选地，采用多段输运空间按相位依次串联来输运高分子物料，以实现高分子物料多级增压和增速地进行塑化输运。
[0008]
一种高分子塑化输运模块，其特征在于：包括至少一组输运单元；每组输运单元均包括带有定子内腔的定子、外转子和带有外齿的内转子，以及分别设置在定子两侧的挡料盘一和挡料盘二；定子内腔与外转子外侧面相匹配，以实现外转子与定子之间可转动布设；所述外转子设有带有内齿的外转子内腔；所述内转子位于外转子内腔中，且外转子与内转
子之间偏心设置；外转子内腔的内齿与内转子的外齿啮合，以实现内转子带动外转子转动；内转子与外转子内腔壁之间留有空间以形成容积呈由小到大再由大到小周期变化的输运空间；所述挡料盘一或定子设有与输运空间首端连通的进料口；挡料盘二或定子设有与输运空间末端连通的出料口。
[0009]
本发明高分子塑化输运模块中，内转子与外转子的偏心量(e)不可调，两者具有确定的啮合关系；外转子内腔壁、内转子外表面、挡料盘一和挡料盘二围成具有确定几何形状的空间。在内转子旋转时，与内转子偏心啮合的外转子在定子内腔内圆周旋转，由于偏心距的存在致使外转子内腔壁、内转子外表面、挡料盘一和挡料盘二围成的输运空间容积由小到大再由大到小周期性变化；输运空间容积由小变大时高分子物料被逐渐纳入，输运空间容积由大变小时高分子物料在正应力起主要作用下被研磨、压实、排气。
[0010]
输运空间容积由小到大再由大到小周期性变化时，高分子物料在流动和变形过程中通过的截面积也由小到大再由大到小周期性变化，因此高分子物料的速度梯度与其流动和变形方向一致，这种流动与变形主要受正应力支配，实现了强制挤压拉伸塑化输运过程。
[0011]
本发明利用正应力强制输送高分子物料，塑化输运过程中塑化能力不再依赖高分子物料与金属料筒表面之间的摩擦力和物料内摩擦力；缩短了塑化输运过程的热机械历程，致使塑化输运能耗降低，有效设备体积和占用空间；塑化输运能力对高分子物料的物理特性依赖低，高分子物料适应性高；实现逐级增压，使高分子物料塑化均匀，同时能对高分子物料产生更大的压力，加快塑化速度和提高塑化质量。
[0012]
优选地，所述输运单元为两个以上；各个输运单元依次并排贴合布设；相邻输运单元之间存在相位差；前一输运单元的出料口与后一输运单元的进料口位置相对，以实现各个输运单元的输运空间依次连通；各个内转子同轴设置，并分别与驱动轴连接。本发明采用多段输运空间按相位依次串联来输运高分子物料，以实现高分子物料多级增压和增速地进行塑化输运；使高分子物料塑化更加均匀，进一步提高塑化质量。
[0013]
优选地，所述外转子与定子内腔壁之间设有轴承。
[0014]
一种高分子塑化挤出装置，其特征在于：包括至少一组上述高分子塑化输运模块；还包括用于放置待输运高分子物料的入料器件、定子外衬和用于与驱动装置连接的驱动轴；所述高分子材料塑化输运模块设置在定子外衬中；所述入料器件与高分子材料塑化输运模块的输运空间连通；驱动轴与内转子连接，以带动内转子转动。
[0015]
优选地，还包括加热器；加热器设置在定子外衬上。加热器可产生热量，热量传递至输运空间中；高分子物料在外加热辅助作用下熔融塑化并被排出，在外加热和强制挤压热双重作用下，高分子物料在较短时间内完成塑化输运过程。
[0016]
优选地，在高分子材料塑化输运模块的后侧设有螺杆挤压单元；螺杆挤压单元包括筒体和螺杆；所述筒体与高分子材料塑化输运模块连接；所述螺杆活动设置在筒体的筒腔中，并与所述驱动轴连接，以实现驱动轴带动螺杆旋转。
[0017]
一种高分子塑化加工设备，其特征在于：包括上述高分子塑化挤出装置。
[0018]
优选地，所述高分子塑化加工设备为高分子塑化注射设备；还包括柱塞注射单元、模具和集料器；所述高分子材料塑化挤出装置通过集料器与柱塞注射单元连接；柱塞注射单元与模具连接。
[0019]
本发明采用基于强制挤压拉伸，利用正应力强制输送高分子物料，高分子物料塑
化输运过程中塑化能力不再依赖物料与金属料筒表面之间的摩擦力和物料内摩擦力；与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
[0020]
1、本发明输送过程存在正应力，缩短了塑化输运过程的热机械历程，致使塑化输运能耗降低；
[0021]
2、本发明塑化输运靠特定形状的封闭空间容积变化完成，过程连续，具有完全正位移特性，输送效率提高；
[0022]
3、本发明塑化输运过程在很短的热机械历程内完成，塑化输运设备体积和占地小；
[0023]
4、本发明塑化输运能力对高分子物料的物理特性依赖低，高分子物料适应性高；
[0024]
5、本发明实现逐级增压，使熔料塑化均匀，同时能对熔料产生更大的压力，加快塑化速度和塑化质量。
附图说明
[0025]
图1是实施例一高分子塑化输运模块的结构示意图；
[0026]
图2是实施例一高分子塑化输运模块的剖面图；
[0027]
图3是实施例一高分子塑化输运模块的原理示意图；
[0028]
图4是实施例二高分子塑化输运模块的结构示意图；
[0029]
图5是实施例三高分子塑化输运模块的结构示意图；
[0030]
图6是实施例四高分子塑化挤出装置的结构示意图；
[0031]
图7是实施例五高分子塑化挤出装置的结构示意图；
[0032]
图8是实施例六高分子塑化注射设备的结构示意图；
[0033]
其中，1为输运单元、11为定子、12为外转子、13为内转子、14为挡料盘一、15为挡料盘二、16为进料口、17为出料口、18为输运空间、2为入料器件、3为定子外衬、4为连接件、5为驱动轴、6为螺杆挤压单元、61为筒体、62为螺杆、7为柱塞注射单元、71为注射油缸、72为注射活塞、73为注射料筒、74为喷嘴、8为模具、9为集料器、10为加热器。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
[0035]
实施例一
[0036]
本实施例一种基于挤压拉伸的高分子塑化输运方法，用于输运高分子物料的输运空间容积实现依次由小到大再由大到小的周期变化；在输运空间容积由小到大变化过程中，高分子物料被强制纳入至输运空间中；在输运空间容积由大到小变化过程中，高分子物料受正应力作用被压实、塑化，之后强制排出，从而依靠输运空间容积变化实现高分子物料正位移输送和塑化输运。
[0037]
为实现基于挤压拉伸的高分子塑化输运方法，本实施例提供一种高分子塑化输运模块，如图1至图3所示，包括一组输运单元1；输运单元1包括带有定子内腔的定子11、外转子12和带有外齿的内转子13，以及分别设置在定子11两侧的挡料盘一14和挡料盘二15。
[0038]
定子内腔与外转子12外侧面相匹配，以实现外转子12与定子11之间可转动布设；外转子12与定子内腔壁之间优选设有轴承，保证外转子灵活转动。外转子12设有带有内齿
的外转子内腔；内转子13位于外转子内腔中，且外转子12与内转子13之间偏心设置；外转子内腔的内齿与内转子13的外齿啮合，以实现内转子13带动外转子12转动；内转子13与外转子内腔壁之间留有空间以形成容积呈由小到大再由大到小周期变化的输运空间18；挡料盘一14设有与输运空间18首端连通的进料口16；挡料盘二15设有与输运空间18末端连通的出料口17。
[0039]
本发明高分子塑化输运模块中，内转子13与外转子12的偏心量(e)不可调，两者具有确定的啮合关系；外转子内腔壁、内转子13外表面、挡料盘一14和挡料盘二15围成具有确定几何形状的空间。在内转子13旋转时，与内转子13偏心啮合的外转子12在定子内腔内圆周旋转，由于偏心距的存在致使外转子内腔壁、内转子13外表面、挡料盘一14和挡料盘二15围成的输运空间18容积由小到大再由大到小周期性变化；输运空间18容积由小变大时高分子物料被逐渐纳入，输运空间18容积由大变小时高分子物料在正应力起主要作用下被研磨、压实、排气。如图3中，内转子和外转子逆时针转动过程中依次经过a、b、c、d区；其中a为进入腔，b为负压区、c为受挤区、d为挤出腔。
[0040]
在内转子13与外转子12啮合后，内转子13和外转子12的啮合线相互分离时，输运空间容积由小变大，进入腔处会形成负压进而不断使熔体被吸进，被吸进的熔体在b区处的区域里处于负压状态；在内转子13逐渐移入外转子12的b区内，当内转子13和外转子12的啮合线相互嵌入时，内外齿逐渐接合，输运空间容积由大变小，流到c区处密闭空间的熔体处于挤压状态，该密闭空间的压力会不断增大，进而使塑化的熔体以高压、高速的状态从挤出腔挤出。当输运空间容积由小变大时可以通过挡料盘14上的进料口16纳入高分子物料，输运空间容积由大变小时，高分子物料在正应力的主要作用下被研磨、压实、排气、塑化，并由挡料盘15上的出料口17排出。
[0041]
输运空间18容积由小到大再由大到小周期性变化时，高分子物料在流动和变形过程中通过的截面积也由小到大再由大到小周期性变化，因此高分子物料的速度梯度与其流动和变形方向一致，这种流动与变形主要受正应力支配，实现了强制挤压拉伸塑化输运过程。
[0042]
本发明利用正应力强制输送高分子物料，塑化输运过程中塑化能力不再依赖高分子物料与金属料筒表面之间的摩擦力和物料内摩擦力；缩短了塑化输运过程的热机械历程，致使塑化输运能耗降低，有效设备体积和占用空间；塑化输运能力对高分子物料的物理特性依赖低，高分子物料适应性高；实现逐级增压，使高分子物料塑化均匀，同时能对高分子物料产生更大的压力，加快塑化速度和提高塑化质量。
[0043]
实施例二
[0044]
本实施例一种高分子塑化输运模块，与实施例一的区别在于：本实施例中，进料口16不是设置在挡料盘一上，而是设置在定子11中，进料口16与输运空间18首端连通，如图4所示。实际应用中，出料口也可以不设置在挡料盘二上，而是设置在定子上，出料口与输运空间末端连通。本实施例的其余结构与实施例一相同。
[0045]
实施例三
[0046]
本实施例一种基于挤压拉伸的高分子塑化输运方法，与实施例一的区别在于：本实施例中，采用多段输运空间按相位依次串联来输运高分子物料；每段输运空间容积实现依次由小到大再由大到小的周期变化；在输运空间容积由小到大变化过程中，高分子物料
被强制纳入至输运空间中；在输运空间容积由大到小变化过程中，高分子物料受正应力作用被压实、塑化，之后强制排出，以实现高分子物料多级增压和增速地进行塑化输运。
[0047]
为实现所述基于挤压拉伸的高分子塑化输运方法，在实施例一所述的一种高分子塑化输运模块基础上作进一步优化。
[0048]
如图5所示，输运单元1为两个以上；例如本实施例中采用五个输运单元，实际应用中也可以是两个、三个、四个、六个、七个，甚至更多；输运单元数量越多，塑化效果越好。各个输运单元1依次并排贴合布设；各个输运单元1之间的定子11分别安装，通过定子11上的沟槽用楔子统一固定连接。相邻输运单元1之间存在相位差，以使前一输运单元1的出料口17与后一输运单元1的进料口16位置相对，以实现各个输运单元1的输运空间18依次连通。本实施例中，相邻输运单元的内转子13相对于外转子14的偏心方向相反。各个内转子13同轴设置并与驱动轴连接。
[0049]
本发明采用多段输运空间18按相位依次串联来输运高分子物料；上一级被挤压出去的熔体塑料又因负压作用被吸进下一级转子泵塑化单元的进入腔区，进而实现塑化后的熔融塑料在转子泵塑化单元的逐级增压、增速功能；高分子物料塑化更加均匀，进一步提高塑化质量。
[0050]
从最后一级转子泵塑化单元挤出来的高压、高速熔体通过一定形状的口模后，以口模形状相仿的形状快速的被挤出来，经冷却作用后成型，就得到所需要强度、几何形状的塑料制品。
[0051]
实施例四
[0052]
本实施例一种高分子塑化挤出装置，如图6所示，包括实施例一至三中任一组高分子塑化输运模块；还包括用于放置待输运高分子物料的入料器件2、定子外衬3和用于与驱动装置连接的驱动轴5；高分子材料塑化输运模块设置在定子外衬3中；入料器件2与高分子材料塑化输运模块的输运空间连通；驱动轴5与内转子连接，以带动内转子转动。入料器件2可采用料斗；工作时高分子物料进入料斗中，料斗的末端设置有视窗口，便于观察高分子物料情况，在视窗口的下部，设置有插板，控制料斗的下料速度。
[0053]
实施例五
[0054]
本实施例一种高分子塑化挤出装置，与实施例四的区别在于：如图7所示，本实施例中，在高分子材料塑化输运模块的后侧设有螺杆挤压单元6；螺杆挤压单元6包括筒体61和螺杆62；筒体61与高分子材料塑化输运模块连接；螺杆62活动设置在筒体的筒腔中，并与驱动轴5连接，以实现驱动轴5带动螺杆62旋转。
[0055]
驱动轴5带动输运单元1的内转子和螺杆挤压单元6的螺杆62旋转，料斗中的高分子物料被纳入输运单元1，经塑化后进入螺杆挤压单元6中进一步塑化和均化，再经连接在螺杆挤压单元6的筒体61上的模具挤出、冷却、定型得到制品。
[0056]
本实施例中，还包括加热器10；加热器10设置在定子外衬和筒体61上，以实现定子外衬和筒体61加热，热量传递至输运空间18中，高分子物料在外加热辅助作用下熔融塑化并被排出，在外加热和强制挤压热双重作用下，高分子物料在较短时间内完成塑化输运过程。
[0057]
实施例六
[0058]
本实施例以高分子塑化挤出装置应用于高分子塑化注射设备为例进行说明。如图
8所示，高分子塑化注射设备包括实施例四至六中任一项高分子塑化挤出装置；还包括柱塞注射单元7、模具8和集料器9；高分子材料塑化挤出装置通过集料器9与柱塞注射单元连接；柱塞注射单元与模具8连接。
[0059]
柱塞注射单元7由注射油缸71、注射活塞72、注射料筒73、喷嘴74等零件组成。集料器9的进料端面与高分子塑化挤出装置上的出料端面固定连接，集料器9的出料端面与柱塞注射单元7的注射料筒73的进料端面固定连接。由高分子塑化挤出装置塑化好的熔体经过集料器9进入注射料筒73中，在熔体的压力下注射活塞72后退，当注射料筒73中储料量达到注射制品要求的计量值时高分子塑化挤出装置停止塑化，塑化计量工序结束。待完成充模、保压工序后，在制品冷却阶段高分子塑化挤出装置开始塑化，设备开始制品成型的新一个周期。
[0060]
实际应用中，高分子塑化挤出装置也可应用于其它高分子塑化加工设备上。
[0061]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。