МИНИ-ЭКСТРУДЕР
MINI-EXTRUDER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к экструдеру для обработки материала, содержащему цилиндр экструдера, заключающий в себе канал и, по меньшей мере, один шнек экструдера, установленный внутри упомянутого канала, причем канал содержит расположенную вверх по потоку впускную часть для подачи материала для обработки и расположенную вниз по потоку выпускную часть, соединяемую с выходом экструдера для переработанного в экструдере материала.
В зависимости от типа материала обработка может включать смешение, перемешивание и/или расплавление. Например, термопластические материалы, особенно полимеры или полимерные композиции, могут расплавляться в разогретом экструдере и принимать форму в расплавленном состоянии, например, в качестве опытных образцов. В этом же самом процессе могут примешиваться присадки. Иначе, материалы, не относящиеся к термопластическим, например продукты питания или другие съестные припасы, могут смешиваться с другими компонентами в экструдере и в качестве смеси получать заданную форму, например пленки или гранул.
В частности, экструдер, в соответствии с изобретением, является экструдером, имеющим ограниченный размер и полезный объем, что делает его пригодным для расплавления и перемешивания полимерных материалов, которые присутствуют только в небольших количествах. Их пропускная способность может быть в пределах от 0,05 г/мин до около 10 г/мин, или, в случае если экструдер относится к типу (экструдеров) с порционной загрузкой, то их полезный объем может быть в пределах от 5 до 50 мл. Экструдеры такого типа могут, в частности, применяться в лабораторных условиях для переработки в опытные образцы фракций и смесей экспериментального материала, которые обычно присутствуют только в небольших количествах. Рабочие количества могут быть в пределах от 50 г и ниже, до 15 г и даже всего лишь 5 граммов. Придание формы опытным образцам осуществляется способом, известным по экструдерам в промышленном производстве, посредством подачи смешенного и/или расплавленного материала к расположенному вниз по потоку выходу канала экструдера через мундштук или в пресс-форму соответствующей конфигурации.
Уровень техники
Такой экструдер известен из патента США №4695240. В этой публикации показывается, что небольшие экструдеры не могут создаваться с легкостью посредством уменьшения в масштабе линейных размеров больших промышленных экструдеров. Для обеспечения достаточного рабочего ресурса цилиндры экструдера должны быть относительно длинными, тогда как шнек экструдера в таком случае выполняется относительно тонким. Следует быть готовым к разрушению шнека из-за больших усилий кручения, вызываемых изменением вязкости обрабатываемого полимера. Проблемы, связанные с уменьшением в масштабе, решаются там с помощью введения зоны отвода тепла между впускной и выпускной частями канала экструдера. Утверждается, что их конструкция устраняет проблему преждевременного разрушения шнеков экструдера, связываемого с уменьшением масштаба обычного экструзионного устройства. В документе, однако, не раскрывается, как предлагаемой мерой в действительности устраняют эту проблему.
Раскрытие изобретения
Цель изобретения - создание экструдера, имеющего цельную конструкцию и подходящую для того, чтобы обрабатывать широкий спектр полимерных материалов, присутствующих в небольших количествах.
Эта цель достигается в соответствии с изобретением тем, что, по меньшей мере, шнек экструдера имеет отношение длины к диаметру менее чем 20:1, тем, что экструдер, кроме того, содержит, по меньшей мере, один циркуляционный канал, проходящий в цилиндре от выпускной части канала и, по меньшей мере, два циркуляционных выхода, которые соединяют циркуляционный канал с каналом, расположенным рядом вверх по потоку до выпускной части, и тем, что он, кроме того, содержит устройство для направления материала, по меньшей мере, в один циркуляционный канал и циркуляционные выходы и/или выход экструдера.
Таким образом, в экструдере в соответствии с изобретением, по меньшей мере, один шнек является положительно цельным, тогда как посредством направления потока материала в экструдере через циркуляционный(е) канал(ы) (с возможностью повторного цикла) к специальным циркуляционным выходам (с возможностью повторного цикла) полезный объем материала, который может циркулировать в экструдере, можно изменяться, делая возможным приспосабливание экструдера к количеству имеющегося в наличии материала.
В одном предпочтительном варианте выполнения экструдер содержит циркуляционный канал, имеющий, по меньшей мере, два циркуляционных выхода. Это требует наличия в цилиндре только одного канала и, тем не менее, обеспечивает экструдер, полезный объем которого может изменяться. Посредством выбора использования, по меньшей мере, одного из двух циркуляционных выходов длина канала, который действительно используется для циркуляции вещества, может изменяться и соответственно изменяется используемый объем. Клапаны, расположенные между каналом и циркуляционными выходами в качестве устройства для направления материала, могут задействоваться для определения заданного объема. Обычно, по меньшей мере, один циркуляционный выход заканчивается во впускную часть канала, а другие выходы заканчиваются в расположенном ниже по потоку месте. Чем ниже по потоку используется выход, тем короче период времени, в течение которого материал смешивается или, иным образом, обрабатывается посредством шнека экструдера. Это предоставляет возможность выбирать требуемое равновесие между периодом, на протяжении которого материал только транспортируется по каналу и периодом, во время которого он перемешивается и смешивается посредством шнека экструдера.
В другом варианте предпочтительного выполнения есть, по меньшей мере, два циркуляционных канала (с возможностью повторного цикла), при этом каждый содержит, по меньшей мере, один циркуляционный выход (с возможностью повторного цикла). Таким образом, например, при соответствующем расположении клапанов, ни один, один или два клапана не могут использоваться для изменения объема циркулирующего в экструдере материала. В варианте особенно предпочтительного выполнения, по меньшей мере, два циркуляционных канала имеют разные объемы, например, создаваемые за счет выполнения поперечного сечения различной площади или разных отрезков длины. При альтернативном способе для изменения объема циркуляционного канала этот канал проходит выше наиболее высоко расположенного циркуляционного выхода и заканчивается отверстием в стенке корпуса экструдера. Затем с внешней стороны плотно подогнанный в циркуляционном канале затвор может вставляться в канал для перекрытия одного или более циркуляционных выходов, таким образом, вынуждая циркулирующий материал протекать по циркуляционным каналам, которые не перекрываются затвором. Посредством введения затвора более или менее глубже в циркуляционный канал, можно выборочно определять количество перекрываемых циркуляционных каналов. В варианте, когда цилиндр состоит из двух и более частей, которые могут поворачиваться по оси в сторону для освобождения шнека экструдера, могут использоваться вставки для перекрытия циркуляционных выходов или для соединения их, при необходимости, с циркуляционным каналом. Преимущество этих альтернативных способов состоит в том, что нет необходимости в каких-либо клапанах для открытия и закрытия циркуляционных выходов.
Также могут выполняться сочетания циркуляционных каналов, содержащих только один, или содержащих более чем один циркуляционный выход, или имеющих различные отрезки длины, что предлагает возможность использования вариантов с весьма разными полезными объемами. Наличие каналов с разной площадью поперечного сечения делает экструдер подходящим для обрабатывания материалов, имеющих различную вязкость расплавов, с более узким каналом - подходящим при высокой вязкости, с более широким каналом - для материалов с более низкой вязкостью.
Соответствующее время может быть затрачено на обработку для обеспечения необходимой степени нагревания и смешивания достаточного количества полимера посредством циркуляции обрабатываемого полимера в канале экструдера и соединенных с ним циркуляционных каналах в определенный период времени до фактической подачи материала к выходу экструдера. Экструдер, таким образом, устраняет необходимость иметь в наличии несколько различных экструдеров, каждый из которых подходит для обрабатывания определенного количества полимерного материала. Это особенно относится к лабораторным условиям, где стремятся иметь в наличии только небольшое экспериментальное количество материала.
По патенту США №6129450 известен небольшой экструдер, в котором есть в наличии канал с обратной связью, соединяющий впускную и выпускную части канала экструдера. Обрабатываемый полимер циркулирует из канала цилиндра в канал с обратной связью для того, чтобы получать ламинарное течение, реологические параметры которого измеряются датчиками в канале обратной связи. Диаметр канала должен быть довольно большим для того, чтобы получать стационарное ламинарное течение.
В том документе отсутствует то, что лежит в основе настоящего изобретения, т.е. то, что может быть создан экструдер с разными полезными объемами посредством обеспечения, по меньшей мере, двух различных выходов в канал экструдера.
Экструдер сконструирован так, что длина, по меньшей мере, одного шнека является относительно короткой по сравнению с его диаметром, их соотношение меньше чем 20:1, предпочтительно меньше чем 15:1 или даже меньше чем 10:1. Когда применяется конический шнек, тогда в качестве диаметра должен считываться его наибольший диаметр. Такие шнеки могут более легко противостоять силам кручения, проявляющимся при обрабатывании полимерного материала в цилиндре, чем известные шнеки уменьшенного масштаба.
Экструдеры, как таковые, известны в области техники и обычно содержат металлический корпус или цилиндр, заключающий в себе пустотелый, преимущественно осевой, канал цилиндра, в котором содержится один или более вращающиеся шнеки, имеющие функциональное назначение смешивания и перемещения. В верхней, вверху по потоку, впускной части канала цилиндра находится впускное отверстие для подачи материала в экструдер для обработки. Подаваемый материал обрабатывается посредством вращения, по меньшей мере, одного шнека, тогда как цилиндр может нагреваться для расплавления материала, а посредством соответствующей конфигурации шнека совершается должное перемешивание и перемещение к расположенной вниз по потоку выпускной части цилиндра. Цилиндр заканчивается выходным отверстием на внешней стороне экструдера, что дает возможность перемешенному и/или расплавленному материалу выходить из экструдера в результате перемещающего воздействия, по меньшей мере, одного шнека. Выходное отверстие экструдера может оснащаться экструзионной головкой, приводящей к выводу материала по форме той экструзионной головки, конфигурация которой сохранится посредством охлаждения расплавленного выходного потока. Выпуск также может быть присоединенным к пресс-форме, заключающей в себе полость требуемой формы. Эта полость затем заполняется расплавленным материалом и после охлаждения получается изделие, имеющее форму полости. Такая полость может, например, иметь форму заданного опытного образца для испытаний по определенной методике.
В экструдере, в соответствии с изобретением, по меньшей мере, есть в наличии один канал и, по меньшей мере, два циркуляционных выхода, которые соединяют выпускную часть канала цилиндра с местом, расположенным вверх по потоку, вследствие того. Этим способом могут создаваться контуры, по которым перемещаемый шнеками материал, при достижении выходной части отверстия цилиндра, поступает в потоке в один или более из циркуляционных каналов и по этому каналу (этим каналам) по одному или более циркуляционным выходам течет обратно к каналу цилиндра, где он опять поступает к шнеку (шнекам) и перемещается вниз по потоку опять по цилиндру. Таким образом, поток расплавленного полимерного материала может циркулировать до тех пор, пока он не будет перемешанным и расплавленным в достаточной степени для вытеснения его через выход экструдера и придания ему заданной формы, как описывается выше.
В варианте предпочтительного выполнения, по меньшей мере, есть в наличии один циркуляционный канал, который содержит, по меньшей мере, два циркуляционных выпуска в канал цилиндра. Таким способом является возможным реализовывать два и даже три разных полезных объема посредством только одного циркуляционного канала, что делает конструкцию легче.
В другом предпочтительном варианте выполнения, по меньшей мере, в наличии есть два циркуляционных канала, которые отличаются по их объему, например, по причине разницы в длине и/или из-за разницы в площади их поперечного сечения, перпендикулярного направлению их длины.
Еще в одном предпочтительном варианте выполнения, по меньшей мере, есть два циркуляционных канала (с возможностью повторного цикла), которые отличаются по площади их поперечного сечения и по их длине.
Эти различия предоставляют возможность изменения циркулирующих объемов в широком диапазоне и когда в наличии есть каналы, имеющие различные площади поперечного сечения для того, чтобы обеспечивать циркулирование композиций с различной вязкостью. Канал с увеличенным поперечным сечением дает возможность циркуляции веществ с большей вязкостью, канал с меньшим поперечным сечением может использоваться для более легко текучих веществ.
Собственно клапанная система располагается между выпускной частью цилиндра и выходом экструдера и, если применяется, внутри циркуляционного канала, содержащего более чем один циркуляционный выход, для того чтобы определять заданные пути потока через один или более циркуляционных каналов и к одному или более их выходов, или непосредственно к выходу экструдера. Каналы обычно проходят внутри цилиндра, но они также могут проходить снаружи его. Если материалы обрабатываются в расплавленном состоянии, цилиндр экструдера и любой проходящий снаружи канал нагреваются для того, чтобы поддерживать протекающий в них материал в расплавленном состоянии.
Форма канала цилиндра может быть цилиндрической или конической. В варианте, когда в наличии есть два шнека, канал цилиндра является, по существу, выполненным в виде цифры восемь с двумя частично совпадающими цилиндрическими или коническими каналами цилиндра, в каждом канале в наличии есть цилиндрический или конический шнек. Такие конструкции являются известными, по существу, как экструдеры с одним или несколькими шнеками. В данной области техники известны также экструдеры, содержащие более чем два шнека и с возможным использованием в экструдере в соответствии с изобретением. Если в наличии есть два шнека, то эти шнеки могут вращаться в противоположных направлениях, но предпочтительно они вращаются в одном направлении. Это оказалось высокоэффективным устройством для быстрого перемешивания и которое обеспечивает перемещение по заданному пути.
Краткое описание чертежа
Изобретение, кроме того, поясняется чертежом, где изображен экструдер, выполненный с одним шнеком, в поперечном разрезе, причем содержащий два циркуляционных канала, из которых один имеет более чем один циркуляционный выход. Чертеж представляет один из рабочих образцов по настоящему изобретению, но не ограничивается объемом настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
На чертеже экструдер 1 изображается с цилиндром 3 экструдера. В цилиндре 3 экструдера в наличии есть цилиндрический канал 5, оканчивающийся выходом экструдера 7 в его расположенной внизу по потоку выпускной частью. Данный выход соединяется с трехлинейным клапаном 9, который может направлять поток материала, который перемещается вниз по потоку посредством шнека 11 экструдера к одному или двум циркуляционным каналам 13 и 15 для циркуляции с возможностью повторного цикла или к выходу 17 для выпуска из экструдера. Выход 17 может предназначаться для придания заданной формы выпускаемому потоку материала по нему или через соединенную с этой целью с выходом 17 экструзионную головку (не показана), имеющую заданную конфигурацию выпуска.
Канал 15 содержит три циркуляционных выхода 19, 21 и 23, открывающиеся в канал 5 цилиндра, с различным по высоте расположением вверх по потоку. Клапаны 25, 27 и 29 выполняются для открытия и закрытия выходов 19, 21 и/или 23, как требуется, таким образом, изменяя полезный объем экструдера и/или период циркуляции и время на перемешивание/смешение, как часть общего периода времени циркуляции. Клапан 29 может исключаться и служит в основном для того, чтобы предотвратить возможность поступления материала из канала цилиндра экструдера в выходной канал 23, что может произойти, когда экструдер переполняется. По этой же причине клапан может находиться в циркуляционном выходе, расположенном вверху по потоку циркуляционного канала 13.
Канал 13 с диаметром, отличным от канала 15, проходит непосредственно от выпускной части 7 канала цилиндра, вследствие того, обратно к впускной части.
Подающий канал для подачи основной необработанной массы материала к экструдеру не показывается в данном чертеже и располагается вверху по потоку до циркуляционного выхода 23 с возможностью повторного цикла.