一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构的制作方法
一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种挤出机的螺杆与料筒结构，尤其是一种用于挤出机的具有强剪切 力的螺杆与料筒结构。
【背景技术】
[0002] 热熔胶作为一种加热后能够获得粘结流动性的热粘胶。其主要特点是粘结强度 高，根据不同的使用场合来选择不同的热熔胶。由聚烯烃分子断链与马来酸酐接枝制备的 热熔胶对于金属和非金属都具有一定的粘结性。粘结性能的好坏取决于热熔胶制备时，接 枝反应的程度，而接枝反应的程度又取决于聚烯烃分子的断链程度。因此，提高高分子聚合 物分子链的断链程度，对热熔胶产品的性能有着重要的意义。
[0003][0004] 发明人先前发明的"一种强剪切力化学反应器"，公开号为CN103566862A，该反应 器是将"磨盘式"的剪切结构引入到"螺旋式"剪切结构，进一步提高了高分子聚合物的热 熔胶产品性能，实现了连续生产的目的。"螺旋式"剪切结构相对于"磨盘式"的剪切结构其 旋转半径要小很多，因此可以大幅度的提升其旋转速度。而且"螺旋式"剪切结构增加了物 料流受剪切的有效行程，从而使剪切更加充分。因此"螺旋式"剪切结构使得力化学反应器 的剪切效果有较大的提升。
[0005] 上述剪切结构对某些高分子材料进行反应加工时，还存在螺纹剪切力不够，接枝 共聚反应不充分，挤出效率低等问题。这是由于力化学反应中，机械力使高分子链断链时， 其实质是由于物料流所受的速度梯度。速度梯度越大，越有利于分子链的断链。而且应改 变物料流的运动轨迹，避免部分物料未受到强剪切而流出，使尽可能多的物料受到剪切，提 高接枝反应的程度，从而提升热熔胶产品的性能。因此，需要进一步对其结构进行优化设 计，同时进行实验研宄，设计并确定出较佳的设计参数及其完整的技术方案，以进一步提高 挤出机对高分子聚合物分子链的剪切性能，提高接枝率和挤出率，以适应热熔胶产品性能 的需求。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的具体技术问题是通过对现有剪切力化学反应器的螺杆与料筒结 构的改进，进一步提高高分子化学反应器的剪切力，以达到高分子材料在反应器中接枝共 聚反应充分，并提供一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构。
[0007] 本发明的具体任务是通过以下技术方案实现的。
[0008] -种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，包括反应器机架固定的输送段和熔 融段，以及熔融段中螺杆在料筒内旋转实现剪切和输送结构；其特征是：在熔融段后端增 设有强剪切段及其螺杆在料筒内旋转实现强剪切结构； 所述强剪切段中螺杆螺棱与料筒螺槽是螺线型结构与直线型结构的组合结构； 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的头数为5 ; 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的升角为40° ; 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的宽度为IOmm时，螺杆螺棱高度是4. 5mm、料筒螺槽深度是 2mm ;且螺杆螺棱与料筒螺槽的旋转方向相反。
[0009] 进一步地，附件技术特征如下。
[0010] 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的螺线型与直线型组合结构是直线型结构+螺线型结 构、直线型结构+螺线型结构+直线型结构、螺线型结构+直线型结构+螺线型结构。
[0011] 所述螺线型结构与直线型结构的组合结构是螺线型结构+直线型结构+螺线型结 构的组合结构时，螺杆螺棱与料筒螺槽的头数为5,螺杆螺棱与料筒螺槽的升角为40° ;所 述螺杆螺棱与料筒螺槽的宽度为10 mm时，螺杆螺棱高度是4. 5mm、料筒螺槽深度是2mm，物 料流的剪切速率是145(Ts。
[0012] 所述螺线型结构+直线型结构+螺线型结构的螺杆与料筒的组合结构比例是 1:1:1〇
[0013] 所述螺杆螺棱和料筒螺槽的断面结构是三角形结构、矩形结构和梯形结构中的一 种。
[0014] 本发明上述本发明所提供的一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，是通过 对现有化学反应器的螺杆与料筒结构进行改进，提高了高分子化学反应器中高分子材料的 剪切力，使得高分子材料在反应器中接枝共聚的反应更加充分，实现了不同高分子材料在 反应器中的接枝共聚反应，与现有技术相比，其优点与积极效果如下： 本发明的螺杆螺棱与料筒螺槽的组合结构提高了高分子聚合物物料在反应器中的接 枝共聚反应效果，将化学反应器对熔融态高分子材料的剪切性能提高了 100%。
[0015] 本发明的螺杆螺棱和料筒螺槽均采用两端螺线型，中间直线型的分布排列结构， 改变了物料流的运动方式，使剪切发生更加充分，物料输送更加合理。
[0016] 本发明的梯形螺杆螺棱断面与梯形的料筒螺槽断面的组合结构还能形成较大的 剪切速率梯度，从而形成较强的剪切力场，使高分子聚合物达到更好的断链和接枝效果。
[0017] 本发明的梯形螺杆螺棱断面与梯形的料筒螺槽断面的组合结构使得高分子聚合 物物料在流经该段时，旋向相反的螺杆和料筒的相对运动使得高分子聚合物物料经过更多 的剪切次数，以此来达到更好的断链和接枝效果。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明强剪切力化学反应器的结构示意图。
[0019] 图2是本发明强剪切力化学反应器的螺杆结构示意图。
[0020] 图3是本发明强剪切力化学反应器的机筒结构示意图。
[0021] 图4是本发明螺杆螺棱和料筒螺槽断面形状为三角形的结构示意图。
[0022] 图5是本发明螺杆螺棱和料筒螺槽断面形状为矩形的结构示意图。
[0023] 图6是本发明螺杆螺棱和料筒螺槽断面形状为梯形的结构示意图。
[0024] 图7是本发明各种不同螺杆螺棱和料筒螺槽断面形状的所有组合示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面对本发明的【具体实施方式】做出进一步的说明。
[0026] 实施本发明上述所提供的一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，是以本发 明技术方案为前提下进行实施的，所给出的详细实施方式以及具体操作过程，不限于本发 明下述的【具体实施方式】。
[0027] 如附图所述，图1是本发明螺杆和料筒的结构示意图，其中，螺杆螺棱右旋，料筒 螺槽左旋。图2、图3和图4是本发明螺杆螺棱和料筒螺槽断面形状分别为三角形结构、矩 形结构或梯形结构。图5是本发明螺杆螺棱和料筒螺槽的不同断面形状下的各种组合结 构。
[0028] 本发明的【具体实施方式】是在现有高分子力化学反应器结构的基础上，对反应器的 结构进行改进，即在原反应器熔融段的端头增设有强力剪切段，对强力剪切段的螺杆螺棱 和料筒螺槽的具体改进如下。
[0029] -种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，包括反应器机架固定的输送段和熔 融段，以及熔融段中螺杆在料筒内旋转实现剪切和输送结构；其结构特征是：在熔融段后 端增设有强剪切段及其螺杆在料筒内旋转实现强剪切结构。
[0030] 其中，强剪切段中螺杆螺棱与料筒螺槽采用螺线型结构与直线型结构的组合结 构，也可以选用以下三种结构，即直线型结构+螺线型结构、直线型结构+螺线型结构+直 线型结构、螺线型结构+直线型结构+螺线型结构，加工采用一般机械加工即可获得螺线型 与直线型的组合结构，在加工中，螺杆螺棱与料筒螺槽的头数设计为5,螺杆螺棱与料筒螺 槽的升角设计为40°， 螺杆螺棱与料筒螺槽的宽度设计为IOmm时，螺杆螺棱高度设计为4. 5mm、料筒螺槽深 度设计为2mm ;且螺杆螺棱与料筒螺槽的旋转方向相反。
[0031] 在本发明实施方式中，进一步优先选用螺线型结构+直线型结构+螺线型结构 的复合结构，采用此结构时，螺杆与料筒的组合结构比例是1:1: 1，螺杆螺棱与料筒螺槽的 头数按5头加工，螺杆螺棱与料筒螺槽的升角按40°加工，螺杆螺棱与料筒螺槽的宽度为 IOmm时，螺杆螺棱高度是4. 5mm、料筒螺槽深度是2mm，物料流的剪切速率是145(Ts，使用效 果较佳，获得了突出的 在本发明实施方式中，螺杆螺棱和料筒螺槽的断面结构可以选用三角形结构、矩形结 构和梯形结构中的一种。
[0032] 以下结合说明书附图对本发明的【具体实施方式】作出进一步的说明。
[0033] 在下述实验方案中，利用上述强剪切力化学反应器对高密度聚乙烯颗粒进行加 工，并添加抗氧剂，防止聚乙烯材料，经剪切后氧化降解。通过对比加工前后聚乙烯材料的 平均分子量，来评判该设备对聚乙烯材料的剪切效果。
[0034] 在实施例中依次实验对比了螺杆螺棱和机筒螺槽的截面形状、头数、升角的影响 趋势，并在实施例4中，公开了最佳的螺杆和机筒参数时的实验结果。
[0035] 实施例1 强剪切部的螺杆和机筒的螺纹分布形式均按照螺旋一直线一螺旋的排列形式。螺杆长 度1=270_，直径D=90mm，长径比为3。
[0036] 螺杆各段长度比：螺旋：直线：螺旋=1:1:1 ;螺旋部分螺棱头数为3,长径比为1， 右旋，螺棱升角50° ;直线部分螺棱头数为3,均布，长径比为1。
[0037] 机筒长度1=270,直径D=92mm，长径比为3。
[0038] 机筒各段长度比为螺旋：直线：螺旋=1:1:1 ;螺旋部分螺槽头数为3,长径比为1， 左旋，螺棱升角50° ;直线部分螺棱头数为5,均布，长径比为1。
[0039] 螺杆和机筒的螺棱形状按照三角形、矩形和梯形交叉组合的形式依次进行组合实 验，如附图7。
[0040] 电机功率22Kw，转速600转/分。
[0041] 原料：高密度聚乙烯：HDPE，5000S，熔融指数MI :0.7gAl0min) (190°C，负载 2. 16Kg)中国石油兰州石化。
[0042] 抗氧剂1010 :工业级，中国北京化工三厂。
[0043] 抗氧剂168 :工业级，中国北京化工三厂。
[0044] 实验设备：强剪切力化学反应器。
[0045] 测试指标：平均分子量(溶液粘度法) 。
[0046] 测试结果：如表1
表1.不同形状组合时聚乙烯剪切后的平均分子量。
[0047] 实施例2 强剪切部的螺杆和机筒的螺纹分布形式均按照螺旋一直线一螺旋的排列形式。螺杆长 度1=270_，直径D=90mm，长径比为3。
[0048] 螺杆各段长度比：螺旋：直线：螺旋=1:1:1 ;螺旋部分长径比为1，右旋，螺棱升角 50° ;直线部分螺棱均布，长径比为1，螺棱断面均选择为梯形形状。
[0049] 机筒长度1=270,直径D=92mm，长径比为3。
[0050] 机筒各段长度比为螺旋：直线：螺旋=1:1:1 ;螺旋部分长径比为1，左旋，螺棱升角 50° ;直线部分螺棱均布，长径比为1，螺棱断面均选择为梯形形状。
[0051] 螺杆螺棱和机筒螺槽的头数按照3头、4头和5头交叉组合的形式依次进行组合实 验。
[0052] 电机功率22Kw，转速600转/分。
[0053] 原料：高密度聚乙烯：HDPE，5000S，熔融指数MI :0. 7gAl0min) (190°C，负载 2. 16Kg)中国石油兰州石化。
[0054] 抗氧剂1010 :工业级，中国北京化工三厂。
[0055] 抗氧剂168:工业级，中国北京化工三厂。
[0056] 实验设备：强剪切力化学反应器。
[0057] 测试指标：平均分子量(溶液粘度法)。
[0058] 测试结果：如表2
表2.不同头数组合时聚乙烯剪切后的平均分子量。
[0059] 实施例3 强剪切部的螺杆和机筒的螺纹分布形式均按照螺旋一直线一螺旋的排列形式。螺杆长 度1=270_，直径D=90mm，长径比为3。
[0060] 其中螺杆各段长度比：螺旋：直线：螺旋=1:1:1 ;螺旋部分螺棱头数为5,长径比 为1，右旋；直线部分螺棱头数为5,均布，长径比为1 ;螺棱断面形状均为梯形，如附图6。
[0061] 机筒长度1=270,直径D=92mm，长径比为3。
[0062] 其中机筒各段长度比为螺旋：直线：螺旋=1:1: 1，螺旋部分螺槽头数为5,长径比 为1，左旋；直线部分螺棱头数为5,均布，长径比为1 ;螺棱断面形状均为梯形，如附图6。
[0063] 螺杆螺棱和机筒螺槽的升角按照20°、30°、40°和50°交叉组合的形式依次进 行组合实验。
[0064] 电机功率22Kw，转速600转/分。
[0065] 原料：高密度聚乙烯：HDPE，5000S，熔融指数MI :0. 7gAl0min) (190°C，负载 2. 16Kg)中国石油兰州石化。
[0066] 抗氧剂1010 :工业级，中国北京化工三厂。
[0067] 抗氧剂168:工业级，中国北京化工三厂。
[0068] 实验设备：强剪切力化学反应器。
[0069] 测试指标：平均分子量(溶液粘度法)。
[0070] 测试结果：如表3
表3.不同升角组合时聚乙烯剪切后的平均分子量。
[0071] 实施例4 强剪切部的螺杆和机筒的螺纹分布形式均按照螺旋一直线一螺旋的排列形式。螺杆长 度1=270_，直径D=90mm，长径比为3。
[0072] 其中螺杆各段长度比：螺旋：直线：螺旋=1:1: 1，螺旋部分螺棱头数为5,长径比为 1，右旋，螺棱升角40°，螺棱宽度10mm，槽深4. 5mm〇
[0073] 直线部分螺棱头数为5,均布，长径比为1，螺棱宽度为10mm，槽深4. 5mm，螺棱断面 形状均为梯形，如附图6。
[0074] 机筒长度1=270,直径D=92mm，长径比为3。
[0075] 其中机筒各段长度比为螺旋：直线：螺旋=1:1: 1，螺旋部分螺槽头数为5,长径比 为1，左旋，螺棱升角40°，螺槽宽度10mm，槽深2mm〇
[0076] 直线部分螺棱头数为5,均布，长径比为1，螺槽宽度为10mm，槽深2mm，螺棱断面形 状均为梯形，如附图6。
[0077] 电机功率22Kw，转速600转/分。
[0078] 原料：高密度聚乙烯：HDPE，5000S，熔融指数MI :0.7gAl0min) (190°C，负载 2. 16Kg)中国石油兰州石化。
[0079] 抗氧剂1010 :工业级，中国北京化工三厂。
[0080] 抗氧剂168 :工业级，中国北京化工三厂。
[0081] 实验设备：强剪切力化学反应器。
[0082] 测试指标：平均分子量(溶液粘度法）； 加工前聚乙烯材料的平均分子量约为5X105 ; 加工后聚乙烯材料的平均分子量约为1.43 X105。
[0083] 结果分析：高密度聚乙烯分子量的减小，正是由于该强剪切力化学反应器的使得 高密度聚乙烯材料的分子链发生断链。由实施例测试结果可以明显的看出，螺杆螺棱和机 筒螺槽的不同断面形状、头数和升角时对实验结果的影响。可以看到梯形的断面形状、头数 的增加均有利于聚乙烯的剪切。螺纹的升角在40°和50°时对于聚乙烯的剪切效果的影 响不大，但考虑到升角对于挤出效率的影响，因此选定40°为佳。在实施例4中确定了最优 的螺杆和机筒形状参数，可以看出加工前后聚乙烯材料的平均分子量发生了很大的变化， 因此可以认定该强剪切力化学反应器，具有较好的剪切效果。
[0084] 本挤出机强剪切段的螺杆外表面和料筒内表面均为圆筒形，螺杆的一段加工有 M24螺纹副，以便与之前部分连接。螺杆直径D=90mm，螺杆螺棱的分布形式包括螺线型和直 线型，按照螺线型：直线型：螺线型为1 :1 :1的比例分布。其中螺线型螺棱头数为5,螺棱 升角为40°，长径比为1，螺棱宽度为10_，螺棱高度为4. 5_，螺棱截面形状为梯形，详见 附图6。直线型螺棱数量为5,分布形式为均布，长度为90_，直线型螺棱的断面形状与螺 线型螺棱断面形状相同。料筒内径为92_，料筒螺槽的分布形式同样包括螺线型和直线型， 按照螺线型：直线型：螺线型为1 :1 :1的比例分布。其中螺线型螺槽头数为5,螺槽升角为 40°，长径比为1，螺槽宽度为10mm，螺棱高度为2mm，螺槽截面形状为梯形，详见附图6。直 线型螺槽数量为5,分布形式为均布，长度为90mm，直线型螺槽的断面形状与螺线型螺槽断 面形状相同。螺杆转速为200-600r/min，功率为22kW，加工原料为高密度聚乙烯，牌号：抚 顺石化2911。
[0085] 本发明的工作原理见附图1，附图2,附图3和附图6,所述的强剪切力化学反应器 的螺杆和料筒外表面均为圆筒形；所述螺杆外壁加工有螺棱，所述料筒内壁加工有螺槽，所 述螺杆和料筒的最优尺寸已确定；物料颗粒经由机身前部的输送段和熔融段后，固态物料 颗粒已经转化为熔融态的物料流；熔融态物料流经弧形过渡段进入强剪切部；熔融态物料 流经过强剪切部螺杆和料筒的相对转动，受到较高的螺旋剪切效果，实现熔融态物料流的 断链剪切；受剪切后的熔融态物料流最后经挤出口挤出。
[0086] 按该方法和结构参数设计的力化学反应器的挤出产量约为100_400kg/h，熔体温 度为180°C对物料流的最大剪切速率可达到1450-s。
【主权项】
1. 一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，包括反应器机架固定的输送段和熔融 段，以及熔融段中螺杆在料筒内旋转实现剪切和输送结构；其特征是：在熔融段后端增设 有强剪切段及其螺杆在料筒内旋转实现强剪切结构； 所述强剪切段中螺杆螺棱与料筒螺槽是螺线型结构与直线型结构的组合结构； 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的头数为5 ; 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的升角为40° ; 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的宽度为IOmm时，螺杆螺棱高度是4. 5mm、料筒螺槽深度是 2mm;且螺杆螺棱与料筒螺槽的旋转方向相反。2. 根据权利要求1所述的强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，其特征是：所述螺 杆螺棱与料筒螺槽的螺线型与直线型组合结构是直线型结构+螺线型结构、直线型结构+ 螺线型结构+直线型结构、螺线型结构+直线型结构+螺线型结构。3. 根据权利要求2所述的强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，其特征是：所述螺 线型结构与直线型结构的组合结构是螺线型结构+直线型结构+螺线型结构的组合结构 时，螺杆螺棱与料筒螺槽的头数为5,螺杆螺棱与料筒螺槽的升角为40° ;所述螺杆螺棱与 料筒螺槽的宽度为IOmm时，螺杆螺棱高度是4. 5mm、料筒螺槽深度是2mm，物料流的剪切速 率是 1450-s。4. 根据权利要求3所述的强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，其特征是：所述螺 线型结构+直线型结构+螺线型结构的螺杆与料筒的组合结构比例是1: 1:1。5. 根据权利要求1或2所述的强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，其特征是：所 述螺杆螺棱和料筒螺槽的断面结构是三角形结构、矩形结构和梯形结构中的一种。
【专利摘要】一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构是在熔融段后端面连通有强剪切段及其强剪切段中的螺杆在料筒内旋转实现强剪切和输送结构；所述强剪切段中螺杆螺棱与料筒螺槽是螺线型结构与直线型结构的组合结构；所述螺杆螺棱与料筒螺槽的头数为5；所述螺杆螺棱与料筒螺槽的升角为40°；所述螺杆螺棱与料筒螺槽的宽度为10时，螺杆螺棱高度是4.5mm，料筒螺槽深度是2mm；且螺杆螺棱与料筒螺槽的旋转方向相反。本发明螺杆螺棱与料筒螺槽采用螺线型和直线型相结合结构，将化学反应器对熔融态高分子材料的剪切性能提高了100%。
【IPC分类】B29C47/66, B29C47/62
【公开号】CN104890215
【申请号】CN201510324357
【发明人】陈占春, 张帅, 李峰, 张智春
【申请人】太原理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月12日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种挤出机的螺杆与料筒结构，尤其是一种用于挤出机的具有强剪切 力的螺杆与料筒结构。
【背景技术】
[0002] 热熔胶作为一种加热后能够获得粘结流动性的热粘胶。其主要特点是粘结强度 高，根据不同的使用场合来选择不同的热熔胶。由聚烯烃分子断链与马来酸酐接枝制备的 热熔胶对于金属和非金属都具有一定的粘结性。粘结性能的好坏取决于热熔胶制备时，接 枝反应的程度，而接枝反应的程度又取决于聚烯烃分子的断链程度。因此，提高高分子聚合 物分子链的断链程度，对热熔胶产品的性能有着重要的意义。
[0003][0004] 发明人先前发明的"一种强剪切力化学反应器"，公开号为CN103566862A，该反应 器是将"磨盘式"的剪切结构引入到"螺旋式"剪切结构，进一步提高了高分子聚合物的热 熔胶产品性能，实现了连续生产的目的。"螺旋式"剪切结构相对于"磨盘式"的剪切结构其 旋转半径要小很多，因此可以大幅度的提升其旋转速度。而且"螺旋式"剪切结构增加了物 料流受剪切的有效行程，从而使剪切更加充分。因此"螺旋式"剪切结构使得力化学反应器 的剪切效果有较大的提升。
[0005] 上述剪切结构对某些高分子材料进行反应加工时，还存在螺纹剪切力不够，接枝 共聚反应不充分，挤出效率低等问题。这是由于力化学反应中，机械力使高分子链断链时， 其实质是由于物料流所受的速度梯度。速度梯度越大，越有利于分子链的断链。而且应改 变物料流的运动轨迹，避免部分物料未受到强剪切而流出，使尽可能多的物料受到剪切，提 高接枝反应的程度，从而提升热熔胶产品的性能。因此，需要进一步对其结构进行优化设 计，同时进行实验研宄，设计并确定出较佳的设计参数及其完整的技术方案，以进一步提高 挤出机对高分子聚合物分子链的剪切性能，提高接枝率和挤出率，以适应热熔胶产品性能 的需求。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的具体技术问题是通过对现有剪切力化学反应器的螺杆与料筒结 构的改进，进一步提高高分子化学反应器的剪切力，以达到高分子材料在反应器中接枝共 聚反应充分，并提供一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构。
[0007] 本发明的具体任务是通过以下技术方案实现的。
[0008] -种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，包括反应器机架固定的输送段和熔 融段，以及熔融段中螺杆在料筒内旋转实现剪切和输送结构；其特征是：在熔融段后端增 设有强剪切段及其螺杆在料筒内旋转实现强剪切结构； 所述强剪切段中螺杆螺棱与料筒螺槽是螺线型结构与直线型结构的组合结构； 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的头数为5 ; 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的升角为40° ; 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的宽度为IOmm时，螺杆螺棱高度是4. 5mm、料筒螺槽深度是 2mm ;且螺杆螺棱与料筒螺槽的旋转方向相反。
[0009] 进一步地，附件技术特征如下。
[0010] 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的螺线型与直线型组合结构是直线型结构+螺线型结 构、直线型结构+螺线型结构+直线型结构、螺线型结构+直线型结构+螺线型结构。
[0011] 所述螺线型结构与直线型结构的组合结构是螺线型结构+直线型结构+螺线型结 构的组合结构时，螺杆螺棱与料筒螺槽的头数为5,螺杆螺棱与料筒螺槽的升角为40° ;所 述螺杆螺棱与料筒螺槽的宽度为10 mm时，螺杆螺棱高度是4. 5mm、料筒螺槽深度是2mm，物 料流的剪切速率是145(Ts。
[0012] 所述螺线型结构+直线型结构+螺线型结构的螺杆与料筒的组合结构比例是 1:1:1〇
[0013] 所述螺杆螺棱和料筒螺槽的断面结构是三角形结构、矩形结构和梯形结构中的一 种。
[0014] 本发明上述本发明所提供的一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，是通过 对现有化学反应器的螺杆与料筒结构进行改进，提高了高分子化学反应器中高分子材料的 剪切力，使得高分子材料在反应器中接枝共聚的反应更加充分，实现了不同高分子材料在 反应器中的接枝共聚反应，与现有技术相比，其优点与积极效果如下： 本发明的螺杆螺棱与料筒螺槽的组合结构提高了高分子聚合物物料在反应器中的接 枝共聚反应效果，将化学反应器对熔融态高分子材料的剪切性能提高了 100%。
[0015] 本发明的螺杆螺棱和料筒螺槽均采用两端螺线型，中间直线型的分布排列结构， 改变了物料流的运动方式，使剪切发生更加充分，物料输送更加合理。
[0016] 本发明的梯形螺杆螺棱断面与梯形的料筒螺槽断面的组合结构还能形成较大的 剪切速率梯度，从而形成较强的剪切力场，使高分子聚合物达到更好的断链和接枝效果。
[0017] 本发明的梯形螺杆螺棱断面与梯形的料筒螺槽断面的组合结构使得高分子聚合 物物料在流经该段时，旋向相反的螺杆和料筒的相对运动使得高分子聚合物物料经过更多 的剪切次数，以此来达到更好的断链和接枝效果。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明强剪切力化学反应器的结构示意图。
[0019] 图2是本发明强剪切力化学反应器的螺杆结构示意图。
[0020] 图3是本发明强剪切力化学反应器的机筒结构示意图。
[0021] 图4是本发明螺杆螺棱和料筒螺槽断面形状为三角形的结构示意图。
[0022] 图5是本发明螺杆螺棱和料筒螺槽断面形状为矩形的结构示意图。
[0023] 图6是本发明螺杆螺棱和料筒螺槽断面形状为梯形的结构示意图。
[0024] 图7是本发明各种不同螺杆螺棱和料筒螺槽断面形状的所有组合示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面对本发明的【具体实施方式】做出进一步的说明。
[0026] 实施本发明上述所提供的一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，是以本发 明技术方案为前提下进行实施的，所给出的详细实施方式以及具体操作过程，不限于本发 明下述的【具体实施方式】。
[0027] 如附图所述，图1是本发明螺杆和料筒的结构示意图，其中，螺杆螺棱右旋，料筒 螺槽左旋。图2、图3和图4是本发明螺杆螺棱和料筒螺槽断面形状分别为三角形结构、矩 形结构或梯形结构。图5是本发明螺杆螺棱和料筒螺槽的不同断面形状下的各种组合结 构。
[0028] 本发明的【具体实施方式】是在现有高分子力化学反应器结构的基础上，对反应器的 结构进行改进，即在原反应器熔融段的端头增设有强力剪切段，对强力剪切段的螺杆螺棱 和料筒螺槽的具体改进如下。
[0029] -种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，包括反应器机架固定的输送段和熔 融段，以及熔融段中螺杆在料筒内旋转实现剪切和输送结构；其结构特征是：在熔融段后 端增设有强剪切段及其螺杆在料筒内旋转实现强剪切结构。
[0030] 其中，强剪切段中螺杆螺棱与料筒螺槽采用螺线型结构与直线型结构的组合结 构，也可以选用以下三种结构，即直线型结构+螺线型结构、直线型结构+螺线型结构+直 线型结构、螺线型结构+直线型结构+螺线型结构，加工采用一般机械加工即可获得螺线型 与直线型的组合结构，在加工中，螺杆螺棱与料筒螺槽的头数设计为5,螺杆螺棱与料筒螺 槽的升角设计为40°， 螺杆螺棱与料筒螺槽的宽度设计为IOmm时，螺杆螺棱高度设计为4. 5mm、料筒螺槽深 度设计为2mm ;且螺杆螺棱与料筒螺槽的旋转方向相反。
[0031] 在本发明实施方式中，进一步优先选用螺线型结构+直线型结构+螺线型结构 的复合结构，采用此结构时，螺杆与料筒的组合结构比例是1:1: 1，螺杆螺棱与料筒螺槽的 头数按5头加工，螺杆螺棱与料筒螺槽的升角按40°加工，螺杆螺棱与料筒螺槽的宽度为 IOmm时，螺杆螺棱高度是4. 5mm、料筒螺槽深度是2mm，物料流的剪切速率是145(Ts，使用效 果较佳，获得了突出的 在本发明实施方式中，螺杆螺棱和料筒螺槽的断面结构可以选用三角形结构、矩形结 构和梯形结构中的一种。
[0032] 以下结合说明书附图对本发明的【具体实施方式】作出进一步的说明。
[0033] 在下述实验方案中，利用上述强剪切力化学反应器对高密度聚乙烯颗粒进行加 工，并添加抗氧剂，防止聚乙烯材料，经剪切后氧化降解。通过对比加工前后聚乙烯材料的 平均分子量，来评判该设备对聚乙烯材料的剪切效果。
[0034] 在实施例中依次实验对比了螺杆螺棱和机筒螺槽的截面形状、头数、升角的影响 趋势，并在实施例4中，公开了最佳的螺杆和机筒参数时的实验结果。
[0035] 实施例1 强剪切部的螺杆和机筒的螺纹分布形式均按照螺旋一直线一螺旋的排列形式。螺杆长 度1=270_，直径D=90mm，长径比为3。
[0036] 螺杆各段长度比：螺旋：直线：螺旋=1:1:1 ;螺旋部分螺棱头数为3,长径比为1， 右旋，螺棱升角50° ;直线部分螺棱头数为3,均布，长径比为1。
[0037] 机筒长度1=270,直径D=92mm，长径比为3。
[0038] 机筒各段长度比为螺旋：直线：螺旋=1:1:1 ;螺旋部分螺槽头数为3,长径比为1， 左旋，螺棱升角50° ;直线部分螺棱头数为5,均布，长径比为1。
[0039] 螺杆和机筒的螺棱形状按照三角形、矩形和梯形交叉组合的形式依次进行组合实 验，如附图7。
[0040] 电机功率22Kw，转速600转/分。
[0041] 原料：高密度聚乙烯：HDPE，5000S，熔融指数MI :0.7gAl0min) (190°C，负载 2. 16Kg)中国石油兰州石化。
[0042] 抗氧剂1010 :工业级，中国北京化工三厂。
[0043] 抗氧剂168 :工业级，中国北京化工三厂。
[0044] 实验设备：强剪切力化学反应器。
[0045] 测试指标：平均分子量(溶液粘度法) 。
[0046] 测试结果：如表1
表1.不同形状组合时聚乙烯剪切后的平均分子量。
[0047] 实施例2 强剪切部的螺杆和机筒的螺纹分布形式均按照螺旋一直线一螺旋的排列形式。螺杆长 度1=270_，直径D=90mm，长径比为3。
[0048] 螺杆各段长度比：螺旋：直线：螺旋=1:1:1 ;螺旋部分长径比为1，右旋，螺棱升角 50° ;直线部分螺棱均布，长径比为1，螺棱断面均选择为梯形形状。
[0049] 机筒长度1=270,直径D=92mm，长径比为3。
[0050] 机筒各段长度比为螺旋：直线：螺旋=1:1:1 ;螺旋部分长径比为1，左旋，螺棱升角 50° ;直线部分螺棱均布，长径比为1，螺棱断面均选择为梯形形状。
[0051] 螺杆螺棱和机筒螺槽的头数按照3头、4头和5头交叉组合的形式依次进行组合实 验。
[0052] 电机功率22Kw，转速600转/分。
[0053] 原料：高密度聚乙烯：HDPE，5000S，熔融指数MI :0. 7gAl0min) (190°C，负载 2. 16Kg)中国石油兰州石化。
[0054] 抗氧剂1010 :工业级，中国北京化工三厂。
[0055] 抗氧剂168:工业级，中国北京化工三厂。
[0056] 实验设备：强剪切力化学反应器。
[0057] 测试指标：平均分子量(溶液粘度法)。
[0058] 测试结果：如表2
表2.不同头数组合时聚乙烯剪切后的平均分子量。
[0059] 实施例3 强剪切部的螺杆和机筒的螺纹分布形式均按照螺旋一直线一螺旋的排列形式。螺杆长 度1=270_，直径D=90mm，长径比为3。
[0060] 其中螺杆各段长度比：螺旋：直线：螺旋=1:1:1 ;螺旋部分螺棱头数为5,长径比 为1，右旋；直线部分螺棱头数为5,均布，长径比为1 ;螺棱断面形状均为梯形，如附图6。
[0061] 机筒长度1=270,直径D=92mm，长径比为3。
[0062] 其中机筒各段长度比为螺旋：直线：螺旋=1:1: 1，螺旋部分螺槽头数为5,长径比 为1，左旋；直线部分螺棱头数为5,均布，长径比为1 ;螺棱断面形状均为梯形，如附图6。
[0063] 螺杆螺棱和机筒螺槽的升角按照20°、30°、40°和50°交叉组合的形式依次进 行组合实验。
[0064] 电机功率22Kw，转速600转/分。
[0065] 原料：高密度聚乙烯：HDPE，5000S，熔融指数MI :0. 7gAl0min) (190°C，负载 2. 16Kg)中国石油兰州石化。
[0066] 抗氧剂1010 :工业级，中国北京化工三厂。
[0067] 抗氧剂168:工业级，中国北京化工三厂。
[0068] 实验设备：强剪切力化学反应器。
[0069] 测试指标：平均分子量(溶液粘度法)。
[0070] 测试结果：如表3
表3.不同升角组合时聚乙烯剪切后的平均分子量。
[0071] 实施例4 强剪切部的螺杆和机筒的螺纹分布形式均按照螺旋一直线一螺旋的排列形式。螺杆长 度1=270_，直径D=90mm，长径比为3。
[0072] 其中螺杆各段长度比：螺旋：直线：螺旋=1:1: 1，螺旋部分螺棱头数为5,长径比为 1，右旋，螺棱升角40°，螺棱宽度10mm，槽深4. 5mm〇
[0073] 直线部分螺棱头数为5,均布，长径比为1，螺棱宽度为10mm，槽深4. 5mm，螺棱断面 形状均为梯形，如附图6。
[0074] 机筒长度1=270,直径D=92mm，长径比为3。
[0075] 其中机筒各段长度比为螺旋：直线：螺旋=1:1: 1，螺旋部分螺槽头数为5,长径比 为1，左旋，螺棱升角40°，螺槽宽度10mm，槽深2mm〇
[0076] 直线部分螺棱头数为5,均布，长径比为1，螺槽宽度为10mm，槽深2mm，螺棱断面形 状均为梯形，如附图6。
[0077] 电机功率22Kw，转速600转/分。
[0078] 原料：高密度聚乙烯：HDPE，5000S，熔融指数MI :0.7gAl0min) (190°C，负载 2. 16Kg)中国石油兰州石化。
[0079] 抗氧剂1010 :工业级，中国北京化工三厂。
[0080] 抗氧剂168 :工业级，中国北京化工三厂。
[0081] 实验设备：强剪切力化学反应器。
[0082] 测试指标：平均分子量(溶液粘度法）； 加工前聚乙烯材料的平均分子量约为5X105 ; 加工后聚乙烯材料的平均分子量约为1.43 X105。
[0083] 结果分析：高密度聚乙烯分子量的减小，正是由于该强剪切力化学反应器的使得 高密度聚乙烯材料的分子链发生断链。由实施例测试结果可以明显的看出，螺杆螺棱和机 筒螺槽的不同断面形状、头数和升角时对实验结果的影响。可以看到梯形的断面形状、头数 的增加均有利于聚乙烯的剪切。螺纹的升角在40°和50°时对于聚乙烯的剪切效果的影 响不大，但考虑到升角对于挤出效率的影响，因此选定40°为佳。在实施例4中确定了最优 的螺杆和机筒形状参数，可以看出加工前后聚乙烯材料的平均分子量发生了很大的变化， 因此可以认定该强剪切力化学反应器，具有较好的剪切效果。
[0084] 本挤出机强剪切段的螺杆外表面和料筒内表面均为圆筒形，螺杆的一段加工有 M24螺纹副，以便与之前部分连接。螺杆直径D=90mm，螺杆螺棱的分布形式包括螺线型和直 线型，按照螺线型：直线型：螺线型为1 :1 :1的比例分布。其中螺线型螺棱头数为5,螺棱 升角为40°，长径比为1，螺棱宽度为10_，螺棱高度为4. 5_，螺棱截面形状为梯形，详见 附图6。直线型螺棱数量为5,分布形式为均布，长度为90_，直线型螺棱的断面形状与螺 线型螺棱断面形状相同。料筒内径为92_，料筒螺槽的分布形式同样包括螺线型和直线型， 按照螺线型：直线型：螺线型为1 :1 :1的比例分布。其中螺线型螺槽头数为5,螺槽升角为 40°，长径比为1，螺槽宽度为10mm，螺棱高度为2mm，螺槽截面形状为梯形，详见附图6。直 线型螺槽数量为5,分布形式为均布，长度为90mm，直线型螺槽的断面形状与螺线型螺槽断 面形状相同。螺杆转速为200-600r/min，功率为22kW，加工原料为高密度聚乙烯，牌号：抚 顺石化2911。
[0085] 本发明的工作原理见附图1，附图2,附图3和附图6,所述的强剪切力化学反应器 的螺杆和料筒外表面均为圆筒形；所述螺杆外壁加工有螺棱，所述料筒内壁加工有螺槽，所 述螺杆和料筒的最优尺寸已确定；物料颗粒经由机身前部的输送段和熔融段后，固态物料 颗粒已经转化为熔融态的物料流；熔融态物料流经弧形过渡段进入强剪切部；熔融态物料 流经过强剪切部螺杆和料筒的相对转动，受到较高的螺旋剪切效果，实现熔融态物料流的 断链剪切；受剪切后的熔融态物料流最后经挤出口挤出。
[0086] 按该方法和结构参数设计的力化学反应器的挤出产量约为100_400kg/h，熔体温 度为180°C对物料流的最大剪切速率可达到1450-s。
【主权项】
1. 一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，包括反应器机架固定的输送段和熔融 段，以及熔融段中螺杆在料筒内旋转实现剪切和输送结构；其特征是：在熔融段后端增设 有强剪切段及其螺杆在料筒内旋转实现强剪切结构； 所述强剪切段中螺杆螺棱与料筒螺槽是螺线型结构与直线型结构的组合结构； 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的头数为5 ; 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的升角为40° ; 所述螺杆螺棱与料筒螺槽的宽度为IOmm时，螺杆螺棱高度是4. 5mm、料筒螺槽深度是 2mm;且螺杆螺棱与料筒螺槽的旋转方向相反。2. 根据权利要求1所述的强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，其特征是：所述螺 杆螺棱与料筒螺槽的螺线型与直线型组合结构是直线型结构+螺线型结构、直线型结构+ 螺线型结构+直线型结构、螺线型结构+直线型结构+螺线型结构。3. 根据权利要求2所述的强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，其特征是：所述螺 线型结构与直线型结构的组合结构是螺线型结构+直线型结构+螺线型结构的组合结构 时，螺杆螺棱与料筒螺槽的头数为5,螺杆螺棱与料筒螺槽的升角为40° ;所述螺杆螺棱与 料筒螺槽的宽度为IOmm时，螺杆螺棱高度是4. 5mm、料筒螺槽深度是2mm，物料流的剪切速 率是 1450-s。4. 根据权利要求3所述的强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，其特征是：所述螺 线型结构+直线型结构+螺线型结构的螺杆与料筒的组合结构比例是1: 1:1。5. 根据权利要求1或2所述的强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构，其特征是：所 述螺杆螺棱和料筒螺槽的断面结构是三角形结构、矩形结构和梯形结构中的一种。
【专利摘要】一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构是在熔融段后端面连通有强剪切段及其强剪切段中的螺杆在料筒内旋转实现强剪切和输送结构；所述强剪切段中螺杆螺棱与料筒螺槽是螺线型结构与直线型结构的组合结构；所述螺杆螺棱与料筒螺槽的头数为5；所述螺杆螺棱与料筒螺槽的升角为40°；所述螺杆螺棱与料筒螺槽的宽度为10时，螺杆螺棱高度是4.5mm，料筒螺槽深度是2mm；且螺杆螺棱与料筒螺槽的旋转方向相反。本发明螺杆螺棱与料筒螺槽采用螺线型和直线型相结合结构，将化学反应器对熔融态高分子材料的剪切性能提高了100%。
【IPC分类】B29C47/66, B29C47/62
【公开号】CN104890215
【申请号】CN201510324357
【发明人】陈占春, 张帅, 李峰, 张智春
【申请人】太原理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月12日
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