экструдер для переработки термопластичных материалов

Формула изобретения

1 Экструдер для переработки термопластичных материалов, содержащий корпус, загрузочную воронку, шнек, профилирующую головку с фильерой, отличающийся тем, что на внутренней поверхности корпуса за счет изменения ее профиля и конфигурации образованы шесть последовательно расположенных зон, плавно переходящих одна в другую по винтовой линии, причем характер изменения формы внутренней поверхности корпуса в каждой зоне зависит от ее функционального назначения: в зоне загрузки внутренняя поверхность корпуса имеет постоянный номинальный диаметр, в зоне смешивания на внутренней поверхности корпуса выполнен по винтовой линии паз прямоугольной формы, глубина и шаг которого постоянны по всей длине зоны, в зоне сжатия внутренняя поверхность корпуса выполнена с изменяющимся диаметром, причем диаметральный зазор между витком шнека и корпусом уменьшается от начала к концу зоны, в зоне гомогенизации на внутренней поверхности корпуса выполнен паз с постоянным шагом и глубиной, образующий овальный винтовой канал, причем его направление противоположно направлению винтовой нарезки шнека, в зоне постепенного возрастания давления внутренняя поверхность корпуса выполнена с уменьшающимся зазором между наружным диаметром витка шнека и внутренним диаметром корпуса в направлении движения потока материала, в зоне стабилизации давления на внутренней поверхности корпуса номинального диаметра выполнен паз, образующий конический винтовой канал с изменяющейся глубиной, причем проходное сечение винтового канала увеличивается в направлении движения продукта пропорционально величине возрастания давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к переработке термопластичных материалов, требующих непрерывного перемешивания и гомогенизации.

Известна червячная машина (экструдер) для переработки полимерных материалов, содержащая корпус с винтовыми каналами по его внутренней поверхности, выполненными эксцентрично оси червяка, загрузочную воронку, червяк (шнек), профилирующую головку с фильерой (авт. св. СССР N 509446, кл. B 29 C 47/38, 1976).

Недостатком известной червячной машины является низкое качество переработки материала, обусловленное недостаточной эффективностью процесса перемешивания и гомогенизации. Эксцентричная нарезка корпуса с винтовыми каналами по всей длине представляется нецелесообразной, так как процессы, протекающие внутри корпуса по его длине, различны по характеру и поэтому для каждой зоны червячной машины требуется обоснованный выбор формы исполнения внутренней поверхности цилиндра, обеспечивающий надежное и стабильное протекание процессов в червячной машине.

Технической задачей изобретения является улучшение качества готового продукта.

Поставленная задача достигается тем, что в экструдере согласно изобретению на внутренней поверхности корпуса за счет изменения ее профиля и конфигурации образованы шесть последовательно расположенных зон, плавно переходящих одна в другую по винтовой линии, причем характер изменения формы внутренней поверхности корпуса в каждой зоне зависит от ее функционального назначения. В зоне загрузки внутренняя поверхность корпуса имеет постоянный номинальный диаметр; в зоне смешивания на внутренней поверхности корпуса выполнен по винтовой линии паз прямоугольной формы, глубина и шаг которого постоянны по всей длине зоны; в зоне сжатия внутренняя поверхность корпуса выполнена с изменяющимся диаметром, причем диаметральный зазор между витком шнека и корпусом уменьшается от начала к концу зоны; в зоне гомогенизации на внутренней поверхности корпуса выполнен паз с постоянным шагом и глубиной, образующий овальный винтовой канал, причем его направление противоположно направлению винтовой нарезки шнека; в зоне постепенного возрастания давления внутренняя поверхность корпуса выполнена с уменьшающимся зазором между наружным диаметром витка шнека и внутренним диаметром корпуса в направлении движения потока материала; в зоне стабилизации давления на внутренней поверхности корпуса номинального диаметра выполнен паз, образующий конический винтовой канал с изменяющейся глубиной, причем проходное сечение винтового канала увеличивается в направлении движения продукта пропорционально величине возрастания давления.

При таком исполнении внутренней поверхности корпуса материал в процессе движения подвергается воздействию значительных сдвиговых деформаций, обеспечивающих требуемую степень термообработки продукта. Зоны, расположенные по длине корпуса, выполнены последовательно переходящими одна в другую по винтовой линии для обеспечения заданного изменения давления материала при его перемещении шнеком. Обрабатываемый продукт одновременно течет как по винтовым каналам шнека, так и по каналам на внутренней поверхности корпуса, без образования застойных зон и значительного обратного перетока материала, в особенности в зоне стабилизации давления, благодаря обоснованному выбору формы исполнения внутренней поверхности цилиндра. В зоне загрузки внутренняя поверхность корпуса постоянного номинального диаметра выполнена с шероховатостью не более Rz20, обеспечивающая хорошую подающую способность шнека. В зоне смешивания паз прямоугольной формы, выполненный по винтовой линии, представляется наиболее целесообразным решением, так как он может вместить наибольшее количество подводимого продукта. Постоянные глубина и шаг винтового паза в полной мере обеспечивают хорошее смесительное действие и необходимую производительность экструдера, а значения шага S₁ и глубины h зависят от свойств перерабатываемого материала и технологического режима переработки. Угол подъема винтовой линии паза равен углу винтовой нарезки шнека (₁ = ), а направление винтового паза совпадает с нарезкой шнека. В зоне сжатия внутренняя поверхность корпуса выполнена с изменяющимся диаметром, при этом величина диаметрального зазора между витком шнека и корпусом постепенно уменьшается от начала к концу зоны (фиг. 1, 2) и в сочетании с резким уменьшением размера винтового канала шнека в этой зоне определяет необходимое давление для расплавления размягченных гранул, а также хороший эффект смешения. Значение изменяющегося диаметрального зазора зависит от свойств перерабатываемого продукта. В зоне гомогенизации паз, образующий овальный винтовой канал, выполнен противоположнонаправленным винтовой нарезке шнека (₂ < ₁, см. фиг. 2). Кроме того, его шаг S₂ и глубина h постоянны и шаг меньше, чем в зоне смешивания (S₁ > S₂, см. фиг. 2). Овальная форма канала позволяет без значительного сопротивления течь расплаву материала, т. е. исключается возможность образования застойных зон. Внутренняя поверхность корпуса в этой зоне профилирована таким образом из соображений улучшения смешивающего и гомогенизирующего действия, приводящего к увеличению теплопередачи между частицами материала с разной температурой. Возникающие значительные сдвиговые деформации перерабатываемого материала из-за противоположного направления и меньшего шага обусловливают хорошее качество смешения. В зоне постепенного возрастания давления величина уменьшающегося диаметрального зазора в направлении движения потока материала определяется составом продукта. Уменьшающийся диаметральный зазор между витком шнека и корпусом (см. фиг. 2, 3) обуславливает желаемое значение давления, при котором происходит окончательное расплавление мелких включений и образуется однородный расплав материала. В зоне стабилизации давления выполнен паз, образующий конический винтовой канал с изменяющейся глубиной (см. фиг. 2, 4). Проходное сечение винтового канала увеличивается в направлении движения продукта пропорционально величине возрастания давления. Исходя из свойств перерабатываемого материала и технологического режима переработки подбирается такая величина проходного сечения винтового канала, при которой давление в предматричной зоне экструдера будет постоянным (P = const). Конусная форма канала позволяет стабилизировать давление из-за образования частичного перетока материала по этим каналам вследствие разницы давлений. Такая форма канала позволяет получать струю материала с большой кинетической энергией, при этом происходит увеличение скорости потока продукта в сужающейся части канала и снижение его давления. Наличие частичного перетока материала в этой зоне связано с незначительным снижением производительности экструдера, что в полной мере компенсируется стабилизацией давления в предматричной зоне, а следовательно, позволяет выравнить температурное поле расплава в радиальном и продольном направлениях. Таким образом, значительно улучшается качество готового продукта.

На фиг. 1 показан общий вид экструдера; на фиг. 2 - развертка внутренней поверхности корпуса экструдера (показан характер изменения формы внутренней поверхности корпуса по его длине); на фиг. 3 - схема изменения внутреннего диаметра корпуса в зоне постепенного возрастания давления, обусловливающий уменьшающийся диаметральный зазор в направлении движения потока материала; на фиг. 4 - разрез по А-А на фиг. 2 (показана изменяющаяся глубина винтового канала корпуса экструдера).

Экструдер содержит корпус 1, загрузочную воронку 2, шнек 3 с винтовой нарезкой 4, профилирующую головку 5 с фильерой 6. На внутренней поверхности корпуса 1 путем ее профилирования выполнены шесть последовательно расположенных зон: загрузки 7, смешивания 8, сжатия 9, гомогенизации 10, постепенного возрастания давления 11, стабилизации давления 12. В зоне смешивания 8 выполнен по винтовой линии паз прямоугольной формы, образующий винтовой канал 13. На внутренней поверхности корпуса 1 в зоне гомогенизации 10 выполнен паз, образующий овальный винтовой канал 14. В зоне стабилизации давления 12 имеется паз, образующий по винтовой линии конический канал 15.

Экструдер работает следующим образом. Подлежащий переработке материал направляют в загрузочную воронку 2, где он захватывается шнеком 3 и подается в корпус 1, на внутренней поверхности которого образованы шесть последовательно расположенных зон 7 - 12. Конструкция внутренней поверхности цилиндра в зоне загрузки 7 обеспечивает равномерную подачу материала, исключающую опасность заклинивания массы и возможность пульсации подачи. В зоне смешивания 8 материал перемещается как по винтовому каналу шнека, так и по каналу 13 корпуса, образованному пазом прямоугольной формы. В процессе движения перерабатываемый продукт нагревается, размягчается и частично перемешивается благодаря выбранной форме исполнения внутренней поверхности корпуса. В зоне сжатия 9 происходит образование однородного расплава за счет возрастания давления вследствие резкого уменьшения размеров винтового канала шнека и уменьшающегося диаметрального зазора между витком шнека и корпусом от начала к концу зоны. В зоне гомогенизации 10 расплавленный материал движется как по винтовому каналу шнека, так и по овальному винтовому каналу 14 корпуса, причем из-за противоположного направления винтовой нарезки 4 шнека и винтовой линии паза корпуса, а также меньшего шага винтовой линии паза, материал подвергается воздействию значительных сдвиговых деформаций; повышается эффект смешения и гомогенизации. Выходящий из овального винтового канала 14 материал плавно переходит в зону постепенного возрастания давления 11 без существенного сопротивления перемещению расплава в момент перехода из одной зоны в другую, т.е. исключается образование застойных зон. Уменьшающийся диаметральный зазор между витком шнека и корпусом в направлении движения продукта в сочетании с уменьшающимся шагом нарезки шнека обеспечивают необходимое значение давления, при котором происходит окончательное расплавление мелких включений и образуется гомогенная масса. Наличие в зоне стабилизации давления 12 паза, образующего по винтовой линии конический канал 15, способствует выравниванию давления за счет частичного перетока материала по этому каналу, что в конечном итоге, для нормальной работы экструдера, позволяет иметь заданную, однородную по сечению температуру расплава, поступающего к профилирующей головке 5, через которую он выдавливается в виде заготовки требуемого сечения.

Таким образом, использование изобретения позволит значительно улучшить качество готового продукта за счет интенсификации процессов смешения и гомогенизации, а также заданного темпа нарастания давления. Кроме того, благодаря обоснованному выбору формы исполнения внутренней поверхности корпуса возможно стабилизировать давление в предматричной зоне экструдера и соответственно иметь однородную по сечению температуру расплава, что обеспечивает лучшую степень термообработки материала.