PL206831B1 - Urządzenie do granulowania na gorąco polimerów termoplastycznych i zastosowanie tego urządzenia - Google Patents

Abstract

Przedstawiono sposób wytwarzania granulek ze zdolnych do spieniania polimerów termoplastycznych techniką wytłaczania, w skład którego wchodzą: i) topienie polimeru w wytłaczarce jedno- lub wieloślimakowej (2); ii) wprowadzanie środka spieniającego do polimeru w stanie stopionym; iii) granulowanie uzyskanego w ten sposób polimeru w urządzeniu, w skład którego wchodzi dysza (11), w której znajduje się szereg kanałów (115) wykonanych z materiału o wysokiej przewodności cieplnej (114), komora cięcia (118) zawierająca zespół dysz hydraulicznych i układ tnący z zespołem noży (215) z krawędzią tnącą, która jest promieniowa względem powierzchni dyszy; iv) wygrzewanie uzyskanych w ten sposób granulek; v) chłodzenie wygrzanych granulek do temperatury pokojowej.

Description

(21) Numer zgłoszenia: 369226 (22) Data zgłoszenia: 05.12.2002 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

05.12.2002, PCT/EP02/013788 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

03.07.2003,WO03/053651 (11) 206831 (13) B1 (51) Int.Cl.

B29B 9/06 (2006.01) B29C 44/34 (2006.01) B29B 9/16 (2006.01)

Opis patentowy przedrukowano ze względu na zauważ one błędy

(54) Urządzenie do granulowania na gorąco polimerów termoplastycznych (54) i zastosowanie tego urządzenia
(30) Pierwszeństwo: 20.12.2001, IT, MI01A002706	(73) Uprawniony z patentu: POLIMERI EUROPA S.p.A., Brindisi, IT
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 18.04.2005 BUP 08/05	(72) Twórca(y) wynalazku: ALESSANDRO CASALINI, Mantova, IT
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.09.2010 WUP 09/10	(74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Teresa Szlagowska-Kiszko

PL 206 831 B1

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy urządzenia do granulowania na gorąco polimerów termoplastycznych i zastosowania tego urządzenia.

W szczególności, wynalazek dotyczy urządzenia do granulowania na gorąco polimerów winyloaromatycznych techniką wytłaczania oraz zastosowania tego urządzenia.

Jeszcze bardziej konkretnie, wynalazek dotyczy urządzenia do granulowania na gorąco polistyrenu, oraz zastosowania tego urządzenia. Uzyskane w ten sposób granulki zdolnego do spieniania polistyrenu mają znakomitą jakość, ponieważ nie są ani zorientowane ani sprężone, a ponadto nadają się zwłaszcza do sporządzania spienionych wyrobów końcowych o jednolitej wewnętrznej strukturze komórkowej.

Znane jest spienianie polimerów termoplastycznych, takich jak polistyren, za pomocą środka spieniającego wprowadzonego do polimeru, a następnie ogrzewanie polimeru do takich temperatur, które umożliwiają odparowanie środka i utworzenie struktury komórkowej.

Jeżeli chodzi o polistyren, to znanymi środkami spieniającymi są substancje zawierające ciekły węglowodór z 4 do 6 atomami węgla, fluorowany węglowodór (Freon), dwutlenek węgla lub wodę. Ilość środka spieniającego wynosi na ogół od 2 do 10% wagowych.

Polimery zdolne do spieniania wytwarza się zazwyczaj w postaci perełek lub granulek, które pod działaniem ciepła, na przykład doprowadzonego przez parę wodną, są najpierw wstępnie spieniane do pożądanej gęstości i, po starzeniu, są spiekane w zamkniętych formach w celu uzyskania bloków albo gotowych wyrobów.

Zdolne do spieniania perełki można uzyskać techniką polimeryzacji okresowej w zawiesinie wodnej. Technologia ta umożliwia uzyskanie wyrobu o bardzo dobrej jakości, ale o następujących wadach:

- wymiary cząstek mają duży rozrzut, co wymaga oddzielania pojedynczych frakcji na sicie i odrzucania końcówek;

- znaczne ograniczenia w produkcji wyrobów specjalnych, takich jak wyroby kolorowe i/lub wyroby zawierające wypełniacze lub różnorodne dodatki, takie jak środki zarodkujące, ponieważ dodatki te mogą być trudne do wprowadzenia albo mogą hamować polimeryzację;

- dalsze ograniczenia w stosowaniu środka spieniającego, który musi dawać się rozproszyć i/lub rozpuścić w matrycy polimerowej albo w stosowaniu monomerów, które muszą nadawać się do polimeryzacji w zawiesinie wodnej;

- trudności w zmniejszeniu szczątkowych ilości monomeru styrenu poniżej 1000 ppm;

- problemy środowiskowe ze względu na znaczne zuż ycie wody, której nie moż na łatwo usuwać, a także ze względu na niemożność recyklingu spienionego polimeru po użyciu.

Zdolne do spieniania granulki można również sporządzać w sposób ciągły dodając środek spieniający do uplastycznionego polimeru w wytłaczarce, a następnie tnąc na gorąco polimer wychodzący przez otwory dyszy, jak opisano w GB-A-1,062,307 i GB-A-1,234,639,

Również ta technologia ma wady, z których największe wyliczono poniżej:

- wycię ta granulka jest silnie zorientowana, co utrudnia wytwarzanie spienionych wyrobów poprzez całkowitą eliminację naprężeń;

- w przypadku nieprawidłowego chłodzenia granulki, mogą w niej wystąpić mikrorozszerzenia, które mogą negatywnie wpływać na jakość wyrobu końcowego;

- układ tnący zapewnia nieregularne granulki, ponieważ natężenie przepływu w wytłaczarce może zmieniać się wskutek małych różnic w działaniu urządzenia, gęstości polimeru lub natężenia przepływu środka spieniającego;

- kanał y zasilają ce w dyszy nie gwarantują jednakowej temperatury w polimerze, co powoduje niestabilność wytłaczania, ponieważ polimer w styczności z metalem jest w wyższej temperaturze niż polimer wewnątrz, a tym samym ma większą płynność.

Z opisu patentowego US 4606873 znane jest urzą dzenie do wytwarzania granulek polimeru termoplastycznego na gorąco, zawierające wytłaczarkę, dyszę z szeregiem otworów do wytłaczania, komorę cięcia, układ tnący i rurowy reaktor do wygrzewania.

Celem wynalazku jest zapewnienie urządzenie do granulowania na gorąco polimerów termoplastycznych, opcjonalnie zdolnych do spieniania oraz zastosowania tego urządzenia, pozbawionych wspomnianych powyżej wad, które pozwala uzyskać granulki o bardzo ograniczonych wymiarach oraz

PL 206 831 B1 o doskonałej jakości i jednorodnoś ci. W szczególności granulki te nie są ani zorientowane ani sprężone, przy czym struktura komórkową odpowiednich spienionych wyrobów jest jednorodna.

Urządzenie do granulowania na gorąco polimerów termoplastycznych, opcjonalnie zdolnych do spieniania, zawierające wytłaczarkę, dyszę z otworami do wytłaczania, komorę cięcia, układ tnący i rurowy reaktor do wygrzewania, charakteryzuje się według wynalazku tym, że

a) wytłaczarka jest wytłaczarką jedno- lub wieloślimakową,

b) dysza jest usytuowana w głowicy wytłaczarki, składającej się z cylindrycznego korpusu ze znajdującym się na jego powierzchni zewnętrznej szeregiem małych płytek, w których znajduje się szereg otworów do wytłaczania, oraz szeregiem kanałów doprowadzających stopiony polimer, usytuowanych wewnątrz cylindrycznego korpusu w odpowiednim położeniu względem perforowanych małych płytek i połączonych z nimi, powleczonych materiałem o wysokiej przewodności cieplnej,

c) komora cięcia zawiera zespół dysz rozpylających, które tworzą strumień kropelek termostatowej cieczy regulacyjnej używanej do chłodzenia i usuwania wyciętych granulek, rozdrobnionej i rozpylonej na dyszy,

d) układ tnący zawiera płytę tnącą, trwale osadzoną na obrotowym wale, podtrzymującą zespół noży rozmieszczonych tak, że profil tnący noża jest promieniowy względem powierzchni dyszy, która jest zwrócona ku układowi tnącemu, i

e) rurowy reaktor do wygrzewania ma taką długość, że gwarantuje czasy przebywania co najmniej 30 minut.

Korzystnie korpus dyszy jest regulowany termostatycznie i utrzymywany w temperaturze w pobliżu lub wyższej od temperatury mięknienia polimeru.

Korzystnie kanały doprowadzające stopiony polimer są wyłożone metalem o przewodności cieplnej wyższej od 40 W/mK.

Korzystnie kanały doprowadzające prowadzą polimer, który ma być granulowany przez perforowane małe płytki z liczbą otworów większą niż lub równą 1.

Korzystnie otwory te mają średnicę większą niż 0,2 mm.

Korzystnie otwory do wytłaczania znajdują się bezpośrednio na dyszy w położeniu odpowiadającym każdemu kanałowi doprowadzającemu stopiony polimer.

Korzystnie termostatową ciecz regulacyjną wybiera się spośród takich cieczy jak woda, do której dodaje się opcjonalnie środki przeciwsklejające, oraz gliceryna, olej mineralny lub olej silikonowy.

Korzystnie w położeniu ortogonalnym i/lub stycznym względem dyszy są rozmieszczone dyszę lub są one przymocowane do noży.

Korzystnie liczba noży jest większa niż lub równa 1, z krawędzią tnącą, która jest promieniowa względem dyszy.

Przedmiotem wynalazku jest też zastosowanie urządzenia określonego powyżej do wytwarzania granulek ze zdolnych do spieniania polimerów termoplastycznych techniką wytłaczania, które obejmuje

i) doprowadzanie polimeru do temperatury powyżej temperatury topnienia w jedno- lub wieloślimakowej wytłaczarce, ii) wprowadzanie co najmniej jednego środka spieniającego do polimeru w stanie stopionym, iii) granulowanie tak uzyskanego polimeru w urządzeniu do granulowania na gorąco polimerów termoplastycznych, zawierającym

- dyszę usytuowaną w głowicy wytłaczarki, składającą się z cylindrycznego korpusu ze znajdującym się na jego powierzchni zewnętrznej szeregiem małych płytek, w których znajduje się szereg otworów do wytłaczania, oraz szeregiem kanałów doprowadzających stopiony polimer, usytuowanych wewnątrz cylindrycznego korpusu w odpowiednim położeniu względem perforowanych małych płytek i połączonych z nimi, powleczonych materiałem o wysokiej przewodności cieplnej,

- komorę cię cia zawierając ą zespół dysz rozpylają cych, tworzących strumień kropelek termostatowej cieczy regulacyjnej używanej do chłodzenia i usuwania wyciętych granulek, rozdrobnionej i rozpylonej na dyszy,

- układ tnący zawierający płytę tnącą, trwale osadzoną na obrotowym wale, podtrzymującą zespół noży rozmieszczonych tak, że profil tnący noża jest promieniowy względem powierzchni dyszy, która jest zwrócona ku układowi tnącemu, iv) wygrzewanie tak uzyskanych granulek poprzez ogrzewanie do temperatury wyższej lub równej temperaturze zeszklenia (Tg),

v) chłodzenie wygrzanych granulek do temperatury pokojowej.

PL 206 831 B1

Korzystnie polimer termoplastyczny doprowadzony do wytłaczarki doprowadza się do stanu stopionego po ogrzaniu do temperatury co najmniej o 100°C wyższej od temperatury zeszklenia (Tg) lub temperatury mięknienia kompozycji polimerowej zawierającej środek spieniający.

Korzystnie w skład polimeru termoplastycznego wchodzi do 30% wagowych materiału z odzysku lub materiałów odpadowych pochodzących z poprzednich procesów.

Korzystnie stosowany polimer termoplastyczny jest wybrany spośród poliolefin, (ko)polimerów kondensacyjnych, takich jak poliwęglany i poliestry, polimerów (meta)krylowych, polimerów konstrukcyjnych, polimerów pochodzących od monomerów winyloaromatycznych i kauczuków termoplastycznych.

Korzystnie do polimerów termoplastycznych dodaje się środek spieniający, wybrany spośród takich substancji jak węglowodory alifatyczne C3-C6, freon, dwutlenek węgla, woda lub kombinacja tych środków spieniających, w ilości od 1 do 10% wagowych.

Korzystnie polimery termoplastyczne zawierają dodatki zdolne do tworzenia ze środkiem spieniającym zarówno wiązań słabych jak i mocnych.

Korzystnie w komorze cięcia stosuje się ciśnienie z przedziału od 0,11 do 10 MPa.

Korzystnie polimer termoplastyczny wygrzewa się w reaktorze rurowym, w którym utrzymuje się takie samo ciśnienie jak w komorze cięcia.

Korzystnie wygrzewanie przebiega w rektorze rurowym, w którym utrzymuje się temperaturę równą lub wyższą od Tg polimeru termoplastycznego i w czasie co najmniej 30 minut.

Według wynalazku, polimer jest doprowadzany do wytłaczarki jednoślimakowej lub dwuślimakowej, wyposażonej w kosz zasypowy i miejsce wtrysku środka spieniającego, i doprowadzany do stanu stopionego po ogrzaniu do temperatury najmniej co najmniej o 50°C wyższej niż temperatura zeszklenia (Tg) lub temperatura mięknienia kompozycji polimerowej zawierającej środek spieniający, na przykład do temperatury 100 do 200°C. Polimer może co najmniej częściowo zawierać na przykład do 30% wagowych, produkt pochodzący z odzysku albo materiał odpadowy z poprzednich procesów.

W urządzeniu zgodnie z wynalazkiem moż na stosować dowolny polimer termoplastyczny. Typowymi przykładami są żywice poliolefinowe, kopolimery kondensacyjne, takie jak poliwęglany i poliestry, polimery (meta)krylowe, polimery konstrukcyjne, kauczuki termoplastyczne i polimery pochodzące z monomerów winyloaromatycznych.

Termin „monomer winyloaromatyczny, w znaczeniu stosowanym w niniejszym opisie i zastrzeżeniach patentowych odnosi się do produktu określanego następującym wzorem ogólnym:

gdzie R jest wodorem lub grupą metylową, n jest równe zero albo liczbą całkowitą w przedziale od 1 do 5, a Y jest chlorowcem, takim jak chlor lub brom, albo rodnikiem alkilowym lub alkoksylowym mającym od 1 do 4 atomów węgla.

Przykładami monomerów winyloaromatycznych opisywanych tym ogólnym wzorem są: styren, α-metylostyren, metylostyren, etylostyren, butylostyren, dimetylostyren, mono-, di-, tri-, tetra- i pentachlorostyren, bromostyren, metoksystyren, acetoksystyren, itp. Do zalecanych monomerów winyloaromatycznych należą styren i α-metylostyren.

Monomery winyloaromatyczne według ogólnego wzoru (I) można być stosowane samodzielnie albo w mieszankach do 50% wagowych z innymi monomerami nadającymi się do kopolimeryzacji. Przykładami takich monomerów są kwas (met)akrylowy, estry alkilowe C1-C4 kwasu (met)akrylowego, takie jak akrylan metylu, metakrylan metylu, akrylan etylu, etylometakrylan, akrylan izopropylu, akrylanu butylu, amidy i nitryle kwasu (met)akrylowego, takie jak akryloamid, metakryloamid, akrylonitryl, metakrylonitryl, butadien, etylen, diwinylobenzen bezwodnik maleinowy, itp. Do zalecanych monomerów nadających się do kopolimeryzacji należą aktylonitryl i metylometakrylan,

Typowymi przykładami polimerów termoplastycznych, które można granulować za pomocą urządzenia według wynalazku, są polistyren (PS), polistyren wysokoudarowy (HIPS), polietylen (PE), polipropylen, odpowiednie stopy PS/PE (lub HIPS/PE), SAN, ABS, polimetakrylan, polietery, takie jak polifenylenoeter (PPO), poliwęglan z Bisphenol-A, odpowiednie stopy, kopolimery styrenu z butadienem oraz, ogólnie, kauczuki termoplastyczne zawierające styren.

PL 206 831 B1

Do powyższych polimerów dodaje się środek spieniający, wybrany spośród takich substancji jak węglowodory alifatyczne C3-C6, freon, dwutlenek węgla, woda lub kombinacje tych środków spieniających, w ilościach od 1 do 10% wagowych. Środki te można wprowadzać w polimer bezpośrednio w wytł aczarce albo również w mieszarce statycznej.

W konkretnych przypadkach, na przykład kiedy środkiem spieniającym jest CO2, w celu ułatwienia jego zatrzymania, polimery mogą zawierać dodatki zdolne do tworzenia wiązań, zarówno słabych (na przykład mostków wodorowych), jak i silnych (na przykład za pomocą związków addycyjnych na bazie kwasów) ze środkiem spieniającym. Przykładami takich dodatków są alkohol metylowy, alkohol izopropylowy, dioktyloftalan i dimetylowęglan.

Polimer główny może również zawierać następne dodatki powszechnie używane w tradycyjnych procesach granulacji, takie jak barwniki, stabilizatory, środki zarodkujące, środki przeciwwstrząsowe, obojętne mineralne wypełniacze wzmacniające, takie jak krótkie włókna, mika, talk, krzemionka, tlenek glinu, itp., albo wypełniacze z materiałów atermicznych, takie jak grafit, sadza, ditlenek tytanu.

W fazie granulacji, komora cięcia korzystnie znajduje się pod ciś nieniem w celu eliminacji ryzyka wstępnego ekspandowania granulek. Na ogół stosuje się ciśnienia w przedziale od 0,11 do 10 MPa. Następnie ciśnienie to utrzymuje się również w następnym etapie wygrzewania.

Na końcu granulacji, polimer jest wygrzewany w reaktorze rurowym. W szczególności, granulki, które gromadzą się na dnie komory cięcia, wraz z termostatową cieczą regulacyjną, są odprowadzane, dodaje się jeszcze wodę lub inną termostatową ciecz regulacyjną, po czym wysyła się je do sekcji wygrzewania, w której znajduje się co najmniej jeden reaktor rurowy. W reaktorze rurowym jest utrzymywana temperatura równa lub wyższa niż Tg, w której trzyma się granulki przez co najmniej 30 minut, na ogół przez czas od 30 do 600 minut.

Na końcu okresu wygrzewania, granulki są doprowadzane do ciśnienia atmosferycznego z równoczesnym powolnym chłodzeniem do temperatury pokojowej, filtrowane, suszone, sortowane na sicie i na końcu magazynowane.

W urządzeniu do granulowania, zawierającym wytłaczarkę i reaktor do wygrzewania dysza jest w stanie zapewnić przepływ polimeru w stanie stopionym z dużą wydajnością i utrzymać równomierny przepływ termiczny ku swobodnej krawędzi kanału w celu uniknięcia chłodzenia samego polimeru w ś rodku kanał u. Takie rozwią zanie gwarantuje równomierne natężenie przepł ywu wytł aczarki i w rezultacie jednakowe wymiary granulek.

W celu uzyskania takiego wyniku, temperatura korpusu dyszy jest regulowana za pomocą termostatu i jest ona utrzymywana w pobliżu temperatury mięknienia lub jest wyższa od temperatury mięknienia polimeru. Regulację termostatową można uzyskać za pomocą dowolnych znanych w tej dziedzinie środków, na przykład za pomocą rezystorów elektrycznych albo za pomocą cyrkulacji gorącego płynu w odpowiednich kanałach usytuowanych w korpusie dyszy.

Kanały doprowadzające polimer można, na przykład, rozmieścić w kierunkach równoległych do siebie i osi dyszy (w przybliżeniu pokrywającej się z wałem obrotowym układu tnącego) i wyłożyć metalem o przewodności termicznej wyższej niż 40 W/mK, korzystnie powyżej 100 W/mK. Przykładami tych metali są miedź, srebro, złoto.

Kanały doprowadzające prowadzą polimer, który ma być granulowany, przez perforowane małe płytki cechujące się obecnością pewnej liczby otworów, które zmieniają się zależnie od natężenia przepływu, jakie ma być uzyskane. Liczba ta może być większa niż lub równa 1, na przykład od 4 do 10. Średnica otworów zależy od typu i średnicy granulek, jakie mają być wykonane, i jest większa niż 0,2 mm, wynosząc typowo od 0,2 do 5 mm, korzystnie od 0,3 do 1,5 mm, a jeszcze korzystniej od 0,4 do 1 mm.

W alternatywnej postaci wykonania wynalazku, moż na zrezygnować z mał ych pł ytek i otworów do wytłaczania rozmieszczonych bezpośrednio na dyszy odpowiednio do każdego kanału doprowadzającego stopiony polimer.

Wewnątrz komory cięcia, wytłoczony polimer jest granulowany za pomocą układu tnącego i chłodzony za pomocą strumienia kropelek termostatowej cieczy regulacyjnej, rozdrabnianej (nebulizowanej) i rozpylanej na dyszę do wytłaczania, w wyniku czego powstaje mgła. Ciecz ta składa się na ogół z wody lub gliceryny, glikolu etylenowego, oleju mineralnego, oleju silikonowego, itp. lub ich mieszanek i jest utrzymywana w temperaturze w przedziale do 10°C do temperatury mięknienia polimeru.

Fazę granulacji polimeru nadającego się do spieniania można jeszcze bardziej ułatwić stosując dodatki przeciwsklejające, które dozuje się w termostatowej cieczy regulacyjnej w sposób ciągły albo okresowo, przed utworzeniem strumienia kropelek. Dodatki te ułatwiają odłączanie perełek od noży, ponieważ tworzą one bardzo cienką warstwę na metalu poprzez zapobieganie stopniowemu zanie6

PL 206 831 B1 czyszczaniu ostrzy i w ten sposób zapewnianiu doskonałego cięcia również w przypadku dłuższych okresów pracy.

Zalecanymi środkami przeciwsklejającymi zgodnie z wynalazkiem są polisiloksany, takie jak polidimetylosiloksany rozpuszczalne albo emulgujące w wodzie. Ilość polisiloksanu, jaką trzeba dodać do termostatowej cieczy regulacyjnej przed rozdrobnieniem (nebulizacją) jest wyższa niż 1 ppm, korzystnie od 1 do 1000 ppm, a jeszcze korzystniej od 10 do 100 ppm.

Termostatową ciecz regulacyjną rozpyla się na dyszę do wytłaczania za pomocą dysz rozpylających rozmieszczonych, na przykład, w położeniu ortogonalnym i/lub stycznym do dyszy albo przymocowanych do noży. Korzystnie, dysze rozpylające są rozmieszczone za tarczą trzymającą noże tak, że powierzchnia rzutowana przez noże reguluje przepływ kropelek na dyszę ze względu na geometrię samych noży i/lub szybkość obrotową tarczy trzymającej noże i/lub rozpylanych kropelek.

Termostatowa ciecz regulacyjna gromadzi się na dnie komory cięcia wraz z wyciętymi granulkami, które odprowadza się i wysyła do następnej obróbki wygrzewającej.

W skł ad ukł adu tną cego wchodzi w zasadzie pł yta, na której są osadzone dwa lub wię cej noż y. Liczba i wymiary noży mogą zmieniać się w zależności od liczby i średnicy kanałów dyszy albo typu polimeru, który ma być granulowany, to znaczy w zależności od tego czy polimer ma dużą czy też małą lepkość. Na ogół stosuje się liczbę noży większą niż lub równą 1, korzystnie od 2 do 40.

Noże te są na ogół schodkowe, ponieważ takie rozwiązanie gwarantuje równomierne zużycie i moż liwość wyginania noż y bez ich ł amania się , co znacznie uł atwia wielokrotne operacje rozruchowe. Ponadto noże schodkowe, rozmieszczone promieniowo, mają nie tylko zadanie skutecznego cięcia polimeru, ale również dzielenia przepływu termostatowej cieczy regulacyjnej rozpylonej na dyszę, w wyniku czego jej przepł yw staje się przerywany i równomierny.

Noże te działają przy stałym ciśnieniu z powodu nacisku na dyszę utrzymywanego przez specyficzny układ pozycjonowania, taki jak opisano na przykład w europejskim zgłoszeniu patentowym 266,673. Układ pozycjonowania umożliwia wywieranie optymalnego nacisku, który jest wystarczająco wysoki do zagwarantowania jednorodnego cięcia granulek, wskutek czego unika się powstawania bryłek, ale nie za duży w celu ograniczenia zużycia noży i dyszy.

Takie rozwiązanie zapewnia stałą jakość granulek pod względem wymiarów i temperatury (stałe ciśnienie zapewnia bardziej równomierną i stałą wymianę ciepła pomiędzy stopionym polimerem a otoczeniem). Powszechnie wiadomo, ż e ciś nienie polimeru w dyszy zmienia się w zależ noś ci od niejednorodności wyrobu podczas jego doprowadzania w odniesieniu zarówno do masy molekularnej jak i rozproszenia dodatków, takich jak środki przeciwutleniające, woski, barwniki, obojętne wypełniacze, środki spieniające, itp.

Urządzenie do granulowania na gorąco opcjonalnie zdolnych do spieniania polimerów termoplastycznych, według wynalazku, jest bliżej objaśnione w przykładach wykonania, mających charakter ilustracyjny ale nieograniczający, na rysunku na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy cyklu granulacji polimeru, takiego jak polistyren, fig. 2 - płaski przekrój poprzeczny dyszy, fig. 3 - płaski przekrój komory poprzez cięcia i fig. 4 - uproszczony rzut tylnej sekcji tarczy trzymającej noże.

Nawiązując do fig. 1, granulki polistyrenu doprowadza się, poprzez kosz zasypowy 1, do wytłaczarki ślimakowej 2 powszechnie znanego typu, przeznaczonej do uplastyczniania na gorąco polistyrenu i transportowania polimeru pod ciśnieniem do głowicy wytłaczającej lub dyszy 111. Środek spieniający doprowadza się do wytłaczarki 2 przewodem wtryskowym 4 za pomocą pompy 5. Ostatnia część wytłaczarki 2 jest odpowiednio ukształtowana do mieszania potrzebnego dla zapewnienia doskonałego rozprowadzania środka spieniającego w polistyrenie.

Polimer z zawartym w nim środkiem spieniającym jest wytłaczany przez otwory dyszy 111 i cięty za pomocą noży 215.

Polimer, pocięty na granulki, wpływa do komory cięcia 118, która otacza dyszę i w której są rozpylane woda i dodatki przeciwsklejające pod ciśnieniem ponad 0,2 MPa i w temperaturze z przedziału od Tg do Tg+20°C polimeru. Wymiennik ciepła 9 utrzymuje temperaturę wody wpływającej do komory 118 na wymaganym poziomie, natomiast specjalne urządzenie 10 utrzymuje stały nacisk noży 215 na dyszę 111.

Granulki są transportowane do górnej części wieży akumulacyjnej 11 za pomocą strumienia wody, a następnie do rurowego reaktora 12 do wygrzewania. Nadmiar wody przepływa przez filtr 13 wieży akumulacyjnej i, za pomocą pompy 14, dopływa do wymiennika 9, gdzie jest zawracany do obiegu i doprowadzany do komory cięcia 118.

PL 206 831 B1

Ciśnienie polistyrenu jest utrzymywane na poziomie ponad 0,2 MPa zarówno w wieży akumulacyjnej jak i w reaktorze rurowym 12, a temperatura w reaktorze rurowym jest również utrzymywana na poziomie równym lub wyższym niż Tg produktu.

W skład reaktora rurowego 12, regulowanego za pomocą termostatu, wchodzi rura o różnej długości w metrach, w zależności od średnicy rury i czasu przebywania w niej wyrobu, który powinien wynosić co najmniej 30 minut.

Następnie granulki i woda są chłodzone w trakcie odprowadzania w strumieniu wody przed wpłynięciem do wirówki 15. Odprowadzanie w strumieniu wody odbywa się w rurze 20 o długości kilku metrów tak, że spadek ciśnienia podczas przepływu obniża ciśnienie od ponad 0,2 MPa do 0,1 MPa (ciśnienie atmosferyczne).

Natężenie przepływu wody chłodzącej, pompowanej za pomocą pompy 17, jest regulowane za pomocą zaworu 16 tak, żeby utrzymywać stałą temperaturę w przedziale od 30 do 35°C.

Następnie oddziela się polimer od wody i suszy w wirówce 15. Wodę odfiltrowuje się w celu usunięcia ewentualnych granulek i zawraca się do obiegu do komory cięcia 118 za pomocą pompy 18. Suche granulki zbiera się w pojemniku magazynowym 19 i wysyła do następnych procesów obróbki wykańczającej (na przykład powlekania powierzchniowego).

Na pozostałych figurach 2-4 pokazano szczegółowo urządzenie do granulowania. W szczególności, na fig. 2 pokazano płaski przekrój poprzeczny dyszy 111, w skład której wchodzi cylindryczny korpus 112, wewnątrz którego znajdują się kanały 113 powleczone materiałem 114, o wysokiej przewodności cieplnej do doprowadzania stopionego polimeru 115. Kanały 113 wychodzą na zewnątrz przez perforowane małe płytki 116.

Rezystory elektryczne 117 utrzymują cylindryczny korpus dyszy we właściwej temperaturze.

Na fig. 3 pokazano płaski przekrój poprzeczny komory cięcia 118 związanej z odpowiednim układem tnącym 119. Komora cięcia zawiera pojemnik 210 pasujący do dyszy 111, mający wylot 211, z którego wypływa mieszanka 212 granulek z termostatową cieczą regulacyjną. Układ tnący zawiera wał 214 z tarczą do trzymania noży. Noże 215 ze schodkową krawędzią tnącą 216, rozmieszczone promieniowo względem dyszy 111, są osadzone w tarczy trzymającej noże. Hydrauliczne dysze 217, osadzone w tylnej części pojemnika 210, znajdują się za tarczą trzymającą noże, przy czym dysze te zasilane pompą wysoko ciśnieniową, niepokazaną na figurze, rozdrabniają termostatową ciecz regulacyjną i rozpylają ją na dyszę wytłaczającą w postaci kropelek lub mikrokropelek.

Na fig. 4 pokazano uproszczony widok tylnego przekroju tarczy 213 trzymającej noże, w której jest osadzonych, wyłącznie ze względów ilustracyjnych, osiem noży 215 z krawędziami tnącymi biegnącymi promieniowo.

Poniżej przedstawiono kilka ilustracyjnych, ale nieograniczających, przykładów, umożliwiających lepsze zrozumienie wynalazku i jego postaci wykonania.

P r z y k ł a d 1

Opis odnosi się do fig. 1. Do wytłaczarki 2 doprowadza się za pośrednictwem kosza zasypowego 1 polistyren o MFI 8g/10' (w temperaturze 200°C/5 kg). Za pomocą pompy 5 i rurociągu 4 doprowadza się do stopionego polimeru mieszankę n-pentanu z i-pentanem w proporcjach wagowych 70/30 i ilości około 6% wagowych.

Zdolny do spieniania polimer jest wytłaczany w temperaturze około 170°C przez dyszę 111, w której znajdują się kanały powleczone miedzią i otwory o średnicy 0,5 mm, i cięty za pomocą noży 215. Uzyskuje się kuliste granulki o przeciętnej średnicy 1 mm, o bardzo wąskim rozrzucie (98% w przedziale od 0,9 do 1,1 mm).

Dysza 111 wchodzi w komorę cięcia, w której woda jest rozdrabniana pod ciśnieniem 0,3 MPa i w temperaturze 60°C, tworząc mgłę w samej komorze.

Następnie granulki są gromadzone w wieży akumulacyjnej wysyłane do reaktora rurowego 12 i wygrzewane w temperaturze 60°C przez 120', pod ciśnieniem 0,3 MPa utrzymywanym w całym urządzeniu. Następnie granulki są transportowane do rury 20 o długości 30 m za pomocą wody o temperaturze 20°C. Ciśnienie spada z 0,3 do 0,1 MPa z powodu spadku ciśnienia wzdłuż rury.

Następnie gotowy produkt jest wysyłany do wirówki 15 w celu wyeliminowania wody i zebrania go w pojemniku 19.

Następnie do granulek dodaje się 0,2% wagowych mieszanki stearynianu mono-digliceryny i 0,1% stearynianu cynku, po czym granulki są spieniane za pomocą pary o temperaturze 100°C przez 3 czasy kontaktowania 1, 2 i 3 minuty. Gęstości odpowiednich próbek podano w tabeli 1.

PL 206 831 B1

Perełki spienione przy 15 g/l mają równomierną strukturę komórkową, przy czym komórki te są zamknięte i mają średnicę około 60 μm. Następnie spienione perełki były formowane w bloki o wymiarach 1000 x 1080 x 600 mm po 24 godzinach starzenia przy ciśnieniu pary 0,04 MPa w celu oceny czasu chłodzenia, skurczu, stopienia, przy czym uzyskane wyniki podano w tabeli 2, oraz przewodności cieplną w temperaturze 23°C (39 mW/mk przy gęstości 14 g/l). Część spienionych perełek spienia się po raz drugi w celu dalszego zredukowania gęstości do 7,8 g/l.

P r z y k ł a d 2 (porównawczy)

Zastosowano tę samą procedurę co w przykładzie 1, ale z tą różnicą, że woda jest rozdrabniana w komorze cięcia przy ciśnieniu 0,1 MPa. Uzyskane granulki są częściowo spienione.

P r z y k ł a d 3 (porównawczy)

Zastosowano tę samą procedurę co w przykładzie 1, przepuszczając granulki bezpośrednio z komory cięcia do rury 20 w celu ich schłodzenia. Uzyskane granulki, po spienieniu przy 15 g/l, mają nierównomierną strukturę komórkową z zewnętrzną koroną komórek o średnicy około 60 μm i wewnętrzną częścią z większymi komórkami o średnicy z przedziału od 60 do 150 μm.

P r z y k ł a d 4

Zastosowano tę samą procedurę co w przykładzie 1, dodając do polistyrenu 0,1% wagowych ditlenku tytanu o średnicy 0,2 μm. Spienione perełki mają jednorodną strukturę komórkową o średnicy około 55 μm. Przewodność cieplna wynosi 36,7 mW/mk (gęstość 14 g/l).

P r z y k ł a d 5

Zastosowano tę samą procedurę co w przykładzie 1, ale doprowadzając kopolimer styrenu z akrylonitrylem o zawartości akrylonitrylu 33% i MFI 20 g/10' (220°C/ 10 kg).

Do stopionego polimeru dodano za pomocą pompy 5 i rurociągu 4 ciekły dwutlenek węgla w ilości około 6% wagowych. W komorze cięcia, inaczej niż w przykładzie 1, utrzymywano ciśnienie 8 MPa.

Zarówno w wieży akumulacyjnej jak i reaktorze rurowym utrzymywano ciśnienie 2 MPa.

Spienianie granulek uzyskiwano za pomocą pary o temperaturze 103°C.

P r z y k ł a d 6

Zastosowano tę samą procedurę co w przykładzie 5, dodając za pomocą pompy 5 i rurociągu 4 ciekły dwutlenek węgla w ilości około 6% wagowych, oraz alkohol izopropylowy w ilości około 2% wagowych. Spienianie uzyskanych granulek przeprowadzano za pomocą pary o temperaturze 103°C.

T a b e l a 1

	Czas parowania (min)	Gęstość (g/l)
PRZYKŁAD 1	1	20,5
	2	17,2
	3	15,5
PRZYKŁAD 4	1	19,5
	2	15,6
	3	14,2
PRZYKŁAD 5	1	75
	2	24
	3	18
PRZYKŁAD 6	1	60
	2	20
	3	15

PL 206 831 B1

T a b e l a 2

PRZYKŁAD 1
Gęstość (q/l)	16,5	7,8
Czas chłodzenia	30'	2' 3
Skurcz (mm)	-7	-5
Stopienie (%)	15	20
PRZYKŁAD 4
Gęstość (q/l)	15	8,3
Czas chłodzenia	25'	2' 3
Skurcz (mm)	-2	-3
Stopienie (%)	85	35

Zastrzeżenia patentowe

Claims (18)

1. Urządzenie do granulowania na gorąco polimerów termoplastycznych, opcjonalnie zdolnych do spieniania, zawierające wytłaczarkę, dyszę z otworami do wytłaczania, komorę cięcia, układ tnący i rurowy reaktor do wygrzewania, znamienne tym, ż e

a) wytłaczarka jest wytłaczarką jedno- lub wieloślimakową (2),

b) dysza (111) jest usytuowana w głowicy wytłaczarki, składającej się z cylindrycznego korpusu (112) ze znajdującym się na jego powierzchni zewnętrznej szeregiem małych płytek (116), w których znajduje się szereg otworów do wytłaczania, oraz szeregiem kanałów (113) doprowadzających stopiony polimer (115), usytuowanych wewnątrz cylindrycznego korpusu (112) w odpowiednim położeniu względem perforowanych małych płytek (116) i połączonych z nimi, powleczonych materiałem (114) o wysokiej przewodności cieplnej,

c) komora cięcia (118) zawiera zespół dysz rozpylających (217), które tworzą strumień kropelek termostatowej cieczy regulacyjnej używanej do chłodzenia i usuwania wyciętych granulek, rozdrobnionej i rozpylonej na dyszy (111),

d) układ tnący (119) zawiera płytę tnącą (213), trwale osadzoną na obrotowym wale (214), podtrzymującą zespół noży (215) rozmieszczonych tak, że profil tnący (216) noża (215) jest promieniowy względem powierzchni dyszy (111), która jest zwrócona ku układowi tnącemu (119), i

e) rurowy reaktor (12) do wygrzewania ma taką długość, że gwarantuje czasy przebywania co najmniej 30 minut.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że korpus dyszy (111) jest regulowany termostatycznie i utrzymywany w temperaturze w pobliżu lub wyższej od temperatury mięknienia polimeru.

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kanały (113) doprowadzające stopiony polimer (115) są wyłożone metalem o przewodności cieplnej wyższej od 40 W/mK.

4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 3, znamienne tym, że kanały doprowadzające (113) prowadzą polimer, który ma być granulowany przez perforowane małe płytki (116) z liczbą otworów większą niż lub równą 1.

5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że otwory te mają średnicę większą niż 0,2 mm.

6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że otwory do wytłaczania znajdują się bezpośrednio na dyszy (111) w położeniu odpowiadającym każdemu kanałowi (113) doprowadzającemu stopiony polimer (115).

7. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 6, znamienne tym, że termostatową ciecz regulacyjną wybiera się spośród takich cieczy jak woda, do której dodaje się opcjonalnie środki przeciwsklejające, oraz gliceryna, olej mineralny lub olej silikonowy.

8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w położeniu ortogonalnym i/lub stycznym względem dyszy (111) są rozmieszczone dysze (217) lub są one przymocowane do noży (215).

9. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 6, albo 8, znamienne tym, że liczba noży (215) jest większa niż lub równa 1, z krawędzią tnącą (216), która jest promieniowa względem dyszy (111).

PL 206 831 B1

10. Zastosowanie urządzenia określonego w zastrz. 1 - 9 do wytwarzania granulek ze zdolnych do spieniania polimerów termoplastycznych techniką wytłaczania, które obejmuje

i) doprowadzanie polimeru do temperatury powyżej temperatury topnienia w jedno- lub wieloślimakowej wytłaczarce (2), ii) wprowadzanie co najmniej jednego środka spieniającego do polimeru w stanie stopionym, iii) granulowanie tak uzyskanego polimeru w urządzeniu do granulowania na gorąco polimerów termoplastycznych,

- zawierającym dyszę (111) usytuowaną w głowicy wytłaczarki, składającą się z cylindrycznego korpusu (112) ze znajdującym się na jego powierzchni zewnętrznej szeregiem małych płytek (116), w których znajduje się szereg otworów do wytłaczania, oraz szeregiem kanałów (113) doprowadzających stopiony polimer (115), usytuowanych wewnątrz cylindrycznego korpusu (112) w odpowiednim położeniu względem perforowanych małych płytek (116) i połączonych z nimi, powleczonych materiałem (114) o wysokiej przewodności cieplnej,

- komorę cięcia (118) zawierającą zespół dysz rozpylających (217), tworzących strumień kropelek termostatowej cieczy regulacyjnej używanej do chłodzenia i usuwania wyciętych granulek, rozdrobnionej i rozpylonej na dyszy (111),

- układ tnący (119) zawierający płytę tnącą (213), trwale osadzoną na obrotowym wale (214), podtrzymującą zespół noży (215) rozmieszczonych tak, że profil tnący (216) noża (215) jest promieniowy względem powierzchni dyszy (111), która jest zwrócona ku układowi tnącemu (119), iv) wygrzewanie tak uzyskanych granulek poprzez ogrzewanie do temperatury wyższej lub równej temperaturze zeszklenia (Tg),

v) chłodzenie wygrzanych granulek do temperatury pokojowej.

11. Zastosowanie według zastrz. 10, znamienne tym, że polimer termoplastyczny doprowadzony do wytłaczarki (2) doprowadza się do stanu stopionego po ogrzaniu do temperatury co najmniej o 100°C wyższej od temperatury zeszklenia (Tg) lub temperatury mięknienia kompozycji polimerowej zawierającej środek spieniający.

12. Zastosowanie według zastrz. 10 albo 11, znamienne tym, że w skład polimeru termoplastycznego wchodzi do 30% wagowych materiału z odzysku lub materiałów odpadowych pochodzących z poprzednich procesów.

13. Zastosowanie według zastrz. 10 albo 11, znamienne tym, że stosowany polimer termoplastyczny jest wybrany spośród poliolefin, (ko)polimerów kondensacyjnych, takich jak poliwęglany i poliestry, polimerów (meta)krylowych, polimerów konstrukcyjnych, polimerów pochodzących od monomerów winyloaromatycznych i kauczuków termoplastycznych.

14. Zastosowanie według zastrz. 10 albo 11, znamienne tym, że do polimerów termoplastycznych dodaje się środek spieniający, wybrany spośród takich substancji jak węglowodory alifatyczne C3-C6, freon, dwutlenek węgla, woda lub kombinacja tych środków spieniających, w ilości od 1 do 10% wagowych.

15. Zastosowanie według zastrz. 10 albo 11, znamienne tym, że polimery termoplastyczne zawierają dodatki zdolne do tworzenia ze środkiem spieniającym zarówno wiązań słabych jak i mocnych.

16. Zastosowanie według zastrz. 10 albo 11, znamienne tym, że w komorze cięcia (118) stosuje się ciśnienie z przedziału od 0,11 do 10 MPa.

17. Zastosowanie według zastrz. 10 albo 11, znamienne tym, że polimer termoplastyczny wygrzewa się w reaktorze rurowym (12), w którym utrzymuje się takie samo ciśnienie jak w komorze cięcia (118).

18. Zastosowanie według zastrz. 10 albo 11, znamienne tym, że wygrzewanie przebiega w rektorze rurowym (12), w którym utrzymuje się temperaturę równą lub wyższą od Tg polimeru termoplastycznego i w czasie co najmniej 30 minut.