聚酰胺线料模头、包括该线料模头的挤出机和聚酰胺生产系统的制作方法
【专利摘要】本申请涉及用于聚酰胺线料模头、包括该线料模头的挤出机和聚酰胺生产系统。所述聚酰胺线料模头包括多个毛细管，每个毛细管独立地具有其直径的6.1至6.5倍的长度。
【专利说明】聚酰胺线料模头、包括该线料模头的挤出机和聚酰胺生产 系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年5月1日提交的美国临时专利申请号61/818, 144的优先权权 益，其公开通过引用以其全部内容结合在此。
【技术领域】
[0003] 本申请涉及用于聚酰胺线料合成的高生产量模头。
【背景技术】
[0004] 在多个连续聚酰胺生产方法中，将熔融聚酰胺成形为线料，当其硬化时可以被切 割为粒料。为增加聚酰胺产量，聚酰胺生产系统的一个或多个部件可以被改进以提高该方 法的速率-限制步骤的功能。然而，连续生产系统具有必须一同操作的数个部件。替换出一 个部件以更好地优化其功能可以需要其他部件的改造，导致昂贵的整个系统的改装、重组、 对准和调节。因此，该系统的一个部件尝试最优化的益处可以通过不仅改变这一部件而且 改变该系统的其他部件的成本而抵消。
【发明内容】
[0005] 聚酰胺线料的数目可以与聚酰胺的产量相关，因为更多的线料可以允许生产更多 的聚酰胺粒料。然而，线料也应当足够宽以具有结构完整性以使得线料断裂减少。因此，聚 酰胺线料的直径不可以减少至低于产生稳定的聚酰胺线料所需的直径。对具有被选择为产 生具有令人满意的线料完整性的聚酰胺线料的固定模头毛细管尺寸的现有系统，聚酰胺线 料生产可以通过增加模头中毛细管的数目而增加。
[0006] 然而，仅增加将聚酰胺通过其挤出的毛细管的数目可能将毛细管放置地过于接 近，导致所得到的相当粘的聚酰胺线料熔合。线料熔合是使得通过自动线料切割器形成粒 料变麻烦的常见问题。可以增加聚酰胺线料模头的尺寸以使得对于增加的毛细管可得更 大的表面积，但是这将很可能需要生产系统的重组以使得可以将更大的模头配合至系统 中。因此，在现有的生产系统中通过将另外的毛细管加入至线料模头增加聚酰胺生产的速 率一般是不经济的。
[0007] 增加聚酰胺生产而不导致聚酰胺线料熔合并且不重组连续聚酰胺生产系统的多 于一个部件的问题通过增加聚酰胺线料模头中毛细管的长度和宽度而解决。对该问题的这 种解决方案不仅提高聚酰胺产量而且提高聚酰胺线料稳定性。令人惊讶地，跨越聚酰胺线 料模头的压降低，尽管有更长的毛细管长度。线料熔合也减少，这是出乎意料地，因为线料 模头中的毛细管更加接近。
[0008] 本文描述的线料模头具有多个毛细管，每个毛细管具有其直径约6. 1至约6. 5倍 的长度。线料模头的毛细管可以具有大约垂直于毛细管的纵轴的卵形或圆形横截面。约 5. 5-6. 5mm的直径是指大约垂直于毛细管的纵轴的毛细管横截面的最大尺寸。例如，每个 毛细管可以具有约3-4. 5cm的长度和约5. 5-6. 5mm的直径，其中毛细管具有大约垂直于毛 细管的纵轴的圆形横截面。线料模头可以挤出比具有直径4. 5mm和0. 5英寸（1. 27cm)的 长度的毛细管的模头多约20-60重量％的聚酰胺。线料模头还可以以比从具有直径4. 5mm 和0.5英寸（1.27cm)的长度的毛细管的模头挤出的聚酰胺线料更低的线料熔合发生率挤 出聚酰胺线料。线料模头还可以挤出比从具有直径4. 5mm和长度0. 5英寸的毛细管的模头 挤出的聚酰胺线料断裂少的聚酰胺线料。例如，线料模头可以配置为合成尼龙6 ;尼龙7 ;尼 龙11 ;尼龙12 ;尼龙6,6 ;尼龙6,9 ;尼龙6,10 ;尼龙6,12 ;或它们的共聚物的线料。
[0009] 本文还描述的是一种增加聚酰胺线料生产的方法，所述方法包括：在连续聚酰胺 生产系统的挤出机单元中用本文描述的线料模头替换聚酰胺挤出模头，从而增加聚酰胺线 料生产。
[0010] 本文描述了避免聚酰胺线料熔合的方法，所述方法包括：在连续聚酰胺生产系统 的挤出机单元中用本文描述的线料模头替换聚酰胺挤出模头，从而避免聚酰胺线料熔合；
[0011] 本文描述了提高聚酰胺线料稳定性的方法，所述方法包括：在连续聚酰胺生产系 统的挤出机单元中用本文描述的线料模头替换聚酰胺挤出模头，从而提高聚酰胺线料稳定 性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是聚酰胺可以通过其挤出以形成聚酰胺线料的具有更小的毛细管的传统的 聚酰胺线料形成模头的图。
[0013] 图2是示例聚酰胺可以通过其挤出以形成具有改进的性质的聚酰胺线料的具有 更大的毛细管的本发明的聚酰胺线料模头的图。
[0014] 图3是包括聚酰胺线料模头板的聚酰胺线料形成单元。
【具体实施方式】
[0015] 本文描述的改进的系统具有聚酰胺线料形成单元，其包括具有多个毛细管（例 如，孔或钻孔）的聚酰胺线料模头板，每个毛细管宽度和长度当强制熔融聚酰胺通过毛细 管时足以产生结构完整的聚酰胺线料，并且每个毛细管与每个其他的毛细管隔开足以避免 线料熔合的距离。还描述的是包括使用这种线料形成单元的聚酰胺线料的生产的方法。
[0016] 图1是具有毛细管的传统的聚酰胺线料形成模头的图，毛细管各自具有直径D1和 长度L1，聚酰胺可以通过其挤出以形成聚酰胺线料。挤出机单元将熔融聚酰胺挤出至挤出 室，其包括多个线料形成模头，最终将线料从其挤出。图2是示例具有各自具有直径D2和 长度L2的毛细管的聚酰胺线料模头的实施方案的图。在一些实施方案中，D2可以与D1相 同。在一些实施方案中，L2可以与L1相同。在一些实施方案中，图2中给出的聚酰胺线料 模头的毛细管可以具有比图1中给出的传统的聚酰胺线料形成模头的直径D1更大的直径 D2,并且在一些实施方案中长度L2可以大于长度L1。令人惊讶地，聚酰胺线料形成单元的 实施方案的更大的毛细管的直径可以增加聚酰胺生产而不增加线料熔合，即使毛细管比在 目前可得的具有相似的模头尺寸的线料形成单元中更接近。目前可得的用于聚酰胺线料形 成的模头具有更小的毛细管尺寸，其中毛细管的长度为其宽度的约2. 8倍（例如，4. 5mm的 直径，并且约1. 27cm的长度）。这种更小的毛细管模头产生较少的聚酰胺产物，并且聚酰胺 线料倾向于烙合，这困扰粒料形成。
[0017] 例如，本文描述的线料模头可以挤出比这种目前可得的线料模头多约20-60重 量％的聚酰胺。本文描述的聚酰胺线料模头和方法解决对目前可得的聚酰胺线料形成单元 通常观察到的低聚酰胺产量、聚酰胺线料熔合和聚酰胺线料断裂的问题。
[0018] 聚酰胺线料形成单元可以因此具有带多个毛细管的聚酰胺线料模头，单独的毛细 管各自具有大约垂直于毛细管的纵轴的圆形（圆）、卵形、方形或三角形横截面。例如，单独 的毛细管可以各自具有大约垂直于毛细管的纵轴的圆形（圆）或卵形横截面。
[0019] 聚酰胺线料模头可以具有与现在用于挤出聚酰胺的线料模头互换的形状。例如， 聚酰胺线料模头可以是圆形的、方形的或三角形的板，其配置为适合于连续聚酰胺生产系 统的挤出机。
[0020] 本文提供的聚酰胺线料模头可以具有多个毛细管，其中毛细管具有大于4. 5mm的 直径。通常，聚酰胺线料模头中的毛细管的长度可以是其宽度的约6. 3倍。
[0021] 例如，毛细管的直径可以是大于4. 7mm，大于4. 8mm，大于4. 9mm，大于5. 0mm，大 于5. 1mm,大于5. 2mm,大于5. 3mm,大于5. 4mm,大于5. 5mm,大于5. 6mm,大于5. 7mm,大于 5. 8mm,大于5. 9mm。聚酰胺线料模头中的毛细管可以具有小于7. 0mm,小于6. 9mm,小于 6. 8mm,小于6. 7mm,小于6. 6mm,小于6. 5mm,小于6. 4mm,小于6. 3mm,或小于6. 2mm的官径。 例如，聚酰胺线料形成单元可以具有直径为约6.0_的毛细管。在一些实施方案中，毛细管 的直径从毛细管的一端至另一端可以是基本上恒定的。在其他的实施方案中，毛细管可以 具有在入口更小的直径和在出口更大的直径，或在出口更大的直径和在入口更小的直径。 在具有不同的入口和出口直径的毛细管中，入口与出口之间的毛细管的部分的直径可以是 任意合适的直径，如在入口与出口直径之间逐渐过渡，或允许模头如本文所述使用的任意 其他的合适的形状。
[0022] 聚酰胺线料模头中的毛细管可以具有在线料形成时足以稳定线料的长度。例如， 毛细管可以具有减少聚酰胺在模头板的出口处积累的长度。毛细管可以，例如，具有调节沿 毛细管的长度的压力梯度的长度。这种压力的调节减少毛细管出口处聚酰胺泼溅或积累 的发生。通常更长的毛细管长度可以减少跨越聚酰胺线料模头中毛细管的长度的压力差。 聚酰胺线料模头可以具有长度大于1. 5cm的毛细管。例如，毛细管的长度可以大于1. 6cm， 大于1. 7cm，大于1. 8cm，大于1. 9cm，大于2. 0cm，大于2.lcm，大于2. 2cm，大于2. 3cm，大 于2. 4cm，大于2. 5cm，大于2. 6cm，大于2. 7cm，大于2. 8cm，大于2. 9cm，大于3. 0cm，大于 3. lcm,大于 3. 2cm,大于 3. 3cm,大于 3. 4cm,大于 3. 5cm,大于 3. 6cm,大于 3. 7cm〇
[0023] 聚酰胺线料模头可以具有长度小于5. 0cm的毛细管。例如，毛细管的长度可以小 于4. 9cm，小于4. 8cm，小于4. 7cm，小于4. 6cm，小于4. 5cm，小于4. 4cm，小于4. 3cm，小于 4. 2cm，小于4.lcm，小于4. 0cm，或小于3. 9cm。例如，聚酰胺线料模头可以具有约3. 81cm的 长度的毛细管。
[0024]Fourn6(SYNTHETICFIBERSat第 242 页（HanserPublishers，Munich1999))推 荐线料之间的间隔为14.4mm。然而，本文描述的聚酰胺线料模头中的毛细管之间的间隔可 以小于14. 4mm或大于14. 4_。例如，使用本文描述的聚酰胺线料模头和方法产生的线料不 容易熔合，所以本文描述的聚酰胺线料模头中毛细管之间的间隔可以小于14. 4_。因此，本 文描述的聚酰胺线料模头中毛细管之间的间隔可以从约3mm至14_，或约4mm至13_，或 约5_至12mm,或约6_至11mm,或约7mm至13mm,或约8_至12mm变化，或者约4mm至 13mm的任意值。
[0025] 聚酰胺线料模头中的毛细管的数目可以变化。例如，当聚酰胺线料模头的表面具 有更大的表面积时，在聚酰胺线料模头中可以存在更多的毛细管。然而，当聚酰胺线料模头 的表面具有更小的表面积时，在聚酰胺线料模头中可以存在更少的毛细管。例如，聚酰胺线 料模头可以具有约10-200个毛细管，20-150, 50-100, 25-40,或约30个毛细管，或约10、15、 20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190,或约 200个毛细管。
[0026] 聚酰胺线料模头可以由对聚酰胺反应物和产物基本上惰性的材料组成。用于聚酰 胺线料模头采用的材料可以传递热以使得进入聚酰胺线料模头的毛细管的熔融聚酰胺保 持足够地熔融以通过毛细管，但以足够的内聚性出现以形成结构上可靠的聚酰胺线料。例 如，聚酰胺线料模头可以由材料如不锈钢，如奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢，以及它们的组 合以任意合适的比例组成。不锈钢可以包括任意合适的一系列不锈钢，如例如440A、440B、 440C、440F、430、316、409、410、301、301LN、304L、304LN、304、304H、305、312、321、321H、 316L、316、316LN、316Ti、316LN、317L、2304、2205、904L、1925hM〇/6M0、254SM0。奥氏体钢可 以包括300系列钢，其例如具有最大约0. 15%碳，最小约16%铬，以及足够的镍或猛，以在 从低温区域至合金的熔点的基本上全部温度保持奥氏体结构。奥氏体钢可以包括，例如， 304和316钢，如316L钢。在一些实例中，线料模头可以包括耐腐蚀材料。耐腐蚀材料的 实例可以包括超合金，如含有少量的铁和痕量的其他元素的镍-铜合金如Monel?400,析 出加强的镍-铁-铬合金如Incoloy?牌合金，例如Incoloy?800系列，或奥氏体镍-铬 系Inconel?牌合金，或镍_铬-钥合金如Hastelloy?牌合金，例如，Hastelloy?G-30?。 耐腐蚀材料的实例可以包括任意合适的耐腐蚀材料，如超奥氏体不锈钢（例如AL6XN、 254SM0、904L)、双相不锈钢（例如2205)，超双相不锈钢（例如2507)，镍系合金（例如合 金〇276，〇22,02000,600,625,800,825)，钛合金（例如级别1、2、3)、锆合金（例如 702)、 Hasteloy276、duplex2205、superduplex2507、Ebrite26-1、Ebrite16-1、Hasteloy 276、Duplex2205、316SS、316L和 304SS、锆、锆覆金属 316、Ferralium255,或它们的任意 组合。
[0027] 在一些实施方案中，可以将模头的表面清洁或抛光。毛细管或模头可以具有任 意合适的平均粗糙度。术语"平均粗糙度"（Ra)是那些不规则处的表面峰和谷的测量平均 值，并且以微米（um)和以微英寸（yin)表达。表面质地测量是本领域技术人员已知的 并且采用表面外形装置。已知的表面外形装置可得自TAYL0R-H0BS0N，公司AMETEK，INC.， llOOCassattRoad，P.O.Box1764,Berwyn，宾夕法尼亚，19312USA。在一些实例中，毛细管 或模头可以具有不大于约6. 00ym，约1. 00ym至约6. 00ym，约0? 90ym至约1. 50ym，约 0? 60um至约1. 00um，不大于约0? 5um，不大于约0? 10um，约0? 10um至约0? 80um，或约 0. 90iim至约1. 50iim的平均表面粗糙度。
[0028] 材料从挤出机通过和通过模头的流动速率一般是均匀的和恒定的。流动均匀性依 赖于聚合物的特性（换言之，其粘弹性）和在通过聚酰胺线料模头传送的过程中施加在聚 合物上的剪切应力的水平两者。精密齿轮泵可以用于提供稳定的压力和准确的计量，以使 得聚酰胺以受控和无涌浪方式达到模头顶。这种齿轮泵可以安装在挤出机器件（例如，螺 杆挤出机）与聚酰胺线料模头之间，或挤出机的上游。齿轮泵可以是主要挤出机控制器件， 以减少在传统的挤出系统中可以是固有的低效性。排放压力变化，并且因此质流变化，可以 保持为少于3%或少于1%，以促进均匀线料生产并避免收缩、不完整性和凝胶形成。
[0029]加热室将聚酰胺加热至合适的温度用于通过聚酰胺线料模头挤出。通常，如果挤 出温度不足够高，熔融的聚合物将不足够均匀，并且可以存在一些固体或晶体聚酰胺。相 反，如果挤出温度过高，降解的风险增加，并且可能难以挤出聚酰胺，因为它可以在更高的 温度具有低粘度。通常，加热室温度可以是约185-350°C以当聚酰胺通过聚酰胺线料模头时 将聚酰胺保持在约180-300°C的温度。将聚酰胺保持的温度可以随着要制成线料的聚酰胺 的类型变化。例如，尼龙6当通过聚酰胺线料模头时可以保持在约225-260°C的温度，而尼 龙6,6当通过聚酰胺线料模头时可以保持在约270-295°C的温度。在一个实例中，尼龙11 当通过聚酰胺线料模头时可以保持在约190-220°C的温度，而尼龙12当通过聚酰胺线料模 头时可以保持在约185-215°C的温度。
[0030] 在从聚酰胺线料模头出来之后，可以将聚酰胺线料冷却至约10-KKTC的温度。例 如，可以将从聚酰胺线料模头出来的线料喷射或浸渍在水中以将它们快速冷却并硬化。可 以切割硬化的线料或以其他方式加工为容易包装的长度或尺寸。通常，在包装之前将聚酰 胺干燥以将水含量减少至1 %以下，或〇. 7%以下，或0. 5%以下，或0. 2%以下，或0. 1 %以 下。
[0031] 聚酰胺线料模头和使用这种模头的方法出乎意料地增加聚酰胺生产，同时也减少 线料熔合，即使毛细管比在目前可得的线料形成单元中更接近。凝胶形成减少。凝胶可以 是由聚合物质形成的任意固体材料，其积累或堵塞设备或者污染聚酰胺产物，如由聚合物 的氧化或热降解形成的无序固体。凝胶可以在通过该系统的聚合物的流中以滞积袋以及不 规则或漩涡形成。聚酰胺线料模头促进聚酰胺的流动并且从而减少凝胶形成。
[0032] 实例聚酰胺线料形成单元
[0033] 图3显示聚酰胺线料形成单元的实例实施方案。来自连续聚酰胺生产系统的熔融 聚酰胺10通过至少一个传递管线20传送至聚酰胺线料形成单元的入口 30。入口 30可以 包括挤出机或齿轮泵（例如，精密齿轮泵）以促进聚酰胺至挤出室45中和通过聚酰胺线料 模头60的传送。在一些实施方案中，齿轮泵可以在管线20的上游出现。齿轮泵可以有助 于缓冲流的涌浪，如由挤出机所导致的。加热室40可以用以将挤出室45的温度保持在合 适的温度以使得所要挤出的聚酰胺50保持熔融，而且具有合适的粘度用于当通过聚酰胺 线料模头60时的线料形成。通过使聚酰胺通过聚酰胺线料模头60形成聚酰胺线料70。
[0034] 聚酰胺生产
[0035] 术语"聚酰胺"意指含有多个酰胺键的聚合物。聚酰胺，例如，在重复酰胺单元之 间具有至少85%脂族键的脂族直链聚酰胺也被称为尼龙。术语"直链"意指聚酰胺可得自 双官能化反应物，其中结构单元以尾对尾并且以链状方式连接。像这样，该术语意在排除得 自三胺或得自三元酸的聚合物中可能存在的三维聚合结构。参见，WallaceH.Carothers， 美国专利号2, 130, 948,题为"合成纤维"。
[0036] 脂族聚酰胺当与伯或仲胺反应时可以得自二元羧酸和其他的二元羧酸的酰胺形 成衍生物（如酸酐、酰胺、酰齒、半酯和二酯）。基本上全部脂族聚酰胺聚合物从由二羧酸和 二胺构成的单体的形成可以通过伯或仲二胺（具有至少一个连接至每个氮的氢的二胺）与 二羧酸或二元羧酸的酰胺-形成衍生物的反应完成。
【权利要求】
1. 一种聚醜胺线料模头，所述聚醜胺线料模头包括多个毛细管，每个毛细管独立地具 有其直径的6. 1至6. 5倍的长度。
2. 权利要求1所述的线料模头，其中所述直径是指垂直于所述毛细管的纵轴的横截面 的最大尺寸。
3. 权利要求1所述的线料模头，其中每个毛细管具有垂直于该毛细管的纵轴的卵形或 圆形横截面。
4. 权利要求1所述的线料模头，其中每个毛细管具有3-4. 5cm的长度和5. 5-6. 5mm的 直径。
5. 权利要求1所述的线料模头，其中每个毛细管长度是3. 7至3. 9cm。
6. 权利要求1所述的线料模头，其中每个毛细管具有5. 75-6. 25mm的直径。
7. 权利要求1所述的线料模头，其中每个毛细管具有6mm的直径。
8. 权利要求1所述的线料模头，所述线料模头包括10-200个毛细管。
9. 权利要求1所述的线料模头，所述线料模头包括25-40个毛细管。
10. 权利要求1所述的线料模头，所述线料模头包括30个毛细管。
11. 一种挤出机，所述挤出机包括权利要求1所述的线料模头。
12. -种聚醜胺生产系统，所述聚醜胺生产系统包括权利要求1所述的线料模头。
【文档编号】B29C47/30GK204222129SQ201420173218
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2013年5月1日
【发明者】查尔斯·R·克尔曼, 托马斯·A·米茨卡, 约翰·P·普安萨蒂, 加里·R·韦斯特 申请人:因温斯特技术公司