CN104797636A - 使用预热的粒料母料混配聚合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于混配的方法，具体地，本发明涉及一种用于将粒料母料与聚合物混配的方法，所述方法包括使聚合物和粒料母料通向混配挤出机，聚合物的温度为T℃，其特征在于，在通向挤出机之前，使用加热流体将粒料母料加热至T-10℃或更高的温度。

Description

使用预热的粒料母料混配聚合物
本发明涉及一种用于混配的方法，具体地，本发明涉及一种使用粒料母料用于混配聚合物的方法。
粒料母料广泛用于混配聚合物，以向聚合物引入期望的添加剂。典型的添加剂包括着色剂(颜料)、抗氧化剂、润滑剂、阻燃剂和给予混配的材料期望的性能的众多其它添加剂。粒料母料包含与载体混合的浓缩的添加剂或添加剂混合物，并且通常使用，因为当投料到混配步骤时，比起未加工的添加剂材料(其可通常为液体或细粉末)，这样更容易处理和更容易控制。
使用母料用于聚乙烯聚合物的方法的实例可在例如WO 2012/058200、US4369267和WO 99/57193中发现。
粒料母料可与要在挤出机中混配的聚合物混合，或者在挤出机之前与聚合物预混合。在挤出机中，将聚合物和母料加热，熔融和混合。施用剪切，以确保均质混合。
现已发现通过在挤出机之前预热母料可改进混配方法。
因此，本发明的第一方面提供了一种用于将聚合物与粒料母料混配的方法，所述方法包括使聚合物和粒料母料通向混配挤出机，聚合物的温度为T℃，其特征在于，在通向挤出机之前，使用加热流体将粒料母料加热至T-10℃或更高的温度。
具体地，本发明的第一方面提供了一种用于将聚合物与粒料母料混配的方法，所述方法包括使聚合物和粒料母料通向混配挤出机，聚合物的温度为T℃，并且其中在T-20℃或更低的温度下储存粒料母料，其特征在于，在通向挤出机之前，使用加热流体将粒料母料加热至T-10℃或更高的温度。
术语“粒料母料”指在粒料形式的载体上的一种或多种添加剂的母料。载体通常为聚合树脂，最通常基于待混配的聚合物来选择。例如，当待混配的聚合物为聚乙烯时，聚乙烯载体用于母料。(为了便于参考，即使未陈述“粒料”，本文可使用“母料”并且指“粒料母料”)。
已发现，与要混配的聚合物(“初始聚合物”)相比，为粒料母料提供热量以提高母料的温度使得随后的熔融更容易，并且降低需要在挤出机中施用以实现混合的比能量，并且允许实现更高的挤出机生产量。
术语“加热流体”指用于提供热量以加热粒料母料的气体或液体。合适的流体的实例包括气体(例如空气)和液体(例如水)。
在一个实施方案中，通过“直接加热”母料可实现本发明的第一方面的方法。本文使用的“直接加热”指在母料和加热流体之间发生物理接触，该加热流体提供热量以加热母料的过程。
因此，将加热流体(例如加热的空气、氮气或过热的蒸气)通过母料以将其加热。可在与聚合物混合之前对母料进行这一点，或者母料可与至少一些并优选所有的聚合物混合，并且将热量施加于混合物。可注意到，当在混配挤出机之前将母料与至少一些聚合物混合时，存在于聚合物中的热量可提高母料的温度，但是这可导致热能再分布，这不能降低在挤出机中所需的随后的热量。
当使用直接加热时，优选在与聚合物混合之前直接加热母料。
在该实施方案中，优选加热流体为处于粒料母料被加热流体加热到的温度的气体(处于粒料母料被加热时的压力，该压力可超过或低于大气压，但是优选为大气压)。这样避免需要随后蒸发加热流体以将其从粒料母料除去。出于该原因，通常不优选例如蒸气的气体，至少在大气压下。在该实施方案中，最优选例如氮气或干燥空气的气体。
总的来说，在本发明中，但是尤其是当使用“直接”加热时，优选，在进入挤出机时，在挤出机之前已发生混合的粒料母料或粒料母料和聚合物的混合物含有低于500ppm水，优选低于250ppm水。
最优选，通过“间接加热”母料，实现在本发明的第一方面中加热母料。
此外，在第二方面，本发明提供了一种用于将聚合物与粒料母料混配的方法，所述方法包括将温度为T℃的聚合物和粒料母料通向混配挤出机，其特征在于在通向挤出机之前，通过间接热交换加热粒料母料。
在该第二方面，优选母料开始时处于比要混配的聚合物(初始聚合物)更低的温度。
优选，在该第二方面，在混配前聚合物的温度为T℃，在T-20℃或更低的温度下储存粒料母料，并且在通向挤出机之前，将粒料母料加热至T-10℃或更高的温度，即，如在第一方面优选的。总的来说，并且作为一个实例，当初始聚合物保留来自较早的处理步骤的热量时，在初始聚合物和母料之间可存在温差。相反，通常在环境温度下储存粒料母料，用于合适的进料容器或仓库。
在本发明中，聚合物温度为T℃。本文使用的该温度在与母料混合之前立即测量，或者当在挤出机之前聚合物不与母料混合时，在将聚合物进料至挤出机之前立即测量。
优选，在低于聚合物的温度30℃或更多(T-30℃或更低)，例如低40℃或更多(T-40℃或更低)的温度下储存母料。
当母料在低于30℃，尤其是低于20℃，例如在-40℃至30℃或-40℃至20℃范围的温度下储存时，本发明(第一和第二方面)特别有用。
聚合物温度(T℃)可通常为至少30℃，例如至少40℃。
聚合物可通常在20℃至70℃，例如30℃至70℃，或甚至40℃至70℃的温度(T℃)。
本文使用的“间接热交换”指从一种材料(在这种情况下，加热流体)向另一种材料(在这种情况下，母料)传热的过程，两种材料本身没有物理接触。通常通过物理屏障(例如板或壁)发生传热，物理屏障保持材料物理分隔，但是允许在它们之间传热。金属(例如不锈钢)适用于此。使用加热流体(例如空气或水)提供热量，其在换热器的一侧上循环，而在另一侧上通过屏障向材料传热。
适用于促进在固体(例如粒料母料)和加热流体(例如空气或水)之间间接热交换的换热器为公知的。用于本发明的合适的换热器为大体积固体换热器，例如CoperionWaeschle BULK-X-CHANGE®或Solex大体积换热器。
在本发明的方法中，使用直接或间接加热，可在挤出机之前混合聚合物和母料，并且加热混合物。(在该实施方案中，母料可与所有或仅一部分通向挤出机的聚合物混合)。在这样的情况下，通常期望将混合物加热至30℃至70℃的温度并且通向挤出机，但是可使用较高的温度。
然而，最优选在与聚合物混合之前加热母料，尤其是当使用间接加热时。具体地，母料的体积显著小于初始聚合物的体积，因此，对于间接加热，需要小得多的换热器和更小的加热流体流。当单独加热时，可通常将母料加热至30℃至70℃的温度，但是可使用较高的温度。
还值得注意的是，一旦安装本发明的母料加热系统，在混配挤出机之前，可使用该系统来预热聚合物，即使在未将母料加入到聚合物时。
对应将母料加热至的温度的上限没有特别的限制，只是不应加热得太高使其在混合之前熔融。为了避免疑惑，可将母料加热至超过温度T℃ (单独地或在与聚合物混合之后，在后一种情况下，也加热聚合物本身)。(应注意到，在混合/挤出之前，还可单独加热初始聚合物，但是当其已经在超过环境的温度下时，这么做的优势减少)。
在本发明的第一和第二方面的特别有利的实施方案中，通过使用来自下游造粒步骤的水实现加热。具体地，在混配后，可在造粒系统中将混配的聚合物(包含聚合物和母料添加剂)造粒。
在一个实例中，如果蒸气加热造粒系统的模板，冷凝的蒸气(下文中称为“冷凝物水”)可用作母料的热源。
作为一个备选，并且在一个优选的实施方案中，如果在挤出后造粒系统使用水来冷却和/或输送粒料，则可使用该水。这样的系统的实例包括水下造粒系统和水环造粒系统。在水下造粒系统中，混配的聚合物在水下(即，模面在水下)造粒到水流中，水流不仅冷却粒料，而且将它们携带出挤出机至随后的处理(包括脱水和干燥)。在水环系统中，模面不在水下，但是同样提供水以输送和冷却粒料。优选，造粒系统为水下造粒系统。
总的来说，将在这样的系统中的水随后与冷却的粒料分离，在粒料水冷却器中冷却，随后再循环用于再利用。该水在下文中称为“粒料水”。为了避免疑惑，该术语仅旨在指示来源而不是其中存在粒料。
类似地，为了便于参考，来自下游造粒步骤的水在下文中统称为“造粒系统水”，以指示其衍生自下游造粒步骤，而不是指示其具体的来源。因此，上述“粒料水”和“冷凝物水”为“造粒系统水”的两个具体实例。
在造粒系统水中的热量可用于采用多种不同的方式对母料提供加热。
例如，并且在一个优选的实施方案中，造粒系统水本身可在换热器中用作加热介质，用于通过间接加热来加热母料。合适的换热器为大体积固体换热器，例如已经描述的。
或者，造粒系统水可与中间流体(例如空气或水)热交换，随后用于加热母料。例如，如果造粒系统水品质不适用于大体积固体换热器，例如由于其中的污染物，可首先热交换以加热中间水流，并且将该加热的中间水流通向大体积固体换热器，用于间接加热母料。
作为又一个备选，可将造粒系统水热交换以加热中间空气流，并且该加热的中间空气流用于直接或间接加热母料。
总的来说，取造粒系统水的流并且用作热源以加热母料。在使用后(与母料或与中间流体(如果使用其中的一种)热交换)，随后将造粒系统水返回至造粒系统。同时，使用热交换来冷却造粒系统水，其具有降低冷却造粒系统水所需的负载的进一步的优点。
在一个最优选的实施方案中，所用的造粒系统水为粒料水。在冷却前，粒料水通常在50-80℃的温度下，因此理想地适用于将母料加热至所需的温度。
在该实施方案中，造粒系统通常包含循环泵用于粒料水循环，优选用于加热母料的粒料水的流取自在粒料水冷却器的上游，但是在粒料水循环泵的下游的位置。在使用后，优选将其返回至循环泵的上游。这能够利用泵的上游和下游之间的压差，以得到所需的粒料水流用于母料加热。
加热母料所需的粒料水的比例取决于母料的初始温度和所需的最终温度两者，但是总的来说，总粒料水流的比例低于10%，通常低于4%，优选低于2%。
用于母料加热所需的相对低比例的总体粒料水流的一个优点在于，使用现有的粒料水回路，本发明可相对容易地应用于现有的系统，对于正常的粒料水系统具有最小破坏。
虽然与熔融聚合物所需的能量相比，对冷却造粒系统水所需的总体负载以及对在挤出机中加热母料所需的热能两者的直接影响(与未根据本发明预热时相比)相对小，但是本发明的效果可显著降低在挤出机中聚合物/母料混合物良好混合所需的停留时间，允许使用较高的生产率，进而对挤出机施用的比能量具有显著的影响。
不希望束缚于理论，在挤出机中施用的比能量源自向聚合物/母料混合物施用剪切，而根据本发明的方法，在挤出机中的加热需求仅降低相对小量，聚合物/母料混合物的降低的停留时间意味着施加显著较少的剪切。
具体地，与没有母料加热的方法相比，已发现本发明的方法可使挤出机生产量提高超过5%，并且相应地挤出机比能量降低。
因此，在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于将聚合物与粒料母料混配的方法，所述方法包括使聚合物和粒料母料通向混配挤出机，其特征在于在通向挤出机之前，通过间接热交换来加热粒料母料，并且以下至少之一适用：
i) 以比在挤出机之前未加热粒料母料的等价方法低至少1%的比能量输入操作挤出机，
ii) 以比在挤出机之前未加热粒料母料的等价方法高至少2%的聚合物生产量操作挤出机。
优选，以下至少之一适用：
i) 以比在挤出机之前未加热粒料母料的等价方法低至少3%的比能量输入操作挤出机，
ii) 以比在挤出机之前未加热粒料母料的等价方法高至少5%的聚合物生产量操作挤出机。
更通常，本发明可应用于将聚合物与粒料母料混配的任何方法。
在本发明的混配挤出机之前，聚合物可为粒料形式，或者在混配挤出机之前，可为粉末形式。当通向挤出机的聚合物为聚合物粉末并且保留来自上游处理步骤的热量(由该上游处理步骤已得到热量)时，可特别有利地应用本发明。这样的处理步骤的实例包括聚合反应本身，但是更直接地包括任何脱气步骤，通过该处理步骤，将聚合物粉末与未反应的反应物和其它反应组分分离，该步骤通常涉及加热聚合物粉末。
聚合物可为任何合适的聚合物，但是优选为聚烯烃，更优选聚丙烯或聚乙烯，最优选聚乙烯。涉及聚乙烯的方法的实例可在例如已经说明的WO 2012/059200、US4369267和WO 99/57193中找到。
当聚合物为聚乙烯时，其可为高密度聚乙烯(HDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、低密度聚乙烯(LPDE)或线性低密度聚乙烯(LLDPE)。聚乙烯也可在工业上销售，基于具体的产品应用的适用性。因此，聚乙烯可称为“管级别”、“膜级别”、“电线和电缆级别"、“吹塑级别”等，并且本发明可按需应用于所有的这些级别。
本发明特别优选应用于管级别聚乙烯。对于管级别聚乙烯，多种标准为已知的，但是总的来说，本文使用的“管级别”聚乙烯为根据ASTM D3350-12“Standard Specification for Polyethylene Plastics Pipe and Fittings Materials (对于聚乙烯塑料管和装配材料的标准规格)”可对管分类的那些。
然而，管的其它分类也是已知的，通常取决于预期的使用。例如，ISO 4437:2007指定用于制造管的聚乙烯(PE)化合物的总体性质、由这些化合物制备的管的物理和机械性质以及用于这样的管的标记的要求，当旨在用于供应气态燃料时。类似地，ISO 4427-1:2007指定旨在输送水用于人消耗的聚乙烯(PE)管道系统(总管道和供水管)的总体方面。
此外，基于聚合物强度，压力管可根据ISO 9080和ISO 12162分为不同的种类，实例有PE63、PE80或PE100。此处数字(例如63、80、100)指示最低所需的强度(MRS)(以Mpa计)乘以10。因此，100意味着10 MPa的MRS，数字越高，则可施加的设计压力就越高。
通常一种或多种添加剂可以粒料母料的20-70重量%的总量存在。
母料通常以相应于初始聚合物和母料的合并重量的1-15重量%，优选2-10重量%，更优选4-10重量%的量加入到初始聚合物中，最优选5-8重量%的范围。
母料优选包含一种或多种着色剂，最优选包含炭黑。也可存在其它添加剂，通常与炭黑一起使用的那些的实例包括流动剂，例如含氟聚合物、催化剂中和剂(例如硬脂酸钙)和抗氧化剂(例如酚抗氧化剂)。当母料包含炭黑时，这优选以25-55重量%的量存在于母料中，基于母料的总重量。
使用炭黑母料导致黑色混配聚合物。可在本发明中生产的聚乙烯聚合物优选具有至少2%炭黑，最优选在ASTM 3350-12下指定为PEXXXXXXC的那些，其中每一个X为根据在ASTM3350-12中的定义代表聚合物的性质的数字，“C”指示存在炭黑，其量如在ASTM 3350-12中定义的。(例如第一个数字表示密度，第二个数字表示熔体指数)。
如所描述的，通常基于待混配的聚合物来选择母料的载体组分。因此，与待混配的聚合物一样，载体组分优选为聚烯烃，更优选聚丙烯或聚乙烯，最优选聚乙烯。合适的聚乙烯包括高密度聚乙烯(HDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、低密度聚乙烯(LPDE)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)。众多这样的组分用于本领域，并且可同样用于本发明的方法。
实施例
1 ：粒料水要求的实例
以下实施例说明在将母料与待混配的聚合物一起通向挤出机之前，使用来自下游水下造粒系统的粒料水来加热母料。在每一种情况下，待混配的聚合物的温度(T℃)为70℃，将母料预热至60℃ (T-10℃)。
在水下造粒系统中，粒料水用于冷却混配的聚合物，其量为0.012 m3/kg混配的聚合物。取其一部分，并且用于将母料加热至所需的温度。在这些实例中，在与10℃的母料热交换期间，粒料水温度降低。
考虑两种不同的炭黑母料，一种具有40重量%的炭黑，另一种具有30重量%的炭黑。在所有实施例中，将母料加入到聚合物中，其量使得在混配的聚合物中的炭黑含量为2.2重量% (因此，取决于起始母料，需要不同的量)。
对于每一种母料，给出实施例，其中母料在开始时处于50℃或-40℃温度，这代表在加热前母料可能的温度的限度。(50℃代表T-20℃)。
最后，给出10,000 kg/h和60,000 kg/h的挤出机生产量的实施例，这些为工业混配方法典型的速率。
开始时在 50 ℃的母料的结果
表1代表母料在开始时在50℃的结果，因此，在预热中需要温度提高10℃。
表1
挤出机生产量 kg/h 10,000 60,000 10,000 60,000
在母料中的炭黑 重量% 40 40 30 30
对于聚合物的母料加入比率 重量% 5.50 5.50 7.33 7.33
加热母料10℃的功率 kW 2.5 15.0 3.6 21.9
加热母料的水流速率 m3/hr 0.22 1.31 0.32 1.91
在造粒系统中的总水流 m3/hr 120 720 120 720
用于加热母料的总水流的比例 % 0.18 0.18 0.27 0.27
开始时在 -40 ℃的母料的结果
表2代表母料在开始时在-40℃的结果，因此，需要温度提高100℃。
表2
挤出机生产量 kg/h 10,000 60,000 10,000 60,000
在母料中的炭黑 重量% 40 40 30 30
对于聚合物的母料加入比率 重量% 5.50 5.50 7.33 7.33
加热母料100℃的功率 kW 25.0 149.8 36.4 218.5
加热母料的水流速率 m3/hr 2.19 13.12 3.19 19.14
在造粒系统中的总水流 m3/hr 120 720 120 720
用于加热母料的总水流的比例 % 1.82 1.82 2.66 2.66
可见即使当需要母料提高温度100℃时，预热所需的在造粒系统中总水流的比例仍仅为数个百分点。这显示不仅造粒水系统容易包括足够的热量以能够进行所需的加热母料，而且需要仅相对小比例的流，使得所述方法对正常的粒料水系统具有最小破坏。
虽然以上实施例在加热母料期间使用10℃粒料水温度降低，但显然可操作不同的温度降低，并且可随后因此改变流量。例如通过具有降低的接触时间(例如，使用较小的换热器)，可得到粒料水温度较小的降低，使得可使用更高的流量。然而，清楚的是，加热母料所需的总水流的比例通常变得相对低。
这样的优势在于本发明可使用现有的粒料水回路相对容易地应用于现有的系统。
2 ：可得到的生产量提高的实施例
以下实施例说明在将母料与待混配的聚合物一起通向挤出机之前，对加热母料的挤出机生产量的有益效果。
与以上实施例一样，在每一种情况下，待混配的聚合物的温度(T℃)为70℃。在这些实施例中，考虑具有40重量%的炭黑的单一炭黑母料。如在以上实施例中，将母料加入到聚合物中，其量使得在混配的聚合物中的炭黑含量为2.2重量%。
在对比实施例中，母料在开始时处于-40℃温度，在挤出机之前不施用加热。挤出机生产量为50,000 kg/hr，并且挤出机在0.2kWh/kg的比能量下操作。(值得注意的是，以下说明的相对益处对于不同尺寸的挤出机是相同的)。
基于在挤出机之前母料的温度(和挤出机的比能量)，可测定熔融母料所需的在挤出机中7.5秒的停留时间。
为了证明通过预热母料可得到的生产量的改进，重复计算，但是在挤出机之前已在60℃下加热母料。
在这种情况下，熔融母料所需的停留时间降低至6.4秒。
(应注意到，该停留时间取决于进入挤出机的母料温度，但是与母料是否在开始时(在预热至60℃之前)在-40℃或更高的温度无关，停留时间是相同的。还值得注意的是，虽然测定的绝对停留时间取决于使用的某些参数，例如母料加热能力，但相对变化仍是代表性的)。
由于熔融母料降低的停留时间，在挤出机中所需的总停留时间(也包括聚合物熔融和熔体停留时间)降低，施加于聚合物和母料的比能量也一样。
虽然以上实施例基于50,000kg/hr的挤出机生产量，但熔融母料的降低的要求备选地允许将挤出机生产量从50,000 kg/hr提高至约53,100 kg/hr，同时保持同等的混合物品质。

Claims (15)

1. 一种用于将聚合物与粒料母料混配的方法，所述方法包括使聚合物和粒料母料通向混配挤出机，聚合物的温度为T℃，其特征在于，在通向挤出机之前，使用加热流体将粒料母料加热至T-10℃或更高的温度。
2. 权利要求1的方法，其中通过使加热流体通过母料以将其加热，通过直接加热来加热所述粒料母料。
3. 权利要求1或权利要求2的方法，其中在T-20℃或更低的温度下储存所述粒料母料。
4. 一种用于将聚合物与粒料母料混配的方法，所述方法包括使温度为T℃的聚合物和粒料母料通向混配挤出机，并且其特征在于，在通向挤出机之前，通过间接热交换来加热所述粒料母料。
5. 权利要求4的方法，其中在T-20℃或更低的温度下储存所述粒料母料，在通向挤出机之前，将所述粒料母料加热至T-10℃或更高的温度。
6. 前述权利要求中任一项的方法，其中在与所述聚合物混合之前，使用加热流体加热所述母料。
7. 权利要求1-5中任一项的方法，其中将所述母料与至少一些并优选所有的聚合物混合，并且在通向挤出机之前，使用加热流体加热混合物。
8. 前述权利要求中任一项的方法，其中在低于聚合物的温度30℃或更多(T-30℃或更低)，例如低于40℃或更多(T-40℃或更低)的温度下储存所述母料。
9. 前述权利要求中任一项的方法，其中T℃为至少30℃，并优选至少40℃。
10. 前述权利要求中任一项的方法，其中通过使用来自下游的使用造粒系统的造粒步骤的水实现加热。
11. 权利要求10的方法，其中将所述造粒系统的模板蒸气加热，冷凝的蒸气(“冷凝物水”)用作所述母料的热源。
12. 权利要求10的方法，其中在挤出后造粒系统使用水来冷却和/或输送粒料，并且该水(“粒料水”)用作所述母料的热源。
13. 前述权利要求中任一项的方法，其中以相应于聚合物和粒料母料的合并重量的1-10重量%的量将所述粒料母料加入到聚合物中。
14. 前述权利要求中任一项的方法，其中通向挤出机的所述聚合物为聚合物粉末。
15. 前述权利要求中任一项的方法，其中所述聚合物为聚丙烯或聚乙烯，尤其是聚乙烯。
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