CN1161223C - 低密度发泡聚乙烯薄膜或管材的生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有超强浮力、御寒和防水性的柔韧的低密度发泡聚乙烯薄膜或管材的生产方法，包括将低密度的聚乙烯与发泡剂、表面活化剂和分离剂混合，将该混合物在不同温度下加热，首先将混合物熔化，然后使发泡剂气化以使聚乙烯分子膨胀，冷却熔化物使膨胀的分子部分硬化和收缩，通过加入另一种气态的发泡剂使聚乙烯进一步膨胀。切削、挤压、冷却已膨胀过的材料，使之从冷却的块状成型为薄膜或管材，并最后将薄膜或管材冷却至少24小时，最终，便得到一种具有超强浮力的、隔热保温的、防水防潮的薄膜或管状材料，它可用于如包括运动服、西装、军装等服装的衬里材料，以及其他的设备。
Description
本发明涉及一种发泡聚乙烯的生产方法，特别是一种具有超强浮力、御寒和防水性的柔韧的低密度发泡聚乙烯薄膜或管材的生产方法。
在多数情况下，具有浮力、御寒和防水性能的服装是很受欢迎的。配备具有所有这些特点的制服和夹克外套的军事人员在许多情况下具有优势。例如，在条件恶劣的崎岖地带，士兵的衣着可大大提高其机动灵活性，它不但可御寒，保证穿着者免受风吹雨打，而且还由于衣服具有浮力和防水的特性而能方便随时过河或淌水。登山者和徒步旅行者也会发现这样的服装具有类似的优势，无论穿过河流、抵御水灾，亦或御寒都具有潜在优势。为最大限度的使物尽其用，这种服装不仅仅拥有这些不同的性能，而且还应该舒适，外形不庞大，使用不累赘。水上运动爱好者也会认为此类服装具有某些特定优点，的确，对许多活动而言，具有浮力、御寒和防水性能的服装将是完美的且大有用武之地。
众所周知，人们已生产了各种各样的带有泡抹材料的保暖服装，因此，美国专利US Pat.NO.2 976 539披露了一种用膨胀过的含封闭分子的多孔的衬里材料，首选出聚氯乙烯制作的隔热保温服装。该服装厚而累赘，没有足够的浮力以支持人在水中的体重。类似地，美国专利US Pat.NO.3 511 743公布了一种耐热的用作太空服和潜水服的薄膜制品，其核心是一种含开放分子的或封闭分子的海绵或泡沫，但必须有一种液体不能渗透的橡胶或塑料外表层。采用薄膜能适度的增加机动灵活性，但仍相当累赘，且不具有足够的浮力，而不能用作救生装置。
聚乙烯泡沫被推荐用作救生艇或救生衣的绝热材料或填入物。美国专利US Pat.No 3 067147建议采用一种低密度聚乙烯泡沫材料来达到此目的，采用1，2-二氯四氟乙烷作为发泡剂或充气剂。将聚乙烯和充气剂加压后再爆发性的挤压入混合物气氛中，形成一种膨胀的多孔状物质。该产品在使用时仍显体积庞大，笨重不便。类似地，美国专利US Pat.No.3 819543公布了一种经模压和氯化处理后、交错连接的聚乙烯泡沫，用于生产漂浮物和衣服衬里。推荐各种已知的充气剂和交错连接剂供使用时参考。模制成型的产品厚而笨重不便。
尽管具有这些优点，但人们仍需要有一种薄的、质量轻的材料用作服装衬里和生产户外设备，该材料应兼有超凡的浮力、御寒和防水特性，而又不妨碍穿着者的机动性。
通过制备一种具有超强浮力和绝热保温特性的经发泡和膨胀的低密度聚乙烯以减少上述缺点是本发明的目标。本发明的另一个目标是提供一种能生产具有超强浮力和绝热保温特性的经发泡和膨胀的低密度聚乙烯的工艺。该发明还有一个目标是提供一种质地薄、质量轻的衬里材料，为生产体积不庞大使用不累赘且兼具超强浮力和绝热保温特性的服装——运动服、西装、军用服装或其他相关设备。
这些以及其他的目标根据本发明通过以下工艺均可达到。该工艺包括将低密度聚乙烯与充气剂、表面活化剂和较好的分离剂混合，加热混合物以形成一种软化物质，升高软化物的温度使充气剂气化，使聚乙烯分子发泡和膨胀，降低经发泡和膨胀的聚乙烯的温度使聚乙烯分子部分收缩和硬化，加入一种气态的充气剂到聚乙烯物质中，使聚乙烯分子再次发泡和膨胀，再将该混合物冷却到适于切割的温度，然后切割：加热该物质到适合挤压的温度，然后挤压，将其成型为薄膜或管状：最后在室温下将薄膜或管材冷却至少24小时，从而形成具有超强浮力和绝热保温性能的低密度聚乙烯薄膜或管材。
本发明还包含一种用本发明的工艺生产制造的经发泡和膨胀的低密度聚乙烯薄膜或管材。本发明还包括一种服装，其衬里材料为一种经发泡和膨胀的厚度为0.5-1.0mm，用这种材料300g作衬里的衣服可使130kg的重物漂浮在水上。
本发明方法的特征是它包括：
(1)将低密度聚乙烯与占其质量1％的含氮二碳酰胺作为发泡剂，0.1％-0.2％的氧化锌(ZnO)作为表面活化剂和0.3％的碳化锌(ZnC)作为分离剂在锥形容器中混合，形成干燥的颗粒状混合物；
(2)压力箱提供的压力气体将混合物从锥形容器经由一个安装在加热管道第一部分内的螺旋输送器输送到加热管内：
ii)将混合物加热到170℃，形成一种软化物质；
ii)将软化物的温度提高到200℃，将发泡剂气化，使低密度聚乙烯发泡和膨胀，以便在软化物中形成充气分子；
iii)降低经发泡和膨胀后的聚乙烯物质的温度至150℃，使充气分子部分收缩和硬化；
iv)将气态的二氯氟甲烷作为发泡剂加入到聚乙烯物料中，使聚乙烯进一步发泡和膨胀，以增加聚乙烯中充气分子的强度；
v)将混合物冷却到约100℃，为切割作好准备；
(3)在所述的加热管第二部分中，将聚乙烯切割成预定数量的块状物。
(4)通过所述的加热管第二部分中的无螺旋输送器将已经切割的块状物向挤压管输送，然后再将块状物加热到105℃，为下一步挤压做好准备；
(5)在室温和大气压强下，将经过再加热的物质从无螺旋输送器中的模具中挤出，进入到一个自由膨胀区，充气分子在此自然膨胀，但在室温和常压下不会爆发性膨胀；
(6)将挤压物成型为薄膜材料或管状材料；
(7)在室温下将薄膜材料或管材冷却至少24小时，以形成具有超强浮力和绝热保温性能的可压缩低密度聚乙烯薄膜或管材。
所述的低密度聚乙烯的密度对水密度的比值为0.910-0.925。
所述的表面活化剂氧化锌(ZnO)可用氧化钙(CaO)或碳酸钙(CaCO3)代替。
将所述的二氯氟甲烷以35kg/cm2的压强加入到聚乙烯混合物中。
所述的挤压物经成型后形成的薄膜材料，经冷却后的厚度范围为0.5-1.0mm或其厚度为1-5mm。
在相对的二层材料之间夹有所述的薄膜材料，以便于该成型的薄膜材料以后的处理及加工。
所述的薄膜或管材在室温下冷却，室温系指20-30℃，开始使充气分子收缩，然后允许分子恢复到膨胀状态。
所述的混合物经螺旋输送器传送，整个时间约需30分钟至1小时。
在贮存时，需用一种覆盖物至少覆盖住所述薄膜的一侧。
所述的覆盖材料是从包括尼龙、乙烯基树脂、塑料、薄棉纱布、极薄的布织物等的一组中选择出来的。
所述的覆盖材料至少粘附在该薄膜的外表面没有涂敷保护物的一侧。
所述的聚乙烯薄膜是附着在以下物品内作为衬里材料：帐篷、睡袋、毯子、垫子、背包、救生艇、甲板躺椅和衣服。
所述的聚乙烯薄膜作为衬里材料附着在衣服或外套上。
通过以下细节的描述，再配合附图将可以更好的理解本发明，它系统的描述了该发明的工艺流程。
图1实现该发明的具体工艺流程平面示意图
图2图1中箭头II所示位置的俯视图
图3根据本发明的工艺流程生产低密度聚乙烯的原始挤压装置或加热管道的部分截面剖视图
图4根据本发明生产聚乙烯工艺中挤压后膨胀区和冷却区示意图
根据本发明，以及如图所示，按传统工艺混合制备的低密度聚乙烯，例如，放在进料漏斗1里，首先将第1种发泡剂、表面活化剂以及分离剂搅拌在一起形成一种干燥的混合物2。将这种干燥的混合物2输送到一个封闭的加热管道3，在这里进行一系列不同温度下的加工。一个传统的热耦合控制箱4用于控制加热管道3中每一个加工阶段所要求的特定温度。
一个传统的送料线圈或螺旋通过加热管道的第一部分3A传送混合物。一个压力箱6配置在加热管道的输入端提供压缩空气，通过加热管道以协助传送混合物。
在加热管道的第一阶段3A，混合物被加热到某一温度，比如170℃左右，以形成一种熔化的和软化的聚乙烯物质。在加热管道的第二阶段3B，熔化的物质被加热到某一温度(取决于发泡剂的气化温度，例如200℃)有效地将发泡剂气化并进一步熔化聚乙烯物质。发泡剂和空气开始穿透熔化的低密度聚乙烯团块的分子，分子开始膨胀。某种发泡剂的气化释放出氮气(N2)和一氧化碳(CO)，两者相互反应生产二氧化碳(CO2)，然后CO2渗透到低密度的聚乙烯分子中，引起这些分子产生泡沫和膨胀，即发泡。
在加热管道的第三段3C，膨化的聚乙烯被处理到某一温度，比如大约150℃，使部分已膨胀的聚乙烯物质的分子收缩和硬化。
低密度的聚乙烯(LDPE)在加工工艺方面也是大家很熟知的，它的密度相对于水的密度比值——约0.910-0.925，这里水的密度被看作是1。密度更高的聚乙烯在这个发明中是不适用的。
起初将低密度的聚乙烯与合适的发泡剂混合成粉状物，发泡剂包括含氮二碳酰胺(Azodicarbonamide)(市场上可获得的是Celogen AZ Kempore，气化温度约为195℃)，N-N2-硝基-5-甲基四胺(N，N’-dinitrosopentamethylene-tetramine)(市场上可得的是UnicelNDX，气化温度约195℃)和4-4’二羟基聚合物，4，4’Oxybis)(市场可得的是Celogen OT，气化温度约150℃)。所加发泡剂的数量大约是聚乙烯重量的1％。发泡剂的数量超过1％，对本发明的目标是无用处的，因为聚乙烯分子会发生过度膨胀。同样，发泡剂的数量少于1％，也不会使聚乙烯分子相对于本发明目标有效的膨胀。
含氮二碳酰胺(Azodicarbonamide)是首选的发泡剂，尤其是在做衣服、睡袋及其它贴身穿或用的物品的衬里等方面。它是无味无毒的，不会使最终产品褪色，能产生最大数量的发泡气体。相比而言，每克固体的含氮二碳酰胺(Azodicarbonamide)产生220cc气体，而4-4二羟基聚合物(4.4’Oxbis)仅产生130cc/g气体，N-N’2-硝基-5-甲基四胺约生产210cc/g气体。
将合适的表面活化剂首先与低密度的聚乙烯混合形成粉状物，表面活化剂可用氧化锌(ZnO)或氧化钙(CaO)或碳酸钙(CaCO3)。表面活化剂重量是聚乙烯重量的0.10％-0.23％。
表面活化剂有几个重要作用。首先，它激活了发泡过程，同时防止LDPE分子在发泡过程中过速膨胀。其次，在发泡过程中使加热管道3中的温度逐渐降低。例如，在将含氮二碳酰(Azodicarbonamide)用作发泡剂的地方，表面活化剂有助于在加热管道3的第三部分3C将温度维持在150℃左右。缺少这种活化剂，气化发泡剂就会将温度提升到约196℃，引起本发明所没预料到的过度充气。
在初始的混合步骤中，可以但并非必须加入分离剂。起初同低密度聚乙烯混合的较适合的分离剂就是碳化锌(ZnC)。分离剂最好是以粉状物加入，有助于防止LDPE粘在线圈5或加热管道3的内壁面上。加入的分离剂的数量大约是聚乙烯重量的0.3％。
在加热管道的第4个阶段3D，一种气体发泡剂7被加入到聚乙烯物质中使之进入第二阶段的分子膨胀，以及强化该物质的发泡分子。这一种发泡剂是在约35kg/cm2的压强下加入的。
尽管液体石油气(LPG)或氟氯烷(Freon)与液体石油气的混合物也许是可用的，但这种气体发泡剂一一氟氯烷(Freon)，因二氯氟甲烷的知名商标，不失为更好的发泡剂。其它适宜的气体发泡剂有1-氯-2-氟甲烷和2-氯-2-氟乙烷。LPG的优点是价格不高，尽管它有潜在的有毒影响。因此，为做衣服、睡袋等的衬里。而制备膨胀聚乙烯过程中，所用发泡剂应优先选择没有潜在毒副作用的。
在加入了气体发泡剂和聚乙烯物质的再次膨胀后，这种物质就会被送进加热管道的第五个阶段3E，在这个阶段温度约为100℃，物质开始冷却。100℃的处理为这种物质正确而有效的切割作好了准备。这就完成了加热和发泡过程。
加热管道3的第一部分到第五部分即从3A到3E要花30分钟到1个小时才能完成。每一部分大约用相同的时间。
膨胀的物质继续运动通过加热管道的第二部分8，在这里加热管道内不再有送料线圈或螺旋。
在加热管道的第二部分8，适当数量的膨胀物质被切割，例如用一个传统的切割刀片9切割，膨胀物质仍处于软化状态。当然，这个适当数量取决于最终所需要的薄膜或管材的尺寸。
被切割的膨胀过的物质紧接着在加热管道8A处温度被控制在105℃左右，再通过一个模具和心轴20在常压和室温下挤压到一个自由膨胀区10和冷却区11内。由于100℃左右的温度对适度挤压而言太冷，因此切割后物质的温度必须有轻微的升高。挤压之后，发泡的聚乙烯物质在常压下自然的膨胀但不是爆发性的膨胀，在室温下短时间(比如几秒种)的冷却。然后，冷却后的聚乙烯物质通过传统方式13形成薄膜材料12或通过传统方式形成管状物(图中没有示意)。相应的厚度或直径分别取决于产品的最终预期用途。
薄膜12或管材可以被卷成筒形25，然后在室温下(20-30℃，最好是25℃)，冷却至少24小时，在这24小时的冷却期间，薄膜或管材要经历两个阶段。起初，当被吸附的发泡剂和空气脱离分子时，膨胀的物质分子就萎缩了。随后，在超过24小时的期间内，空气重新穿透这些分子使它们膨胀到一个稳定的中间阶段。
最终产品是低密度的聚乙烯，其中包括无数充满空气的小分子形成的一个封闭包裹着的网状结构。最终产品的重量与初始的低密度聚乙烯的重量是一致的。这样，例如25kg的低密度聚乙烯就生产了25kg的最终薄膜产品。
本发明提供了一个经发泡和膨胀的低密度聚乙烯薄膜或管材的分子结构简式：-(CH2-CH2)-，其重量在14.35-25.12g/m2范围内，厚度大约为0.5-1.0mm。这种薄膜以超凡的浮力和保温性能为特征。例如，300g的成品聚乙烯膜能够漂浮起大于130kg的重物。聚乙烯薄膜制成品相对于水的密度比在0.40-0.55之间，这里水的密度被认定为1。另外，这种经膨胀和发泡的低密度聚乙烯薄膜或管材还具有御寒、防水和防潮的功能。
本发明所制备的经膨胀和发泡的低密度聚乙烯可以形成任何厚度的薄膜，但最佳厚度是0.5-5.0mm之间，对于服装而言，该薄膜的厚度应不低于0.5mm且不超过1.0mm。厚度低于0.5mm的薄膜在本发明中不具有足够的浮力且不实用。相反，厚度超过1mm的薄膜也不适用于本发明的服装加工，因为用它们制成的服装不舒适。根据本发明在低密度聚乙烯薄膜用作帐篷、睡袋、毯子和类似物品的衬里的地方，厚度达到5mm可能具有优势而不会使其显得臃肿和累赘。在混合的工序中，可加入适量的传统的添加剂以赋予最终产品额外的性能，例如添加防水的抗燃剂，如锡。这些传统的添加剂增加了产成品的重量，但不会明显影响最终产品的漂浮性能或保温性能。典型的添加剂包括占聚乙烯重量的0.1％-0.2％的交叉连接剂，诸如含氮成型酰胺(ABFA)或过氧化物，这可以粉状物加入以提高终产品的抗撕裂性能，还需加入0.1％的紫外吸收剂，可防止褪色。经发泡和膨胀的聚乙烯形成薄膜之后或在薄膜形成的同时，可以把聚乙烯夹在某种材料如尼龙、乙烯基塑料、塑料的薄层之间，出于此时聚乙烯仍处于某种程式度的软化状态，所以夹层材料就轻微地粘附在聚乙烯上。更重要的是，此刻的夹层易使聚乙烯附加上一层覆盖材料，终产品的切割以及运输更为省事。另外，这样的材料覆盖延长了薄膜的寿命。
根据本发明生产的低密度发泡聚乙烯的储藏不需要特殊条件，即使在考虑到产品的防水和防潮性能，最后24小时的冷却阶段也不需要。
而且，在这个过程中没有聚乙烯废料产生。例如，10g低密度聚乙烯原材料依据本发明可生产10g经膨胀与发泡的低密度聚乙烯。
依据本发明生产的聚乙烯管材的直径随最终用途而定。挤压出的管材可以是实心的也可以是空心的，在提供船舶周围漂浮材料方面具有特别用途。
下文中的例子描绘了本发明基本原则的运用。然而，这并不能也不应理解为限制本发明范围的理由。
实施例
25kg的低密度聚乙烯在一个进料斗里同250g含氮二碳酰、40g氧化锌(ZnO)和75g碳化锌(ZnC)相混合。将混合物送进一个内置有螺旋输送器的加热管道，正是这个螺旋输送器通过这个管道供给混合物。从一个压力箱中供给的空气协助传送混合物。在管道的第一部分将混合物加热至170℃而熔化。熔化的物质流过管道的第二部分，保持200℃的温度，在这里含氮二碳酰气化进入聚乙烯分子并使其膨胀。然后在第三部分这些物质的温度被控制到150℃使其冷却下来，由此使这些分子变硬并轻微收缩。接着按35kg/cm2的进料量加入氟氯烷以进一步使这些物质膨胀和发泡。下一步将这些物质的温度降至100℃使其符合切割条件。用切割刀切割团块状物质，直到把通过管道传送来的团块状物全部切割完，再将该物质的温度升高到105℃，为下一道挤压工序做好准备。将该物质在室温条件下挤压到膨胀室中。物料开始膨胀，但不会迅速扩张(爆发)。经挤压后的物料冷却几秒钟后，就通过一个辊轴将其成型为1mm厚的薄膜。连续的薄膜被加工成4个卷筒形，然后在25℃下贮存24小时。最终产品为经膨胀和发泡的厚度为1mm的聚乙烯薄膜，1卷长300m，单位重量25.12g/m2，热透射比为6.70W/(m2·℃)，传热率为52.5％(ASTMD1518)，吸水率为0.0041g/cm3(BS3595-1969)，密度0.0251-0.0285g/cm3，300g聚乙烯成品薄膜可使大于130kg的体重漂浮在水上，贮存时用覆盖物盖住薄膜的一侧。
本发明的经发泡和膨胀的低密度聚乙烯具有许多的用途，如服装、睡袋、毯子、垫子运动服衬里，以及其他休闲设备如帐篷、旅行包、背包、救生艇、舱面座椅和其他相关物品。由于本发明的低密度聚乙烯产品兼有超强漂浮能力和绝热保温性能，就没有必要再配备水上安全工具了。单纯一件由本发明所生产的衬里材料附在衣服或外套上，做的衣服既可用作防风御寒的保暖外套，又可用作应付一般漂浮和应急的漂浮装置。另外，为上述目的，本发明还提供一种质量轻、质地薄的衣服，穿着舒适而不累赘，因此既可增添乐趣，又很安全。
该发明提供一种衬里材料和服装，即使衣服被撕开或撕破，其浮力和漂浮能力仍保持不变。而且，毯子和睡袋也具有漂浮特性，可用作辅助的漂浮装置。例如，滑水的人所穿的累赘的安全背心就可用一种薄的质量轻的安全背心替代，因此，可改善娱乐运动中的安全性和灵活机动性。
传统的打猎、捕鱼、野营和军人用衣服及相关设备均可由本发明大大的改进，生产一种衣服，可用于穿着下乡时保暖，应付各种如突然落水或涉水过河等情况。应用本发明于生产军队制服、外套、宽大的防水服可增强士兵在战争中的能力本发明的聚乙烯产品还可用作绝热材料，如军用无线电装置等等。
如果本发明参照具体的和更合适的细节描述，将会更易于理解。但由于受某种限制，未能详细描述，在本发明的精神和范围内的有关对常规工艺的各种修改均包括在本发明的权利要求范围内。
Claims (9)
1.一种具有超强浮力、御寒和防水性的柔韧的低密度发泡聚乙烯薄膜或管材的生产方法，其特征是：它包括：
(1)将低密度聚乙烯与占其质量1％的含氮二碳酰胺作为发泡剂，0.1％-0.2％的氧化锌(ZnO)作为表面活化剂和0.3％的碳化锌(ZnC)作为分离剂在锥形容器中混合，形成干燥的颗粒状混合物；
(2)压力箱提供的压力气体将混合物从锥形容器经由一个安装在加热管道第一部分内的螺旋输送器输送到加热管内：
i)将混合物加热到170℃，形成一种软化物质；
ii)将软化物的温度提高到200℃，将发泡剂气化，使低密度聚乙烯发泡和膨胀，以便在软化物中形成充气分子；
iii)降低经发泡和膨胀后的聚乙烯物质的温度至150℃，使充气分子部分收缩和硬化；
iv)将气态的二氯氟甲烷作为发泡剂加入到聚乙烯物料中，使聚乙烯进一步发泡和膨胀，以增加聚乙烯中充气分子的强度；
v)将混合物冷却到约100℃，为切割作好准备；
(3)在所述的加热管第二部分中，将聚乙烯切割成预定数量的块状物；
(4)通过所述的加热管第二部分中的无螺旋输送器将已经切割的块状物向挤压管输送，然后再将块状物加热到105℃，为下一步挤压做好准备；
(5)在室温和大气压强下，将经过再加热的物质从无螺旋输送器中的模具中挤出，进入到一个自由膨胀区，充气分子在此自然膨胀，但在室温和常压下不会爆发性膨胀；
(6)将挤压物成型为薄膜材料或管状材料；
(7)在室温下将薄膜材料或管材冷却至少24小时，以形成具有超强浮力和绝热保温性能的可压缩低密度聚乙烯薄膜或管材。
2.根据权利要求1所述的的低密度发泡聚乙烯薄膜或管材的生产方法，其特征是：所述的低密度聚乙烯的密度对水密度的比值为0.910-0.925。
3.根据权利要求1所述的低密度发泡聚乙烯薄膜或管材的生产方法，其特征是：所述的表面活化剂氧化锌(ZnO)可用氧化钙(CaO)或碳酸钙(CaCO3)代替。
4.根据权利要求1所述的低密度发泡聚乙烯薄膜或管材的生产方法，其特征是：将所述的二氯氟甲烷以35kg/cm2的压强加入到聚乙烯混合物中。
5.根据权利要求1所述的低密度发泡聚乙烯薄膜或管材的生产方法，其特征是：所述的挤压物经成型后形成的薄膜材料，经冷却后的厚度范围为0.5-1.0mm。
6.根据权利要求1所述的低密度发泡聚乙烯薄膜或管材的生产方法，其特征是：所述的挤压物经成型后的薄膜材料经冷却后，其厚度为5mm。
7.根据权利要求5所述的低密度发泡聚乙烯薄膜或管材的生产方法，其特征是：在相对的二层材料之间夹有所述的薄膜材料，以便于该成型的薄膜材料以后的处理及加工。
8.根据权利要求1所述的低密度发泡聚乙烯薄膜或管材的生产方法，其特征是：所述的薄膜或管材在室温下冷却，室温系指20-30℃，开始使充气分子收缩，然后允许分子恢复到膨胀状态。
9.根据权利要求1所述的低密度发泡聚乙烯薄膜或管材的生产方法，其特征是：所述的混合物经螺旋输送器传送，整个时间需30分钟至1小时。
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