一种双螺杆挤出GFAS复合材料的环保型挤压系统的制作方法

一种双螺杆挤出gfas复合材料的环保型挤压系统
技术领域
1.本发明创造属于双螺杆挤压成型领域，尤其是涉及一种双螺杆挤出gfas复合材料的环保型挤压系统。


背景技术：

2.近年来，随着环保压力的不断加大，政府对环保治理工作的力度也在不断加强。企业也面临着越来越大的环保压力，环保限产停机现象时有发生；同时现场空气质量状况对员工的工作环境也存在较大影响，此问题亟待解决；在高分子复合材料gfas加工过程中，为了实现基体树脂与玻璃纤维的有效结合，同时确保玻璃纤维具有呈现正态分布的保留长度，材料在加工过程中使用硅烷偶联剂进行偶联，但是这一原材料的使用在实际加工过程中受到高温影响，因炭化氧化等因素释放出大量副产物(油烟)，副产物(油烟)的出现导致环境质量的下降，极端空气条件下甚至需要环保限产；主要的问题有：(1)硅烷偶联剂由第三节螺筒位置进入主机，第十节螺筒位置随熔体挤出，经由七个温区，停留时间长，受热时间长容易导致热氧化现象而出现副产物(油烟)；(2)硅烷偶联剂进入主机后受热，随后经由一个开口区域(即玻璃纤维加料口位置)，造成副产物(油烟)逸散；(3)受热氧影响以及散逸可能导致偶联剂无法充分发挥偶联作用，存在物料浪费；(4)主机螺杆的第6/7/8节螺筒对应区域为螺杆集中剪切区域，集中剪切导致剪切热集中，对偶联效果进一步造成负效应。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种双螺杆挤出gfas复合材料的环保型挤压系统。
4.为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
5.一种双螺杆挤出gfas复合材料的环保型挤压系统，包括两根相互啮合的螺杆、以及与螺杆配合的螺筒；所述螺杆依次分为加料段一、熔融塑化段、加料段二、分散及分布混合段、以及排气及定量挤出段；所述螺筒上对应加料段一的位置设有下料口，所述螺筒上对应加料段二的位置依次设有玻璃纤维入口、及硅烷偶联剂注入口，所述螺筒上对应排气及定量挤出段的位置设有真空排气口；
6.所述螺杆依次由以下螺纹块组合而成：
7.加料段一依次为：56/56a、96/96、96/96、96/96、72/72；
8.熔融塑化段依次为：30
°
/7/72、45
°
/5/56、45
°
/5/56、72/72、45
°
/5/56、90
°
/5/56、45
°
/5/56、73/36l；
9.加料段二依次为：96/96、96/96、96/96、72/72、72/72、56/56；
10.分散及分布混合段依次为：45
°
/5/56、90
°
/5/56、45
°
/5/56左、56/56、45
°
/5/56、90
°
/5/56、56/56、45
°
/5/56、90
°
/5/56、72/72、c18齿型盘、72/72、c18齿型盘、56/56、56/28左；
11.排气及定量挤出段依次为：128/128、128/128、96/96、72/72、72/72、56/56、56/56。
12.进一步的，所述螺筒沿螺杆长度方向依次设置十节，所述下料口设置在第一节螺筒上，所述玻璃纤维入口设置在第四节螺筒上，所述硅烷偶联剂注入口设置在第五节螺筒上，所述真空排气口设置在第九节螺筒上，其余六节螺筒均为全封闭式螺筒。
13.进一步的，所述第二节、第三节、第四节、第五节、第六节、第七节、第八节、第九节、第十节螺筒上均设有加热装置。
14.进一步的，所述螺筒的长径比为40:1。
15.相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
16.本发明创造采用新的螺筒排列及螺杆组合，改变了聚合物加工过程中的物料添加顺序和添加位置，一方面由先注入硅烷偶联剂再加入玻璃纤维改为先加入玻璃纤维再注入硅烷偶联剂；另一方面减少了硅烷偶联剂在主机螺筒内的停留时间，减少了其被热氧化的时间；第三方面减少了因硅烷偶联剂热氧化产生的副产物的外泄出口；在保障玻璃纤维分散的正态分布、玻璃纤维保留长度满足以及材料力学性能不衰减前提下有效降低加工过程副产物的产生量，有利于避免环境污染，改善工作人员的工作环境。
附图说明
17.构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
18.图1为本发明创造的结构示意图；
19.图2为本发明创造实施例中螺筒处的结构示意图；
20.图3为本发明创造实施例中螺杆处的结构示意图。
21.附图标记说明：
22.301-下料口；304-玻璃纤维入口；305-硅烷偶联剂注入口；309-真空排气口；401-加料段一；402-熔融塑化段；403-加料段二；404-分散及分布混合段；405-排气及定量挤出段。
具体实施方式
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
24.在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
25.在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地
连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
26.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
27.一种双螺杆挤出gfas复合材料的环保型挤压系统，如图1至图3所示，包括两根相互啮合的螺杆、以及与螺杆配合的螺筒；所述螺杆依次分为加料段一、熔融塑化段、加料段二、分散及分布混合段、以及排气及定量挤出段；所述螺筒上对应加料段一的位置设有下料口，所述螺筒上对应加料段二的位置依次设有玻璃纤维入口、及硅烷偶联剂注入口，所述螺筒上对应排气及定量挤出段的位置设有真空排气口；
28.具体的，螺杆和螺筒均可以采用现有的装配、以及配合方式，只要可以实现螺杆在螺筒内稳定转动即可，本领域技术人员也可以采用现有方式驱动螺杆转动，在这里不再赘述。
29.所述螺杆依次由以下螺纹块组合而成：
30.加料段一依次为：56/56a、96/96、96/96、96/96、72/72；
31.熔融塑化段依次为：30
°
/7/72、45
°
/5/56、45
°
/5/56、72/72、45
°
/5/56、90
°
/5/56、45
°
/5/56、73/36l；
32.加料段二依次为：96/96、96/96、96/96、72/72、72/72、56/56；
33.分散及分布混合段依次为：45
°
/5/56、90
°
/5/56、45
°
/5/56左、56/56、45
°
/5/56、90
°
/5/56、56/56、45
°
/5/56、90
°
/5/56、72/72、c18齿型盘、72/72、c18齿型盘、56/56、56/28左；
34.排气及定量挤出段依次为：128/128、128/128、96/96、72/72、72/72、56/56、56/56。
35.具体的，螺杆是由芯轴、螺纹块、芯轴头螺丝组成的。螺纹块具有各种不同的结构，简单的可以分为输送块和剪切块两大类，如45
°
/5/56、90
°
/5/56即为剪切螺纹块，72/72即为输送螺纹块，剪切螺纹块具有剪切能力，输送螺纹块不具备剪切能力。剪切的增强方式有两种，一种是使用更强的剪切块(如将剪切弱的45
°
/5/56换为剪切强的90
°
/5/56，剪切即会加强)，另一种是使用更多的剪切块(如3个45
°
/5/56串联使用相比2个45
°
/5/56串联使用的剪切强度要强)，去掉72/72的目的就是使得72/72螺纹块两侧的剪切块得以串在一起。
36.剪切强度与剪切热是相辅相成的，剪切越强则剪切热越多。将2个90
°
/5/56换为1个45
°
/5/56的目的即将剪切强的螺纹块更换为剪切弱的螺纹块，避免剪切热集中(同时这个变化也会使得剪切强度降低)；总的来说，这里的变更主要围绕剪切强度和剪切热。为了有更高的剪切强度，采取了串联剪切螺纹块的方式，为了避免剪切热集中，将剪切更强的90
°
/5/56换为普通强度的45
°
/5/56；关于螺纹块的角度，角度是单个螺纹块的一个规格表征，角度不影响长度，变更前后，长径比均不变(变更前后，各类剪切螺纹块长度 各类输送螺纹块长度之和是相同的)。
37.实施例，体现在螺杆熔融塑化段以及分散及分布混合段位置。熔融塑化段位置螺杆组由剪切-输送变更为输送-剪切，同时输送块排列更加密集，特别将45
°
/5/56-90
°
/5/56-72/72-90
°
/5/56-90
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/5/56-72/36l变更为45
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/5/56-90
°
/5/56-45
°
/5/56-72/36l，去掉72/72使得组合更密集强化剪切，同时将2个90/5/56换为1个45
°
/5/56，避免剪切热集中。同理，分散及分布混合段位置螺杆组增加剪切块数量以强化剪切，同时在剪切块间穿插输送
块(56/56)以避免剪切热集中，与变更前相比，各类剪切螺纹块长度(数量*单个的长度) 各类输送螺纹块长度之和(数量*单个的长度)是相同的。
38.具体使用几个输送以及几个剪切，以及怎样去串联，主要还是以产品的力学性能为评价标准，本领域技术人员可以为了实现复合材料产品性能合格进行调整，本发明创造主要针对gfas复合材料进行了改进。
39.所述螺筒沿螺杆长度方向依次设置十节，所述下料口设置在第一节螺筒上，所述玻璃纤维入口设置在第四节螺筒上，所述硅烷偶联剂注入口设置在第五节螺筒上，所述真空排气口设置在第九节螺筒上，其余六节螺筒均为全封闭式螺筒。
40.所述第二节、第三节、第四节、第五节、第六节、第七节、第八节、第九节、第十节螺筒上均设有加热装置；具体的，加热装置可以采用现有的加热片或加热套，本领域技术人员也可以根据需要选择其他合适的加热装置、以及加热装置的安装方式，只要可以实现对螺筒的加热即可。
41.所述螺筒的长径比为40:1；具体的，双螺杆挤出机长径比为40:1，由10节螺筒通过锁紧螺丝连接而成；第一节为下料螺筒，螺筒无加热装置，从第二节到第十节螺筒，螺筒上安装有加热装置，各节加热装置单独控制，单独设置温度，每节螺筒的加热区称为一个温区；硅烷偶联剂由第三节螺筒位置进入主机，第十节螺筒位置随熔体挤出，即经由第4/5/6/7/8/9/10节螺筒，也就是经历了七个温区。
42.为了实现降低副产物(油烟)对环境的影响这个目标，采取了“由先注入硅烷偶联剂后加入玻璃纤维改为先加入玻璃纤维后注入硅烷偶联剂”这一投料方式的转变，为了实现这个投料方式的变化，做出了主机螺筒排列的创新变化，为了匹配主机螺筒的这一变化，做出了主机螺杆组合方式的创新变化，为了实现在以上变化的同时确保复合材料产品性能合格，主机螺杆组合多次的验证性调整并最终得到最佳组合方式。
43.gfas复合材料的原材料配方由树脂、玻璃纤维、硅烷偶联剂三类组成，改变加料位置后在实际的聚合物加工过程中，在主机螺筒的第一节位置加入树脂，在主机螺筒的第4节位置加入玻璃纤维，在主机螺筒的第5节位置加入硅烷偶联剂；物料在主机螺杆转动下向前输送，在输送过程中受到主机螺杆的剪切、因剪切释放出的剪切热以及主机螺筒加热块放热，发生树脂的熔融塑化、玻纤的剪切分散以及两相的混合，同时硅烷偶联剂的存在改善了树脂和玻纤的界面结合。以上复合材料最终输送到挤出机的机头位置并挤出造粒，得到gfas复合材料。
44.gfas复合材料加工属于物理变化，不涉及化学反应。原理是在加工过程中，树脂受热熔融塑化，玻璃纤维受到剪切分散分布，玻璃纤维与树脂属于两相，依靠硅烷偶联剂进行偶联来提升树脂与玻璃纤维的结合强度，加料位置变更前后，聚合物的加工过程依然是经历了熔融塑化
‑‑‑
分散混合及分布混合
‑‑‑
排气
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定量挤出几个过程，因此改变物料加入顺序，并调整螺杆后，不会影响gfas复合材料的性能。
45.针对现有技术的不足，本发明创造所要解决的技术问题是，提供一种新排列螺筒及新组合螺杆，该方式不需要另增加高价值备件，不改变原有双螺杆挤出机长径比，不改变生产线其他辅机安装位置及安装要求；经数据测量，副产物(油烟量)降低显著，降低到本技术实施前的40％(下图1和2，副产物浓度最大值为68mg/m3，均值约为45mg/m3)，这一改善也为后端环保设备对副产物(油烟)的进一步处理减轻了压力；本技术实施前后玻纤分散状态
及保留长度的确认，玻纤无团聚，中值都在0.5cm以上，实施例后的玻纤保留长度在0.716cm；本发明创造实施前后复合材料两相结合情况的确认，玻纤与基体树脂结合良好；本发明创造实施前后复合材料力学性能的确认，分别实验进行验证，本发明创造实施前后的各项力学指标均满足控制标准，且具有较好一致性。
46.本发明创造的主要发明创造点在于两类器件组合方式的创新性使用：
47.一类器件组合是螺筒，螺筒组合方式的变更，一方面将加入玻纤的螺筒与加入硅烷偶联剂的螺筒做出前后顺序的变更，这个变更有两方面的意义，一是缩短了硅烷偶联剂在主机螺筒内的停留时间(即受热时间)，二是减少了一个烟气的逸散口；
48.另一类器件组合是螺杆，螺杆组合变更的意义也在于两个方面，一方面是配合螺筒变更而做出匹配性变更(螺筒的开口位置需要对应具有输送性质的螺纹元件)，另一方面是要保障复合材料中的玻璃纤维的有效分散及保留长度的正态分布以及复合材料整体力学性能的合格。
49.本发明创造的有益效果在于：设计并组装了一种双螺杆挤出gfas的环保型螺筒排列及螺杆组合新方式。其关键点在于以下几个方面：(1)主机螺筒布局的优化，由先注入硅烷偶联剂后加入玻璃纤维改为先加入玻璃纤维后注入硅烷偶联剂，一方面减少硅烷偶联剂的热氧化时间从而减少副产物(油烟)产生，另一方面减少硅烷偶联剂在主机螺筒内路径变为全封闭，减少副产物(油烟)外泄可能性；(2)螺杆组合适应主机螺筒布局相应变更，确保玻璃纤维的有效分散及保留长度的正态分布，从而保障材料力学性能达标。
50.其优点表现在以下几个方面：(1)环保型螺筒排列及螺杆组合新方式不影响生产线其他辅机的空间布局；(2)从产品力学性能检测结果看，由于硅烷偶联剂在主机螺筒内受到热氧的时间变短，硅烷偶联剂效能利用率提高，减少了其配方使用量，从而降低了原材料成本；(3)加工过程中的副产物(油烟)得到有效控制。
51.本发明创造采用新的螺筒排列及螺杆组合，改变了聚合物加工过程中的物料添加顺序和添加位置，一方面由先注入硅烷偶联剂再加入玻璃纤维改为先加入玻璃纤维再注入硅烷偶联剂；另一方面减少了硅烷偶联剂在主机螺筒内的停留时间，减少了其被热氧化的时间；第三方面减少了因硅烷偶联剂热氧化产生的副产物的外泄出口；在保障玻璃纤维分散的正态分布、玻璃纤维保留长度满足以及材料力学性能不衰减前提下有效降低加工过程副产物的产生量，有利于避免环境污染，改善工作人员的工作环境。
52.以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。