一种面剪切塑化方法及装置与流程

本发明涉及一种面剪切塑化方法及装置，具体涉及采用梳状对接套筒磨盘形成面剪切研磨，达到高效塑化的目的，属高分子材料成型加工技术领域。

背景技术：

塑化质量良好是所有高分子材料成型加工的必要前提。传统的塑化方法有两辊开炼、密炼、单螺杆或双螺杆混炼，其基本的塑化原理是迫使物料形成空间变化，对物料产生剪切、捏合、拖拽、位置交换的混合作用。也即拖拽剪切和挤压变形捏合，其塑化剪切方式不是面剪切，普遍存在的问题是，剪切作用弱，混合分散不良。

最早出现并且一直沿用至今的开炼机，其基本原理是把两个有速度差的、敞开的辊筒靠在一起形成一个线状的窄缝，物料在辊筒的差速和摩擦作用下被拖拽并通过上述线状窄缝，物料在窄缝中被挤压，容积变小，形成拖拽剪切，然后用手工进行翻滚混合。故开炼机的塑化机理是拖拽剪切和挤压变形捏合，缺点是混合效率低，系统不密闭，缺乏纯平面的强剪切作用。

密炼机针对开炼机的混合（混合的本质是物料位置交换）能力差，系统不密闭的缺点，把两个辊筒改成Z型类转子并且交错排列地置于密闭容器中，由于两个Z型类转子形状上交错排列，当其旋转时形成空间变化，对物料产生捏合、拖拽、位置交换的混合作用。新增的密闭容器与Z型转子的外圈构成线状窄缝可产生一定剪切，由于转子改成了Z形，与开炼机的纯圆筒相比，密炼机的线状窄缝更短，剪切比开炼机更弱，塑化效果不如开炼机，工作压力极低。综上可知，开炼机和密炼机的共同缺点是无法连续出料。

螺杆挤出机通过螺杆旋转，将其螺槽中的物料进行输送，利用物料输送过程中与静止的料筒内壁形成的速度差，产生拖拽式剪切，实现连续性塑化。围绕螺杆挤出机也进行了各种改进，如使螺槽深度渐变以产生容积压缩，还发展了带捏合单元的双螺杆挤出机，但是，其螺杆或捏合的基本结构没有发生本质性变化——捏合、拖拽式剪切塑化，塑化压力仅 30MPa。

注射机一般采用分流梭或短螺杆塑化，塑化质量比较差。中国专利CN201310402782.7公开了《一种用于微量物料共混的新型磨盘挤出机》，其原理是螺杆一端增加一个磨盘实现面剪切塑化，缺点是磨盘缝隙太小则阻力大，磨盘缝隙加大，则塑化差；中国专利CN201410004634.4公开了《一种异径不等间隙螺槽容积变化的串联式磨盘挤出机》，是采用两段不同直径的螺杆串联，前段大直径螺杆带有面剪切塑化的磨盘，利用不等间隙螺槽容积变化进行塑化，其缺点是两段螺杆串联，轴向尺寸太大，物料在料筒中的停留时间太长，容易长时间受热分解。

周海英等在期刊《中国塑料》（2006，07:65-68）中公开了《一种锥形磨盘挤出机》，其不足之处是存在磨盘缝隙阻力大的问题。

中国专利CN201010218180公开了一种《组合叶轮磨盘式挤出塑化方法和装置》，其基本原理是采用多组圆盘状的平面磨盘实现面剪切塑化，并且设置了叶轮结构，使各组磨盘缝隙之间形成层间通道，减小了磨盘缝隙的阻力，增加了物料的混合。其缺点是：如果要增加磨盘剪切面的面积，需要增加磨盘的直径，这将导致磨盘面轴向压力的增加，如果不增加轴向压力，则会减小磨盘缝隙中物料的压强（单位面积压力），另一方面该结构磨盘组装及检修非常不便，对装配的精度要求非常高，增加了维修成本。

技术实现要素：

本发明目的是针对背景技术所述问题，设计一种面剪切塑化方法及装置，采用带环形梳齿的内外套筒对接方式形成面剪切研磨，物料在对接的圆筒形磨盘套筒之间的缝隙中通过，同时还可以通过梳状豁口轮流地穿过各层套筒磨盘，解决了磨盘缝隙阻力大的问题，也使物料的流动路线不停地变换，大大提高了物料的混合程度。套筒磨盘设计成锥面，这样通过改变对接套筒轴向距离可以调节磨盘缝隙大小。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面剪切塑化装置，包括：外套筒（1）、内套筒（2）、输送料筒（3）、输送螺杆（4）、减速机（5）、旋转马达（6）、滑动导杆（7）、移动丝母（8）、移动丝杆（9）、循环冷却盘管（10）、加料斗（11）、移动马达（12）、加热圈（13）；所述旋转马达（6）用于通过减速机（5）驱动输送螺杆（4）螺旋输送原料；所述加热圈（13）用于加热待塑化的物料，物料被加热塑化过程中，所述循环冷却盘管（10）用于调节物料温度；其特征在于：

所述外套筒（1）呈杯状，杯内有至少一圈与杯壳同心的环形梳齿，每一圈环形梳齿中有至少二个均匀分布的齿缝，所述环形梳齿构成外圆磨盘（1.2）；杯底中部有出料口，所述出料口与出料法兰（1.1）连通；

所述内套筒（2）也是呈杯状，杯内也有至少一圈与杯壳同心的环形梳齿，每一圈环形梳齿中有至少二个均匀分布的齿缝，所述环形梳齿构成内圆磨盘（2.1）；杯底与输送螺杆（4）左端固连；

所述内套筒（2）套装在外套筒（1）内部，内套筒（2）中的内圆磨盘（2.1）与外套筒（1）中外圆磨盘（1.2）相向嵌套，但互不接触；外套筒（1）杯沿上有法兰与输送料筒（3）的安装法兰（3.1）固连，内套筒（2）相对外套筒（1）旋转，内、外圆磨盘之间的各层圆磨盘相互之间构成曲折的磨盘缝隙，用于对物料的面剪切，内、外圆磨盘中的齿缝，构成物料的层间通道。

如上所述一种面剪切塑化装置，其特征在于：设定内、外圆磨盘中，各齿缝的断面面积之和，大于所述外套筒（1）杯底中部的出料口面积。

如上所述一种面剪切塑化装置，其特征在于：所述外套筒（1）中梳齿面的一侧或两侧是带锥度的斜面，所述内套筒（2）梳齿中，与外套筒（1）斜面相对应的梳齿面，也是带锥度的斜面，且相邻的两斜面平行；

所述移动马达（12）通过移动丝杆（9）驱动减速机（5）机座直线运动，进而带动输送螺杆（4）及内套筒（2）沿输送螺杆（4）轴向直线运动；

设定：内圆磨盘（2.1）与外圆磨盘（1.2）中相对应梳齿面之间的缝隙值为0.5~3mm，优选1mm。

一种采用如上所述面剪切塑化装置的塑化方法，其特征在于：

是利用内圆磨盘（2.1）与外圆磨盘（1.2）中各相邻梳齿面之间构成的缝隙，形成圆柱剪切面对物料进行多重研磨塑化；

通过移动马达（12）调节内圆磨盘（2.1）与外圆磨盘（1.2）中相对应且平行的斜面之间的缝隙值。

如上所述一种采用如上所述面剪切塑化装置的塑化方法，其特征在于：

相互嵌套的内圆磨盘（2.1）与外圆磨盘（1.2）中各相邻梳齿面之间缝隙值为恒定值，或者是周期性震荡变化值，缝隙值的周期性震荡变化用于实现对物料的振动塑化。

本发明有益效果是：

⑴本发明采用带环形梳齿的内外套筒对接方式形成面剪切研磨，物料在对接的圆筒形磨盘套筒之间的缝隙中通过，同时还可以通过梳状豁口轮流地穿过各层套筒磨盘，解决了磨盘缝隙阻力大的问题，也使物料的流动路线不停地变换，大大提高了物料的混合程度。

⑵本发明套筒磨盘设计成锥面，这样通过改变对接套筒轴向距离可以调节磨盘缝隙大小。

⑶内套筒（2）和外套筒（1）之间构成的多层磨盘缝隙是圆筒面的，属于典型的面剪切，其剪切间隙小，剪切面积大，对物料的分散作用大，剪切塑化效果好，与现有的螺杆螺槽拖拽剪切、密炼机搅拌器的拖拽剪切相比，本发明的剪切间隙小，与现有的两辊开炼机的线剪切相比，本发明的剪切面积大。

附图说明

图1是本发明实施例“一种面剪切塑化装置”轴侧示意图；

图2是图1左视图；

图3是图2沿B—B折线剖视图；

图4是外套筒（1）和内套筒（2）相互对接局部放大图，图中箭头标明了物料流动方向；

图5是物料流向示意图；

图6是本发明实施例内套筒（2）的三维结构示意图；

图7是本发明实施例外套筒（1）的三维结构示意图；

图8是循环冷却盘管（10）结构示意图。

附图中的标记说明：

1—外套筒，1.1—出料法兰，1.2—外圆磨盘，1.3—法兰，2—内套筒，2.1—内圆磨盘，2.2—内圆磨盘二，2.3—内圆磨盘三，2.4—内圆磨盘四，2.5—内圆磨盘齿缝一，2.6—内圆磨盘齿缝二，2.7—内圆磨盘齿缝三，3—输送料筒，3.1—安装法兰，4—输送螺杆，4.1—螺杆动力轴，4.2—螺母，5—减速机，5.1—减速机法兰，6—旋转马达，7—滑动导杆，8—移动丝母，9—移动丝杆，10—循环冷却盘管，10.1—冷却液进口，10.2—冷却液出口，11—加料斗，12—移动马达，13—加热圈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。

参见图1～图8，本发明一种面剪切塑化装置，包括：外套筒1，出料法兰1.1，外圆磨盘1.2，法兰1.3，内套筒2，内圆磨盘2.1，内圆磨盘二2.2，内圆磨盘三2.3，内圆磨盘四2.4，内圆磨盘齿缝一2.5，内圆磨盘齿缝二2.6，内圆磨盘齿缝三2.7，输送料筒3，安装法兰3.1，输送螺杆4，螺杆动力轴4.1，螺母4.2，减速机5，减速机法兰5.1，旋转马达6，滑动导杆7，移动丝母8，移动丝杆9，循环冷却盘管10，冷却液进口10.1，冷却液出口10.2，加料斗11，移动马达12，加热圈13。所述旋转马达6用于通过减速机5驱动输送螺杆4螺旋输送物料；所述加热圈13用于加热待塑化的物料，物料被加热塑化过程中，所述循环冷却盘管10用于调节温度。

如图3、4和图7所示，述外套筒1呈杯状，本发明实施例中，杯内有三圈与杯壳同心的环形梳齿，每一圈环形梳齿上均匀分布有六个齿缝，构成外圆磨盘1.2；杯底中部有出料口，所述出料口与出料法兰1.1连通。

如图3、4和图6所示，所述内套筒2也是呈杯状，本发明实施例中，杯内有三圈与杯壳同心的环形梳齿，轴线上还有一根实心圆锥体，各环形梳齿上均匀分布有六个齿缝，构成内圆磨盘2.1；杯底与输送螺杆4左端固连。

所述内套筒2套装在外套筒1内部，内套筒2中的内圆磨盘2.1与外套筒1中外圆磨盘1.2相向嵌套，但互不接触；外套筒1杯沿上有法兰与输送料筒3的安装法兰3.1固连，内套筒2相对外套筒1旋转，内、外圆磨盘之间的各层圆磨盘相互之间构成曲折的磨盘缝隙，用于对物料的面剪切，内、外圆磨盘中的齿缝，构成物料的层间通道。本发明实施例中，设定：内圆磨盘2.1与外圆磨盘1.2中相邻梳齿面之间的缝隙值为1.0~1.5mm，利用内圆磨盘2.1与外圆磨盘1.2中各相邻梳齿面构成的缝隙，形成圆柱剪切面对物料进行多重研磨塑化。

所述外套筒1中各同心的梳齿中，有一侧或两侧齿面是带锥度的斜面，本发明实施例中，设定该锥度值为2~3°，内套筒2同心圆环中，与外套筒1斜面相对应的齿面，也是带锥度的斜面，由于相邻但互不接触的两个斜面之间是平行关系，所以两斜面的锥度相等。由图4可知，内套筒2和外套筒1之间构成的多层磨盘缝隙是圆筒面，属于典型的面剪切，其剪切间隙小，剪切面积大，对物料的分散作用大，剪切塑化效果好。与现有的螺杆螺槽拖拽剪切、密炼机搅拌器的拖拽剪切相比，本发明的剪切间隙小，与现有的两辊开炼机的线剪切，本发明装置的剪切面积大。

设定内、外圆磨盘中，所有齿缝的断面面积之和，大于所述外套筒1杯底中部的出料口面积。

图3和图4表明，物料的流动路径是曲径，如果磨盘缝隙小，则剪切作用大，但是，物料由于流程长且缝隙小，则流动阻力很大。为此，内套筒2和外套筒1的每一层圆筒磨盘上都开设了由齿缝构成的层间物料通道。

在输送料筒3上设有料筒安装法兰3.1，在输送螺杆4上设有螺杆动力轴4.1及其安装螺母4.2，在旋转动力减速机5上设有减速机法兰5.1。外套筒1和内套筒2相互对接地轴向套装在一起，其上的多层圆筒套筒磨盘相互之间形成磨盘缝隙，外套筒1通过外套筒安装法兰1.3与料筒安装法兰3.1固连，内套筒2连接在输送螺杆4上，旋转动力马达6驱动旋转动力减速机5及其连接在其上的输送螺杆4和内套筒2。减速机法兰5.1套在两根滑动导杆7上且可以沿滑动导杆7左右滑动，其滑动动力则由安装与旋转动力减速机5上的移动马达12驱动移动丝杆9，配合安装于输送料筒3上的移动丝母8，使旋转动力减速机5、输送螺杆4和内套筒2沿轴向移动，以便通过调节内套筒2和外套筒1之间的轴向距离来调节磨盘缝隙。循环冷却盘管10的两端分别带有冷却液进口10.1和冷却液出口10.2。

通过图5和图6可知，标号分别为2.1、2.2、2.3和2.4的，分别是指内套筒2的四层圆筒磨盘（即：内圆磨盘、内圆磨盘二、内圆磨盘三和内圆磨盘四），标号为2.5、2.6、2.7的，分别是指内套筒2的三层圆筒磨盘上的齿缝，即内圆磨盘齿缝一、内圆磨盘齿缝二、内圆磨盘齿缝三），该齿缝构成磨盘间的层间物料通道，这样，物料可以在圆筒磨盘各个层间串流，大大减小了物料流动阻力，由于内套筒2的旋转，使上述层间物料通道的相对位置不断改变，物料流动路径也随之不断改变，从而增加了物料的混合程度。

层间物料通道的个数及其断面尺寸应该与磨盘出口的断面积相关，层间物料通道的总断面积（各齿缝断面面积之和）不小于磨盘出口的断面积。实际应用中，每一圈梳齿的齿缝可以在2~20个之间调节，本发明实施例中优选6个。

作为一个简化方案，内套筒2和外套筒1的多层圆筒磨盘可以改成单层。

作为一个简化方案，内套筒2和外套筒1圆筒磨盘上的层间物料通道也可以去掉，这样做的结果是增加了磨盘作用面积，缺点是增加了物料流动阻力。

作为一个改进方案，内套筒2和外套筒（1）之间的各相邻磨盘之间的缝隙可以在移动马达12的正反向驱动下进行往复变化，使磨盘缝隙大小呈现周期性变化，从而实现振动塑化。

作为一个改进，加料斗11处的物料入口可以安装一个双螺杆挤出机，以提高输送压力和产量。

作为一个改进，外套筒1外圈可以开设螺旋槽，以便将循环冷却盘管10嵌入其中，以便增加外套筒1与循环冷却盘管10的接触面，提高冷却效果。

输送螺杆4的输送需兼顾磨盘转速和螺杆输送产量的关系。为了提高塑化效果，磨盘需要高转速低物料流量长停留时间，而对于螺杆，高转速意味着高流量和短停留时间，由于内套筒2与螺杆固连，故上述要求对于磨盘和螺杆是相互矛盾的。为此，需优选小导程、浅螺槽、高转速的螺杆，以得到高转速、低流量的螺杆输送。

本发明一种采用如上所述面剪切塑化装置的塑化方法，还包括：相互嵌套的内圆磨盘2.1与外圆磨盘1.2中各相邻环面构成的缝隙值，或者是周期性震荡调节实现该缝隙值的周期性变化，缝隙值的周期性变化用于实现对物料的振动塑化。

本发明在具体实施时，内套筒2的外套筒1主要尺寸可按需求进行微量调整，磨盘缝隙可调，内外套筒中的豁口个数可变，输送螺杆4的参数亦可相应的进行调整，具体的最佳配合可至少分三个实施方案，分别如下：

实施例一

内套筒2直径210mm，四层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度2°，磨盘长度170mm。外套筒1直径260mm，含外壁四层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度2°，磨盘长度170mm。

磨盘缝隙1mm。层间物料通道（豁口）个数6个，通道宽度20mm。

螺杆外径230mm，长度420，螺距20mm，螺槽深度6mm。转速150rpm。

实施例二

内套筒2直径150mm，三层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度3°，磨盘长度120mm。外套筒1直径200mm，含外壁三层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度3°，磨盘长度120mm。

磨盘缝隙1.5mm。层间物料通道（豁口）个数4个，通道宽度15mm。

螺杆外径170mm，长度320，螺距20mm，螺槽深度6mm。转速150rpm。

实施例三

内套筒2直径90mm，二层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度2°，磨盘长度100mm。外套筒1直径140mm，含外壁三层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度2°，磨盘长度100mm。

磨盘缝隙1.5mm。层间物料通道（豁口）个数3个，通道宽度10mm。

螺杆外径110mm，长度320，螺距20mm，螺槽深度6mm。转速100rpm。

本发明采用带环形梳齿的内外套筒对接方式形成面剪切研磨，物料在对接的圆筒形磨盘套筒之间的缝隙中通过，同时还可以通过环形梳齿的齿缝轮流地穿过各层套筒磨盘，解决了磨盘缝隙阻力大的问题，也使物料的流动路线不停地变换，大大提高了物料的混合程度。

本发明套筒磨盘设计成锥面，这样通过改变对接套筒轴向距离可以调节磨盘缝隙大小。内套筒2和外套筒1之间构成的多层磨盘缝隙是圆筒面的，属于典型的面剪切，其剪切间隙小，剪切面积大，对物料的分散作用大，剪切塑化效果好，与现有的螺杆螺槽拖拽剪切、密炼机搅拌器的拖拽剪切相比，本发明的剪切间隙小，与现有的两辊开炼机的线剪切，本发明的剪切面积大。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。