Экструдер и способ экструзии полимера

В целом, настоящее изобретение относится к экструдеру для экструзии полимера, а также к способу экструзии полимера при использовании данного экструдера.

Экструзия полимера представляет собой традиционную технологическую операцию при производстве полимера. В большинстве случаев порошковый полимер может отмеренными порциями и с заданной скоростью поступать в питательный бункер, из которого самотеком направляться через устройство, известное как загрузочное отверстие, в цилиндр экструдера, в котором расположены вращающиеся шнеки. Вращение шнеков позволяет перемещать полимер в направлении от загрузочного отверстия, через цилиндр экструдера. В цилиндре экструдера на порошковый полимер действует тепловая и механическая энергия (от вращения шнеков), под действием которой происходит плавление порошкового полимера. После того как полимер расплавится, расплавленная масса полимера продавливается через соответствующую формующую головку экструдера и подвергается экструзии с получением экструдированного полимера, например, в виде гранул или пленки.

Типовые экструдеры, используемые для технологических операций экструзии промышленных масштабов, выполнены в виде цилиндрических секций "стандартной" длины. Как правило, общая длина стандартной цилиндрической секции в 2-3 раза превышает диаметр шнека или ротора. При производстве в промышленных масштабах, полимер, как правило, поступает в первую из последовательно расположенных цилиндрических секций экструдера, после которой расположена по меньшей мере вторая его цилиндрическая секция. Обычная практика предполагает использование также и третьей цилиндрической секции экструдера для гарантии полного расплавления полимера до начала экструзии. Технологическая операция экструзии полимеров характеризуется рядом технологических параметров, имеющих большое значение для производства качественного материала. К ним относятся размеры цилиндра экструдера, скорость вращения шнека, шаг шнека и крутящий момент. В предшествующем уровне техники основные усилия были направлены на повышение пропускной способности экструдера, для чего требовалось в максимально возможной степени увеличивать все линейные размеры цилиндра экструдера, скорость вращения шнека и крутящий момент, которые на то время являлись лимитирующими факторами.

Главное требование, предъявляемое к загрузке полимера, заключалось в достаточной степени заполнения цилиндра, по мере прохождения полимера через такой цилиндр. Полимер поступает в первую цилиндрическую секцию, как правило, из питательного бункера, через область, известную как загрузочное отверстие. Ширину загрузочного отверстия, как правило, выбирают максимальной, исходя из ширины цилиндрической секции, т.е. вплоть до крайних точек гребней шнеков, например, в два раза превышающей диаметр шнеков или роторов, при применении двухшнековых или двухроторных экструдеров.

Загрузочное отверстие, как правило, имеет также и осевую длину, равную не более чем двум диаметрам шнека или ротора в данной секции экструдера, при условии, что как длина, так и ширина площади загрузочного отверстия не превышают двух диаметров шнека.

Скорость подачи порошкового полимера в двухшнековые экструдеры, как правило, регулируют в зависимости от скорости, с которой порошковый полимер отмеренными порциями поступает в питательный бункер. Как правило, считается, что питательный бункер работает "порожняком", что означает работу без значительного объема порошкового полимера внутри бункера и без "выдерживания" порошкового полимера в нижней части бункера. До настоящего момента площадь загрузочного отверстия не представляла собой лимитирующего фактора, влияющего на технологическую операцию, и, следовательно, не вызывала сильного беспокойства.

Однако позже было установлено, что при увеличении мощности, и даже несмотря на то, что площадь загрузочного отверстия, в целом, увеличивается (за счет пропорционального увеличения в ширину и в длину), при увеличении размеров шнека и цилиндра, площадь загрузочного отверстия увеличивается только в квадратичной математической зависимости, в то время как пропускная способность увеличивается в кубической математической зависимости, в результате чего возникает проблема, связанная с тем, что полимер не поступает в цилиндр через загрузочное отверстие со скоростью, довольно быстрой для заполнения цилиндра в достаточном объеме. Указанная проблема имеет особо важное значение, если исходное полимерное сырье характеризуется низкой текучестью.

Следовательно, чтобы отвечать постоянным требованиям к увеличению мощности экструдеров, необходимо создать такой экструдер, через который можно пропускать больше полимера, по сравнению с экструдерами из предшествующего уровня техники.

Поэтому в первом аспекте, в настоящем изобретении предлагается экструдер, включающий: (i) две или более последовательно расположенные цилиндрические секции, начиная от: (а) входной (по направлению потока) цилиндрической секции, в которую подают исходное полимерное сырье на экструзию; упомянутая входная цилиндрическая секция имеет два или более шнека диаметром X, до (б) последующей (по направлению потока) цилиндрической секции, из которой расплавленный полимер направляется на формующую головку и подвергается экструзии; и (И) одно или несколько загрузочных отверстий для подачи подлежащего экструзии исходного полимерного сырья в экструдер с входного конца экструдера, отличающийся тем, что общая площадь одного или нескольких загрузочных отверстий, через 2 из которых происходит загрузка полимера, больше 4·Х².

Настоящее изобретение относится к экструдерам, имеющим несколько (два или более) шнеков. Шнеки располагаются параллельно (или практически параллельно) друг другу и при эксплуатации могут вращаться в том же самом направлении или в противоположенном направлении (что известно как вращение в одном направлении или вращение в противоположенных направлениях). Шнеки могут быть незацепляющимися, частично зацепляющимися или полностью зацепляющимися.

Наиболее распространенный тип экструдеров - это экструдеры с несколькими шнеками, и предпочтительные экструдеры в настоящем изобретении - это экструдеры с двумя шнеками. К примерам таких экструдеров можно отнести двухшнековые экструдеры и двухроторные смесительные экструдеры. Следует отметить, что термины "шнек" и "ротор" широко используются в области экструдеров и часто являются взаимозаменяемыми. В настоящем изобретении имеется в виду, что термин "шнек" распространяется как на шнеки, так и на роторы, и там, где ссылка дается на "двухшнековый экструдер", если иное не оговорено особо, следует понимать, что это касается также и двухроторных экструдеров.

Предпочтительно, чтобы экструдер был выполнен в виде трех или более цилиндрических секций.

Во избежание неопределенности, несмотря на то, что в способе, предлагаемом в настоящем изобретении, важное значение имеет диаметр двух или более шнеков входной цилиндрической секции, в которую поступает исходное полимерное сырье, каждая цилиндрическая секция будет иметь соответствующие две или более секции, в которых расположены шнеки, которые будут сообщаться по потоку с двумя или более шнеками из входной цилиндрической секции, в которую поступает исходное полимерное сырье.

Настоящее изобретение отличается тем, что общая площадь одного или более загрузочного отверстия, через которое поступает исходное полимерное сырье, больше 4·Х², где Х - диаметр шнеков входной цилиндрической секции, в которую поступает исходное полимерное сырье.

В одном из вариантов настоящего изобретения цель настоящего изобретения может быть достигнута за счет добавления второго загрузочного отверстия после первого загрузочного отверстия, или даже нескольких загрузочных отверстий после первого загрузочного отверстия, так что общая площадь указанных загрузочных отверстий будет больше 4·Х².

Однако, как правило, предпочтительно использовать одно загрузочное отверстие, площадь которого больше 4·Х².

Предпочтительно, чтобы общая площадь одного или более загрузочных отверстий, через которые поступает исходное полимерное сырье, была бы больше 5·Х², еще более предпочтительно - больше 6·Х².

Несмотря на то, что теоретически могут быть использованы и другие формы загрузочных отверстий, однако для достижения максимальной площади на единицу длины, а также для облегчения проектирования и изготовления, загрузочные отверстия, как правило, имеют прямоугольную форму, ширина которой ограничивается шириной входной цилиндрической секции, в которую поступает исходное полимерное сырье, т.е. значением 2·X. Предпочтительно, чтобы прямоугольная форма загрузочного отверстия представляла собой прямоугольник с закругленными углами, поскольку незакругленные углы более подвержены забивке порошковым полимером.

Очевидно, что чтобы получить упомянутые выше площади загрузочных отверстий, длина загрузочного отверстия может быть больше длины так называемого "стандартного" цилиндра.

Таким образом, длина загрузочного отверстия будет больше 2·X, предпочтительно больше 2,5·X, еще более предпочтительно - больше 3·X.

Можно использовать удлиненный или "нестандартный" цилиндр с увеличенной длиной входной цилиндрической секции, в которую поступает исходное полимерное сырье. В качестве альтернативного варианта, длина/площадь загрузочного отверстия может выступать за пределы загрузочного отверстия в последующую цилиндрическую секцию, так что по меньшей мере из части упомянутого загрузочного отверстия полимер будет поступать непосредственно в последующую цилиндрическую секцию. Например, экструдер может быть выполнен в виде трех или более цилиндрических секций, каждая из которых имеет длину L, а загрузочное отверстие имеет длину, превышающую L.

Еще одним важным параметром способа, предлагаемого в настоящем изобретении, является шаг шнека. Шаг шнека - это расстояние между соседними точками, в которых спираль шнека возвращается в то же самое радиальное положение на шнеке. Во избежание неопределенности, если шнек состоит более чем из одной спирали, то под шагом шнека, согласно использованию в настоящем изобретении, имеют в виду то расстояние, по прохождении которого каждая индивидуальная спираль шнека возвращается в то же самое радиальное положение, и которое будет больше расстояния между соседними спиралями. Шаг шнека также показан схематически на фиг.2. Приемлемое отношение шага шнека к диаметру шнека в пределах входной цилиндрической секции, в которую поступает исходное полимерное сырье, составляет 1, и не боле 2,5.

Увеличение шага шнека может привести к увеличению пропускной способности экструдера. Однако если не использовать загрузочное отверстие увеличенных размеров по способу, предлагаемому в настоящем изобретении, было установлено, что с увеличением масштаба каналы в шнеке заполняются только частично, так что любые дальнейшие увеличения шага шнека, или скорости вращения шнека, не приведут к увеличению пропускной способности экструдера. Кроме того, в случаях использования шнеков с большим шагом снижается кпд перемещения исходного полимера по экструдеру.

Во втором аспекте в настоящем изобретении предложен способ экструзии полимера, включающий подачу исходного полимерного сырья в загрузочное отверстие экструдера, как описано ниже.

Исходное полимерное сырье, как правило, поступает в виде порошка или гранул. Исходное полимерное сырье по настоящему изобретению это предпочтительно полимер этилена или пропилена, либо их гомополимеры или сополимеры с другим сомономером.

Настоящее изобретение, в частности, относится к технологическим операциям экструзии, протекающим при относительно высокой пропускной способности, в экструдерах относительно больших размеров. Как правило, настоящее изобретение относится к экструдерам, в которых каждый шнек входной цилиндрической секции, в которую поступает исходное полимерное сырье, имеет диаметр 200 мм или более.

В то время как экструдер и способ экструзии, предлагаемые в настоящем изобретении, могут быть использованы для работы с любым порошковым полимером, даже с теми полимерами, которые, как правило, считаются "свободнотекучими" или "легкотекучими", настоящее изобретение, в частности, касается порошковых полимеров с относительно низкой текучестью.

Такие свойства порошка, как текучесть, обычно определяют испытаниями на сдвигающие усилия, проводимыми в специальной камере. Пример такого испытания описан в стандарте ASTM D 6773-02 "Стандартный способ испытаний на сдвиг крупных твердых частиц при использовании кольцевого сдвигового прибора Шульца". Согласно описанию, приведенному в ASTM D 6773-02, функция потока порошкового полимера представляет собой отношение неограниченного предела текучести порошка к основному напряжению от уплотнения (отверждения). В основном, полимеры классифицируют по их текучести, в пересчете на отношение текучести, ff_c, которое определяют как отношение напряжения от уплотнения к неограниченному пределу текучести, а именно:

Настоящее изобретение, в частности, относится к порошковым полимерам, у которых значение ff_c меньше 4, хотя настоящее изобретение может быть применено даже для порошковых полимеров, значение ff_c которых более 4.

Следовательно, предпочтительно, чтобы порошковый полимер, подлежащий экструзии согласно способу, предлагаемому в настоящем изобретении, имел бы отношение текучести менее 6. Более предпочтительно, чтобы порошковый полимер, подлежащий экструзии согласно способу, предлагаемому в настоящем изобретении, имел бы отношение текучести менее 4, и еще более предпочтительно, чтобы порошковый полимер, подлежащий экструзии согласно способу, предлагаемому в настоящем изобретении, имел бы отношение текучести менее 2. Предпочтительно, чтобы порошковый полимер, подлежащий экструзии согласно способу, предлагаемому в настоящем изобретении, имел бы отношение текучести менее 1. Следует отметить, что отношение текучести порошкового полимера может изменяться в зависимости от уплотняющего давления и также от температуры. Согласно использованию в настоящем изобретении, отношение текучести порошкового полимера представляет собой значение, определенное по результатам испытания на мгновенный сдвиг, как описано в стандарте ASTM D 6773-02 при уплотняющем давлении 2000 Па и при температуре, которая равна температуре порошкового полимера на входе в загрузочное отверстие во время технологической операции экструзии, в которое он подается. Например, при подаче на экструзию порошкового полиэтилена, поскольку температура порошкового полиэтилена на входе в загрузочное отверстие экструдера составляет 65°C, то отношение текучести порошкового полиэтилена следует определять при температуре 65°C.

Экструдер, предлагаемый в настоящем изобретении, схематически показан на фиг.1. В частности, на фиг.1 показан экструдер, имеющий три цилиндрические секции, обозначенные как секция 1а (входная цилиндрическая секция), секция 1b (вторая цилиндрическая секция) и секция 1 с (последующая цилиндрическая секция), каждая из которых имеет длину L. Цилиндрические секции имеют два незацепляющихся шнека диаметром Х (не показаны на фиг.1, однако показаны на фиг.2). (Внутренняя высота каждого цилиндра больше X, что необходимо для размещения шнеков и чтобы обеспечить возможность вращения шнеков во время работы экструдера. По той же самой причине внутренняя ширина каждого цилиндра больше 2·X). На упомянутой выше фигуре длина L равна примерно 2,5·X. Для подачи полимера в экструдер предусмотрен загрузочный бункер 2, площадь загрузочного отверстия которого составляет по меньшей мере 4·X². (Как показано на фигуре, загрузочное отверстие имеет осевую длину Z, которая составляет примерно 3·X, что соответствует площади примерно 6·X²). На фиг.1 также схематично показаны электропривод 3 шнека, коробка передач 4 экструдера, переходник 5 и формующая головка 6.

На фиг.2 схематически представлен вид сверху секции с двумя шнеками двухшнекового незацепляющегося экструдера. В этом случае ширина составляет 2·X. (В зацепляющихся или частично зацепляющихся экструдерах ширина будет меньше, что связано со степенью зацепления).

1. Экструдер, включающий:
(i) две или более последовательно расположенные цилиндрические секции, начиная от: (а) входной цилиндрической секции, в которую подают исходное полимерное сырье на экструзию и которая имеет два или более шнека диаметром X, к (б) последующей цилиндрической секции, из которой расплавленный полимер направляется на формующую головку и подвергается экструзии; и
(ii) одно или несколько загрузочных отверстий для подачи подлежащего экструзии исходного полимерного сырья в экструдер с входного конца экструдера,
отличающийся тем, что общая площадь одного или нескольких загрузочных отверстий, через которые происходит загрузка полимерного сырья, больше 5·Х².

2. Экструдер по п.1, имеющий два шнека.

3. Экструдер по п.1, включающий три или более цилиндрических секций.

4. Экструдер п.1, имеющий одно загрузочное отверстие, площадь которого больше 5·Х².

5. Экструдер п.1, в котором общая площадь одного или нескольких загрузочных отверстий, через которые поступает полимер, больше 6·X².

6. Экструдер п.1, в котором отношение шага шнека к диаметру шнека во входной цилиндрической секции, в которую подают исходное полимерное сырье, составляет по меньшей мере 1 и не более 2,5.

7. Экструдер п.1, в котором диаметр шнеков в цилиндрической секции с загрузочном отверстием составляет 200 мм или более.

8. Способ экструзии полимера, включающий подачу исходного полимерного сырья в загрузочное отверстие экструдера по одному из пп.1-7.

9. Способ по п.8, в котором полимерное сырье подают в виде порошка с отношением текучести менее 6, которое определяют испытаниями на мгновенные сдвигающие усилия согласно стандарту ASTM D 6773-02, при уплотняющем давлении 2000 Па и при температуре, равной температуре порошкового полимера, находящегося на входе в загрузочное отверстие, во время процесса экструзии.