CN1455728A - 在惰性气氛中形成塑料制品的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使聚合物的惰性气氛中成形来生产塑料制品的装置。该装置包括：一个料斗；一个进料螺杆；及用于使熔化的聚合物成形的装置。用于喷射惰性气体的装置包括：一个气体输送管道；在料斗壁附近的一个气体喷射表面；及安装在料斗壁和气体输送管道之间的一个匀质化腔。朝向喷射表面的气体输送管道的一端被封闭，且在该端处布置有至少一个径向开口o以使气体在与管道中的气流流动方向相垂直的方向喷射。

Description

在惰性气氛中形成塑料制品的装置
技术领域
本发明涉及一种惰性处理方法，该方法用于通过挤出或注射成型的方式来生产塑料制品。
背景技术
塑料的挤出或注射成型是一种公知的工艺，该工艺包括：将聚合物熔化且将熔化的聚合物连续输送至一个模或注射成型头中以使其成形。通常情况下，该工艺过程利用了：
■一个聚合物料斗，粉末状或颗粒状的聚合物被送入该料斗中；
■对来自料斗的聚合物进行输送、加热和混合的装置，例如一个被加热的进料螺杆；
■由模件端头(机头)构成的一个挤出机头以将聚合物形成所需的形状，或者是将聚合物喷注入一个模中所用的一个端头。
已知的情况为：在这种类型的处理过程中，特别是在进料螺杆中进行的熔化步骤中，某些聚合物对存在的氧气是很敏感的，氧气降低了最终形成的塑料的性能(使塑料变黄；聚合物产生交联；使聚合物的分子质量产生变化)。申请人已发现：氧气的存在可导致：
■成形装置变脏，因此，就必须对制造工具进行清洁，这样，就需要不断停止制造工具运行而进行清理，从而提高了维护成本且降低了产量；
■在所形成的聚合物表面上存在积淀物。
为消除所制造的最终塑料产品的劣化问题，已知的方式是向最初的聚合物中添加抗氧化剂。但是，这些添加剂显著增大了塑料制品的生产成本。现有技术中的另一种方法是在惰性气体中形成聚合物。例如，在欧洲专利申请EP-A1-0 760 278中即提出了这样一种方法。根据在该申请中所描述的方法，只有在进料螺杆上的一个精确位置处引进惰性气体才能得到最好的惰性处理效果。在现有的设备中将惰性气体引入进料螺杆可被证明是很复杂的，或者甚至是不可能实现的，这是由于惰性气体的引入需要对螺杆的柱形体进行钻孔，而这种钻孔操作不能干扰螺杆的随后运行。此外，这种优选的执行方式只能将氮中所存留的氧的含量降低1％(容积比)。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的装置以在惰性气氛中使聚合物成形，该装置可特别容易地对现有的设备进行改善，而将氧的含量降低得比
现有技术中要低。
为实现该目的，首先，本发明涉及一种通过成形聚合物来制造塑料制品的装置，该装置包括：
——一个聚合物料斗；
——对聚合物进行加热且使熔化的聚合物运动的装置；
——使熔化的聚合物成形的装置；
——至少一个将气体喷入料斗中的装置，
所述的气体喷射装置包括：
·至少一个处于料斗壁附近的气体喷射表面；
·将气体经由气体喷射表面而送入料斗中的一个管道：
    管道的一端与一个气体供应部相连，
    朝向喷射表面的管道的另一端被封闭，
    该管道具有至少一个径向开口o以使气体在与管道中的流动方
向相垂直的方向喷射；
·安装在料斗的壁和气体输送管道壁之间的一个匀质化腔，这样，离开开口o的气体就经由喷射表面进入料斗中。
对聚合物进行加热且使熔化的聚合物运动的装置总体上由一个温度控制筒构成，在该温度控制筒中布置有至少一个进料螺杆。这种类型的螺杆对熔化的聚合物进行拌合。在挤出的情况下，用于使聚合物熔体成形的装置通常是一个模件端头，该模件端头具有与所需的成形操作相适应的几何形状，所述的几何形状为：片形；膜形(平坦模件)；轮廓形；管形(圆形模件)。如果利用注射成型的方法使熔化的聚合物成形，该成形装置就是一个模件。
料斗通常是一个具有漏斗形排放部分的容器，聚合物在重力作用下流过该排放部分。料斗可以包括对聚合物的流量进行调整的装置，例如：用于调整的装置为转动或振动搅拌器或一个加压螺杆(forcing screw)。根据本发明，在料斗的至少一个壁中具有一个气体喷射装置。该气体喷射装置包括在料斗壁附近的至少一个气体喷射表面。该气体喷射表面可包括一个多孔的基体或多个喷口，优选包括至少一个喷口O。该喷口O可以是在料斗壁中或在一个盘中直接钻出的，所述盘本身在壁中的一个位置处被紧固在料斗壁上，在该位置处存在一个开口。后一种实施例与这种情况相对应，在该情况中本发明被施加到正被使用和应该被适配的一种成形装置上，这样就可利用一个盘来替换通常在料斗壁中存在的一个观察窗口，所述盘被钻有至少一个喷口O且被紧固到料斗壁上。喷口或多个喷口O最好形成了朝着料斗的底面定向的一个气流路径，喷口或多个喷口的轴线与水平线至少成30°的角。优选将气体喷射装置定位在料斗内的聚合物路径的后面而不穿过料斗的内部容积。这样就可使气体喷射装置与料斗的内壁相齐平。在气体喷口O是在料斗壁中钻出的一个单个孔时即为这种情况。根据一个非常特殊的实施例，可利用一个多孔基体来替换喷口或多个喷口O。
这些喷口O形成将气体喷射入料斗所用装置的一部分，该装置还包括将气体送入这些气体喷口O中的一个管道及安装在料斗壁和输送管道壁之间的一个匀质化腔。匀质化腔可为任何可能的形状。该匀质化腔的容积优选是固定的，这样，气体在该腔中的速度就小于在料斗壁中所钻出的喷口或多个喷口O中的速度。必须对所述匀质化腔进行密封以确保来自气体输送管道的气体进入气体喷口O。例如，可在与料斗壁相接触的匀质化腔的边缘周围及在与输送管道壁相接触的匀质化腔的边缘周围布置弹性体密封件。
根据本发明的一个优选实施例，与料斗壁相接触的匀质化腔的截面积A及在料斗壁中钻出的气体喷口O的截面积ai满足下述关系：即比率A/∑ai大于或等于1，优选大于或等于1.5，∑ai代表喷口O的截面积总和。为实际应用的原因，在料斗壁上钻出的气体喷口O均具有相同的截面积a。
气体经由输送管道进入匀质化腔中，所述管道可具有不同形状的截面，如圆形、四边形或矩形。管道的一端与惰性气体如氮气的供应部相连。管道的另一端朝着喷口或多个喷口O且在其截面中将其封闭。该管道具有至少一个径向开口o以使气体在与管道内的流动方向相垂直的方向朝着匀质化腔喷射。如果存在多个开口o，这些开口o通常布置在气体输送管道的同一截面中。根据该优选实施例，气体输送管道的内截面积S和开口o的截面积si满足下述关系：即比率S/∑si大于或等于1，优选大于或等于1.5，∑si代表开口o的截面积总和。气体输送管道中的径向开口或多个径向开口o均具有相同的截面积s。根据一个特别的实施例，气体输送管道具有布置在管道同一截面中的四个开口o。
本发明的技术特征可使其在料斗中得到层流气体，且气体的流速不会对料斗中的聚合物的流动造成干扰。
如果在料斗壁中存在多个喷口O，根据本发明将气体喷射入料斗中的装置使得可在每个喷口O中得到同样的惰性气体流速。
喷射装置可被布置在料斗中相对于上述螺杆的任何高度处且不会使惰性处理结果产生变化。
根据料斗的直径而可在料斗壁中布置多个上述类型的喷射装置。这些喷射装置通常在料斗中相对于螺杆而布置在相同高度处且相互等距离布置。
通过使用本发明的装置，被引入料斗中的惰性气体首先与聚合物一起被送入挤出机，然后，相对于聚合物的流动方向而逆向朝着料斗流动，最后将惰性气体从挤出机而经料斗排出。这样就可在料斗区域中形成一个惰性气体的缓冲部。
所述气体为对聚合物进行惰性处理通常应用的任何惰性气体。通常情况下，所述惰性气体，优选为通过低温处理得到的氮。也可能利用所谓的不纯净氮，即可包含有氧气和/或氩气甚至CO或CO2的氮，氮在气体中的含量至少为95％，而氧气的含量至多为5％。这种类型的不纯净氮基气体是利用一个薄膜将气体与空气进行分离处理而产生的。不过，只有在希望得到氧气含量非常低的气氛时才可利用这种类型的气体，也就是说，氧气的容积比最高可能达5％。可选择的情况为：在喷射之前可将该气体预热至接近待处理聚合物的熔点的一个温度。但是，这种预热处理对惰性处理的质量没有影响。
通过喷射经低温处理的氮气，根据本发明的装置可在一种气氛中使聚合物成形。根据被引进的聚合物的形态和流速，对于氮气的喷射速度小于50m/s或实际上小于20m/s甚至小于3m/s的情况，上述气氛中具有小于100ppm的氧气。还发现：这种装置显著减少了进料螺杆和模件端头的脏污，从而减少了对机器进行清洁所需的时间而提高了生产率。这样就可减少或甚至省去抗氧化剂的应用。
根据本发明的装置的一个优点在于：惰性气体喷射装置可相对于螺杆而布置在料斗上的任何高度处且不影响惰性处理效果。因此，这样就可通过对现有设备进行按具体要求的变化以适应各种特殊情况。
另一个优点在于：在加工过程中的一个单个的点处喷射惰性气体就可得到非常有效的惰性处理效果且不必对气体进行加热。
本发明还涉及上述装置的用途，所述装置特别通过挤出而使所引入的颗粒或粉末形式的高密度或低密度的聚乙烯或聚丙烯成形。
最后，本发明涉及一种气体喷射装置，该喷射装置可被安装在需要喷射气体如惰性气体的任一类型装置的料斗中。该喷射装置包括：
·一个气体输送管道：
    该管道的一端与一个气体供应部相连；
    该管道的另一端封闭；
    该管道具有至少一个径向开口o以使气体在与管道中的气体流
动方向相垂直的方向喷射；和
·与气体输送管道配合使用的一个匀质化腔，这样，从开口o喷射出的气体就进入该匀质化腔中。
该喷射装置的优选技术特征与上面所述的生产塑料制品的装置的技术特征相同，所述装置利用同样的气体喷射装置将聚合物成形而形成塑料制品。该喷射装置可被紧固到于料斗壁中钻出的一个孔之上，从而将气体输送到料斗中，优选的情况为：该喷射装置体现了由上述的截面积比率A∑ai所限定的技术特征(A为与料斗壁相接触的匀质化腔的截面积，而ai为在料斗壁中所钻出的气体喷口O的截面积)。该气体喷射装置可适配于需要将气体喷入其料斗的所有装置，所述装置可以是用于低温研磨食品或塑料的装置。
附图的简要说明
图1和图2示意性地显示了适用于实施本发明的装置的截面。该装置安装在可将聚合物引入一个进料螺杆的通道中的料斗上，该螺杆将聚合物送入一个模件端头中。
具体实施方式的描述
在图1中，在料斗(1)的壁上布置有一个气体喷射装置。该气体喷射装置包括：
·在取代观察窗口而螺纹(钉)固定到料斗壁上的一个盘(5)中钻出的3个直径为0.55cm的圆形气体喷口O(21)；这些喷口O(21)以相对于水平线成30°的角度向下定向；
·将气体送入这些气体喷口O(21)中的一个管道(3)。该管道是一个直径为1.5cm且截面为圆形的管道。管道的端部(31)与一个气体供应部相连。管道的另一端(32)被堵塞住。在靠近被堵塞端(32)的部分中，该管道具有四个直径(0.5cm)相同的圆形开口o(33)，这四个圆形开口o(33)布置在管道的同一截面上且相互等间隔布置。比率S/∑si为2.25；
·一个匀质化腔(4)，该匀质化腔的截面呈圆形且其内径为3.6cm。一个有机硅密封件(6)相对于料斗壁而对该匀质化腔进行密封。比率A/∑ai为14.3。
在图2中，料斗包括一种将气体喷入料斗中的装置。该装置包括：
·在取代观察窗口而螺纹(钉)固定到料斗壁上的一个盘中钻出的7个直径为0.5cm的圆形气体喷口O(21)；这些喷口O(21)以相对于水平线以30°的角度向下定向；
·将气体送入这些气体喷口O(21)中的一个管道(3)。该管道是一个直径为1.5cm且截面为圆形的管道。管道的端部(31)与一个气体供应部相连。管道的另一端(32)被堵塞住。在靠近被堵塞端(32)的部分中，该管道具有四个直径(0.5cm)相同的圆形开口o(33)，这四个圆形开口o(33)布置在管道的同一截面上且相互等间隔布置。比率S/∑si为2.25；
·一个匀质化腔(4)，该匀质化腔的截面呈圆形且其内径为5cm。一个有机硅密封件(6)使该匀质化腔相对于料斗壁而进行密封。比率A/∑ai为25。示例例1
将图1所示的气体喷射装置在进料螺杆之上的距离为1.50m的一个位置处布置到料斗壁上。向料斗供应粉末形式的聚乙烯。粉末的微粒尺寸为2.5mm且其给料速度为12kg/h。
将通过一个低温单元输出的氮气经由端部(31)而以1.5m3/h的流速导入输送管道(3)中。
在料斗和进料螺杆之间插入一个取样阀，该取样阀与具有电化学单元的一个分析仪的探头相连以检测氧气的量。利用该探头发现在料斗和进料螺杆之间的气氛中的氧气含量为140ppm。例2
将喷射装置放置在进料螺杆之上30cm的距离处，重复进行例1中的操作步骤。处理过程中的其他条件均相同。
可发现：在料斗和进料螺杆之间的气氛中的氧气含量为70ppm。例3
在进料螺杆之上的30cm的距离处将如图2所示的两个喷射装置面对面布置在料斗壁上。将颗粒形式的聚乙烯输送到料斗中。颗粒的微粒尺寸为2.5mm且其给料速度为300kg/h。
将通过一个低温单元输出的氮气经由端部(31)而以5m3/h的流速导入输送管道(3)中。
在料斗和进料螺杆之间插入一个取样阀，该取样阀与具有电化学单元的一个分析仪的探头相连以检测氧气的量。利用该探头发现在料斗和进料螺杆之间的空气中的氧气含量为30ppm。

Claims (11)

1、一种通过成形聚合物来制造塑料制品的装置，该装置包括：
——一个聚合物料斗(1)；
——对聚合物进行加热且使熔化的聚合物运动的装置；
——使熔化的聚合物成形的装置；和
——至少一个将气体喷入料斗中的装置，
其特征在于：该气体喷射装置包括：
·至少一个处于料斗(1)壁附近的气体喷射表面(2)；
·将气体经由气体喷射表面而送入料斗中的一个管道(3)：
    管道的一端(31)与一个气体供应部相连，
    朝向喷射表面的管道的另一端(32)封闭，
    该管道具有至少一个径向开口o(33)以使气体在与管道中的流
动方向相垂直的方向喷射；
·安装在料斗壁和气体输送管道(3)的壁之间的一个匀质化腔(4)，这样，离开开口o(33)的气体就经由喷射表面进入料斗中。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：料斗(1)的壁附近的气体喷射表面(2)包括至少一个喷口O(21)。
3、根据权利要求1或2所述的装置：其特征在于：与料斗壁相接触的匀质化腔(4)的截面积A及在料斗(1)的壁中钻出的气体喷口O(21)的截面积ai满足下述关系：即比率A/∑ai大于或等于1，优选大于或等于1.5，∑ai代表喷口O(21)的截面积总和。
4、根据权利要求2和3之一所述的装置，其特征在于：在料斗(1)的壁中钻出的气体喷口O(21)形成了一个朝着料斗(1)的底部定向的气流路径。
5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：料斗(1)的壁附近的气体喷射表面(2)由一个多孔基体构成。
6、根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于：气体喷射装置定位在料斗(1)中的聚合物路径的后面。
7、根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于：气体输送管道(3)的内截面积S和开口o的截面积si满足下述关系：即比率S/∑si大于或等于1，优选大于或等于1.5，∑si代表开口o(33)的截面积总和。
8、根据权利要求1-7之一所述的装置的用途，该装置用于挤出聚乙烯或聚丙烯。
9、可被安装在需要喷射气体的任一类型装置的料斗(1)中的气体喷射装置，其特征在于该喷射装置包括：
·一个气体输送管道(3)：
    该管道的一端(31)与一个气体供应部相连，
    该管道的另一端(32)封闭，
    该管道具有至少一个径向开口o(33)以使气体在与管道中
的气体流动方向相垂直的方向喷射；和
·安装在料斗壁和气体输送管道(3)之间的一个匀质化腔(4)，这样，从开口o(33)喷射出的气体就进入该匀质化腔中。
10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于：气体输送管道(3)的内截面积S和开口o的截面积si满足下述关系：即比率S/∑si大于或等于1，优选大于或等于1.5，∑si代表开口o(33)的截面积si的总和。
11、根据权利要求9或10所述的通过对一种设备进行惰性处理以通过使聚合物成形来生产塑料制品的装置的用途。
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