專利名稱：利用外殼面積和自由體積或螺桿內徑和外徑的特定比例來實施連續(xù)混合和加工過程的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用權利要求1或9前序部分中的同向旋轉的多軸擠壓機來連續(xù)加工產物的方法。
如在DE195 36 289C2中描述了這類方法。其中所述方法可用于在雙軸擠壓機中處理塑料，特別是樹脂和粘塑性物料。為在產物的加工期間使產物質量少受熱的、熱化學的和純機械的損害，在該方法中要使產物在擠壓機中的停留時間短。這可通過高轉數(shù)和高轉矩密度下以高生產量加工來達到。但同時要保持擠壓機中的高自由體積(加工空間體積)不變。
但是這時出現(xiàn)的產物的熱負荷和機械負荷特別是在加工縮聚物如聚酯或彈性體如橡膠混合物時會導致不可接收的嚴重產物損傷。
因此本發(fā)明的目的在于提供一種本文開頭所述的方法，它特別適于在由于擠壓機中的高溫和/或長停留時間使產物在加工過程中產生對質量有害的變化的條件下加工處理高粘性產物(如聚合物；乳膠物等)。
按照本發(fā)明，該目的是通過權利要求1和9的方法解決的。其關鍵是無需特別高的轉數(shù)而減少產物在擠壓機中的停留時間，這通過降低擠壓機中的自由體積(加工空間體積)而實現(xiàn)。
在權利要求1的方法中，形成具有光滑外殼面積Am、自由體積Vf以及繞各自軸同向旋轉的并有光滑表面的螺桿軸的螺桿軸外徑Da和螺桿軸內徑Di的加工空間，以致在Da/Di＝1.3-1.7時至少部分加工區(qū)域在雙螺紋螺桿部件情況下Am3/Vf2之比為1020-3050，在三螺紋螺桿部件情況下Am3/Vf2之比為2000-7300。該自由體積Vf表示加入成分的接受容量。對產物的每個體積單位均有用于冷卻/加熱和用于脫氣的大的表面，由此可使加入的原料經適度處理并得到產物的高質量。由于擠壓機加工空間的光滑外殼表面和自凈化螺桿軸的光滑表面就保證了擠壓機的完全自凈化能力。
借助于與達600轉/分的低轉數(shù)偶合的具有盡可能小的螺桿軸直徑的多根螺桿軸可達到原料的適度處理。這時產生的剪切力和捏和力對產物有適度的影響。由于多根螺桿軸，形成了具有在表面積與自由體積之間有高比例的短的加工區(qū)長度。
為了與其它的混合裝置相比較，必須基于相同的自由體積。
在與其它的混合裝置相比較的相同的自由體積情況下，表面積與自由體積的比例與其狀態(tài)有關。
在擠壓機中采用轉矩密度(每螺桿的轉矩/軸距3)至少為7Nm/cm3，特別是至少9Nm/cm3是合適的。在相同的轉數(shù)下，較大的轉矩密度可允許較高的功率輸入；這樣得到更大的生產量及由此產生的更短的停留時間，借此降低了在工藝過程中對所加入原料的加熱并可達到對產物的更小熱損傷。
采用高的驅動轉矩可產生高的生產量及短的停留時間，這對產物溫度有正面影響。
優(yōu)選Da/Di＝1.5-1.63。
當選擇Am3/Vf2的比以使在雙螺紋螺桿部件情況下為1500＜Am3/Vf2＜2030和在三螺紋螺桿部件情況下為3000＜Am3/Vf2＜5090時是特別有利的。
當待處理的原料是被污染的和/或濕的縮聚物，特別是聚酯如聚酯回收物時是有利的。該聚酯回收物可例如是PET瓶回收物。對此本發(fā)明的方法是特別有利的，因為其大的比表面有利于產物的干燥和脫氣，以達在很大程度上去除縮聚物中所不需要的揮發(fā)性成分。特別重要的是從縮聚物中去除水分子，該水分子會導致鏈分子水解并降低縮聚物的特性粘度。該大的比表面和由此改進的產物的冷卻和改進的可能出現(xiàn)的氧化性雜質的脫氣也減少了鏈分子的純熱分解和熱氧化分解。總之得到了適度的處理和由此產生高質量產物和該方法的優(yōu)良經濟性。
在權利要求9的方法中，形成具有光滑楔形面積Az、自由體積Vf以及繞各自軸同向旋轉的并有光滑表面的螺桿軸的外徑Da和內徑Di的加工空間，以致在Da/Di＝1.3-1.7時至少部分加工區(qū)在雙螺紋螺桿部件情況下Az3/Vf2為0.5-2.11，在三螺紋螺桿部件情況下Az3/Vf2為0.02-1.50。大比例的楔形區(qū)可導致大量的重排過程，并由此產生優(yōu)良的混合特性。特別是在多個楔形區(qū)情況下，可產生物料的較高程度的軸向流，有助于產物在擠壓機中有較短的停留時間。借助于與轉數(shù)達600轉/分的低轉數(shù)的偶合的具有盡可能小的螺桿軸直徑的多根螺桿軸，也可達到產物的適度處理。這時產生的剪切力和捏和力對產物有適度影響。由于多根螺桿軸，形成了具有在比楔形面積和自由體積之間有高比例的短的加工區(qū)長度。再此，通過光滑的楔形面和自凈化螺桿軸的光滑表面也保證了加工空間的完全自凈化。
為了與其它的混合裝置相比較，必須基于相同的自由體積。
在擠壓機中采用轉矩密度(每螺桿的轉矩/軸距3)至少為7Nm/cm3，特別是至少9Nm/cm3是合適的。在相同的轉數(shù)下，較大的轉矩密度可允許較高的功率輸入；這樣得到更大的生產量及由此產生的更短的停留時間，借此降低了在工藝過程中對產物的加熱，并可達到對產物的小的熱損傷。
這里采用高的驅動轉矩也可產生高的生產量及短的停留時間，這對產物的溫度有正面影響。
優(yōu)選Da/Di＝1.5-1.63。
當雙螺紋螺桿部件的至少部分加工區(qū)的Am3/Vf2的比例為1020-3050和三螺紋螺桿部件的至少部分加工區(qū)的Am3/Vf2的比例為2000-7300以及其輸入成分之一是彈性體時是特別有利的。
由于高比例的楔形區(qū)，產生較高的用于濕潤輸入成分特別是含軟化劑的彈性體的表面形成率。再此也通過大的比表面積產生了大的冷卻表面，從而與高的生產量和楔形區(qū)中的高的軸向速度一起最終導致對各成分的適度處理。低的螺桿軸的轉數(shù)、高的轉矩密度以及小的自由體和足夠高的生產量在過程中產生較低的溫度。
在本發(fā)明方法的另一有利實施方案中，對雙螺紋螺桿部件的Am3/Vf2為1500-2300，對三螺紋螺桿部件的Am3/Vf2為3000-5090。
在彈性體情況下，涉及其中已含有填料的粉末狀或粒狀的彈性體是有利的，如粉末橡膠。
此外，螺桿部件的密螺紋實施方案是有利的，與其自凈化效應一起有利于對產物產生較小的熱負荷。
本發(fā)明方法優(yōu)選用至少有四根單獨驅動的螺桿軸的擠壓機來實施。
如果采用具有均不轉動的可控溫的芯體和可控溫的外殼的擠壓機可獲得另外的冷卻工藝的改進，其中需要時可對芯體和外殼分別控溫。為此將外殼再分成可分別控溫的區(qū)域是適宜的。
本發(fā)明方法也可在其螺桿軸呈輪緣狀(kranzfrmig)、特別是呈環(huán)狀安置的擠壓機上進行。
在本發(fā)明方法過程中，縮聚物被熔化并然后再固化是適用的，其中，在該方法過程中縮聚物的溫度超過縮聚物的熔化溫度的總時間小于約60秒，優(yōu)選小于約30秒。這樣僅僅很少的時間可用于會發(fā)生的水解分解反應。由此甚至可在熔體中含大于200ppm的高殘留水含量下進行處理，無需使特性粘度的降低大于0.05dl/g。
該縮聚物可以其出口形式作為具有堆積密度為200kg/m3-600kg/m3的散料存在，特別是以絮狀物和片屑形式存在。
為此對縮聚物原料在熔化之前進行部分干燥是適宜的。由此通過將較廉價的部分干燥與在熔化狀態(tài)的短停留時間相結合可得到具有較少特性粘度減少的最終產物。優(yōu)選是該方法具有脫氣步驟以從縮聚物中去除揮發(fā)性雜質和/或分解產物。
優(yōu)選將縮聚物以固態(tài)送入擠壓機中，并且該縮聚物被加熱到低于熔點以下的溫度，這時縮聚物脫氣和/或干燥。這里呈固態(tài)的縮聚物的脫氣和/或干燥是在低于大氣壓下和/或加入一種惰性氣體下完成的。
本發(fā)明方法的特征尤其在于，縮聚物在該方法過程中以熔體存在的總時間由該縮聚物在擠壓機中熔化后并仍在該擠壓機中所停留的第一時間段和仍為熔化態(tài)的縮聚物在擠壓機外被加工的第二時間段加合成而成，其中第一時間段優(yōu)選小于約15秒。特別有利的是熔體在擠壓機中的停留時間小于約10秒。
熔化的縮聚物在擠壓機外的加工處理可包括熔體過濾以去除雜質顆粒的步驟。為形成所需壓力，優(yōu)選采用熔體泵。為此需將熔體泵和熔體過濾器集成于所述過程中，以維持本發(fā)明的短停留時間。
然后在固化中將縮聚物加工成由粒狀物形成的顆粒。
因此本發(fā)明提供了一種方法，其中可對粘性的和粘彈性的物質如熱塑性體和彈性體以最可能適宜的方式和最可能高的生產量進行加工，以提高最終產物的質量和增加整個工藝過程的經濟性。按本發(fā)明，重要的工藝過程如混合、冷卻/加熱(熱交換)和脫氣(物質交換)可同時和以高效率進行。
如同向旋轉的多軸擠壓機，特別是環(huán)形的12-軸擠壓機適合用作實施本方法的設備，其中也可使用另一類構型如非環(huán)形的多軸擠壓機或具有另外軸數(shù)的環(huán)形多軸擠壓機。
當工藝過程可在最可能小尺寸的加工機中達到最可能高的加工量(高生產量)時，本發(fā)明的經濟性就得到了改進。
產物的適度處理特別導致下列質量特性的改進·最終產物的損傷程度，如小的產品熱損傷·最終產物的機械特性的品質，如優(yōu)良的分散度。
產物的適度處理特別可通過下列達到·所需高的但均勻的剪切應力·在擠壓機中的短停留時間·高的生產量·高比例的楔形面積/自由體積(Az3/Vf2)·高比例的比表面積/自由體積(Am3/Vf2)·由于采用自凈化螺桿部件導致的窄的停留時間范圍。
本發(fā)明在于采用高的轉矩密度，由此首先可實現(xiàn)高的生產量，它決定著產品質量。
按本發(fā)明，該工藝過程特別可通過下列以高效率進行·材料頻繁地重排·高比例的比表面積/自由體積(Am3/Vf2)，同時有高的表面形成率(熱交換和物質交換)。
在該方法所基于的多軸擠壓機情況下，存在大量楔形，而自由體積保持非常小。這類機器的優(yōu)點在于產物的較好的分布、分散和重排。
本發(fā)明的發(fā)明人對在環(huán)形12-軸擠壓機上的本發(fā)明方法和在雙軸擠壓機上的一種方法進行了比較。
在12-軸擠壓機上，螺桿每旋轉一次該材料的重排比在雙軸擠壓機上多12倍。12-軸擠壓機與雙軸擠壓機的重排比U等于U＝12∶1產物的分布、分散和重排由楔形面積3即Az3與自由體積2即Vf2的比構成的無量綱特征數(shù)表征。
該方法的控溫效率和脫氣效率由表面積3(Am3)和自由體積2(Vf2)的比構成的無量綱特征數(shù)表征。
為計算楔形面積，引入Booy[1]的關系式。
比值Az3/Vf2包含重排比或重排系數(shù)U。
在多軸擠壓機情況下，存在大的表面(螺桿表面和外殼表面)，而自由體積保持非常小。因此本方法在這類機器中的進一步優(yōu)點在于利用了比表面積/體積的高比例。
由孔表面積3即Am3和自由體積2即Vf2的比例形成這種無量綱特征數(shù)。
用環(huán)形12-軸擠壓機的實驗表明了這類機器用于要求有優(yōu)良的分布和分散、重排、冷卻和脫氣的工藝過程的適用性。M.L.Booy，Isothermal Flow of Viscous Liquids inCorotating Twin Screw Devices；Polymer Engineering andScience，December，1980，Vol.20，No.18.
權利要求
1.一種利用同向旋轉的完全自凈化的多軸擠壓機來連續(xù)加工產物的方法，該擠壓機的加工空間有外殼面積Am和自由體積Vf，其具有光滑表面的螺桿軸僅繞各自的軸旋轉，其中該螺桿部件在螺桿桿體處的外徑為Da，在螺桿基底處的內徑為Di，其特征在于，在Da/Di＝1.3-1.7的情況下，對雙螺紋螺桿部件其至少部分加工區(qū)的Am3/Vf2為1020-3050，對三螺紋螺桿部件其至少部分加工區(qū)的Am3/Vf2為2000-7300。
2.權利要求1的方法，其特征在于，在所述擠壓機中導入的轉矩密度(每螺桿轉矩/軸距3)至少為7Nm/cm3。
3.權利要求1的方法，其特征在于，在所述擠壓機中導入的轉矩密度(每螺桿轉矩/軸距3)至少為9Nm/cm3。
4.權利要求1-3之一的方法，其特征在于，Da/Di＝1.5-1.63。
5.權利要求1-4之一的方法，其特征在于，在雙螺紋螺桿部件中1500＜Am3/Vf2＜2030，在三螺紋螺桿部件中3000＜Am3/Vf2＜5090。
6.權利要求1-5之一的方法，其特征在于，待加工的產物是被污染的和/或濕的縮聚物。
7.權利要求6的方法，其特征在于，待加工的縮聚物是聚酯。
8.權利要求7的方法，其特征在于，待加工的縮聚物是聚酯回收物，特別是PET瓶回收物。
9.一種利用同向旋轉的完全自凈化的多軸擠壓機來連續(xù)加工產物的方法，該擠壓機的加工空間有楔形面積Az和自由體積Vf，其具有光滑表面的螺桿軸僅繞各自的軸旋轉，其中該螺桿部件在螺桿桿體處的外徑為Da，在螺桿基底處的內徑為Di，其特征在于，在Da/Di＝1.3-1.7的情況下，對雙螺紋螺桿部件其至少部分加工區(qū)的Az3/Vf2為0.5-2.11，對三螺紋螺桿部件其至少部分加工區(qū)的Az3/Vf2為0.02-1.50。
10.權利要求9的方法，其特征在于，在擠壓機中導入的轉矩密度(每螺桿轉矩/軸距3)至少為7Nm/cm3。
11.權利要求9的方法，其特征在于，在擠壓機中導入的轉矩密度(每螺桿轉矩/軸距3)至少為9Nm/cm3。
12.權利要求9-11之一的方法，其特征在于，Da/Di＝1.5-1.63。
13.權利要求9-12之一的方法，其特征在于，對雙螺紋螺桿部件其至少部分加工區(qū)的Am3/Vf2為1020-3050，對三螺紋螺桿部件其至少部分加工區(qū)的Am3/Vf2為2000-7300，并且所加入的原料成分是彈性體。
14.權利要求9-13之一的方法，其特征在于，在雙螺紋螺桿部件中Am3/Vf2為1500-2300，在三螺紋螺桿部件中Am3/Vf2為3000-5090。
15.權利要求13或14的方法，其特征在于，所述彈性體是其中已至少加有一種填料的粉末狀或顆粒狀的彈性體。
16.前述權利要求之一的方法，其特征在于，所述螺桿部件是密螺紋的。
17.前述權利要求之一的方法，其特征在于，所述擠壓機至少有4根分別驅動的螺桿軸。
18.前述權利要求之一的方法，其特征在于，所述擠壓機具有不動的可控溫芯體和可控溫殼體。
19.權利要18的方法，其特征在于，所述芯體和殼體是分別控溫的。
20.權利要求18或19的方法，其特征在于，所述殼體再分為分別控溫的多個部分。
21.前述權利要求之一的方法，其特征在于，在擠壓機中所述螺桿軸呈輪緣狀，特別是呈環(huán)狀安置。
22.權利要求6的方法，其特征在于，所述縮聚物在方法過程中經熔化并然后再經固化，其中該縮聚物的溫度在方法過程中超過縮聚物熔化溫度的總時間小于約60秒。
23.權利要求22的方法，其特征在于，該縮聚物的溫度在方法過程中超過縮聚物熔化溫度的總時間小于約30秒。
24.權利要求22或23的方法，其特征在于，在熔體中的殘余水含量大于200ppm。
25.權利要求22-24之一的方法，其特征在于，所述縮聚物以其出口形式作為具有堆積密度為200kg/cm3-600kg/cm3的散料存在。
26.權利要求22-25之一的方法，其特征在于，所述縮聚物以絮狀物或片屑形式存在。
27.權利要求22-26之一的方法，其特征在于，所述縮聚物原料在熔化前經部分干燥。
28.權利要求22-27之一的方法，其特征在于，它還具有脫氣步驟以從縮聚物熔體中去除揮發(fā)性雜質和/或分解產物。
29.權利要求22-28之一的方法，其特征在于，所述縮聚物以固態(tài)加到擠壓機中，將該縮聚物加熱到低于其熔點的溫度，并使該縮聚物脫氣和/或干燥，其中該呈固態(tài)的縮聚物的脫氣和/或干燥在低于大氣壓和/或加入惰性氣體下進行。
30.權利要求29的方法，其特征在于，該縮聚物在方法過程中以熔體存在的總時間包括該縮聚物在擠壓機中熔化后但仍在擠壓機中停留的第一時間段和還呈熔化態(tài)的縮聚物在擠壓機的外部經加工的第二時間段。
31.權利要求30的方法，其特征在于，第一時間段的長度小于約15秒。
32.權利要求30的方法，其特征在于，第一時間段的長度小于約10秒。
33.權利要求29-32之一的方法，其特征在于，該熔化態(tài)的縮聚物在擠壓機外的加工包括熔體過濾。
34.權利要求29-33之一的方法，其特征在于，該熔化態(tài)的縮聚物在擠壓機外的加工包括應用熔體泵。
35.權利要求22-34之一的方法，其特征在于，固化時該縮聚物加工成由粒狀物組成的顆粒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法，該方法可對塑料和彈性體(如PET或橡膠)以最可能適度的方式和最可能高的生產量進行加工處理，以提高最終產物的質量和增加整個工藝過程的經濟性。按本旭有可同時并高效率實施工藝過程如混合、冷卻/加熱(熱交換)和脫氣(物質交換)。
文檔編號B29B7/46GK1555307SQ02817792
公開日2004年12月15日 申請日期2002年9月11日 優(yōu)先權日2001年9月11日
發(fā)明者A·－P·斯圖姆, A -P 斯圖姆, J·施維克勒, 死, A·克里斯特, 鎪固, C·內夫, 殺饒, F·恩納比納 申請人:布勒公司