單螺桿塑化機(jī)、一組設(shè)備和用于塑化輸出物的方法
【專利說明】單螺桿塑化機(jī)、一組設(shè)備和用于塑化輸出物的方法
[0001] 本發(fā)明涉及一種用來輸送、熔化、均化和壓制（即塑化）輸出物的單螺桿塑化機(jī)， 以及一種用于輸送、熔化、均化和壓制（即塑化）輸出物的方法。
[0002] 尤其是，該"輸出物"包括塑料，特別是熱塑性的聚合物（必要時(shí)帶有粉末狀或纖 維狀的添加物），以及食品。
[0003] 該"單螺桿塑化機(jī)"可以特別是擠出機(jī)，這樣本發(fā)明特別涉及一種用于熱塑性的聚 合物的單螺桿擠出機(jī)和一種利用這種擠出機(jī)塑化熱塑性的聚合物的方法。
[0004] 單螺桿塑化機(jī)在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)廣為人知。在肖普內(nèi)、沃爾克《擠出裝置的工藝設(shè) 計(jì)》，公開出版物"進(jìn)展報(bào)告VDI"，系列3,第715號(hào)，杜塞爾多夫，VDI出版2001年，國際標(biāo) 準(zhǔn)書號(hào)3-18-371503-1，于第4. 2章節(jié)中已有關(guān)于它們的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)計(jì)算的詳細(xì)說明。
[0005] 從專利文獻(xiàn)DE1022017686A1中可以得到關(guān)于單螺桿塑化機(jī)的具體建議。
[0006] 單螺桿塑化機(jī)經(jīng)常以例如擠出機(jī)的形式存在或存在塑料澆鑄機(jī)中。在此應(yīng)當(dāng)特別 注意的是，在擠出機(jī)的內(nèi)部，部分設(shè)備（能夠）用于制造型材、管材、薄膜、吹塑件、板材、長 絲、非織造物、帶子、半成品、軟管、電纜、顆粒、復(fù)合物或泡沫半成品。
[0007] 對(duì)于塑化機(jī)提出了以下大量要求：為了能夠很好地設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)在不同的對(duì)壓情況 下能夠維持盡可能恒定的傳輸速度。此外，應(yīng)當(dāng)在最佳的預(yù)設(shè)的擠出溫度下實(shí)現(xiàn)待處理的 輸出物的良好的均勻化。此外，它應(yīng)當(dāng)能夠處理盡可能廣范的多樣性材料，但是同時(shí)消耗低 的有效能量并由此整體上對(duì)資源有利。除了通常要求實(shí)現(xiàn)盡可能好的性價(jià)比之外，它應(yīng)當(dāng) 是超水平地具有占地面積小、噪音低、可用性高、耐磨損和益于維修的優(yōu)點(diǎn)。擠出機(jī)的制造 商特別感興趣的是后者，以能夠?qū)τ诓煌耐掏铝亢退芰咸峁┛煽康臄D出機(jī)。
[0008]自工業(yè)化以來，擠出機(jī)構(gòu)造成在預(yù)設(shè)的螺桿直徑的條件下，根據(jù)工藝條件（即根 據(jù)壓力、所用的聚合物的類型、模塑溫度和均勻性等）達(dá)到相應(yīng)的吞吐能力或吞吐量范圍。
[0009] 如果應(yīng)當(dāng)在維持其他工藝條件的情況下提高吞吐能力，一般需要按照物理的相似 定律來增大螺桿直徑。長度與直徑的比值（其在技術(shù)領(lǐng)域中通常稱為L/D)保持相同，或擠 出機(jī)由于熔化問題和停留時(shí)間問題而變得更長。這導(dǎo)致工程師力爭建立具有盡可能小的螺 桿直徑的擠出機(jī)。
[0010] 為了提升產(chǎn)出能力m，原則上必須提高空閑的通道體積，并且相應(yīng)地調(diào)整停留時(shí) 間，以便材料完全熔化。但是不能任意地增大螺桿通道體積，這是因?yàn)槁輻U還必須傳輸需要 的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，最終必須增大螺桿直徑。
[0011] 為了避開位置緊湊的擠出機(jī)的缺點(diǎn)，在過去的十年里研發(fā)了快速轉(zhuǎn)動(dòng)的單螺桿擠 出機(jī)。實(shí)際常見的擠出機(jī)具有35毫米到100毫米的直徑D，并且具有30D到40D的圓柱體 長度L，以及具有超過1米/秒的圓周速度。
[0012] 缺點(diǎn)是，通過高的圓周速度，材料10被大大剪切，熔化溫度的高度由工藝條件決 定，并且加工窗口較窄。
[0013] 但是，最終所有市場常見的方案很難做到提供事實(shí)上不依賴于螺桿直徑的、根據(jù) 相似定律可自由規(guī)劃的通用的擠出機(jī)。對(duì)此有以下幾個(gè)原因：首先，傳輸能力取決于聚合物 與鋼之間以及聚合物內(nèi)部的摩擦系數(shù)，因此它取決于通道深度、通道寬度和聚合物特性，這 就是說由于滑動(dòng)特性和粘附特性是相似理論方面不能反映的，因此沒有真正意義的物理相 似性。于是，熔化能力不是正好與停留時(shí)間和與剪切能量成比例。最后，不同的聚合物在粘 度、熔化焓、摩擦系數(shù)和形態(tài)方面不是物理相似的。
[0014] 因此，當(dāng)前以經(jīng)驗(yàn)和工藝方面的知識(shí)個(gè)性化地優(yōu)化擠出機(jī)來適應(yīng)所提出的各種任 務(wù)。具體來說，技術(shù)人員通過以下方式開始設(shè)計(jì)擠出機(jī)用于滿足邊界條件，即采用小的、成 熟的擠出機(jī)用作輸出幾何體的裝置，在這種輸出幾何體的裝置中開始運(yùn)用物理的相似定 律，然后在后續(xù)的迭代的細(xì)化步驟中改進(jìn)擠出機(jī)的工作性能。在此情況下不能保證，如此構(gòu) 造的擠出機(jī)還能夠達(dá)到成熟的具有這種輸出幾何體的擠出機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量。
[0015] 在實(shí)際應(yīng)用中，擠出機(jī)的已知參數(shù)范圍為：
[0016]
[0017]
[0018] 在格哈德?申克爾的《塑料擠出機(jī)技術(shù)》中，S卩《用于塑料的螺桿擠壓機(jī)》一書的第 二版，卡爾?漢澤出版社，慕尼黑，1963年，于第167-169頁中進(jìn)行了不同的計(jì)算用來理解力 學(xué)模型規(guī)律，其中在一個(gè)例子中，對(duì)于其他的數(shù)值按照模型類似計(jì)算的擠出機(jī)的L/D比值 在150毫米直徑D的情況下為大約3. 2,在第169頁中提到，對(duì)于這種計(jì)算可能可以是"相 當(dāng)短的螺桿"，但是這個(gè)理論的建議不能視為該問題的可實(shí)現(xiàn)的解決方案。
[0019] 實(shí)際應(yīng)用中同樣還有：自70年代以來，特別是由于引進(jìn)溝槽套筒擠出機(jī)和快速轉(zhuǎn) 動(dòng)的單螺桿擠出機(jī)，相應(yīng)的幾何體被歸為非經(jīng)濟(jì)的。低的吞吐量相對(duì)于高的回壓由于大的 螺桿直徑被認(rèn)為是缺點(diǎn)。因此在過去的40多年里，科學(xué)界力爭從盡可能小的和長的擠出機(jī) 中獲得高的輸出能力，即具有大的L/D比值。在實(shí)際應(yīng)用中，自70年代起，對(duì)于快速轉(zhuǎn)動(dòng)螺 桿（快速轉(zhuǎn)動(dòng)的螺桿的特征在于以大于lm/s的圓周速度運(yùn)行）而言，螺桿長度從大約20L/ D甚至朝著直到40L/D的方向發(fā)展。
[0020] 在熱橡膠擠出機(jī)的領(lǐng)域中或通常橡膠擠出機(jī)的領(lǐng)域中，可以有具有大直徑的很短 的擠出機(jī)，像例如在洛薩?科斯特的《橡膠擠出的實(shí)踐》中，卡爾?漢澤出版社，慕尼黑，國際 標(biāo)準(zhǔn)書號(hào)978-3-446-40772-5,于第5頁的表中有所提及；還由詹姆斯?懷特，赫爾穆特?波 坦特在《螺桿擠出》中證實(shí)，漢澤出版社，國際標(biāo)準(zhǔn)書號(hào)3-446-19624-2。其中討論了橡膠擠 出機(jī)在結(jié)構(gòu)上明顯較短，并且在塑料擠出機(jī)中用水進(jìn)行回火，而不是用電或者用油進(jìn)行回 火。當(dāng)橡膠預(yù)熱送入擠出機(jī)時(shí)（添加溫度=60-90°C)，那么熱吞的擠出機(jī)可以從14-20L/ D減小到6-12L/D。
[0021] 然而，用于橡膠或熱橡膠的擠出機(jī)與這里本發(fā)明客體的設(shè)計(jì)無關(guān)，這是因?yàn)樵谟?于橡膠或熱橡膠的擠出機(jī)中不涉及熔化和塑化輸出物。由于橡膠或熱橡膠原來已經(jīng)具有需 要的性能。因此，橡膠可以例如在室溫下填入擠出機(jī)，并且于多數(shù)情況下在90°C和130°C之 間離開擠出機(jī)。如果達(dá)到太高的溫度，那么橡膠20會(huì)快速地?fù)p壞。處理溫度要低于130°C。 此外，在加工期間橡膠沒有經(jīng)歷固體/液體相變。此外，橡膠一般以帶狀的形式送入擠出機(jī) 中，這樣不需要如添加熱塑性的聚合物的顆粒那樣進(jìn)行壓縮。相反，橡膠擠出機(jī)的主要任務(wù) 是連續(xù)地傳輸，均勻地加熱橡膠和構(gòu)建擠出壓力。
[0022] 相反，熱塑性的塑料在170°C至350°C的溫度下進(jìn)行處理。如在本專利申請(qǐng)中所述 的那樣，它在擠出機(jī)中額外地進(jìn)行壓縮和熔化，即必然會(huì)發(fā)生固體/液體相變。
[0023] 本發(fā)明的目的在于為現(xiàn)有技術(shù)提供改善方案或者替代方案。
[0024] 按照本發(fā)明的第一個(gè)方面，上述任務(wù)可以通過一種用于輸送、熔化和均化輸出物 的單螺桿塑化機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其中所述單螺桿塑化機(jī)帶有具有螺桿直徑和有效長度的螺桿，并 且其中所述單螺桿塑化機(jī)設(shè)置成用于在運(yùn)行中借助控制器以圓周速度轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿，其中遵循 以下三個(gè)參數(shù)范圍中的兩個(gè)或所有參數(shù)范圍，即：
[0025] ?螺桿直徑D為至少150毫米，尤其是200毫米至800毫米，
[0026] ?有效長度L相對(duì)于螺桿直徑D的比值L/D為1到8,或者。
[0027] ?控制器設(shè)置成用于以低于1. 5m/s的圓周速度驅(qū)動(dòng)螺桿，優(yōu)選地低于1.Om/s，特 別優(yōu)選在〇. 〇5m/s與1.Om/s之間。
[0028] 在給定的參數(shù)范圍內(nèi)，以下中間值可以理解為具體一起公開的，如此通過以下可 以選擇性地限制上述區(qū)間邊界值：
[0029] ?備選地，螺桿直徑D應(yīng)當(dāng)為至少150、200、300、400、500、600、700或800毫米，和 /或
[0030] ?備選地，螺桿直徑D應(yīng)當(dāng)為至多500、600、700、800毫米或者更多，和/或
[0031] ?備選地，L/D的比值