通过多旋转系统加工缩聚物的固体聚合物颗粒的方法与流程

本发明涉及一种通过多旋转系统从缩聚物中加工固体塑料颗粒的方法。

背景技术：

在挤出过程中处理缩聚物(特别是可水解塑料，如pet)时的一个基本问题是，需要一定的停留时间和单位时间内一定的热量输入，以获得可进一步处理的均匀塑料熔体，但另一方面，正是在停留时间内的这种热量输入，如果塑料中含有水分，则会导致塑料发生水解降解。然而，尤其是在循环过程中，在将固体物质送入挤出过程之前将其完全干燥是不经济的，因此必须始终将pet循环材料视为潮湿的。因此，含有残留水分的固体塑料吸入挤出机，进行熔化和脱气，以去除冷凝水，从而停止水解降解，甚至开始一个使粘度增加的逆反应。

在这方面的一个显著改进是wo2003033240a1中描述的多旋转系统，所述多旋转系统包含挤出机螺杆，所述挤出机螺杆包括用于吸入和熔化塑料的进料和计量区与排出区之间的所谓多旋转单元(poly-rotationunit)。所述多旋转单元具有明显大于其它区域的直径，并且还具有多个旋转行星螺杆。与单螺杆和双螺杆系统相比，多旋转系统的脱气性能得到了显著提高。因此，塑料熔体在多旋转单元中的停留时间可以很短。

问题仍然是，随着水分含量的增加，计量区内已经发生了大量的水解降解，这通常不再能够在多旋转单元中得到补偿。在任何情况下，多旋转单元的增加特性粘度的潜力只能在整个过程中用于完全或部分消除先前的损害，而不实现加工塑料的初始性能以外的任何改进。

为了减少塑料在计量区内的停留时间，螺杆必须旋转得更快，因此另一方面会施加更多的剪切力，单位时间内的热量输入增加。这反过来又有利于化学降解过程，并通过剪切效应破坏塑料。从理论上讲，尽管可以将螺杆转速保持在较低的水平并缩短计量区，但挤出机部分的外部加热功率必须显著增加，以便塑料首先熔化，这样塑料甚至有可能在边缘燃烧。唯一已知的摆脱上述困境的方法是，在将吸入的固体物质送入挤出机之前，对其进行更密集的在线预干燥，相应地，时间和成本的消耗是不利的。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提出一种通过多旋转系统从缩聚物中加工固体塑料颗粒的方法，利用该方法可以减缓或避免加工过程中特性粘度的降低，或者甚至可以增加特性粘度。

根据本发明的解决方案包括具有权利要求1的特征的方法。为实施该方法，提出了权利要求8所述的进一步发展的多旋转系统。

令人惊讶的是，根据本发明发现，通过忽略本领域技术人员关于挤出机中的计量过程的常规思想，在所描述的问题中实现了显著的改进。根据专家的意见，例如挤出机中的压力是影响熔化表现的重要变量。此外，迄今为止，目标一直是将完全熔化和均匀化的塑料熔体转移到下一个加工阶段。

本发明采取一种截然不同的方式。根据本发明的方法的一个关键特征是，当塑料熔体从进料和计量区转移时，其仍包含明显可见比例的未熔塑料颗粒。固体物质的比例至少为5％，优选甚至大于10％。固体含量的上限应选择为40％至50％。由于根据本发明，允许在脱气前不完全熔化和不完全均匀化塑料，因此可以通过例如减少外部加热、放慢螺杆旋转、第一挤出机部分的较短设计和/或挤出机螺杆的内部冷却，减少计量区的热量输入。

另一个有利的特征是，仍然是固体的塑料颗粒在第二挤出机部分中主要通过冲击加热而熔化，特别是在与真空吸盘连接的壳体开口之前熔化。冲击加热是通过引导塑料熔体和仍然是固体的颗粒通过行星螺杆的驱动轴来实现的。驱动轴啮合在壳体孔的齿中。将固体颗粒引导通过齿产生了高水平的局部摩擦和压碎，这不仅使剩余的固体颗粒非常迅速地塑化，而且还加热了周围区域中已经熔化的质量部分。由于所述齿不覆盖所述多旋转单元的整个圆周，因此所述塑料熔体的整个体积也不引导通过所述齿，但是也通过流过所述齿的旁路形成流动。然而，局部冲击加热的影响也扩展到齿的邻近区域。

通过定义驱动小齿轮的长度，特别是相对于多旋转单元的总长度或作为其工艺相关部分的脱气区，可以影响冲击加热的程度。根据本发明，因此优选使用mrs挤出机，其中在每种情况下传递到行星螺杆的扭矩仅形成小齿轮长度的下限，但是，为了达到和加强上述效果，从强度的角度来看，小齿轮的长度可以选择得比需要的长得多。1:40到1:6的长度比已经证明是特别合适的，在每种情况下，小齿轮的长度都是根据驱动后的脱气区长度设置的。

冲击加热发生在塑料熔体进入真空脱气区之前。这意味着显著加热且现在完全熔化的塑料(仍然含有水分)在进入脱气区之前的停留时间短得可以忽略不计，结果是水分暴露在塑料熔体中的时间减到很少。

最后，本发明忽略了挤出机中塑料的熔化和均匀化必须始终在高压下进行的观点。实际上，在根据本发明的方法中，仅在第一和第二挤出机部分之间的过渡锥区域中存在高压。在空间上紧随其后的是齿形传动区域，与之相邻的是真空影响区。这意味着，在沿着挤出机螺杆的短轴向路径之后，仍然存在于过渡锥上的相对较高的积聚压力已经完全降低，所述路径的长度占比明显小于多旋转单元长度的一半，特别是小于20％。已经在行星螺杆的传动齿区域发生冲击加热，塑料熔体中的压力几乎完全降低；它至少已经在那里降低到这样一个残余压力，以致于它不再与塑化表现有关。从这个意义上说，在根据本发明的方法中，最初夹带在塑料熔体中的固体颗粒的“无压塑化”是在行星螺杆的齿区域和随后的长度区域中受影响，直至进入真空窗。

简言之，可以说是，过冷塑料熔体是在第一挤出机部分产生的，因为到目前为止还没有所有的体积部分已加热到高于在那里的加工塑料的塑料熔体温度。在进入真空区前不久，过冷的塑料熔体重新加热到一定程度，使剩余的颗粒熔化，从而释放储存的残余水分。从剩余颗粒中蒸发出来的水，在产生水解作用之前，立即在真空区中吸走。

这实现了以下基本效果，当实施根据本发明的方法时，这些基本效果大大减少了塑料熔体的水解降解和由于加工过程中的剪切而对塑料熔体造成的损坏：

-如果在第一挤出机部分的熔化过程中释放出水，则只有在较低的温度水平下才会产生破坏作用，因为那里的温度特意保持在熔化温度的阈值。因此，至少使水解减慢。

-为了减少热量输入，第一挤出机部分的螺杆转速可以保持在较低的水平；这也减少了剪切产生的不利影响。

-塑料颗粒中的一些水分甚至没有在第一挤出机部分释放，而是通过剩余的固体物质作为载体输送到下一个部分。在那里，释放和吸入几乎同时发生。

-的确，塑料熔体通过传动齿时也会受到明显的剪切。然而，因为紧接着真空影响开始，水作为冷凝物除去，而且由于温度也足够高，缩聚反应可以开始，从而导致分子链延伸并修复损伤。

为了能够以所描述的方式执行根据本发明的方法并且实现有利的效果，尤其存在必须具体地监视并且在必要时重新调整的操纵变量。在这种情况下，所述操纵变量是过渡锥处的间隙宽度或相关的积聚压力。在间隙过窄的情况下，积聚压力增加到这样的程度，即第一挤出机部分中挤出机螺杆的输送能力不足以将恒定体积的流量转移到第二挤出机部分中。在这种情况下，在第一挤出机部分的停留时间将急剧增加，这正是要避免的。

相比之下，过宽的间隙会增加第一挤出机部分的流速。但是，这会将过多的固体部分冲入下一部分，这会使行星螺杆驱动过载，并导致齿堵塞甚至损坏。

因此，一方面，根据本发明的步骤的目的是转移尽可能多的固体物质，以便将其中的水分以封装形式输送到下一部分，并且仅在非常晚的时候释放，即接近吸入口时释放。然而，另一方面，固体含量应保持足够低，以使小齿轮不堵塞，甚至避免非熔化颗粒通过并离开排出侧的多旋转系统。

锥形间隙的适当间隙宽度可以根据在过渡锥处的塑料熔体的预期粘度在结构上预先确定，或者可以在执行该方法之前固定设置。

在优选用于实施该方法且具有权利要求8的特征的多旋转系统中，在实施该方法时，可通过挤出机螺杆相对于壳体的轴向位移来调整间隙宽度。

为此，可以提供主动控制单元，所述主动控制单元根据在过渡锥上游的压力传感器处测得的压力来致动诸如液压缸之类的致动器并移动挤出机螺杆。在高压下，挤出机螺杆在流动方向上稍微向前推，使间隙变宽。如果压力降得太快，就会迫使挤出机螺杆进行相反的运动。

在实际应用中，多旋转系统过渡锥处的压力波动很大，达到20bar至150bar。在期望的正常操作中，压力最好在40bar到60bar之间。

基于多旋转系统的示例，所述多旋转系统的直径为130mm，用于拧入螺杆，且转子直径为225mm，用于多旋转单元，间隙宽度通常为例如5mm-10mm，在两侧提供额外的调整路径，以便能够对动态调整的操作条件作出反应。

一个简单但有效的措施是通过至少一个弹簧元件，特别是通过板簧，将挤出机螺杆支撑在壳体上。弹簧元件承受拉伸载荷，这是因为在多旋转系统中，由于计量区尖端的压力，挤出机螺杆始终支撑到入口，而压力作用在锥形上。因此，挤出机螺杆不会像单螺杆挤出机中通常的那样压向入口，而是压向排出口。还应考虑到，弹簧元件只能布置在传导塑料熔体的部件的外部，因此不能放置在排出侧。相反，在驱动挤出机螺杆旋转的过程中，必须定位弹簧元件，并将所述螺杆保持在壳体上的适当位置，可以说，所述弹簧元件承受张力。弹簧元件位于静止部件和同向旋转部件之间。静止部件通过螺纹连接到齿轮机构，因此，整个蜗杆结构可以通过该螺纹轴向移动。如果挤出机第一段和第二段之间的过渡锥处的堆积压力增加过多，挤出机螺杆将轴向向前移动，从而堆积间隙变宽。相反，由于弹簧力的作用，积聚压力的减小会导致间隙再次变窄。这在弹簧力和由过渡锥处的积聚压力引起的推进力之间建立了平衡。由于塑料熔体的高质量和高粘度，形成了一个弹簧-阻尼器系统，该系统不需要额外的阻尼元件，并且具有足够的惰性以避免振动。

附图说明

下面参照附图更详细地说明本发明。具体在图中：

图1示出了多旋转系统的截面的细节；以及

图2示出了挤出机螺杆的侧视图及其长度上的压力和温度分布。

具体实施方式

图1示出了一个本身已知的多旋转系统100的细节。在壳体50的壳体凹槽51中布置有划分为不同区域的挤出机螺杆。多旋转单元20布置在计量区12和排出区30之间，计量区12用于使先前吸入的和至少部分熔化的塑料颗粒均匀化，排出区30输送完全处理的塑料熔体。这具有以下基本特征：

-在从计量区12的过渡处形成过渡锥21；锥形间隙52朝向壳体50形成。

-接着是驱动区，其中行星螺杆26的小齿轮23在旋转环24中运行，旋转环24与壳体相连，并具有内齿24。通道25位于小齿轮23之间。

-行星螺杆26自转，而整个挤出机螺杆旋转，因此安装在其中的转子也旋转。它们在多旋转单元20的大部分长度上延伸，并引导通过施加真空的壳体窗54。

-行星螺杆26以其前端安装在轴承座27中，在轴承座27中再次提供锥体，以便从多旋转单元20的加宽直径返回到排出区30的较小直径。在那里相应地形成另一锥形间隙53。

在这方面，多旋转系统100的结构设计是已知的，但根据本发明的不同之处在于，可以通过整个挤出机螺杆相对于壳体50的轴向位移来调整锥形间隙52的宽度，以便专门将间隙宽度用于压力控制，从而影响尚未熔化并通过过渡锥21冲出的固体部分的比例。

为了理解根据本发明的方法，图2示出了压力p和温度t相对于挤出机螺杆101的轴向范围的定性剖面图，该螺杆具有不同的部分1、2、3。

在进料和计量挤出机第1部分中，固体物质首先吸入进料区11中。压力在压缩区13中积聚。在随后的计量区12中，将引入的塑料至少部分熔化并均匀化。然而，根据本发明，只有一部分固体物质熔化并均匀化，而另一部分5％到50％，特别是10％到40％作为固体物质留在塑料熔体中。

在图2的温度分布图中，说明了平均熔体温度，即与挤出机螺杆直接接触的熔化塑料比例和与壳体内壁接触的部分的各自温度的近似平均值。然而，根据本发明，具有相应较低核心温度的固体质量分数仍包含在其中，因此结果是进料和计量挤出机部分1中加工塑料的平均熔化温度低于熔化温度ts。

该方法特别适用于加工聚酯。这里，熔化温度是235℃至260℃，且取决于结晶程度。

为了获得这种过冷塑料熔体，挤出机螺杆101至少在进料和计量挤出机部分1中冷却。为此，所使用的热载体尤其是供应温度在90℃至130℃之间的油。同时，加热壳体壁(图2中未示出)，例如加热到280℃。同一部分1的同时加热和冷却并不矛盾。内部冷却用于驱散挤出机螺杆101旋转时产生的部分热量输出，此时所述热量输出通常高于过程所需的热量输出。这是因为螺杆转速必须与多轴挤出机部分2中所需的转速相匹配，因此不能降低挤出机部分1的转速。相比之下，壳体上的加热作用是产生熔化塑料的润滑膜，与输送的熔化塑料中固体物质的比例无关。

在过渡到多轴挤出机部分2期间由于挤出机螺杆101的旋转而导致的热输入，温度略微升高，但是输送的塑料体积的平均温度优选地仍然略低于熔化温度ts。只有在驱动区，也就是说在通过驱动小齿轮23的区域时，温度才会突然升高，特别是显著高于塑料熔体温度ts。因此，塑料只能完全熔化，并达到一个温度水平，在这个温度水平上，可以通过施加真空来提取水分和污染物，并且可以通过促进缩聚反应来增加特性粘度。

多轴挤出机部分2下游的排出挤出机部分3的另一温度分布对加工质量不再重要，但持续高于熔化温度ts。

此外，在图2中，在挤出机螺杆101的长度上绘制了挤出机中塑料熔体的压力分布图。所示的示例是挤出机螺杆101，在这种情况下，进料区11没有开槽，从而产生仅从那里逐渐上升到过渡锥21的压力。

在过渡锥21的下游，挤出机螺杆101上不再有任何输送元件，从而立即发生压降。在行星螺杆26的作用下，压力降至几乎为零的真空水平。在具有小齿轮23的驱动区中，小齿轮23紧靠流动方向的上游，已经没有任何明显的压力，使得塑料组合物的冲击加热(在那里发生并且导致剩余固体部分的塑化)实际上以无压力的方式发生。