ЭКСТРУДЕР Российский патент 1994 года по МПК B29C47/76 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкции одночервячных экструдеров, предназначенных для переработки и дегазации гранулированных и порошкообразных термопластов.

Переработка полимерных материалов часто связана с необходимостью удаления из расплава летучих веществ - воздуха, паров воды, остаточных мономеров, газообразных продуктов разложения, наличие которых в материале существенно снижает качество готовых изделий.

Удаление летучих веществ из высоковязких жидкостей, какими являются расплавы полимеров, представляет собой диффузионный процесс, эффективность которого в большой мере определяется размерами и интенсивностью обновления поверхности раздела фаз "жидкость-газ", откуда летучие вещества удаляются практически мгновенно.

Известен одночервячный экструдер с зоной дегазации, содержащий корпус и червяк, разделенные на зону пластикации, зону выдавливания и расположенную между ними зону дегазации, снабженную стрейнирующим приспособлением, представляющим собой перфорированный цилиндр, соединенный с червяком, и скребковый элемент, выполненный в виде покрытой слоем тефлона пластины, неподвижно закрепленной в корпусе экструдера (Шенкель Г. Шнековые прессы для пластмасс, Л.: ГХИ, 1962, с. 247-248).

Подобная конструкция стрейнирующего приспособления позволяет увеличить число стрейнирующих отверстий, вместе с тем интенсивность обновления свободной поверхности и интенсивность удаления летучих веществ из расплава в этом экструдере недостаточна, т.к. большая часть стрейнирующей поверхности цилиндра перекрывается слоем расплава, собирающегося при транспортировке материала к выдавливающей зоне червяка со стороны подающей части скребкового элемента. Другим недостатком данной конструкции экструдера с зоной дегазации является невысокая напорная характеристика зоны выдавливания, ограничивающая ее производительность и производительность экструдера в целом, особенно при переработке полимеров в изделия с большим сопротивлением формующего инструмента.

Ближайшим по технической сущности к предложенному решению является экструдер, содержащий корпус с вентиляционным и размещенный в корпусе червяк, разделенные на последовательно расположенные зоны пластикации, дегазации и выдавливания, а также размещенное в зоне дегазации стрейнирующее приспособление, представляющее собой перфорированный цилиндр, охватывающий червяк, и скребковый элемент, выполненный в виде по меньшей мере одной спиральной ленты, размещенной в кольцевом канале, образованном внутренней поверхностью корпуса экструдера и наружной поверхностью перфорированного цилиндра, охватывающей эту поверхность и контактирующей с ней с возможностью относительного вращения, при этом диаметр внутренней поверхности корпуса в зонах пластикации и выдавливания равен диаметру червяка в этих зонах, а в зоне дегазации - равен номинальному значению наружного диаметра спиральной ленты (авторское свидетельство СССР N 1689098, кл. B 29 C 47/76, 1989, заявка 4704850/05, реш. о выдаче 5,6.90).

В указанном решении стрейнирующее приспособление имеет дополнительный перфорированный цилиндр, установленный на выходе кольцевого канала.

Данное техническое решение не обеспечивает роста производительности экструдера и значительного повышения качества очистки полимера от летучих веществ, т. е. эффект обновления свободной поверхности расплава в зоне дегазации достигается только на ограниченном участке при продавливании расплава из канала основного червяка в кольцевой канал через отверстия в первом, по ходу движения материала, перфорированном цилиндре, а дополнительный перфорированный цилиндр не влияет на процесс дегазации и служит для дополнительного перемешивания расплава и направления его из кольцевого канала в канал червяка.

Целью изобретения является увеличение производительности экструдера и эффективности процесса дегазации.

Поставленная цель достигается тем, что в экструдере, содержащем корпус с вентиляционным отверстием и размещенный в корпусе червяк, разделенное на последовательно расположенные зоны пластификации, дегазации и выдавливания, а также размещенное в зоне дегазации стрейнирующее приспособление, представляющее собой перфорированный цилиндр, охватывающий червяк, и скребковый элемент, выполненный в виде по меньшей мере одной спиральной ленты, размещенной в кольцевом канале, образованном внутренней поверхностью корпуса экструдера и наружной поверхностью перфорированного цилиндра, охватывающей эту поверхность и контактирующей с ней с возможностью относительного вращения, при этом диаметр внутренней поверхности корпуса в зонах пластификации и выдавливания равен диаметру червяка в этих зонах, а в зоне дегазации равен номинальному значению наружного диаметра спиральной ленты, согласно изобретению, спиральная лента по наружному диаметру неподвижно закреплена на внутренней поверхности корпуса и направление витков ее выбрано противоположным направлению витков червяка, при этом перфорированный цилиндр жестко соединен с червяком с возможностью совместного с ним вращения, а диаметр червяка в зоне выдавливания выбран большим диаметра червяка в зонах пластикации и дегазации.

Кроме того, по внутреннему диаметру спиральной ленты со стороны, обращенной к зоне пластикации, может быть выполнена фаска. Целесообразно, чтобы внутренняя поверхность в перфорированном цилиндре имела бы ребра жесткости, образующие с поверхностью червяка направляющие каналы, а отверстия перфорированного цилиндра были выполнены с увеличением их диаметров в направлении к зоне выдавливания.

На фиг. 1 показан общий вид экструдера (продольный разрез); на фиг.2 - узел стрейнирующего приспособления (продольный разрез); на фиг.3 - поперечный разрез стрейнирующего приспособления; на фиг.4 - узел стрейнирующего приспособления в аксонометрии; на фиг.5 - иллюстрация к работе стрейнирующего приспособления.

Экструдер содержит корпус 1 (фиг.1) с загрузочным отверстием 2, выходным отверстием 3, удаленным от загрузочного по соединенным с устройством для отсоса летучих веществ, червяк 5, а также привод червяка 5 и другие механизмы и системы, смонтированные на общей станине (на чертеже не показано).

Корпус 1 и размещенный внутри него червяк 5 выполнены ступенчатыми и по технологичскому и конструктивному признаку делятся на три зоны: зону выдавливания 6, зону пластикации 7 и расположенную между ними зону дегазации 8 (см. фиг. 1). Червяк 5 в зоне выдавливания 6 имеет больший диаметр, чем в зоне пластикации 7 и в зоне дегазации 8. Конструктивно зона выдавливания 6 соединена с остальными зонами резьбовым соединением. Корпус 1 экструдера состоит из двух частей 9 и 10, соединенных с помощью фланцев. Первая часть 9, соответствующая зона пластикации 7 экструдера, по номинальному диаметру внутреннего отверстия и длине рабочей части равна аналогичным размерам червяка 5 в зоне пластикации 7. Диаметр внутреннего отверстия второй части 10 корпуса 1 экструдера равен номинальному диаметру червяка 5 в зоне выдавливания 6, а ее длина - суммарной длине зоны выдавливания 6 и зоны дегазации 8.

Таким образом, в зоне дегазации 8 между червяком 5 и внутренней поверхностью корпуса 1 образован кольцевой канал А, в котором размещено стрейнирующее приспособление 11 (фиг.2, фиг.3, фиг.4), представляющее собой перфорированный цилиндр 12 с отверстиями 13 на боковой поверхности и скребковый элемент 14, основу которого составляет спиральная лента 15, размещенная в кольцевом канале А, образованном внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью перфорированного цилиндра 12, охватывающая эту поверхность и контактирующая с ней с возможностью вращения. Цилиндр 12 установлен соосно с червяком 5, жестко соединен с ним и образует между внутренней поверхностью цилиндра 12 и поверхностью червяка 5 кольцевой канал Б, сообщенный с винтовым каналом В червяка 5. Спиральная лента 15 в варианте конструкции скребкового элемента, представленном на фиг.1, выполнена по внутренней поверхности гильзы 14, неподвижно закрепленной между фланцами в разъеме корпуса 1 экструдера. При этом по наружному диаметру спиральная лента 15 совпадает с внутренним диаметром корпуса 1, а по внутреннему диаметру сопряжена с наружной поверхностью перфорированного цилиндра 12 с зазором, обеспечивающим возможность его вращения вместе с червяком 5.

Направление витков спиральной ленты 15 противоположно направлению витков винтового канала В червяка 5, а по внутреннему диаметру спиральной ленты 15 со стороны, обращенной к зоне пластикации 7 под углом 30^о к поверхности трения, выполнена фаска 16. На внутренней поверхности перфорированного стакана 12 выполнены ребра жесткости 17, которые повышают прочность конструкции и одновременно образуют направляющие каналы Г, при этом отверстия 13 в стенке перфорированного цилиндра 12 выполнены с увеличением их диаметров в направлении к зоне выдавливания 6.

Экструдер работает следующим образом.

Полимерный материал в виде гранул или порошка подают через загрузочное отверстие 2 корпуса 1 экструдера в винтовой канал Б червяка 5, где, по мере продвижения вдоль оси корпуса 1, материал проходит три стадии процесса переработки. На первой стадии - стадии пластикации материала происходит сжатие, плавление полимера и превращение его в расплав, который на входе в зону дегазации 8, поступает в направляющие каналы Г, образованные ребрами жесткости 17 внутри перфорированного цилиндра 12 стрейнирующего приспособления 11. На второй стадии - стадии дегазации, материал продавливается через отверстия 13 в цилиндре 12 и в виде множества отдельных стренг попадает в кольцевой канал А, где в результате резкого увеличения объема рабочих каналов и декомпрессии, растворенные в расплаве полимера газообразные компоненты выделяются из материала и с помощью насоса через вентиляционное отверстие 4 удаляются из зоны дегазации 8. При вращении червяка 5 неподвижная спиральная лента 15 скребкового элемента 14 взаимодействует с вращающейся поверхностью перфорированного цилиндра 12, благодаря ему происходит срез стренг, выходящих из отверстий 13 цилиндpа 12, набегающей спиральной лентой 15. Этим достигается срез и непрерывное обновление поверхности поперечного сечения стренг - свободной поверхности расплава и интенсивное выделение летучих веществ из материала, а направление витков спиральной ленты 15 обеспечивает перемещение расплава по направлению к зоне выдавливания 6 (см. фиг.5).

Наличие фаски 16 на внутреннем диаметре спиральной ленты 15 сокращает поверхность, контактирующую с наружной поверхностью перфорированного цилиндра 12 - поверхность трения, а, значит, уменьшает затраты мощности и тепловыделение в зоне дегазации 8 экструдера.

Ребра жесткости 17, образующие каналы Г, и постепенно увеличивающийся по направлению движения материала диаметр отверстий 13 в цилиндре 12, позволяет ликвидировать застойные зоны в кольцевом канале Б и обеспечить равноскоростной выход материала по всей перфорированной поверхности цилиндра 12.

На третьей стадии - стадии выдавливания, расплав полимера захватывается витками червяка 5, который в зоне выдавливания 6 имеет больший диаметр, чем в зонах пластикации 7 и дегазации 8, сжимается и транспортируется к выходному отверстию 3 корпуса 1 экструдера, где с помощью формующего инструмента расплав приобретает форму и размеры изделия.

Геометрия винтового канала В в каждой из функциональных зон червяка 5 обеспечивает основное условие нормальной работы экструдера - равенство расхода по зоне пластикации 7, зоне дегазации 8 и зоне выдавливания 6, а также высокую напорную характеристику последней, достаточную для преодоления сопротивления формующего инструмента. Размеры перфорированной поверхности, число и размеры отверстий 13 в цилиндре 12, шаг и число спиральных лент (число заходов спиральной нарезки на поверхности гильзы 14), позволяет достичь необходимой степени развития и обновления свободной поверхности расплава, чтобы обеспечить требуемую очистку расплава от летучих веществ.

Стрейнирующее приспособление 11, включающее перфорированный цилиндр 12 в сочетании со скребковым элементом 14, выполненным в виде спиральных лент 15, охватывающих цилиндр 12, позволяет резко повысить интенсивность процесса дегазации, главным образом, за счет увеличения размеров и краткости обновления свободной поверхности расплава в зоне отсоса летучих веществ.

Если в прототипе эффект обновления свободной поверхности расплава в зоне дегазации достигается только на ограниченном участке (не более третьей части по длине), где расплав продавливается через отверстия перфорированного стакана 12 из канала червяка в кольцевую полость, то в экструдере согласно изобретению стрейнирующее приспособление обеспечивает расширение и активное обновление свободной поверхности расплава по всей длине зоны дегазации 8. Таким образом, при равных габаритах зоны дегазации, в предлагаемой конструкции в сравнении с прототипом, размеры свободной поверхности - поверхности испарения летучих веществ, а значит, и интенсивность их удаления из материала, по меньшей мере, в три раза выше.

Высокая интенсивность процесса дегазации позволяет без снижения качества полимера, значительно увеличить производительность экструдера. Это достигается благодаря тому, что червяк 5 в зоне выдавливания 6 имеет больший диаметр, чем в зоне пластикации 7. Увеличение диаметра червяка 5 в зоне выдавливания 6 в сравнении с зоной пластикации 7, обеспечивает при тех же скоростях вращения червяка 5 рост пропускной способности и напорной характеристики зоны выдавливания 6, что, в свою очередь, дает возможность повысить пpоизводительность червяка 5 по зоне пластикации 7, например, с помощью рифленой гильзы в зоне загрузки, а значит, и производительность экструдера в целом. При этом, зона выдавливания 6 способна преодолеть практически любое сопротивление, создаваемое формующим инструментом. Высокая напорная характеристика и производительность по зоне выдавливания 6 гарантируют надежность работы зоны дегазации 8 при широких колебаниях параметров технологического процесса.

Вместе с тем, использование предлагаемых решений, обеспечивающих высокие технические показатели и значительное улучшение эксплуатационных характеристик экструдеров с зоной дегазации, не требует существенных изменений габаритов и металлоемкости оборудования, что определяет высокий экономический эффект от их внедрения.

Использование: переработка гранулированных порошкообразных термопластов в машиностроении с помощью экструдера с зоной дегазации, имеющего необходимую производительность. Сущность изобретения: экструдер содержит корпус с вентиляционным отверстием и червяк, разделенные на зону пластикации, выдавливания и зону дегазации. Она снабжена стрейнирующим приспособлением в виде перфорированного цилиндра, охватывающего червяк, и скребкового элемента. Он выполнен в виде по меньшей мере одной спиральной ленты, размещенной в кольцевом канале между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью перфорированного цилиндра. Спиральная лента охватывает эту поверхность и контактирует с ней с возможностью относительного вращения. Спиральная лента по наружному диаметру неподвижно закреплена на внутренней поверхности корпуса. Направление витков ее выбрано противоположно направлению витков червяка. Перфорированный цилиндр жестко соединен с червяком и вращается вместе с ним. Диаметр червяка в зоне выдавливания выбран большим диаметра червяка в зонах пластикации и дегазации. Спиральная лента может иметь фаски, а перфорированный цилиндр - ребра жесткости. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. ЭКСТРУДЕР, содержащий корпус с вентиляционным отверстием и размещенный в корпусе червяк, имеющие последовательно расположенные зоны пластикации, дегазации и выдавливания, стрейнирующее приспособление, размещенное в зоне дегазации и выполненное в виде перфорированного цилиндра и скребкового элемента в виде по меньшей мере одной спиральной ленты, расположенной в кольцевом канале, образованном внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью перфорированного цилиндра, охватывающей эту поверхность и контактирующей с ней с возможностью относительного их вращения, при этом диаметр внутренней поверхности корпуса в зонах пластикации и выдавливания равен диаметру червяка в этих зонах, а в зоне дегазации равен номинальному значению наружного диаметра спиральной ленты, отличающийся тем, что, с целью увеличения производительности экструдера и эффективности процесса дегазации, спиральная лента по наружному диаметру неподвижно закреплена на внутренней поверхности корпуса и направление витков ее выбрано противоположным направлению витков червяка, при этом перфорированный цилиндр жестко соединен с червяком с возможностью совместного их вращения, а диаметр червяка в зоне выдавливания выбран большим диаметра червяка в зонах пластикации и дегазации. 2. Экструдер по п. 1, отличающийся тем, что по внутреннему диаметру спиральной ленты со стороны, обращенной к зоне пластикации, выполнены фаски. 3. Экструдер по п.1, отличающийся тем, что по внутренней поверхности перфорированного цилиндра выполнены ребра жесткости для образования с поверхностью червяка направляющих каналов. 4. Экструдер по п.1, отличающийся тем, что отверстия перфорированного цилиндра выполнены с увеличением их диаметров в направлении к зоне выдавливания.