CN108715019A - 一种内充气式挤出发泡装置及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内充气式挤出发泡装置及成型方法，沿物料加工方向依次包括发泡剂供应系统、驱动机构、机架、料斗、机筒、螺杆、混炼头和发泡机头；发泡剂供应系统与螺杆连接，螺杆内设有轴向孔道，驱动机构与螺杆连接；螺杆末端设置有第一螺楞，第一螺楞上设置有半封闭螺旋沟槽，半封闭螺旋沟槽内设置有发泡进气口，发泡进气口与轴向孔道相通。物料从料斗加入螺杆，通过驱动机构驱动螺杆在所述机筒内进行输送、熔融，发泡剂供应系统将发泡气体输送于轴向孔道内，在螺杆的旋转作用下，发泡气体与熔体混合。通过本发明提供的内充气式挤出发泡装置的成型方法得到所需制品，缩短了成型加工时间，提高了生产效率。

Description

一种内充气式挤出发泡装置及成型方法

技术领域

本发明涉及塑料挤出发泡技术领域，具体地，涉及一种内充气式挤出发泡装置及成型方法。

背景技术

泡沫塑料具有许多优异的性能，如质轻、缓冲性能及隔热隔音性能优良、强度高等，广泛用作隔音、隔热、防冻保温、缓冲防震以及轻质结构材料，使其在包装、建筑、汽车、日常生活用品等方面已得到广泛应用，泡沫塑料生产已成为塑料工业的重要组成部分。

泡沫塑料主要有3种成型方法，即间歇成型、连续挤出成型和注塑成型。连续挤出成型具有很高的生产效率，在国内外许多生产企业已广泛使用。挤出发泡成型的基本过程为：聚合物粒料或粉料从料斗口进入挤出机机筒进行塑化，将发泡剂(CO₂、丁烷等)从挤出机熔融段中部注入，通过混合和扩散使发泡剂溶解，得到聚合物熔体/气体均相体系，然后通过改变体系的压力使其在挤出模内成核、膨胀，最后冷却固化成型。

当前，挤出发泡成型具有以下两个结构特点：一是要在熔融段后增加一个进气段，使发泡剂(气体)能顺利进入机筒内；二是有长度适当、结构合理的计量段，使发泡剂与聚合物充分混合，快速形成均相体系。这种结构上的变化，会使挤出机螺杆的长径比大大增加，普通挤出机螺杆的长径比为20左右，发泡挤出机螺杆的长径比可能会超过40。由此，挤出发泡成型设备的结构特点带来了一定的缺陷：一是挤出机螺杆长径比的增加延长了物料加工的流道长度，这使得泡沫塑料成型时间加长，降低了泡沫塑料的生产效率；二是由于螺杆长径比的增加，所需加热面积也增大，再加上冷却损耗的能量，能量消耗非常之大。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单、紧凑的内充气式挤出发泡装置及成型方法，缩短了成型加工时间，提高了生产效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种内充气式挤出发泡装置，沿物料加工方向依次包括发泡剂供应系统、驱动机构、机架、料斗、机筒、螺杆、混炼头和发泡机头；所述发泡剂供应系统与所述螺杆连接，所述螺杆内设有轴向孔道，所述发泡剂供应系统用于将发泡气体输送于所述轴向孔道内；所述驱动机构设置于所述机架上，所述驱动机构与所述螺杆连接，所述驱动机构用于驱动所述螺杆旋转；所述螺杆设置于所述机筒内部，所述料斗与所述机筒连通，所述机筒末端与所述发泡机头连接；所述螺杆末端与所述混炼头连接，所述螺杆与所述混炼头之间设置有第一螺楞，所述第一螺楞上设置有半封闭螺旋沟槽，所述半封闭螺旋沟槽内设置有发泡进气口，所述发泡进气口与所述轴向孔道相通，所述发泡机头套设于所述混炼头外部。

可选的，所述驱动机构包括电机、减速箱和联轴器，所述电机与所述减速箱的输入轴连接，所述减速箱的输出轴通过所述联轴器与所述螺杆连接。

可选的，所述发泡剂供应系统包括高压气瓶、高压泵和旋转接头，所述高压气瓶内用于盛装超临界状态的二氧化碳或氮气，所述高压气瓶通过管道与高压泵连接，所述高压泵通过管道与所述旋转接头连接，所述旋转接头通过管道与所述减速箱的输出轴连接，所述减速箱的输出轴内设有连通所述旋转接头内的气体输出通道和所述轴向孔道的通道。

可选的，所述机筒上设置有加热器。

可选的，所述螺杆沿物料加工方向依次分为固体输送段、熔融段和熔体输送段，所述料斗设置于所述固体输送段上方，所述固体输送段的长度为所述螺杆直径的6-8倍，所述熔融段的长度为所述螺杆直径的4-5倍，所述熔体输送段的长度为所述螺杆直径的6-8倍。

可选的，所述机筒内壁在所述固定输送段设置有6-12个机筒螺旋沟槽，所述机筒螺旋沟槽和所述螺杆螺槽协同作用于物料，推动物料向前输送。

可选的，所述混炼头为销钉型混炼头。

可选的，所述第一螺楞的沟槽为熔体通道，所述螺杆与所述混炼头之间设置有三组所述第一螺楞，形成三条气体通道和三条熔体通道。

可选的，所述熔体通道处的沟槽深度高于所述螺杆熔融段的沟槽深度，三组所述第一螺楞构成半封闭结构。

本发明还提供了一种内充气式挤出发泡装置的成型方法，包括如下步骤：

I物料从所述料斗加入所述螺杆，通过所述驱动机构驱动所述螺杆在所述机筒内进行输送、熔融；

II待挤出稳定后，通过所述发泡剂供应系统将发泡气体输送于所述轴向孔道内，直至到达所述发泡进气口后进入所述半封闭螺旋沟槽，在所述螺杆的旋转作用下，发泡气体与熔体混合；

III卷入发泡气体的熔体沿所述螺杆输送，在所述混炼头的剪切混合作用下，发泡气体均匀分散在熔体中；

IV通过所述发泡机头发泡成型，得到所需制品。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明内充气式挤出发泡装置的发泡气体由螺杆内开设的轴向孔道输送到熔融态物料中，减少了常规挤出发泡成型设备需要的进气段结构，使得挤出发泡成型设备结构更加紧凑，使得所需加热面积减少，大大缩小了能量的消耗；同时减少了螺杆的长径比，使得成型加工时间缩短，提高了生产效率。

(2)本发明内充气式挤出发泡装置的发泡气体进入熔融态物料时，有多个气体通道，使得发泡气体与熔体充分混合，改善了发泡制品的性能。

(3)本发明内充气式挤出发泡装置在固体输送段的机筒上设置了机筒螺旋沟槽，物料在输送过程中由于机筒螺旋沟槽和螺杆螺槽的耦合作用下，机筒螺旋沟槽固相和螺杆螺槽固相形成整体固体塞，实现了正位移输送，同时防止气体朝料斗方向逃逸，实现了密封效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明内充气式挤出发泡装置的结构示意图；

图2为本发明内进气通道的结构示意图；

图3为图1中A部分结构放大示意图；

图4为本发明螺杆结构示意图；

图5为图4中B部分结构放大示意图；

图6为图5中C-C端面示意图；

其中，1、高压气瓶；2、高压泵；3、电机；4、减速箱；5、联轴器；6、料斗；7、机筒；8、螺杆；9、发泡机头；10、机架；11、旋转接头；12、轴向孔道；13、发泡进气口；14、混炼头；15、气孔；16、第一螺楞；17、加热器；18、机筒螺旋沟槽；19、熔体通道；20、半封闭螺旋沟槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种内充气式挤出发泡装置，如图1-6所示，沿物料加工方向依次包括发泡剂供应系统、驱动机构、机架10、料斗6、机筒7、螺杆8、混炼头14和发泡机头9；所述发泡剂供应系统与螺杆8连接，螺杆8内开设有轴向孔道12，所述发泡剂供应系统用于将发泡气体输送于轴向孔道12内；轴向孔道12一直延伸至螺杆8的末端；所述驱动机构设置于机架10上，所述驱动机构与螺杆8连接，所述驱动机构用于驱动螺杆8旋转；螺杆8设置于机筒7内部，料斗6与机筒7连通，机筒7末端与发泡机头9连接；螺杆8末端与混炼头14连接，螺杆8与混炼头14之间设置有第一螺楞16，第一螺楞16上设置有半封闭螺旋沟槽20，半封闭螺旋沟槽20内设置有发泡进气口13，发泡进气口13与轴向孔道12相通，半封闭螺旋沟槽20的个数与发泡进气口13的个数相对应，第一螺楞16的一端与螺杆8连通，第一螺楞16的沟槽为熔体通道19，发泡机头9套设于混炼头14外部。

为了更好地实现所述驱动机构对螺杆8的驱动，如图2所示，所述驱动机构可选为但不限于包括挤出机电机3、减速箱4和联轴器5，电机3通过皮带连接至减速箱4的输入轴即I轴，I轴与减速箱4的输出轴即II轴通过齿轮传动连接，II轴通过联轴器5与螺杆8连接，从而带动螺杆8进行旋转。

为了更好地实现所述发泡剂供应系统将发泡气体输送于轴向孔道12内，如图1-2所示，所述发泡剂供应系统可选为但不限于包括高压气瓶1、高压泵2和旋转接头11，高压气瓶1通过管道与高压泵2连接，高压泵2通过管道与旋转接头11连接，旋转接头11通过管道与减速箱4的输出轴连接，减速箱4的输出轴内设有连通旋转接头11内的气体输出通道和轴向孔道12的通道；进一步地，为了加速气体与熔体的混合，高压气瓶1内盛装的气体优选为超临界状态的二氧化碳或氮气。

螺杆8沿物料加工方向依次分为固体输送段、熔融段和熔体输送段，所述固体输送段的长度为螺杆8直径的6-8倍，所述熔融段的长度为螺杆8直径的4-5倍，所述熔体输送段的长度为螺杆8直径的6-8倍；如图1所示，料斗6设置于所述固体输送段上方，物料通过料斗6进入螺杆8的固体输送段，然后通过螺杆8在机筒7内进行输送，在熔融段由于螺杆8与物料的剪切热，物料逐渐升温并熔化，在熔体输送段熔融完全。进一步地，为了提高物料在熔融段的熔融效率，如图1所示，机筒7上设置有加热器17。

为了防止发泡气体逸出，如图1和图3所示，机筒7内壁可以在所述固定输送段设置有6-12个机筒螺旋沟槽18，物料在固体输送过程中由于机筒螺旋沟槽18和螺杆8螺槽的耦合作用下，机筒螺旋沟槽固相和螺杆螺槽固相形成整体固体塞，机筒螺旋沟槽18和螺杆8螺槽协同作用于物料，推动物料向前输送，实现了正位移输送，同时防止气体朝料斗6的方向逃逸，实现了密封效果。

为了使发泡气体与熔体充分混合，如图4-6所示，螺杆18与混炼头14之间设置有三组第一螺楞16，发泡进气口13为三个沿螺杆8径向分布的气孔15，第一螺楞16的结构将气孔15与熔融态物料分开，形成三条气体通道和三条熔体通道19。进一步地，熔体通道19处的沟槽加深，使其深度高于螺杆8熔融段的沟槽深度，使三组第一螺楞16构成半封闭结构，从而使得熔体不能越过第一螺楞16直接进入气体通道，气体经过高压泵2增压，气压略高于熔体压力后，由第一螺楞16右端开放处进入熔体，防止气孔15被熔体堵塞。

进一步地，混炼头14优选为销钉型混炼头，螺杆8末端通过螺纹连接混炼头14；混炼头14的长度优选为螺杆8直径的3-4倍，由于销钉型混炼头的作用，使气泡破碎进而与熔体均匀混合，进而通过发泡机头9得到成型制品。

本发明还提供了一种内充气式挤出发泡装置的成型方法，如图1-6所示，包括如下步骤：

I物料从料斗7加入螺杆8，通过所述驱动机构驱动螺杆8在机筒7内进行输送、熔融；

II待挤出稳定后，通过所述发泡剂供应系统将发泡气体输送于轴向孔道12内，直至到达发泡进气口13后进入半封闭螺旋沟槽20，在螺杆8的旋转作用下，发泡气体与熔体混合；

III卷入发泡气体的熔体沿螺杆8输送，在混炼头14的剪切混合作用下，发泡气体均匀分散在熔体中；

IV通过发泡机头9发泡成型，得到所需制品。

实施例一

挤出机螺杆8直径45mm，长径比为20，螺纹宽度为4.5mm，机筒7上螺旋沟槽个数为6，长度为90mm，深度为3mm，螺杆内孔道12直径为8mm，气孔15直径为6mm。混炼头14长度为80mm。

所选发泡所需的气体为超临界状态的CO₂，加工的物料为PP(聚丙烯)。

制备方法如下：

(1)首先，PP从料斗6加入螺杆8的固体输送段，物料在固体输送过程中由于机筒7内壁的机筒螺旋沟槽18和螺杆8螺槽的耦合作用下，机筒螺旋沟槽固相和螺杆螺槽固相形成整体固体塞，防止熔融态物料和气体逸出。

(2)PP塑化熔融，高压气瓶1通过管道向螺杆8输送超临界状态的CO₂，高压泵2给气体加压，气体经过螺杆8中的轴向孔道12，再由气孔15排放到熔体中，此时第一螺楞16的结构，可以将气孔15与熔融态物料分开，形成三条气体通道和三条熔体通道19，熔体通道19处的沟槽深度高于螺杆8熔融段沟槽深度，使得熔体流道截面变大，熔体不能越过螺棱直接进入气体通道，气体经高压泵2增压，气压略高于熔体压力后，由第一螺楞16右端开放处进入熔体，防止气孔15被熔体堵塞。

(3)熔融态PP与气体混合，进入混炼头14，销钉型混炼头对混合的物料施加强剪切作用，使气泡破碎，进而均匀的分散在PP熔体中。

(4)混合均匀的物料，进入发泡机头9，冷却定型，最终得到成型制品。

本实例制备出的挤出发泡塑料片材，厚度为0.32mm，平均泡孔直径80μm，泡孔密度3.5×10⁷个/cm³。

实施例二

挤出机螺杆8直径60mm，长径比为22，螺纹宽度为6mm，机筒7上螺旋沟槽个数为8，长度为100mm，深度为5mm，螺杆内孔道12直径为10mm，气孔15直径为8mm。混炼头14长度为100mm。

所选发泡所需的气体为超临界状态的N₂，加工的物料为PE(聚乙烯)。

制备方法如下：

(1)首先，PE从料斗6加入螺杆8的固体输送段，物料在固体输送过程中由于机筒7内壁的机筒螺旋沟槽18和螺杆8螺槽的耦合作用下，机筒螺旋沟槽固相和螺杆螺槽固相形成整体固体塞，防止熔融态物料和气体逸出。

(2)PE塑化熔融，高压气瓶1通过管道向螺杆8输送超临界状态的N₂，高压泵2给气体加压，气体经过螺杆8中的轴向孔道12，再由气孔15排放到熔体中，此时第一螺楞16的结构，可以将气孔15与熔融态物料分开，形成三条气体通道和三条熔体通道19，熔体通道19处的沟槽深度高于螺杆8熔融段沟槽深度，使得熔体流道截面变大，熔体不能越过螺棱直接进入气体通道，气体经高压泵2增压，气压略高于熔体压力后，由第一螺楞16右端开放处进入熔体，防止气孔15被熔体堵塞。

(3)熔融态PE与气体混合，进入混炼头14，销钉型混炼头对混合的物料施加强剪切作用，使气泡破碎，进而均匀的分散在PE熔体中。

(4)混合均匀的物料，进入发泡机头9，冷却定型，最终得到成型制品。

本实例制备出的挤出发泡塑料片材，厚度为0.35mm，平均泡孔直径100μm，泡孔密度4.0×10⁷个/cm³。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种内充气式挤出发泡装置，其特征在于：沿物料加工方向依次包括发泡剂供应系统、驱动机构、机架、料斗、机筒、螺杆、混炼头和发泡机头；所述发泡剂供应系统与所述螺杆连接，所述螺杆内设有轴向孔道，所述发泡剂供应系统用于将发泡气体输送于所述轴向孔道内；所述驱动机构设置于所述机架上，所述驱动机构与所述螺杆连接，所述驱动机构用于驱动所述螺杆旋转；所述螺杆设置于所述机筒内部，所述料斗与所述机筒连通，所述机筒末端与所述发泡机头连接；所述螺杆末端与所述混炼头连接，所述螺杆与所述混炼头之间设置有第一螺楞，所述第一螺楞上设置有半封闭螺旋沟槽，所述半封闭螺旋沟槽内设置有发泡进气口，所述发泡进气口与所述轴向孔道相通，所述发泡机头套设于所述混炼头外部。

2.根据权利要求1所述的内充气式挤出发泡装置，其特征在于：所述驱动机构包括电机、减速箱和联轴器，所述电机与所述减速箱的输入轴连接，所述减速箱的输出轴通过所述联轴器与所述螺杆连接。

3.根据权利要求2所述的内充气式挤出发泡装置，其特征在于：所述发泡剂供应系统包括高压气瓶、高压泵和旋转接头，所述高压气瓶内用于盛装超临界状态的二氧化碳或氮气，所述高压气瓶通过管道与高压泵连接，所述高压泵通过管道与所述旋转接头连接，所述旋转接头通过管道与所述减速箱的输出轴连接，所述减速箱的输出轴内设有连通所述旋转接头内的气体输出通道和所述轴向孔道的通道。

4.根据权利要求1所述的内充气式挤出发泡装置，其特征在于：所述机筒上设置有加热器。

5.根据权利要求1所述的内充气式挤出发泡装置，其特征在于：所述螺杆沿物料加工方向依次分为固体输送段、熔融段和熔体输送段，所述料斗设置于所述固体输送段上方，所述固体输送段的长度为所述螺杆直径的6-8倍，所述熔融段的长度为所述螺杆直径的4-5倍，所述熔体输送段的长度为所述螺杆直径的6-8倍。

6.根据权利要求4所述的内充气式挤出发泡装置，其特征在于：所述机筒内壁在所述固定输送段设置有6-12个机筒螺旋沟槽，所述机筒螺旋沟槽和所述螺杆螺槽协同作用于物料，推动物料向前输送。

7.根据权利要求1所述的内充气式挤出发泡装置，其特征在于：所述混炼头为销钉型混炼头。

8.根据权利要求1所述的内充气式挤出发泡装置，其特征在于：所述第一螺楞的沟槽为熔体通道，所述螺杆与所述混炼头之间设置有三组所述第一螺楞，形成三条气体通道和三条熔体通道。

9.根据权利要求8所述的内充气式挤出发泡装置，其特征在于：所述熔体通道处的沟槽深度高于所述螺杆熔融段的沟槽深度，三组所述第一螺楞构成半封闭结构。

10.一种根据权利要求1-9中任一所述的内充气式挤出发泡装置的成型方法，其特征在于包括如下步骤：

I物料从所述料斗加入所述螺杆，通过所述驱动机构驱动所述螺杆在所述机筒内进行输送、熔融；

II待挤出稳定后，通过所述发泡剂供应系统将发泡气体输送于所述轴向孔道内，直至到达所述发泡进气口后进入所述半封闭螺旋沟槽，在所述螺杆的旋转作用下，发泡气体与熔体混合；

III卷入发泡气体的熔体沿所述螺杆输送，在所述混炼头的剪切混合作用下，发泡气体均匀分散在熔体中；

IV通过所述发泡机头发泡成型，得到所需制品。