TWI650221B - 用於複合材料的混料式螺桿結構 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種用於複合材料的混料式螺桿結構，包括一進料區段具有一第一桿部以及設置於該第一桿部外表面的第一螺旋部，一剪切區段具有一第二桿部以及設置於該第二桿部外表面的第二螺旋部，一分配區段具有一第三桿部以及設置於該第三桿部外表面的第三螺旋部，該第三桿部與該第三螺旋部形成一第三混合空間，該第三混合空間接收來自該第二混合空間的該複合材料，該第三螺旋部設有至少一溝槽，當該複合材料流經該第三混合空間並且穿過該至少一溝槽時，該分配區段以該第三螺旋部以及該至少一溝槽分配該複合材料並且輸送該複合材料。
Description
本發明係關於一種螺桿結構，特別是關於一種用於複合材料的混料式螺桿結構。
近年來，由於高分子複合材料隨產業需求而日益發展，複合材料的各種物理特性與機械性質上也因應使用場合而能相對於單一材料而有所提高，如纖維類、片層類等添加物或各種化學添加劑均能在適當配方與製程之下的各種項性質優於原始的材料；然而高分子複合材料在目前製程上，均需要透過雙螺桿押出製程進行造粒，接著才能透過其他製程如射出成形、熱壓成型、薄膜押出製程等來進行二次材料的成形，製造成本與時間因需多次以上的製程花費甚大，在製程考量下，以複數製程合一的混料式成形的製程模式製作複合材料，不僅製造時間有效降低，也可減少多組機台的成本與製程成本。
習知技術中，複合材料係以桿押出造粒，利用其剪切、混料能力使添加材料與高分子基材進行混合，而後再由其他製程加以成形。然而此製程模式不僅製造時程冗長外，且由於升溫並再次降溫成形，導致高分子基材原有的熱性質降低，造成複合材料的特性不佳。因此需要提出一種新式的螺桿結構，以解決上述之問題。
本發明之目的在於提供一種具用於複合材料的混料式螺桿結構，利用分配區段以及分散區段，以有效降低冗長的製程時間與成本，更可善習知技術的製程中二次升溫造成複合材料裂解的缺點。本發明之另一目的在於提供一種具用於複合材料的混料式螺桿結構，利用分配區段有效分流該複合材料，改善該添加物在該高分子材料的分配性，使在每個第一區塊之添加物有效分配至高分子材料的各個區域。
為達成上述目的，本創作之一實施例提供一種用於複合材料的混料式螺桿結構包括：一進料區段，具有一第一桿部以及設置於該第一桿部外表面的第一螺旋部，該第一桿部與該第一螺旋部形成一第一混合空間，當該混料式螺桿結構帶動該進料區段旋轉時，該進料區段導入複合材料至該第一混合空間，並且沿著一流動方向傳送該複合材料；一剪切區段，連接該進料區段並且與該進料區段連動，具有一第二桿部以及設置於該第二桿部外表面的第二螺旋部，該第二桿部與該第二螺旋部形成一第二混合空間，該第二混合空間接收來自該進料區段的該複合材料，該剪切區段以該第二螺旋部剪切該複合材料並且輸送該複合材料；以及一分配區段，連接該剪切區段並且與該剪切區段連動，具有一第三桿部以及設置於該第三桿部外表面的第三螺旋部，該第三桿部與該第三螺旋部形成一第三混合空間，該第三混合空間接收來自該第二混合空間的該複合材料，該第三螺旋部設有至少一溝槽，當該複合材料流經該第三混合空間並且穿過該至少一溝槽時，該分配區段以該第三螺旋部以及該至少一溝槽分配該複合材料並且輸送該複合材料。
在一實施例中，該複合材料包括高分子材料與添加物。
在一實施例中，該進料區段的該第一螺旋部係選自單節距螺牙、多節距螺牙及其組合。
在一實施例中，用於複合材料的混料式螺桿結構還包括一加熱裝置，連接該進料區段，以加熱該複合材料。
在一實施例中，該至少一溝槽與該混料式螺桿結構的一中心軸線之間的夾角係介於30度至150度之間。
在一實施例中，該至少一溝槽與該混料式螺桿結構的一中心軸線之間的夾角係介於80度至100度之間。
在一實施例中，該至少一溝槽包括複數溝槽，以等距離分佈方式設置於該第三螺旋部上。
在一實施例中，該至少一溝槽的深度小於該第三螺旋部在該第三桿部的該外表面上的徑向厚度。
在一實施例中，該分配區段的該第三螺旋部係選自單節距螺牙、多節距螺牙及其組合。
在一實施例中，用於複合材料的混料式螺桿結構還包括至少一分散區段，連接該分配區段並且與該分配區段連動，具有一第四桿部以及設置於該第四桿部外表面的第四螺旋部，該第四桿部與該第四螺旋部形成一第四混合空間，該至少一分散區段接收來自該第三混合空間的該複合材料，該至少一分散區段以該第四螺旋部分散該複合材料並且輸送該複合材料。
在一實施例中，該至少一分散區段包括一分散區段。
在一實施例中，該至少一分散區段包括複數分散區段。
100‧‧‧進料區段
101‧‧‧複合材料
101a‧‧‧高分子材料
101b‧‧‧添加物
102‧‧‧剪切區段
103‧‧‧加熱裝置
104‧‧‧分配區段
106‧‧‧分散區段
108‧‧‧料管
110‧‧‧開口
112a‧‧‧第一桿部
112b‧‧‧第二桿部
112c‧‧‧第三桿部
112d‧‧‧第四桿部
114a‧‧‧第一螺旋部
114b‧‧‧第二螺旋部
114b1‧‧‧主螺牙
114b2‧‧‧副螺牙
114c‧‧‧第三螺旋部
114d‧‧‧第四螺旋部
116a‧‧‧第一混合空間
116b‧‧‧第二混合空間
116c‧‧‧第三混合空間
116d‧‧‧第四混合空間
118‧‧‧溝槽
200a‧‧‧第一區塊
200b‧‧‧第二區塊
AX‧‧‧中心軸線
CH1‧‧‧第一通道
CH2‧‧‧第二通道
D‧‧‧深度
FX‧‧‧流動方向
R‧‧‧分散區域
T‧‧‧徑向厚度
Vx‧‧‧相對速度
△z‧‧‧間距
W‧‧‧寬度
τ‧‧‧剪切應力
η‧‧‧黏度
γ‧‧‧剪切率
θ‧‧‧夾角
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹：圖1係繪示本發明實施例中用於複合材料的混料式螺桿結構之示意圖。
圖2係繪示本發明實施例中用於複合材料的混料式螺桿結構的進料區段之局部放大示意圖。
圖3係繪示本發明實施例中用於複合材料的混料式螺桿結構的剪切區段之局部放大示意圖。
圖4A係繪示本發明實施例中用於複合材料的混料式螺桿結構的分配區段之局部放大示意圖。
圖4B係繪示本發明實施例中用於複合材料的混料式螺桿結構的分配區段之局部放大立體圖。
圖5係繪示本發明實施例中用於複合材料的混料式螺桿結構的分散區段之局部放大示意圖。
圖6係繪示本發明實施例中複合材料在混料式螺桿結構的分配狀態與分散狀態之示意圖。
請參照圖式，其中相同的元件符號代表相同的元件或是相似的元件，本發明的原理是以實施在適當的運算環境中來舉例說明。以下的說明是基於所例示的本發明具體實施例，其不應被視為限制本發明未在此
詳述的其它具體實施例。
圖1係繪示本發明實施例中用於複合材料的混料式螺桿結構之示意圖。該用於複合材料的混料式螺桿結構包括進料區段100、剪切區段102、分配區段104、以及至少一分散區段106。該進料區段100、剪切區段102、分配區段104、以及至少一分散區段106依序連接在一起並且在一料管108內同步轉動，複合材料101由料管108的開口110導入混料式螺桿結構中，並且沿著流動方向FX由進料區段100、剪切區段102、分配區段104、以及至少一分散區段106依序輸送該複合材料101，以對複合材料101進行一次性的熔融混料與成形製程。本發明之用於複合材料的混料式螺桿結構有效降低冗長的製程時間與成本，更可善習知技術的製程中二次升溫造成複合材料101裂解的缺點。在一實施例中，該複合材料101包括高分子材料101a(如圖6所示)與添加物101b(如圖6所示)，例如是高分子材料添加片層式奈米黏土之組成。在一實施例中，該用於複合材料的混料式螺桿結構還包括一加熱裝置103，連接該進料區段100，以加熱該複合材料101，使複合材料101易於傳送以及將固體材料塑化之目的。
如圖1以及圖2所示，圖2係繪示本發明實施例中用於複合材料101的混料式螺桿結構的進料區段100之局部放大示意圖。進料區段100具有一第一桿部112a以及設置於該第一桿部112a外表面的第一螺旋部114a，該第一桿部112a與該第一螺旋部114a形成一第一混合空間116a，當該混料式螺桿結構帶動該進料區段100旋轉時，該進料區段100導入複合材料101至該第一混合空間116a，並且沿著一流動方向FX傳送該複合材料101至該剪切區段102。在一實施例中，該進料區段100的該第一螺旋部114a係選自單節距螺
牙、多節距螺牙及其組合，如圖2所示之單節距螺牙。
如圖1以及圖3所示，圖3係繪示本發明實施例中用於複合材料的混料式螺桿結構的剪切區段102之局部放大示意圖。剪切區段102連接該進料區段100並且與該進料區段100連動，具有一第二桿部112b以及設置於該第二桿部112b外表面的第二螺旋部114b，該第二桿部112b與該第二螺旋部114b形成一第二混合空間116b，該第二混合空間116b接收來自該進料區段100的該複合材料101，該剪切區段102以該第二螺旋部114b剪切該複合材料101並且輸送該複合材料101至該分配區段104。
如圖1以及圖3所示，在一實施例中，第二螺旋部114b包括主螺牙114b1以及副螺牙114b2，主螺牙114b1的節距沿著複合材料101的流動方向逐漸變窄，副螺牙114b2沿著複合材料101的流動方向逐漸加寬，第一桿部112a沿著複合材料101的流動方向係為錐形。在進料區段100中，主螺牙114b1節距內的固體材料高剪切塑化，並使熔膠回流至副螺牙114b2節距內，由至副螺牙114b2將熔膠材料向前輸送，剪切區段102除了產生剪切塑化之外，也透過主螺牙114b1與副螺牙114b2的設計將未塑化固體與已塑化熔膠區分並且高剪切排氣，確保材料進入分配區段104以及分散區段106均為未含水氣的已塑化熔膠。
τ=η*γ...(E1)，τ定義為剪切應力，η定義為黏度，γ定義為剪切率。
γ=Vx/△z...(E2)，Vx定義為混料式螺桿結構與料管的相對速度，△z定義為混料式螺桿結構與料管的間距。
由E1所示，剪切應力方程式可知材料在固定能量與溫度的
情況下，黏度隨剪切率上升而降低，並由E2所示，剪切率方程式可知材料所受的剪切率在固定螺桿料管間距情況下，隨螺牙的相對流動速度的提高而上升，由分析中的剪切應力與流動速度可定義材料黏度，而材料黏度降低表示材料內部長鏈的大分子由高剪切力或高流動速度變為短鏈小分子，分子鏈與分子鏈間距變寬，使添加材料可更容易與基材形成插層分佈，並在高剪切力的螺牙特徵下使彼此親合性較佳的團聚添加物分散均勻。
如圖1以及圖4A所示，圖4A係繪示本發明實施例中用於複合材料的混料式螺桿結構的分配區段104之局部放大示意圖。分配區段104連接該剪切區段102並且與該剪切區段102連動，具有一第三桿部112c以及設置於該第三桿部112c外表面的第三螺旋部114c，該第三桿部112c與該第三螺旋部114c形成一第三混合空間116c，該第三混合空間116c接收來自該第二混合空間116b的該複合材料101，該第三螺旋部114c設有至少一溝槽118，當該複合材料101流經該第三混合空間116c並且穿過該至少一溝槽118時，該分配區段104以該第三螺旋部114c以及該至少一溝槽118分配該複合材料101並且輸送該複合材料101至該至少一分散區段106。
如圖1、圖4A、圖4B以及圖6所示，在一實施例中，該至少一溝槽118與該混料式螺桿結構的一中心軸線AX之間的夾角θ係介於30度至150度之間。在一較佳實施例中，該至少一溝槽118與該混料式螺桿結構的一中心軸線AX之間的夾角係介於80度至100度之間。該第三螺旋部114c與中心軸線AX形成螺旋角。該至少一溝槽118的寬度定義為W。該至少一溝槽118用以區隔複合材料101沿著第一通道CH1以及第二通道CH2，有效分流該複合材料101(例如高分子材料101a以及添加物101b)，改善該添加物101b在該
高分子材料101a的分配性，如圖6所示，在每個第一區塊200a之添加物101b有效分配至高分子材料101a的各個區域。
如圖1、圖4A以及圖4B所示，在一實施例中，該至少一溝槽118包括兩個溝槽118，例如複數溝槽118以等距離分佈方式設置於該第三螺旋部114c上。在一實施例中，該至少一溝槽118的深度D小於該第三螺旋部114c在該第三桿部112c的該外表面上的徑向厚度T。在一實施例中，該分配區段104的該第三螺旋部114c係選自單節距螺牙、多節距螺牙及其組合。
如圖1以及圖5所示，圖5係繪示本發明實施例中用於複合材料的混料式螺桿結構的分散區段之局部放大示意圖。分散區段106連接該分配區段104並且與該分配區段104連動，具有一第四桿部112d以及設置於該第四桿部112d外表面的第四螺旋部114d，該第四桿部112d與該第四螺旋部114d形成一第四混合空間116d，該至少一分散區段106接收來自該第三混合空間116c的該複合材料101，該至少一分散區段106以該第四螺旋部114d分散該複合材料101並且輸送該複合材料101。如圖5所示，該至少一分散區段106係為兩個分散區段106，該至少一分散區段106亦可為一個分散區段106、或是三個或三個以上的分散區段106。
如圖1以及圖5所示之兩個分散區段106，在第四螺旋部114d的兩個邊緣形成導角。當高分子材料流經一分散區段106的第四混合空間116d之後在進入另一分散區段106的第四混合空間116d之前的分散區域R，可使添加物101b與添加物101b之間分散，如圖6所示之第二區塊200b之添加物101b之間產生分散的效果，防止添加物101b之間產生團聚效應，達到分散的效果。
本發明之混料式螺桿結構可應用於熱敏感性高的高分子複合材料，具有較佳的混料成形效果，具體來說，在習知技術中，高分子複合材料的添加物容易受到過高的剪切熱量之作用而產生降解與裂解的問題，而且近年來發展迅速之可降解材料亦無法承受過高的之剪切熱量，造成高分子複合材料的不易成形。相對地，本發明之混料式螺桿結構利用分配區段以及分散區段之單一次混料成形，改善了習知技術中二次加熱造成高分子複合材料的添加物的溫度升高產生熱量的特性，以藉由本發明的一次性混料成形而不會改變高分子複合材料的添加物之溫度升高的材料特性。
綜上所述，本發明之混料式螺桿結構利用分配區段以及分散區段，以有效降低冗長的製程時間與成本，更可善習知技術的製程中二次升溫造成複合材料裂解的缺點。
雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (11)
- 一種用於複合材料的混料式螺桿結構，包括：一進料區段，具有一第一桿部以及設置於該第一桿部外表面的第一螺旋部，該第一桿部與該第一螺旋部形成一第一混合空間，當該混料式螺桿結構帶動該進料區段旋轉時，該進料區段導入複合材料至該第一混合空間，並且沿著一流動方向傳送該複合材料；一剪切區段，連接該進料區段並且與該進料區段連動，具有一第二桿部以及設置於該第二桿部外表面的第二螺旋部，該第二桿部與該第二螺旋部形成一第二混合空間，該第二混合空間接收來自該進料區段的該複合材料，該剪切區段以該第二螺旋部剪切該複合材料並且輸送該複合材料，其中該第二螺旋部包括主螺牙以及副螺牙，該主螺牙剪切該複合材料，並且使熔融的該複合材料回流至該副螺牙，以排出熔融的該複合材料的氣體；以及一分配區段，連接該剪切區段並且與該剪切區段連動，具有一第三桿部以及設置於該第三桿部外表面的第三螺旋部，該第三桿部與該第三螺旋部形成一第三混合空間，該第三混合空間接收來自該第二混合空間的該複合材料，該第三螺旋部設有至少一溝槽，當熔融的該複合材料流經該第三混合空間並且穿過該至少一溝槽時，該分配區段以該第三螺旋部以及該至少一溝槽分配該複合材料並且輸送該複合材料，其中該至少一溝槽與該混料式螺桿結構的一中心軸線之間的夾角係介於30度至150度之間；至少一分散區段，連接該分配區段並且與該分配區段連動，該至少一分散區段的一第四混合空間接收來自該第三混合空間的該複合材料，以分 散該複合材料並且輸送該複合材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於複合材料的混料式螺桿結構，其中該複合材料包括高分子材料與添加物。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於複合材料的混料式螺桿結構，其中該進料區段的該第一螺旋部係選自單節距螺牙、多節距螺牙及其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於複合材料的混料式螺桿結構，還包括一加熱裝置，連接該進料區段，以加熱該複合材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於複合材料的混料式螺桿結構，其中該至少一溝槽與該混料式螺桿結構的一中心軸線之間的夾角係介於80度至100度之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於複合材料的混料式螺桿結構，其中該至少一溝槽包括複數溝槽，以等距離分佈方式設置於該第三螺旋部上。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於複合材料的混料式螺桿結構，其中該至少一溝槽的深度小於該第三螺旋部在該第三桿部的該外表面上的徑向厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於複合材料的混料式螺桿結構，其中該分配區段的該第三螺旋部係選自單節距螺牙、多節距螺牙及其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於複合材料的混料式螺桿結構，其中該至少一分散區段具有一第四桿部以及設置於該第四桿部外表面的第四螺旋部，該第四桿部與該第四螺旋部形成該第四混合空間，該至少一分散區段以該第四螺旋部分散該複合材料並且輸送該複合材料。
- 如申請專利範圍第9項所述之用於複合材料的混料式螺桿結構，其 中該至少一分散區段包括一個分散區段。
- 如申請專利範圍第9項所述之用於複合材料的混料式螺桿結構，其中該至少一分散區段包括複數分散區段。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW106136245A TWI650221B (zh) | 2017-10-20 | 2017-10-20 | 用於複合材料的混料式螺桿結構 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI650221B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4652138A (en) * | 1983-11-02 | 1987-03-24 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Single screw kneading extruder |
| US7014353B2 (en) * | 2002-02-25 | 2006-03-21 | New Castle Industries, Inc. | Plasticating screw and apparatus |
| CN102189666A (zh) * | 2010-03-11 | 2011-09-21 | Rms设备有限责任公司 | 凸耳型挤出机螺杆 |
| CN203919666U (zh) * | 2014-04-30 | 2014-11-05 | 泉州东方机械有限公司 | 一种高剪切高混合挤出机螺杆 |
| CN105392610A (zh) * | 2014-01-17 | 2016-03-09 | 莱芬豪舍机械制造两合公司 | 塑料挤出螺杆的混合段 |
-
2017
- 2017-10-20 TW TW106136245A patent/TWI650221B/zh active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4652138A (en) * | 1983-11-02 | 1987-03-24 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Single screw kneading extruder |
| US7014353B2 (en) * | 2002-02-25 | 2006-03-21 | New Castle Industries, Inc. | Plasticating screw and apparatus |
| CN102189666A (zh) * | 2010-03-11 | 2011-09-21 | Rms设备有限责任公司 | 凸耳型挤出机螺杆 |
| CN105392610A (zh) * | 2014-01-17 | 2016-03-09 | 莱芬豪舍机械制造两合公司 | 塑料挤出螺杆的混合段 |
| CN203919666U (zh) * | 2014-04-30 | 2014-11-05 | 泉州东方机械有限公司 | 一种高剪切高混合挤出机螺杆 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201916993A (zh) | 2019-05-01 |
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