[发明专利]一种挤出装置

说明书

技术领域

本发明涉及螺杆混炼挤出领域，具体是一种挤出装置。

背景技术

目前，带螺杆的装备广泛应用于石油、化工、家电、食品加工、聚合物填充改性以及反应挤出等工业场合。现有的带螺杆装置主要有单螺杆挤出机、双螺杆挤出机以及多螺杆挤出机等。其中，双螺杆挤出机又可进一步分为同向、异向旋转，啮合、非啮合形式以及错列、并列等多种形式。虽然双螺杆、多螺杆挤出机出现在一定程度上改善混合混炼效果，但总体来讲，现有这类装备有五大缺陷:(1)混合混炼效果差;(2)熔融历程长而且不均匀；(3)能耗高，能量利用率低；(4)比产量低；(5)对加工物料适应性窄，更换结构部件费时费力。尤其是(1)一(4)点，已经成为挤出机发展的关键制约因素，目前还没有发现有效的解决方法。

由于聚合物熔体的高粘度特性，排除了其湍流、尾迹旋涡的存在。混合过程只能是层流混合。

在单螺杆挤出机螺槽内熔体是规则的壳层层流混合，流体质点在向口模挤出的过程中，存在着特定的壳层轨道，流体只能沿着壳层作类螺旋运动，而各壳层间几乎没有相互混合发生，这就意味着界面随应变呈线性增长。为进一步利用力剪切作用来强化混合混炼效果，挤出机的计量段螺槽较浅，这样使得泵送能力下降。因此，为提高其混合性能，先后出现了象销钉螺杆、剪切混合元件等一系列专利技术，但这些技术在耗能激增的同时，其混合机理仍然是传统的层流混合，混合效果提高并不理想。Buss混炼机将销钉固定在料筒之上，并将螺杆引入低频往复脉动，机器的自洁性能提高，其实质是交叉分流作用，但由于必须将螺棱切断，输送能力损失更大，比产量更低。

对于双螺杆挤出机，啮合同向双螺杆挤出机中混合特性几乎为啮合区所控制，但此位置在挤出机中只占有很小的比例。普通螺纹元件只能导致流体界面线性增加，远没有达到理想混合，Lyapnov指数进一步分析表明，物料在向口模推进的过程中，其值是逐步减小的，说明稳态挤出不利于混合。对于捏合块混炼段，模拟发现，Lyapnov指数虽然大于零，能够在一定程度上引发混沌混合效应，但量值很小，基本上不成规模。异向啮合双螺杆挤出机压延间隙很小，螺槽根部存在滞流底层，几乎不与螺槽内熔体主体发生混合。粒子追踪结果显示，啮合同向、异向双螺杆挤出机内物料的运动轨迹不同，同向双螺杆为∞字型运动，而异向双螺杆围绕各自的螺杆运动，彼此交换极小。对比非啮合异向双螺杆挤出机和啮合同向双螺杆挤出机，发现两者的分散混合能力相近，但分布混合机理不同:同向双螺杆的优势在于啮合区导致的物料再取向，而异向双螺杆则有良好的轴向反向混合能力。但即使具有优异混合性能的积木式同向双螺杆挤出机，其混合机理主体上仍然受传统的规则层流混合控制，导致了对于混合混炼要求较高的物料加工来讲，转速越来越高，长径比越来越大，混合效果已经走到极限，函需引入新的混合机制。

对于单螺杆挤出机，熔融机理还是主要以固体床熔融模型为主，即使在熔融后期出现固体床破裂，也缺乏有效的流场控制。即便是专利技术—屏障螺杆也是如此，只不过加快了熔膜的去除速度。双螺杆挤出机属于饥饿喂料、虽然物料未充满螺槽C形室，提供了物料翻动和表面更新的机会，但同样存在熔融过程中物料的翻动效果差等一系列缺陷，为了缩短熔融历程，有的还不得不添加啮合块、齿型盘等装置，加大了螺杆的加工及装配难度，导致机器尺寸庞大。

总体来说，传统的带螺杆的装备，熔融过程缺乏有效的流场剪切、拉动控制，历程长，温度分布不均匀，需要引入强化传热方法。很早以前，人们就意识到打碎固体床，实现分散熔融是一条好的方法，但一直没有找到有效的方法。因此，为进一步改善上述缺陷，主要应从引入全新的混合机理及熔融机理入手。

对于高粘度流体混合来说，美国研究人员H.Aref最初意识到简单的二维系统可以通过引入非定常边界条件而触发混沌现象，发现层流混合效果极大提高。此后，对混沌混合的研究主要集中在二维流场模型及其合适的表征方法的探索，着眼点是流场的双曲点特性。基本上从两个方向来进行研究:(1)点的运动轨迹，借助Lyapnov指数及Poincare截面等手段进行研究;(2)流场的特定微分流型捕捉，有代表性如Smale马蹄、Anosov微分流型等分析。研究混合过程中的对称性与破缺、周期点、序性及相似性的发生及演化等，揭示混沌的本质特征，将研究重点放在了混合的“几何特征”研究上，涉及混合速率研究很少，主要集中在对静态混合器的工作。