專利名稱：擠壓機螺桿的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及擠壓機螺桿，更具體地說是涉及用于塑煉熱塑性聚合物的擠壓機中的螺桿。本發(fā)明還涉及高產(chǎn)的偏二氯乙烯聚合物(PVDC)或氯乙烯聚合物(PVC)塑煉擠壓機螺桿設計的改進，該螺桿具有可控進給特點。
典型的擠壓機螺桿含有根部和繞根部螺旋地延伸的單頭螺旋片。該螺旋片與筒的內(nèi)圓柱面構成螺旋通道，熱塑性聚合物就沿該螺旋通道輸送。該螺桿典型地分為進給段，錐形輸送段和計量段。進給段用于輸送從漏斗進入筒內(nèi)的未熔化的聚合物的散裝原料。錐形輸送段用于補償當散裝聚合物被壓縮和聚合物被擠壓向筒的內(nèi)壁時產(chǎn)生的體積縮小，以便通過機械的剪切而產(chǎn)生良好的熱傳導和有效的熔化。典型的情況是聚合物在輸況送段中開始熔化。在螺桿的這一輸送段中，必要的良好的壓縮是特別重要的，以保證聚合物的均勻熔化。計量段用于把熔化的聚合物推前至擠壓機的排料端。
未熔化的熱塑性聚合物原料，一般是粉狀，顆粒狀，或片狀，它們導入螺桿的進給段并借助于螺桿上螺旋片的旋轉沿螺桿被推向前。當固體粒料由進給段進入輸送段時，由于螺桿旋轉產(chǎn)生的摩擦熱和筒上的加熱元件的傳導熱，使固體粒料開始熔化。
在固體粒料穿過擠壓機的運動過程中，或因摩擦熱，或因熱傳導，或因兩者，與熱的筒接觸的固體粒料開始熔化，形成粘附在筒的內(nèi)表面的一層熔化膜，而不與熱筒接觸的固體粒料則仍保留為固體物質。當熔化膜的厚度超過筒與螺旋片之間的間隙時，螺旋片的導向緣就從筒的內(nèi)表面上刮下熔化膜并把它集中到前邊或螺旋片的導向緣處，形成熔化的聚合物池。隨著固體料粒繼續(xù)熔化，熔化的聚合物池的寬度增大，同時固體物團(通常稱為固體床)的寬度減小，導致固體床破裂成熔化的聚合物流中漂浮的固體凝塊。當發(fā)生這種情況時，僅有小部分(或沒有)固體物團受到筒的作用，而熱量必須從筒通過熔化的聚合物池到達固體物團。結果是，由于熱塑性聚合物的熱傳導性非常低而使固體床一旦破裂后，熔化效率就大大降低。
在PVDC樹脂的擠壓中，由于壓緊的固體粒料被擠壓到輸送段的減小了的體積內(nèi)在輸送段前部之中靠近筒(內(nèi))表面的聚合物熔化膜的溫度急速升高。這熔化的膜的溫度可達到引起局部的降解，然后在膜中起泡和產(chǎn)生暗黑的拋物線波形。升高的溫度直接和聚合物在筒(內(nèi))表面處的圓周速度及在該處形成的壓力有關。降解通常發(fā)生在輸送段的前部分，在該處大量的壓緊的固體粒料的表面積被快速壓縮，由此產(chǎn)生高的壓力。
現(xiàn)今這一問題的解決辦法是制造低壓縮力螺桿(壓縮比小于3.1)和在計量段的入口處或輸送段的末端處安裝擋條(節(jié)制物)。名詞“壓縮比”用在此處時，表示進給段螺旋片的深度與計量段螺旋片深度之比?？稍诼輻U幾個螺旋片之間延伸的上述擋條的作用是阻擋和促使未充分和未均勻熔化的聚合物顆粒料返回。具有擋條的這種螺桿的例子示于Schrenk等的美國專利No，3,115,674的圖中。這些設計曾用直徑3.5英寸(89mm)的螺桿以高的產(chǎn)生率〔300磅(138kg)/英寸〕成功地擠壓出純的PVDC樹脂；但在擠壓以粉料供給的純PVDC與少量的PVDC膜片屑(再循環(huán)的)的混合料方面是不成功的。
通常壓縮成扁平盤狀(尺寸約是0.25”×0.35”×0.075”)(6.4mm×8.9mm×1.9mm)的膜片屑漂浮在圓的粉狀粒料(大約直徑為220微米)流中。一般只占全部樹脂重量5～10％的這些膜片屑具有高出周圍粉料的較狹窄的熔化峰(因為它們業(yè)已早被熔化)，同時具有向螺桿中的固體床的中心聚集的趨勢。固體床中心處的較窄熔點和再循環(huán)物的存在，使得它們在該處不能接受由筒/聚合物界面來的粘滯熱，導致再循環(huán)的聚合物的延遲熔化以及后來在最終的膜片產(chǎn)物中出現(xiàn)未熔化的聚合物(凝膠)。
需要提供一種具有高擠出量的擠壓機螺桿，但也要求它能對聚合物料粒的滯留時間提供嚴格的控制，當它們被輸送穿過螺桿時，該聚合物粒料含有少量再循環(huán)的樹脂，結果產(chǎn)生一種均勻熔化和基本上無降解物和/或截留空氣的擠出物。
一方面，本發(fā)明涉及的是用在擠壓機筒內(nèi)的擠壓機螺桿，用于把至少一種熱塑性聚合物從擠壓機(它含有輸送段)的第一端推向前至第二端，所說的擠壓機螺桿含有至少一頭螺旋片，其中一頭螺旋片大體上沿著擠壓機螺桿的整個長度延伸并形成螺旋通道，聚合物就通過螺旋通道輸送；和位于某處的擋條，在該處，固體料粒的快速熔化開始變慢并且固體床寬度的減小率趨于零。
另一方面，本發(fā)明涉及用在擠壓機筒內(nèi)的擠壓機螺桿，用于把至少一種熱塑性聚合物從擠壓機的第一端推向前至第二端，該擠壓機螺桿包括進給段、輸送段及計量段，所說的擠壓機螺桿具有至少一頭螺旋片，其中一頭螺旋片大體上沿擠壓機螺桿的整個長度延伸并形成螺旋通道，聚合物就通過該通道來輸送；位于某處的擋條，在該處，固體料粒的快速熔化開始變慢并且固體床寬度的減小率趨于零。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，通過在某處設置擋條，在該處固體粒料的快速熔化開始變慢并且固體床寬度的減小率趨于零，該螺桿能有高的擠出物輸出量，該擠出物是均勻熔化的并基本上沒有凝膠和/或截留空氣。本發(fā)明的螺桿在設計上通過控制固體床的寬度和深度來提高熔化率，同時減少過量的粘滯加熱。還發(fā)現(xiàn)增加了擋條后，通過減少被進給段傳送至輸送段的固體粒料的數(shù)量，能降低在輸送段的前部分產(chǎn)生的壓力。


圖1是典型的單頭螺旋片的側視圖，表示了本發(fā)明的擋條的位置；圖2是沿圖1的2-2線截取的橫截面圖。
本發(fā)明可應用于任何傳統(tǒng)設計的擠壓機螺桿，包括單頭螺旋片螺桿，例如單段、雙段及三段螺桿；以及復合(多頭)螺旋片螺桿，例如雙頭螺旋片螺桿。此外，本發(fā)明可用于控制熱塑性聚合物變種的及共聚合物的特性和滯留時間，例如聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯乙烯，以及復(乙烯醇)。本發(fā)明在控制純偏二氯乙烯聚合物樹脂的特性和滯留時間方面是實用的，該樹脂含有少量的再循環(huán)的偏二氯乙烯聚合物樹脂。
現(xiàn)在參考圖1，圖中一般以數(shù)字10代表擠壓機螺桿，它包括進給段12，輸送段14和計量段16。如圖所示，輸送段14分成三個長度基本相等的縱向區(qū)，包括前輸送區(qū)(I區(qū))、中輸送區(qū)(II區(qū))及后輸送區(qū)(III區(qū))。前輸送區(qū)從進給段的結束處開始，而后輸送區(qū)結束于計量段的開始處。中輸送區(qū)開始于前輸送區(qū)結束處而后輸送區(qū)開始于中輸送區(qū)的結束處。圖示的擠壓機螺桿是具有“單頭螺旋片”型式的螺桿，并包含根部18和跨越擠壓機螺桿長度的單頭螺旋片20。如圖所示，單頭螺旋片具有固定的直徑和節(jié)距。但應該認識到具有變節(jié)距的螺桿螺旋片也是可以用于實施本發(fā)明的。單頭螺旋片形成螺旋通道22，通過該通道來傳輸聚合物。擋條24的位置延伸跨過通道22，通道22由相鄰的螺旋片20構成。
最好是，順著擋條24的流向來增設的擋條。例如，貫穿輸送段14的長度內(nèi)可以在單頭螺旋片螺桿的相鄰螺旋片之間插入一或更多的擋條，且最好是，位于輸送段14的末端或計量段16的開始端。增設的擋條可保證完成熔化，而不冒過份剪切和加熱的風險。
通常，擠壓機螺桿具有低的壓縮比。擠壓機螺桿的壓縮比可以小于3.5，推薦值為是小于3.3，最好是3.0。
在圖1所示的擠壓機螺桿的工作中，未熔化的熱塑性粉狀、丸狀或片狀原料(此后稱固體粒料)被導入進給段12，在該處為筒(內(nèi))表面處產(chǎn)生的摩擦熱加熱至某溫度，該溫度足以在筒(圖中未表示)的(內(nèi))表面上形成熔化的聚合物薄膜。該薄膜的厚度還不足以使該處的螺旋片20收集它。當固體粒料繼續(xù)由進給段12移向輸送段14時，熔化的聚合物薄膜便在未熔化的聚合物上產(chǎn)生牽動，由此使未熔化的聚合物擠入通道22的尾部。
隨著熔化的繼續(xù)，筒內(nèi)表面上的熔化聚合物膜的厚度增大，直至它能被螺旋片20的導向緣刮下為止。螺詐片20在它的前部或導向緣處收集熔化的聚合物，形成熔化的聚合物池。借助剪切動作，現(xiàn)在熱量進入熔化聚合物池，剪切的能量是從螺桿的旋轉傳來的，導至固體粒料的快速熔化。由于固體粒料繼續(xù)從輸送段的I區(qū)移向II區(qū)，熔化的聚合物池的寬度增大，而未熔化的聚合物物質(通常稱為固體床)的寬度減小，直至減小率趨于零為止。當固體床寬度的減小率趨于零時，固體粒料的快速熔化開始變慢。當不希望受到理論的約束時，就會相信上述現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于熱量從粘滯的熔化的聚合物池耗散入筒內(nèi)造成的，筒的溫度低于熔化的聚合物池。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，通過在輸送段14之內(nèi)插入跨越通道22的擋條24，能提高固體粒料的熔化率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)擋條24的插入增大了固體床的寬度而減小了固體床的深度。固體床寬度的增大提高了固體粒料的熔化率，而且固體床深度的減小使得來自熔化的固體粒料的熱量更快地到達位于固體床中心的壓緊的固體粒料。
還發(fā)現(xiàn)擋條的增設減小了在輸送段開始端產(chǎn)生的壓力。壓力的產(chǎn)生是因為由進給段傳輸?shù)捷斔投蔚墓腆w粒料的量大于計量段能夠泵出的從輸送段來的熔化物的量。在上面提到的位置中插入的擋條有助于螺桿的固體粒料傳輸能力與熔化物泵出能力的平衡。壓力生成的減少有助于減少過量的快速摩擦加熱，過量的快速摩擦加熱將導致PVDC的降解。
擋條24的布局是嚴格的。如果擋條在螺桿中放得太靠前，熔化率實際上可能降低。另一方面，如果它在螺桿中的位置太靠后，它對熔化率的作用則可以忽略不計。螺桿中的熱塑性聚合物的熔化率很大程度上取決于筒與聚合物之間的接觸量。在較小程度上，這一熔化率取決于其它因素的變化，包括擠壓機的熱傳遞動力學和被擠壓的熱塑性材料的類型。通常，擋條24位于固體粒的快速熔化開始變慢而且固體床寬度的減小率趨于零處。擋條24的位置最好跨越在前輸送區(qū)(I區(qū))和輸送段的中輸送區(qū)(II區(qū))內(nèi)的任意通道上。僅出于解釋的目的，取具有18至26個通道(螺旋通道的圈數(shù))的SARAN聚合物擠壓機螺桿作為一個例子，擋條24更好是使其位置跨越在從I區(qū)中的最后通道開始至II區(qū)中的第3通道的任何通道上，而頂好的是，擋條24應位于擠壓機螺桿的第9、第10、第11或第12通道(從擠壓機的槽8算起，如圖1所示)中的任一通道內(nèi)。
擋條24的位置最好是與螺桿10的縱軸線成45°銳角或小些的角，而頂好的是其位置基本上平行于螺桿的縱軸線。
通常，專用螺桿的擋條的最佳高度取決于幾個因素，諸如被送入的聚合物的類型，特別是聚合物Tg(玻璃化溫度)和結晶度；是否添加了碎的顆粒；與聚合物摻和的添加物的類型，特別是片狀添加物等等；聚合物的進料方式；應用于本發(fā)明范圍內(nèi)的擋條的數(shù)量。通常，擋條的高度是螺旋片20高度的10～60％，最好是25～55％，頂好是35～50％。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當擋條的高度大于螺旋片高度的60％時會導致對固體聚合物流動的過大而阻礙和縮短了輸送段的快速熔化區(qū)。還發(fā)現(xiàn)，擋條的高度小于初始螺旋片的高度的10％時，就不能有效地控制固體床寬度、深度和固體粒料的傳送率，不能有效地壓緊聚合物和消除在聚合物中的截留空氣。
如圖2所示，擋條24通常具有凸輪狀橫截面28，橫截面有一寬底30和一修平的頂部32。通常，頂部32具有平頂，它至少0.1英寸(2.5mm)長，最好是從0.125英寸(3.175mm)至0.25英寸(6.35mm)長，而頂好是0.2英寸(5.1mm)長。這個平頂與筒的內(nèi)表面之間的間隙是嚴格的。這個間隙對熔化率和螺桿的固體粒料傳送性能有巨大的影響。最好的是，這個間隙是根部通道與筒表面之間距離的10～70％，更好地是20～60％，而頂好是50％。這個間隙和筒的內(nèi)表面與通道22之間的間隙相比相對地較小，這個間隙降低了螺桿的固體粒料傳送率，它同樣也使在螺桿前部產(chǎn)生的壓力減小到500～1000磅/英寸2。這一減低了的壓力意味著較少的粘滯加熱，而且其后由于較低的熔化溫度而改善了擠出物的質量。這個間隙也加大和減小了固體床的深度而不用減小輸送段的快速熔化區(qū)的長度。
擋條24可用任何合適的材料來制造，只要該材料能和被加工的聚合物相容并能經(jīng)受在擠壓機中遇到的加工溫度。此外，最好是使擋條用與制造螺桿的根部18的材料相似的材料來制造。例如，擋條可用鋼來制造，此時的螺桿被設計用來加工聚乙烯。當要加工偏二氯乙烯共聚物時，擋條24最好用鎳合金來制造。擋條24可焊在或用其它方法緊固在擠壓機螺桿的根部18上。
雖然出于解釋本發(fā)明的目的而給出了某些代表性實施例和細節(jié)，但內(nèi)行的人顯然能在不背離本發(fā)明為后附權利要求規(guī)定的范圍時，可以對此處已公開的各種方法和設備作出各種修改。
權利要求
1.用在擠壓機筒內(nèi)的擠壓機螺桿，它用于把至少一種熱塑性聚合物從包括輸送段的擠壓機的第一端推向前至第二端，所說的擠壓機螺桿具有至少一頭螺旋片，其中一頭螺旋片大體上沿著擠壓機螺桿的整個長度延伸并形成螺旋通道，聚合物就通過螺旋通道輸送；和位于某處的擋條，在該處，固體粒料的快速熔化開始變慢并且固體床的寬度的減小率趨于零。
2.用在擠壓機筒內(nèi)的擠壓機螺桿，它用于把至少一種熱塑性聚合物從擠壓機的第一端推向前至第二端，該擠壓機螺桿包括進給段、輸送段、及計量段，所說的擠壓機螺桿具有至少一頭螺旋片，其中一頭螺旋片大體上沿擠壓機螺桿的整個長度延伸并形成螺旋通道，聚合物就通過該通道來輸送；和位于某處的擋條，在該處，固體粒料的快速熔化開始變慢并且固體床寬度的減小率超于零。
3.根據(jù)權利要求2的擠壓機螺桿，其中所說的輸送段具有3個大體上等長度的縱向區(qū)，包括前輸送區(qū)(I區(qū))，中輸送區(qū)(II區(qū))和后輸送區(qū)(III區(qū))；而所說的擋條橫跨插入在I區(qū)和II區(qū)范圍內(nèi)的任何一個通道中。
4.根據(jù)權利要求3的擠壓機螺桿，其中所說的擋條橫跨插入從I區(qū)的最后通道開始至II區(qū)第3通道的任意通道中。
5.根據(jù)權利要求2的擠壓機螺桿，它具有24～30個通道，和插入擠壓機螺桿的第9、第10、第11或第12通道中的任一個通道的擋條。
6.根據(jù)權利要求5的擠壓機螺桿，其中所說的擋條位于擠壓機螺桿的第10通道之中。
7.根據(jù)權利要求2的擠壓機螺桿，其中所說的擋條與所說的螺桿的縱軸線成45°的銳角或小些的角度。
8.根據(jù)權利要求2的擠壓機螺桿，其中所說的擋條大體上平行于所說的螺桿的縱軸線。
9.根據(jù)權利要求2的擠壓機螺桿，其中所說的擋條大體上與所說的螺旋片垂直。
10.根據(jù)權利要求2的擠壓機螺桿，其中所說的擋條的高度是所說的螺旋片的高度的10～60％。
11.根據(jù)權利要求10的擠壓機螺桿，其中所說的擋條的高度是所說的螺旋片的高度的25～55％。
12.根據(jù)權利要求11的擠壓機螺桿，其中所說的擋條的高度是所說的螺旋片的高度的35～50％。
13.根據(jù)權利要求2的擠壓機螺桿，其中所說的擠壓機螺桿含有大體上沿擠壓機螺桿的整個長度延伸的兩頭螺旋片。
14.根據(jù)權利要求2的擠壓機螺桿，其中所說的擋條具有通常呈凸輪形的橫截面，該橫截面具有寬底和修平的頂部。
15.根據(jù)權利要求14的擠壓機螺桿，其中所說的修平的頂部與筒內(nèi)表面有間隙，其間隙為根部通道與筒內(nèi)表面之間距離的10～70％。
16.根據(jù)權利要求15的擠壓機螺桿，其中所說的修平的頂部與筒內(nèi)表面有間隙，其間隙為根部通道與筒內(nèi)表面之間距離的20～60％。
17.根據(jù)權利要求16的擠壓機螺桿，其中所說的修平的頂部與筒內(nèi)表面有間隙，其間隙為根部通道與筒內(nèi)表面之間的距離的50％。
18.根據(jù)權利要求2的擠壓機螺桿，它包括至少一個增設的擋條，此擋條插入在所說的輸送段的末端或在所說的計量段的開始端。
19.根據(jù)權利要求15的擠壓機螺桿，它包括至少一個增設的擋條，此擋條插入在所說的輸送段的末端或在所說的計量段的開始端。
20.根據(jù)權利要求1的擠壓機螺桿，其中所述熱塑性聚合物含有純偏二氯乙烯聚合物樹脂與少量再循環(huán)的偏二氯乙烯聚合物樹脂的混合物。
全文摘要
用在擠壓機筒內(nèi)的擠壓機螺桿(10),它用于把熱塑性聚合物從該擠壓機的第一端推向前至第二端。該擠壓機螺桿包含輸送段(14)和至少一頭螺旋片(20),螺旋片(20)大體上沿螺桿(10)的長度延伸。擋條(24)位于這樣的位置,即固體粒料的快速熔化開始變慢而且固體床寬度的減小率趨于零處。當聚合物顆粒被輸送穿過螺桿(10)時,擋條(24)使螺桿具有擠出物的高輸出量和聚合物顆粒料的滯留時間的嚴密控制,結果使擠出物是均勻熔化的并且大體上沒有降解產(chǎn)物和/或截留空氣。
文檔編號B29C47/38GK1171757SQ95197196
公開日1998年1月28日 申請日期1995年12月14日 優(yōu)先權日1994年12月30日
發(fā)明者史蒂芬·R·詹金斯, 庫恩·S·遜 申請人:陶氏化學公司