专利名称：用于纯化热塑性聚合物的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及分别根据权利要求1和10的前序部分所述的用于纯化热塑性聚合物的方法及设备。本发明还包括根据权利要求15的前序部分所述的凝聚剂和/或产生声波的媒介用于纯化热塑性聚合物的使用。
背景技术：
热塑性聚合物能够被用于各种应用，例如包装工业。在此，聚合物通常与填料混合以改进多种的物料性质。例如，具体地在PET(聚对苯二甲酸乙二酯)饮料瓶中加入氧化钛颜料以实现对可见光的不通透性，因此提高了对光敏感的食物的耐久性，例如牛奶。此外， 通常使用着色颜料以改变瓶子的光学外观。还经常加入添加剂以影响气态扩散。填料要在聚合物基体中尽可能精细地且有规则地分散以实现光学均勻的混合并且不会劣化物料机械性质。公知地这是通过使用母料技术和/或表面改性填料来实现的。但是，填料在热塑性聚合物内的良好分散会导致在这些物料的公知的再循环过程中出现一些问题，因为不能够将填料从再生材料(recyclate)中充分地移除。为了再循环，在物料已经被使用后通常将物料收集，通过机械和物理的分离方法根据物料种类被分类，随后被切割为更小的块(所谓的聚合物片)，并且被清洗。这些聚合物片在再循环过程中作为中间产物，并且通过连续挤出程序被再次转化成能够再次成形为任意的产品的聚合物微粒。再生材料中的剩余的着色颜料会劣化其质量和再循环能力，因为仅能够用其生产出比再生材料的色调更深的产品。另一方面，很多应用要求获得无色、透明产品。为了抑止这种负面效应，在将填料从聚合物熔体分离的挤出设备和粒化设备中，通常设置有机械过
1 ' O然而，被精细地分散的填料的粒子尺寸已经能够在聚合物大分子的范围内，从而通过机械过滤步骤不能或不能充分地将它们从聚合物熔体中移除。DE 4112786 Al和JP 2007/246833A描述了从聚合物溶液中分离填料的方法，然而没有公开从聚合物熔体中分离填料。US 2010/0249253 Al涉及一种用于再循环叠层玻璃中的聚乙烯缩丁醛的方法，包括化学纯化步骤，其中聚乙烯缩丁醛呈现固相。因为这些方法要求制备聚合物溶液或化学处理所以相对复杂且低效。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种用于纯化热塑性聚合物的方法及设备，其中分散在聚合物中的填料能够被有效且廉价地分离，并且能够通过机械过滤器来实现纯化。通过根据权利要求1的方法实现了这一目的。在权利要求2至9中描述了优选实施例。在根据权利要求1的有创造性的方法中，在过滤聚合物熔体的步骤前，将分散的填料至少部分地转化为凝聚的且可过滤的形态。通过将填料凝聚成团块，其体积增大(也就是平均粒子直径增大)。据此，与聚合物大分子的尺寸相比，能够使经凝聚的填料的粒子尺寸增加至这样的程度通过机械的过滤步骤能够将这些填料有效地从聚合物熔体中移除。因此，能够使用用于从热塑性聚合物中分离填料的机械过滤系统。因为在过滤工艺前填料的粒子尺寸增加，所以还允许使用具有相对大的过滤器孔的过滤器。据此，因为通过过滤器孔径的增加而便于且加速了穿过过滤器的聚合物熔体的流动，所以用于纯化热塑性聚合物的方法是有效且廉价的。优选地，通过添加凝聚剂来实现分散的填料向凝聚的且可过滤的形态的转化。能够在聚合物熔体的制备前(即，在热塑性聚合物呈现固态的时间点)就已经实现向热塑性聚合物添加这种凝聚剂。另外或作为替代，能够在热塑性聚合物已经呈现为熔体的时间点添加凝聚剂。通过添加凝聚剂，分散的填料能够被特别有效地凝聚且转化成可过滤的形态。 此外，据此能够实现特别大的凝聚的粒子直径，因此能够进一步增加过滤器孔径。尤其，通过填料与凝聚剂的化学反应实现分散的填料的凝聚。另外或作为替代，能够实现由凝聚剂引起的填料本身的化学反应，并且/或者通过凝聚剂引起的至少一个物理参数(特别是PH值)的改变实现分散的填料的凝聚。据此，分散的填料的特别有效的凝聚以及热塑性聚合物的有效的纯化成为可能。作为替代或与此结合，通过使用声波来处理聚合物熔体能够实现分散的填料向凝聚的且可过滤的形态的转化。特别的是，为此使用超声波，优选地在60kHz和1.6GHz之间， 特别优选地在20kHz和IOOkHz之间。通过使用声波的处理，凝聚特别有效且迅速。特别是与使用凝聚剂相结合，附加的声波的引入能够辅助并加速由凝聚剂引起的填料的凝聚过程。本发明特别包括选自包括如下物质的群组的热塑性聚合物聚酯、聚苯乙烯、聚烯烃、聚酰胺以及聚碳酸酯，优选地聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯或聚乙烯、或者这些聚合物的共聚物。存在于聚合物中的所有混入物均被认为是填料。尤其包括有机和/或无机填料， 选自包括如下物质的群组着色剂(例如颜料，特别是二氧化钛)、光稳定剂、增强剂(特别是纤维，例如玻璃纤维或聚合物纤维)、阻燃剂、除氧剂或防结块剂。此外，包括已经用在聚合物生产中的催化剂，例如用于生产聚酯(例如PET)的锑催化剂。将这些填料从再循环的热塑性聚合物中的定量分离提高了再生材料的质量以及再处理能力。依据于填料的种类，它们尤其以分子分散的形态或粒子形态存在于聚合物基体内。在此，尤其是分子直径或平均粒子直径小于1 μ m，优选地小于0. 1 μ m，特别优选地小于 0. 05 μ m0据此，确保了良好的填料的分散，从而能够实现产品中所需的物料性质。在凝聚后，所凝聚的填料以粒子的形态存在于聚合物熔体内，其中平均粒子尺寸尤其大于5 μ m，优选地大于10 μ m，特别优选地大于100 μ m。据此，通过机械过滤器能够将所凝聚的填料迅速且有效地从聚合物熔体中分离。另外优选地，通过凝聚将填料的平均粒子直径至少增加5倍，优选为10倍，特别优选为100倍。通过这样的设计，由于能够调节所凝聚的粒子的尺寸或分散的填料对所凝聚的填料的比例从而能够实现特别有效的分离或方法步骤，因此通过过滤步骤能够实现特别有效的热塑性聚合物的纯化。根据权利要求10的设备还实现了上述目的。权利要求11至14中描述了优选实施例。根据权利要求10的有创造性的设备包括用于产生声波(特别是超声波)的构件。 据此，声波被施加到设备中的聚合物熔体，而引起分散在聚合物熔体中的填料的有效且迅速的凝聚。由于转化至凝聚的形态，所以通过机械的过滤系统能够将填料从聚合物中分离。 还允许使用具有相对大的过滤器孔的过滤器。据此，因为通过过滤器孔径的增加而便于且加速了穿过过滤器的聚合物熔体的流动，所以设备中的热塑性聚合物的纯化是有效的且廉价的。尤其地，设备中用于制备聚合物熔体的构件是用于连续地产生并传输聚合物熔体的螺杆式捏合挤出设备，其中用于产生声波的构件布置为对螺杆式捏合挤出设备中的聚合物熔体施加声波，并且用于产生声波的构件相对于过滤构件布置为位于聚合物熔体的传输方向的上游。通过设备的这种实施例，能够向聚合物有效地施以声波，允许了分散的填料的迅速且有效的凝聚。尤其地，用于产生声波的构件是超声波装置，其具有16kHz和1. 6GHz之间的频率， 特别优选地在20kHz和IOOkHz之间。通过这种频率的声波的应用，分散的填料能够在聚合物熔体中特别迅速且有效地凝聚。优选地，设备包括用于凝聚剂的供给构件，供给构件相对于过滤构件并且也优选地相对于用于产生声波的构件布置为位于聚合物熔体的传输方向的上游。通过由供给构件添加凝聚剂以及随后向聚合物熔体施加声波的结合，使分散的填料的凝聚特别有效且迅速。在另一个优选实施例中，设备的过滤构件包括一个或几个微孔塞网，其筛眼尺寸在IOym至IOOym的范围内，优选地在20 μ m至50 μ m的范围内；以及/或者一个或几个粒子过滤器，其筛眼尺寸在100 μ m至1000 μ m的范围内，优选地在200 μ m至500 μ m的范围内。据此，能够将所凝聚的填料有效地分离，而无需过滤构件对纯化热塑性聚合物的有效程序过程的妥协。本发明还包括凝聚剂和/或产生声波的构件用于纯化热塑性聚合物的使用，所述热塑性聚合物包括至少一种分散的填料，其中凝聚剂和/或产生声波的构件的使用的特征在于，将分散的填料至少部分地转化为凝聚的形态并随后滤出。
以下通过参考图1中所示的实施例将进一步描述本发明及其优势。图1示出了用以实现根据本发明的方法的根据本发明的设备的剖视示意图。
具体实施例方式根据图1，设备1包括用于添加热塑性聚合物4的入口设备3以及用于制备聚合物熔体6的构件2，在此设备1为螺杆式捏合挤出设备。设备1还包括传输设备5，其用于在朝着出口单元8的方向上传输聚合物熔体6 ；供给构件16，其用于添加凝聚剂18 ；用于产生声波14的构件12 ；以及过滤构件10。入口设备3、供给构件16、声波14区域、过滤构件 10、以及出口单元8在关于聚合物熔体6的流动方向的下游方向上依次地布置在构件2内或构件2处。
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通过根据图1的设备，能够如下实现根据本发明的方法热塑性聚合物4(在此为具有瓶子物料的不同的着色颜料(重量浓度为0. 1%)的 PET片)经由入口设备3被引入到设备1。着色颜料具有大约为25nm至0. 1 μ m的平均粒子直径。在传输构件5上，固体聚合物4在构件2内通过机械剪切力和经由加热单元(未示出)提供的热能被加热至大约^KTC,被转化成聚合物熔体6并在朝着出口单元8的方向上被传输。随后，通过供给构件16将凝聚剂18引入到流动着的聚合物熔体6中，使得在聚合物熔体6中的分散的填料开始凝聚。本领域中已知用于凝聚着色颜料的适合的凝聚剂并且在此不做详细说明。随后，经由构件12被引入到构件2的频率为45kHz的超声波14被施加到聚合物熔体6和所引入的凝聚剂18上。据此，进一步强化或加速了填料凝聚的形成， 从而在聚合物熔体20中形成了具有大约500 μ m的平均粒子直径的凝聚的填料粒子。随后它们经由过滤构件10从聚合物熔体20中滤出，在此过滤构件10是孔径为250 μ m的公知的粒子过滤器。纯化后的聚合物熔体9从出口设备8排出并且几乎不再包含着色颜料(浓度小于lppm)。依据粒化，可选地在进一步的处理步骤(例如提高固有粘度)以后，纯化后的聚合物物料能够被再次处理为无色透明的PET瓶子。上述填料的平均粒子尺寸是指在固相聚合物基体中的填料或填料凝聚物的粒子直径的平均值。在此借助于透射电子显微镜(TEM)经由光学分析来判定粒子直径的平均值。经由热分析来判定在PET片中的和纯化后的聚合物物料中的填料的浓度。
权利要求
1.一种纯化热塑性聚合物的方法，所述热塑性聚合物(4)包括至少一种分散的填料，所述方法包括由所述热塑性聚合物(4)制备聚合物熔体(6)的步骤(a)，以及过滤所述聚合物熔体(6)的步骤(b)，其特征在于，在所述步骤(b)前将所述分散的填料至少部分地转化为凝聚的且可过滤的形态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将凝聚剂(18)添加至所述热塑性聚合物(4)和/或聚合物熔体(6)来实现所述分散的填料向凝聚的且可过滤的形态的转化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过所述填料与所述凝聚剂(18)的化学反应和/或通过由所述凝聚剂(18)引起的所述填料本身的化学反应来实现所述分散的填料的凝聚，并且/或者通过由所述凝聚剂(18)引起的至少一个物理参数的改变来实现所述分散的填料的凝聚，所述物理参数特别为PH值。
4.根据权利要求1至3所述的方法，其特征在于，通过由声波处理所述聚合物熔体(6) 来实现所述分散的填料向凝聚的且可过滤的形态的转化，所述声波优选地为在16kHz和 1. 6GHz之间的超声波，特别优选地为20kHz和IOOkHz之间的超声波。
5.根据权利要求1至4所述的方法，其特征在于，所述热塑性聚合物选自包括如下物质的群组聚酯、聚苯乙烯、聚烯烃、聚酰胺或者聚碳酸酯，优选地聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯或聚乙烯、或者这些聚合物的共聚物。
6.根据权利要求1至5所述的方法，其特征在于，所述填料为有机和/或无机填料，选自包括如下物质的群组着色剂，例如颜料，特别是二氧化钛；光稳定剂；增强剂，特别是纤维，例如玻璃纤维或聚合物纤维；阻燃剂；用于制备所述热塑性聚合物的催化剂；除氧剂； 或者防结块剂。
7.根据权利要求1至6所述的方法，其特征在于，所述分散的填料呈现分子分散的形态或粒子形态，其中平均粒子直径小于ι μ m,优选地小于0. 1 μ m，特别优选地小于0. 05 μ m。
8.根据权利要求1至7所述的方法，其特征在于，凝聚的且可过滤的所述填料呈现粒子形态，其中平均粒子直径大于5 μ m，优选地大于10 μ m，特别优选地大于100 μ m。
9.根据权利要求1至8所述的方法，其特征在于，通过凝聚使所述填料的平均粒子直径至少增加5倍，优选为10倍，特别优选为100倍。
10.一种用于纯化热塑性聚合物(4)的设备(1)，所述热塑性聚合物(4)包括至少一种分散的填料，所述设备(1)包括用于由所述热塑性聚合物(4)制备聚合物熔体(6)的构件 (2)以及过滤构件(10)，其特征在于所述设备(1)还包括用于产生声波(14)优选为超声波的构件(12)。
11.根据权利要求10所述的设备(1)，其特征在于，所述用于由所述热塑性聚合物(4) 制备聚合物熔体(6)的构件O)为螺杆式捏合挤出设备，用于连续地产生并传输所述聚合物熔体(6)；所述用于产生声波(14)的构件(1 被布置为对所述螺杆式捏合挤出设备中的所述聚合物熔体(6)施加所述声波(14)，并且所述用于产生声波(14)的构件(12)相对于所述过滤构件(10)布置为位于所述聚合物熔体(6)的传输方向的上游。
12.根据权利要求10或11所述的设备(1)，其特征在于，所述用于产生声波(14)的构件(12)是频率为16kHz和1. 6GHz之间的超声波装置，特别优选地是频率为20kHz和IOOkHz 之间的超声波装置。
13.根据权利要求10至12所述的设备(1)，其特征在于，所述设备(1)包括用于凝聚剂(18)的供给构件(16)，所述供给构件(16)相对于所述过滤构件(10)并且也优选地相对于所述用于产生声波(14)的构件(12)布置为位于所述聚合物熔体的传输方向的上游。
14.根据权利要求10至13所述的设备(1)，其特征在于，所述过滤构件(10)包括一个或几个微孔筛网，其筛眼尺寸在10 μ m至100 μ m的范围内，优选地在20 μ m至50 μ m的范围内，并且/或者包括一个或几个粒子过滤器，其筛眼尺寸在100 μ m至1000 μ m的范围内， 优选地在200 μ m至500 μ m的范围内。
15.凝聚剂(18)和/或产生声波(14)的构件(12)用于纯化热塑性聚合物(4)的使用， 所述热塑性聚合物(4)包括至少一种分散的填料，其特征在于，通过使用所述凝聚剂(18) 和/或所述产生声波(14)的构件(12)，将所述分散的填料至少部分地转化为凝聚的形态并且随后滤出。
全文摘要
本发明涉及一种用于纯化热塑性聚合物的方法，所述热塑性聚合物包括至少一种分散的填料，所述方法包括由所述热塑性聚合物制备聚合物熔体的步骤(a)，以及过滤所述聚合物熔体的步骤(b)，其特征在于，在所述步骤(b)前将所述分散的填料至少部分地转化为凝聚的且可过滤的形态。本发明还涉及一种用于纯化热塑性聚合物的设备，所述设备包括用于由所述热塑性聚合物制备聚合物熔体的构件以及过滤构件，其特征在于所述设备还包括用于产生声波优选为超声波的构件。
文档编号C08J11/06GK102558602SQ201110343250
公开日2012年7月11日 申请日期2011年10月25日 优先权日2010年10月26日
发明者托马斯·弗里德伦德尔 申请人:克朗斯股份公司