专利名称：挤压机和用于挤压聚合物的方法
挤压机和用于挤压聚合物的方法本发明涉及一种用于聚合物的挤压机以及一种使用所述挤压机挤压聚合物的方法。聚合物的挤压在聚合物生产中是常见的加工步骤。一般而言，聚合物粉末可以以 所希望的速率按规定量供入进料斗，然后由重力从所述进料斗通过所谓进料口被传送并进 入挤压机筒状物(其中有旋转的螺杆(screw))。螺杆旋转以移动聚合物沿筒状物离开进料 口。热能和机械能(来自螺杆)被提供给筒状物中的聚合物粉末使其熔化。一旦熔化该聚 合物被传送进入合适的模具并被挤压以使聚合物成形为所希望的挤压形状，例如小球或者 薄膜。在工业规模的挤压工艺中，典型的挤压机由具有“标准”筒状物长度的筒状部段组 成。典型地，标准筒状部段的全长是螺杆或者转动体(rotor)直径的2到3倍。按照惯例， 在工业规模下，聚合物按顺序地被供入第一筒状部段，在“下游”至少提供第二筒状部段。至 少第三筒状部段也是常见的，以保证聚合物在挤压之前完全熔化。在挤压工艺中有许多重 要的参数，包括例如筒状物尺寸、螺杆速度、螺距和扭矩。在本领域中总的方向是增加挤压 通过量，这包括尽可能地增加筒状物的所有线性尺寸、螺杆速度和扭矩，因为这些目前是限 制因素。对聚合物的供给的主要要求是当聚合物沿筒状物移动时充分地填充筒状物。该聚 合物通常从漏斗通过所谓进料口的区域被供给至第一筒状部段。典型地，进料口宽度基于 筒状部段宽度被最大化，例如大至螺杆的极限，例如在双螺杆或者双转动体挤压机的情况 下，大至2倍的螺杆或者转动体直径。典型地，进料口也具有大至该挤压机部段中的螺杆或者转动体直径的2倍的轴向 长度，给出长度和宽度两者都大至螺杆直径的2倍的进料口区域。对于双螺杆挤压机，聚合物粉末的供给速率一般由粉末按规定量供入漏斗的速率 控制。一般认为漏斗是“空”运转的，“空”的意思是其中没有有效的粉末体积并且在漏斗基 部没有“滞留”的粉末。目前进料口区域总体上没有对工艺产生限制，因而未引起关注。但是现在发现当生产能力增加时，尽管当螺杆和筒状物尺寸增加时，进料口区域 大体上增加(通过成比例地增加其宽度和长度)，进料口区域只按平方数学关系增加，而通 过量按立方关系增加，从而产生一个问题聚合物通过进料口供入筒状物的速率不够快以 充分地填充筒状物。这个问题对流动性差的原料尤其重要。因而，为了满足对更高的生产能力的持续地需求，需要设计一种挤压机，相比现有 挤压机其聚合物供给能力增加。因而，在第一方面，本发明提供一种挤压机，其包括⑴两个或者多个从(a)到(b)按顺序地布置的筒状部段 (a)上游送料筒状部段，待挤压的聚合物原料被供给至该上游送料筒状部段，该上
游送料筒状部段包括两个或者多个螺杆，其各自具有为X的直径； (b)下游筒状部段，熔化的聚合物从该下游筒状部段被传送至模具并被挤压以
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(ii) 一个或者多个进料口，用于在挤压机上游端部供给待挤压的聚合物原料进入 挤压机，其特征在于，一个或者多个进料口(通过该进料口聚合物原料被输入)的总面积 大于4*X2。本发明涉及具有多个(两个或者多个)螺杆的挤压机。该螺杆平行(或者靠近) 并且在使用中可以按相同或者相反的方向旋转(分别为所谓联合旋转或者相对旋转)。该 螺杆可以是非相互啮合、部分相互啮合或者完全相互啮合。最常见的类型的挤压机具有多个螺杆，而本发明优选的挤压机具有两个螺杆。这 种挤压机的例子是双螺杆挤压机和双转动体搅拌器挤压机。注意术语“螺杆”和“转动体” 在挤压机工业中广泛使用，通常明显的可互相替换。这里使用的术语“螺杆”意思是包括这 种螺杆和转动体两者，而在提及“双螺杆挤压机”的地方，除非另有限定，应理解为也提及双 转动体挤压机。优选地，该挤压机包括三个或者多个筒状部段。为了避免疑问，尽管在本发明的方法中重要的是上游送料筒状部段中的两个或者 多个螺杆的直径，每个筒状部段包括与上游送料筒状部段中的两个或者多个螺杆相联系的 (in communication with)相应的两个或者多个螺杆部段。本发明特征在于，一个或者多个进料口(通过该进料口聚合物原料被输入)的总 面积大于4*X2，其中X是上游送料筒状部段中的螺杆的直径。在一个实施例中，本发明的目的可以这样实现在第一进料口下游增加第二进料 口，或者甚至在第一进料口下游增加多个进料口，使得进料口组合的面积大于4*X2。 但是，一般优选地使用面积大于4*X2 6<]单个进料口。优选地，一个或者多个进料口(通过该进料口聚合物被输入)的总面积大于5*X2， 而最优选地大于6*X2。尽管理论上可以使用其它形状，为了使单位长度的面积最大和设计制造的简便， 进料口区域一般是矩形，其宽度受限于上游送料筒状部段的宽度，例如2*X。该矩形优选地 为圆角矩形，因为成角的拐角容易使粉末粘在其中。明显地，为获得上述进料口面积，进料口长度可以大于所谓“标准”筒状物的长度。因而该进料口长度大于2*X，优选地大于2. 5*X，而更优选地大于3*X。可以使用延伸的或者“非标准”的筒状物，其具有用于上游送料筒状部段的增加的 长度。备选地，该进料口的长度/面积可以延伸进料口至第二下游筒状部段，使得至少它的 一部分供给聚合物直接进入第二筒状部段。例如，该挤压机可以包括三个或者多个筒状部 段，该筒状部段各自具有为L的长度，而进料口具有大于L的长度。在本发明的方法中另一个重要的参数是螺距。螺距是螺杆螺线回到螺杆上相同的 径向位置的相邻点之间的距离。为了避免疑问，当螺杆包括多于一个螺线时，这里使用的螺 距是单独的螺杆螺线回到相同的径向位置时的距离，其大于相邻的螺线之间的距离。在图 2中也示意性地显示了螺距。在上游送料筒状部段中螺距和螺杆直径之比合适地至少为1 但不大于2. 5。使用更长的螺距能够增加挤压机通过量。但是，不使用根据本发明的方法所述的 扩大的进料口，会发现当尺度增加时，这导致螺杆中的沟槽只被部分地填充，使得任何进一
4步的螺距的增加或者速度的增加不会带来通过量的增加。此外在长螺距螺杆情况下，聚合 物原料的向前输送效率下降。在第二方面，本发明提供用于聚合物的挤压的方法，其包括供给聚合物原料至如 此处所述的挤压机的进料口。典型地，以粉末或者小球的形式提供聚合物原料。本发明的聚合物原料优选地为 乙烯或者丙烯聚合物，不是其均聚物，就是与另一种共聚用单体的同聚物。本发明特别地应用于生产能力相对高的挤压方法和尺寸相对大的挤压机。典型 地，本发明应用于上游送料筒状部段中每个螺杆具有200mm或者更大的螺杆直径的挤压 机。本发明的挤压机和方法可以用于任何聚合物粉末，甚至那些通常认为是“自由流 动”或者“易流动”的聚合物粉末，与此同时本发明特别地应用于流动性相对差的聚合物粉末。粉末流动性典型地由剪切室(shear cell)中的试验描述。这种试验的一个例 子在ASTM D6773-02 “使用Schulze环剪切试验器的用于散装固体的标准剪切试验方 法(Standard Shear Test Method for Bulk Solids Using the Schulze Ring Shear Tester)，，中描述。如ASTMD6773-02所述，聚合物粉末的流动函数为粉末的无约束屈服强 度(unconfined yield strength)与主固结应；O (major consolidation stress)白勺关系 曲线。一般而言，根据流动性比(flowability ratio) ff。评定聚合物的流动性，流动性比 定义为固结应力与无约束屈服强度之比，如下所述ff。< 1 非流动1 < ff。< 2非常粘着(接近非流动)2 < ffc < 4 粘着4 < ffc < 10 易流动10 < ffc 自由流动。本发明特别地可应用于ff。值小于4的聚合物粉末，尽管它甚至对ff。值大于4的 聚合物粉末也是有用的。因此优选地，本发明的方法中待挤压的聚合物粉末具有小于6的流动性比。更优 选地，本发明的方法中待挤压的聚合物粉末具有小于4的流动性比，而最优选地具有小于2 的流动性比。优选地，本发明的方法中待挤压的聚合物粉末具有至少为1的流动性比。应注 意，聚合物粉末的流动性比可能作为固结压力以及温度的函数变化。这里使用的聚合物粉 末的流动性比是使用ASTMD6773-02中描述的瞬时剪切试验在固结压力为2000Pa，温度等 于在挤压过程(聚合物粉末被供给至该挤压过程)中进料口处的聚合物粉末的温度下测得 的值。例如，对于待挤压的聚乙烯粉末，其中挤压机进料口处的聚乙烯粉末的温度为65°C， 应在65°C的温度下测量该聚乙烯粉末的流动性比。在
图1中示意性地显示了根据本发明所述的挤压机。特别地，图1显示了具有三个 筒状部段的挤压机，标为Ia (上游送料筒状部段)、Ib (第二筒状部段)和Ic (下游筒状部 段)，各自具有为L的长度。该筒状物包含两个直径为X的非相互啮合螺杆(在图1中未示 出，但在图2中示出)。(每个筒状物的内部高度大于X，这对包含螺杆并使螺杆在运行中能 够旋转是必要的。出于同样的原因，每个筒状物的内部宽度大于2*X。)在图中长度L近似为2. 5*X。为供给聚合物进入挤压机，提供漏斗2，漏斗2带有进料口，其面积至少为4*X2。 (如图所示，该进料口具有为Z的轴向长度，其近似为3*X，相当于近似为6*X2的面积)。在 图1中也示意性地显示了螺杆电动机3、挤压机传动箱4、过渡部件5和模具6。
图2以示意性的形式显示了非相互啮合双螺杆挤压机的双螺杆的一段的俯视图。 在该例中，宽度为2*X。(与相互啮合程度相关，相互啮合或者部分相互啮合具有更小的宽 度。)
权利要求
一种挤压机，其包括(i)两个或者多个从(a)到(b)按顺序地布置的筒状部段(a)上游送料筒状部段，待挤压的聚合物原料被供给至所述上游送料筒状部段，所述上游送料筒状部段包括两个或者多个螺杆，其各自具有为X的直径；(b)下游筒状部段，熔化的聚合物从该下游筒状部段被传送至模具并被挤压；以及(ii)一个或者多个进料口，用于在所述挤压机上游端部将待挤压的聚合物原料送入所述挤压机，其特征在于，一个或者多个进料口的总面积大于4*X2，通过该进料口聚合物原料被输入。
2.根据权利要求1所述的挤压机，其特征在于，具有两个螺杆。
3.根据权利要求1或者2所述的挤压机，其特征在于，包括三个或者多个筒状部段。
4.根据前述权利要求中任一项所述的挤压机，其特征在于，具有单个面积大于4*X2的 进料口。
5.根据前述权利要求中任一项所述的挤压机，其特征在于，所述一个或者多个进料口 的总面积大于5*X2，通过该进料口聚合物原料被输入。
6.根据前述权利要求中任一项所述的挤压机，其特征在于，在所述进料口筒状部段中， 所述螺杆直径为200mm或者更大。
7.一种用于聚合物的挤压的方法，其特征在于，包括供给聚合物原料至根据权利要求 1到6中任一项所述的挤压机进料口。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述聚合物原料为粉末的形式，其具有小 于6的流动性比。
全文摘要
本发明涉及一种用于聚合物的挤压机以及一种使用所述挤压机挤压聚合物的方法。特别地，本发明提供一种挤压机包括(i)两个或多个从(a)到(b)按顺序地布置的筒状部段(1a，1b，1c)(a)上游送料筒状部段(1a)，待挤压的聚合物原料被供给至该上游送料筒状部段，该上游送料筒状部段包括两个或多个螺杆，其各自具有为X的直径；(b)下游筒状部段(1c)，熔化的聚合物从该下游筒状部段被传送至模具并被挤压；以及(ii)一个或者多个进料口，其用于在挤压机上游端部供给待挤压的聚合物原料进入挤压机，其特征在于，一个或者多个进料口(通过该进料口聚合物原料被输入)的总面积大于4*X2，以及一种用于挤压聚合物的方法，其包括供给聚合物原料至这种挤压机的进料口。
文档编号B29C47/10GK101983121SQ200980112541
公开日2011年3月2日 申请日期2009年3月18日 优先权日2008年3月31日
发明者G·L·皮特曼 申请人:英尼奥斯欧洲有限公司