用于制备聚(对苯二甲酸丙二醇酯)粒料的设备的制作方法与工艺

用于制备聚(对苯二甲酸丙二醇酯)粒料的设备本专利申请要求2011年3月1日提交的美国临时申请61/447,868和2011年3月1日提交的美国临时申请61/447,875的权益，它们以引用方式并入本文。技术领域本发明涉及用于骤冷挤出的聚合物线条的骤冷设备。

背景技术：
聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)通过1，3-丙二醇与对苯二甲酸或对苯二甲酸酯的缩聚反应来制备。PTT聚合物及其共聚物在纤维、织物、地毯、膜、模塑部件等的制备中有日益增长的商业用途。在聚合物领域中的标准实施是在通过挤出机挤出产生的熔融聚合物的“连续聚合器”中制造热塑性聚酯，该挤出机配有所谓的“线条模头”，它只是其中具有一个或多个约1/8-1/4"圆形横截面的孔的金属板。将直径为约1/10-1/8"的熔融热塑性聚合物的连续线条挤出线条模头的各个孔。紧接着从线条模头排出时，热的线条通常通过水骤冷区域，其通常由水骤冷槽或水喷雾室组成。骤冷区域的长度很大程度上取决于挤出线条的线速度--即，线条移动的速度-以及线条在模头出口处的熔融温度。在骤冷区域的末端，线条与水分离，并且指向切割器，所述切割器将线条切成约1/8"长的粒料。开发用于聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)的这一实施已经被施用于聚(对苯二甲酸丙二醇酯)(PTT)。因为线条的快速骤冷，所得粒料趋于表现出无定形(即，非结晶的)表面。这对于PET不是一个问题，因为玻璃化转变温度足够高，使得无定形表面保持固体状态直至粒料进行进一步的熔融加工。PTT表现出约45℃的玻璃化转变温度(Tg)--远低于PET和其他熟知的聚酯如PBT或PEN的玻璃化转变温度。已发现，当通过上述方法制备的PTT粒料储存在约40℃的环境温度下时，在微观水平上可能发生某些程度的表面聚合物流动，从而导致储存的粒料粘在一起形成聚集体，其阻碍粒料在加工期间的平滑流动。通过诱发表面结晶，可产生当经受相对高的储存温度时表现出大幅降低的粘性和聚集的粒料。Hanniman等人，US2009/0057935，公开了在高于Tg下由聚酯制得非粘附颗粒的方法，该方法通过在80-110℃下将粒化材料引入冷却水进行，其中粒化材料由熔体制备并且被进料到水下熔体切割器中。Duh等人，US6,297,315，公开了在制粒之前结晶PTT的方法，该方法通过将骤冷后的线条浸入加热到60-100℃的水浴中进行。Duh指出通过在制粒后结晶获得最佳结果。此外，根据Duh，60℃的水温需要20分钟的结晶时间以获得令人满意的结果。这是因为，如Duh所示，60℃低于约69℃的结晶温度。Nishiyama等人，JP7223221(A)(仅说明书摘要)，公开了适用于具有小于40℃的Tg的聚酯的方法，其中将熔融线条骤冷，然后进行拉伸以诱导其中结晶，随后进行制粒。Shelby等人，US6，159,406，公开了在制粒前结晶难以结晶的聚酯熔体的方法，该方法通过骤冷线条，然后通过在两组导丝上卷绕以拉伸线条来进行，上述两组导丝通过设置在高于Tg的热水浴分开，并且线条通过该热水浴。

技术实现要素：
本发明提供了设备，所述设备包括--用于挤出熔融聚合物线条的挤出装置；--制粒机；和，--布置为将聚合物线条从挤出装置输送到制粒机的槽；所述槽包括--内底部表面；--布置为在接近挤出装置的内底部表面的第一部分上提供水层的水分配装置；--布置在槽中位于水分配装置下游的网状或多孔表面，其布置为允许水与经水浸的投射到其上的线条分离；和，--位于网状或多孔表面下游的内底部表面的第二部分，其布置为包含水层。附图说明图1a示出了在本发明的一个实施例中槽的侧面纵向剖面图，其中槽在其内底部表面中包括多个穿孔。图1b示出了如图1a所示的槽的底视图，其示出位于第一部分下游的多个穿孔，以及在最远下游部分的大排放孔。图2示出了在本发明的一个实施例中的槽的侧面纵向剖面图，其中槽内底部不具有位于槽第一部分下游的穿孔，使得在最靠近线条模头的部分处引入的水能够畅通地流向槽末端处的排放孔。相反地，在这个实施例中，槽设有凸起丝网部分，其布置在水紧上方。图3示出了本发明设备和方法的实施例的示意图，其在下文实例中使用。具体实施方式除非另外特别说明，当本文提供数值范围时，它旨在涵盖范围的端点。本文所用数值具有提供的有效数字位数的精确度，其遵循ASTME29-08部分6中概述的化学有效数字标准协定。例如，数字40涵盖35.0至44.9的范围，而数字40.0涵盖39.50至40.49的范围。本文描述的是方法，所述方法包括：(a)制备聚(对苯二甲酸丙二醇酯)组合物的熔融线条(strand)，其中所述线条具有表面和内部；(b)在第一骤冷区域(firstquenchregion)中使熔融线条与水接触一段足够的时间，使得所述熔融线条的表面固化并且所述内部的少主要部分保持高于聚(对苯二甲酸丙二醇酯)组合物的冷结晶温度，从而制备表面固化的线条；(c)将表面固化的线条与水分离；(d)在缓冷区域(annealingregion)中将表面固化的线条暴露于环境空气一段足够的时间以诱导在所述线条表面上的冷结晶，制得表面结晶的线条；以及(e)在第二骤冷区域(secondquenchregion)中使表面结晶的线条与水接触一段足够的时间以固化线条的内部。所述方法的目的是为了在挤出线条中，在垂直于其运动方向的方向上(即，垂直于其纵向)形成径向温度梯度，使得在离开第一骤冷区域时，线条的表面已固化，同时线条内部的至少主要部分保持高于冷结晶温度Tcc“主要部分”应指至少50％的线条内部。然后，在缓冷区域中，来自较热内部的热将被转移到较冷的表面，导致表面经历结晶。一旦表面已经历结晶，仍然温和的线条可在第二骤冷区域中彻底骤冷，使得线条将为制粒、积聚或其他处理步骤作好准备。在热分析领域，Tg和Tcc是指根据来自例如差示扫描量热法数据的特定方法测定的特定温度。然而，本领域的普通从业者了解如此测定的这些温度处于定义它们所指转变的多个温度的范围内。从而，例如冷结晶将在多个温度范围内发生，但是在一组标准测试条件下的速率在Tcc下达到最大。临界温度是指，即，玻璃化转变温度(Tg)和冷结晶温度(Tcc)，已知它们取决于本文PTT组合物的特定组分而稍微变化。例如，已知Tg和Tcc两者取决于聚合物中的共聚单体的类型和浓度而变化。虽然Tg和Tcc具有清楚的和精确的科学定义，但它们出于本发明的目的进行现象学定义，不涉及实际的温度读数。将Tg定义为高于该温度时，聚合物分子表现出足够的运动性，使得粒料粘着现象可能发生的温度。出于本发明的目的将Tcc定义为在该温度下，当在缓冷区域中时线条表面以最大速率经历结晶的温度。不需要实际测量如本文所定义的Tg和Tcc。当挤出熔融聚合物线条时，根据定义它高于聚合物组合物的Tg、Tcc、和结晶熔点。当熔融线条离开第一骤冷区域时，根据所述方法，从业者清楚的是表面已经固化并且不再熔融。此外，表面硬化的线条必须具有足够的强度以防止处于张力下的断裂。在另一方面，如果线条表面在离开缓冷区域时尚未被至少部分地结晶，从业者能够推断出在第一骤冷区域中的停留时间过长，使得内部的主要部分的温度尚未降低至低于Tcc。适于本方法实施的是PTT及其共聚物的均聚物，其包含至少70％的对苯二甲酸三亚甲基酯的单体单元。适于本发明实施的聚合物能够包含至多25重量％的多种添加剂，它们通常并入到聚合物中以赋予附加的功能。此类添加剂包括但不限于UV稳定剂、无机填料、抗静电剂、颜料、和阻燃剂。任何合适的PTT组合物必须表现出冷结晶以在本文方法中可应用。在一个实施例中，PTT组合物包含PTT均聚物。线条是运动的线条。即，线条上任何随意选择的点在平行于线条纵向轴线的方向上发生远离线条模头的连续平移。全程在任何给定的时间点，线条从模头向制粒机方向延伸。然而，出于描述所述方法的目的，术语“线条”也应理解为是指挤出线条任何长度的、任何适当的片段。例如，当文中提到使线条与水接触时，应理解为在任何给定的时间点，长度短于线条全长的线条片段经历与水的接触。如本文描述所用，术语“停留时间”应指其中沿线条随意选择的点遍经如本文所定义的特定区域所花费的时间。术语“线条的停留时间”应被理解为指沿线条的任意点的停留时间。在一个实施例中，挤出物由单根线条组成。在一个可供选择的实施例中，挤出物包含多根线条。在第一骤冷区域中的线条的停留时间足以将表面温度降低至其中表面是固体并具有足以防止处于张力时的断裂的强度的温度，但是不足以导致内部的至少主要部分降低至低于聚(对苯二甲酸丙二醇酯)组合物的冷结晶温度。在一个实施例中，在第一骤冷区域中的线条的停留时间为0.2至2秒的范围。在另一个实施例中，在第一骤冷区域中的线条的停留时间为0.3至1.0秒的范围。此外，线条离开第一骤冷区域并进入缓冷区域，其中表面被保留在线条内部的潜热再加热到至少Tcc。在缓冷区域中的线条的停留时间足以诱导在线条表面上的结晶。在一个实施例中，在第一缓冷区域中的线条的停留时间在0.3至5秒的范围内。在另一个实施例中，在第一缓冷区域中的线条的停留时间为0.5至2.5秒的范围。此外，在缓冷区域后，线条通过第二水骤冷区域一段足以进一步固化线条内部的时间。在一个实施例中，在第二骤冷区域中的停留时间为1至10秒的范围。在另一个实施例中，在第二骤冷区域中的停留时间为1.5至3.5秒的范围。在一个实施例中，在第一和第二骤冷区域中的水温Tw独立地在0℃＜Tw＜60℃的范围内。在另一个实施例中，20℃≤Tw≤50℃。在另一个实施例中，35℃≤Tw≤45℃。可通过本领域已知可接受的任何装置影响水骤冷。在一个实施例中，通过将线条浸入水浴中影响水骤冷。在一个可供选择的实施例中，通过使线条通过水喷雾器影响水骤冷。在本文方法的一个实施例中，通过在第一和第二骤冷区域中的相同装置影响水骤冷。在一个可供选择的实施例中，通过在第一和第二骤冷区域中的不同装置影响水骤冷。根据本发明，当线条离开第一骤冷区域并进入缓冷区域时，它必须与残留在线条表面上或线条表面夹带的残余的骤冷用水分离。用于如此分离的任何常规装置是令人满意的，包括喷气干燥、通过排放孔排水、通过干燥床等。虽然线条不需要完全干燥，但对于表面的合适结晶来说必须用低热容的空气来替换线条表面上高热容的液态水。在第二骤冷区域中骤冷之后，可进一步加工线条。在一个实施例中，将线条进料于制粒机以将其切成粒料，粒料很好地适用于生产纤维、膜、和注塑部件等用途。在一个可供选择的实施例中，线条本身可批量收集。描述了一种设备，所述设备包括--用于挤出熔融聚合物线条的挤出装置；--制粒机；和，--布置为将聚合物线条从挤出装置输送到制粒机的槽；所述槽包括--内底部表面；--布置为在接近挤出装置的内底部表面的第一部分上提供水层的水分配装置；--布置在槽中位于水分配装置下游的网状或多孔表面，其布置为允许水与经水浸的投射到其上的线条分离；和，--位于网状或多孔表面下游的内底部表面的第二部分，其布置为包含水层。只要合适的挤出装置挤出熔融的线条，它就不再是关键性的。合适的装置包括螺杆型挤出机、Farrell连续混合器、齿轮泵、所谓的连续聚合器、螺杆泵、液压泵等。本文使用这些挤出装置中的任一种以进料于线条模头，根据本发明从线条模头中可挤出熔融线条。设计用于将聚合物线条制粒的任何制粒机适用于本发明。制粒机在本领域为人们所熟知，并且广泛地可从许多来源商购获得。布置槽以限定在线条模头和制粒机之间的通道，其将线条从线条模头输送到制粒机。出于本发明目的，术语“下游”是指相对于从线条模头到制粒机的通道的相对位置。例如，如果第二位置比第一位置更远离线条模头并且更靠近制粒机，则沿通道的第二位置在比第一位置更远的下游。根据本发明的方法，槽提供了骤冷线条的装置。合适的槽可由任何水不可渗透的材料制成，包括但不限于金属、陶瓷、或塑料。在本文的一个典型实施例中，槽由金属，通常铝制成。槽经设计用于保持水层，根据本发明的方法将线条浸入其中。槽包括水分配装置，布置该水分配装置以将水分配到槽的内底部表面的第一部分中，其中第一部分接近、并且一般尽可能地靠近线条模头，使得熔融线条在离开线条模头后能够尽可能短时间浸入水中。合适的水分配装置可为本领域已知的任何装置。合适的水分配装置可为水喷雾器、水泵、任何可连接至水龙头或贮水器的软管或管。槽还包括位于槽第一部分下游的网状或多孔表面，根据本文方法布置网状或多孔表面以将水与经水浸的线条分离，线条从槽的第一部分离开。在一个实施例中，网孔可为形成允许水通过的网孔、网格、或网状物的任何材料。它通常由不吸水的材料如金属、陶瓷、或塑料制成。在一个可供选择的实施例中，多孔表面包括在槽本身的内底部表面中的多个穿孔。在另一个实施例中，槽还包括一系列盖板，其可用于覆盖槽外底部表面上的穿孔，从而调节多孔表面的长度。在任一个实施例中，在本发明方法中的线条夹带的水能够通过穿孔或网孔排出，使得跨越这一部分的线条片段根据本文方法在空气中经历缓冷。槽还包括内底部表面的第二部分，该内底部表面布置为包含水层，这用于本文方法中的最终骤冷。在一个实施例中，其中网状或多孔表面包括驻留在水平面上方的凸起结构，仅需要单独的水分配装置，因为水能够自由流动到升高的网状或多孔表面下方。在一个可供选择的实施例中，其中多孔表面是内底部表面自身的一部分，在接近线条模头的第一部分中输入的水将从槽底部的孔排出，除非通过插入导流板和排水系统以引导水流向位于网状或多孔表面下游的第二部分，从而节省水。作为另外一种选择，第二部分所需的水可通过第二水分配装置来供应，该第二水分配装置可为任何适于第一水分配装置的那些。图1a是本发明的一个实施例的侧面纵向剖面示意图，其中槽在其中的内底部表面中包括多个穿孔。布置金属槽1使得由第一分配装置3分配的水2形成流向下游的水层，然后其通过在槽内底部表面上的多个排放孔4排出(未示出)。布置第二水分配装置5以分配水6，从而形成流向下游的排放孔7(未示出)的第二水层，该排放孔在槽的下游末端。图1b是图1a所示的槽的外底部8的视图，其示出位于第一部分下游的多个穿孔4和在最远的下游部分中的较大排放孔7。图2是在本发明一个实施例中的槽21的侧面纵向剖面示意图，其中槽内底部不具有位于槽第一部分下游的穿孔，使得通过水分配装置23分配的、在接近线条模头部分处引入的水22能够畅通地流向槽末端处的排放孔24。相反地，在这个实施例中，槽设有凸起丝网部分25，其布置在水紧上方。本发明还描述于以下具体的实施例中，但不受它们的限制。实例图3是本文实例中的设备的示意图。失重式喂料机31用于以2961bs/小时的速率将DuPontJ1141(1.02dL/gIV，购自DuPontCompany)的粒料32进料到40mmWernerandPfleiderer同向旋转双螺杆挤出机34的进料喉道33中。在挤出机中粒料熔融并将所得熔体输送到8-孔线条模头35，从其中挤出8根线条36(仅显示一根)，它们以93cm/秒运动。40mm挤出机的特征在于1780mm的圆筒长度和L/D＝45。挤出条件在表1中示出：在离开模头35约3英寸内，使用导向件(未示出)引导熔融线条36通过第一骤冷区域37，该区域通过将线条浸入11℃的水38中进行骤冷，水分配自水浴39，其包含在12英尺长的水槽310中。线条离开第一骤冷区域37，进入缓冷区域311，并被输送到水38上方的丝网312上。在缓冷区域311后，线条使用导向件(未示出)进入第二骤冷区域313，骤冷的线条314从中进料于制粒机315，同时水通过排放孔316(未示出)排出。制粒机315将线条切成长度为约1/8英寸的粒料317，并且粒料在收集罐318中收集。在缓冷区域中的线条的停留时间通过对丝网312长度进行小的调节而发生变化。根据基于质量流量、粒料直径和密度计算的线条速度和线条跨越的实际距离来计算停留时间。根据He测比重法测定在每组条件下制备的粒料的密度。将来自各个测试条件的23g粒料等分试样置于7cm直径的铝盘中。将铝箔片置于盘上，并且将被覆盖的盘置于40℃和18.5kPa的控温液压式压机中24小时。在24小时后，移出盘并将已经彼此聚集的粒料用手移出并称重。已经聚集的初始23g等分试样的重量百分比记录为“％粘着。”比较例A表示了从将PET制粒的方法修改而来的本领域标准实施。比较例B表示了其中缓冷区域中的停留时间是不足的条件。表2