[发明专利]单螺杆塑化机、一组设备和用于塑化输出物的方法

说明书

本发明涉及一种用来输送、熔化、均化和压制(即塑化)输出物的单螺杆塑化机，以及一种用于输送、熔化、均化和压制(即塑化)输出物的方法。

尤其是，该“输出物”包括塑料，特别是热塑性的聚合物(必要时带有粉末状或纤维状的添加物)，以及食品。

该“单螺杆塑化机”可以特别是挤出机，这样本发明特别涉及一种用于热塑性的聚合物的单螺杆挤出机和一种利用这种挤出机塑化热塑性的聚合物的方法。

单螺杆塑化机在现有技术中已经广为人知。在肖普内、沃尔克《挤出装置的工艺设计》，公开出版物“进展报告VDI”，系列3，第715号，杜塞尔多夫，VDI出版2001年，国际标准书号3-18-371503-1，于第4.2章节中已有关于它们的结构和流动计算的详细说明。

从专利文献DE1022017686A1中可以得到关于单螺杆塑化机的具体建议。

单螺杆塑化机经常以例如挤出机的形式存在或存在塑料浇铸机中。在此应当特别注意的是，在挤出机的内部，部分设备(能够)用于制造型材、管材、薄膜、吹塑件、板材、长丝、非织造物、带子、半成品、软管、电缆、颗粒、复合物或泡沫半成品。

对于塑化机提出了以下大量要求：为了能够很好地设计，应当在不同的对压情况下能够维持尽可能恒定的传输速度。此外，应当在最佳的预设的挤出温度下实现待处理的输出物的良好的均匀化。此外，它应当能够处理尽可能广范的多样性材料，但是同时消耗低的有效能量并由此整体上对资源有利。除了通常要求实现尽可能好的性价比之外，它应当是超水平地具有占地面积小、噪音低、可用性高、耐磨损和益于维修的优点。挤出机的制造商特别感兴趣的是后者，以能够对于不同的吞吐量和塑料提供可靠的挤出机。

自工业化以来，挤出机构造成在预设的螺杆直径的条件下，根据工艺条件(即根据压力、所用的聚合物的类型、模塑温度和均匀性等)达到相应的吞吐能力或吞吐量范围。

如果应当在维持其他工艺条件的情况下提高吞吐能力，一般需要按照物理的相似定律来增大螺杆直径。长度与直径的比值(其在技术领域中通常称为L/D)保持相同，或挤出机由于熔化问题和停留时间问题而变得更长。这导致工程师力争建立具有尽可能小的螺杆直径的挤出机。

为了提升产出能力m，原则上必须提高空闲的通道体积，并且相应地调整停留时间，以便材料完全熔化。但是不能任意地增大螺杆通道体积，这是因为螺杆还必须传输需要的驱动转矩。因此，最终必须增大螺杆直径。

为了避开位置紧凑的挤出机的缺点，在过去的十年里研发了快速转动的单螺杆挤出机。实际常见的挤出机具有35毫米到100毫米的直径D，并且具有30D到40D的圆柱体长度L，以及具有超过1米/秒的圆周速度。

缺点是，通过高的圆周速度，材料10被大大剪切，熔化温度的高度由工艺条件决定，并且加工窗口较窄。

但是，最终所有市场常见的方案很难做到提供事实上不依赖于螺杆直径的、根据相似定律可自由规划的通用的挤出机。对此有以下几个原因：首先，传输能力取决于聚合物与钢之间以及聚合物内部的摩擦系数，因此它取决于通道深度、通道宽度和聚合物特性，这就是说由于滑动特性和粘附特性是相似理论方面不能反映的，因此没有真正意义的物理相似性。于是，熔化能力不是正好与停留时间和与剪切能量成比例。最后，不同的聚合物在粘度、熔化焓、摩擦系数和形态方面不是物理相似的。

因此，当前以经验和工艺方面的知识个性化地优化挤出机来适应所提出的各种任务。具体来说，技术人员通过以下方式开始设计挤出机用于满足边界条件，即采用小的、成熟的挤出机用作输出几何体的装置，在这种输出几何体的装置中开始运用物理的相似定律，然后在后续的迭代的细化步骤中改进挤出机的工作性能。在此情况下不能保证，如此构造的挤出机还能够达到成熟的具有这种输出几何体的挤出机的产品质量。

在实际应用中，挤出机的已知参数范围为：

在格哈德·申克尔的《塑料挤出机技术》中，即《用于塑料的螺杆挤压机》一书的第二版，卡尔·汉泽出版社，慕尼黑，1963年，于第167-169页中进行了不同的计算用来理解力学模型规律，其中在一个例子中，对于其他的数值按照模型类似计算的挤出机的L/D比值在150毫米直径D的情况下为大约3.2，在第169页中提到，对于这种计算可能可以是“相当短的螺杆”，但是这个理论的建议不能视为该问题的可实现的解决方案。