CN1784298A - 用于挤出粘弹性物质的喷嘴装置(出口扩展) - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于挤出粘弹性物质的喷嘴装置(1)，特别是用于挤出聚合物、糊状物等，具有多个彼此平行设置的同样的喷嘴通道(2)，它们分别沿着轴向输送方向(F)穿过喷嘴装置(1)延伸。根据本发明，出口区域从喷嘴通道内部区域朝着出口开孔方向在一长度LA上沿着轴向的输送方向(F)扩展。

Description

用于挤出粘弹性物质的喷嘴装置(出口扩展)

技术领域

本发明涉及根据权利要求1前序部分以及权利要求17前序部分的用于挤出粘弹性物质的喷嘴装置以及方法。

背景技术

已知用于挤出粘弹性物质的喷嘴装置，特别是用于挤出聚合物、糊状物等。通常喷嘴装置配有多个彼此平行设置的同样的喷嘴通道，它们穿过喷嘴从各一个入口开孔向各一个出口开孔延伸，其中各个喷嘴通道分别沿着物质的轴向输送方向在喷嘴通道的上游具有一个入口区域，在喷嘴通道的下游具有一个出口区域。各入口开孔彼此相邻设置。

在挤出粘弹性物质例如聚合物、糊状物时物质被变形成型。但是成型过程需要物质流动。物质还可能会在特定位置形成裂缝。由于粘弹性物质的弹性特征在成型时和在形成裂缝时在这种粘弹性物质中会出现机械的物质应力，它会在成型的物质中继续存在。这将会在成型过程之后在成型的物质中导致附加的明显自发的变形。在此方面，人们通常称为“形状记忆”，因为产生于成型设备的物质的机械应力让人产生这样的印象，即它“记得”以前的形状并且想回到这种形状。在借助于喷嘴设备进行糊状物或聚合物挤出时，上述情况会导致各个喷嘴通道中的挤出条发生卷曲。应力会被引入到物质中，一方面是在将物质分离和分配到不同的喷嘴通道中时，另一方面是在物质在喷嘴通道中延展(Dehnung)时。由于物质的分离和分配而产生在物质中的应力由于其相对于所产生的挤出条不对称从而具有最坏的影响。然而由于物质应力和所引起的使得挤出条改变在喷嘴通道内的方向的趋势会产生不对称的壁摩擦，其在一定情况下进一步加大了物质应力。可能的是，这种类型的粘弹性物质挤出条在其从喷嘴装置出来时倾向于发生上述卷曲。

此外，在挤出粘弹性物质时必须在喷嘴装置上使用相对较多的能量或高的压力差，以便分离物质、将其输送到成型喷嘴通道中并且最后对其施压使其通过成型喷嘴通道，在此期间物质被延展。换句话说，通常的用于粘弹性物质成型的喷嘴装置对于这类物质来说具有较大的喷嘴阻力。对于糊状物质而言特别有问题，因为与传统的聚合物如聚酯或橡胶不同，这儿只有有限的可能性通过一个至少局部的、即使大面积的也仅仅局限在物质表面的喷嘴装置中的温度上升来减小喷嘴装置的阻力以及减小引入物质中的应力。

发明内容

本发明的目的在于，减小在将粘弹性物质成型成物质条时在粘弹性物质中的这类物质应力，以及降低挤出时所需要的能耗以及压力差，即降低喷嘴阻力。

根据本发明在开头所述的喷嘴装置中上述目的这样达到，即，出口区域从喷嘴通道内部区域向出口开孔方向在一长度L_A上沿着轴向的输送方向F扩展。

当粘弹性物质例如聚合物或糊状物等到达本发明的喷嘴装置的喷嘴通道时，划分成多个分流的产品流被挤压通过多个喷嘴通道。当物质进入喷嘴通道时以及在各个入口区域内成型时在物质内部出现应力。在切割边上切割期间和/或在入口区域内延展期间形成的还没有释放的物质应力在扩展的出口区域中几乎完全释放了。因此在这种喷嘴几何形状下许多小的产品条几乎无应力地离开喷嘴通道。扩展的出口区域不仅使得产品在轴向上而且在径向上释放。由此可以避免从喷嘴通道中出来的粘弹性产品条的表面的槽纹(鲨鱼皮)。

有利的是，出口区域从喷嘴通道内部区域向出口开孔方向在一长度L_A上沿着轴向的输送方向F钟形扩展，其中优选在轴向的输送方向和通道出口区域的内壁之间测量的出口扩展部的扩展角沿着轴向的输送方向F持续地增加。特别是扩展角的增加量沿着轴向的输送方向F持续地增加，其中例如扩展角从在喷嘴内部的0°增加到在喷嘴体下游端的90°。在这种情况下，所述扩展部可以在纵向剖视图中呈圆弧形，其曲率半径R_A大于喷嘴通道内部区域的半径R_K。这种弯曲扩展的出口区域通过从喷嘴通道的内部区域的一个垂直的切线连续地过渡到出口区域下游端的一个相对于垂直方向倾斜延伸的、在极端情况下水平的切线，替代了传统的出口开孔的边缘。

在一个特殊的实施方式中，喷嘴通道内壁在出口区域沿着轴向输送方向在一长度L_R上具有一个比喷嘴通道内壁的其它部分更高的表面粗糙度。由此可以通过选择粗糙区域的粗糙度和/或物质有针对性地影响产品表面。

粗糙区域的轴向长度L_R优选小于出口扩展部的轴向长度L_A，小于入口扩展部的轴向长度L_E以及小于切割边的轴向长度L_S。

然而也优选的是，在喷嘴通道的很大的轴向局部区域上设置多个依次连续的粗糙区域，其分别满足条件V_F＞L_R/T_RELAX。通过这种方式可以影响壁附着和壁滑移(附着/滑移效应)之间的相互作用。通过长度LR的粗糙轴向壁段的周期性或空间频率以及通过流动速度可以在单位时间内有目的地产生更多的壁撕扯，即通过相互交替的相对粗糙的和相对平滑的壁段“人为地”强迫产生高频率的附着/滑移效应。这具有如下优点，即，不会产生过分高的物质应力，并且因此在产品上产生很小的裂缝或根本不产生裂缝。

在一个特别优选的实施形式中，在喷嘴通道的上游端分别在两个邻近的入口开孔之间设置一个平行于轴向输送方向F延伸的分离壁，它在其上游端具有一个切割边。

当一粘弹性的物质例如聚合物或糊状物等到达本发明喷嘴装置上时，在壳体中沿着输送方向F引入的产品流被划分成多个分流，它们当中的各一个分别通过各一个喷嘴通道流出。引入到喷嘴装置上的产品流在它进入多个喷嘴通道时已经通过尖锐的切割边被切割成多个分流。因为每个切割边在产品上只有很小的、与输送方向F相反的工作面，所以在切割边上一个非常大的力局部地作用在到达的粘弹性产品上。因此沿着切割边产生一个局部集中的切割产品的剪切力。但是在引入到切割边上的粘弹性物质在切割边处撕裂之前，它变形直至达到它的断裂应力和断裂伸长，其中在粘弹性物质中储存了潜在的能量，潜在的能量被继续传递到多个分流中。总体上说，在借助于切割边将粘弹性物质分离和分配到不同的喷嘴通道中时引入到物质中的应力明显小于没有尖锐切割边的传统喷嘴装置中的应力，从而将引入本发明喷嘴装置的粘弹性物质分成更多个分条时，有更少的内容进入粘弹性物质的形状记忆中，由此产品条在离开喷嘴通道时的变形趋势(卷曲等)得以减小以及喷嘴阻力显著减小。特别是在面条喷嘴装置中这种有利的效果特别显著。

优选在每个相邻入口的入口区域的上游设置的区域完全被平行于轴向输送方向延伸的分离壁包围，其上游端分别构成为切割边。由此进入各个喷嘴通道中的物质几乎被处处切割，在该位置它还必须被分离，从而只有特别小的应力被引入物质中。

切割边可以与物质的轴向输送方向F成不同于90°的角。它例如可以与物质输送方向成大致30°到60°的角倾斜地延伸。然而优选是锐角。与输送方向所成的角度越尖，那么沿着输送方向测量的区域长度L_S就越大，在此区域内物质的切割是在垂直于输送方向的径向方向上，例如从径向外侧到径向内侧。物质的径向外侧的流动区域首先被切割，而径向内侧的流动区域后来被切割。而径向外侧的区域就已经有时间来消除在切割过程引入物质中的应力。因此通过该切割过程在总体上引入分布在喷嘴通道中的物质中的应力小于切割边垂直于流动方向延伸的情况(简单的“冲模”原理)。

同样有利的是，喷嘴通道的入口区域从内部区域朝着入口开孔方向与轴向的输送方向F相反地沿着一个长度L_E扩展，其中在轴向输送方向与通道入口区域内壁之间测量的入口扩展部的扩展角在5°到45°之间的范围，优选在8°到25°之间的范围。当扩展角从内部区域到入口开孔是恒定值时，即当存在锥形的入口扩展部时，制造工艺特别简单。即使当物质以相对很高的速度穿过喷嘴装置时，也可以取得“缓柔”的延展，即对于粘弹性物质而言足够慢的延展，从而粘弹性物质的弛豫时间小于物质在入口扩展部内的延展时间。

符合目的的是，喷嘴装置这样构成，喷嘴通道沿着其整个长度具有一个圆形的横截面。因此到处存在相同的壁边界条件，这导致统一的尽可能对称的延展。

喷嘴装置的一种紧凑结构的特征在于，通道入口区域的轴向长度占喷嘴通道总长度的50％到80％。

喷嘴通道的内壁至少在局部区域内由聚四氟乙烯或类似材料制成，以及减小粘弹性物质在内壁上的附着以及滑动摩擦。

在用于所述的粘弹性物质的挤出方法中，特别是用于挤出聚合物、糊状物等等，使用上述喷嘴装置，使粘弹性物质在喷嘴装置上游端和下游端之间的压力落差Δp作用下被挤压通过喷嘴装置。根据本发明，这样选择压力落差Δp，使得粘弹性物质沿着输送方向F的流动速度V_F在喷嘴装置的各个轴向局部区域内满足条件V_F＜L/T_RELAX，在所述轴向局部区域内至少进行挤出过程所需要的一部分物质成型过程，其中T_RELAX是粘弹性物质的弛豫时间，L(＝L_S，L_E，L_A)是喷嘴装置的各个轴向局部区域的轴向长度。

由此确保了，挤出过程所需要的粘弹性物质的各个成型步骤，例如沿着一长度L_S在切割边上的切割、沿着入口扩展部的一长度L_E的延展以及沿着出口扩展部的长度L_A的最终释放，从而物质在它们离开本发明的喷嘴装置的端部时几乎没有任何应力。

为了最佳利用上述提及的粗糙的轴向局部区域，在本发明的方法中粘弹性物质沿着输送方向F的流动速度V_F与喷嘴装置的粗糙的轴向局部区域的长度L_R这样协调，使得满足条件V_F＞L_R/T_RELAX，其中T_RELAX是粘弹性物质的弛豫时间，L_R是粗糙的局部区域的轴向长度。如上所述，由此可以通过选择粗糙区域的粗糙度和/或物质有针对性地影响产品表面。

附图说明

本发明的其它优点、特征和使用可能性由下面的说明得出，但是不局限于附图中的优选实施例。其中：

图1本发明的喷嘴装置的沿轴向的产品输送方向F的剖视图；

图2图1的本发明的喷嘴装置的沿产品输送方向F的俯视图；

图3本发明的喷嘴通道的沿产品输送方向F的剖视图；

图4本发明的另外一个喷嘴通道的沿轴向的产品输送方向F的剖视图；

图5现有技术的喷嘴通道的沿轴向的产品输送方向F的剖视图；

图6现有技术的另外一个喷嘴通道的沿轴向的产品输送方向F的剖视图。

具体实施方式

图1是本发明的一个特别是用于面条制作中的糊状物的喷嘴装置1的沿轴向的产品输送方向F的剖视图。总共具有四个喷嘴通道2的喷嘴装置1(见图2)设置在一个圆柱形的壳体7中。每个喷嘴通道2的上游端有一入口开孔3，每个喷嘴通道2的下游端有一个出口开孔4。每个喷嘴通道2的邻接入口开孔3的入口区域2a呈锥形扩展，而出口区域2c构成为圆柱形。扩展角α大约为10-20°(见图3)。在喷嘴装置1的上游端有四个分离壁5(见图2)，其平行于轴向的输送方向F延伸并且将入口开孔3上游的区域分成四个局部区域，其分别位于一个入口开孔3的上游。分离壁5的与轴向的输送方向F指向相反的边缘分别构成为倾斜延伸的切割边5a，其从壳体7的内壁出发不仅径向向内而且在输送方向F上延伸。

图2是图1的本发明的喷嘴装置的沿产品输送方向F(见图1)的俯视图。可以看到四个分别具有锥形扩展的入口区域2a的喷嘴通道2以及各个从圆柱形壳体7出发径向向内延伸的分离壁5，其将喷嘴装置1上方的区域分成四个局部区域。四个尖锐的切割边5a与输送方向F方向相反地倾斜地延伸。

如果粘弹性物质例如聚合物或糊状物等到达本发明的喷嘴装置1，如图1中用流动剖面V(r)示意示出，那么沿着输送方向F引入壳体7中的产品流被分成四个分流，它们中的每一个通过四个喷嘴通道2中的一个流出。引入喷嘴装置1的产品流在进入四个喷嘴通道2之前已经通过尖锐的切割边5a被切割成四个分流。因为每个切割边5a在产品上只有很小的、与输送方向F相反的工作面，所以切割边5a局部作用一个非常大的力到出现在切割边5a上的粘弹性产品上。沿着切割边5a会产生一个局部集中的切割产品的剪切力。但是粘弹性物质在切割边5a处撕裂之前，它变形直至达到它的断裂应力，其中在粘弹性物质中储存了潜在的能量，潜在的能量被继续传递到四个分流中，并且在物质进入各个喷嘴通道2之前，即在粘弹性物质在四个产品分流中继续变形和成型发生之前，潜在的能量在这四个分流中部分释放。当物质进入喷嘴通道2时以及在各个入口区域2a内成型时在物质内部也出现应力。但是这种应力比在切割边5a上的小并且不导致产品撕裂。

相对于传统的没有切割边和没有具有本发明的扩展角大约10-20°的锥形扩展部的喷嘴装置而言，本发明的分离壁5的切割边5a和喷嘴通道2的入口区域2a的设计减小了通过本发明的喷嘴装置1输送的并在喷嘴装置中成型的物质中的应力大小，并且减小了喷嘴装置1的流动阻力。

在本发明的喷嘴装置1中，与物质应力的建立联系在一起的、从一个大的产品条变成四个小的产品条的成型过程基本上通过两个步骤实现。在第一步骤中，大的产品条在切割边5a处被切割成四个小的分条。在第二步骤中，四个分条在锥形的入口区域2a中延展。紧接着在第一步骤(在切割边5a处的切割)之后和在第二步骤(在入口区域2a中延展)之前，当物质滑过分离壁5的时候在物质中发生一个至少局部的释放(应力减小和潜在的能量降低)。当产品在锥形入口区域2a内延展时，同时产生了物质应力，然后在邻接的圆柱形出口区域2c内又发生一个至少局部的释放。因此划分成四个小的产品条的粘弹性物质几乎没有应力地离开了喷嘴通道2的出口开孔4，从而四个排出的产品条几乎没有任何值得一提的变形(例如卷曲)。因为由于切割边的原因已经在非常小的产品剪切应力下发生了产品撕裂，所以本发明的喷嘴装置1的流动阻力明显降低了。

本发明的喷嘴装置1相对于传统的喷嘴装置可实现具有较小压力差的运行，即较小的沿着喷嘴装置1的产品中的压力落差，并且在排出的产品分条中几乎完全“消除”了形状记忆。

图3是一个同样用于面条制作中的糊状物的本发明的喷嘴通道2的沿产品输送方向F的剖视图。这个喷嘴通道2可以用来替换图1中所示的喷嘴通道2。替代图1的喷嘴通道2的圆柱形出口区域2c，在入口区域2a的下游区域首先连接一个相对较短的圆柱形的内部区域2b和而后连接一个钟形扩展的出口区域2c。出口区域2c通过一个从喷嘴通道2的内部区域2a的一个垂直切线到出口区域2c的下游端的一个水平切线的弯曲的连续的过渡来代替出口开孔4的边缘(见图1)。出口扩展部的曲率半径R_A朝着出口4的方向连续地减小，即存在一个朝着开口4方向弯曲逐渐减小的钟形扩展部。

当如图1所示，粘弹性物质例如聚合物或糊状物等到达本发明的喷嘴装置1的喷嘴通道2上时，分成四个分流的产品流被挤压通过四个喷嘴通道2(见图1，2)。当物质进入喷嘴通道2时和在入口区域2a内成型时在物质中出现应力。在第一步骤(在切割边5a上的切割)期间和/或在第二步骤(在入口区域2a内的延展)期间形成的还没有释放的物质应力此时在扩展的出口区域2c中几乎完全释放了。因此，在这种喷嘴几何形状下，四个小的产品条几乎无应力地离开喷嘴通道2。扩展的出口区域2c的一个特别的优点在于，它使得产品不仅在轴向上而且在径向上释放。由此可以避免从喷嘴通道2中流出的粘弹性产品条的表面的槽纹(“鲨鱼皮”)，它在那种圆柱形的出口区域2c上的尖锐边缘的出口开孔4中(见图1)几乎总是出现。

在图1和图3中示出的释放区域的轴向长度基本上由切割边5a的轴向长度L_S以及出口区域2c的轴向长度L_A构成，所述轴向长度和粘弹性物质沿着产品输送方向F的最大流动速度V_F优选这样与产品物质的弛豫时间T_RELAX协调，即，使得物质在穿过各个释放区域时具有足够的时间来消除此前在其中形成的应力，即V_F×T_RELAX＜L_S或V_F×T_RELAX＜L_A。

当将具有图3中的锥形入口区域2a和钟形出口区域2c的喷嘴通道2应用在配备有切割边5a的喷嘴装置1中时，不仅可以实现产品沿着喷嘴装置1的较小的压力落差和几乎完全“消除”排出的产品分条的体积-形状记忆，而且可以“消除”这个产品条的表面-形状记忆。

喷嘴通道的钟形出口区域2c的另外一个优点在于，它可以实现从位于喷嘴通道2的内部的、具有抛物线形状的速度分布的流动平缓地过渡到位于喷嘴通道2的外部的、具有恒定的速度分布的“流动”，即运动的条。这可以防止在从喷嘴通道2中排出的条的表面上形成裂缝。

图4是本发明的一个同样特别是用于面条制作中的糊状物的喷嘴通道2的沿轴向的产品输送方向F的剖视图。邻接入口开孔3的喷嘴通道2的入口区域2a是钟形扩展的，而出口区域2c为圆柱形构成。入口扩展部的曲率半径R_E在入口开孔3处是最小的，并且沿着喷嘴通道2随着挤入深度的增大而增大，以便切向过渡到圆柱形的出口区域2c。

与钟形的出口区域类似，钟形扩展的入口区域2a有助于柔和地处理产品。通过在钟形扩展的入口区域2a中对产品的柔和的加速可以避免通常导致产品裂缝的速度突变，从而也实现了喷嘴通道2上游的、具有恒定的速度分布的流动平缓地过渡到位于喷嘴通道2的内部的、具有抛物线形状的速度分布的流动。

图5是现有技术的喷嘴通道2的沿轴向的产品输送方向F的剖视图。这种喷嘴通道从其入口3一直到其出口4构成为具有恒定半径R_K的圆柱形。

图6是现有技术的另外一种喷嘴通道2的沿轴向的产品输送方向F的剖视图。入口区域2a具有一个比本发明大得多的扩展角α并且一个短得多的长度L_E。

                     附图标记清单

喷嘴装置                   1

喷嘴通道                   2

喷嘴通道的入口区域         2a

喷嘴通道的内部区域         2b

喷嘴通道的出口区域         2c

喷嘴通道的入口开孔         3

喷嘴通道的出口开孔         4

分离壁                     5

切割边                     5a

壳体                       7

输送方向                   F

切割边的轴向长度           L_S

入口扩展部的轴向长度       L_E

出口扩展部的轴向长度       L_A

喷嘴通道横截面的曲率半径   R_K

入口扩展部的曲率半径       R_E

出口扩展部的曲率半径       R_A

粘弹性物质的流动速度       V_F

扩展角                     α

Claims (18)

1.用于挤出粘弹性物质的喷嘴装置，特别是用于挤出聚合物、糊状物等，具有至少一个穿过喷嘴从一个入口开孔到一个出口开孔延伸的喷嘴通道，该喷嘴通道沿着物质的轴向输送方向穿过喷嘴具有一个在喷嘴通道上游端的入口区域、一个在喷嘴内部的内部区域以及一个在喷嘴通道下游端的出口区域，其特征在于，出口区域从喷嘴通道内部区域朝着出口开孔方向在一长度L_A上沿着轴向的输送方向F扩展。

2.如权利要求1所述的喷嘴装置，其特征在于，在轴向的输送方向与通道出口区域的内壁之间测量的出口扩展部的扩展角沿着轴向输送方向持续增加。

3.如权利要求1或2所述的喷嘴装置，其特征在于，扩展角的增加量沿着轴向输送方向持续增加。

4.如权利要求3所述的喷嘴装置，其特征在于，扩展角从在喷嘴内部的0°增加到在喷嘴体下游端的90°。

5.如权利要求4所述的喷嘴装置，其特征在于，所述扩展部在纵向剖视图中呈圆弧形。

6.如权利要求5所述的喷嘴装置，其特征在于，所述扩展部的圆弧的曲率半径R_A大于喷嘴通道内部区域的半径R_K。

7.如上述权利要求之一所述的喷嘴装置，其特征在于，喷嘴通道内壁在出口区域沿着轴向输送方向在一长度L_R上具有一个比喷嘴通道内壁的其它部分更高的表面粗糙度。

8.如权利要求7所述的喷嘴装置，其特征在于，其特征在于，粗糙区域的轴向长度L_R小于出口的轴向长度L_A，并小于入口的轴向长度L_E。

9.如上述权利要求之一所述的喷嘴装置，其特征在于，它具有多个彼此平行设置的、带有彼此相邻的入口开孔的同样的喷嘴通道，并且在喷嘴体的上游端分别在两个相邻的入口开孔之间设置一个平行于轴向输送方向F延伸的分离壁，分离壁在其上游端具有一个切割边。

10.如权利要求9所述的喷嘴装置，其特征在于，在每个相邻入口开孔的入口区域的上游设置的区域完全被平行于轴向输送方向延伸的各分离壁包围，各分离壁的上游端分别构成为一切割边。

11.如权利要求9或10所述的喷嘴装置，其特征在于，切割边可以与轴向输送方向F成一个不同于90°的角。

12.如上述权利要求之一所述的喷嘴装置，其特征在于，入口区域从内部区域朝着入口开孔方向与轴向的输送方向F相反地沿着一个长度L_E锥形扩展，其中在轴向输送方向与通道入口区域的内壁之间测量的入口扩展部的扩展角在5°到45°之间的范围，优选在8°到25°之间的范围。

13.如权利要求12所述的喷嘴装置，其特征在于，扩展角从内部区域到入口开孔是恒定的。

14.如权利要求12或13所述的喷嘴装置，其特征在于，喷嘴通道沿着其整个长度具有一个圆形的横截面。

15.如上述权利要求之一所述的喷嘴装置，其特征在于，通道入口区域的轴向长度占喷嘴通道总长度的50％到80％。

16.如上述权利要求之一所述的喷嘴装置，其特征在于，喷嘴通道的内壁至少在局部区域内由聚四氟乙烯制成。

17.用于挤出粘弹性物质的方法，特别是用于挤出聚合物、糊状物等，使用如权利要求1至16之一所述的喷嘴装置，其中粘弹性物质借助于喷嘴装置上游端和下游端之间的一压力落差Δp的作用被挤压通过该喷嘴装置，其特征在于，这样选择压力落差Δp，使得粘弹性物质沿着输送方向F的流动速度V_F在一喷嘴通道的内部区域内满足条件V_F＜L_A/T_RELAX，其中T_RELAX是粘弹性物质的弛豫时间，L_A是出口扩展部的轴向长度。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，粘弹性物质沿着输送方向F的流动速度V_F在一喷嘴通道的内部区域内满足条件V_F＞L_R/T_RELAX，其中T_RELAX是粘弹性物质的弛豫时间，L_R是粗糙区域的轴向长度。

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