Устройство для смешивания вязких полимерных материалов

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ ВЯЗКИХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ , содержащее камерусмешения с дном и коаксиально ра змещенные в ней вал и шток, смонтированные с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга и камеры смешения, причем вал снабжен смесительным элементом на его нижнем конце, а шток сопряжен с валом по внутренней поверхности, отличающееся тем, что, с целью расширения технологических возможностей ,устройства, за счет увеличения диапазона смешиваемых материалов и обеспечения формования композиции в виде монолитного блока, смесительный элемент смонтирован с образованием с внутренней поверхностью камеры смешения зазора для перетока материала и выполнен с канавками на боковой поверхности, при этом Ц1ТОК сопряжен по торцовой поверхности с поверхностью смесительного элемента и по наружной поверхности - с -внутренней поверхностью камеры смешения, дно которой смонтировано с возможностью перемещения относительно продольной ее оси. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 1102680 А (д1) В 29 В 1/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3571655/23-05 (22) 07.04.83 (46) 15.07.84. Бюл. № 26 (72) Б. С. Лиознов, А. П. Краснов.

И. А. Грибова и В. В. Коршак (71) Институт элементоорганических соединений АН СССР (53) 678.053.3 (088.8) (56) 1. Богданов В. В. и др. Смешение полимеров. Л., «Химия», 1979, с. 104.

2. Авторское свидетельство СССР № 812330, кл. В 29 В 1/06, 1976 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ ВЯЗКИХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащее камеру смешения с дном и коаксиально размещенные в ней вал и шток, смонтированные с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга и камеры смешения, . причем вал снабжен смесительным элементом на его нижнем конце, а шток сопряжен с валом по внутренней поверхности, отличающееся тем, что, с целью расширения технологических возможностей устройства, за счет увеличения диапазона смешиваемых материалов и обеспечения формования композиции в виде монолитного блока, смесительный элемент смонтирован с образованием с внутренней поверхностью камеры смешения зазора для перетока материала и выполнен с канавками на боковой поверхности, при этом шток сопряжен по торцовой поверхности с поверхностью смесительного элемента и по наружной поверхности — с .внутренней поверхностью камеры смешения, дно которой смонтировано с возможностью пе- @ ремещения относительно продольной ее оси.

l 102(i8() 45

55

Изобрсfñíèñ относится к оборудованию для переработки пластмасс, а именно к устройствам для смешивания вязких полимерных материалов и может быть использовано в хим и чес кой промышленность для приготовления мпогокомпонентных систем íà основе полимеров, а том числе и термостойких путем смешения наполнителей и необходимых ингредиентов с высокомолекулярными связующими, находящимися в вязкотекучем состоянии.

Известен роторный смеситель закрытого типа для периодического смешения высоковязких полимеров, содержащий камеру смешения, затворы загрузки и выгрузки компонентов и роторы, которые вращаются навстречу друг другу с различными угловыми скоростями. Процесс деформации и смешения компонентов осуществляется под действием соприкасающихся со смесью наружных поверхностей роторов, внутренней поверхности камеры, смешения поверхностей верхнего и нижнего затворов (1).

Однако роторные смесители, как правило, сложные и дорогие машины, их использование оправдано при больших объемах производства и стабильности состава смешиваемых композиций. Процесс выгрузки готовой композиции и перехода к приготовлению композиций другого состава представляет сложную задачу. Энергозатраты при смешении на роторных смесителях при заданной геометрии роторов велики и зависят от соотношения реологических показателей смешиваемых материалов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для смешивания вязких полимерных материалов, содержащее камеру смешения с дном и коаксиально размещенные в ней вал и шток, смонтированные с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга и камеры смешения, причем вал снабжен смесительным элементом на его нижнем конце, а шток сопряжен с валом по внутренней поверхности. Смесительный элемент вала в известном устройстве выполнен в виде диска с прорезями, в которые входят и сопрягаются с ними по боковым поверхностям перемешивающие элементы, закрепленные на нижнем конце штока (2).

Однако данное устройство характеризуется ограниченными технологическими возможностями, поскольку оно не позволяет смешивать высоковязкие композиции, так как диск с прорезями из-за своей геометрической формы не может выдержать высокие нагрузки, возникающие при смешении высоковязких материалов, Кроме того, устройство не обеспечивает формование композиций в виде монолитного блока, поскольку выгрузка композиции осуществляется через штуцер малого сечения. Затруднена также полная выгрузка материала по окончании смешения, так как слой материа5

13 находящегося над диском, высотой равной высоте связанных со штоком перемешивающих элементов, сопрягаемых с прорезями диска по боковым поверхностям, не удаляется. Это затрудняет очистку устройства и переход к приготовлению композици и друго го с оста в а.

Кроме того устройство не позволяет смешивать материалы чувствительные к тепловому режиму смешения, и требующие регулирования этого режима, так как зоны интенсивного сдвигового воздействия на смешиваемый материал удалены от стенок камеры смешения.

Цель изобретения — расширение технологических возможностей устройствам путем увеличения диапазона смешиваемых материалов и обеспечения формования композиции в виде монолитного блока.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для смешивания вязких полимерных материалов, содержащем камеру смешения с дном и коаксиально размещенные в ней вал и шток, смонтированные с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга и камеры смешения, причем вал снабжен смесительным элементом на его нижнем конце, а шток сопряжен с валом по внутренней поверхности, смесительный элемент смонтирован с образованием с внутренней поверхностью камеры смешения зазора для перетока материала и выполнен с канавками на боковой поверхности, при этом шток сопряжен по торцовой поверхности с поверхностью смесительного элемента и по наружнойс внутренней поверхностью камеры смешения, дно которой смонтировано с возможностью перемещения относительно продольной ее оси.

В данном устройстве исключение застойных зон в камере смешения достигается тем, что нижняя торцовая поверхность штока по форме соответствует верхнему участку смесительного элемента вала и при смыкании штока с валом по этим поверхностям они образуют сплошной поршень, который при распрессовке выталкивает вниз монолитный блок приготовленного материала.

Предлагаемое устройство позволяет получить перепады давлений, превышающие предел прочности смешиваемого материала на сдвиг, во всем температурном диапазоне существования этого материала, что позволяет повысить степень силового воздействия на смешиваемый материал пропорционально перепаду давления при перетоке материала и, следовательно, повысить интенсивность смешивания.

Исключение нежелательных примесей, остатков материала от предыдущих циклов смешивания, скапливающихся в застойных зонах, повышает однородность смешиваемого материала во всем объеме, а, следовательно, эффективность смешения.

1102680

На чертеже показано устройство, общий вид.

Устройство для смешивания вязких полимерных материалов содержит камеру 1 смешения, в которой коаксиально установлены вал 2 и шток 3. На нижнем конце вала 2 размещен смесительный элемент 4 с плоским основанием, плавно переходящим в участок боковой цилиндрической поверхности, которая также плавно переходит в верхний конический участок поверхности, сужающийся до встречи с основной цилиндрической поверхностью вала 2. На боковой цилиндрической поверхности смесительного элемента 4, с частичным заходом в области скругления, выполнены чередующиеся наклонные и вертикальные канавки с глубиной, примерно равной ширине зазора для перетока материала между цилиндрическим участком смесительного элемента 4 и внутренней поверхностью камеры 1 смешения.

Нижний конец штока 3 имеет торцовую коническую поверхность, сопряженную с конической поверхностью верхнего участка смесительного элемента 4 вала 2. Смесительный. элемент 4 может иметь в сечении также форму квадрата или многоугольника.

Шток 3 по наружной поверхности сопряжен с внутренней поверхностью камеры 1 смешения.

Дно 5 камеры 1 смешения выполнено в виде вкладыша, смонтированного с возможностью перемещения относительно продольной оси камеры 1 смешения.

Снаружи камера 1 смешения окружена кольцевым термостатирующим узлом 6, имеющим системы обогрева и охлаждения. Устройс во установлено на теплоизолирующей прокладке 7. На верхнем торце камеры 1 смешения закреплен винтами ограничительный элемент 8, а на нижнем торце — ограничительный элемент 9. В стенке камеры 1 смешения выполнены каналы для отсоса газообразных продуктов сообщенные со штуцером 10. Сверху на штоке 3 установлена переходная втулка 11.

Устройство работает следующим образом.

В камеру 1 смешения- со вставленным вкладышем 5 и закрепленным нижним ограничительным элементом 9, установленным на теплоизолирующей прокладке 7 на нижней плите гидравлического пресса (не показан) и окруженную термостатирующим узлом 6, загружают компоненты смешиваемого материала. Сверху в камеру 1 смешения устанавливают вал 2 с надетым на него штоком 3, устанавливают на шток 3 переходную втулку 11 и уплотняют материал на гидравлическом прессе, прикладывая нагрузку через переходную втулку 11 на шток

3 и через него на вал 2. Включают обогрев термостатирующего узла 6 и отсос газов через штуцер 10.

5 0

Пример 1. Устройство для смешивания выполнено из закаленной жаростойкой износостойкой стали марки Х12М, со следующими конструктивными параметрами; внутренний диаметр камеры 1 смешения 22 мм, наружный диаметр цилиндрической поверхности вала 2 — 12 мм, ширина зазора между

Но достижении заданной температуры и прогрева смешиваемого матсриа13 (в тс чение определенного времени) сбрасывают давление, снимают переходную втулку 11 и прилагают нагрузку к валу 2, который давит смесительны м элементом 4 и;1 i 1сшиваемый материал, и материал протока.т через кольцевой зазор между валом 2 стенкой камеры 1 смешения и.через нак.)он ные и вертикальные канавки на боковои по верхности смесительного элемента 4 вала

2, приподнимая шток 3 и вытесняя его вверх.

Объем загруженного материала рассчитывают таким образом, чтобы при упоре основания смесительного элемента 4 вала 2 в дно 5 камеры 1 смешения, вытесненный перетекшим материалом, шток 3 несколько не доходил до упора. своей широкой частью в ограничительный элемент 8. Обычно шток

3 упирается в ограничительный элемент 8, а дно 5 — в ограничительный элемент 9 под действием давления выделяющихся при смешении газов, Это давление не превышает по величине нескольких атмосфер, в то время как передавливание материала может происходить под давлением 1000 кг/см и более. После упора вала 2 в дно 5 камеры 1 смешения. снимают давление, в этот момент шток 3 и дно 5 находятся в положении, когда кольцевые канавки на их боковых поверхностях совмещены с сообщенными со штуцером 10 каналами для отсоса газообразных продуктов, образующихся при смешении. На шток 3 ставят переходную втулку 11 и прилагают нагрузку через нее на шток 3. При этом материал перетекает в обратном направлении, вытесняя вал 2 вверх до смыкания верхней конической поверхности смесительного элемента

4 вала 2 с соответствующей конической поверхностью штока 3.

Далее в такой же последовательности повторяют циклы смешения необходимое количество раз.

По окончании смешения, когда вал 2 и шток 3 находятся в верхнем сомкнутом положении, включают охлаждение и выдерживают материал под необходимым давлением до затвердевания полученной композиции. После этого снимаются ограничительные элементы 8 и 9 и полученный монолитный блок материала выпрессовывается.

Было изготовлено несколько лабораторных устройств для смешивания вязких полимерных материалов с различными максимальными объемами загрузки: на 5 смз на 10 см и на 25 см

1102680 боковой поверхностью смесительного элемента 4 вала 2 и камерой 1 смешения 0,5 мм, устанавливают на плиту гидравлического пресса. В устройство загружают 4 г капрона в гранулах и 1 г порошка графита. Уплотняют материал под давлением 500 кг/см и включают электрообогрев. При 235—

240 С проводят пятнадцать циклов смешения, охлаждают полученную композицию под давлением 400 кг/cM до 40 С, снимают давление и выпрессовывают цилиндрическую таблетку полученного материала. Полученный образец визуально однородный, темного цвета. При обработке на токарном станке получают плотную сливную стружку темно-серого цвета, однородную на просвет.

Вырезают из образца брусок размерами

10 Х 15 Х 4 мм для испытания на удар.

На срезах материал визуально однороден.

Ударная вязкость образца на приборе Динстат равна 17 кг/см .

Пример 2. В устройство для смешивания, с внутренним диаметром камеры смешения

38 мм, диаметром вала 26 мм и зазором шириной 0,8 мм между смесительным элементом 4 вала 2 и камерой 1, загружают

12,5 г поликарбоната в гранулах, содержащего 5О/0 порошка дисульфида молибдена, затем в камеру помещают прессованную таблетку диаметром 37 мм и массой 12,5 г из поликарбоната, содержащего 10О/0 мелкодисперсного стекловолокна. Уплотняют загруженный материал под давлением

1000 кг/см и нагревают устройство до 270 С

Проводят десять циклов смешения. Охлаждают композицию под давлением 700 кг/см до 40 С и выпрессовывают цилиндрический образец. Полученный образец визуально однороден снаружи на срезах темно-серого цвета. Ударная вязкость материала на приборе Динстат 25 кг см/см .

Пример 3. В устройство с конструктивными параметрами по периметру 2, загружают 25 г полиимида ПМ вЂ” 67 содержащего

5О/р графита, материал получен путем разрезания бракованной детали на куски средним размером 7х10х15 мм. Уплотняют материал под давлением 1500 кг/см и включают

5 электрообогрев. При 415 — 420 С проводят пять циклов смешения, при этом удельное давление на материал при приложении нагрузки к валу 2000 кг/см, а при приложении нагрузки к штоку 3000 кг/см . Охлаждают материал под удельным давлением

10 1000 кг/см до 200 С, снимают давление и после охлаждения устройства до 70 С выпрессовывают монолитный блок материала. Получен образец материала в виде цилиндра ф 38 мм и высотой !6 мм, пригодный для изготовления изделий механической обработкой.

Использование предлагаемого изобретения позволяет производить смешение многокомпонентных композиций на основе самых различных полимеров и наполнителей в широком диапазоне температур и напряжений сдвига.

Изобретение позволяет получать приготовленные композиции сразу в виде монолитных блоков однородного прессованного г материала.

Предлагаемое изобретение может быть использовано для. вторичной переработки лома пластмассовых деталей из термопластов, в том числе высокотермостойких полимеров. В случае использования данного зо устройства достаточно больших габаритов исключается необходимость в предварительном измельчении пластмассового лома в специ альных дробилках.

Устройство отличается простотой конструкции, низкой стоимостью и универсаль35 ностью, что дает значительный техникоэкономический эффект, особенно в опытном производстве лабораторной практике и в научных исследованиях при разработке новых композиционных материалов.

1102680

Составитель Л. Кольцова

Редактор Н. Воловик Техред.И. Верес Корректор Г. Решетник

Заказ 4808/10 Тираж 640 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП сПатент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4