专利名称：用于聚合物的挤出喷嘴的制作方法
用于聚合物的挤出喷嘴本发明涉及一种改进的喷嘴，用于由粘弹性的(viskoelastisch)物质特别是聚合物和聚合物与其它物质(如固体、液体、气体或其它聚合物或其它聚合物混合物)的混合物挤出熔融物条(Schmelzestrang)，使用这种喷嘴将避免在喷嘴区域中形成沉积物。在由聚合物和聚合物预备物挤出熔融物条的已知方法中，在使用柱形喷嘴时，在这种柱形喷嘴的区域中会观察到熔融物膜或熔融物沉积。随着时间的推移，取决于有待处理的材料的类型和组分，这种效应或强或弱。如果形成的这种沉积物越来越多，就会产生危险，即喷嘴区域中的这种沉积物被挤出的熔融物条冲破，残留在熔融物条表面上，进而在接下来对熔融物条进行粒化或后续处理时会导致并非所愿地污染聚合物。特别是对于聚碳酸酯和纤维增强的聚合物和纤维增强的聚酰胺来说，易于形成这种喷嘴沉积物的趋势尤为明显；有些情况下在历经数小时的处理时间之后才会出现这种喷嘴沉积物。被污物沾染的粒料(GranulatkSrner)有损于采用注塑方法或挤出方法从中制得的成型体的质量。 这特别是涉及成型体例如光学数据载体(⑶、DVD)、光导体、弥散屏(Streuscheibe)、屏板 (Verscheibimg)、板、膜等的光学特性。为了避免这种污物，在使用传统的柱形喷嘴时需要在形成大量喷嘴沉积物之前及时地中断挤出过程或聚合过程，并清洁或更换喷嘴或喷嘴板。这种做法由于额外的作业过程耗费时间、需要额外地消耗能量(通过燃烧进行清洁)、在更换喷嘴或清洁期间产生废品而不利于生产过程。此外，就某些在生产期间在很大程度上保持封闭而难以够到的设备如蒸条机(Strangverdampfer)而言，由于必须要打开设备以及其它本领域技术人员公知的原因，中断生产非常麻烦。因此目的在于提供一种喷嘴，其能够实现延长所谓的喷嘴服务期限，喷嘴服务期限被定义为相应的设备在不降低所形成的熔融物条的质量(例如由污物引起)情况下的工作时间。因而目标是要延长喷嘴服务期限，形成沉积物的趋势借助本发明的喷嘴将大大地减小，甚至完全得以避免，由此达到所述目标。否则需要对喷嘴进行的清洁处理工作由此大为减少，直至完全省去。这样还能在很大程度上避免由于喷嘴沉积而对聚合物造成污染或质量下降的危险。US 5，458，836公开了一些试验方案，对用于熔融聚合物的挤出喷嘴进行特殊的构造，即可解决挤出过程中的喷嘴沉积问题。为此使用入口通道和出口通道均为柱形的喷嘴， 这两种通道的直径各不相同，且在喷嘴内部在它们的过渡区域具有展宽部分。因而没有收敛的或发散的通道。与本发明的喷嘴相反，入口通道始终都比出口通道长，或者至少一样长。该专利说明书并未指出在进行数小时的挤出情况下喷嘴沉积物是如何形成的。WO 2004/098858和WO 2004/098859披露了用于挤出粘弹性的熔融物的喷嘴，尽管这种喷嘴的入口通道和出口通道以收敛一扩散方式展宽，但与本发明的喷嘴相反，喷嘴入口通道始终都比出口通道长，或者至少一样长。WO 2004/098859还记载了一种可选方案， 即出口通道在喷嘴出口以扇形方式特殊地展宽而形成倒圆(在横截面上观察)。这些出版物并未指出可能的喷嘴沉积物或其与喷嘴结构的关系。除了上述信息外，WO 2004/080692仅对喷嘴设置方式和流道的内部表面结构进行
了进一步说明。
已令人意想不到地发现，与现有技术不同，利用一种特殊的几何造型，改变喷嘴流道的收敛的熔融物入口区域与发散的熔融物出口区域的比例，即可适合于实现本发明的目的。另外令人意想不到地发现，对于具有锥形入口通道和锥形出口通道的柱形喷嘴而言，若熔融物出口区域比熔融物入口区域长，则相比于具有相仿几何造型但熔融物出口区域较短的喷嘴，能明显更好地适合于避免喷嘴沉积。本发明的喷嘴即使经过较长的挤出时间也能避免喷嘴沉积。除了喷嘴流道的出口区域与入口区域的长度比外，喷嘴还有一些不同于现有技术的其它几何造型因素一起决定着在熔融聚合物的挤出过程中避免沉积。这特别是包括流道入口区域与出口区域的张角及其曲率半径。本发明的主题因此是一种用于由粘弹性的物质特别是聚合物和聚合物与其它物质(如固体、液体、气体或其它聚合物或其它聚合物混合物)的混合物挤出熔融物的喷嘴，其特征在于，其流道具有发散的熔融物出口区域，发散的熔融物出口区域的长度L-m大于收敛的熔融物入口区域的长度L-A『比值L-咖/L-;^为1.广1.5，优选为2 10，特别优选为圹8。这些参数将借助于
图1予以详述。“FD”在此表示流向。本发明的喷嘴能实现，使用该喷嘴可避免在喷嘴区域中形成沉积。由此延长了用于挤出聚合物条的喷嘴服务期限，由于喷嘴沉积物被冲破而在聚合物熔融物条上产生的污物得到了避免。L-出^优选为2mnTl00mm，特别优选为5讓 60讓，更特别优选为10讓 50讓。D-出口优选为0. 2mnTl5mm，特别优选为0. 5mnTl0mm，更特别优选为lmnT9mm。L- λ 口优选为 0. 13mm 200mm， -λΡ^ 0. 4mm 30mm，D-中间为 0. lmm 15mm。熔融物入口的直径(D-入J和熔融物出口的直径J按照关系式(1)和(2)规定了开口。这些参数借助图la)和图lb)来规定。(I)D-出口/D-人口为0. 0067 37. 5，优选为0. 05 4，特别优选为0.广2。(2) D-出口/D-中间为1.01 4，优选为1.3 2，特别优选为1. 4 1. 7。根据一种优选的实施方式(见图lb))，在的区域中可以有一个长度为的柱形部分，其中L-出口/L-中间为1.广10。根据一种优选的实施方式，本发明的喷嘴的另一特征是，以如方式来设计流道，即入口区域或出口区域的内壁，或者入口区域和出口区域的内壁，在流道纵轴线方向上具有一曲率。在图1中示出了相应的入口区域曲率半径“R-入口”和出口区域曲率半径“R-a口”。根据图1的曲率半径“ R- λ口 ”和“ R-出口”由式子(3 )和(4 )来规定
(3)—平直表面(锥形孔)R=无限大]
(4)-[入口或出口弯拱的锥形喷嘴R>0]
R-入口的值为ImnT 无限大)，优选为5mnT c ，特别优选为10 mnT①。R-丨口的值为IOmnT①(无限大)，优选为50mnT①，特别优选为200 mnT①。本发明还涉及一种工程装置，其具有多个这种喷嘴，以便将所挤出的粘弹性物质优选熔融聚合物分成多个熔融物条。该工程装置例如可以安装在熔融物分配器的端部上， 例如在挤出机头中或者在水下粒化中(Unterwassergranulierung)使用，以便使得这些条接下来在冷却和凝固之后被分割成粒料。这种工程装置还可以用在一些设备中，在这些设备中进行熔融物分割，以便提高条的表面积，例如在蒸条机中进行这种分割(参见WO01/39856 Al)。本发明还涉及对本发明的喷嘴或喷嘴板的用于由粘弹性物质挤出熔融物的一种应用，其特征在于，喷嘴的流道具有发散的熔融物出口区域，发散的熔融物出口区域的长度 L-μ大于收敛的熔融物入口区域的长度L-入口，比值L-an/L-入口为1.广15，优选为2 10， 特别优选为4 8。本发明的喷嘴的接触产品的部分可以由任一种材料制成。优选这些部分由钢或者由铁含量低的金属合金制成。根据一种优选的实施方式，喷嘴由铁含量最多为10% (重量) 的铁含量低的材料制成。由少于1% (重量)的铝、少于25% (重量)的铬、少于8% (重量)的铁、少于4% (重量)的钴、少于6% (重量)的钨、少于4% (重量)的锰、少于1% (重量)的铜和少于1% (重量)的钛、少于5% (重量)的铌以及5-35% (重量)的钼和45-75% (重量)的镍构成的合金特别适合于喷嘴的与产品接触的所有部分。特备优选喷嘴的与产品接触的所有部分都由合金 59 (2. 4605)、Inconell 686 (2. 4606)、合金-B2、合金 B-3、合金 B4、合金 C-22、合金-C276、合金-C4、合金 625、1. 8550,1. 4112,1. 2379,1. 4122 或 1. 4313 制成。根据一种特殊的实施方式，本发明的喷嘴在流道的与熔融聚合物接触的内侧面上具有表面处理部分。这可以是附加的涂层，其例如具有聚合物(例如PTFE或其它氟化的碳氢化合物)或者金属或金属化合物(例如TiN、CrN)或者有机或无机的物质(例如非晶态的碳 (如类金刚石碳)或陶瓷)。有些情况下在需要时还可以附加地例如通过抛光或电抛光(也称为电解抛光)来减小表面粗糙度，或者(例如通过喷砂)来提高表面粗糙度。电抛光是一种电化学的金属处理，其中要抛光的金属作为阳极接到电路上，其中电解液由酸或酸混合物组成。按照本发明所述的喷嘴适合于在温度为100°C、50°C时每个喷嘴的熔融聚合物通过量为sog/tTiooooog/h。喷嘴可以被加热。在300°C时，所使用的聚合物的通过剪切流变测量来测得的(例如参见M. Pahl、 W. Gleifile、H.-M. Laun 的Praktische Rheologie der Kunststoffe und Elastomere (塑料和弹性体的实际流变性))通常的熔融物粘度(零粘度)为20 · s^25000Pa · s。因而可以在通常从喷嘴排出熔融物条的任一装置中进行挤出。这种装置通常包括用于熔化聚合物的机构(除非给装置供应熔化的聚合物)以及用于以适当的速度将熔化的聚合物经由喷嘴口泵出或压出的机构。用于泵出或者用于熔化且泵出的可用装置是齿轮泵、单螺杆挤出机和双螺杆挤出机、活塞(如在活塞式挤出机中)或含有熔化的聚合物的处于压力下的容器(如通过气压)。挤出条件如聚合物温度可以是在挤出聚合物时通常采用的条件。本发明还涉及一种喷嘴板，在该喷嘴板上布置有多个独立的本发明的喷嘴，该喷嘴板是(可加热的)熔融物分配器的一部分。该熔融物分配器例如位于挤出机的熔融物出口之后，或者位于熔融物泵之后，且可实现将熔融物流由挤出机出口或者在熔融物泵之后朝向各个喷嘴分配或输送。熔融物分配器也可以安装在大型设备例如蒸发设备特别是蒸条机中(参见 W001/58984 Al 和 WO 01/39856 Al)。视挤出机或熔融物泵的大小而定，在这种喷嘴板上布置有广500000个、优选 2 100000个独立的本发明的喷嘴，排成一行或多行，优选广4行。按照一种特殊的方式，喷嘴板也可以是圆的，喷嘴围绕中点同心地排成一行或多行。还可以并排地或上下地布置有一个或多个板。根据喷嘴板的一种优选的实施方式，本发明的所有喷嘴都大小相同，相互间距离相等，以及几何造型一致。利用熔融物分配器中的相应构件，例如可将熔融物从中央的出口引导到喷嘴板上，使得所有喷嘴都在相仿的压力下被供应以熔融聚合物，从而沿着喷嘴板的整个长度和宽度确保均勻地形成熔融聚合物条。在图2中示范性地示出在其中带有喷嘴的这种挤出装置的一种特殊实施方式。利用本发明的喷嘴用于将熔融聚合物挤出成为熔融聚合物条的本发明的方法，减小了在数小时的处理过程期间由于喷嘴沉积而造成熔融物条沾染的风险。熔融聚合物条在从喷嘴出来之后通常要用水来冷却，且在凝固期间或之后采用适当的工艺被粒化。借助本发明的喷嘴可以制得高纯度的颗粒，这种颗粒能满足例如在光学质量方面的高纯度要求， 用于制造光学数据载体如⑶或DVD，或者例如用于制造光波导体、散射盘、光学透镜、膜片、 光纤、板和薄壁的成型部分。用于聚合物水下粒化的喷嘴板具有多个布置在环形的切割表面上的出口。在聚合物从出口挤出之后不久，旋转的刀刃便切割聚合物条。本发明的喷嘴防止在出口处形成硬化的聚合物，因此能实现方法无干扰地工作。所有热塑性聚合物、在交联之前的弹性体和在交联之前的热固性塑料都适合于利用本发明的喷嘴挤出熔融聚合物条。本发明的喷嘴特别适合于处理和制备聚碳酸酯、聚酯、 聚醚、聚烯烃、商代聚烯烃、热塑性的聚酰亚胺、聚(亚氨醚)和聚酰胺。这些热塑性塑料的存在形式可以为单纯形式，或者是具有填充剂和增强剂如特别是玻璃纤维的混合物、彼此混合或与其它聚合物混合的混合物、或者是具有通常的聚合物添加剂的混合物，所述聚合物添加剂例如是着色剂、处理辅助剂、添加剂、增强剂、抗氧化剂、着色剂、颜料、防火剂或稳定剂。它们例如是炭黑、玻璃纤维、陶土、云母、滑石、白垩、碳酸钙、二氧化钛、石墨纤维、碳纤维和天然纤维。图1)为本发明的喷嘴的横剖视图，其中示出特征参数L-入口、L-#jnL-an、D-入口、D-中间和D-出口以及R-入口和R-出口，“ FD ”表示流向；
图lb)示出一种优选的实施方式，其中在区域中有一个长度为柱形部
分；
图2)以示范性的形式示出喷嘴板(1)，在该喷嘴板上并排地布置有喷嘴(2)。例子
已利用本发明的喷嘴和作为参考的标准喷嘴在同步运转的(gleichlhfig)双螺杆挤出机中进行试验，其中使用下述喷嘴尺寸。本发明的喷嘴的例子(短式发散型) D-ap=8. 08 mm
D-Lijp =8. 08 mm D—中间=5. 08 mm L-λ ρ =7. 48 mm L-Lijp =14. 52 mm R-λ ρ =18. 96 mm R-Lijp =66. 2 mm
本发明的喷嘴的例子(长式发散型)D-入口=8. 08 mmD-出口=8.08 mmD-中间=5. 08 mmL-入口=7. 48 mmL-出口=34. 52 mmR-入口=18.96 mmR-出口=386 mm
标准喷嘴(柱形)D-ap=8. 08mmD-出口 =5. 08mmD_ 中间=5· 08mm入口 =5. 6mmL-出口 =16. 4mmR-Λ p =18. 96 mm出口 = 00
例子1 (用聚丁烯对苯二甲酸酯做试验)
将Pocan DP 7244颗粒(制造商德国Lanxess有限公司)输送到同步运转的双螺杆挤出机(型号:ZSK 32Mc ；制造商=Coperion Werner &PfIeiderer公司)中；使其在该挤出机中熔化，利用安装在挤出机端部的喷嘴板挤压熔融物。喷嘴板有四个喷嘴，其中的内部喷嘴和外部喷嘴均为柱形标准造型。这些喷嘴用作参考物。其它的两个喷嘴经过适当制造，使得能安装可更换的喷嘴芯(DUseneinsatz);试验1使用“发散型短式”喷嘴，试验2使用“发散型长式”喷嘴。用摄像机观察和记录从喷嘴挤出的条。还要测量从开始挤出到在喷嘴上出现沉积物时的时间。条上的熔融温度用测温试探器(Einstechthermometer)来测量；该熔融温度在所有条中都相同。每个喷嘴的通过量为26. 25kg化、挤出机转速为255分钟―1，熔融温度为285°C。若使用标准喷嘴，则在开始之后30秒就会观察到有严重的“毛刺”产生 (Bartbildung)0相反，若使用优化的“发散型短式”喷嘴，则在约1分钟之后才会产生轻微的毛刺，而使用“发散型长式”喷嘴则经过很长的运行时间之后也不会观察到有毛刺产生。例子2 (用聚碳酸酯做试验)
将Makrolon DP1-1265颗粒(制造商=Bayer材料科学股份公司)输送到同步运转的双螺杆挤出机(型号ZSK 32Mc ；制造商Coperion Werner & Pfleiderer公司)中；使其在该挤出机中熔化，利用安装在挤出机端部的喷嘴板挤压熔融物。喷嘴板有四个喷嘴，其中的内部喷嘴和外部喷嘴均为柱形标准造型。这些喷嘴用作参考物。其它的两个喷嘴经过适当制造，使得能安装可更换的喷嘴芯。“发散型长式”喷嘴固定在这些喷嘴芯中。用摄像机观察和记录从喷嘴挤出的条。还要测量从开始挤出到在喷嘴上出现沉积物或形成液滴(Tropfenbildimg)时的时间。条上的熔融温度用测温试探器来测量；该熔融温度在所有条中都相同。每个喷嘴的通过量为25kg · tT1，挤出机转速为600分钟―1，熔融温度为302°C。
若使用标准喷嘴，则在开始之后45分钟就会观察到有轻微的液滴形成。相反，若使用优化的“发散型长式”喷嘴则不会有液滴形成。在第二个试验中，通过量减小至21. ^tT1,熔融温度提高到314°C。挤出机转速保持恒定为600分钟Λ若使用标准喷嘴，也会观察到有液滴形成，经过3小时的试验时间之后，喷嘴板在喷嘴下面完全覆盖有熔融物膜。相反，若使用优化的“发散型长式”喷嘴，则尽管粘度有所减小，历经数小时的运行时间之后仍不会有液滴形成。例子3 (用聚碳酸酯做试验)
将Makrolon DP1-1265颗粒(制造商=Bayer材料科学股份公司)输送到同步运转的双螺杆挤出机(型号ZSK 32Mc ；制造商Coperion Werner & Pfleiderer公司)中；使其在该挤出机中熔化，利用安装在挤出机端部的喷嘴板挤压熔融物。喷嘴板有四个喷嘴，其中的内部喷嘴和外部喷嘴均为柱形标准造型。这些喷嘴用作参考物。其它的两个喷嘴经过适当制造，使得能安装可更换的喷嘴芯。“发散型长式”喷嘴固定在这些喷嘴芯中。用摄像机观察并用录像来记录从喷嘴挤出的条。还要测量直到在喷嘴上出现沉积物时的时间。条上的熔融温度用测温试探器来测量；该熔融温度在所有条中都相同。每个喷嘴的通过量为25kg · h—1，转速为600分钟―1，熔融温度为314°C。若使用标准喷嘴，则在开始之后45分钟就会观察到有液滴形成。经过3小时的试验时间之后，喷嘴板在喷嘴下面完全覆盖有熔融物膜。相反，若使用优化的“发散型长式” 喷嘴，则即使经过9小时的运行时间之后仍不会有液滴形成。这些例子表明，相比于现有技术的喷嘴，本发明的喷嘴在试验时间内，无论在聚碳酸酯情况下还是在玻璃纤维增强的聚酯情况下，都令人意想不到地能实现沉积物明显减少，甚至根本就没有沉积物。在研究玻璃纤维增强的聚酯情况下，令人意想不到地在本发明的喷嘴上观察不到 “毛刺”形成；如借助本发明的例子可知。特别是“发散型长式”喷嘴令人意想不到地表现出特别优良的效果。在研究粘度很低的聚碳酸酯熔融物情况下，令人意想不到地在喷嘴上观察不到液滴形成；如借助本发明的例子可知。
权利要求
1.一种用于由粘弹性的物质挤出熔融物的喷嘴，其特征在于，喷嘴的流道具有发散的熔融物出口区域，发散的熔融物出口区域的长度L-m大于收敛的熔融物入口区域的长度 L-入口，比值L-出口/L-入口为1. 1 15。
2.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，熔融物入口开口与熔融物出口开口的直径 D-出口/D-人口为0. 05 4，D-出口/D-中间为1. 01 4。
3.如权利要求1或2所述的喷嘴，其特征在于，L-出。为2mnTl00mm，D-出。为 0. 2mm 15mm，L-ap^J 0. 13mm 200mm， -λΡ^ 0. 4mm 30mm，D-中间为 0. lmm 15mm。
4.如权利要求1至3中任一项所述的喷嘴，其特征在于，入口区域或出口区域的内壁， 或者入口区域和出口区域的内壁，在流道纵轴线方向上具有曲率R-A口和R_m。
5.如权利要求4所述的喷嘴，其特征在于，曲率半径R-入口的值为ImnTc (无限大)，R-a n的值为IOmnT 无限大)。
6.如权利要求4所述的喷嘴，其特征在于，曲率半径R-入口的值为5mnT-，R-的值为 IOOmnT 00 ο
7.—种喷嘴板，其特征在于，根据权利要求1至6中任一项的喷嘴并排地或上下地或同心地布置成一行或多行。
8.一种用于将熔融聚合物挤出成为熔融聚合物条的方法，其特征在于，使用根据权利要求1至6中任一项的喷嘴或根据权利要求7的喷嘴板。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，聚合物条从喷嘴排出之后用液体或气体来冷却。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，聚合物条离开喷嘴之后经过粒化处理。
11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，熔融聚合物含有热塑性聚合物、在交联之前的弹性体或在交联之前的热固性塑料或它们的混合物。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，熔融聚合物含有聚碳酸酯、聚酯、聚醚、聚烯烃、卤代聚烯烃、热塑性的聚酰亚胺、聚(亚氨醚)或聚酰胺或它们的混合物。
13.如权利要求8至12中任一项所述的方法，其特征在于，给聚合物添加填充剂或增强剂或者聚合物添加剂或者有机的或无机的颜料或者它们的混合物。
14.一种用于由粘弹性的物质挤出熔融物的装置，包括一个或多个根据权利要求1至7 中任一项的喷嘴以及用于将粘弹性的物质经由喷嘴顶出的机构。
全文摘要
本发明涉及一种改进的喷嘴，用于由粘弹性的物质特别是聚合物和聚合物与其它物质(如固体、液体或其它聚合物)的混合物挤出熔融物条，使用这种喷嘴将避免在喷嘴区域中形成沉积物。
文档编号B29B9/06GK102202852SQ200980143350
公开日2011年9月28日 申请日期2009年10月21日 优先权日2008年10月29日
发明者J·黑珀勒, M·吕德克, R·梅利斯, R·鲁道夫 申请人:拜尔材料科学股份公司