CN102271889B - 可用于制造泡沫聚酯片材、板材或管材的成套设备中的泡沫聚酯挤出方法和设备 - Google Patents

可用于制造泡沫聚酯片材、板材或管材的成套设备中的泡沫聚酯挤出方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及泡沫聚酯挤出方法和设备，其可用于生产泡沫聚酯尤其是连续操作类型的片材、板材或管材的成套设备中。所述泡沫聚酯挤出设备包括设置有纯的和/或回收聚酯材料的进料口(14)的温度调节框(11)，在所述框(11)内设置有两个共旋转螺杆(12)，所述共旋转螺杆(12)与所述框(11)的内壁一起限定第一脱气区(A，B)、第二脱气区(C，D)、发泡剂入口区(E)以及熔融材料的泵送端区(F)，第一脱气区(A，B)设置在位于所述进料口(14)的进料区和第一密闭区(15)之间，第二脱气区(C，D)位于所述第一脱气区(A，B)下游并与其通过所述第一密闭区(15)分隔，发泡剂入口区(E)位于所述第二脱气区(C，D)下游并与其通过所述第二密闭区(22)分隔，泵送端区(F)位于所述发泡剂入口区(E)下游，其特征在于所述第一脱气区(A，B)包括位于与所述第一密闭区(15)相邻的所述第一脱气区(A，B)的第一节段(B)处的第一通风口(13)，其中所述第一脱气区(A，B)适于在低于处理的聚酯材料的熔点的温度下进行强制常压脱气，并且所述第二脱气区(C，D)适于在等于或高于所述处理的聚酯材料的熔点的温度下进行真空脱气。

Description

可用于制造泡沫聚酯片材、板材或管材的成套设备中的泡沫聚酯挤出方法和设备
本发明涉及泡沫聚酯挤出方法和设备。尤其，根据本发明的设备可用于生产泡沫聚酯优选是连续操作类型的片材、板材或管材的成套设备中。在泡沫聚合物挤出领域中，用于制造泡沫合成热塑性聚合物如PS、PE、PP和PU的片材或板材的成套设备比用于挤出泡沫聚酯的成套设备更普遍。
这是由于上述合成热塑性聚合物是具有高熔体强度和非常疏水特征并因此不进行水解的材料。因此它们能够保持足够高的绝对粘度和高熔体强度从而能够获得高品质的泡沫产品特性，适用于包装、涂覆等工业领域的最终应用。
尤其，高绝对粘度和高熔体强度确保在挤出方法的发泡步骤过程中形成的气泡，在材料仍为熔体时保持俘获在其中而不会破裂并因此释放气体。
相反地，由于聚酯是高吸湿性材料和由于其经历强水解，如果在挤出过程之前没有适当地除湿，其所具有的粘度和熔体强度特性不足以获得具有足够高品质的泡沫成品。
这是由于在挤出方法中，当有湿度的情况下，尤其是当材料为熔融状态时，发生强水解，导致材料由于降低聚酯的机械特性尤其是固有粘度、绝对粘度和熔体强度而劣化。
在使用与非泡沫聚酯共挤出或与各种热塑性材料膜层压的后消费回收材料或回收工业废料和泡沫或非泡沫热成型残余物的情况下，这种现象尤其应注意，其具有低固有粘度和绝对粘度以及非常高初始湿度。
为了避免这种现象，已知将聚酯进行预先干燥，目的是消除结合到各颗粒之内和之外的湿度，达20ppm。然而，这个步骤昂贵并获得一般的结果。
并且挤出泡沫聚酯的设备已知不要求使材料经历预先干燥步骤。
这种装置一般由串联到单螺杆挤出机的共旋双螺杆挤出机构成，其中双螺杆挤出机目的为熔融和混合纯和/或回收的聚酯与适于增加聚酯的分子量、粘度以及熔体强度的一些添加剂，并且尽可能从熔融材料中带走水分，而在单螺杆挤出机中，进行发泡剂的注入、它们与熔融材料的混合以及在挤出前材料的适度冷却。
已知设备具有缺点：由于没有预先干燥以及由于水分仅在材料已经融化时进行去除，因此获得具有低品质的最终产物。
另外，包含双螺杆挤出机和单螺杆挤出机的设备导致存在相当的复杂性、高设备成本以及更高的能量消耗、维护费用等。
本发明的目的是避免上述缺点，尤其是设想了一种能够提供高品质最终产物而不需要长时间和昂贵的预防干燥过程的泡沫聚酯挤出设备。
本发明的另一目的是提供泡沫聚酯挤出设备，其提供最佳挤出结果同时保持一般简单结构和不需要串联单螺杆挤出机。
本发明的再一目的是进行泡沫聚酯挤出过程，使得可通过大幅减少工作材料的水解而获得具有最佳特性的挤出产物。
本发明的这些和其他目的通过独立权利要求中所述的泡沫聚酯挤出设备和方法来达到。
泡沫聚酯挤出设备和方法的其他特性是从属权利要求的主题。
参考附图，根据以下描述，根据本发明的泡沫聚酯挤出设备和方法的特性和优点将变得更清楚，下面的说明以实施例给出但不用于限定目的，在附图中：
-图1是根据本发明的一种泡沫聚酯挤出设备的顶视图和部分截面；
-图2是利用本发明的挤出设备制造泡沫聚酯的片材、板材或管材的成套设备的顶视图；
-图3a是表示可由根据本发明的泡沫聚酯挤出设备和方法获得的第一产物的视图；
-图3b是表示可由根据本发明的泡沫聚酯挤出设备和方法获得的第二产物的视图；
-图4是图2细节的放大图。
根据这些图，示出一种泡沫聚酯挤出设备，整体用附图标记10表示。
这种用于挤出泡沫聚酯的设备10(下文简称为泡沫聚酯挤出机)用于制造泡沫聚酯片材、板材或管材的成套设备100中，其还包括：在泡沫聚酯挤出机10下游的过滤变换器30、齿轮泵40、分层装置50、挤出头60和用于冷却和形成片材、板材和管材的压延机70。
根据本发明的挤出泡沫聚酯的设备10包括例如使用油的温度调节框架11，其中两个共旋转螺杆12设置其中，即以相同旋转方向旋转，通过进料口14进料。优选地，共旋转螺杆12是平行啮合自洁式并且具有优选35-55，更优选42-52的L/D比(长/直径)。
聚酯材料的定量给料通过多个称重计量装置80进行，通过重力向泡沫聚酯挤出机10的进料口14进料。
所加的聚酯材料可全部由纯材料构成，也可为纯材料和回收材料的混合物，或者其可全部为回收材料。
当使用回收材料时，其通常为以机械回收消费后瓶子得到或者研磨工业废料和热成型残余物得到的碎片形式的聚酯，尤其是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。混合物通常含有泡沫或非泡沫材料，甚至为得自层合产物磨碎的材料。
更常用的机械回收的聚酯材料类型是PET和含有适当比例的间苯二甲酸、二甘醇、环己烷二甲醇(CHDM)等的PET共聚物，以及聚乳酸(PLA)或聚乳酸共聚物等。定量给料非常重要，因为其不仅限定生产设备100的容量，而且限定螺杆12的构型和它们的速度，螺杆12本身在聚酯挤出机10的脱气和发泡剂入口区的填充水平。
优选进料的进行方式使得获得一些具有“开喉(open throat)”的螺杆12，即不完全填满材料。
一般地，除了进给泡沫聚酯的称重计量装置80，显然其他计量装置也可用于进料固体添加物或其化合物。
一般地，添加剂包括增链剂或交联剂，例如四羧酸酐，优选均苯四甲酸二酐(PMDA)、或三或四羧酸，其用量为进料聚酯的0.1％至约3％，优选0.1％至0.5％。
通常三或四羧酸交联剂和与交联剂百分比相同百分比的元素周期表中的I、II、III族金属盐尤其是碳酸钠和碳酸钙一起使用。
另外还可以向进料聚酯材料中添加泡沫材料的胞孔稳定剂和成核剂，例如滑石。其他可通过称重计量装置80进料的添加剂为着色剂、阻燃剂或填料或矿物填料如碳酸钙等。
或者，已包含一些固体添加剂的聚酯化合物再通过称重计量装置80进料到泡沫聚酯挤出机10中。
在两个螺杆12之间处理进料，从而在挤出机10内部提前进行。
螺杆12的结构为用框11的内壁限定通过第一密闭区15互相分隔的两个脱气区，例如通过凸轮组合或可通过一个或多个反向螺纹制成。
在置于进料口14和第一密闭区15之间的第一脱气区A、B中，对进料聚酯材料初始加热到低于其熔点的温度并进行常压脱气(atmosphericdegassing)。
在置于第一密闭区15和第二密闭区22之间的第二脱气区C、D中，(所述第二密闭区22将其与引入发泡剂的区E分隔)，在高于或等于处理过的聚酯材料的熔点的温度下进行真空脱气。
根据本发明的一个实施方案，所述第二脱气区(C，D)包括其中设置有第二通气立管(20)的第一节段(C)以及随后的其中设置有第三通气立管(21)的第二节段(D)，所述第一和第二通气立管(20，21)连接至少一个真空部件，其中所述第一和第二节段(C，D)连接以形成单一脱气区。
根据本发明，第一脱气区A、B制造为在其中发生强制常压脱气，而材料到达的温度保持低于聚酯的熔点以使材料保持为固态或为最大熔结。
为此，常压脱气区A、B设置有例如置于第一通气立管13上部用于排放气体的提取罩19。
提取罩19设置为远离第一通气立管13的口，其可优选向其靠近以激活通气立管的通风。
提取罩19施加的低压以使得在还未熔融材料上产生压力，其与大气压大致相当，因此没有移除仍为固体的材料。
第一通气立管13构建为通过合适的区段外形促进通风，其从下部向上轻微但逐渐变小。
有利地，这种第一通气立管13置于靠近密闭区15，尤其置于与密闭区15相邻的常压脱气区A、B的第一节段B，其中水蒸气和挥发物质的释放速度较大，因为在第一节段B中，材料温度保持在比处理过的材料的熔点低10℃。
通过强制常压脱气，进料到挤出机10的聚酯材料的大量水分以及大量经常伴随回收材料的污染物不需要预干燥就被排出。
通过这种方法，一旦达到聚酯的熔点或更高的温度则将非常高的聚酯材料的水解将尽可能的少。
作为提取罩19的补充或替代，申请人在研发强制常压脱气过程中发现，从材料内含物的水解和变黄来说，这种脱气的有效性通过将预热的氮气引入第一脱气区A、B的第二节段A中而大大提高，该二节段A置于设置在进料口14的进料区与设置在第一通气立管13的第一脱气区A、B的第一节段B之间。
这种预热氮气流具有向第一通气立管13夹带蒸气的作用，这样可以夹带通过第一通气立管13以从聚酯材料中带走更多水分。
氮气的流量通过第一流动调整装置16来调整。
为此，在进料口14和第一通气立管13之间的第一脱气区A、B的第二节段A处，可优选用于引入氮气的第一喷嘴18。
在进入泡沫聚酯挤出机10之前，氮气通过加热器17加热然后通过第一喷嘴18进入。引入的氮气流的流量为200 1/h(升/小时)至1500 1/h，优选200 1/h至800 1/h，其中流量在气体为室温下进行测量。
在第一密闭区15，发生大部分材料的熔融。
螺杆12的可能的反向螺纹和/或凸轮系列充满熔融材料，因此在第一脱气区A，B和第二脱气区C，D之间获得气体密封，所述第一脱气区A，B中发生固体加热和未熔融材料的强制常压脱气，所述第二脱气区C，D在第一密闭区15下游和第二密闭区22上游，其中材料完成熔化并且经过真空脱气，同时其与增链剂和交联剂混合并反应。
优选地，真空脱气在低于或等于10毫巴的余压下发生。除去水蒸气促进熔融聚酯聚合物中的增链和交联反应。
在PET实施例情况中，在第一密闭区15下游的第二脱气区C，D中，聚酯优选保持在280℃至295℃，优选等于290℃，具有在螺杆12中相对低量的材料和螺杆12的高旋转速度。
优选地，真空脱气区C，D中螺杆12中的材料量为40％至60％，优选等于50％。
另外螺杆12的旋转速度优选为200rpm至350rpm，更优选为250rpm至300rpm。
因此在PET情况下，根据本发明的用于挤出泡沫聚酯的设备10能够获得材料的最终固有粘度的测量值为0.9d1/g至1.8d1/g。
真空脱气在第二脱气区C，D中进行。为此，第二脱气区C，D具有第一节段C，其中设置第二通气立管20，然后是紧邻的另一节段D，其中第三通气立管21设置为优选独立地与其真空元件相连(未示出)。
这些通气立管20，21限定串列真空脱气，因为第二脱气区的节段C和D不通过任何密闭区相互分隔。
这种设置使得可以具有大的真空脱气区，并因此有更大的表面用于气体与处理的聚酯材料的交换。
另外，在节段C和D之间不存在旨在用于熔融材料的真空脱气的中间密闭区，避免由于局部过热导致材料的热降解，并且增大真空脱气区的总长度，以这种方式得到具有总体更高的最终固有粘度的材料。
第二通气立管20和第三通气立管21之间的距离优选为8至15直径长，更优选10至12直径长。
从第一密闭区15到第二密闭区22的真空脱气区C，D的比L/D(长/直径)优选为20至33，更优选为25至30。
第二密闭区22优选通过在螺杆上插入两个反向螺纹而获得，从而使得熔融材料的量局部提高直至填满螺杆12本身。
以这种方式避免了位于第二密闭区22上游的第二真空脱气区C，D和位于第二密闭区22下游的发泡剂入口区E之间的气体相互作用。
位于第二密闭区22下游的发泡剂入口区E具有第二喷嘴23，用于引入发泡剂优选氮气与熔融材料接触。
在氮气的情况下，发泡剂入口区E内的气压通过第二流动调整装置24稳定保持在8巴至40巴的值，优选20巴至30巴。
在这些情况下，熔融聚酯材料的温度，在PET实例情况下，在280℃至290℃之间，氮气的吸收率相对于聚酯流量等于约0.2wt％至0.3wt％。
其他惰性气体可用作发泡剂，尤其是二氧化碳或其他由可易于蒸发的液体(通过容积泵测量)发泡的试剂，例如烃如己烷或脂肪族和芳香族烃或液化二氧化碳。
挤出机10的泵送端区F的特征为具有非常密齿节螺纹，能够促进螺杆12中熔融聚合物量的逐步提高，直至它们完全填满以能够产生材料释放以通过过滤变换器30过滤所需的足够压力。
从过滤变换器30的下游，材料进料到齿轮泵40，其提供最终挤出通过分层装置50和挤出头60所需的压力。
在挤出头60的出口，通过压延机冷辊组70进行材料的发泡和形成片材。
在示例性实施方案中，平头表示为挤出头60。
然而，头60也可为环形，以允许特别有效地冷却片材。
最终产品90可由单层片91构成(如图3a所示)，或者多层(如图3b所示)，其中90’表示三层，其中泡沫材料91是夹心结构的一部分，两个外层92是与泡沫材料91本身相容的材料。
多层结构90’可通过共挤出泡沫材料91和利用独立的挤出机(未示出)进料到分层装置50中非泡沫相容材料获得。
在图4中，用附图标记25表示将非泡沫相容材料引入分层装置50。
泡沫聚酯的层91与适当的膜92例如聚乙烯和/或其他材料例如增粘树脂(tie-resins)的层压是用于获得其中泡沫聚酯91的层被非泡沫材料92单面或双面覆盖的结构的方法。
这种类型的层压可在泡沫材料的压延步骤过程中或在压延机70的出口中，或完全独立地，使用或不使用胶合相容剂来进行。
因此本发明的泡沫聚酯的挤出方法包括以下步骤。
首先，在常压脱气区A，B中在低于这种处理的聚酯材料的熔点的温度下对未预干燥聚酯材料进行强制常压脱气步骤。
特别是，在常压脱气步骤过程中聚酯材料的温度保持在至少低于其熔点10℃。
强制常压脱气的步骤通过例如置于常压脱气区A，B的第一通气立管13的通风的激活步骤进行。
第一通气立管13的通风的激活可通过将提取罩19靠近第一通气立管13的入口来进行，所述提取罩19位于所述第一通气立管13的顶部上。
优选地，强制常压脱气的步骤可通过引入用于夹带蒸气流向大气的预热氮气流而附加或作为替代来实现。
在这种情况下，预热氮气以200 1/h至1500 1/h，优选200 1/h至8001/h的流量引入，其中流量的测量是气体在室温下进行。
然后聚酯材料的熔融和聚酯材料在包含至少两个连接到至少一个真空部件上的通气立管20，21的真空脱气区C，D中进行真空脱气步骤，所述真空脱气区C，D置于常压脱气区A，B的下游并且与常压脱气区A，B密封地分离。
然后，在位于真空脱气区C，D下游并与真空脱气区C，D密封地分离的发泡剂入口区E中进行测量发泡剂及其与熔融聚酯材料混合的步骤。
发泡剂优选为氮气，并且引入以保持稳定在8巴至40巴，优选20巴至30巴的压力下接触熔融材料。
最后，进行将聚酯材料进料到过滤器和齿轮泵以产生最终挤出通过分层装置50和挤出头60所需的压力，并且在挤出头60的出口处使材料发泡，以及通过压延冷辊组70形成片材。
从设备特性的描述，本发明的目的将更清楚，其相对优势也更清楚。
由于根据本发明的泡沫聚酯挤出设备的特定构型，即使从回收的消费后材料也可以获得极好品质的成品而不需要预先干燥待处理材料，同时简单保持挤出机的完整结构。
确实，强制常压脱气在材料发生熔融之前并因此在水解反应之前以极其高的速度消除了材料中存在的大量水分子。
另外，真空脱气区的特定结构能够降低材料在挤出机中穿过时经受的热分解，并且能够最优化与增链剂和交联剂的混合和快速反应。
总之，获得了具有较高固有和绝对粘度和较高熔融强度的材料，其能够将在发泡步骤中形成的气泡俘获在仍处于熔融的材料中而不使它们破裂然后释放气体。
最后，应清楚由此设计的设备可进行各种修改和变形，这些均包括在本发明内；另外，所有细节可以用技术等价要素替代。实践中所用材料以及尺寸可以根据技术需要而定。

Claims (15)

1.一种泡沫聚酯挤出设备，包括设置有纯的和/或回收聚酯材料的进料口(14)的温度调节框(11)，在所述框(11)内设置有两个共旋转螺杆(12)，所述共旋转螺杆(12)与所述框(11)的内壁一起限定第一脱气区(A，B)、第二脱气区(C，D)、发泡剂入口区(E)和熔融材料的泵送端区(F)，所述第一脱气区(A，B)设置在位于所述进料口(14)的进料区和第一密闭区(15)之间，所述第二脱气区(C，D)位于所述第一脱气区(A，B)下游并通过所述第一密闭区(15)与其分隔，所述发泡剂入口区(E)位于所述第二脱气区(C，D)下游并通过所述第二密闭区(22)与其分隔，所述泵送端区(F)位于所述发泡剂入口区(E)下游，其特征在于：
-所述第一脱气区(A，B)适于在低于处理的聚酯材料的熔点的温度下进行强制常压脱气并包括：位于与所述第一密闭区(15)相邻的所述第一脱气区(A，B)的第一节段(B)处的第一通气立管(13)，和设置在所述第一通气立管(13)顶部上以激活进行所述强制常压脱气的所述第一通气立管(13)的通风的提取罩(19)，
-所述第二脱气区(C，D)适于在等于或高于所述处理的聚酯材料的熔点的温度下进行真空脱气，和
-所述第一脱气区(A，B)包括在所述第一通气立管(13)上游的用于将预热氮气引入所述第一脱气区(A，B)的喷嘴(18)，适于夹带所述第一脱气区(A，B)中存在的蒸气到大气中以进行所述强制常压脱气。
2.根据权利要求1的泡沫聚酯挤出设备，其中，所述提取罩(19)设置为远离所述第一通气立管(13)的口，并且它能够向所述第一通气立管(13)靠近以激活通气立管的通风。
3.根据权利要求1的泡沫聚酯挤出设备，其特征在于，所述第二脱气区(C，D)包括其中设置有第二通气立管(20)的第一节段(C)以及随后的其中设置有第三通气立管(21)的第二节段(D)，所述第一和第二通气立管(20，21)连接至少一个真空部件，其中所述第一和第二节段(C，D)连接以形成单一脱气区。
4.根据上述权利要求1或3的泡沫聚酯挤出设备，其特征在于，在所述第二密闭区(22)下游，所述发泡剂入口区(E)包括第二喷嘴(23)，用于引入在所述处理的聚酯材料中至少一种发泡剂。
5.一种泡沫聚酯挤出方法，其特征在于包括以下步骤：
a)将未预干燥的聚酯材料进料到泡沫聚酯挤出设备中；
b)将所述聚酯材料加热到低于其熔点的温度；
c)在常压脱气区(A，B)中进行所述加热聚酯材料的强制常压脱气，所述强制常压脱气通过引入用于通过置于所述常压脱气区(A，B)的第一节段(B)的第一通气立管(13)夹带蒸气到大气中的预热氮气流进行，所述引入预热氮气流通过设置在所述第一通气立管(13)顶部上的提取罩(19)强制进行，所述第一通气立管(13)用于排放气体以激活所述第一通气立管(13)从所述常压脱气区(A，B)的通风；
d)使所述聚酯材料温度高于或等于其熔点；
e)在位于所述常压脱气区(A，B)下游并且与所述常压脱气区(A，B)密封分隔的真空脱气区(C，D)中进行所述熔融材料的真空脱气；
f)降低所述聚酯材料的温度并在发泡剂入口区(E)引入至少一种发泡剂并与之接触，所述发泡剂入口区(E)位于所述真空脱气区(C，D)下游并与所述真空脱气区(C，D)密封分隔；
g)增大所述材料的压力以能够将其从位于所述发泡剂入口区(E)下游的泵送端区(F)排出。
6.根据权利要求5的泡沫聚酯挤出方法，其特征在于，使所述聚酯材料达到的能够进行所述强制常压脱气的温度低于其熔点至少10℃。
7.根据权利要求5或6的泡沫聚酯挤出方法，其特征在于，所述预热氮气以在该氮气在室温下测量的200 1/h至1500 1/h的流量引入。
8.根据权利要求5或6的泡沫聚酯挤出方法，其特征在于，所述预热氮气以在该氮气在室温下测量的200 1/h至800 1/h的流量引入。
9.根据权利要求5或6的泡沫聚酯挤出方法，其特征在于，所述发泡剂是氮气并且被引入以保持稳定在8巴至40巴的压力下与聚酯材料相接触。
10.根据权利要求5或6的泡沫聚酯挤出方法，其特征在于，所述发泡剂是氮气并且被引入以保持稳定在20巴至30巴的压力下与聚酯材料相接触。
11.根据权利要求5或6的泡沫聚酯挤出方法，其特征在于，所述发泡剂选自：
-氮气，
-二氧化碳，
-液化二氧化碳，
-己烷，
-脂肪族烃，或
-芳香族烃。
12.根据权利要求5或6的泡沫聚酯挤出方法，其特征在于，进料到所述泡沫聚酯挤出设备中的所述聚酯材料的混合物具有添加到其中的至少一种以下添加剂：
-增链剂和交联剂，
-成核剂，
-稳定剂，
-着色剂，
-阻燃剂和
-矿物填料。
13.根据权利要求5或6的泡沫聚酯挤出方法，其特征在于，其还包括步骤：
h)将所述材料进料到齿轮泵，以产生最终挤出所需的压力；
i)通过分层装置(50)和挤出头(60)挤出所述聚酯材料；
j)通过压延机(70)冷辊组进行所述聚酯材料的发泡和形成片材。
14.根据权利要求5或6的泡沫聚酯挤出方法，其特征在于，所述聚酯材料选自：
-PET，
-PET共聚物，
-PLA，或
-PLA共聚物。
15.根据权利要求5或6的泡沫聚酯挤出方法，其特征在于，所述聚酯材料的混合物包括至少一部分来自消费后回收的聚酯材料。
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