CN114126828A - 用于可熔聚合物的增粘制备的挤出机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种挤出机(100)，其包括具有内壳体凹部(18)的壳体(10)，其中可旋转地安装具有螺旋挤出机螺杆螺纹(32、33、34)的挤出机螺杆(20)。挤出机螺杆(20)的外径被细分为直径起始区域、直径中心区域和直径结束区域，其中直径中心区域(23)具有比其他直径区域更大的外径，并且在不同直径的区域之间分别形成锥形过渡，并且其中至少一个脱气区(23.2)形成在直径中心区域(23)中，所述脱气区具有壳体凹部，至少一个吸入口(15)从壳体凹部延伸到壳体(10)的外侧。挤出机螺杆轴芯与内壳体凹部(18)内壁之间形成的流道设计为环形膨胀喷嘴，其中，挤出机螺杆螺纹(32、33、34)的外径是恒定的，径向流道高度增加。

Description

用于可熔聚合物的增粘制备的挤出机

技术领域

本发明涉及具有权利要求1前序部分特征的一种可熔聚合物的增粘制备的挤出机。

背景技术

在塑料技术中，挤出机用于塑化和加工聚合物。如果目标仅仅是塑化，许多设计可用作带有一个挤出机螺杆的单转子或带有两个挤出机螺杆的双转子，因此，挤出机螺杆的特殊几何形状导致塑料在一端以固体颗粒的形式被吸入，然后以液体形式被熔化和喷射。在许多应用中，还进行均质化和脱气，例如去除固体中所含的水分。这里的缺点通常是挤出机中的高剪切应力导致聚合物中分子链长度的减少，从而导致粘度降低。这些影响尤其发生在高粘度聚合物上。然而，对于某些应用，在挤出机中的塑化过程中粘度可能不会下降太多，因为后续加工需要一定的熔融聚合物粘度。例如，这适用于可水解缩聚物如聚酯(PET)的回收利用，特别是与要求苛刻的下游加工操作有关，如纺织塑料纤维的生产。

DE 22 37 190 A描述了一种用于加工橡胶化合物的挤出机，其配备有一个挤出机螺杆。通过增加吸入区的螺杆直径来改善脱气，同时与进料区和出料区相比，保持挤出机螺杆螺纹的螺纹深度，以确保恒定的进料速率。其中没有指出用于橡胶以外的聚合物和选择性影响粘度的应用。

从EP 1 434 680 B1中已知具有多旋转系统的挤出机用于塑化，尤其是用于加工同时增加粘度的聚合物。这种所谓的MRS挤出机具有一个带有多螺杆挤出机部分的挤出机螺杆，其中几个从动卫星螺杆围绕主螺杆布置。它们与挤出机螺杆作为一个整体旋转，同时它们围绕自己的轴旋转。在多螺杆挤出机部分，混合程度高，表面积增加，因此在挤出机壳体上的该区域中设置的抽气系统特别有效。由于聚合物中包含的大部分水分的有效提取，可以在缩聚物中实现显著的链伸长，从而提高特性粘度。由于杂质同时被分离，MRS挤出机特别适用于回收PET，并且可以在连续操作中直接从回收材料中获得高纯度PET，而无需进一步下游处理即可用于饮料和食品包装。

虽然使用熟悉的MRS挤出机可以轻松实现饮料和食品包装所需的粘度，问题出在需要具有更高粘度的PET的应用过程中，即使MRS挤出机上的各种工艺参数发生变化，也要设定最大可达到的特性粘度。因此，粘度的增加和降低总是同时发生，由此导致粘度增加的效果在开始时仍然占主导地位，但最终会与相反的效果相平衡。

发明内容

因此，本发明的目的是能够制备聚合物熔体，特别是PET，由此可以获得至少0.7ml/g的高特性粘度。

该目的通过具有权利要求1的特征的挤出机来实现。

惊人的是，一个概念带来了成功，其将MRS挤出机的个性化设计特点与用于橡胶加工的熟悉的单转子相结合，而且还增加了另一项重大创新。

首先，本发明的解决方案是基于单转子(Monorotor)概念，即在只有一个挤出机螺杆的挤出机上。根据本发明，消除了存在于已知MRS挤出机中的在聚合物剪切中具有最大份额的卫星螺杆。为了增加真空提取区的圆周速度，在脱气区提供了挤出机螺杆的部分直径增加。然而，使用根据本发明的挤出机可实现的粘度增加主要是由于脱气区被分成两部分并包括以下基本特征：

为了参考挤出机螺杆的几何形状，直径指定如下：

-D1在进料/计量区

-D2在排放区和

-D2于脱气区所在的中间区域。

挤出机螺杆的外径，其由挤出机螺杆轴上的挤出机螺杆螺纹的外边缘限定，与前面的进料和计量区以及相邻的出料区相比显著增加，并且至少是那里直径的1.2至2.0倍。其优选地在长度上基本上是恒定的，从而产生圆柱形壳体。这使得在壳体中产生相关的孔变得容易，并且挤出机螺杆和壳体之间的小的轴向位移是可能的。仅在过渡区域到挤出机螺杆在此之前和之后的部分中，锥形形状是优选的。

另一方面，挤出机螺杆的轴芯外径在脱气区的两个部分变化很大：在上游初始部分也很大，导致挤出机螺杆螺纹的平行部分之间的螺纹深度较浅，在相邻的结束部分要小得多，从而产生较深的通道。

壳体的至少一个吸入口位于螺纹深度较大的位置。它可以延伸到起始和结束部分之间的轴芯的直径台阶。

已经在挤出机螺杆的第一部分塑化的熔体在脱气区的初始区域被强烈压缩，在该区域，在螺杆螺纹、轴芯和机筒孔之间形成的螺纹中的自由体积很小。

然而，在脱气区的结束区域，体积要大得多，几乎不能被送入的熔体填满。因此，在波纹芯的直径台阶处，熔体突然膨胀到自由体积中。熔体流破裂并导致熔体表面积显著增加，这使得挥发性物质能够从熔体中提取出来。

由于取消了从动卫星螺杆，与现有技术相比，根据本发明的挤出机的驱动功率得到降低。

如果选择直径比D2>1.5xD1，则可以确保在由排气口形成的挤出机真空室中实现熔体和真空之间更大面积的相互作用。

适宜的是，脱气区中的螺杆长度为2xD2。这导致可通过脱气端口脱气的最大可能区域，因此真空有效的区域仅比在普通多螺杆挤出机部件中小得多。

例如，如果进入区和脱气区中的螺杆螺距基本相同，如果在螺杆螺纹之间的螺杆的脱气区中提供至少一个具有基本相同螺距的另外的螺杆螺纹，则是有利的。

由于挤出机脱气区结束区域直径的增加，与进料/计量区或螺杆出料区相比，螺杆螺纹的间距要远得多，与进料和计量区的螺距相同。通过提供位于第一螺纹内的至少一个另外的螺纹，在脱气区沿螺杆长度方向有更多的剪切点，位于机筒之间的螺旋线有助于搅拌和进料，从而进一步增加了脱气区熔体的表面积。

然而，例如，进料/计量区和排放区中的螺杆螺距基本相同，但脱气区中的螺杆螺距大于那里也是可能的。

结果是，螺杆螺纹在挤出机的脱气区变得更紧密。这也可能导致更多的熔体搅拌和进料，从而增加与真空接触的熔体表面积。

有利的是，脱气区中的螺杆螺纹的螺纹深度为脱气区中螺杆的直径D2的至少10％。然而，也是有利的如果在螺杆脱气区的螺杆螺纹之间形成的螺纹的表面积至少是进入区的螺杆螺纹之间设置的通道表面积的1.5倍。

这些措施中的每一个都确保螺杆螺纹之间的通道没有完全充满熔体。熔体在螺杆螺纹侧面的相应通道中具有最大高度并朝底部下降，和/或可以分布在更大的长度上。此外，螺杆的运动允许熔体在通道中搅拌。这些措施还用于确保较大的熔体表面同时与脱气连接处的主要真空接触，从而可以更有效地对熔体进行脱气。

如果挤出机在从计量区到脱气区的过渡处具有可调节的节流阀或可调节的保持环，则可能是有利的，通过它们可以调节剪切间隙。一方面，这确保了只有适当塑化的熔体才能进入脱气区。另一方面实现了一定程度的密封，保证了入口区的负压不会发生短路。

简而言之，本发明是基于这样一个事实，即在抽吸区域中熔体的破裂、旋转(Verwirbeln)和混合不是像现有技术那样通过机械混合元件来实现，而是通过膨胀喷嘴的原理来实现，在本发明中，这通过突然减小的芯直径实现，该区域具有相同的外螺纹直径和恒定的壳体孔内径。

根据本发明的脱气区中的膨胀喷嘴的原理除了对所述熔体的机械影响外，还需要温度影响，即冷却。发生的冷却可以在根据本发明的挤出机中以各种方式用作附加效果。

而在现有技术的MRS挤出机中，几乎总是需要在脱气区对挤出机螺杆轴进行内部冷却以补偿由于机械剪切引起的巨大热输入。根据本发明，这可以至少在脱气区的结束区域省去。这至少降低了整个挤出机螺杆所需的冷却功率。

在某些情况下，冷却非常剧烈，以至于熔体可能部分冻结。为了解决这个问题，可以提供对脱气区结束区域的加热。为此目的，例如，可以用加热带加热壳体。

另一方面，由于根据本发明的挤出机由于进料和计量区中的剪切仍然具有高热输入，建议放弃对挤出机螺杆的外部温度控制，而是通过螺杆的内部通道循环用于温度控制的流体，为此，仅提供了一个外部泵，但没有外部热交换器。流体被引入轴端的内部螺杆孔，在进料和计量区加热，也可能在脱气区的初始区域加热，然后将结束区域的热量传递给在深螺杆螺纹中引导的冷却熔体，也可能在脱气区的初始部分，然后将最终部分的热量传递给在深螺杆螺纹中引导的冷却熔体。卸料发生在挤出机螺杆轴的另一端。返回至泵是外部的。

如果螺杆具有温度控制通道则是有利的，特别是在脱气区，例如以外围通道或同心通道的形式，从而确保快速、精确地调节螺杆表面温度。甚至螺旋螺纹也可以形成通道。

附图说明

下面参考附图中所示的挤出机的示例性实施例更详细地解释本发明。图中详细显示：

图1是挤出机的外部透视图；

图2是挤出机螺杆的透视图；

图3是挤出机螺杆的细节侧视图；

图4是挤出机的细节透视图；

图5挤出机的细节侧视部分剖视图，和

图6是挤出机的示意性剖视图。

具体实施例

在图1中，根据本发明的挤出机100以透视图从外部显示，其中未显示端部轴承和驱动元件。特别地，具有内部壳体凹部18的壳体10是可见的，挤出机螺杆20可旋转地安装在该内部壳体凹部18中。壳体10具有入口区域11，入口区域11具有用于固体聚合物颗粒的进料口12。通过一个连接法兰13连接一个具有扩大直径的中间区域14，该中间区域具有至少一个延伸到内部壳体凹部18中的壳体开口15。抽吸装置，特别是真空泵，连接到壳体开口15。

另一个连接法兰16连接到壳体10的结束区域17，其直径再次减小并且大致对应于初始区域11的直径。在结束区域17的端部，特别设计为圆柱形孔的壳体凹部18打开，使得经处理的聚合物熔体可以从该点排出用于进一步处理。

图2以透视图显示了挤出机螺杆20。进料区21.1用于将聚合物作为固体颗粒进料。随后是计量区21.2。进料区21.1和计量区21.2具有共同的螺旋挤出机螺杆螺纹31。挤出机螺杆20具有与进料区21.1和计量区21.2具有相同或相似直径的出料区25，并且也仅具有一个挤出机螺杆螺纹35。

在它们之间，有脱气区23，它又分为初始区域23.1和结束区域23.2。在脱气区23中，直径沿其长度变化的螺杆轴芯被总共三个相互缠绕的挤出机螺杆螺纹32、33、34包围。

在图3中，对本发明至关重要的挤出机螺杆20的截面以放大的侧视图示出，还标出了各自的外径D1、D2、D3。示例性尺寸和几何关系如下：

-在计量区21.2中，挤出机螺杆螺纹31具有110mm的相对较小的外径D1。

-在排放区25中，挤出机螺杆螺纹35具有外径D2，它是外径D1的0.8至1.2倍，即大约等于D1，但可以大或小20％；

-在脱气区23中，挤出机螺杆螺纹32、33、34具有均匀的外径D2，其至少是D2的1.5倍，尤其是2倍大。在示例中，D2＝190mm。

因此，外径D1、D2和D3仅在区域之间变化，但在相应区域21.2、23、25内是恒定的。锥形过渡区22、24形成在它们之间。

在计量区21.2和排放区25中，轴芯直径基本上是恒定的。提供轴芯直径和/或螺杆螺距的微小变化，这在挤出技术中很常见，以实现均匀化和压实和/或局部影响流速。

紧接着从脱气区到排放区的过渡，例如，与进一步过程中的直径相比，排放区的轴芯直径减小，以便在脱气区由于那里的真空而使熔体压力几乎为零后，可以在排放区再次建立熔体压力。

对本发明来说重要的是，脱气区23内的轴芯直径在过渡点23.4处突然减小。而在脱气区23的初始部分23.1中，轴芯直径大并且挤出机螺杆螺纹32、33、34的高度因此，在它们之间形成的螺纹41的高度很小，结束部分23.2中的轴芯直径要小得多。在给出的示例中，在初始部分23.1中的螺纹41的情况下，螺纹深度为4mm，特别是在外径D2的10％和20％之间。在螺纹42的情况下，在结束部分23.2中，螺纹深度为32mm，因此与初始部分23.1中的螺纹41相比，螺纹42的高度增加了3到10倍。

图3中的双虚线用于指示挤出机螺杆螺纹的过程。在计量区21.2和排放区25中，在每种情况下仅存在一个螺旋挤出机螺杆螺纹31、35。在脱气区23中，双虚线仅表示第一挤出机螺杆螺纹32的过程。可以清楚地看出，这些线在每种情况下都穿过另外两个挤出机螺杆螺纹33、34。因此，在脱气区23中形成总共三个相互缠绕的挤出机螺杆螺纹32、33、34。

图4显示了从计量区21.2到脱气区23的过渡的透视图。为此，壳体部件11和13(参见图1)被移除，以便可以清楚地看到锥形过渡区22。计量区21.2的挤出机螺杆螺纹31在过渡区22的前面伸出。已经在过渡区22内，脱气区23的三个挤出机螺杆螺纹具有它们的起点，由此在图4中只有挤出机螺杆螺纹32、33的起点是可见的。挤出机螺杆螺纹31在过渡区22之前的终止和三个挤出机螺杆螺纹32、33和34在过渡区22中的开始导致熔体流过早分成三个分流。

图5以部分剖视图显示了根据本发明的挤出机100的主要部分。在此，壳体10的中间区域14以截面示出。一方面，这表明壳体凹部的内壁19在截面上完全直线延伸，也就是说，壳体孔是圆柱形的，除了在吸入口15处的中断。此外，可以看出，所有三个挤出机螺杆螺纹32、33、34的外边缘总是非常靠近内壁19的前面结束。在初始区域23.1中，形成了非常窄的通道41，整个熔体流必须通过该通道进行输送。最后，图5清楚地显示了挤出机轴芯直径的变化过程，该轴芯在过渡点23.4处突然减小，然后在结束区域23.2处始终保持较小。结果，在内壁19、挤出机螺杆螺纹32、33、34的平行部分和挤出机轴芯之间形成大容量通道42。

图6是挤出机螺杆20上的尺寸关系的高度夸张的示意图，显示了轴芯直径和在螺纹的外边缘上测量的外径。通过这种表示，特别是在挤出机螺杆20的长度上的螺纹深度的变化变得清晰。在计量区21的末端，轴芯直径增加。外径D1保持不变。这减少了螺纹深度。传送的熔体发生压缩。在过渡区22中，可流动体积由于外径增加到D2而膨胀。这通过锥形过渡区22中的通道深度的进一步减小来补偿。目的是以填充形成的流道的方式将熔体输送到初始区域23.1。那里的狭窄间隙也增加了剪切力。

在脱气区23的中间，波纹芯直径突然显著减小，而螺纹的外径D2保持不变。在那里形成的流道的体积不再被通过初始区域23.1送入的熔体填充。这导致先前高度剪切并因此也高度加热的熔体突然膨胀。在膨胀过程中，所含的挥发性物质溶解得特别好，可以提取出来，如方框箭头所示。

紧随其后的是多个流道变窄，以再次收集无熔体气体并均匀输送。为此，流道最初朝着过渡区24略微变细。在过渡区，螺纹和波纹芯各自具有不同的锥角，这也导致流道扩大。在过渡区24和排放区25的起点之间，在轴芯直径再次增加之前提供了较短的恒定通道深度，因此通道深度减小，而挤出机螺杆螺纹的外径D2保持恒定。

Claims (12)

1.一种用于可熔聚合物增粘加工的挤出机(100)，至少包括具有内壳孔(18)的壳体(10)，其中可旋转地布置具有至少一个螺旋挤出机螺杆螺纹(31、...、35)的挤出机螺杆(20)，

所述挤出机螺杆(20)相对于其外径被细分为直径初始区域、直径中心区域和直径结束区域(21、23、25)，其中：

-直径中心区域(23)具有比其他直径区域(21、25)更大的外径；

-在不同直径的区域(21、23、25)之间形成过渡锥体(22、24)；

-至少一个脱气区(23.2)形成在直径中心区域(23)中，其具有壳体凹部，至少一个吸入口(15)从所述壳体凹部延伸到壳体(10)的外侧，

其特征在于，

-其中挤出机螺杆(20)在中心直径区域(23)中以这样的方式形成：在挤出机螺杆轴芯和壳体凹部(18)的内壁(19)之间形成的流道被设计为环形膨胀喷嘴，至少一个挤出机螺杆螺纹(32、33、34)的外径不变，径向流道高度加宽；以及

-其中至少一个吸入口(15)设置在中心直径区域(23)的端部的脱气区(23.2)中。

2.根据权利要求1所述的挤出机(100)，其特征在于，所述挤出机螺杆(20)在功能上至少分为计量区(21.2)、脱挥区(23.2)和出料区(25)，其中：

-在计量区(21.2)的挤出机螺杆上形成用于压缩和/或均化聚合物熔体的装置，从流动方向看，计量区(21.2)从直径起始区域(21)越过过渡锥体(22)延伸到直径中心区域(23)；和

-排放区(25)完全形成在直径结束区域(25)中。

3.根据权利要求1或2所述的挤出机(100)，其特征在于，所述挤出机螺杆螺纹(32、33、34)在直径中心区域(23)具有外径D2，其对应于直径起始区域(21)中直径D1的至少1.5倍。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的挤出机(100)，其特征在于，所述直径中心区域(23)具有初始区域(23.1)和结束区域(23.2)，并且在于形成在至少一个挤出机螺杆螺纹(32、33、34)的相邻部分之间的螺纹的径向螺纹深度在初始区域(23.1)小于在结束区域(23.2)的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的挤出机(100)，其特征在于，所述挤出机螺杆螺纹(32、33、34)在直径中心区域(23)的结束区域(23.2)中的螺纹深度为至少是在初始区域(23.1)中的螺纹深度的三倍。

6.根据前述权利要求中任一项所述的挤出机(100)，其特征在于，所述至少一个挤出机螺杆螺纹(32、33、34)在脱气区(23)的初始区域(23.1)中的螺纹深度为直径D2的1％到5％。

7.根据前述权利要求中任一项所述的挤出机(100)，其特征在于，结束区域(23.2)中的至少一个挤出机螺杆螺纹(32、33、34)的螺纹深度为脱气区(23.2)中直径D2的至少10％。

8.根据前述权利要求中任一项所述的挤出机(100)，其特征在于，所述至少一个挤出机螺杆螺纹(32、33、34)在结束区域(23.2)中的螺纹深度至少为20mmm。

9.根据前述权利要求中任一项所述的挤出机(100)，其特征在于，所述直径D2至少等于D1的1.5倍。

10.根据前述权利要求中任一项所述的挤出机(100)，其特征在于，脱气区(23.2)的长度至少是D2的2.0倍。

11.根据前述权利要求中任一项所述的挤出机(100)，其特征在于，挤出机螺杆(20)在从计量区(22)到脱气区(23.2)的过渡处和/或在从脱气区(23.2)到排放区(25)的过渡处分别具有锥形过渡区(22、24)，其中挤出机螺杆螺纹(31、32、33、34、35)被中断。

12.根据前述权利要求中任一项所述的挤出机(100)，其特征在于，至少在所述脱气区(23.2)中，在挤出机螺杆(20)上形成至少两个具有相同螺距的相互缠绕的挤出机螺杆螺纹(32、33、34)。

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