一种基于多物理场协同作用的密炼加工装置

1.本实用新型实施例涉及但不限于高分子材料加工技术领域，特别是涉及一种基于多物理场协同作用的密炼加工装置。


背景技术：

2.目前，高分子材料在生活中占据着极其重要的作用，通过使用不同的加工方法和设备对高分子材料进行改性加工使其达到能够满足实际需求。常用的加工方法主要有挤出、注射、压延、混炼等，但是，使用这些加工方法对高分子材料进行加工时，高分子材料会出现在加工过程中导热效率低、熔融塑化过程所需的时间长、混合分散效果差的问题，极大地影响了高分子材料产物的机械性能。
3.伴随着淀粉、木粉、秸秆、木质素等可降解生物质材料越来越受到重视以及高性能功能型材料的不断出现，关于环境友好型、多功能、高品质高分子及其复合材料的实际需求也越来越高，这对高分子材料加工领域技术提出了更高的要求。因此，加工设备也必须要满足不断出现的新型材料和新加工工艺的要求。当前大多数高分子材料加工的通用手段基于热传导和剪切拖曳流变，这些加工方法会导致加工物料局部高剪切从而造成高分子材料降解和烧焦的现象，尤其是对于生物基高分子材料而言，这一现象更容易出现，因为生物基高分子材料内部分子内和分子间含有的氢键多，分解温度与熔融温度比较相近，使得材料难以热塑加工。


技术实现要素：

4.以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
5.本实用新型实施例提供了一种基于多物理场协同作用的密炼加工装置，能够降低高分子材料所需加工温度、强化物料拉伸作用、加快物料熔融塑化历程、提升物料混合分散效果和密炼质量。
6.本实用新型实施例提供了一种基于多物理场协同作用的密炼加工装置，包括密炼腔室、设置于所述密炼腔室内部的转子和定子、用于驱动所述转子的第一驱动装置、对称装配在所述密炼腔室内部两端的双柱塞和用于驱动所述双柱塞的第二驱动装置，所述转子的截面结构为凸圆弧与凹圆弧切线相接形成拓扑曲面结构，所述转子的表面形成高凸棱和低凸棱，所述高凸棱与所述转子的内圆相切，所述低凸棱与所述定子的内圆存在一定间隙，所述转子包括左转子和右转子，所述第一驱动装置用于驱动所述左转子和所述右转子做相对啮合旋转运动，以在所述定子的内腔形成高压腔和低压腔，所述第二驱动装置用于驱动所述双柱塞在所述密炼腔室内部做直线往复运动。
7.在一些实施例中，所述间隙的范围介乎于5um至50um。
8.在一些实施例中，所述第一驱动装置包括依次连接的驱动电机、减速器、联轴器、传动箱和双转子。
9.在一些实施例中，所述第二驱动装置为直线电机，所述直线电机驱动所述对称同心装配于定子两侧的双柱塞在所述密炼腔室内部做直线往复运动。
10.在一些实施例中，所述直线往复运动包括直线同向往复运动和直线反向往复运动。
11.在一些实施例中，还包括转动手轮和压料杆，所述密炼腔室的上端开有加料口，所述压料杆贯穿所述加料口，所述转动手轮控制所述压料杆上下运动以实现在所述炼腔室内的加料与压料动作。
12.在一些实施例中，还包括卸料装置，所述卸料装置包括下顶栓和卸料门，所述下顶栓与所述卸料门固定连接，所述卸料门可拆卸连接于所述密炼腔室的底部。
13.在一些实施例中，所述卸料门通过螺纹旋接于所述密炼腔室的底部。
14.在一些实施例中，所述双柱塞的振动频率和振幅可调，所述振动频率的可调范围为5hz至100hz，所述振幅的可调范围为1mm至10mm。
15.在一些实施例中，所述第二驱动装置为柱塞泵或者激振器。
16.本实用新型实施例包括：密炼加工装置包括密炼腔室、设置于密炼腔室内部的转子和定子、用于驱动转子的第一驱动装置、对称装配在密炼腔室内部两端的双柱塞和用于驱动双柱塞的第二驱动装置，转子的截面结构为凸圆弧与凹圆弧切线相接形成拓扑曲面结构，转子的表面形成高凸棱和低凸棱，高凸棱与转子的内圆相切，低凸棱与定子的内圆存在一定间隙，转子包括左转子和右转子，第一驱动装置用于驱动左转子和右转子做相对啮合旋转运动，以在定子的内腔形成高压腔和低压腔，对进入啮合间隙(高压腔)的高分子材料产生强烈压缩作用，相连低压腔由于容积增大而形成负压吸纳作用，从而实现对高分子物料的周期性压缩-释放流动加工。第二驱动装置用于驱动双柱塞在密炼腔室内部做直线往复运动，进一步加剧腔室内物料的周期性压缩-释放流动行为，从而实现双转子啮合运动与双柱塞往复运动协同进行的高分子低温强制密炼加工过程，大大加速物料熔融、混合、分散过程，有效提升高分子材料的密炼质量与产物性能。基于此，本装置能够降低高分子材料所需加工温度、强化物料拉伸作用、加快物料熔融塑化历程、提升物料混合分散效果和密炼质量。
17.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
18.附图用来提供对本实用新型技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型的技术方案，并不构成对本实用新型技术方案的限制。
19.图1为本实用新型一个实施例提供的密炼加工装置的结构示意图；
20.图2为本实用新型一个实施例提供的密炼腔室中各腔室区域的结构示意图；
21.图3为本实用新型一个实施例提供的左转子的结构示意图；
22.图4为本实用新型一个实施例提供的右转子的结构示意图；
23.图5为本实用新型一个实施例提供的加工过程示意图。
具体实施方式
24.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
25.应了解，在本实用新型实施例的描述中，多个(或多项)的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到“第一”、“第二”等只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
26.为了解决现有技术对高分子材料进行加工时，高分子材料会出现在加工过程中导热效率低、熔融塑化过程所需的时间长、混合分散效果差的技术问题，本实用新型实施例提供了一种基于多物理场协同作用的密炼加工装置，包括密炼腔室、设置于密炼腔室内部的转子和定子、用于驱动转子的第一驱动装置、对称装配在密炼腔室内部两端的双柱塞和用于驱动双柱塞的第二驱动装置，转子的截面结构为凸圆弧与凹圆弧切线相接形成拓扑曲面结构，转子的表面形成高凸棱和低凸棱，高凸棱与转子的内圆相切，低凸棱与定子的内圆存在一定间隙，转子包括左转子和右转子，第一驱动装置用于驱动左转子和右转子做相对啮合旋转运动，以在定子的内腔形成高压腔和低压腔，第二驱动装置用于驱动双柱塞在密炼腔室内部做直线往复运动。具体地，凸圆弧与凹圆弧切线相接形成特殊拓扑曲面结构的转子，转子表面形成一对高低凸棱，其中高凸棱与转子内圆相切，低凸棱则与定子内圆存在一定间隙；两根转子相对啮合旋转，在定子内腔形成高压腔和低压腔，对进入啮合间隙(高压腔)的高分子材料产生强烈压缩作用，相连低压腔由于容积增大而形成负压吸纳作用，从而实现对高分子物料的周期性压缩-释放流动加工；同时，对称装配的双柱塞做直线往复运动，进一步加剧腔室内物料的周期性压缩-释放流动行为，从而实现双转子啮合运动与双柱塞往复运动协同进行的高分子低温强制密炼加工过程，大大加速物料熔融、混合、分散过程，有效提升高分子材料的密炼质量与产物性能；此外，还可以在密炼腔室内引入自由水等小分子，利用腔室内的周期性强烈压缩-释放作用循环引发小分子的渗透-膨胀行为，能够产生蒸汽爆破，进一步加剧物料的塑化混合作用。基于此，本实用新型具有降低高分子材料所需加工温度、强化物料拉伸作用、加快物料熔融塑化历程、提升物料混合分散效果和密炼质量等优点。
27.在一些实施例中，驱动电机、减速器、联轴器、传动箱、双转子依次连接，驱动电机旋转驱动双转子做相对啮合旋转运动；双柱塞对称同心装配于定子两侧，并优选直线电机驱动而做直线往复运动，也可选择柱塞泵、激振器等驱动单元提供往复运动。
28.在一些实施例中，转动手轮、压料杆、加料口依次连接，转动手轮控制压料杆上下运动而实现加料与压料动作。
29.在一些实施例中，卸料装置包括下顶栓和卸料门，下顶栓与卸料门固定连接，卸料门通过螺纹旋接于所述密炼腔室的底部。
30.在一些实施例中，转子具有一高一低的圆弧凸棱，且转子的截面结构为凸圆弧与凹圆弧切线相接形成特殊拓扑截面结构。
31.在一些实施例中，转子的低凸棱与密炼加工装置定子内圆具有一定的间隙，该间隙大小优选为10um，其设计范围可为5～50um。
32.在一些实施例中，柱塞的振动频率和振幅可调，振动频率可调范围为5～100hz，振幅可调范围为1～10mm；双柱塞的运动方式优选为同向往复运动，也可调节为反向往复运动。
33.在一些实施例中，可通过同步调节转子转速、双柱塞的运动形式，实现对高分子物料作用强度和方式的协同调控。
34.需要说明的是，本装置尤其适用于加工淀粉、木粉、秸秆、木质素等生物基高分子材料，也可以用于pe、pp等高分子通用材料，但不限于这些材料。其中，加入的小分子材料优选为水、乙醇、液氮等小分子物质。需要指出的是，通过引入小分子物质，能够产生蒸汽爆破，从而周期性地体积压缩-释放协同蒸汽爆破所引发的系列爆炸效应，进一步加剧物料的塑化混合作用。
35.通过与现有的高分子材料加工设备相比较，本实用新型具备以下有益效果：
36.(1)利用特殊拓扑曲面结构转子的相对啮合旋转与对称布置的双柱塞直线往复运动相互协同，在密炼腔室内形成高压腔和低压腔，对进入啮合间隙的高分子物料产生压缩、吸纳作用，加剧腔室内物料的周期性压缩-释放作用，实现双转子啮合运动与双柱塞往复运动协同进行的高分子低温强制密炼加工过程，大大加速物料熔融、混合、分散过程，有效提升高分子材料的密炼质量与产物性能。
37.(2)利用特殊流场循环地引发水、乙醇、液氮等小分子物质蒸汽爆破，周期性地体积压缩-释放协同蒸汽爆破所引发的系列爆炸效应，进一步加剧物料的塑化混合作用。
38.(3)降低加工所需的温度、强化物料拉伸作用、加快物料熔融塑化历程、提升物料分散混合效果和产物密炼质量，尤其适用于淀粉、pva、木质素等生物基高分子材料的塑化混合中。
39.以下结合附图和具体实施例进一下说明本实用新型的密炼加工装置。
40.如图1至4所示，密炼加工装置包括压料杆1、转动手轮2、加料口3、上机体4、左转子5、下机体6、右转子7、双柱塞8、密炼空间9、下顶栓10、卸料门11、密炼腔室12；压料杆1、转动手轮2、加料口3、密炼腔室12、定子17。其中，密炼腔室12、上机体4、下机体6、双柱塞8、左转子5和右转子7形成密炼空间9，密炼空间9被两个转子分为腔室a13、腔室b14、腔室c15、腔室d16，密炼空间9与朝向卸料门11的一侧形成出料缺口，密炼空间9与背离卸料门11的一侧形成加料口3。压料杆1和转动手轮2固定连接，下顶栓10与卸料门11固定连接。
41.实施例一
42.在本实施例一中，转动手轮2控制压料杆1上下运动而实现加料与压料动作，压料杆5进入加料口3为密炼空间9内的物料提供压力，卸料装置包括下顶栓10和卸料门11，卸料时通过控制下顶栓10向下运动以开启的卸料门11，卸料完成后控制下顶栓10向上运动以关闭卸料门11。
43.在需要对高分子材料进行密炼时，转动转动手轮2以驱动压料杆1对从加料口3的高分子材料进行加压；驱动电机带动左转子5、右转子7相对啮合旋转，以使从加料口3压紧的高分子材料进入两个转子形成的腔室b14，随着两个转子被驱动电机带动啮合旋转，高分子材料从腔室b14向腔室a13、腔室c15、腔室d16运动，腔室b14为高压腔，而腔室a13、腔室c15、腔室d16均为低压腔，使其受到压缩-释放的作用。随着转子的不断旋转，腔室a13、腔室d16内部的压力逐渐变大，高分子材料再次受到吸纳力进入腔室b14中，如此循环。与此同
时，驱动电机驱动对称装配的双柱塞8做直线往复运动，双柱塞8每完成一次往复直线运动，密炼空间9的腔室体积就完成一次由大变小，再由小变大的一个周期的变化，进一步加剧腔室内物料的周期性压缩-释放流动行为，从而实现双转子啮合运动与双柱塞往复运动协同进行的高分子低温强制密炼加工过程，大大加速物料熔融、混合、分散过程，有效提升高分子材料的密炼质量与产物性能；以进一步的提升密炼加工装置对高分子材料的密炼能力，从而实现高分子材料高效密炼的目的。
44.实施例二
45.在高分子材料进行基于此密炼方法和装置的密炼时，可以引入水、乙醇、液氮等小分子，利用体积周期性地压缩-释放和蒸汽爆破引起的爆炸效应的过程，加强高分子材料的塑化能力，使其混合分散更均匀。具体密炼过程示意图如图5所示，当高分子材料和水等小分子物质混合进入密炼腔室12内啮合旋转左转子5和右转子7的腔室b14，高分子材料和水等小分子物质在腔室b14内受到的压力随着两个转子的互相啮合逐渐增大，且高分子材料和水等小分子物质向低压腔腔室a13、腔室c15内运动，受到压缩-释放作用。与此同时，水等小分子物质在密炼加工装置密炼过程中受到加热作用，产生蒸汽爆炸。而由驱动电机驱动的对称装配的双柱塞8做直线往复运动，使密炼空间9内的压力形成有小到大、再由大到小的循环，进一步加剧腔室内物料的周期性压缩-释放流动行为。通过两个转子的相互旋转啮合、水等小分子物质的蒸汽爆炸和对称装配的双柱塞8做直线往复运动的协同作用，几种高分子材料形成的混合物在密炼腔室12中经历周期性地体积压缩-释放协同蒸汽爆破所引发的系列爆炸效应，由于在周期性的体积压缩-释放作用产生的外力和水蒸汽爆破效应所产生的内力的协同作用下，实现双转子啮合运动与双柱塞往复运动协同进行的高分子低温强制密炼加工过程，大大加速物料熔融、混合、分散过程，有效提升高分子材料的密炼质量与产物性能，以制备出一种高性能、混合均匀的聚合物。
46.以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的共享条件下还可作出种种等同的变形或替换，这些等同的变形或替换均包括在本实用新型权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种基于多物理场协同作用的密炼加工装置，其特征在于，包括密炼腔室、设置于所述密炼腔室内部的转子和定子、用于驱动所述转子的第一驱动装置、对称装配在所述密炼腔室内部两端的双柱塞和用于驱动所述双柱塞的第二驱动装置，所述转子的截面结构为凸圆弧与凹圆弧切线相接形成拓扑曲面结构，所述转子的表面形成高凸棱和低凸棱，所述高凸棱与所述转子的内圆相切，所述低凸棱与所述定子的内圆存在一定间隙，所述转子包括左转子和右转子，所述第一驱动装置用于驱动所述左转子和所述右转子做相对啮合旋转运动，以在所述定子的内腔形成高压腔和低压腔，所述第二驱动装置用于驱动所述双柱塞在所述密炼腔室内部做直线往复运动。2.根据权利要求1所述的密炼加工装置，其特征在于，所述间隙的范围介乎于5um至50um。3.根据权利要求1所述的密炼加工装置，其特征在于，所述第一驱动装置包括依次连接的驱动电机、减速器、联轴器、传动箱和双转子。4.根据权利要求1所述的密炼加工装置，其特征在于，所述第二驱动装置为直线电机，所述直线电机驱动对称同心装配于定子两侧的所述双柱塞在所述密炼腔室内部做直线往复运动。5.根据权利要求4所述的密炼加工装置，其特征在于，所述直线往复运动包括直线同向往复运动和直线反向往复运动。6.根据权利要求1所述的密炼加工装置，其特征在于，还包括转动手轮和压料杆，所述密炼腔室的上端开有加料口，所述压料杆贯穿所述加料口，所述转动手轮控制所述压料杆上下运动以实现在所述炼腔室内的加料与压料动作。7.根据权利要求1所述的密炼加工装置，其特征在于，还包括卸料装置，所述卸料装置包括下顶栓和卸料门，所述下顶栓与所述卸料门固定连接，所述卸料门可拆卸连接于所述密炼腔室的底部。8.根据权利要求7所述的密炼加工装置，其特征在于，所述卸料门通过螺纹旋接于所述密炼腔室的底部。9.根据权利要求1所述的密炼加工装置，其特征在于，所述双柱塞的振动频率和振幅可调，所述振动频率的可调范围为5hz至100hz，所述振幅的可调范围为1mm至10mm。10.根据权利要求1所述的密炼加工装置，其特征在于，所述第二驱动装置为柱塞泵或者激振器。

技术总结
本实用新型公开一种基于多物理场协同作用的密炼加工装置，包括密炼腔室、设置于所述密炼腔室内部的转子和定子、用于驱动所述转子的第一驱动装置、对称装配在所述密炼腔室内部两端的双柱塞和用于驱动所述双柱塞的第二驱动装置，所述转子的截面结构为凸圆弧与凹圆弧切线相接形成拓扑曲面结构，所述转子表面形成一对高低凸棱，其中高凸棱与所述转子内圆相切，低凸棱则与所述定子内圆存在一定间隙；所述转子包括左转子和右转子，所述两转子相对啮合旋转，以在所述定子的内腔形成高压腔和低压腔，所述第二驱动装置用于驱动所述双柱塞在所述密炼腔室内部做直线往复运动。基于此，密炼加工装置能够降低加工温度、减短塑化时间、提升密炼质量与产物性能。升密炼质量与产物性能。升密炼质量与产物性能。


技术研发人员：徐文华 李坤 欧阳东煌 周晓琳 喻慧文 王琼瑶 徐百平
受保护的技术使用者：五邑大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/9/20