专利名称：利用外壳面积和自由体积或螺杆内径和外径的特定比例来实施连续混合和加工过程的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用权利要求1或9前序部分中的同向旋转的多轴挤压机来连续加工产物的方法。
如在DE195 36 289C2中描述了这类方法。其中所述方法可用于在双轴挤压机中处理塑料，特别是树脂和粘塑性物料。为在产物的加工期间使产物质量少受热的、热化学的和纯机械的损害，在该方法中要使产物在挤压机中的停留时间短。这可通过高转数和高转矩密度下以高生产量加工来达到。但同时要保持挤压机中的高自由体积(加工空间体积)不变。
但是这时出现的产物的热负荷和机械负荷特别是在加工缩聚物如聚酯或弹性体如橡胶混合物时会导致不可接收的严重产物损伤。
因此本发明的目的在于提供一种本文开头所述的方法，它特别适于在由于挤压机中的高温和/或长停留时间使产物在加工过程中产生对质量有害的变化的条件下加工处理高粘性产物(如聚合物；乳胶物等)。
按照本发明，该目的是通过权利要求1和9的方法解决的。其关键是无需特别高的转数而减少产物在挤压机中的停留时间，这通过降低挤压机中的自由体积(加工空间体积)而实现。
在权利要求1的方法中，形成具有光滑外壳面积Am、自由体积Vf以及绕各自轴同向旋转的并有光滑表面的螺杆轴的螺杆轴外径Da和螺杆轴内径Di的加工空间，以致在Da/Di＝1.3-1.7时至少部分加工区域在双螺纹螺杆部件情况下Am3/Vf2之比为1020-3050，在三螺纹螺杆部件情况下Am3/Vf2之比为2000-7300。该自由体积Vf表示加入成分的接受容量。对产物的每个体积单位均有用于冷却/加热和用于脱气的大的表面，由此可使加入的原料经适度处理并得到产物的高质量。由于挤压机加工空间的光滑外壳表面和自净化螺杆轴的光滑表面就保证了挤压机的完全自净化能力。
借助于与达600转/分的低转数偶合的具有尽可能小的螺杆轴直径的多根螺杆轴可达到原料的适度处理。这时产生的剪切力和捏和力对产物有适度的影响。由于多根螺杆轴，形成了具有在表面积与自由体积之间有高比例的短的加工区长度。
为了与其它的混合装置相比较，必须基于相同的自由体积。
在与其它的混合装置相比较的相同的自由体积情况下，表面积与自由体积的比例与其状态有关。
在挤压机中采用转矩密度(每螺杆的转矩/轴距3)至少为7Nm/cm3，特别是至少9Nm/cm3是合适的。在相同的转数下，较大的转矩密度可允许较高的功率输入；这样得到更大的生产量及由此产生的更短的停留时间，借此降低了在工艺过程中对所加入原料的加热并可达到对产物的更小热损伤。
采用高的驱动转矩可产生高的生产量及短的停留时间，这对产物温度有正面影响。
优选Da/Di＝1.5-1.63。
当选择Am3/Vf2的比以使在双螺纹螺杆部件情况下为1500＜Am3/Vf2＜2030和在三螺纹螺杆部件情况下为3000＜Am3/Vf2＜5090时是特别有利的。
当待处理的原料是被污染的和/或湿的缩聚物，特别是聚酯如聚酯回收物时是有利的。该聚酯回收物可例如是PET瓶回收物。对此本发明的方法是特别有利的，因为其大的比表面有利于产物的干燥和脱气，以达在很大程度上去除缩聚物中所不需要的挥发性成分。特别重要的是从缩聚物中去除水分子，该水分子会导致链分子水解并降低缩聚物的特性粘度。该大的比表面和由此改进的产物的冷却和改进的可能出现的氧化性杂质的脱气也减少了链分子的纯热分解和热氧化分解。总之得到了适度的处理和由此产生高质量产物和该方法的优良经济性。
在权利要求9的方法中，形成具有光滑楔形面积Az、自由体积Vf以及绕各自轴同向旋转的并有光滑表面的螺杆轴的外径Da和内径Di的加工空间，以致在Da/Di＝1.3-1.7时至少部分加工区在双螺纹螺杆部件情况下Az3/Vf2为0.5-2.11，在三螺纹螺杆部件情况下Az3/Vf2为0.02-1.50。大比例的楔形区可导致大量的重排过程，并由此产生优良的混合特性。特别是在多个楔形区情况下，可产生物料的较高程度的轴向流，有助于产物在挤压机中有较短的停留时间。借助于与转数达600转/分的低转数的偶合的具有尽可能小的螺杆轴直径的多根螺杆轴，也可达到产物的适度处理。这时产生的剪切力和捏和力对产物有适度影响。由于多根螺杆轴，形成了具有在比楔形面积和自由体积之间有高比例的短的加工区长度。再此，通过光滑的楔形面和自净化螺杆轴的光滑表面也保证了加工空间的完全自净化。
为了与其它的混合装置相比较，必须基于相同的自由体积。
在挤压机中采用转矩密度(每螺杆的转矩/轴距3)至少为7Nm/cm3，特别是至少9Nm/cm3是合适的。在相同的转数下，较大的转矩密度可允许较高的功率输入；这样得到更大的生产量及由此产生的更短的停留时间，借此降低了在工艺过程中对产物的加热，并可达到对产物的小的热损伤。
这里采用高的驱动转矩也可产生高的生产量及短的停留时间，这对产物的温度有正面影响。
优选Da/Di＝1.5-1.63。
当双螺纹螺杆部件的至少部分加工区的Am3/Vf2的比例为1020-3050和三螺纹螺杆部件的至少部分加工区的Am3/Vf2的比例为2000-7300以及其输入成分之一是弹性体时是特别有利的。
由于高比例的楔形区，产生较高的用于湿润输入成分特别是含软化剂的弹性体的表面形成率。再此也通过大的比表面积产生了大的冷却表面，从而与高的生产量和楔形区中的高的轴向速度一起最终导致对各成分的适度处理。低的螺杆轴的转数、高的转矩密度以及小的自由体和足够高的生产量在过程中产生较低的温度。
在本发明方法的另一有利实施方案中，对双螺纹螺杆部件的Am3/Vf2为1500-2300，对三螺纹螺杆部件的Am3/Vf2为3000-5090。
在弹性体情况下，涉及其中已含有填料的粉末状或粒状的弹性体是有利的，如粉末橡胶。
此外，螺杆部件的密螺纹实施方案是有利的，与其自净化效应一起有利于对产物产生较小的热负荷。
本发明方法优选用至少有四根单独驱动的螺杆轴的挤压机来实施。
如果采用具有均不转动的可控温的芯体和可控温的外壳的挤压机可获得另外的冷却工艺的改进，其中需要时可对芯体和外壳分别控温。为此将外壳再分成可分别控温的区域是适宜的。
本发明方法也可在其螺杆轴呈轮缘状(kranzfrmig)、特别是呈环状安置的挤压机上进行。
在本发明方法过程中，缩聚物被熔化并然后再固化是适用的，其中，在该方法过程中缩聚物的温度超过缩聚物的熔化温度的总时间小于约60秒，优选小于约30秒。这样仅仅很少的时间可用于会发生的水解分解反应。由此甚至可在熔体中含大于200ppm的高残留水含量下进行处理，无需使特性粘度的降低大于0.05dl/g。
该缩聚物可以其出口形式作为具有堆积密度为200kg/m3-600kg/m3的散料存在，特别是以絮状物和片屑形式存在。
为此对缩聚物原料在熔化之前进行部分干燥是适宜的。由此通过将较廉价的部分干燥与在熔化状态的短停留时间相结合可得到具有较少特性粘度减少的最终产物。优选是该方法具有脱气步骤以从缩聚物中去除挥发性杂质和/或分解产物。
优选将缩聚物以固态送入挤压机中，并且该缩聚物被加热到低于熔点以下的温度，这时缩聚物脱气和/或干燥。这里呈固态的缩聚物的脱气和/或干燥是在低于大气压下和/或加入一种惰性气体下完成的。
本发明方法的特征尤其在于，缩聚物在该方法过程中以熔体存在的总时间由该缩聚物在挤压机中熔化后并仍在该挤压机中所停留的第一时间段和仍为熔化态的缩聚物在挤压机外被加工的第二时间段加合成而成，其中第一时间段优选小于约15秒。特别有利的是熔体在挤压机中的停留时间小于约10秒。
熔化的缩聚物在挤压机外的加工处理可包括熔体过滤以去除杂质颗粒的步骤。为形成所需压力，优选采用熔体泵。为此需将熔体泵和熔体过滤器集成于所述过程中，以维持本发明的短停留时间。
然后在固化中将缩聚物加工成由粒状物形成的颗粒。
因此本发明提供了一种方法，其中可对粘性的和粘弹性的物质如热塑性体和弹性体以最可能适宜的方式和最可能高的生产量进行加工，以提高最终产物的质量和增加整个工艺过程的经济性。按本发明，重要的工艺过程如混合、冷却/加热(热交换)和脱气(物质交换)可同时和以高效率进行。
如同向旋转的多轴挤压机，特别是环形的12-轴挤压机适合用作实施本方法的设备，其中也可使用另一类构型如非环形的多轴挤压机或具有另外轴数的环形多轴挤压机。
当工艺过程可在最可能小尺寸的加工机中达到最可能高的加工量(高生产量)时，本发明的经济性就得到了改进。
产物的适度处理特别导致下列质量特性的改进·最终产物的损伤程度，如小的产品热损伤·最终产物的机械特性的品质，如优良的分散度。
产物的适度处理特别可通过下列达到·所需高的但均匀的剪切应力·在挤压机中的短停留时间·高的生产量·高比例的楔形面积/自由体积(Az3/Vf2)·高比例的比表面积/自由体积(Am3/Vf2)·由于采用自净化螺杆部件导致的窄的停留时间范围。
本发明在于采用高的转矩密度，由此首先可实现高的生产量，它决定着产品质量。
按本发明，该工艺过程特别可通过下列以高效率进行·材料频繁地重排·高比例的比表面积/自由体积(Am3/Vf2)，同时有高的表面形成率(热交换和物质交换)。
在该方法所基于的多轴挤压机情况下，存在大量楔形，而自由体积保持非常小。这类机器的优点在于产物的较好的分布、分散和重排。
本发明的发明人对在环形12-轴挤压机上的本发明方法和在双轴挤压机上的一种方法进行了比较。
在12-轴挤压机上，螺杆每旋转一次该材料的重排比在双轴挤压机上多12倍。12-轴挤压机与双轴挤压机的重排比U等于U＝12∶1产物的分布、分散和重排由楔形面积3即Az3与自由体积2即Vf2的比构成的无量纲特征数表征。
该方法的控温效率和脱气效率由表面积3(Am3)和自由体积2(Vf2)的比构成的无量纲特征数表征。
为计算楔形面积，引入Booy[1]的关系式。
比值Az3/Vf2包含重排比或重排系数U。
在多轴挤压机情况下，存在大的表面(螺杆表面和外壳表面)，而自由体积保持非常小。因此本方法在这类机器中的进一步优点在于利用了比表面积/体积的高比例。
由孔表面积3即Am3和自由体积2即Vf2的比例形成这种无量纲特征数。
用环形12-轴挤压机的实验表明了这类机器用于要求有优良的分布和分散、重排、冷却和脱气的工艺过程的适用性。M.L.Booy，Isothermal Flow of Viscous Liquids inCorotating Twin Screw Devices；Polymer Engineering andScience，December，1980，Vol.20，No.18.
权利要求
1.一种利用同向旋转的完全自净化的多轴挤压机来连续加工产物的方法，该挤压机的加工空间有外壳面积Am和自由体积Vf，其具有光滑表面的螺杆轴仅绕各自的轴旋转，其中该螺杆部件在螺杆杆体处的外径为Da，在螺杆基底处的内径为Di，其特征在于，在Da/Di＝1.3-1.7的情况下，对双螺纹螺杆部件其至少部分加工区的Am3/Vf2为1020-3050，对三螺纹螺杆部件其至少部分加工区的Am3/Vf2为2000-7300。
2.权利要求1的方法，其特征在于，在所述挤压机中导入的转矩密度(每螺杆转矩/轴距3)至少为7Nm/cm3。
3.权利要求1的方法，其特征在于，在所述挤压机中导入的转矩密度(每螺杆转矩/轴距3)至少为9Nm/cm3。
4.权利要求1-3之一的方法，其特征在于，Da/Di＝1.5-1.63。
5.权利要求1-4之一的方法，其特征在于，在双螺纹螺杆部件中1500＜Am3/Vf2＜2030，在三螺纹螺杆部件中3000＜Am3/Vf2＜5090。
6.权利要求1-5之一的方法，其特征在于，待加工的产物是被污染的和/或湿的缩聚物。
7.权利要求6的方法，其特征在于，待加工的缩聚物是聚酯。
8.权利要求7的方法，其特征在于，待加工的缩聚物是聚酯回收物，特别是PET瓶回收物。
9.一种利用同向旋转的完全自净化的多轴挤压机来连续加工产物的方法，该挤压机的加工空间有楔形面积Az和自由体积Vf，其具有光滑表面的螺杆轴仅绕各自的轴旋转，其中该螺杆部件在螺杆杆体处的外径为Da，在螺杆基底处的内径为Di，其特征在于，在Da/Di＝1.3-1.7的情况下，对双螺纹螺杆部件其至少部分加工区的Az3/Vf2为0.5-2.11，对三螺纹螺杆部件其至少部分加工区的Az3/Vf2为0.02-1.50。
10.权利要求9的方法，其特征在于，在挤压机中导入的转矩密度(每螺杆转矩/轴距3)至少为7Nm/cm3。
11.权利要求9的方法，其特征在于，在挤压机中导入的转矩密度(每螺杆转矩/轴距3)至少为9Nm/cm3。
12.权利要求9-11之一的方法，其特征在于，Da/Di＝1.5-1.63。
13.权利要求9-12之一的方法，其特征在于，对双螺纹螺杆部件其至少部分加工区的Am3/Vf2为1020-3050，对三螺纹螺杆部件其至少部分加工区的Am3/Vf2为2000-7300，并且所加入的原料成分是弹性体。
14.权利要求9-13之一的方法，其特征在于，在双螺纹螺杆部件中Am3/Vf2为1500-2300，在三螺纹螺杆部件中Am3/Vf2为3000-5090。
15.权利要求13或14的方法，其特征在于，所述弹性体是其中已至少加有一种填料的粉末状或颗粒状的弹性体。
16.前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述螺杆部件是密螺纹的。
17.前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述挤压机至少有4根分别驱动的螺杆轴。
18.前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述挤压机具有不动的可控温芯体和可控温壳体。
19.权利要18的方法，其特征在于，所述芯体和壳体是分别控温的。
20.权利要求18或19的方法，其特征在于，所述壳体再分为分别控温的多个部分。
21.前述权利要求之一的方法，其特征在于，在挤压机中所述螺杆轴呈轮缘状，特别是呈环状安置。
22.权利要求6的方法，其特征在于，所述缩聚物在方法过程中经熔化并然后再经固化，其中该缩聚物的温度在方法过程中超过缩聚物熔化温度的总时间小于约60秒。
23.权利要求22的方法，其特征在于，该缩聚物的温度在方法过程中超过缩聚物熔化温度的总时间小于约30秒。
24.权利要求22或23的方法，其特征在于，在熔体中的残余水含量大于200ppm。
25.权利要求22-24之一的方法，其特征在于，所述缩聚物以其出口形式作为具有堆积密度为200kg/cm3-600kg/cm3的散料存在。
26.权利要求22-25之一的方法，其特征在于，所述缩聚物以絮状物或片屑形式存在。
27.权利要求22-26之一的方法，其特征在于，所述缩聚物原料在熔化前经部分干燥。
28.权利要求22-27之一的方法，其特征在于，它还具有脱气步骤以从缩聚物熔体中去除挥发性杂质和/或分解产物。
29.权利要求22-28之一的方法，其特征在于，所述缩聚物以固态加到挤压机中，将该缩聚物加热到低于其熔点的温度，并使该缩聚物脱气和/或干燥，其中该呈固态的缩聚物的脱气和/或干燥在低于大气压和/或加入惰性气体下进行。
30.权利要求29的方法，其特征在于，该缩聚物在方法过程中以熔体存在的总时间包括该缩聚物在挤压机中熔化后但仍在挤压机中停留的第一时间段和还呈熔化态的缩聚物在挤压机的外部经加工的第二时间段。
31.权利要求30的方法，其特征在于，第一时间段的长度小于约15秒。
32.权利要求30的方法，其特征在于，第一时间段的长度小于约10秒。
33.权利要求29-32之一的方法，其特征在于，该熔化态的缩聚物在挤压机外的加工包括熔体过滤。
34.权利要求29-33之一的方法，其特征在于，该熔化态的缩聚物在挤压机外的加工包括应用熔体泵。
35.权利要求22-34之一的方法，其特征在于，固化时该缩聚物加工成由粒状物组成的颗粒。
全文摘要
本发明涉及一种方法，该方法可对塑料和弹性体(如PET或橡胶)以最可能适度的方式和最可能高的生产量进行加工处理，以提高最终产物的质量和增加整个工艺过程的经济性。按本旭有可同时并高效率实施工艺过程如混合、冷却/加热(热交换)和脱气(物质交换)。
文档编号B29B7/46GK1555307SQ02817792
公开日2004年12月15日 申请日期2002年9月11日 优先权日2001年9月11日
发明者A·－P·斯图姆, A -P 斯图姆, J·施维克勒, 死, A·克里斯特, 锼固, C·内夫, 杀饶, F·恩纳比纳 申请人:布勒公司