TWI453112B - 用於聚合物材料之去揮發作用的排氣式擠壓機，及使用排氣式擠壓機將由聚合物、溶劑及／或單體組成之漿液去揮發之方法 - Google Patents

用於聚合物材料之去揮發作用的排氣式擠壓機，及使用排氣式擠壓機將由聚合物、溶劑及／或單體組成之漿液去揮發之方法 Download PDF

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Description

用於聚合物材料之去揮發作用的排氣式擠壓機，及使用排氣式擠壓機將由聚合物、溶劑及/或單體組成之漿液去揮發之方法
本發明係關於一種用於聚合物材料之去揮發作用的排氣式擠壓機，其包括至少一驅動部、至少一擠壓機料筒、至少一安裝在擠壓機料筒中的可旋轉驅動之擠壓機螺桿、至少一進料器、至少一擠出物出口、至少一排氣區及至少一氣體輸出口。
本發明進一步關於一種使用排氣式擠壓機將由聚合物、溶劑及/或單體組成之漿液去揮發之方法。
聚合程序時常在溶劑內進行聚合。此處的溶劑可首先為單體溶液本身，及/或可為惰性溶劑。為獲得聚合物，必須移除殘留單體或溶劑，例如透過蒸發。此去揮發作用通常在排氣式擠壓機中進行。排氣式擠壓機亦用於熱塑料的製造中，特別是若其意圖係從輸入的塑膠移除殘留的單體之時。
在排氣式擠壓機之先前使用領域中，必須散逸掉非常大體積的蒸氣流且在大型熱交換器內凝結，取決於要蒸發的溶劑及/或單體之重量比例。
已知排氣式擠壓機之結構常為使得要去揮發的材料流被引進在擠壓機螺桿之驅動部側，且將去揮發過的擠出物向螺桿尖輸送。隨著此處擠壓機內壓力的增加，在進料器下游路徑內的某一點之材料接受洩壓，於此處材料係在大 氣壓力或借助於抽氣下去揮發。為此目的，排氣式擠壓機通常在一點具有深切的螺桿通道，使得在該點的壓力會降到抽氣層級或大氣壓層級，允許蒸氣和氣體之抽吸－移除。在此排氣區後面，熔融體會再被壓縮且使壓力再增加。
EP 0 490 359 A1述及，例如，一種已在導論中提及的類型之單－螺桿排氣式擠壓機。該排氣式擠壓機之結構為上述者，且係用來在熱塑料之生產中從輸入的塑膠移除殘留的單體。為此目的，將熔融體混合一種夾帶劑。熔融體於此係在擠壓機去揮發段中於最大泡泡形成之下去揮發。該熔融體的壓力先增加至一高於所用夾帶劑的比蒸氣壓之值。一旦達到此值，夾帶劑與熔融體彼此立即進行液－相混合，接著在明顯泡泡形成之下進行洩壓。
然而，在EP 0 490 359 A1中所揭示的排氣式擠壓機不適合用於具有相當高溶劑含量或具有相當高單體含量的漿液之去揮發。
為了增加去揮發性能，將擠壓機裝設連續增加的料筒及螺桿直徑，從位於進料點下游的排氣區且將螺桿尖盡可能遠地延長。該設計經載於例如EP 0 102 400 A1及DE 30 268 42 A1之中。該料筒的擴大允許氣體速度的降低。不過，在排氣區後面的下游處之擠壓機直徑有過度－尺寸化。因此，更有利者，對於具有高單體及/或溶劑含量的聚合物漿液之去揮發，係設計第一排氣區使得氣體在進料器上游散逸掉，同時將聚合物輸送到下游。此具體實例經 載於例如EP 0015457A1之中。由於氣體及單體蒸氣和溶劑蒸氣係在進料器與齒輪箱之間散逸，於此必定會因在擠壓機筒及旋轉軸之間的密封，以防止氣體沿著齒輪箱方向輸出而招致增加的成本。
另一經提出用以解決齒輪箱方向中，沿著滑動環密封，的密封問題之解決之道，係用惰性氣體沖滌齒輪箱前面之空間。此具體實例經載於例如JP 2003 348300中。然而，此經提出的解決之道所具缺點在於若單體及/或溶劑之物流係大者之時，就需要大惰性氣體流。所以，此具體實例會導致高運作成本及資本支出，因為在該氣體之凝結期間，單體及/或溶劑氣體中的惰性氣體會降低熱傳輸。因此需要大熱傳輸表面。
 目的
因此在本發明底下的目的係設計一種上述類型的排氣式擠壓機，其方式為，在具有相當高含量的溶劑及單體之漿液物流之下，其可在從聚合物經由蒸發移除溶劑及單體之上具有最大效用性，如此允許具有極小殘留量的溶劑及/或單體之聚合物的製造。為簡化專門用語，術語〝溶劑〞意欲包括單體。
特別者，係意圖，於給定的高溶劑含量之高通量下，防止聚合物被氣體物流所挾帶或防止單體或溶劑或聚合物到達齒輪箱。
目的之達成
該目的係首先經由一種用於聚合物材料之去揮發的排氣式擠壓機而達到，其包括至少一驅動部、至少一擠壓機料筒、至少一安裝在擠壓機料筒中之旋轉驅動擠壓機螺桿、至少一進料器、至少一擠出物出口、至少一排氣區及至少一氣體輸出口，其中本發明排氣式擠壓機之特點在於該驅動部係經裝設於擠壓機相對於聚合物輸送方向下游的末端之區內。此設計之優點為其可促成在排氣區中產生的大部份氣體在聚合物材料輸送方向之相反方向散逸。此可促成驅動部僅需針對黏度高於單體和溶劑的聚合物材料密封。而且，該驅動部之密封不必對所用溶劑具有抗性。
在根據本發明排氣式擠壓機之一特別有利設計中，在排氣區中產生的至少一部分氣體之氣體輸出口係經裝設在相對於聚合物材料輸送方向中的進料器上游，使得氣體可在螺桿尖部區內相對於聚合物物流呈逆向地散逸。
仍存在於聚合物材料中的任何單體及/或溶劑可在一或更多排氣區之下游進一步去揮發。
換言之，本發明提供，不同於先前技藝者，氣體流動係在螺桿尖部方向之上游與聚合物輸送方向反向地輸送。在該點的氣體輸出可在擠壓機料筒的末端及/或對擠壓機料筒呈徑向地及/或切線地發生。聚合物係由與蒸發方向相反的方向從排氣區輸送出。此可確保聚合物、單體及/或溶劑以相當高通料量特別有效地分離。
在本發明排氣式擠壓機一較佳變異形式中，係在緊接 於氣體輸出口下游處裝設一冷凝室(即，例如直接以凸緣(flange)接著)。藉由緊接在擠壓機料筒氣體輸出口的冷凝作用，可省略蒸氣散逸所用的大容積管線。且也可經由未加熱或加熱的管線將氣體導到冷凝裝置內。
較佳者該氣體輸出口係經裝設在螺桿尖部區中擠壓機料筒之上游端。例如，可將擠壓機料筒上游端開放，其方式為使螺桿之自由端提供，通過冷凝室，從擠壓機抽出擠壓機螺桿之可能性，而不必拆卸組建到擠壓機上的裝配體。
該排氣式擠壓機的一特別有利變異形式為，為了將流入冷凝室中的氣體冷凝，將液體噴霧或注射到冷凝室中以冷凝流入該腔之氣體。藉由使用噴霧液體來冷凝可省略大型熱交換器。此類型之具體實例也可允許，在小空間中，從具有高含量溶劑及單體之漿液流之冷凝。經由選擇可與聚合物混溶的冷凝液體，可將經由氣體流動通到冷凝室內的任何聚合物，自動地溶解及排放。自然也可能，附加或唯一地，在附接在冷凝室的熱交換器中冷凝流入冷凝室內的氣體。在此變異形式中，可將冷凝物(液體)送回冷凝室內及/或以其他方式散逸。
本發明排氣式擠壓機之一特佳具體實例係其中排氣區係經裝設在進料器區中。當目的係在與聚合物流反向地運輸氣體流之時，此係特別有利者。經送入且接受壓力及熱的進料係在進料器進入擠壓機之區域中直接洩壓，使得溶劑或單體之蒸發係在排氣區發生。此產生大量的蒸氣流， 其係在最小聚合物夾帶之下沿冷凝室方向散逸。
有利者，該排氣區係經由一具有增加內徑的擠壓機料筒段形成。在此，若擴大的位置係在進料點之上游，則進料係在擴大的擠壓機料筒區中或在該擴大區的一邊緣中，或在該擴大區之外部進行。先前技藝中已知者，擠壓機螺桿之通道深度可改變或擠壓機螺桿核心之直徑可減小，但此係較不為有利者，因為後述變異形式可特別導致較弱擠壓機螺桿段截面。此兩種螺桿修改之可能性，當然，可附加地使用。
擠壓機料筒直徑增加的一項特別優點係蒸氣之氣體速度可減低，同樣地可減少聚合物之夾帶。
擠壓機料筒在排氣區中之內徑有利地係擠壓機料筒在排氣區外部之內徑的自1.01至3倍，較佳者自1.01至2倍且非常特佳者自1.01至1.6倍。
在具有擴大內徑的料筒之區中，可在內表面上附加地裝設內圓角(fillets)，促進聚合物熔融體下游之運輸。此等係螺桿設計，以消除死點(dead spots)，且彼等可導致均勻且一致的去揮發。
排氣區之長度係經有利地篩選使其為排氣區外部擠壓機料筒內徑之自0.5至10倍，較佳者自1至7倍且非常極佳者自1至5倍。
特別有利者為進料器係經裝設在擠壓機料筒於排氣區中兩個直徑上相反的點之周緣上。環繞擠壓機料筒周緣的漿液流之分割可確保蒸氣和經部分去揮發的聚合物從排氣 區之更佳運送。擠壓機容積之均勻使用可減低在排氣區內朝向流動限制之趨勢。
較佳者，有裝設至少一個，較佳地為可開動的進料閥(feed valve)，其可用來調節進料器之體積流速。理想地係裝設兩個在直徑上相反的進料閥，其可用來調節進料器之體積流速。此所具優點係，在獨立於程序內的壓力關係之下，可將計量流速調整至在該閥的特性通料量內之合宜值。
本發明排氣式擠壓機之一特別有利具體實例係提供成有一封閉式蒸氣通道軸向地通過擠壓機螺桿，且部分地填充著揮發性液體。該蒸氣通道係用來彌補擠壓機螺桿縱向中的熔融體之溫度梯度。由於溶劑及單體的蒸發，在漿液進料區內之熔融體溫度係非常低者，而其在出口前短距離內，會因為擠壓機螺桿衍生的摩擦熱之結果，而為非常地高。過高的熔融體溫度會導致產品之降解，而非常低的熔融體溫度會損及擠壓機內的熔融體輸送。
蒸氣通道內所含液體會在進料器區內冷凝，且釋放出的冷凝可用來防止熔融體在該區中之過度冷卻，而在擠壓機螺桿之其餘區中蒸氣通道內所含液體會蒸發且因此可用來防止過度加熱。
蒸氣通道內的填充程度可為，例如，在約20℃之周圍溫度下測量之自20體積%至80體積%，較佳者自30體積%至60體積%。
在本發明底下的另外目的可經由一種將聚合物、溶劑 及/或單體構成之漿液使用排氣式擠壓機予以去揮發之方法而達到，其特徵在於在擠壓機內去揮發中產生的氣體流係與聚合物流反向地傳導。
有利地，該漿液去揮發之主要部分係在進入擠壓機之進料區，第一排氣區中進行。
要在該排氣區內進行去揮發的單體及/或溶劑之量，基於單體及/或溶劑之總量，係>50重量%。該氣體係經由排氣口排放。
該方法的一種有利變異形式係將產生的氣體在緊接於擠壓機氣體輸出口的容器中冷凝。
可能者，該冷凝係噴霧冷凝，其中將液體噴到，或細淌，到系統內，較佳者使用聚合物可溶於其中的液體。不過，也可以在接著於冷凝室的熱交換器內冷凝。
另外，亦可有經裝設在下游或上游的其他排氣區及排氣口，此等係用於聚合物之殘留去揮發。
圖1僅顯示出排氣式擠壓機(1)的一部分。該排氣式擠壓機(1)包括一擠壓機料筒(2)及經可旋轉地安裝在擠壓機料筒(2)中的擠壓機螺桿(3)。該擠壓機螺桿(3)係藉由驅動部(4)經由居中的齒輪箱(5)轉動。例如，其可裝設電動馬達作為該驅動部(4)。
如上面提及者，圖1沒有顯示出該驅動部(4)或齒輪箱(5)，此等的位置係在圖之右手邊。聚合物/單體混合物 係經由在擠壓機料筒(2)的兩個直徑上相反的點經由分支進料器管線(6)以進料閥(7)導到擠壓機料筒(2)內。
本發明排氣式擠壓機(1)係經設計成單螺桿擠壓機，但此亦可經設計成雙螺桿擠壓機。
擠壓機料筒(2)之橫截面係經在進料閥(7)區中擴大，即該內徑比該區外的擠壓機料筒(2)之正常內徑較大從約1.01至3倍。在該點的擠壓機料筒(2)之內徑係大約對應於至該擠壓機螺桿(3)的螺桿螺紋槽之外徑(考慮到任何容限值)。擠壓機料筒(2)的較大內徑區界定排氣區。聚合物/單體混合物及/或溶劑/聚合物混合物係經在壓力和熱條件下由進料器管線(6)送入擠壓機料筒(2)中。在排氣區(9)內發生顯著的壓力降低，且單體及/或溶劑可因此藉由去揮發而從聚合物移除。而且，在相同區內的材料流動速度也降低。在圖式中，聚合物係沿著驅動部方向朝右方輸送。於此方面所用術語“下游”及“上游”總是指聚合物輸送方向。
本發明至此提供在排氣區(9)中產生的氣體或在該點產生的蒸氣係朝圖的左手邊輸送，即進料閥(7)之上游。
擠壓機料筒(2)之上游端(10)係開放者，且開放到冷凝室(11)內而於其中流動著在排氣區(9)中產生的氣體。
(12)指示藉由噴霧導入液體，該液體係用來在冷凝室內冷卻及冷凝氣體/蒸氣。所用液體有利地係可與聚合物混溶者，如此促成任何被夾帶的聚合物溶解在該液體中。作為替代者，或附加者，可使用其他工具用於冷凝，例如 熱交換器/冷凝器。
如圖2所示，驅動部(4)係在進料閥(7)之下游；此意味著聚合物係從擠壓機/螺桿尖端沿著驅動部之方向輸送。
如也可從圖2看出者，本發明排氣式擠壓機(1)在其與進料器管線(6)相反端處具有一切線向或徑向擠出物出口(13)。
如從圖1可看出者，有一密閉式蒸氣通道(15)軸向地通過擠壓機螺桿，且由揮發性液體部分地填充。溶劑或單體之蒸發導致擠壓機進料區內聚合物的明顯冷卻。若在蒸氣通道(15)內之液體在該點冷凝時，經明顯冷卻的聚合物可轉而藉助於蒸氣通道沿著短路徑予以加熱。伴隨著在進料區中之擠壓機料筒的加熱及擠壓機螺桿(3)的摩擦加熱，蒸氣通道(15)代表在漿進料區中經(部分)去揮發的熔融體之一附加熱源。擠壓機之通料量(throughput)可因而透過此具體實例予以最大化。在擠出物出口(13)區中，擠壓機螺桿內的蒸發可冷卻熔融體或擠出物。
過度的摩擦熱可散逸掉，因而降低產品之降解。
於本發明排氣式擠壓機(1)中，驅動部(4)及齒輪箱(5)係經裝設在排氣式擠壓機(1)沿著聚合物輸送方向處於下游之端，即在第一進料器管線(6)之相對側。
擠壓機螺桿(3)包含第一螺桿-螺紋段(17)，於其中通道輪廓的取向為諸如在擠壓機料筒中從第一進料器管線(6)朝向擠出物出口(13)產生洩流。
排氣式擠壓機(1)的擠出物出口(13)之取向係相對於擠壓機螺桿(3)之縱軸呈切線或徑向，聚合物因而係在齒輪箱(5)和驅動部(4)之上游排出。
擠壓機螺桿(3)進一步包含一第二螺桿－螺紋段(18)，於其中通道輪廓係經定向，其方式為達到相對於第一螺桿－螺紋段(17)的輸送方向之逆向輸送。此第二螺桿－螺紋段(18)因而用來針對聚合物主要物流密封擠壓機之驅動部。
(19)指示一從聚合物主流偏離且由旁通管(by－pass)(14)及第二進料器(20)送到擠壓機料筒(2)第二螺桿－螺紋段(18)之區內的支流。該旁通管可處於擠壓機料筒的外部或內部。自主流偏向的聚合物支流，在擠壓機螺桿(3)的第二螺桿－螺紋段(18)區中，會引起新鮮聚合物之逆向注入。在此區中，該聚合物係在擠出物出口(13)方向中從齒輪箱(5)方向輸送。此因此可防止任何聚合物殘留物保留在擠出物出口(13)下游的點
如從圖式可看出者，擠出物出口(13)係大約在第一螺桿－螺紋段(17)下游端。
已知類型的加熱可以有利地用來加熱本發明排氣式擠壓機。
1‧‧‧排氣式擠壓機
2‧‧‧擠壓機料筒
3‧‧‧擠壓機螺桿
4‧‧‧驅動部
5‧‧‧齒輪箱
6‧‧‧進料器管線
7‧‧‧進料閥
8‧‧‧冷凝物溢流
9‧‧‧排氣區
10‧‧‧擠壓機料筒之上游端
11‧‧‧冷凝室
12‧‧‧噴霧導入
13‧‧‧擠出物出口
14‧‧‧旁通管
15‧‧‧蒸氣通道
16‧‧‧氣體輸出口
17‧‧‧第一螺桿－螺紋段
18‧‧‧第二螺桿－螺紋段
19‧‧‧偏離聚合物流之支流
20‧‧‧第二進料器
下面要藉由使用本發明實施例，藉助於所附圖式闡明本發明。
圖1係排氣式擠壓機一部分的截面圖，其具有附接的冷凝室但沒有驅動部，及 圖2係根據本發明具有齒輪箱和馬達，但沒有附接冷凝室的排氣式擠壓機之圖解。
1‧‧‧排氣式擠壓機
2‧‧‧擠壓機料筒
3‧‧‧擠壓機螺桿
6‧‧‧進料器管線
7‧‧‧進料閥
8‧‧‧冷凝物溢流
9‧‧‧排氣區
10‧‧‧擠壓機料筒之上游端
11‧‧‧冷凝室
12‧‧‧噴霧導入
15‧‧‧蒸氣通道

Claims (27)

  1. 一種用於聚合物材料的去揮發之排氣式擠壓機(1)，其包含至少一驅動部(4)、至少一擠壓機料筒(2)、至少一經安裝在該擠壓機料筒(2)內的可旋轉驅動之擠壓機螺桿(3)、至少一第一進料器、至少一擠出物出口(13)、至少一排氣區(9)及至少一氣體輸出口，其特徵在於該驅動部係經裝設在該擠壓機螺桿(3)相對於聚合物輸送方向的下游之端的區內，以及用於在該排氣區(9)中產生的至少一部分氣體之該至少一氣體輸出口中之一者係經裝設、在相對於聚合物輸送方向、而完全在進料器之上游處。
  2. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中一冷凝室(11)經裝設在緊接於該氣體輸出口之下游。
  3. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中該氣體輸出口係經裝設在擠壓機料筒(2)之上游端。
  4. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中用於噴入或注入液體之工具係經裝設在冷凝室(11)內。
  5. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中該排氣區(9)係經裝設在進料器之區內。
  6. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中在該排氣區(9)中的擠壓機料筒(2)之內徑係排氣區(9)外的擠壓機料筒(2)之內徑的自1.01至3倍。
  7. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中在該排氣區(9)中的擠壓機料筒(2)之內徑較佳地係排氣區 (9)外的擠壓機料筒(2)之內徑的自1.01至2倍。
  8. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中在該排氣區(9)中的擠壓機料筒(2)之內徑較佳地係排氣區(9)外的擠壓機料筒(2)之內徑的自1.01至1.6倍。
  9. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中在該排氣區的區中之擠壓機料筒(2)內有裝設內部，其可促進聚合物熔融體之運輸。
  10. 根據申請專利範圍第9項之排氣式擠壓機，其中係裝設螺旋內圓角(helical fillets)做為該內部。
  11. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中該排氣區(9)之長度係排氣區(9)外的擠壓機料筒(2)之內徑的自0.5至10倍。
  12. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中該排氣區(9)之長度較佳地係排氣區(9)外的擠壓機料筒(2)之內徑的自1至7倍。
  13. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中該排氣區(9)之長度係排氣區(9)外的擠壓機料筒(2)之內徑的自1至5倍。
  14. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中該進料器係經裝設在該排氣區(9)中擠壓機料筒(2)周緣上之至少一部位上。
  15. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中裝設有至少一個進料閥(7)。
  16. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中 裝設有至少一個進料閥(7)，且可控制進料器之體積流速。
  17. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中有一密閉式蒸氣通道(15)軸向地通過該擠壓機螺桿(3)，其經用揮發性液體部分地填充。
  18. 根據申請專利範圍第17項之排氣式擠壓機，其中該揮發性液體係水。
  19. 根據申請專利範圍第17項之排氣式擠壓機，其中用該揮發性液體或水對該蒸氣通道(15)之填充程度，在約20℃之周圍溫度測量，係自20體積%至80體積%。
  20. 根據申請專利範圍第17項之排氣式擠壓機，其中用該揮發性液體或水對該蒸氣通道(15)之填充程度，在約20℃之周圍溫度測量，係自30體積%至60體積%。
  21. 一種用於由聚合物、溶劑及/或單體構成的漿液之去揮發之方法，其中使用根據申請專利範圍第1至20項中任一項之排氣式擠壓機，其特徵在於將在擠壓機內去揮發中所產生的氣體流相對於聚合物流反向地傳導。
  22. 根據申請專利範圍第21項之方法，其中該產生的氣體係在緊接於擠壓機之氣體輸出口的冷凝室中冷凝。
  23. 根據申請專利範圍第21項之方法，其中該冷凝係噴霧式冷凝，其中係將該液體噴入，或細淌入該系統中。
  24. 根據申請專利範圍第21項之方法，其中該冷凝係經由熱交換器而達到。
  25. 根據申請專利範圍第21至24項中任一項之方法，其中該漿液係在送到擠壓機內的進料器區中去揮發。
  26. 根據申請專利範圍第21至24項任一項之方法，其中該漿液在第一去揮發步驟中的去揮發程度，基於單體及/或溶劑的總量，係大於>50重量%。
  27. 根據申請專利範圍第1項之排氣式擠壓機，其中該排氣區(9)係經由具有增加內徑的擠壓機料筒(2)段所形成。
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