CN104441310A - 粒化生物材料复合物的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于制备含水量低的聚合物生物材料复合物以及可膨胀聚合物生物材料复合物的方法，其将该复合物挤出通过模板(18)进入水箱(16)并利用切割机刀片(14)粒化。聚烯烃或缩合聚合物与固体或半固体的生物材料成分(155)，例如包括纤维素制品和淀粉的多糖，或包括多肽的蛋白质材料熔化地混和，并且被挤出，然后在水下被粒化，然后以被加速干燥的方式被加工以获得1％含水量或更低含水量。

Description

粒化生物材料复合物的方法

本申请是申请号为200680031593.1、国际申请日为2006年8月31日、名称为“粒化生物材料复合物的方法和设备”的专利申请的分案申请

技术领域

本发明一般涉及利用水下粒化以及随后加速干燥聚合物生物材料复合物和发泡的聚合物生物材料复合物而生产含水量显著减少的粒料的方法和设备。更具体地，本发明涉及水下粒化例如聚乙烯和聚丙烯的聚烯烃，例如聚氯乙烯和聚苯乙烯的取代聚烯烃，聚酯，聚酰胺，聚氨酯，聚碳酸酯，或前述的共聚物，以及利用随后的加速干燥这些可膨胀或不可膨胀(orotherwise)的粒料或细粒，同时使得这些粒料或细粒的含水量显著降低的方法和设备，所述材料含有包括可膨胀的复合物的固态或半固态的生物材料成分，例如包括纤维素制品和淀粉的多糖，或包括多肽的蛋白质材料。在此描述的粒化和干燥处理制备出湿度达到1％或更低的希望水平的粒料或细粒。

背景技术

多年来，木材产品工业非常关注聚合物和木材产品的复合物。因为用于装饰性整理以及暴露的木材表面的高品质资源已经逐年减少，人们花费很多精力来寻找经济的替代物。这种兴趣的大部分都涉及聚乙烯复合物、聚丙烯复合物以及聚氯乙烯复合物。聚氯乙烯复合物已经被广泛研究以用作具有木粉和各种无机填料的发泡复合物。

近来的研究涉及到例如甲板的建筑材料，用于纸张和木材纸浆工业的循环利益，以及发酵过程的废弃副产品。石油价格的持续高涨也导致考虑可循环的塑料资源。近来的研究也涉及环境美化、汽车构件、以及宠物臭气控制应用。

主要的关注点在于控制最终产品的湿度。高的含水量导致由于应力破坏和起泡形成而在抛光的产品中产生对结构整体性的潜在损坏。由于不受控制的含水量也可以有损于表面抛光。也需要关注的是使用纤维素制品对温度的限制，因为所述纤维素制品非常易于随着加工温度的升高而碳化。这种关注限制了对用于制造该复合物的塑料材料的选择。

生物材料的干燥是耗时的而且在经济上昂贵的。由于该复合物的生物成分可能会吸收水分，在存储时有必要进行成本高昂的湿度控制或不透水包装，而使得成本进一步增加。因此在工业上已经逐渐舍弃了导致吸收环境水分或存在直接暴露于水的加工。

由于在制造过程之前和/或在制造过程中需要减少含水量，所以产品生产量受到速度限制。为避免不必要的存储和较少的不利的水分吸收，很多工业直接在合成制造之后执行挤压或其它生产技术以形成最终的产品。

基于以上关注，本发明提出了一种技术，用于在没有对成分进行不必要的初步干燥的情况下形成聚合物生物材料复合物，并且加快加工以在需要时制备被适当干燥而用于随后加工、运输或分步加工的中间粒料。这种加工包括连续的生产步骤：挤出、水下粒化、以及加速干燥以形成理想的低含水量的复合物。

相关在先技术

美国专利

公开的美国专利申请

其它审理中的美国专利申请

20050110182  2005年5月  Eloo      264/69

20050110184  2005年5月  Eloo      264/143

其它国家专利文献

其它参考文件

Wood-Filled Plastics,Plastics Technology 2004年7月,作者Lilli Manolis Sherman，Senior Editor

发明内容

如在此申请中使用的，术语“粒料(pellet)”在其最广泛的意义上试图描述在水下制粒机中形成的产品，包括在水下制粒机中形成的细粒和其它形状和尺寸的颗粒。

本发明涉及生产聚合物粒料复合物的制粒方法和设备，所述聚合物粒料复合物具有最小水下停留时间从而它们保留足够的热量以自己开始干燥过程并最终达到1％或更低的含水量，且不需要在另外的加工之前另外加热聚合物粒料复合物的步骤。前面的说明书说明了粒化以及冷却以获得适当干燥的粒料的效果，但是一般都避免了将粒料暴露于水分中，尤其是直接浸在水中，并认为将粒料直接浸入水中时生物材料会不利地大量吸收水分。根据本发明，发现聚合物复合物粒料当受到提高的加热条件时可以可接受的干燥状态获得，并且受益于粒料在水浆液中的停留时间的减少，由此在粒料内留下了足够的热量以有效地降低粒料内的含水量。

为获得很高的潜热，粒料必须利用速度上的显著增加尽可能快地与水分离，该速度即粒料从水下制粒机的出口流入并通过干燥设备的速度。粒料排出干燥机并保留了它们的大部分潜热，然后需要时可以在传统的振动输送机或相似的振动或其它操作设备上被输送，从而利用额外的时间可以获得希望的含水量。将热的粒料存储在传统的保温容器中或绝热容器中也包含在本发明中，该保存提供了完成希望的干燥水平的时间。获得的希望的含水量由在后面的加工或生产过程步骤中的容许水量而确定，并且可以达到1％或更少。

根据本发明可以被粒化的聚合物生物材料复合物一般包括(作为它们的基本成分)适当的聚合物和生物材料颗粒。也可以包括适当的添加剂。这些基本成分的相对百分比可以根据所选的聚合物和生物材料颗粒而变化，但是一般具有5％－95％的聚合物和10％－90％的生物材料颗粒。

将粒料与水分离并随后增加粒料到达干燥设备的速度通过将注射高压气体与同时吸出水分相结合而实现。一旦切割的粒料以水浆液的形式离开水下制粒机水箱，空气或其它适当的惰性气体就被注入到输送管道内，该输送管道从水箱通到干燥设备。术语“空气”此后指包括空气、氮气或任何其它适当的惰性气体。注入的空气用于将水变成水汽，从而有效地将水与粒料分离。注入的空气进一步增加了输送粒料至干燥机并最终通过干燥机的速度。输送速度增加到足够快从而允许粒料维持在足够热的温度以开始粒料的干燥过程，所述粒料在输送通过离心式干燥机时还会被进一步干燥。本领域普通技术人员也可以使用具有相当效果的干燥粒料的其它传统的方法，并且这些方法也包括在本发明中。

为实现水的吸出并增加从制粒机水箱的出口到干燥机的速度，注入的空气必须速度非常高。根据本发明，对于通过阀注入通过1.5英寸直径的管道，注入的空气的体积应该是每小时至少100立方米。本领域普通技术人员将理解的是，此体积流量将根据挤出容量(或生产量)、干燥效率、以及管道直径而变化。

注入到浆液管内的空气的速度优选通过使用球阀或其它阀机构调节，所述球阀或其它阀机构在注入点之后位于浆液输送管道内。通过该阀机构的调节允许更好控制粒料在输送管道和干燥设备内的停留时间，并用于改进粒料/水浆液的吸气。通过在注入点之后使用该阀机构也减少或消除了输送管道中的振动。

空气注入的调节提供了对减少从制粒机水箱的出口通过干燥机的输送时间的必要控制，这允许粒料保持在内部的大量热量。较大直径的粒料相较于较小直径的粒料不易于快速失去热量，因此相较于较小直径的粒料，较大直径的粒料可以较慢的速度输送。本领域普通技术人员将理解的是，当粒料直径减小时通过增加空气注入速度可以获得相当的结果。在制粒机水箱与干燥机出口之间的停留时间的减少在粒料内留下了足够的热量，以获得希望的含水量。粒料内部的潜热可以通过在粒料从干燥机出来之后使用保温振动输送机和/或必要时通过使用传统的存储容器或绝热容器而被保持。该方法和设备已经证明对于在此描述的聚合物是有效的。含水量达到1％，优选地小于1％可以通过在此描述的方法和设备获得。本领域普通技术人员将理解的是，聚合物和聚合物混和物的停留时间的变化需要时可以被调节以使得对于特定配方的结果最优化。通过使用在此描述的方法和设备消除了对另外的加热步骤的需要。

附图说明

图1是根据本发明的水下制粒机系统的示意性图示，该制粒机系统包括由Gala Industries Inc.(“Gala”)(Eagle Rock，Virginia)制造和销售的水下制粒机以及离心干燥机，且具有注入和振动运输机；

图2a是图1中的振动运输机的侧面示意图；

图2b是图示图1总的振动运输机的端部示意图；

图3图示了在生产线停止时在旁路方式中的图1中示出的水下制粒机系统的构件；

图4是显示了根据本发明的用于将惰性气体注入到从制粒机到干燥机的浆液管中的设备的示意图；和

图5是显示用于将惰性气体注入到从制粒机到干燥机的浆液管中的优选设备的示意图，并包括在浆液管中的球阀的放大图。

具体实施方式

下面将详细解释本发明的优选实施例。为说明目的在先技术在此并入，并且要理解的是，本发明没有将它的保护范围限制在下面的说明书中阐述的或在附图中图示的构造的细节上、构件的布置上、或化学成分上。本发明的实施例能够以各种方式实施或执行且这些实施例均落入本发明的保护范围内。

对下面的实施例的描述利用了用于说明目的的专门名词，且应该在最广泛的意义上理解，包括本领域普通技术人员所能想到的所有技术等同物。在此说明本发明的聚合物成分为本领域普通技术人员提供了有关所述的方法的外延的细节，但不试图限制本发明的保护范围。

聚合物生物材料复合物一般由一种或多种含纤维的生物材料、热塑性基体、偶联剂或稳定剂、润滑剂、填料、着色剂、和各种加工助剂形成。根据具体的最终用途应用的需要，它们还可以含有膨胀剂或起泡剂以及交联剂。从各种再循环过程引入的配方成分也在本发明的保护范围内。

生物材料或含纤维的成分为对于特定产品提供了材料强度以及表面性质。生物材料或含纤维的成分的尺寸仅仅受到所需要的中间粒料的大小限制且用于获得必备的表面特性。复合物的水分吸收和保存受到所选择的生物材料的巨大影响。考虑到聚合基体材料，生物材料成分的热稳定性很重要。应该仔细地选择出具有不会导致生物材料的碳化或降解的熔化温度或加工温度的聚合物。配方(formulations)典型地包括从10％－90％的生物材料，优选地为30％－70％的生物材料。剩下的部分由聚合基体(polymer matrix)和其它成分构成。挤出温度小于220℃，且优选地小于200℃。

生物材料包括但不限于多糖，包括纤维素制品和淀粉，以及蛋白质材料，包括多肽。纤维素制品的示例是木屑、木层压材料、薄木板、木材薄片、木材纤维、木材颗粒、粉碎的木材、锯屑、椰子壳、花生壳、稻草、麦秆、棉花、稻壳或米糠、苜蓿、落芒草属、麦麸、小麦浆、豆茎、玉蜀黍或玉米、玉米芯、玉米秆、高粱或蜀黍、甘蔗、橙汁渣、甘蔗渣、竹子灰(bamboo ash)、烟道尘(fly ash)、泥炭藓、海草灰、谷壳、黑麦、黍、大麦、燕麦、大豆、咖啡渣、豆科植物、牧草、以及包括竹子、棕榈、大麻、丝兰、以及黄麻的植物纤维。其它纸产品例如计算机用纸、纸板、报纸、杂志、书、牛奶和饮料的硬纸盒以及纸浆也可以在本发明中找到应用。

淀粉的示例包括土豆、甘薯、木薯、和秣草。蛋白质材料包括发酵固体、酒糟、谷蛋白(gluten meal)、来自小麦和黑麦的谷醇溶蛋白比如麸蛋白、来自玉米的谷醇溶蛋白比如玉米蛋白、以及来自高粱和黍的谷醇溶蛋白比如高梁醇溶蛋白。

生物材料颗粒的大小将根据颗粒是否是含纤维的或粉末状的以及基于粒料的大小和最终用途而变化。纤维性颗粒的大小典型地在10－900微米的范围内，且纵横比为1－50，更优选地为2－20。对于粉末，颗粒大小典型在15－425微米的范围内。

在用于聚合物生物材料复合物的现有技术中示出的热塑性材料包括聚乙烯或PE、聚氯乙烯或PVC、聚丙烯或PP、以及聚苯乙烯或PS，且高密度聚乙烯或HDPE使用得最为普遍。在这些用于可膨胀应用的配方中，主要集中于PVC或氯化的PVC、CPVC的领域。这些材料的选择一般限于那些可以在低于生物材料的降解点的温度处加工的材料。

在配方的精心选择的情况下，各种聚合物可以扩大到包括聚酯、聚酰胺、聚氨酯以及聚碳酸酯。热塑性材料以及热固性聚合物也在本发明的范围内。对热固性材料的使用，如同对聚合物的选择一样，需要对交联温度给予谨慎的注意，以允许后-固化、交联在本发明范围内的加工过程中没有获得或开始的温度处完成或通过在本发明的保护范围内的加工过程中没有实现或开始的化学反应完成。

使用在本发明中的聚乙烯包括低密度聚乙烯或LDPE，线性低密度聚乙烯或LLDPE，中密度聚乙烯或MDPE，高密度聚乙烯或HDPE，以及也被称为超高密度聚乙烯UHDPE的超高分子量聚乙烯或UHMWPE。

在本发明范围内的还有包含聚丙烯或PP的烯烃、包含聚α烯烃或PAO的聚合物和共聚物(其示例是聚丁烯、聚异丁烯、聚戊烯、聚甲基戊烯、以及聚己烯)。聚苯乙烯或PS以及聚(α-甲基苯乙烯)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯或ABS、丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈或ASA、苯乙烯-丙烯腈或SAN、以及苯乙烯类嵌段共聚物作为示例包括在此。无定形的、结晶的以及半结晶的材料也包括在本发明的保护范围内。

如上所述的用于本发明的聚氯乙烯或PVC以及氯化的聚氯乙烯或CPVC可以被增塑或未增塑，并且可以用作均聚物或可以在含有如上所述的烯烃的共聚物中使用以及在聚合物组合物中使用，该聚合物组合物具有作为实例的丙烯腈、偏二氯乙烯、丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、羟乙基丙烯酸酯、醋酸乙烯酯、乙烯基甲苯以及丙烯酰胺。

应当将在本发明保护范围内的聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、以及聚氨酯配方为材料的加工温度低于生物材料的降解点。如本领域普通技术人员所熟悉的，这可以通过使用在缩合化学的广泛家族(broad family)中的共聚物来实现。

用于本发明的聚酯具有下面的一般结构式：(OR₁O)_x[(C＝O)R₂(C＝O)]_y和/或[(C＝O)R₁O]_x.[(C＝O)R₂O]_y。在此描述的R₁以及R₂包括脂肪族、脂环族、芳族并且侧链取代部分，包括但不限于卤素、硝基功能团、烷基和芳基，并且可以相同或不同。更优选地，在此描述的聚酯包括聚对苯二甲酸乙二醇酯或PET，聚(对苯二甲酸丙二醇酯)或PTT、聚(对苯二甲酸丁二醇)或PBT、聚萘二甲酸乙二醇酯或PEN、聚交酯或PLA以及聚羟基完羧酸酯或PHA，以及它们的共聚物。

用于本发明的聚酰胺具有下面的一般结构式：

[N(H,R)R₁N(H,R)]_x[(C＝O)R₂(C＝O)]_y和/或

[(C＝O)R₁N(H,R)]_x[(C＝O)R₂N(H,R)]_y。

在此所述的R₁和R₂包括脂族、脂环族、芳族和链悬侧链取代部分，包括但不限于卤素、硝基官能团、烷基和芳基，并且可以相同或不同。在此所述的R包括但不限于脂族、环脂族、芳族部分。更优选地，聚酰胺包括聚己二酰丁二胺或尼龙4,6、聚己二酰己二胺或尼龙6,6、聚癸二酰己二胺或尼龙6,10、聚(己二胺-共-十二烷二酸)或尼龙6,12、聚己内酰胺或尼龙6、聚庚内酰胺或尼龙7、聚十一内酰胺或尼龙11、聚十二内酰胺或尼龙12以及它们的共聚物。

用于本发明的聚碳酸酯具有下面的一般结构式：

[(C＝O)OR₁O]_x[(C＝O)OR₂O]_y。在此所述的R_l和R₂包括脂族、脂环族、芳族和侧链取代部分，包括但不限于卤素、硝基官能团、烷基和芳基。更优选地，聚碳酸酯包括双酚和取代双酚的碳酸酯，其中双酚具有结构式HOPhC(CH₃)₂PHOH或HOPhC(CH₃)(CH₂CH₃)PhOH，其中Ph表示苯环，并且取代基包括但不限于烷基、环烷基、芳基、卤素和硝基官能团。R₁和R₂可以相同或不同。

用于本发明的聚氨酯具有下面的一般结构式：

[(C＝O)OR₁N(H,R)]_x[(C＝O)OR₂N(H,R)_y。在此所述的R_l和R₂包括脂族、脂环族、芳族和侧链取代部分，包括但不限于卤素、硝基官能团、烷基和芳基。在此所述的R包括但不限于脂族、脂环族和芳族部分。更优选地，聚氨酯包括聚醚聚氨酯和/或聚酯聚氨酯共聚物，包括亚甲基双(苯基异氰酸酯)。R₁和R₂可以相同或不同。

聚酯和共聚物，聚酰胺共聚物、聚碳酸酯和共聚物以及聚氨酯和共聚物可以由至少一种二醇组成，所述二醇包括乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、1,3-己二醇、1,6-己二醇、新戊二醇、1,10-癸二醇、1,12-十二烷二醇,2-丁基-1,3-丙二醇、2,2-二甲基-1,3-丙二醇、2,2-二乙基-1,3-丙二醇、2-乙基-2-异丁基-l,3-丙二醇、2-甲基-1,4-戊二醇、3-甲基-2,4-戊二醇、3-甲基-1,5-戊二醇、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇、2-乙基-l,3-己二醇、2,2,4-三甲基-l,6-己二醇、1,2-环己二醇、1,4-环己二醇、1,2-环己烷二甲醇、1,3-环己烷二甲醇、1,4-环己烷二甲醇、二甘醇、三甘醇、聚乙二醇、一缩二丙二醇,二缩三丙二醇、聚丙二醇、聚1,4-丁二醇、儿茶酚、对苯二酚、异山梨醇、1,4-双(羟甲基)-苯、1,4-双(羟基乙氧基)苯、2,2-双(4-羟基苯基)丙烷及其同分异构体。

聚酯和共聚物、聚酰胺共聚物、聚碳酸酯和共聚物以及聚氨酯共聚物可以由至少一种内酯或羟基酸组成，所述内酯或羟基酸包括作为实例的丁内酯、己内酯、乳酸、羟基乙酸、2-羟基乙氧基乙酸和3-羟基丙氧基乙酸、3-羟基丁酸。

聚酯和共聚物、聚酰胺和共聚物、聚碳酸酯共聚物以及聚氨酯共聚物可以由至少一种二酸组成，所述二酸的实例包括邻苯二甲酸,间苯二甲酸,对苯二甲酸,萘-2,6-二甲酸和同分异构体,茋二甲酸,1,3-环己烷二甲酸,二苯二甲酸,琥珀酸,戊二酸,己二酸,壬二酸,癸二酸,富马酸,庚二酸,十一烷二酸,十八烷二酸和环己烷二乙酸。

聚酯和共聚物、聚酰胺和共聚物、聚碳酸酯共聚物以及聚氨酯共聚物可以由至少一种二酯组成，所述二酯包括邻苯二甲酸二甲基或二乙基酯、间苯二甲酸二甲基或二乙基酯、对苯二甲酸二甲基或二乙基酯、萘-2,6-二甲酸二甲酯。

由二胺组成的聚酰胺和共聚物、聚酯共聚物、聚碳酸酯共聚物以及聚氨酯和共聚物包含在本发明中，并且不限于在此所描述的，其中所述二胺包括1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,5-戊二胺、1,6-己二胺、1,8-辛二胺、1、10-癸二胺、1,12-十二烷二胺、1,16-十六烷二胺、苯二胺、4,4'-二氨基二苯醚、4,4'-二氨基二苯基甲烷、2,2'-二甲基-1,5-戊二胺、2,2,4-三甲基-l,5-戊二胺和2,2,4-三甲基-l,6-己二胺。

聚酰胺和共聚物、聚酯共聚物、聚碳酸酯共聚物以及聚氨酯共聚物可以由至少一种内酰胺或氨基酸组成，所述内酰胺或氨基酸包括作为实例的丙内酰胺、吡咯烷酮、己内酰胺、庚内酰胺、辛内酰胺、壬内酰胺、癸内酰胺、十一内酰胺和十二内酰胺。

聚氨酯和共聚物、聚酯共聚物、聚酰胺共聚物以及聚碳酸酯共聚物可以由至少一种异氰酸酯组成，所述异氰酸酯包括4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯和同分异构体、甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯、亚乙基二异氰酸酯、4,4'-亚甲基双(苯基异氰酸酯)和同分异构体、亚二甲苯基二异氰酸酯和同分异构体,四甲基亚二甲苯基二异氰酸酯、1,5-萘-二异氰酸酯、1,4-环己基二异氰酸酯,二苯基甲烷-3,3'-二甲氧基-4,4'-二异氰酸酯、1,6-己烷二异氰酸酯、1,6-二异氰酸根合-2,2,4,4-四甲基己烷、1,3-双(异氰酸根合甲基)环己烷和1,10-癸烷二异氰酸酯。

偶联剂优选地被掺入到配方中以赋予树脂对于极性更大的生物材料的更大的相容性。偶联剂将生物材料有效地连接到塑料基体上，使得体积稳定性提高、抗冲击性更强、更有效地分散纤维性材料、减少了蠕变、减少了水份吸收、以及减少了中间粒料以及最终产品的可能溶胀。这些偶联剂或稳定剂的示例为马来酸酐化聚丙烯、马来酸酐化聚乙烯、长链氯化链烷烃或LCCP、链烷烃蜡、金属皂、硅烷、钛酸盐、锆酸盐以及表面活性剂。

水溶性粘结剂类似地用来提高粘附性并且可以包含在用于本发明的聚合物生物材料复合物中。如在先技术中明确说明地，这些粘结剂赋予生物材料以更大的溶解性并且可以特别有效地用于再循环应用。这些水溶性粘结剂的实例包括聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、取代纤维素、羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素钠、羧丙基纤维素钠、以及羧甲基羟乙基纤维素钠。

在本发明中也希望使用润滑剂，因为它们提高了生物材料的分散以及减少了摩擦阻力导致的过多加热，从而有效地降低了该阻力以及成问题的降解和变色。它们也有助于减少生物材料的团聚和结块。通过选一种或多种择润滑剂，生产率和表面性质得到显著提高。例如，在此包括作为实例的硅油、链烷烃蜡、氧化聚乙烯、金属硬脂酸盐、脂肪酸酰胺、油酰棕榈酸酰胺、以及亚乙基二硬脂酸胺。

如本领域普通技术人员易于理解那样，填料也可以用于减少成本并用于改变性质，并且也包括在本发明的保护范围内。根据披露的在先技术，作为示例，起泡剂也包括氮气、二氧化碳、丁烷、戊烷、己烷、以及详细描述的化学起泡剂(CFA)。

在先技术的说明书中已经说明：生物材料供给中的高含水量可以通过本领域普通技术人员所熟知的干燥技术在引入到挤出机之前被降低，或可以在进料和挤出加工过程中被显著降低。这些细节在本发明的保护范围之外，但是它们通过引用在此并入。高达40％的含水量被引入到具有适当通风的挤出机中以获得可接受的产品结果。

根据本发明的水下制粒机系统在图1中示意性示出。水下制粒机系统总体由附图标记10表示，并且包括水下制粒机12，例如Gala水下制粒机，且刀具轮毂和叶片14在与水箱16和模板18分离的视图中露出。

在水下制粒机系统10中，待加工的聚合物生物材料复合物利用至少一个聚合物大桶或漏斗160从上面供给到挤出机155中，并进行剪切和加热以熔化聚合物。聚合物生物材料复合物一般在低于220℃的温度被挤出以避免使得生物材料降解。熔体可以通过齿轮泵22连续供给，所述齿轮泵提供平稳和受控的流速。需要时，聚合物熔体可以供给到滤网更换器20(图1)以移除任何大块或太大的固体颗粒或杂质。熔体流入聚合物分流阀24并流入模板18的模孔内。聚合物熔体通过穿过模孔的挤出而形成的线束进入水箱16并由旋转切割机轮毂和叶片14切断以形成想要的粒料或细粒。在此描述的加工实质上仅仅是示范性的，且本领域普通技术人员易于想到的获得理想的聚合物流的其它构造也包括在本发明的保护范围内。

在先技术已经指出了有利于减少挤出物的热降解或氧化降解的、对挤出加工的很多修改和完善。在这些修改中包括真空移除副产品和剩余单体、减少水解、控制催化解聚、聚合催化剂的抑制、端基保护、提高分子量、聚合物扩链、以及使用惰性气体吹扫。

水通过管道26进入到水箱16中，并快速移除从模面如此形成的粒料，以形成粒料和水的浆液。如本领域普通技术人员理解的，本发明中的、循环通过制粒机水箱的加工水不限于复合物并且需要时可以含有添加剂、共溶剂、和加工助剂，以便于制粒、防止团聚、和/或维持输送流。如此形成的粒料水浆液通过管道28排出水箱并通过浆液管30被输送到干燥机32。

根据本发明，空气在点70处，优选地在邻近水箱16的出口并且靠近浆液管30的开始处，被注入到浆液管30内。此注入空气的优选的位置70通过增加输送速度促进粒料的输送，这便于吸出浆液中的水分，从而允许粒料保持足够的潜热以完成希望的干燥。使用一般通过制造设备可获得的传统的压缩空气管道，例如利用空气压缩机，高速空气在点70处被方便和经济地注入到浆液管30内。根据本发明，在需要时可以使用包括但不限于氮气的惰性气体，以高速输送粒料。此高速空气流使用压缩空气获得，该压缩空气使用用于调节至少8个bar的压力的标准球阀产生通过标准管径(优选为1.5英寸管径)的浆液管30至少100立方米/hour的体积流量。对于本领域普通技术人员，流量和管道直径可以根据生产量、希望的含水量、以及粒料的大小而变化。高速空气有效地接触粒料和水浆液流并通过吸气产生水蒸气，且在整个浆液管内分散粒料，从而这些粒料以增加的速度，优选地在一秒中内从水箱16到达干燥机出口34的速度传输到干燥机32。高速吸气产生了粒料和空气的混和物，其会达到空气体积的98-99％。

图5显示了将空气注入到浆液管内的优选布置。水/粒料浆液通过窥镜112从制粒机水箱102进入到浆液管106内，并通过成角度的弯管114，在弯管114处，压缩空气从阀120注入到形成角度的(或倾斜的)浆液管116中。注入的空气、粒料和汽化了的水继续通过放大弯管118，并通过干燥机入口110进入干燥机108。优选的是，空气与浆液管116的轴线对准地注入到放大的弯管114内，这提供了空气注入在粒料/水浆液上的最大效果，从而形成混和物的恒定吸气。

通过制粒机102的高度相对于干燥机108的入口110的高度的变化，在浆液管106的竖直轴线与浆液管116的纵向轴线之间的角度需要时可以从0度到90度(或更多)之间变化。这种高度上的差别可以是干燥机108相对于制粒机102的物理位置导致的，或可以是干燥机和制粒机在大小上的差异导致的。优选的角度范围是30度到60度，更优选为45度。放大弯管118进入到干燥机入口110便于高速吸入的粒料/水浆液从进入浆液管116传输到干燥机110入口，并减少了粒料团聚到干燥机108内的可能性。

如图5中所示的设备的优选位置允许粒料在大致1秒钟内从制粒机102输送到干燥机108的出口，这减少了在粒料内的热损失。通过在空气在弯管114处注入之后插入第二阀机构或更优选的第二球阀150，这将被进一步优化。这种附加的球阀150允许更好地调节粒料在浆液管116内的停留时间，并减少了在浆液管中可能出现的任何变动。第二球阀150允许对注入到腔室内的空气额外加压，并促进了水从粒料/水浆液的吸出。当粒料的大小在直径上减小时这变得尤其重要。

粒料通过干燥机108的出口126排出并且优选地被引导向振动单元，例如在图2a和图2b中示意性示出的振动输送机84。由来自振动输送机84的振动作用导致的搅动允许当粒料与其它粒料以及所述振动输送机的部件接触时热量在粒料之间传递。这允许获得温度的一致性并导致粒料的含水量进一步更低以及更加均匀。搅动减轻了作为粒料温度升高的结果的粒料彼此粘附和/或与振动输送机的部件彼此粘附的趋势。

粒料在振动输送机上的停留时间可以影响获得的希望的含水量。粒料越大，停留的时间就希望越长。停留时间一般为大约20秒到大约120秒或更长，优选地从30秒到60秒，且更优选为40秒，以允许粒料干燥到希望的程度并且允许粒料冷却以便于操作。较大的粒料将在内部保留更多的热量，并且将比直径减小的粒料干燥得更快。相反，粒料直径越大，粒料需要冷却以便于操作的停留时间就越长。对于最后封装的粒料的希望温度一般低于进一步加工所需要的温度。

也可以使用其它冷却方法或除了振动输送机之外的方法，以允许排出干燥机的粒料具有足够的时间来干燥和随后冷却以便于操作。输送的粒料需要时可以被封装、存储或运输，以便另外加工或最终的产品制造，包括在适合的情况下使得粒料中间膨胀和最终膨胀。

Claims (24)

1.一种将聚合物生物材料复合物加工成粒料的方法，包括步骤：

通过模板(18)挤出聚合物生物材料复合物的线束到水下制粒机(12，102)中；

在所述制粒机中将复合物线束切割成粒料；

将所述复合物粒料作为水和粒料的浆液从所述制粒机输送出；和

干燥所述复合物粒料，

其特征在于：

所述输送所述复合物粒料的步骤包括将高速惰性气体注入到所述水和粒料浆液中以使得所述水从所述粒料吸出并且使得所述粒料保持内部热量，以减少所述粒料的水分吸收以及加速输送和干燥所述粒料，干燥所述复合物粒料的步骤包括使得含水量达到1％，且优选地小于1％。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

注入到水和粒料浆液中的高速惰性气体与该浆液有效接触以通过吸出产生水蒸气，且在整个浆液管中分散聚合物生物材料复合物粒料并以增加的速度将粒料传送到干燥器中，粒料在干燥器中被干燥，所述吸出产生聚合物生物材料复合物粒料与气体的混合物，其会达到气体体积的98-99％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述粒料在所述高速惰性气体被注入到所述水和粒料浆液中之后被输送到干燥机(32，108)，粒料从干燥机排出的步骤包括通过振动单元(84)使得粒料保持运动状态，在所述运动状态期间所述粒料继续干燥。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

通过模板(18)挤出聚合物生物材料复合物的线束的步骤包括在低于220℃的温度挤出聚合物生物材料复合物以避免使得生物材料降解。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在将高速惰性气体注入到所述水和粒料浆液中时，所述惰性气体以至少100m³/hr的流量，并且优选地为大约175m³/hr的流量注入到所述水和粒料浆液中。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在将高速惰性气体注入到所述水和粒料浆液中时，所述气体大体上与所述浆液的行进管道对准地注入到所述水和粒料浆液中。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述浆液的行进管道以30度到60度之间的角度转变方向，并且所述气体在所述转变方向处注入。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述聚合物生物材料复合物包括可发泡的、发泡的以及没有发泡的复合物。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述聚合物生物材料复合物粒料具有10％到90％的生物材料。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括步骤：

从下述材料组成的组中选择所述生物材料：多糖，包括纤维素制品和淀粉；和蛋白质材料，包括多肽；以及前述材料的任何组合。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述生物材料包括从10到900微米的纤维颗粒，且纵横比为1到50，优选为从2到20。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述生物材料包括粒度为从15到425微米的粉末。

13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

从由下述材料构成的组中选择所述聚合物：聚烯烃、取代聚烯烃、聚酯、聚酰胺、聚氨酯和聚碳酸酯。

14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：

使得所述聚合物生物材料复合物内包括用于赋予在聚合物与生物材料之间的更大相容性的一种或更多药剂。

15.一种将聚合物生物材料复合物加工成粒料的方法，包括步骤：

通过模板(18)挤出聚合物生物材料复合物的线束到水下制粒机(12，102)中；

在所述制粒机中将复合物线束切割成粒料；

将所述复合物粒料作为水和粒料的浆液从所述制粒机输送出；和

干燥所述复合物粒料，

其特征在于：

所述输送所述复合物粒料的步骤包括将高速惰性气体注入到所述水和粒料浆液中以使得所述水从所述粒料吸出并且使得所述粒料保持内部热量，以减少所述粒料的水分吸收以及加速输送和干燥所述粒料，所述聚合物生物材料复合物用于形成具有10％到90％的生物材料的所述粒料。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：

所述生物材料包括粒度为从15到425微米的粉末。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：

注入到水和粒料浆液中的高速惰性气体与该浆液有效接触以通过吸出产生水蒸气，且在整个浆液管中分散聚合物生物材料复合物粒料并以增加的速度将粒料传送到干燥器中，粒料在干燥器中被干燥，所述吸出产生聚合物生物材料复合物粒料与气体的混合物，其会达到气体体积的98-99％。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：

在将高速惰性气体注入到所述水和粒料浆液中时，所述惰性气体以至少100m³/hr的流量，并且优选地为大约175m³/hr的流量注入到所述水和粒料浆液中。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：

通过模板(18)挤出聚合物生物材料复合物的线束的步骤包括在低于220℃的温度挤出聚合物生物材料复合物以避免使得生物材料降解。

20.一种将聚合物生物材料复合物加工成粒料的方法，包括步骤：

通过模板(18)挤出聚合物生物材料复合物的线束到水下制粒机(12，102)中；

在所述制粒机中将复合物线束切割成粒料；

将所述复合物粒料作为水和粒料的浆液从所述制粒机输送出；和

干燥所述复合物粒料，

其特征在于：

所述输送所述复合物粒料的步骤包括将高速惰性气体注入到所述水和粒料浆液中以使得所述水从所述粒料吸出并且使得所述粒料保持内部热量，以减少所述粒料的水分吸收以及加速输送和干燥所述粒料，所述粒料中的生物材料包括粒度为从15到425微米的粉末。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：

所述聚合物生物材料复合物粒料具有10％到90％的生物材料。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：

注入到水和粒料浆液中的高速惰性气体与该浆液有效接触以通过吸出产生水蒸气，且在整个浆液管中分散聚合物生物材料复合物粒料并以增加的速度将粒料传送到干燥器中，粒料在干燥器中被干燥，所述吸出产生聚合物生物材料复合物粒料与气体的混合物，其会达到气体体积的98-99％。

23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：

在将高速惰性气体注入到所述水和粒料浆液中时，所述惰性气体以至少100m³/hr的流量，并且优选地为大约175m³/hr的流量注入到所述水和粒料浆液中。

24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：

通过模板(18)挤出聚合物生物材料复合物的线束的步骤包括在低于220℃的温度挤出聚合物生物材料复合物以避免使得生物材料降解。