一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置及方法
【專利摘要】本發明公開一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置及方法，其裝置包括電控箱、激振器、動力單元、塑化混合單元、超臨界流體輸送單元和成型單元，激振器、動力單元、塑化混合單元和成型單元依次連接，塑化混合單元上設有超臨界流體輸送單元，激振器、動力單元和塑化混合單元分別與控制箱連接。其方法是動力單元驅動螺桿轉動，激振器驅動螺桿在軸向上做周期性振動；物料在螺桿的剪切力場和振動力場的雙重作用下塑化熔融，同時超臨界流體輸送單元向料筒內注入超臨界流體，超臨界流體與熔融的物料在雙重力場作用下快速形成超臨界流體/聚合物熔體的單項體系；最后進入成型單元進行發泡定型。本發明塑化混煉速度快，超臨界流體與聚合物熔體混合效果好。
【專利說明】一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微孔塑料連續擠出成型【技術領域】，特別涉及一種超臨界流體微孔塑料 擠出成型裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 微孔塑料一般是指泡孔直徑為0. 1?10um，泡孔密度為109?1015個/cm3,材料 密度相比發泡前可減少5 %?95 %的新型泡沫塑料。近年來，一些超臨界流體憑借其對多 數有機物溶解性能好、粘度低、擴散系數大、無毒、不燃、無溶劑殘留、價廉易得、使用安全、 不污染環境等獨特優點成為取代傳統化學發泡劑的理想物理發泡劑。
[0003] 超臨界流體微孔塑料擠出成型基本過程為：聚合物粒料或粉料從料斗口進入擠出 機料筒進行塑化，利用高壓柱塞泵將超臨界流體注入擠出機料筒，超臨界流體與料筒內熔 料進行混合，最終形成超臨界流體/聚合物熔體單相體系，單相體系通過擠出機機頭壓力 突降引起熱力學不穩定誘導氣泡成核，控制擠出機機頭溫度，使泡孔固化定型，得到微孔發 泡產品。微孔塑料連續擠出成型周期短，生產效率高，適用于微孔塑料的工業化生產。
[0004] 然而，由于擠出機料筒內熔融物料逗留時間短，聚合物熔體與超臨界流體難以充 分均勻的混合。又因為微孔塑料擠出成型工藝的復雜性，微孔塑料擠出成型得到的制品往 往泡孔尺寸不均，泡孔密度不穩定。因此如何使注入料筒的超臨界流體與料筒內逗留時間 非常短的塑料熔體充分混合均勻，形成高氣體含量的超臨界流體/聚合物熔體單相體系， 得到泡孔密度大、尺寸均勻的微孔塑料是超臨界流體微孔塑料擠出成型急需解決的一個難 題。另外，目前大多數超臨界流體注氣裝置中儲氣瓶直接通過氣體管路連接高壓柱塞泵，當 儲氣瓶內氣壓低于一定值時瓶內氣體將無法繼續進入高壓柱塞泵，此時必須更換儲氣瓶， 而儲氣瓶內還有大量殘存氣體沒有被充分利用，這勢必會造成不必要的浪費，從而增加生 產成本。
[0005] 傳統三段式螺桿包括加料段、熔融段和計量段三個功能段，排氣螺桿主要包括加 料段、第一壓縮段、第一計量段、排氣段、第二壓縮段和第二計量段六個功能段，然而，這兩 種螺桿都不適合直接用于超臨界流體微孔塑料的擠出發泡生產，普遍存在以下問題：料筒 超臨界流體注入口死角處容易有物料堆積，易出現降解或堵塞進氣閥的現象；螺桿長徑比 較小，物料停留時間短，超臨界流體與聚合物熔體混合不均且擠出過程中壓力波動大；螺桿 計量段偏短，機頭建立壓力后導致熔料倒流量過大引起料筒上注氣口發生冒料問題等。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種超臨界流體利用率高、塑化和 混合效果較好、發泡制品泡孔形態好的超臨界流體微孔塑料的擠出成型裝置。
[0007] 本發明的另一目的在于提供一種通過上述裝置實現的超臨界流體微孔塑料擠出 成型方法。
[0008] 本發明的技術方案為：一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置，包括電控箱、激振 器、動力單元、塑化混合單元、超臨界流體輸送單元和成型單元，激振器、動力單元、塑化混 合單元和成型單元依次連接，塑化混合單元上設有超臨界流體輸送單元，激振器、動力單元 和塑化混合單元分別與控制箱電氣連接。
[0009] 所述塑化混合單元包括螺桿、料筒、加熱器和料斗，螺桿置于料筒內，料筒外周裝 有加熱器，位于螺桿加料端處的料筒上設有料斗，料筒上設有超臨界流體注氣孔，超臨界流 體注氣孔處與超臨界流體輸送單元連接。
[0010] 所述螺桿為一體式的實心結構，螺桿上設有十個功能段，各功能段分別為依次連 接的花鍵連接段、螺紋密封段、加料段、第一壓縮段、第一計量段、屏障段、超臨界流體注入 段、第二壓縮段、第二計量段和螺桿頭；花鍵連接段末端與動力單元連接，螺桿頭與成型單 元連接。
[0011] 所述屏障段的外圓柱面上均勻分布有多個進料槽和出料槽，按照屏障段的圓周方 向，進料槽和出料槽交替分布，進料槽和出料槽之間為屏障體，相鄰兩個屏障體之間的間隙 為 0· 3 ?0· 6mm。
[0012] 所述超臨界流體注入段的螺紋槽深度大于第二壓縮段或其它功能段的螺紋槽深 度，超臨界流體注入段的螺紋上設有斷開溝槽，各斷開溝槽沿螺桿中心軸線均勻分布；超臨 界流體注入段上，與料筒的超臨界流體注氣孔對應之處設有刮料銷釘，各刮料銷釘沿螺桿 中心軸線均勻分布；超臨界流體注入段上，刮料銷釘處的外徑與螺桿直徑相等；各刮料銷 釘的高度與超臨界流體注入段的螺紋槽深度相等。超臨界流體注入段的螺紋槽深度大于其 它功能段的螺紋槽深度，由于螺紋槽突然加深，料筒內壓力急劇下降，此時超臨界流體容易 進入擠出機，并能在設有斷開溝槽的螺紋輸送混合作用下與熔料進行混合，再加上料筒注 氣口下方的刮料銷釘在螺桿旋轉作用下刮掉注氣口死角堆積的物料，可有效防止其降解或 堵塞注氣口。
[0013] 所述第二壓縮段和第二計量段均為雙頭螺紋；第二計量段上設有7?9個螺距，相 比傳統螺桿，其長度較長，加強了螺桿的輸送能力，減小熔料倒流量，同時提高穩壓效果，降 低機頭壓力波動，改善料筒注氣口冒料的現象。
[0014] 螺桿頭上設有多個混煉銷釘，各混煉銷釘沿螺桿中心軸線均勻分布；混煉銷釘的 截面形狀可為圓形、矩形或菱形。
[0015] 所述動力單元包括相連接的電動機和減速器，電動機與電控箱電氣連接，減速器 的空心傳動軸通過滾動花鍵與螺桿連接；
[0016] 所述成型單元為擠出機頭，或包括依次連接的過渡段、熔體泵和擠出機頭；
[0017] 當成型單元為擠出機頭時，擠出機頭與料筒固定連接；
[0018] 當成型單元包括依次連接的過渡段、熔體泵和擠出機頭時，過渡段與料筒固定連 接，擠出機頭與熔體泵固定連接，過渡段內設有靜態混合器，過渡段外周設有加熱器。
[0019] 所述超臨界流體輸送單元包括通過氣體管路依次連接的第一儲氣瓶、氣體壓力 表、增壓泵、第二儲氣瓶、冷卻循環泵、高壓柱塞泵、單向閥和單向注氣接頭，單向注氣接頭 與料筒上的超臨界流體注氣孔連接；超臨界流體輸送單元通過設置兩個儲氣瓶，進行三級 供氣，設置增壓泵將第一儲氣瓶內的氣體泵入第二儲氣瓶內，并維持第二儲氣瓶內氣體壓 力恒定；由于第一儲氣瓶內氣體可完全泵入第二儲氣瓶，所以提高了第一儲氣瓶內氣體利 用率；根據實際需要，還可在管路中增設冷卻循環泵，利用冷卻循環泵將通入高壓柱塞泵的 氣體降溫液化，可以大幅提升流體的輸送效率。
[0020] 料筒上，超臨界流體注氣孔位于螺桿的超臨界流體注入段處。
[0021] 所述單向注氣接頭與超臨界流體注氣孔的連接處設有密封環。
[0022] 本發明通過上述裝置實現一種超臨界流體微孔塑料擠出成型方法，動力單元驅動 塑化混合單元中的螺桿轉動，激振器驅動螺桿在軸向上做周期性振動；物料進入塑化混合 單元后，在螺桿的剪切力場和振動力場的共同作用下塑化熔融，同時超臨界流體輸送單元 向塑化混合單元的料筒內注入超臨界流體，超臨界流體與熔融的物料在復合力場作用下能 夠快速形成超臨界流體/聚合物熔體的單相體系；最后進入成型單元進行發泡定型。
[0023] 其中，螺桿對物料的具體工作過程為：粒料通過加料段依次進入第一壓縮段和第 一計量段，在螺桿剪切和料筒加熱器的作用下達到基本熔融狀態；屏障段在螺桿旋轉作用 下使物料在進料槽、出料槽中作渦狀環流運動，促使熔料進一步混合和均化，阻止未熔的固 體顆粒進入下一段；熔料進入超臨界流體注入段后，由于螺紋槽突然加深，料筒內壓力急劇 下降，此時超臨界流體容易進入擠出機，并能在設有斷開溝槽的螺紋輸送混合作用下與熔 料進行混合，料筒注氣口下方的刮料銷釘在螺桿旋轉作用下刮掉注氣口死角堆積的物料， 防止其降解或堵塞注氣口；熔料與超臨界流體在雙頭螺紋的第二壓縮段、第二計量段作用 下快速壓縮與均化，其中第二計量段長度為7?9個螺距，加強了螺桿的輸送能力，減小熔 料倒流量，同時提高穩壓效果，降低機頭壓力波動，改善料筒注氣口冒料現象；在螺桿頭處， 在混煉銷釘的混煉段作用下，形成穩定、均勻分布的超臨界流體/聚合物熔體單相體系，最 后送入擠出機口模。
[0024] 本發明相對于現有技術，具有以下有益效果：
[0025] (1)塑化混煉效率高。通過設置激振器，在傳統擠出塑化基礎上，物料受到振動力 場作用，其分子被迫取向，分子與分子間容易滑移，物料能被快速均勻熔融。
[0026] (2)超臨界流體與聚合物熔體混合效果好。在螺桿剪切力場和振動力場共同作用 下，快速均勻熔融的物料熔體彈性與粘性進一步降低，同時對螺桿進行改進，增大了螺桿長 徑比，設置10個功能段，螺桿混煉銷釘與瞬時變化的軸向振動壓力使超臨界流體與聚合物 熔體快速均勻混合形成高氣體含量的超臨界流體/聚合物熔體單相體系。
[0027] (3)發泡制品泡孔形態好。傳統擠出發泡時泡孔沿流動方向發生取向，往往在流動 方向被拉伸成橢圓形狀。通過激振器在螺桿軸向方向疊加振動場后，泡孔會在兩個方向上 被拉伸，避免了單一方向的取向。在螺桿的剪切力場和振動力場共同作用下，料筒內超臨界 流體與聚合物熔體能夠混合的更加均勻，有利于改善泡孔形態。
[0028] (4)氣體利用效率高。超臨界流體輸送單元中，通過增壓泵將第一儲氣瓶內的氣體 泵入第二儲氣瓶內，并維持第二儲氣瓶內氣體壓力恒定。因為第一儲氣瓶內氣體可完全泵 入第二儲氣瓶，所以提高了第一儲氣瓶內氣體利用率；利用冷卻循環泵將通入高壓柱塞泵 的氣體降溫液化，能夠大幅提升流體的輸送效率。
[0029] (5)物料適應性廣。在螺桿振動力場作用下聚合物分子被迫取向，分子間容易滑 移，物料熔融塑化溫度較低，所以擠出溫度比傳統螺桿擠出機低，動態擠出下物料不容易產 生分解，對物料的適應性廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030] 圖1為本超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置的結構示意圖。
[0031] 圖2為本超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置中的螺桿結構示意圖。
[0032] 圖3為圖2中屏障段的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不 限于此。
[0034] 實施例1
[0035] 本實施例一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置，如圖1所示，包括電控箱12、激 振器13、動力單元、塑化混合單元、超臨界流體輸送單元和成型單元，激振器、動力單元、塑 化混合單元和成型單元依次連接，塑化混合單元上設有超臨界流體輸送單元，激振器、動力 單元和塑化混合單元分別與控制箱電氣連接。
[0036] 塑化混合單元包括螺桿14、料筒15、加熱器16和料斗17,螺桿置于料筒內，料筒外 周裝有加熱器，位于螺桿加料端處的料筒上設有料斗，料筒上設有超臨界流體注氣孔，超臨 界流體注氣孔處與超臨界流體輸送單元連接。
[0037] 如圖2所示，螺桿為一體式的實心結構，螺桿上設有十個功能段，各功能段分別為 依次連接的花鍵連接段1、螺紋密封段2、加料段3、第一壓縮段4、第一計量段5、屏障段6、 超臨界流體注入段7、第二壓縮段8、第二計量段9和螺桿頭10 ;花鍵連接段末端與動力單 元連接，螺桿頭與成型單元連接。
[0038] 如圖3所示，屏障段的外圓柱面上均勻分布有多個進料槽6-1和出料槽6-2,按照 屏障段的圓周方向，進料槽和出料槽交替分布，進料槽和出料槽之間為屏障體6-3,相鄰兩 個屏障體之間的間隙為〇. 3?0. 6mm。
[0039] 超臨界流體注入段的螺紋槽深度大于第二壓縮段或其它功能段的螺紋槽深度，超 臨界流體注入段的螺紋上設有斷開溝槽，各斷開溝槽沿螺桿中心軸線均勻分布；超臨界流 體注入段上，與料筒的超臨界流體注氣孔對應之處設有刮料銷釘，各刮料銷釘沿螺桿中心 軸線均勻分布；超臨界流體注入段上，刮料銷釘處的外徑與螺桿直徑相等；各刮料銷釘的 高度與超臨界流體注入段的螺紋槽深度相等。超臨界流體注入段的螺紋槽深度大于其它功 能段的螺紋槽深度，由于螺紋槽突然加深，料筒內壓力急劇下降，此時超臨界流體容易進入 擠出機，并能在設有斷開溝槽的螺紋輸送混合作用下與熔料進行混合，再加上料筒注氣口 下方的刮料銷釘在螺桿旋轉作用下刮掉注氣口死角堆積的物料，可有效防止其降解或堵塞 注氣口。
[0040] 第二壓縮段和第二計量段均為雙頭螺紋；第二計量段上設有7?9個螺距，相比傳 統螺桿，其長度較長，加強了螺桿的輸送能力，減小熔料倒流量，同時提高穩壓效果，降低機 頭壓力波動，改善料筒注氣口冒料的現象。
[0041] 螺桿頭上設有多個混煉銷釘，各混煉銷釘沿螺桿中心軸線均勻分布；混煉銷釘的 截面形狀可為圓形、矩形或菱形。
[0042] 如圖1所示，動力單元包括相連接的電動機18和減速器19,電動機與電控箱電氣 連接，減速器的空心傳動軸通過滾動花鍵與螺桿連接；
[0043] 成型單元包括依次連接的過渡段20、熔體泵21和擠出機頭22;過渡段與料筒固定 連接，擠出機頭與熔體泵固定連接，過渡段內設有靜態混合器23,過渡段外周設有加熱器。
[0044] 超臨界流體輸送單元包括通過氣體管路依次連接的第一儲氣瓶24、氣體壓力表 25、增壓泵26、第二儲氣瓶27、冷卻循環泵28、高壓柱塞泵29、單向閥30和單向注氣接頭 31，第一儲氣瓶的容量大于第二儲氣瓶，單向注氣接頭與料筒上的超臨界流體注氣孔連接； 超臨界流體輸送單元通過設置兩個儲氣瓶，進行三級供氣，設置增壓泵將第一儲氣瓶內的 氣體泵入第二儲氣瓶內，并維持第二儲氣瓶內氣體壓力恒定；由于第一儲氣瓶內氣體可完 全泵入第二儲氣瓶，所以提高了第一儲氣瓶內氣體利用率；根據實際需要，還可在管路中增 設冷卻循環泵，利用冷卻循環泵將通入高壓柱塞泵的氣體降溫液化，可以大幅提升流體的 輸送效率。
[0045] 料筒上，超臨界流體注氣孔位于螺桿的超臨界流體注入段處。
[0046] 單向注氣接頭與超臨界流體注氣孔的連接處設有密封環32。
[0047] 本實施例通過上述裝置實現一種超臨界流體微孔塑料擠出成型方法，動力單元驅 動塑化混合單元中的螺桿轉動，激振器驅動螺桿在軸向上做周期性振動；物料進入塑化混 合單元后，在螺桿的剪切力場和振動力場的雙重作用下塑化熔融，同時超臨界流體輸送單 元向塑化混合單元的料筒內注入超臨界流體，超臨界流體與熔融的物料在雙重力場作用下 快速形成超臨界流體/聚合物熔體的單項體系；最后進入成型單元進行發泡定型。
[0048] 其中，螺桿對物料的具體工作過程為：粒料通過加料段依次進入第一壓縮段和第 一計量段，在螺桿剪切和料筒加熱器的作用下達到基本熔融狀態；屏障段在螺桿旋轉作用 下使物料在進料槽、出料槽中作渦狀環流運動，促使熔料進一步混合和均化，阻止未熔的固 體顆粒進入下一段；熔料進入超臨界流體注入段后，由于螺紋槽突然加深，料筒內壓力急劇 下降，此時超臨界流體容易進入擠出機，并能在設有斷開溝槽的螺紋輸送混合作用下與熔 料進行混合，料筒注氣口下方的刮料銷釘在螺桿旋轉作用下刮掉注氣口死角堆積的物料， 防止其降解或堵塞注氣口；熔料與超臨界流體在雙頭螺紋的第二壓縮段、第二計量段作用 下快速壓縮與均化，其中第二計量段長度為7?9個螺距，加強了螺桿的輸送能力，減小熔 料倒流量，同時提高穩壓效果，降低機頭壓力波動，改善料筒注氣口冒料現象；在螺桿頭處， 在混煉銷釘的混煉段作用下，形成穩定、均勻分布的超臨界流體/聚合物熔體單相體系，最 后送入擠出機口模。
[0049] 實施例2
[0050] 本實施例一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置，與實施例1相比較，其不同之 處在于，成型單元為擠出機頭，擠出機頭與料筒固定連接。
[0051] 如上所述，便可較好地實現本發明，上述實施例僅為本發明的較佳實施例，并非用 來限定本發明的實施范圍；即凡依本
【發明內容】
所作的均等變化與修飾，都為本發明權利要 求所要求保護的范圍所涵蓋。
【權利要求】
1. 一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置，其特征在于，包括電控箱、激振器、動力單 元、塑化混合單元、超臨界流體輸送單元和成型單元，激振器、動力單元、塑化混合單元和成 型單元依次連接，塑化混合單元上設有超臨界流體輸送單元，激振器、動力單元和塑化混合 單元分別與控制箱電氣連接。
2. 根據權利要求1所述一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置，其特征在于，所述塑 化混合單元包括螺桿、料筒、加熱器和料斗，螺桿置于料筒內，料筒外周裝有加熱器，位于螺 桿加料端處的料筒上設有料斗，料筒上設有超臨界流體注氣孔，超臨界流體注氣孔處與超 臨界流體輸送單元連接。
3. 根據權利要求2所述一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置，其特征在于，所述螺 桿為一體式的實心結構，螺桿上設有十個功能段，各功能段分別為依次連接的花鍵連接段、 螺紋密封段、加料段、第一壓縮段、第一計量段、屏障段、超臨界流體注入段、第二壓縮段、第 二計量段和螺桿頭；花鍵連接段末端與動力單元連接，螺桿頭與成型單元連接。
4. 根據權利要求3所述一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置，其特征在于，所述 屏障段的外圓柱面上均勻分布有多個進料槽和出料槽，按照屏障段的圓周方向，進料槽和 出料槽交替分布，進料槽和出料槽之間為屏障體，相鄰兩個屏障體之間的間隙為〇. 3? 0. 6mm〇
5. 根據權利要求3所述一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置，其特征在于，所述超 臨界流體注入段的螺紋槽深度大于第二壓縮段的螺紋槽深度，超臨界流體注入段的螺紋上 設有斷開溝槽，各斷開溝槽沿螺桿中心軸線均勻分布；超臨界流體注入段上，與料筒的超臨 界流體注氣孔對應之處設有刮料銷釘，各刮料銷釘沿螺桿中心軸線均勻分布；超臨界流體 注入段上，刮料銷釘處的外徑與螺桿直徑相等；各刮料銷釘的高度與超臨界流體注入段的 螺紋槽深度相等。
6. 根據權利要求3所述一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置，其特征在于，所述第 二壓縮段和第二計量段均為雙頭螺紋；第二計量段上設有7?9個螺距。
7. 根據權利要求3所述一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置，其特征在于，所述動 力單元包括相連接的電動機和減速器，電動機與電控箱電氣連接，減速器的空心傳動軸通 過滾動花鍵與螺桿連接； 所述成型單元為擠出機頭，或包括依次連接的過渡段、熔體泵和擠出機頭； 當成型單元為擠出機頭時，擠出機頭與料筒固定連接； 當成型單元包括依次連接的過渡段、熔體泵和擠出機頭時，過渡段與料筒固定連接，擠 出機頭與熔體泵固定連接，過渡段內設有靜態混合器，過渡段外周設有加熱器。
8. 根據權利要求3所述一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置，其特征在于，所述超 臨界流體輸送單元包括通過氣體管路依次連接的第一儲氣瓶、氣體壓力表、增壓泵、第二儲 氣瓶、冷卻循環泵、高壓柱塞泵、單向閥和單向注氣接頭，第一儲氣瓶的容量大于第二儲氣 瓶，單向注氣接頭與料筒上的超臨界流體注氣孔連接； 料筒上，超臨界流體注氣孔位于螺桿的超臨界流體注入段處。
9. 根據權利要求8所述一種超臨界流體微孔塑料擠出成型裝置，其特征在于，所述單 向注氣接頭與超臨界流體注氣孔的連接處設有密封環。
10. 根據權利要求2?9任一項所述裝置實現一種超臨界流體微孔塑料擠出成型方法， 其特征在于，動力單元驅動塑化混合單元中的螺桿轉動，激振器驅動螺桿在軸向上做周期 性振動；物料進入塑化混合單元后，在螺桿的剪切力場和振動力場的共同作用下塑化熔融， 同時超臨界流體輸送單元向塑化混合單元的料筒內注入超臨界流體，超臨界流體與熔融的 物料在復合力場作用下形成超臨界流體/聚合物熔體的單相體系；最后進入成型單元進行 發泡定型。
【文檔編號】B29C47/44GK104085073SQ201410245455
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月4日 優先權日:2014年6月4日
【發明者】彭響方, 瞿金平, 周南橋, 曹賢武, 文勁松, 文生平 申請人:華南理工大學