專利名稱：用漿液原料制備組合物的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用連續擠出機制備組合物的方法和設備。更具體說，本發明涉及通過將漿液從漿液容器送入一個連續反應器制備組合物的方法和設備。
迄今為止，比如象聚合物的化學組合物都是用連續反應擠出機制備的。比如，美國專利4,612,355公開了擠出機在制造塑料方面的應用。更具體地說，美國專利4,612,355公開了反應擠出機在制備環氧樹脂方面的應用。
一般說來，加入到這種擠出機內的原料，在進入擠出機前是呈固態或熔融態的。這樣就難于在把固體加入擠出機之前或當中將該固體充分而緊密地混合在一起。某些化學物質不能以固態加入，必須以不同的方式制備。
此外，連續過程對加料精確度的要求很高，特別是當連續方法是要求盡可能小反混的塞流過程和分步聚合時。分步聚合涉及到兩種不同的雙官能原料，分別表示為A-A和B-B，這里A與B反應，此反應對A-A和B-B的比例是非常敏感的，關系到最終的分子量和最終的物理性能。
一般說來，分步聚合方法優選使用液體原料，因為使用液體原料可以使加料的精確度達到0.1％以內。然而，在某些制造工藝中，一種或多種原料必須是固體的，因為在降解和安全方面的考慮，不希望使用液體原料。因此，當不能使用液體原料時就需要一種固體加料系統，比如失重(loss in weight)加料器。失重加料器在一分鐘間隔內的精確度可以達到0.25％，但在5秒的間隔一般大于1％。在不能精確地處置固體的工藝中，最好避免使用固體加料系統。
因此希望提供一種方法和設備，用來將漿液原料加入到反應器，如擠出機中，以制備組合物。更優選的是，希望提供一種方法和設備，通過在一個連續攪拌和反混的容器中，將原料與液體原料一起保持幾分鐘，而使固體加料器的短期精確度平均化。
本發明涉及從一種或多種樹脂材料和其它成分制備組合物的方法和設備，其使用連續反應器，結合使用漿液連續加料裝置，將漿液原料的物流加入到反應器中。
在本發明的一個具體實施方案中，本發明的方法和設備通過將一種或多種單體和/或低聚物的漿液加入到一個連續反應器中，以制造一種或多種樹脂材料，從而制備出組合物。該樹脂材料可以在混合器中任選地與其它添加劑結合，或者以薄片的形式回收供進一步使用。
該方法將漿液的加料操作和反應性擠出操作結合在一起。當在液體材料中使用固體添加劑而又不必須熔融該固體時，本發明避免了與原料加料速度變化有關的問題。本發明的優點在于提供了固體加料器的精確加料流。
圖1顯示了本發明設備的一個實施方案的示意圖，具體說明與連續反應擠出機同時使用的漿液加料容器。
本發明涉及到在一個連續方法中實現固體原料穩定加料的方法和設備，在該方法中使用了連續形成和混合的固體原料的漿液，或者固體原料和液體原料的混合漿液。一般說來，使用失重加料器將固體加入到漿液混合容器中，而使用一個液體的精確計量系統加入在漿液中使用的各種液體原料。
通過工藝中送料泵的速度來控制漿液過程的液面。應該用不會將氣體帶入系統中的裝置來測量液面，比如膜片式液面轉換計或超聲波液面轉換計。需要穩定的液面控制來給過程提供穩態的加料速度，并保證充分的混合。容器中的液面被控制在攪拌器上方以建立能夠夾帶固體的渦流。失重加料器的排料應該直接將固體原料送入到該渦流中。
本發明方法和設備的一個實施方案涉及到制備組合物和/或在組合物中所含的某些樹脂材料，這里與反應擠出機同時使用了漿液容器。
在本文中“漿液”是指懸浮在液體物質中的一種或多種固體物質。
參見圖1，這里顯示了與反應器20相連的漿液容器10。熱交換器(未顯示)可以加熱從存儲容器(未顯示)到管道(11)的液體單體物流，用調速添加泵(未顯示)或者控制閥(未顯示)控制加入到漿液容器10中的速度。控制液體單體物流11的溫度，得到可以泵送的漿液物流。在某些情況下，液體單體物流11被加熱到使漿液容器10中存在的固態單體熔融所需的溫度。
從固體加料系統13到管道12中的固體單體物流被按比例加入到漿液容器10中，在漿液容器10中的高速混合器14把固體單體和液體單體混合在一起，形成在管道15中的活性漿液物流。使用計量加料泵(未顯示)，將該漿液物流15連續計量地加入到反應器20中。如果須要完成反應，漿液15要和從催化劑添加泵(未顯示)來的催化劑混合在一起。可以在漿液加料管1 5中將漿液與催化劑混合在一起，或者在位于漿液管15中的高速在線混合器中混合在一起，并送入到連續反應器20中。
將加入到連續反應器20中的單體和其它添加劑如催化劑加熱到足夠的溫度，使得在反應器中發生反應，最后反應產物的物流通過管道21離開反應器20。
雖然沒有顯示，本發明的各個其它的實施方案可以包括，比如用樹脂材料泵通過連接著配有連續混合器的連續反應器20的管道，強制輸送連續反應器20的產品，如樹脂材料。在該系統上也可以連接液體添加劑存儲容器和計量流體控制泵，以在樹脂材料被輸送到混合器以前加入任何液體添加劑或其它成分。在本發明中用于將反應器和混合器結合的優選方法和設備公開在Keillor等人在同一日期提交的共同未決美國專利申請(發明名稱為《用串聯的連續反應器和混合器制備組合物的方法和設備》(Process and Apparatus For Preparing A CompositionUsing A Continuous Reactor And Mixer In Series)，代理號為44646)中。
此外，在加入到連續混合器以前，從連續反應器出來的樹脂材料的條件必須變更。比如，可使用過濾系統，以從該樹脂材料中除去任何顆粒狀物質；或者使用熱交換器系統以將樹脂材料的溫度降低到適當混合所要求的溫度。可以從連續添加系統向混合器中添加其它的固體成分，并且和樹脂材料的加料物流合并在一起。在連續混合器的固體排料口，可將產物轉移到刨片機中，從而使組合物產物固化并成型為薄片。
在圖1中所敘述的另一個實施方案中，可以將多個連續的漿液加料物流送入連續反應器，或者將一個漿液加料物流送入多個連續反應器中。
在本發明的一個實施方案中，可以通過本發明的方法，在一個連續反應器中制備可以用作本發明制備的組合物組分的樹脂材料。用于該目的的連續反應器可以是一個管或管狀反應器，或者擠出機。優選使用擠出機。可以使用一個以上的反應器制備不同的樹脂材料。可以使用任何數量的反應器，并且這些反應器中的任何一個或者全部任選地直接連接到混合器上，在該混合器中也可以制備組合物。管或管狀接頭適于用作實現這種連接的裝置。
通過在一個連續聚合反應器中使一種或多種單體和/或低聚物進行聚合，以形成樹脂材料，更具體地說是形成聚合物，來制備在本發明中可以使用的樹脂材料。一般說來，可以在聚合反應混合物中加入催化劑，用于得到特定類型的樹脂材料，或者達到所需的轉化率。當需要時，可以以溶液、漿液或者干燥物質混合物的形式中的一種或多種，把單體、低聚物和催化劑分別單獨或兩個或多個一組地送入聚合反應器。然而，這些組分中至少有一種或多種是以漿液的形式送入反應擠出機的。
按照本發明制備的組合物的樹脂材料實際上可以是任何聚合物或共聚物。作為組合物中的組分，該樹脂材料無須具有任何特定的分子量。該樹脂材料可以具有的重復單元數，可以從兩個重復單元到幾百或幾千個重復單元。可以在本發明方法中使用的特定的樹脂材料包括比如環氧樹脂、聚酯、聚氨酯、丙烯酸酯和在美國專利5,094,806中提出的其它聚合物。在上述所列的本發明中可以使用的樹脂材料中，最優選的是環氧樹脂和聚酯。在本發明中可以使用的環氧樹脂和用來制備環氧樹脂的材料公開在美國專利4,612,156中。在本發明中可以使用的聚酯和用于制備聚酯的材料公開在《聚合物科學和工程百科全書》(Encyclopedia of Polymer Science and Engineering)，第12卷，p.1-313中。
在生產可作為本發明組合物的組分的樹脂材料中，各種條件或參數都對聚合反應的進程有影響。這些條件或參數的典型例子如下向反應器中加入單體和/或低聚物的速度、反應進行的溫度、反應經歷的時間以及反應進行時反應物混合和攪拌的程度。單體和/或低聚物的加入速度可以受到比如在加壓管上閥門調節的影響。反應進行的溫度受到比如單體和/或低聚物，或者對反應器本身直接加熱或冷卻的影響。反應經歷的時間長短受到比如反應器發尺寸如管、管道或擠出機的長度的影響，或者受到反應物進入或離開反應器的速度如由于擠出機螺桿的具體速度或設計的影響，或者進入管或管道內的加壓惰性氣體的影響。在反應時反應物混合或攪拌的程度可能受到比如槳葉或其它混合組件的尺寸、形狀和速度的影響，在管或管道中存在的靜態混合組件的影響，或者擠出機螺桿轉速的影響。
如果用來作為本發明組合物的樹脂材料的性能是已知的并保持在所需的水平，用本發明的方法和設備制備的組合物的質量能夠得到改進。對于該目的可以分析的樹脂材料性能的例子是粘度、熔體指數、熔體流動速度、分子量、分子量分布、當量、熔點、玻璃化轉變溫度、密度、比重和純度。比如，當使用環氧樹脂作為樹脂材料時，希望其粘度為1-100,000厘泊。可以用來測定上述樹脂材料性能的分析技術包括超聲波能、拉曼光譜、紅外光譜、近紅外光譜和介電能。測量本發明使用的樹脂材料性能的優選方法和設備公開在Shawn Maynard在相同日期提交的共同未決美國專利申請(發明名稱為《用超聲設施制備物質組合物的方法和設備》(Process And Apparatus For Preparing AComposition of Matter Utilizing An Ultrasonic Device)，代理號為446462)中。
一般說來，用本發明的漿液法制備的組合物是通過連續地將活性漿液溶液由漿液容器加入到反應擠出機而制備的。可以在漿液容器中、在反應器的加料管中或在反應器中加入任何量的其它成分，以形成組合物。比如，可以是一種或多種不是在反應器中制備的聚合物，活性或惰性的化合物，或者諸如顏料、填料或穩定劑的添加劑。當最終組合物是各種物質的摻混物時，可以把從反應器中出來的組合物任選地從反應擠出機經過反應器和混合器之間的連接裝置傳送到混合器中，以形成組合物。如果使用多于一個的反應器，在每個反應器和混合器之間都要建立連接裝置。
使用的混合器的優選類型是擠出機，特別是雙螺桿擠出機，但也可以使用其它類型的混合器，比如共捏合機。
在本發明的另一個實施方案中，可以通過將樹脂材料與其它組分進行混料以制備最終組合物。最終組合物的其余組分包括多種其它的成分，其還可包括樹脂材料，比如環氧樹脂或聚酯，或者在上面列出的其它樹脂材料。組合物的其余組分還可以包括諸如通用添加劑的成分，例如環氧樹脂固化劑(比如二氰基二酰胺)、填料、顏料和穩定劑。在美國專利5,416,148中公開了作為本發明方法和設備制備的組合物成分的其它添加劑。這些添加劑可以以液體的形式加入到組合物中。在混合器中混合該組合物以后，以適用處理的形式回收該組合物，比如薄片或顆粒形式。
表權利要求
1.一種制備物質組合物的方法，該方法包括如下的步驟(a)連續地制備該物質組合物的一個或多個組分的漿液；(b)將該物質組合物的一個或多個組分的漿液連續地加入到至少一個連續反應器中；(c)在該反應器中由所述漿液連續地形成物質組合物；(d)從所述反應器中回收所述物質組合物。
2.如權利要求1的方法，其中物質組合物是樹脂材料。
3.如權利要求2的方法，其中的樹脂材料是聚合物。
4.如權利要求3的方法，其中該漿液含有一種或多種單體和/或低聚物。
5.如權利要求3的方法，其中該聚合物是環氧樹脂。
6.如權利要求1的方法，其中的反應器是擠出機。
7.如權利要求3的方法，該方法包括如下步驟(e)經過反應器和混合器之間的連接裝置，把聚合物從反應器傳送到混合器中；(f)通過在混合器中將聚合物和物質組合物的一種或多種其它組分進行混合來制備該物質組合物。
8.如權利要求7的方法，其中的混合器是擠出機。
9.如權利要求7的方法，其中的物質組合物是一種涂料。
10.如權利要求9的方法，其中由(i)含平均每個分子一個以上臨近環氧基團的物質，和/或(ii)含平均每個分子一個以上能夠與物質(i)反應的基團的物質，來制備該漿液。
11.如權利要求10的方法，其中的物質(ii)是多羥基化合物。
12.如權利要求11的方法，其中的多羥基化合物是雙酚A。
13.如權利要求10的方法，其中在步驟(f)中，與聚合物混合的一種或多種其它組分選自與環氧樹脂反應的物質、不與環氧樹脂反應的物質、顏料、穩定劑和填料中的至少一種。
14.如權利要求13的方法，其中與環氧樹脂反應的物質是聚酯。
15.如權利要求13的方法，其中在第一反應器中制備環氧樹脂，在第二反應器中制備與環氧樹脂反應的物質。
16.一種制備物質組合物的設備，該設備包括(a)將該物質組合物一個或多個組分的漿液連續加入到至少一個連續反應器中以形成物質組合物的裝置，以及(b)從所述反應器中回收所述物質組合物的裝置。
17.一種制備聚合物的設備，該設備包括(a)用于連續制備一種或多種單體和/或低聚物漿液的漿液容器；(b)與所述漿液容器相連的至少一個連續反應器，所述反應器通過使一種或多種單體和/或低聚物在反應器中反應，適于連續制備一種或多種聚合物；(c)一種將漿液連續地加入到至少一個連續反應器中以形成聚合物的裝置，以及(d)從所述反應器中回收所述聚合物的裝置。
18.如權利要求17的設備，其中的反應器是一個擠出機。
19.如權利要求17的設備，該設備包括(e)與所述反應器連接的混合器，所述混合器適于通過在混合器中將在每個反應器中制備的聚合物、組合物的一種或多種其它組分混合來制備物質組合物，以及(f)經過在每個反應器和混合器之間的連接裝置將聚合物從每個反應器傳送到混合器的裝置。
20.如權利要求19的設備，該設備包括以控制速率將聚合物從每個反應器傳送到混合器的裝置。
21.如權利要求17的設備，其中制備的聚合物是環氧樹脂。
22.如權利要求19的設備，其中與聚合物混合的至少一種或多種其它組分選自與環氧樹脂反應的物質、不與環氧樹脂反應的物質、顏料、穩定劑和填料中的至少一種。
23.如權利要求19的設備，其中的混合器是一個擠出機。
24.如權利要求19的設備，該設備包括制備環氧樹脂的第一反應器和制備與環氧樹脂反應的物質的第二反應器。
25.如權利要求24的設備，其中與環氧樹脂反應的物質是聚酯。
26.如權利要求17的設備，其中的物質組合物是一種涂料。
27.如權利要求26的設備，其中的漿液是(i)含平均每個分子一個以上臨近環氧基團的物質，和/或(ii)含平均每個分子一個以上能夠與物質(i)反應的基團的物質的混合物。
28.如權利要求27的設備，其中的物質(ii)是多羥基化合物。
29.如權利要求28的設備，其中的多羥基化合物是雙酚A。
全文摘要
一種用連續反應器(20)結合漿液容器(10)將漿液原料流(15)送入到該反應器中以制備組合物的方法和設備,該組合物包括一種或多種樹脂材料和/或其它成分。更具體說,該方法和設備通過將一種或多種單體和/或低聚物的活性漿液送入到連續反應擠出機(20),以制造一種或多種樹脂材料來制備組合物。該樹脂材料可以任選地連續傳送到用于連續地將樹脂材料與其它成分混合的混合器中,從而形成摻混組合物。
文檔編號C08F2/14GK1355738SQ00808881
公開日2002年6月26日 申請日期2000年6月15日 優先權日1999年6月15日
發明者P·T·謝勒三世 申請人:陶氏化學公司