高分子材料斜面滚柱体积拉伸流变塑化输运方法及设备

摘要

本发明公开了高分子材料斜面滚柱体积拉伸流变塑化输运方法及设备。利用定子内孔与转子偏心，滚柱被置于转子上沿圆周均匀分布的多个斜面沟槽中，滚柱轴线与转子轴线平行且滚柱表面与转子斜面沟槽的斜面相切，转子旋转时在物料的阻力和转子斜面沟槽的斜面反推力作用下，滚柱做与定子内表面相切的行星滚动，在定子、转子和滚柱围成的空间中的物料，由于体积随转子旋转周期性变化而受到体积拉伸形变支配作用被塑化输运。实现该方法的设备结构单元为斜面滚柱塑化输运单元，斜面滚柱塑化输运单元可与各种螺杆挤压单元或者各种柱塞注射单元组合成挤出机或者注射机的斜面滚柱塑化注射装置。

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料塑化加工方法与设备，具体是指一种高分子材料斜面滚柱体积 拉伸流变塑化输运方法及设备。

技术背景

高分子材料塑化加工目前主要采用的是基于剪切形变的塑化输运方法，所采用的设备 是以螺杆机械为主。螺杆机械在塑化加工过程中依靠螺杆旋转时对物料的拖曳作用，物料 的速度梯度与其流动变形方向垂直。这种加工方法通常存在着产量低、压力波动较高、温 度波动和产量波动较大等问题，直接导致制品尺寸波动和性能下降以及对物料适应性窄等 缺陷。通过一定的理论研究，对常规螺杆进行了一系列的改进，螺杆机械是基于剪切流变 的塑化输运设备，其塑化输运的能力依然强烈依赖于物料的物理性能，其塑化输运性能的 提升空间有限。

高分子材料动态塑化成型加工方法与设备是基于以上问题而提出的创新性的塑化加工 方法与设备。与改变螺杆长径比以及改变螺杆结构进行塑化加工过程的优化不同，高分子 材料动态塑化成型方法是一种基于动态剪切流变的新的塑化加工方法，是将振动力场引入 塑料塑化加工全过程。采用该方法与设备相比传统螺杆设备缩短了热机械历程、降低了加 工能耗、提高了制品性能以及增强了对物料的适应能力。但是该方法的本质还是基于剪切 流变的螺杆塑化输运设备，无法从根本上解决塑化输运能力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，因此，其降低塑化输运能耗与提高塑化输运能力的空 间也很有限。

高分子材料叶片塑化挤出机是一种基于拉伸流变的高分子塑化输运设备，该设备的塑 化输运机理是基于拉伸流变作用下的一种全新塑化输运方法，具有物料热机械历程短、能 耗低、适应性广以及体积小等特点。但是由于其结构相对复杂，设备安装比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积拉伸形变作为支配作用的高分子材料塑化输运方法， 以解决高分子材料加工过程中、能耗高、效率低、对物料适应性差等问题。

本发明的目的还在于提供实现上述方法的斜面滚柱体积拉伸流变塑化输运设备。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种高分子材料斜面滚柱体积拉伸流变塑化输运方法：物料在由定子内壁、置于定子 内腔中并与定子偏心的转子外壁、布置在转子表面斜面沟槽中的滚柱、两端挡料板围成的 封闭空间中随转子旋转周期性变化而受到拉伸形变支配作用被塑化输运。

实现所述方法的高分子材料斜面滚柱体积拉伸流变塑化输运设备：由一个或者多个斜 面滚柱塑化输运单元组合构成，所述斜面滚柱塑化输运单元主要由圆柱内腔的空心定子、 圆柱形滚柱、圆柱形转子、第一挡板和第二挡板构成，其中转子置于定子内腔并与定子偏 心设置，多个滚柱均匀分布于开设在转子表面上的斜面沟槽中，定子两侧分别设第一挡板 和第二挡板；第一挡板或第二挡板设有进料缺口或出料口；多个斜面滚柱塑化输运单元中 的前一个斜面滚柱塑化输运单元的第一挡板与后一个斜面滚柱塑化输运单元的第二挡板连 接。

所述转子与定子的偏心量大于0，小于定子内腔半径与转子半径之差。进一步地，所述 转子与定子的偏心量大于定子内腔半径与转子半径之差的二分之一，小于定子内腔半径与 转子半径之差。

在转子上沿圆周均匀分布开设3个以上斜面沟槽。

本发明转子旋转时在物料的阻力和转子斜面沟槽的斜面反推力作用下，滚柱做与定子 内表面相切的行星滚动；由定子内表面、转子外表面、滚柱以及两个挡板形成一个空间容 积，在滚柱做与定子内表面相切的行星滚动过程中，该空间容积由小到大再由大到小周期 性变化；该容积由小到大变化时，物料的不断纳入，该空间容积由大到小变化时物料在正 应力的主要作用下被研磨、压实、排气，同时在来自定子的外加热辅助作用下熔融塑化并 被排除，实现物料的塑化输运过程。多个斜面滚柱塑化输运单元串联叠加可以组合成挤出 机，斜面滚柱塑化输运单元可与各种螺杆挤压单元或各种柱塞注射单元组合成挤出机或者 注射机的斜面滚柱塑化注射装置。

本发明采用了斜面滚柱体积拉伸流变塑化输运方法及设备，解决了螺杆塑化输运设备 主要依赖物料与料筒表面之间的摩擦力和物料内摩擦力来进行加工的方法，与传统的螺杆 塑化输运技术及设备相比，具有如下优点：

1、完成塑化输运过程所经历的热机械历程大大缩短、塑化输运能耗降低

2、塑化输运过程是由体积周期性变化的体积拉伸形变支配作用，对物料适应性广，塑 化输运效率高

附图说明

图1为高分子材料斜面滚柱体积拉伸流变塑化输运设备的结构示意图；

图2为图1中A-A向剖视图；

图3为实施例1的高分子材料斜面滚柱体积拉伸流变塑化输运设备应用于挤出机的结 构示意图；

图4为图3中B-B向的剖视图；

图5为实施例2的螺杆斜面滚柱塑化挤出机应用于注射装置的结构示意图。 具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但是本发明所要求保护的范围并不局 限于实施例所表述的范围。

实施例1

参考图1、图2，高分子材料斜面滚柱体积拉伸流变塑化输运设备为斜面滚柱塑化输运 单元，主要是由具有圆柱内腔的空心定子1、置于定子1内腔中并与定子1偏心的圆柱形 的转子3，布置在转子3斜面沟槽4中的滚柱2，以及布置在转子两侧的第一挡板5和第二 挡板6等组成。转子3偏心安装在空心定子1中，转子3与定子1的偏心量可以调整，其 值大于0小于定子内腔半径与转子半径之差，优选转子与定子的偏心量大于定子内腔半径 与转子半径之差的二分之一，小于定子内腔半径与转子半径之差。滚柱2安装在转子上沿 圆周均匀分布的三个以上斜面沟槽4中，滚柱2轴线与转子3轴线平行且滚柱2表面与转 子3斜面沟槽4的斜面相切。当转子3逆时针旋转时，滚柱2在物料的阻力和转子3斜面 沟槽4的斜面反推力作用下，滚柱2做与定子1内表面相切的行星滚动，从而由定子1内 表面、转子3外表面、滚柱2以及第一挡板5和第二挡板6形成一个空间容积，该容积做 周期性变化。当容积由小变大时可以通过第一挡板5上的进料缺口A纳入物料，容积由大 变小时，物料在正应力的主要作用下被研磨、压实、排气、塑化，同时在来自定子的外加 热辅助作用下塑化熔融，并由第二挡板6上的出料口B排出。

实施例2

如图3和图4所示，螺杆斜面滚柱塑化挤出机主要由螺杆挤压单元I、斜面滚柱塑化 单元II、III、IV和驱动轴1、料斗2、分流器5和过渡套6组成。其中螺杆挤压单元I包括 螺杆3和料筒4；螺杆挤压单元I与斜面滚柱塑化单元II、III、IV串联叠加安装；即螺杆 挤压单元I与斜面滚柱塑化单元II、III、IV从右到左依次设置。斜面滚柱塑化单元II、III、 IV的转子都与螺杆3同轴固定连接，螺杆3与驱动轴1同轴固定连接。料斗2固定在螺杆 挤压单元I的料筒4上，斜面滚柱塑化单元II的第一挡板与螺杆挤压单元I的料筒4同心 固定连接，斜面滚柱塑化单元III的第一挡板与斜面滚柱塑化单元II的第二挡板同心固定连 接，斜面滚柱塑化单元IV的第一挡板与斜面滚柱塑化单元III的第二挡板同心固定连接，过 渡套6与斜面滚柱塑化单元IV的第二挡板同轴固定连接。斜面滚柱塑化单元II的定子相对 于转子的偏心方向与斜面滚柱塑化单元III的定子相对于转子的偏心方向相反，斜面滚柱塑 化单元IV的定子相对于转子的偏心方向与斜面滚柱塑化单元III的定子相对于转子的偏心方 向相反。分流器5被置于过渡套6的圆腔内并与斜面滚柱塑化单元IV的转子同轴固定连接。 斜面滚柱塑化单元II的第二挡板上的出料口与斜面滚柱塑化单元III的第一挡板上的进料口 相连通，斜面滚柱塑化单元III的第二挡板上的出料口与斜面滚柱塑化单元IV的第一挡板上 的进料口相连通。驱动轴1带动螺杆挤压单元I的螺杆和斜面滚柱塑化单元II、III、IV的 转子旋转时，来自料斗2的物料被纳入螺杆挤压单元I，经塑化后依次进入斜面滚柱塑化 单元II、III、IV中进一步塑化和均化，在经连接在过渡套6上的模具挤出、冷却、定型得 到制品。

实施例3

如图5所示，斜面滚柱塑化注射装置主要由全斜面滚柱塑化挤出机I、柱塞注射单元 II和集料器1组成；其中，全斜面滚柱塑化挤出机I结构和工作原理完全同实施例2中的 螺杆斜面滚柱塑化挤出机；柱塞注射单元II主要由注射油缸2、注射活塞3、注射料筒4 和喷嘴5组成。集料器1的进料端面与全斜面滚柱塑化挤出机I的过度套6(见图3、4) 上的出料端面固定连接，集料器1的出料端面与柱塞注射单元II的注射料筒4的进料端面 固定连接。由全斜面滚柱塑化挤出机I塑化好的熔体经过集料器1进入柱塞注射单元II的 注射料筒4中，在熔体的压力下柱塞注射单元II的注射活塞3后退，当柱塞注射单元II 的注射料筒4中储料量达到注射制品要求的计量值时全斜面滚柱塑化挤出机I停止塑化， 注射机的塑化计量工序结束。待注射机完成充模、保压工序后，在制品冷却阶段全斜面滚 柱塑化挤出机I开始塑化，注射机开始制品成型的新一个周期。