SE452471B - Forfarande for expandering av termoplastiska mikrosferer - Google Patents

Description

10. 15. 20. 25. 30. 35. 452 471 utbredning av en mikrosfär-slurry i ett tunt skikt på ett band med påföljande värmetillförsel. Även om skiktet är tunt kan det inte undvikas att värmetíllförseln till centralt be- lägna delar av massan blir sämre än till ytligt belägna delar.

. Partiklarna kommer dessutom i detta förfarande att vara i kon- takt med varandra i uppvärmt tillstånd under relativt lång tid vilket ger hög agglomereringsrisk. Den amerikanska patentskríf- ten 3,779,95l föreslår användning av glykoler som smörjmedel mellan partiklarna för att förhindra agglomerering. Förutom att på detta sätt en i flertalet fall icke önskvärd komponent tillföres mikrosfärerna löser tillsatsen inte problemet med att få en jämn värmetillförsel. Enligt den amerikanska patent- skriften 3,9l4,36O skall mikrosfärerna expanderas genom att transporteras genom en uppvärmd statisk blandare. Även om den kontinuerliga blandningen förbättrar värmeöverföringen blir denna inte fullständig på grund av de expanderade partiklar- nas isolerande effekt. Ingenting i detta förfarande hindrar heller en pågående agglomerering mellan partiklarna såväl un- der expansionsfasen som i den erhållna varma kakan av expanderade sfären. Det svenska patentet 439599 föreslår atomisering av en mikrosfärslurry i varm ínert gas varvid sfärerna torkar och därefter expanderar i dispergerat till- stånd till en fririnnande produkt. Stora gas- och apparatvo- lymer fordras emellertid för detta förfarande. På marknaden finns även en metod vid vilken slurryn inmatas i ett rör till- sammans med ånga varvid partiklarna expanderar- Problemet med denna metod är att de ur röret utträdande expanderade partik- larna måste kylas direkt med vatten för att inte agglomerera och denna vattentillsats tillsammans med den relativt låga torrhalten på ingående slurry ger en slutprodukt med otill- fredsställande låg torrhalt. Om kylvattnet inte tillföres el- ler om det ersätts med kylluft eller kyld apparatmantel erhål- les en produkt av sammansmälta partiklar.

Uppfinningen allmänt Ändamålet med föreliggande uppfinning är att undvika de ovannämnda problemen. Särskilt har uppfinningen till ändamål att möjliggöra jämn och fullständig expansion av expanderbara mikrosfärer till en jämn produkt utan inbördes agglomererade mikrosfärer. Ett annat ändamål är att möjliggöra expansion av 10. 15. 20. 25. 30. 35- 452 471 3 e mikrosfärerna till en produkt med hög torrhalt, utan särskilt torksteg. Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att möj- liggöra dessa fördelar med användning av små apparatvolymer och enkel utrustning i en kontinuerlig process.

Dessa ändamål uppnås med hjälp av de i patentkraven an- givna kännetecknen.

Genom att kontakta en uppslamning av mikrosfärerna med ånga tillförsäkras partiklarna jämn värmetillförsel även se- dan partiklarna börjat expandera. Värmeöverföringen mellan partiklarna och ångan är snabb och effektiv vilket innebär att den erforderliga upphettningen av partiklarna kan ske inom en mycket liten zon och därmed i en mycket liten appa- ratvolym. Eftersom värmeöverföringen är snabb kan en kylfas inträda strax efter expansionsfasen vilket minskar risken för agglomerering. Genom att ångan tillföres direkt till upp- slamningen i en tryckzon sker ingen egentlig dispergering av de oexpanderade eller de expanderade partiklarna i gasfas utan under hela expansionsfasen hålls massan samman vilket bidrar till att apparatvolymen och ângkonsumtionen kan hål- las nere. Användningen av en tryckzon innebär också att frik- tionsförlusterna vid den expanderade massans strömning genom zonen utgör endast en liten del av hela trycket varför upp- slamningar med relativt hög torrhalt kan inmatas. Utströmning över ett avsevärt tryckfall medför att partiklarna accelere- ras kraftigt vid utloppet och lämnar detta med en hög hastig- het. Tryckfallet innebär samtidigt att partiklarna vid utträ- det fâr en hastig och relativt stor ytterligare expansion vilken tillsammans med hastighetsökningen sönderdelar den ut- strömmande massan till enskilda partiklar. Därmed avbryts den inbördes kontakten mellan partiklarna och agglomerering kan därefter inte ske. Expansionen konsumerar dessutom värme vil- ket bidrar till kylningen. Genom sönderdelningen och den has- tiga utströmningen erhålles vidare en kraftig växelverkan med det omgivande mediet så att varje partikel snabbt kyls och dessutom torkas genom avgång av vattenånga. Den snabba avkyl- ningen minskar ytterligare risken för agglomerering och andra skador på sfärernas skal samtidigt som torkningen ger en slut- produkt med endast ringa kvarhållen vattenmängd.

Ytterligare ändamål och fördelar med uppfinningen kommer 10. 15. 20. 25. 30. 35. 452 471 f» att framgå av den närmare beskrivningen nedan.

Detaljbeskrivning av uppfinningen Uppfinningen kan tillämpas för alla expanderbara termo- plastiska mikrosfärer.

Expanderbara mikrosfärer, deras framställning och an- vändning beskrivs i den amerikanska patentskriften 3,6l5,972.

Dessa partiklars termoplastiska skal kan t.ex. utgöras av polymerer eller sampolymerer, som bildats ur monomerer såsom vinylklorid, vinylidenklorid, akrylnitril, metakrylat eller styren. Partikelstorleken för de oexpanderade sfärerna och därmed för de expanderade sfärerna kan variera inom vida gränser och väljes med ledning av egenskaper som önskas hos den färdiga produkten. Som exempel på partikelstorlekar för oexpanderade sfärer må nämnas l pm till l mm, företrädesvis Zdpm till 0,5 mm och särskilt 54pm till 50;um. Vid ekpansio- nen ökar mikrosfärernas diameter med en faktor 2 till 5. De oexpanderade sfärerna innehåller flyktiga flytande jäsmedel, som förångas vid värmetillförsel. Dessa jäsmedel kan utgöras av freoner såsom triklorfluormetan, kolväten såsom n-pentan, i-pentan, neopentan, hutan, i~butan eller andra jäsmedel som konventionellt användes i míkrosfärer av här angivet slag. 5-50 viktprocent av mikrosfärens vikt kan lämpligen utgöras av jäsmedel. Exempel på en lämplig, kommersiellt tillgänglig mikrosfärprodukt är Expancel , som har ett termoplastiskt skal av en vinyliden/akrylnitrilsampolymer och isobutan som jäsmedel.

De expanderbara partiklarna kan användas inom många om- råden närhelst deras svällbarhet, låga densitet, flexibilitet eller egenskaper i övrigt är av värde, t.ex. i tryckfärger för relieftryck, som fyllmedel i plast och papper och som tillsatser i målarfärger och spackelmassor.

Mikrosfärerna bör föreligga i en uppslamning vid inmat- ningen till tryckzonen för att underlätta deras transport och pumpbarhet. Som uppslamningsmedel kan användas varje vätska som är inert i förhållande till sfärerna. Om en torr slutpro- önskas bör uppslamningsmedlet vara förångníngsbart. Vatten är ett föredraget uppslamningsmedel. Eftersom de oexpanderade mikrosfärerna normalt vid framställningen erhålles i form av vattenuppslamning kan en sådan produkt med fördel användas 10. l5. 20. 25. 30. 55. 452 471 s direkt i processen enligt uppfinningen, eventuellt efter en justering av torrhalten. Den nedre gränsen för torrhalten' på den inmatade uppslamningen bestäms huvudsakligen av den önskade torrhalten på slutprodukten. Den övre gränsen begrän- sas i huvudsak av uppslamningens pumpbarhet före expansionen och massans transporterbarhet genom tryckzonen efter expan- Det är betydligt enk- deformation av mikrosfä- sionen samt av agglomereringsrisken. lare att undvika sintring och annan rerna i samband med expansionen vid låga torrhalter jämfört med höga. Sintringsrisken är störst efter expansionen till följd av att den avsevärda förstoring av ytan hos partiklar- na som erhålles vid expansionen medför en motsvarande minsk- ning av vätskeskiktet mellan partiklarna. Den högsta möjliga torrhalten är därför också i viss mån beroende av expansions- graden för partiklarna. För partiklar, som enligt ovan expan- derar mellan 2 och 5 gånger linjärt och särskilt mellan 3 och 4 gånger, lämpar sig torrhalter mellan 5 och H5 viktprocent i förfarandet enligt uppfinningen och företrädesvis torrhal- ter mellan 15 och 25 viktprocent.

Förutom uppslamningen av mikrosfärer skall ånga inmatas i tryckzonen. Ångmängden och ängtemperaturen skall vara till- räcklig för att upphetta mikrosfärerna över jäsmedlets för- gasningstemperatur vid det aktuella trycket i tryckzonen och för att expandera partiklarna i denna zon. Förgasningstempe- raturen varierar med den använda termoplasten och med det an- vända jäsmedlet men ligger normalt mellan 80 och l50°C och särskilt mellan 90 och 12000, vilka temperaturer således bör föreligga i zonen. Det är lämpligt att tillföra ett över- skott av ånga jämfört med den mängd som motsvarar det mini- malt erforderliga energiinnehållet för att höja temperaturen och förgasa jäsmedlet. Ett överskott påskyndar värmeöverfö- ringen, förbättrar expansionsförloppets stabilitet och upp- rätthåller en gasfas i zonen, vilket underlättar frammatníng- en av den expanderade massan och sönderdelningen av denna då den lämnar tryckzonen. Ett lämpligt överskott ligger mellan 1,5 och 10 gånger den minimalt erforderliga mängdæn och sär- skilt mellan 2 och 5 gånger denna mängd. Ångtrycket skall na- tur. ftvis överstiga det rådande trycket i zonen och ångtill- förse." tillsammans med inpumpningen av uppslamningen kan an- 10. 15. 20. 25. 30. 35- 452 471 vändas för att styra trycket i zonen.

För att stabilisera trycket i tryckzonen, reglera tryck och temperatur, reglera sfärernas expansionsgrad och undvika överexpansion kan det vara av värde att ersätta en del av ångmängden med tillförsel av en mindre mängd luft eller an- nan inertgas till zonen. Mängden inertgas kan då ligga mel- lan 0,1 och l gång viktmängden tillförd ånga och särskilt mellan 0,2 och 0,5 gånger ångmängden.

Trycket i zonen skall understiga ångtrycket för jäsmed- let i vätskeform så att åtminstone förångningsvärmen tillfö- res i zonen medan fullständig expansion inte skall ske i zo- nen. Det högsta möjliga trycket bestäms således till stor del av det använda jäsmedlet. Normalt ligger emellertid trycket under 3 MPa och lämpligen även under 1,5 MPa. För att få en tillräckligt kraftig acceleration och expansion vid tryck- zonens utlopp bör övertrycket i zonen icke understiga 0,01 MPa, helst överstiga 0,05 MPa, helst även överstiga 0,1 MPa och företrädesvis överstiga även 0,3 MPa.

Eftersom ett överskott av värmeenergi normalt tillföres tryckzonen bör tillses att uppehållstiden i zonen inte blir så lång att de expanderade mikrosfärerna överhettas. För nor- mala termoplaster bör således temperaturen inte tillåtas över- stiga 20000 och helst inte heller överstiga l80°C. Den mini- mala uppehållstiden bestäms av kravet_att jäsmedlet skall hinna förångas fullständigt i zonen så att en jämnt expande- rad produkt erhålles efter utströmningen från zonen.

Vid utströmning från tryckzonen utsätts de expanderade partiklarna för ett tryckfall motsvarande tryckskillnaden mel- lan zonen och omgivningen. Vid tryckfallet sker en ytterligare expansion av partiklarna samtidigt som strömmen accelereras.

För att maximalt utnyttja dessa effekter för uppbrytning av partikelflödet och separation av partiklarna inbördes bör tryckfallet ske hastigt över endast en kort sträcka i ström- ningsriktningen, lämpligen via en strypning i slutet av tryck- zonen. Eftersom såväl sönderdelníng som kylning av strömmen sker mycket snabbt efter utströmningen är det möjligt att upp- bromsa strömmen som lämnar tryckzonen genom att låta den träf- fa en anslagsyta, vilket kräver litet utrymmesbehov för anlägg- ningen. 10. 15. 20. 25. 50. 35. 452 471 7 Det föredrages emellertid att den utströmmande strålen av mikrosfärer helt uppbromsas i den omgivande luften före uppsamlandet av produkten genom att rikta strålen uppåt eller horisontellt. På grund av den höga utgångshastigheten till- ryggalägger då partiklarna en sträcka av flera meter. För att begränsa transportsträckan kan det då vara lämpligt att anord- na ett mot strömmen riktat luftflöde, exempelvis genom att rikta partikelströmmen uppåt i ett schakt mot en nedåtgående luftström.

En anordning för utförande av förfarandet kan ges en en- kel utformning innefattande en ledning med pumporgan för kon- tinuerlig transport av uppslamningen av de oexpanderade mik- rosfärerna till tryckzonen, motsvarande organ för kontinuer- lig tillförsel av ånga och eventuellt även organ för tillför- sel av inertgas. Tillförsel av en ström kan användas för in- pumpning av en annan genom användande av venturiventiler med ejectorverkan. Tryckzonen utgöres lämpligen av ett rör med tillräcklig längd för att ge den önskade uppehållstiden. Rö- ret bör ej innehålla organ som leder till kraftiga tryckfall genom friktionsförluster. Röret bör avslutas med en strypning av något slag som ger snabbt tryckfall. Eventuellt kan röret fortsätta en sträcka efter strypníngen för att rikta partikel- strömmen. En öppning med en diameter av exempelvis mellan 0,95 och 0,1 gånger rörets innerdiameter och särskilt mellan 0,9 och 0,6 gånger denna diameter kan användas som strypning.

Med förfarandet enligt uppfinningen kan framställas expanderade mikrosfärer med en sann densitet mellan 10 och 100 kg/m3 och särskilt mellan 20 och 40 kg/m3. Torrhalten på produkten kan naturligtvis göras hur låg som helst men normalt eftersträvas en hög torrhalt. Med förfarandet enligt uppfinningen kan uppnås, utan särskilt torkningssteg, en torr- halt hos slutprodukten överstigande 10 viktprocent och även överstigande 15 viktprocent.

Exempel Oexpanderade mikrosfärer av vinylidenklorid/akrylnitril innehållande isobutan som jäsmedel (Expancel inmatades med en hastighet av 3 l/min. i form av en vattendispersion med en torrhalt av 20,3 viktprocent i_en tryckåon tillsammans med luft och ånga i förhållandet 0,3. Tryckzonen bestod av ett 452 471 8 rör med en längd av ca 0,5 m och med en innerdiameter av 15,7 mm. I slutet av röret fanns en strypning med 12,9 mm öppning. Efter strypningen fortsatte röret ca 0,5 m. Över- trycket i tryckzonen blev ca 2,9 atm (0,29 MPa) och tempe- raturen ca 10300. Efter fri utströmning i luft uppsamlades partiklarna och Befanns ha en torrha“t av 15,8 viktprocent och en densitet (torr) av 32,9 kg/m3. Vid undersökning i míkroskop visade sig produkten vara helt agglomeratfri.

Claims (8)

10. 15. 20. 25. 30. 452 471 Patentkrav

1. Förfarande för expandering av expanderbara termo- plastiska mikrosfärer innehållande ett vid värmetillförsel förângníngsbart jäsmedel, k ä n n e t e c k n a t därav, att en uppslamning av de oexpanderade mikrosfärerna i en inert vätska inmatas i en tryckzon och delvis expanderas genom att, vid ett tryck understigande ångtrycket för jäs- medlet i vätskeform, kontaktas med ånga med en temperatur överstigande förångningstemperaturen för drivmedlet så att åtminstone förångningsvärmen tillföres i tryckzonen, att de expanderade mikrosfärerna därefter tillåts utströmma från tryckzonen under ett avsevärt tryckfall motsvarande tryckskillnaden mellan zonen och omgivningen och att mikro- sfärerna uppsamlas.

2. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t därav, att tryckfallet vid uppslamningens utströmning över- stiger 0,05 MPa.

3. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att tryckfallet överstiger 0,1 MPa. Ä.

Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t därav, att halten mikrosfärer i den till tryckzonen ingående uppslamningen är mellan 5 och H5 viktprocent.

5. Förfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t därav, att halten mikrosfärer är mellan 15 och 25 viktpro- cent.

6. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t därav, att ingående torrhalt och mängden tillförd ånga väljes så att halten mikrosfärer i den utströmmande blandningen över- stiger 10 viktprocent.

7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t därav, att halten mikrosfärer i den utströmmande blandningen överstiger 15 viktprocent.

8. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att en inertgas inmatas i tryckzonen.