一種製造擠壓塑料製品的方法和設備及塑料製品的製作方法
2023-09-10 04:20:45
專利名稱：一種製造擠壓塑料製品的方法和設備及塑料製品的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製造擠壓產品的方法，其中待擠壓的物料是以粉末、丸塊、或顆粒的形式通過一個或多個供給裝置送進加工腔，加工腔的容積包括轉子中的螺槽，定子中的螺槽以及它們之間的間隙。
本發明還涉及製造擠壓塑料製品的裝置、該裝置包括至少一個轉子以及至少一個定子，以及它們之間的進料空隙，和在進料空隙的另一側設置的螺槽，當轉子轉動時，螺槽將待擠壓的物料從設備中擠出，螺槽的橫截面基本上不變，而在進料空隙的另一側至少在間隙的一段長度上設置配螺槽，配螺槽的螺紋與進料間隙的另一個側上設置的螺槽的方向相反。
本發明還涉及一種塑料製品，其含有加入了1-30％的阻擋塑料的基體塑料。
使用由長螺杆和缸體構成的傳統擠出機加工具有高分子量的塑料是很困難的。由於摩擦生成的熱量使溫度很容易升得過高，所以擠出機的產率一直很低。難於加工的聚合物包括，例如，摩爾質量大而且分子量超過200，000g／mol的氟塑料和聚乙烯，而非常硬的塑料甚至超過300，000g／mol。有許多類似的很難加工的材料，並且它們都具有高分子量，因而熔體流動速率低，熔點高並且在某些情況下加工區窄，換言之，例如，塑料的分解溫度接近於其熔點。
當擠出溫度只保持在結晶熔點以上幾十度時，也即，為了使任選的反應組份不會過早地發生反應，通常是使該溫度比通常情況下低30-40℃時，在這種低溫下擠出就尤其困難。這種情況在生產管材級化學交聯管材時是很常見的。因為存在有五種不同的相互關聯的函數，且其作用基礎是螺杆的作用，而且都是以同一轉速在同一根軸線上作用進料、熔化、混合、均化以及生壓，就會出現各種問題。在傳統的擠出機中，螺杆很長，螺杆的長徑比絕大多是大約20-30，並且螺杆包括一根，有時為兩個或三根，螺紋。螺杆的螺槽根據其在螺杆中橫截面的變化劃分為不同的區段，在加料區上，螺紋常常是很深而且從一個螺紋到另一個螺紋的間距很長，而在熔融區上的橫截面自始至終保持不變，但是通常它要比出口端大很多。這樣，物料就不容易流經螺槽，而端部的制約引起大量的摩擦熱。在混合區螺槽常有其自己的幾何形狀，而在端部，螺槽漸淺並開始生壓。在此壓力的作用下，團塊物料甚至可以穿過形狀複雜的工具。另一方面，在傳統的擠出機中，螺杆周圍的螺槽總長度太長，在那種情況下，螺槽的長度同其橫截面的比率太大，因此完全不適合弱流動性的塑性體。
美國專利US 3，314，108公開了一種擠出機，它包括一個錐形轉子和安裝在轉子內、外的錐形定子。轉子包括平的矩形螺槽，用於通過轉動轉子將待擠壓的物料擠出擠出機。但是，用前述的裝置難以加工可加工性弱的物料。而且，腔室也受到限制。
歐洲專利EP 422，042公開了一種擠出機，它包括幾個錐形的定子和幾個安裝在它們之間的錐形轉子。轉子和／或定子帶有帽罩形的螺槽用來當轉子轉動時將待擠壓的物料擠出擠出機。利用這種裝置能夠非常方便地製造多層塑料管，但是對可加工性弱的物料的加工有問題。並且，在該裝置中，模塑壓力在出口端產生，因此該裝置的產率並不完全理想。而且，待擠壓的物料的熔融是採用外部加熱法，因此很難控制溫度，且能耗比較大。
美國專利US 4，125，333公開了一種擠出機，它包括一個帶有螺紋的長螺杆，以及一個安裝在螺杆外面並具有同旋向的定子。定子的同旋向螺紋會產生一種回流，隨後物料混合併且因摩擦而產生的熱量很容易會增加到難以控制的程度。
德國專利DE 2，558，238公開了一種擠出機，它包括在其端部的一個混合區中的定子上具有或同旋向、或反旋向或平直的螺槽。這樣的裝置混料非常有效，但是它根本不能應用於物料溫度需要精確調節的設備中，因為由於摩擦而產生的熱量容易增加得過多。
美國專利US 3，712，783公開了一種擠出機，它包括一個散料區。經過散料區後，物料被泵送進限制區。之後團塊物料就被泵送而從出口擠出。該裝置的結構非常複雜。該裝置的構造會引起很大的摩擦並因此在靠近出口處擠出壓力上升，此裝置的產率很低。
歐洲專利EP 0，678，069公開了一種由交聯聚乙烯經擠壓製作多層管材的方法。第一步是擠出管材的中心層，之後在其上塗敷表層。該表層僅用於提高管材通過加熱工具時的流動性。該裝置中一個特別的不足之處在於它需要使用一個具有支腳的器具，因為支腳會造成焊接線。
本發明的目的在於提供一種也可相對容易地將可加工性弱的物料擠出形成塑料製品的方法和裝置，並且塑料製品具有出色的性能。
根據本發明的方法，其特徵在於上述腔室的橫截面積至少部分地連續沿擠出機的軸線減少，而且通過定子和轉子的相對轉動運動，上述物料被強制沿一X軸前進，從而由剪切造成的摩擦熱將部分物料熔融，形成一個主要由含有未熔融的顆粒構成的基床，而一些熔融顆粒則圍繞在其周圍，從而可以在離該裝置端部一段距離的地方的特定橫截面上形成一個完全充滿的加工腔，因此壓力上升到超過隨後推擠物料沿X軸穿過一個模具所需的壓力。
而且，根據本發明的裝置，其特徵在於在進料區之後有一個剪切區，配螺槽大體位於剪切區整個長度方向上，而且，包括有轉子中螺槽的容積、定子螺槽的容積以及它們之間間隙的容積的加工腔的橫截面區至少部分地連續沿擠出機的軸線減少。
此外，根據本發明的製品，其特徵在於將阻擋塑料按形成層狀結構的方式放入製品中。
本發明的基本思路是將物料在一個加工腔內擠壓，該腔室由轉子的螺槽、定子的螺槽以它們之間的間隙組成，而且該腔室的容積至少部分地沿軸線方向減少，以便將物料在軸線方向上強制地壓入一個截面更小的空間中，隨後由於剪切導致的摩擦所產生的熱量至少部分地可將物料熔融，而這將導致在離裝置端部有一段距離處就已經使壓力上升。另外，本發明的本質是可以對塑料進行如此小的程度加工，以致於在擠出機的孔口處，如果沒有加熱裝置，團塊流體中還包含有沒有完全熔融的顆粒。例如，在聚乙烯中，這樣的顆粒在透明的團塊中是比較光亮的肉眼可見的顆粒。根據已經進行的試驗，未熔融的顆粒根本不會影響製品的性能。最好是，至少配螺槽的部分行程同進料空隙的另一側面上提供的螺槽的各行程適配，在這種情況下，配螺槽比進料空隙的另一側面上提供的螺槽之間的行程要窄。最佳實施例的一個思路是配螺槽的寬度大約比進料空隙的另一側面上提供的螺槽的寬度小30-50％。另一個最佳實施例的思路是配螺槽的坡度大約是進料空隙的另一側面上提供的螺槽的坡度的一半。第三個最佳實施例的思路是改變配螺槽的尺寸或加工腔的容積，使螺槽的初始部分的橫截面積與其最後部分的橫截面積的比率大約等於固體團塊的密度同待擠壓的團塊的松密度之比。第四個最佳實施例的思路是進料空隙是環狀的，並且其直徑均勻地減小，也就是說它是一個錐形，至少是在其長度的那段距離上如此，這樣在物料進口端空隙的直徑要大於靠近物料出口端處的直徑，而且圓錐體較寬部分的直徑同較窄部分的直徑的比率大致等於待擠壓物料的固體團塊的密度同團塊的松密度的比率。第五個最佳實施例的思路是供給物料的螺槽的橫截面大體上呈三角形或半圓形。另外，例如，擠壓螺杆的長度同螺杆最大直徑的比率最好是大約等於或小於10。圓柱形擠出機的比率最好是在3和6之間。而且在現有技術的擠出機中，螺杆的螺槽長度同螺槽的橫截面積的比率超過20 1／mm，然而根據本發明的裝置，螺槽的長度同螺槽橫截面積的比率小於20 1／mm。
本發明的優點在於團塊的熔融和均化僅需要儘可能小的形變能。當壓力在比較早期的階段可上升到足夠高時，該裝置的產率可以得到提高。對於一臺擠出機而言，有可能確定一個理論上的產率，表示明當轉子轉動一周時，裝置生產的理想物料的數量。在現有技術的裝置中，實際產率與理論最大值相比相當低，通常大約是10-15％。而現在這個裝置，依靠配螺槽和減小腔室的橫截表面，則有可能獲得高達理論最大值的50％的產率。甚至在螺槽的最後區段上，橫截面無變化的熔體輸送螺槽也不強迫塑性體從螺槽區離開。當在進料空隙的另一個側面上設置配螺槽時，供料螺槽之間的行程可以做得很寬，因為配螺槽會夾取待擠壓的物料，從而在裝置中可以有效地前進，也就是可以大大減少能量浪費。當配螺槽的行程按照同進料空隙的另一個側面的螺槽的行程相適配的方式確定時，就可以有效地防止回流並且同時還具有使物料轉動的優點。利用採用了根據本發明的幾何形狀的螺杆的裝置，本來很難加工的團塊也可以很好地擠出。例如，有可能加工分子量超過200000g／mol的交聯聚乙烯，以及分子量超過300000g／mol的韌性非常強的塑性體。甚至在使用這種物料的情況下，該裝置的產率也能輕易地保持在例如100kg／h以上，而傳統的柱塞式擠出機的產率，例如，通常是大約25kg／h。當改變配螺槽或加工容積或進料空隙的比率使之等於待擠壓物料的固體團塊的密度同團塊的松密度的比率時，則可以防止空氣隨團塊流動。而且，過多進料也不會造成在傳統的機器中導致停機或至少也使扭矩偏斜的過壓。在一個大體上呈三角形或半圓形的螺槽中物料容易流動，溫度梯度較小，而且物料在螺槽橫截面上的轉動運動很有效。採用圓錐形的螺紋有可能縮短螺紋螺槽的整體長度並因此減少因流動造成摩擦而產生的熱量。另外，圓錐形螺紋表面比具有相同產率的傳統圓柱形擠出機的螺紋表面通常大50％。這對於控制冷卻或加熱很有利。圓形單螺紋裝置如果採用了配螺槽，由於有過大的壓力和摩擦存在，擠出機的進料區需要冷卻。而本裝置中的重要改進在於它並不需要額外的冷卻，並且加工非常穩定和可控。在產量非常高的情況下，在機器筒身中也不需要任何額外的冷卻(冷卻風扇等)。
下面結合附圖，對本發明做更詳細的描述，其中
圖1概要地示出根據本發明的一種裝置的橫截面側視圖。
圖2概要地示出根據本發明的另一種裝置的橫截面側視圖。
圖3示出圖1中示出的裝置的細節。
圖4概要地示出根據本發明的第三種裝置的橫截面側視圖。
圖5是根據本發明的一種裝置中的轉子的局部側視圖。
圖6是圖5中示出的轉子的局部橫截面視圖。
圖7概要地示出物料在轉子的螺槽中的運動。
圖8從一個斜向概要地示出採用根據本發明的裝置製作的塑料管材的截面。
圖9概要地示出根據本發明的一種裝置的轉子的側視圖。
圖10概要地示出根據本發明的一種裝置的壓力函數。
圖11概要地示出根據本發明的一種裝置的橫截面側視圖。
圖12概要地示出根據本發明的另一種裝置局部橫截面側視圖。
圖1示出了一種擠出機，其構成包括一個圓錐形的可轉動轉子1，一個安裝在轉子外側的圓錐形的外側定子2，以及一個安裝在轉子內側的圓錐形內側定子3。在轉子1和定子2和3之間有一個環形的、變窄的或圓錐形的進料空隙4。為清楚起見，在圖1中示出的進料空隙4比其實際上要寬得多。轉子1隨轉動裝置5一起按本來已知的方法轉動。該裝置還包括進料裝置6，用於將待擠壓的物料送入進料空隙4。該裝置可安裝數個供料裝置6，以便能夠將物料送入進料空隙4中所希望的部分，例如送入轉子最寬的部分或送入轉子1靠近出口端的比較窄的部分。也可以在圓周方向上設置一個以上的供料裝置。傳統的擠出機中的一個問題是它只對一種物料以及一種產率是最佳的。例如，當為粉末而設計的裝置用於顆粒時，產率就會明顯下降，通常至少下降30％，而常常是下降50％。另一方面，如果螺紋是為產率500kg／h而設計的，那麼如果擠出速率要保持在200kg／h的話，裝置就會運轉得非常差。根據本發明的裝置可包括數個供料裝置，因為如果待擠壓的塑性體的松密度大於螺紋設計所採用的密度，只要簡單地用更靠近出口端部的供料裝置將物料送入進料空隙4中也就可以取得最佳的效果。
轉子1包括螺槽7，也就是螺紋，當轉子1轉動時，它將待擠壓的物料推擠出擠出機。配螺槽8在進料空隙4的另一側面上，也即在定子2和3上。配螺槽8可以促進否則可加工性弱的物料通過擠出機。配螺槽8的螺線同轉子1的螺槽7的方向相反。當配螺槽8處於進料區和剪切區時，由於待送入的顆粒或粉末粘在配螺槽8上，它們會造成額外的摩擦，而這是物料加工開始時所希望的。通過進料區之後，配螺槽8會夾取待擠壓的物料，從而在裝置中可以有效地前進。因此，配螺槽可減少能量的浪費並且在無過大的溫升情況下使物料有效地流動。如果待擠壓的物料沒有藉助摩擦作用粘附在，例如，光滑的定子上，依靠配螺槽8甚至可以在低溫下使物料有效地流經擠出機。給轉子和定子選擇適當的塗敷劑，也可以提供程度適宜的摩擦。定子最好是使用納米陶瓷塗敷材料或例如合成金剛石(DLC)塗敷。轉子最好是使用低摩擦材料，例如黑硝化(blacknitration)或鉻-PTFE-鍍敷(chrome-PTFE-plating)，如同在本申請人的另一個專利申請PCT／EP 96／02801中所公開的那樣，此處引用該申請用於一切目的。
當裝置中使用了上述具有優異抗磨性的有益的塗層時，可以在轉子和／或定子中使用更軟的因而導熱性更好的材料，例如導熱性超過工具鋼五倍的鈹青銅。如果裝置是圓錐形，裝置中的短結構具有這樣的優點，即將熱量從裝置的輸出端有效地傳導到初始區中較涼的地方，在初始區為了防止物料過早地熔融，可以對裝置進行冷卻。在這種情況下，團塊的流動可以具有比傳統擠出機中更為適宜的溫度梯度。圓錐形狀另外的有利之處在於因為螺杆長度同其最大直徑的比率有利於通過在例如擠出機最寬的部分布置軸承而使軸承所提供的支撐就會很牢固，而且螺杆不會出現明顯的撓曲，所以可以完全防止例如金屬-金屬接觸，而在傳統的圓柱形擠出機中並非如此。
對於具有高分子量的塑性體，焊接線是薄弱之處。因此，這一含有內孔的螺杆可以為顯著提高產品強度提供可能性，因為器具可以不使用支腳就固定於擠出機的框架。圖1示出了一個放置在位於內側定子3內部一個孔口處的芯棒10，並且支撐在定子3的上面。採用此種方式，即使不使用支腳，芯棒10仍牢固地保持在原地，而且在擠出機的任何部分中都可以將物料送入到芯棒10中而不將其分割。特別是在這種允許未熔融的顆粒在裝置外合併的方法中，支腳也只會造成非常微弱的線縫。
轉子1中螺槽7的橫截面從進料區到螺杆的端部依然大體保持不變。這樣，物料熔融和均化消耗的變形能可以保持儘可能小。在根據本發明的裝置中，待擠壓的物料的壓力最好是在剪切區的最開頭處產生，並且之後就大體上保持不變。如果轉子的直徑最大為，例如，大約400mm，而最小大約為200mm，則轉子通常有20個寬度為6mm的螺槽。這樣的裝置的產率通常大約為300kg／h。使人吃驚的是這樣的擠出機的產量和質量在多種物料情況下都可以保持良好。可以說在某種程度上這種圓錐形擠出機包括了幾個並聯在一起的傳統的圓筒型擠出機。在這種情況下，可以更好地控制流動。試驗中發現，物料滯留時間的變化比常規的擠出機為小。這對於例如過氧化物同塑性體已經發生混合的反應擠出過程特別重要，而且滯留時間必須短，分布必須窄，以防止在擠出機內部的交聯。另外，如此小的螺槽可以將分子定向在螺槽的方向上，從而減小螺槽中物料的摩擦。並且，裝置和塑性體之間的表面接觸很大而熱交換很有效。例如，按照傳統擠出機的平均滯留時間，在良好設計的情況下，塑性體與圓錐形裝置得以接觸的熱遷移表面增加了一倍。這意味著那些難以加工的塑性體通過冷卻或加熱可以遠更為更有效地控制其溫度。
當根據本發明的裝置加工一種物料時，物料的密度隨著它從進料裝置輸送到螺杆的端部而改變。此時密度通常為固體物料密度的20-80％。因此，產品的多孔性和產率低往往成為問題。由於圖1中所示的裝置是圓錐形，轉子的圓周速度有變化，變化的方式是進料區的速度高於出口嘴處的速度。轉子1初始區直徑同它末端區直徑的比率最好等於待擠壓物料的固體團塊的密度同物料松密度的比率。換言之，轉子1初始區的直徑通常比轉子1末端區直徑大1．25至5倍，此比率的最佳值大約為2。
如果裝置不是圓錐形，也會有同上一段中描述的內容幾乎類似的作用，就是配螺槽8的橫截面的尺寸會在該裝置末端區和初始區之間變化，所以配螺槽初始端的橫截面同其末端的橫截面的比率近似等於待擠壓物料的固體團塊的密度同物料松密度的比率。
在根據本發明的裝置中，進料區在軸線方向上與進料空隙的直徑大小相等。在進料區之後開始的剪切區沿軸線方向上的長度可以在螺槽填滿物料時通過壓力傳感器進行測量而確定。在剪切區之後是一直延伸到裝置末端的均化混合區。由於物料在剪切區中稍微熔融而壓力也同時增加，因此不需要單獨的增壓區。該裝置可以產生一個等於已經處在剪切區中的工具所損失的壓力。
在剪切區之後，最好改變配螺槽8的取向，也就是說，螺槽的旋向取為同方向的，以使它們提高混合作用。在該區域中，該裝置可以是圓錐形也可以是圓柱形。而且，在該區段上還可利用，例如重疊的半圓形槽口，增加相對立的表面以提高均化，就如同在本申請人的另一個專利申請PCT／FI96／00658中所公開的那樣，此處引用該申請用於一切目的。
通過所進行的試驗已經發現，進料區中具有例如直通螺槽的傳統擠出機容易進料過度，所以裝置中可以測量出高達1000巴的壓力。在本發明中，伴隨著剪切率下降而減小加工容積會導致由部分未熔融的物料和顆粒組成的栓塞的迅速形成，所以物料必須較快地排出螺槽，由於螺槽本身的橫截面最好是恆定的，物料可以非常快而且有效地從裝置排出，並且可以在裝置內部防止出現過高的壓力。通過試驗已經發現，在根據本發明的裝置中，幾乎不可能出現壓力增加到破壞機器或導致出現臨界扭矩的情況。另外，由於在根據本發明的擠出機中總距離短，反壓力無法升高。結果，當轉動速度上升時，可以察覺到物料溫度的降低，換言之，機器提供了一個很寬的加工帶，尤其是對於交聯目的，因為在可以通過改變螺杆和強迫進料比率來增加恆定的反壓力的轉動速度的範圍很寬。
圖2是根據本發明的另一種裝置橫截面側視圖詳圖。圖2中的標號對應於圖1中標號。位於配螺槽8之間的行程8a的位置設計為沿進料空隙的方向上，即例如在圖2中在箭頭A的方向上，在大體上每個地點至少配螺槽8的部分行程8a同轉子的螺槽7的其它各個行程7a相適配。在這種情況下，回流僅能達到超過至多為轉子螺槽7的一個行程7a。
圖2通過一個實例示出在兩個最頂端的螺槽中待擠壓的物料。這兩個螺槽代表一小部分物料藉助剪切力熔融的剪切區，而壓力同時上升。目的是藉助摩擦力儘快地熔融，而物料的數量只是可能使壓力升高那麼多，這種情況在物料為緻密時就會快速產生，即至少它已經從表面熔融。令人吃驚的是熔融物料的比例應當僅僅在10％的範圍內。靠近標號1的螺槽充滿了乾燥的粉末。因此，不會有壓力信號。另一方面，靠近標號7的螺槽充滿了粉末顆粒，一種略微熔融的塑性體，對產生壓力已經足夠。本發明的基本特徵是在螺杆中壓力產生得很早，而當壓力高到能夠超過沿螺杆方向更遠處工具上的壓力損失時，物料就會經過螺槽通道快速地輸送。
圖3示出圖1中的裝置的詳圖。圖3中的標號對應於圖1和圖2中的標號。為了清楚起見，進料空隙4示出得比它實際要寬。配螺槽8的寬度則小於螺槽7之間的行程7a的寬度b。這樣就可很有效地防止回流。然而，雖然它們形狀狹窄，配螺槽8卻可有效地幫助待擠壓的物料在擠壓裝置中向前移動。配螺槽8的寬度最好比螺槽7的寬度c小大約30％-50％。轉子1中配螺槽8的螺線同螺槽7的螺線在方向上相反。配螺槽8的坡度大約為1到90°，最好是轉子1中的螺槽7的相應坡度的一半左右。如果坡度是90°，直槽在正常使用中可以增進物料的向前輸送。本發明的裝置可以作為注入壓機的一個塑化單元使用，並且當例如藉助一個活塞來防止物料在注入端中向前流動時，轉子1仍然能夠連續地轉動，因為待澆鑄的物料可以在裝置中沿直槽向回流動，並且在裝置的出口端物料的壓力不會升得太高。嚴格地說，配螺槽8很合適的坡度是介於3至10°之間。配螺槽8的數量最好大於轉子1中螺槽7的數量。試驗中發現，當轉子螺槽7的橫截面保持大體相同時，儘管空隙已經足夠大，例如大約為0．4mm，在處於螺槽之間的定子和行程7a之間基本沒有待擠壓的物料。
螺槽7的橫截面最好是大體上呈三角形，使三角形的一邊沿著軸向方向，其它兩邊大體相互垂直，如圖3所示。大體上成三角形狀的螺槽中的物料易於流動而且溫度梯度更小。在螺槽中，物料向前流動且同時轉動，而這種改善的轉動流動也從根本上減少了由摩擦形成的熱失控現象。
處在轉子1中的螺槽7之間的行程7a可以製作成傾斜的，即使轉子1和定子2之間的空隙在行程7a的前沿比在行程7a的後沿更大。由於軸向流動並不顯著，行程7a此時常受到壓力的作用。螺槽行程的最佳實施例的詳細設計示出於本申請人的同時待審申請FI 964988，此處引用該申請用於一切目的。
圖4是根據本發明的另一種實施例的橫截面側視圖。圖4中的標號對應於圖1至圖3中的標號。圖4僅畫出一個進料空隙4，它的外側有一個定子2，而它的內側有一個轉子1。為了清楚起見，圖中沒有畫出進料裝置，轉動轉子1的裝置以及螺槽。轉子1的內部包括一個圓錐形螺杆9，圓錐形螺杆可以隨轉動裝置5轉動。進料空隙4的端部成管狀。在螺杆9之後，可以配一個取向芯棒10，在此待擠壓的產品11被展寬，這就可以生產有取向的產品11。當製作普通非取向產品11時，橫截面自然不改變。待擠壓的產品11可以是例如塑料管或電纜包皮。
因為圓錐形轉子1可以很容易地沿軸線方向移動，所以可以毫不困難地調節進料空隙4的間隙。通過調節間隙，就能控制裝置的產率和壓力生成能力，以及在不改變轉子1的轉動速度的情況下控制摩擦產生的熱量。螺杆9也可以在軸線方向移動，所以該裝置可以很容易地轉變為一部注入壓機。一部普通的活塞擠出機的產率通常大約為25kg／h，然而根據本發明的裝置的產率很容易就可以超過200kg／h。當圓柱形螺杆的長度沿軸線方向變化時，就可以輕易地使僅用來擠壓團塊通過工具的壓力值最優化。螺杆9和取向芯棒10上帶有相互聯通的孔道和小開口，通過它們可以將潤滑油和／或冷卻劑注入。在這種情況下，在此裝置中潤滑可以利用例如熔融的塑性體來完成，而對工具末端進行的冷卻可以採用某種其它介質。
在擠出機的噴嘴之後，在產品11外側可有一個例如使用油或電的加熱器具12。為了能夠交聯，部件12最好是專門使用石英玻璃製作以使部件12是透明的並且可以使用紅外線加熱進行交聯，如同在本申請人的同時待批申請PCT／SE96／01169中所具體描述的那樣，此處引用該申請用於一切目的。產品的溫度和物料在加熱器工具中的時間，也就是滯留時間，可以通過比如設計加熱工具的長度來調節，以使使物料充分地加熱，例如也可以採用傳導方式。工具的溫度和物料的滯留時間可以調整到使輸出的大部分物料均化。
採用這樣的形變能量一直保持很小的裝置，其目的是不必將成塊的顆粒完全熔融，而是將摩擦功維持在使顆粒的表面互連的水平。這樣，就有可能使團塊帶著明顯未熔融的顆粒穿過沒有加熱裝置的擠出機。這個過程被稱作連續燒結。特別是在低溫下加工具有高分子量的交聯聚乙烯時，即比如在合理的時間中過氧化物不會發生反應的140-180℃範圍內，未熔融顆粒對於最終產品的性能影響並不顯著，然而，由於根據本發明的擠出機連接了一個加熱單元，在其中團塊的溫度可以迅速升高到比如250℃，其中的未熔融顆粒就完全熔化了，也即物料流動最終到達均化，並且過氧化物迅速分解。
如上所述，在這個加工過程中最好不使用支腳支撐芯棒10，因為那樣的話物料流動就在任何階段都不會分割開。然而，使用長的芯棒10帶來了器壁公差控制以及芯棒10對中的問題。例如對100mm直徑管子的厚度大約為10mm的器壁，需要長度超過2m加熱工具。這樣，芯棒10容易彎曲並且不能保持在正中的位置。這個問題可以通過在芯棒10的端部提供一根芯棒來消除，芯棒的直徑小於扭力杆14的最大直徑以減少摩擦。在扭力杆14的端部，在正對著產品11的部分有一個柱銷15是用很容易滑動的材料例如聚四氟乙烯製作的，所以柱銷15很容易靠著產品11的內壁滑動。當柱銷15延伸到例如冷卻池16的內部時甚或如果需要可更遠到拉動設備17時，柱銷15停靠在一個已經固定好的器壁上。這樣，在熔融物料的區域中，就可以很容易地將芯棒10的中心精確地調整到正確的位置上，例如通過將拉動設備17的位置沿軸線傾斜。長的扭力杆14使芯棒10彎曲使其正確對中。
圖5是在根據本發明的一種裝置中的轉子1的局部側視圖。圖5的標號對應於圖1至圖4中的標號。圖5示出轉子1處於物料進料區段。在圖5所示的情況下，待擠壓的物料通過一個進料裝置既送入到轉子1的外部又送入到其內部。在進料裝置上，轉子1包括進料空隙13，通過這個空隙一些物料可以從供料裝置流進轉子1的內部。進料空隙13的邊緣還帶有坡口13a，坡口的方向是每隔一個坡口13a指向轉子1的外圓周，而其它的則指向其內圓周。當轉子1轉動時，供給物料就穿過每一個進料空隙13到達轉子1的外面，並穿過各個空隙到達其內部。這樣，坡口13a可以確保要供給的物料平均分布在轉子1的內外。在圖5中，引導物料到達轉子1的內部的坡口13a用虛線表示出。
圖6是圖5中所示的轉子的局部橫截面圖。圖6中的標號對應於圖1至圖5中的標號。供料裝置6最好是一種可以在待供給物料向擠出裝置移動時提供充分高的壓力的強力進料螺杆。藉助強力進料螺杆和進料空隙13的坡口13a交替轉向轉子1的外部和內部，可確保在螺槽7中有充分數量的待擠壓物料，也就從而可保證裝置具有有效的和均衡的產率。圖6用虛線示出了從位於交叉區段後面的進料空隙13向內引導物料的坡口。自然沒有必要在坡口13a直對著轉子1的外圓的地方開一個孔，但只要有一個物料可以經此流過而到達轉子外面螺槽去的空腔就足夠了。
圖7是轉子1的螺槽的橫截面視圖。在圖7所示的情況中，螺槽的橫截面形狀大體呈半圓形。由於根據本發明的轉子螺槽的行程7a與配螺槽8的行程8a的適配，螺槽7中的待擠壓的物料實際上會停留在螺槽7中並因而以旋轉的方式移動。圖7中所示出的半圓形狀對於旋轉運動極為有利。物料的旋轉運動在圖7中用箭頭示出。圖3中所示的大致呈三角形的橫截面也有利於物料的旋轉，也即可以如圖7中箭頭所示的那樣通過相應的旋轉運動供給物料。
與傳統擠出機的圓筒發生的摩擦會引起螺杆的螺槽中的旋轉流動而使螺槽中產生很大的溫度梯度。這一不平衡的溫度在兩個方面是有害的。首先，它對於溫度敏感的擠出運作是一種幹擾，因為很明顯，當實際的局部溫度比擠出機設定的溫度高出比如40℃時，在例如交聯聚乙烯的情況下，其結果是造成具有局部交聯區域的團塊。當加工PVC時，局部高溫會造成團塊的熱降解。另一方面，溫度不均衡會使加工更加困難，因為絕大多數塑性體的黏度容易隨溫度而改變。例如，在聚乙烯的典型剪切速率範圍中，溫度升高60℃就會使黏度從1000Pa×s下降大約一半。當螺槽為半圓形或三角形狀時，物料流動更容易而且溫度梯度更小。改善了的旋轉流動也基本上減少了摩擦引起的發熱失控現象。傳統擠出機中螺杆的螺槽隆起的間距大致等於螺杆的直徑，這一般會使螺杆的螺槽的寬度與高度比率超過10。然而，當加工分子量大的塑性體時，形變能必須要儘可能小，也即由摩擦生成的熱要儘可能少。可以認為在淺螺槽中用旋轉的方式使物料流動會比在例如半圓形或三角形的螺槽中更加困難。對於圓錐形擠出機來說，如果使用長方形螺槽的話，螺槽寬度同其高度的最佳比率最好是在2和7之間。
圖8是根據本發明的產品的截面圖。由於在根據本發明的螺杆螺槽中旋轉流動非常容易，這就帶來了兩個好處定子和轉子之間的總摩擦比預期的要小得多，這部分也是由於有配螺槽的緣故，並且物料的流動和旋轉還形成了層片狀的結構，也即經過螺槽的棒狀物料就如同卷繞在一個滾筒上的紙張。這就形成了圖8中所示的塑性體管材，例如，管材的截面顯示出數十個由螺槽中的旋轉流動造成的橫條紋，例如最佳厚度為4mm的管壁上有超過50層片層。在圖8中管材11的層片結構用細線表示。這種層片結構可以具有好得多的衝擊強度值以及完全改進的透過性能值，特別是如果在待擠壓的基體塑料中加入了1至30％的阻擋塑料，例如聚醯胺或LCP等。層片結構在基體塑料與阻擋塑料不是相互混合，而最好是很好地互相粘合時最以形成。而且還發現，阻擋塑料在同樣的溫度下黏度會更大。採用的阻擋塑料最好是脂族聚酮(例說採用Ketonex的品名，由British Petroleum製造)。比如圖8中所示的管子11就是擠壓含有1％聚丙烯的聚乙烯混合體製作的。
當採用了過氧化物或偶氮化合物時，塑性體中形成了帶有難聞味道和／或氣味的低分子量化合物，並且它們會遷移到聚乙烯的表面。在傳統製造過程中，在用它盛裝食品之前，管子必須經過漂洗或熱處理。使用根據本發明的裝置，就能夠製造出一種多層塑料產品，其中的較厚的外層是用交聯聚乙烯製作，而內層是阻擋塑料，所以通過阻擋塑料可以防止由於交聯而產生的其餘產品遷移到產品的內表面。
圖9是根據本發明的裝置的轉子側視圖。圖9中的標號對應於圖1至圖8中的標號。轉子1帶有一個大致垂直於轉子軸線方向的中間螺槽7′。中間螺槽7′為待擠壓的物料提供了額外的均化。在中間螺槽7′，團塊可以在退回到螺槽7之前，沿半徑方向上行進幾個螺槽的距離。中間螺槽7′既可以設在轉子中，也可以設在定子中或兩者中皆有。特別是在圓筒形轉子1的情況下，配螺槽8的容積最好降低至中間螺槽7′，並在中間螺槽7′之後繼續保持不變。中間螺槽7′最好設在擠出機的軸線方向上中間部分以後，最好是在裝置軸線方向上的2／3長度處。在中間螺槽7′之後，轉子螺槽7的坡度可以很容易改變。當螺槽7的坡度製作得比較陡峭時，也容易取得與坡度保持恆定的裝置相同的產率，但是當坡度製作的比較陡峭時，摩擦產生的總熱量會隨螺槽長度的減小而降低。根據本發明，螺槽7的橫截面基本上保持不變，但是「基本上不變」的定義也包括其中的轉子和／或定子有一個為提供均勻性而重新布置物料的中間螺槽7′的情況。
在圖9的實例中，剪切區延伸至中間螺槽7′。混合發生在中間螺槽7′，而隨後的均化則發生在中間螺槽7′之後。
圖10用實線表示根據本發明的裝置的壓力變化，其中用虛線表示傳統擠壓機的壓力變化。在傳統擠壓機中，壓力P在擠壓機的長度l的末端升高，因此最高點自然在A處，該點代表裝置噴嘴的位置。在根據本發明的裝置中，壓力在裝置內部的剪切區的早期階段就已經升高了。在末端朝噴嘴的地方，壓力甚至會下降。
圖11是一個根據本發明的擠壓機的局部橫截面側視圖。圖11的標號對應於前面圖中的標號。轉子1和定子2都是圓筒形。轉子的螺槽7以相同的橫截面沿轉子1的全長延伸。定子2的配螺槽8的橫截面不斷減少。配螺槽8大致延伸到裝置的中間部分，最好到達裝置長度的大約1／3處。
圖12是根據本發明的裝置的部分橫截面側視圖。圖12的標號對應於前面圖中的標號。轉子1和定子2、3都是圓錐形。轉子1在製作時，其最後區段上轉子1與定子2、3之間的間隙的增加要大體上大於其初始區段上的增加。例如，在初始階段，間隙也許是大約0．5mm，而在末端則大約是6mm。同樣，螺槽7和配螺槽8在轉子的最後區段上終止，而物料僅僅在上述的大間隙中流動。在這種情況下，轉子的旋轉的速度可以增加，因為在最後區段上由於有大的間隙存在作用於物料的剪切速率很低。於是，產率會增加，也即甚至使用小裝置也能提供高產率。同樣，在端部可能會出現一個均衡的剪切區，所以物料的溫度就可以保持非常均勻，這在加工例如PEX時是極其重要的。這也使得可以在需要的情況下在擠出機中就開始交聯。採用這種結構也同樣可以提供帶有層片狀結構的產品，這種產品甚至不含有圖8中所示的橢圓形部分，而整個都是層片結構。由於轉速度高了，傳送設備所需要的尺寸可更小。所以當功率保持不變時，力矩更小了。而且，該裝置的轉子端部的生產公差可以大得多，也即製造的成本可降低。轉子1比較薄的部分最好為轉子長度的一半；直段構成最好為轉子長度的2／3。使定子的配螺槽8延長到轉子變窄的地方，也即間隙可加大。使轉子變窄也可以是為了產生取向，而且轉子也可以有一個可以使物料流過的開口；換言之，轉子最後區段的結構同本申請人的專利申請PCT／FI96／00261中公開的相似，此處引用該申請用於一切目的。
附圖和與此有關的描述僅僅是為了闡明本發明概念。本發明的具體細節可以在權利要求的範圍內改變。因此，例如術語「圓錐形」也包括拋物線形狀或雙曲線形狀，以及初始區段為尖細圓錐體而最後區段為圓柱形狀的的結構。同樣地，本裝置可以包括數個轉子和／或定子。而且，如果需要的話，轉子也可以安裝在定子的外面。
權利要求
1．一種由交聯聚乙烯製作的具有較厚外層和內層材料是阻擋塑料的多層塑料管材，其特徵在於，設置有阻擋層以防止外層的交聯產品的其餘部分不會遷移到產品的內表面。
2．根據權利要求1的一種塑料管子，其特徵在於，阻擋塑料是脂族聚酮。
全文摘要
本發明涉及一種製作塑料製品的方法和裝置,裝置至少包括一個轉子(1)和至少一個定子(2,3)以及一個設在它們之間的進料空隙(4),一個螺槽(7)位於進料空隙(4)的另一個側面上,當轉子(1)旋轉時,螺槽將待擠壓的物料強制從該裝置中擠出。螺槽(7)的橫截面始終大體保持不變。在進料空隙(4)的對側設有一個配螺槽(8),它的加工腔包括螺槽(7)、配螺槽(8)以及它們之間的間隙,加工腔沿擠壓機的軸線方向至少部分地連續減少。這樣,由於螺槽(7)的橫截面不變,物料的形變能就可以儘可能保持很小,而且由於設置了行程(7a,8a),物料就可以停留在螺槽(7)中。使物料的旋轉運動可以製作出層片狀塑料製品(11)。而且,可以有效地擠出採用別的方式難以加工的物料。
文檔編號B29CGK1289672SQ0012879
公開日2001年4月4日 申請日期2000年9月22日 優先權日1996年4月4日
發明者於裡·耶爾文屈萊, 卡裡·基裡亞瓦伊寧, 米凱爾·舍貝裡 申請人:烏波諾爾創新股份公司