聚合物切斷設備及方法

專利名稱：聚合物切斷設備及方法
技術領域：
本發明涉及用于切斷聚合物的旋轉切斷器，特別是用于切斷帶狀聚合物及類似物，和涉及應用該切斷器切斷聚合物的方法。
背景技術：
聚合物是豐富的及重要的貿易貨物，可使用在多種場合。在處理、加工或回收聚合物過程中，常常需要將固體的(與熔化的相反)聚合物切斷成各種尺寸和/或形狀的較小塊。例如，當生產熱塑性塑料時，將它們切成相對小尺寸的(均勻的)顆粒或細粒，以使它們能容易地送進諸如注射成形機或擠壓機的成型機器中。在此類的操作中，產生合理均勻尺寸的顆粒并產生相對少的或不產生其它如灰塵或不合格尺寸顆粒尺寸的顆粒是重要的。
可應用許多形式的聚合物切斷器。在一種常用的形式中，當聚合物進入刀盤時，使用含有近似平行于旋轉軸線的刀片的刀盤對著底刀切斷聚合物。在這些切斷器中刀片以切斷和剪切作用相結合進行切斷，其窄的前切削刃切過聚合物。在這種切斷器中進刀角(見下面)一般是15～20°。這種結構可使特定直徑的刀盤上具有眾多的刀片，因此提高了切斷器的切斷能力(每單位時間切下的聚合物重量)。盡管這種形式切斷器已經廣泛使用多年，它們具有某些缺點。切斷刀片的破裂和/或磨損是其中的缺點，特別切斷硬的和/或耐磨的聚合物的時更是如此。還有，特別切斷硬的和/或脆的聚合物時，切斷質量常常不好，產生大量的破碎顆粒/細屑，和/或長顆粒和/或帶尾的顆粒。還有，當應用傳統的切斷器時，小的進刀角使相對薄的刀刃易于破裂和/或相對快地磨損。當發生破裂或過度磨損時，反過來影響切斷質量，而切斷器必須關機以重磨或更換已磨損的或破裂的刀片。這一停機時間在實際維修成本及生產時間損失兩方面使生產成本變得昂貴，而聚合物切斷設備可以在高速切斷時具有良好的切斷質量，而同時需要較少的停機時間，這將是有利的。

發明內容
本發明涉及具有旋轉軸線的旋轉刀盤，它包括一個或多個刀片，每個刀片在所述旋轉刀盤的周邊圓周上具有切削刃，每個刀片具有約40°～約60°的進刀角，并且設置成在所述刀片的切削面上沒有任何點比所述切削刃離所述旋轉刀盤的所述旋轉軸線更遠。
本文還描述了用于切斷聚合物的旋轉切斷器，它包括底刀片，旋轉刀盤，以及將聚合物送入所述旋轉刀盤的裝置；并且其中所述旋轉刀盤具有旋轉軸線及一個或多個刀片，每個刀片在所述旋轉刀盤的周邊圓周上具有切削刃，每個刀片有約40°～約60°的進刀角，并且設置成在所述刀片的切削面上沒有任何點比所述切削刃離所述旋轉刀盤的所述旋轉軸線更遠。
本發明還涉及用旋轉切斷器切斷聚合物的方法，其中的改進包括應用了具有旋轉軸線和一個或多個刀片的旋轉刀盤，每個刀片在所述旋轉刀盤的周邊圓周上具有切削刃，每個刀片具有約40°～約60°的進刀角，并設置成在所述刀片的切削面上沒有任何點比所述切削刃離所述旋轉刀盤的所述旋轉軸線更遠。


圖1顯示垂直于本發明的典型旋轉刀盤部分的旋轉軸線的剖視圖，一起表示的有底刀片，帶狀聚合物，以及切下的聚合物顆粒。
圖2顯示垂直于本發明的典型旋轉刀盤的旋轉軸線的剖視圖，特別是該例子中使用了刀盤。給出了以mm為單位的應用于例子中的刀盤的直徑。
圖3簡略地顯示本文所確定的本發明的旋轉刀盤的各重要元件。
圖4顯示應用于本例子中的旋轉刀盤的本體(25)，其尺寸單位為mm。
圖5顯示用于本例子的旋轉刀盤中的多個壓條之一。其尺寸單位為mm。
圖6顯示應用于本例子中的多個刀片(26)之一，其尺寸單位為mm。這些刀片由含有12％鎳粘合劑的碳化鎢制成。
具體實施例方式
本文中所謂的聚合物是指不含添加劑的聚合物本身(或聚合物的混合物)以及含有任何添加劑或通常存在于聚合物中的各添加劑的任何組合的聚合物。這些種類的添加劑包括諸如TiO2顏料、抗氧劑、抗臭氧劑、增韌劑、阻燃劑、潤滑劑、染料、抗靜電劑、抗污染劑、以及填充劑及諸如滑石、粘土、碳黑、碎玻璃、玻璃纖維、碳纖維，以及芳族聚酰胺纖維的增強劑。優選的聚合物是塑料(與其相反的是人造橡膠)，并且特別優選的是熱塑性塑料。更加優選的聚合物是一種稱為熱致的液晶聚合物(LCP)，或有部分芬芳聚酰胺，而特別優選的是熱致的LCP。這些聚合物往往是硬的及脆的，并相對地易破裂。本文通過美國專利4,075,262中描述的TOT測試給出的熱致的液晶聚合物，其傳統意義是指LCP，該美國專利包含在本文中作參考。
被切斷的聚合物最好是固體的聚合物。這意味著如果是晶體狀的，它們低于其晶體熔點；而如果是非晶體狀的(即玻璃狀的)，它們低于其玻璃態轉化溫度。
圖1是根據本發明的旋轉刀盤部分以及切斷設備的其它部分的剖面一般視圖。所示的旋轉刀盤的各部分是在所示方向上旋轉的旋轉刀盤本體1、多個刀片2、以及使各刀片保持在本體1的位置上的多個壓條6(用螺栓)。還顯示了靜止的底刀片3，未表示其安裝情況；帶狀聚合物4正在所示方向上送進；以及剛被切下的聚合物顆粒5。
在本文描述的切斷器中，每個刀片的切削刃與底刀片之間的間隙最好是能做到盡量小。這易于給出最干凈的切斷，而通常是約0.25～約0.25mm最好是約0.05～約0.12mm。
一般地說，在這種切斷器中，聚合物是連續地送進旋轉器刀片中的，所以每個刀片的切削刃通過底刀片后，切斷器每個刀片都偏離底刀片的刀刃。換句話說，刀片上離旋轉刀盤旋轉軸線最遠的點通常是刀片的切削刃而刀片切削面上的所有點與切削刃相比離旋轉刀盤的旋轉軸線更近。還有，如果合適，旋轉刀盤或其刀片以外的部分也最好設計成能使聚合物向前送進。要實現這點的其它結構對本領域技術人員來說是顯而易見的。
各刀片可以是獨立的部分，以便為磨刀或換刀而可從旋轉刀盤上取去，或者可以是其它形狀，能由螺栓、壓條或楔塊保持在旋轉刀盤上。或者旋轉刀盤是單個的金屬件，具有硬化處理過的刀刃。這消除了楔形、孔等的許多加工工作，這些都示于圖1中。當刀刃不銳利或需經常磨刃時這點特別有用。
圖2顯示出垂直于根據本發明的完全旋轉刀盤的旋轉軸線的剖視圖。該刀盤具有旋轉中心24、本體25、由多個壓條27保持在本體上的多個刀片26以及多個螺栓28。
圖3是表示本發明的旋轉刀盤的重要元件及它們的相互關系的示意圖。為其完整性還包含了底刀片。圖3的旋轉刀盤切斷器具有旋轉軸線13。為解釋方便，從軸線13至刀片18的切削刃20引了一條虛線14(實際上是它是半徑)，刀片18安裝在本體17上。圖3中還包含具有切削刃15的底刀片16。刀片18(當然可具有一個以上刀片)從旋轉刀盤的本體17上凸伸，刀片18具有刀片切削面19及切削刃20。此外，該刀片還具有切削刃角21、刀片前表面23以及進刀角22。進刀角22是從諸如延伸穿過切削刃20的半徑14至刀片前表面23測量的。
通常底刀片16與本體17定位成使得15近似地平行于13，當旋轉刀盤工作時，此定位最好也將使15與20之間的間隙減小。
刀片的切削刃角是21。這個角度是刀片切削面19與刀片前表面23之間的角度。如果19和23之一或兩者是彎曲的，則21取為切線與該角度的另一個邊之間的角度，或者是(在19和23之一或兩者上的)20處兩切線之間的角度。21的最大值通過22來確定，而其要求是19的任何部分都不比20離13更遠。
22是進刀角，是從13起始的半徑(14)與23之間的角度，并且約40°～約60°，最好是約45°～約55°，而尤其好是約47°～約53°。確信在傳統的切斷器中這個角度通常是15～20°。
除去20磨損時(見下文)，19上沒有任何點比20離13更遠。這可簡單地從一個實際情況得出即當切斷聚合物時，通常優選使20盡量靠近15。如果19上的任何部分比20離13更遠，當17旋轉時，如優選將20放置盡可能靠近15就會使19碰撞15。最好的是將19足夠地后傾以在20通過15之后使聚合物前送，使得后續的刀片切下下一個顆粒。因此21與22角度之和通常將小于90°。當然當20切斷聚合物而受到一些磨損時，緊鄰20的19的一小部分可能比20的實際刀刃離13更遠。這是容許的，但是當然當20磨損嚴重時，最好進行磨刃以保持聚合物的良好切斷質量。
雖然不是必須的，最好的是一些刀片18及更佳的是全部刀片18沿17的全長布置。這個布置示于圖4中。
越過17的長度(垂直于圖2所示的剖面)，20可平行于13，或對13成螺旋形配置。因此通常20的整個長度基本上距13是固定距離。從13開始的優選螺旋角為約0°至約3°。當17相當長時，以及例如切斷許多帶狀聚合物時，如果刀片與各帶狀聚合物是順序接觸的，在任何刀片上的總張力將變小，如同如果刀片是繞13螺旋形配置做到的那樣。
如上所述，刀盤上的刀片越多，通常每單位時間切斷聚合物的數量就越大(例如將帶狀物切成顆粒)。因此在給定的刀盤速度(rpm-每分鐘轉數)下，可以改變帶進給率以獲得給定長度切斷。如果減少刀盤上的刀片數量，帶狀聚合物的進給率必須降低和/或增大刀盤的速度，以保持切斷顆粒的尺寸。降低顆粒生產率通常會增大成本，所以是不希望的，而增大刀盤速度是可做到的，但因為機械上的考慮，通常這方面有個實際界限。從幾何學考慮，在進刀角越大的條件下，給定直徑的刀盤上的切斷刀片就可越少。盡管單純從切斷質量及停機時間(較少刀片磨損)角度看，盡可能具有大的進刀角是有利的，優化的進刀角將在切斷質量和/或停機時間與切斷器的生產率之間兼顧而選取。
本發明還包含用于切斷聚合物的設備，該設備包括上述的旋轉刀盤，底刀片，以及將聚合物送進旋轉刀盤中的裝置。底刀片通常是靜止件，它布置成當旋轉刀盤旋轉時，旋轉刀盤17的刀片盡可合理能靠近地通過底刀片。底刀片的“進刀角”通常約為90°，并且其作用是當刀片18撞擊聚合物時不使聚合物彎曲或要么產生運動。最普通的是使聚合物在底刀片的表面之上送入旋轉刀盤中，如圖1中所示。
通常聚合物連續地送進，如圖1中所示，分別地進入旋轉刀盤各刀片2的路徑中。這需要送進聚合物的一種裝置。如果切斷器設備布置成聚合物可利用重力“落”入旋轉刀盤中。最常用的是通過利用一對或多對進給輥子或一對進給輸送器來送進聚合物。所謂進給輥子是指它們之間具有輥隙的一對輥子。聚合物送進輥隙中，而驅動輥子以移動聚合物通過輥隙并進入旋轉刀盤中。進給輸送器的情況是相似的，它是具有兩條傳輸帶的輸送器式設備，聚合物在傳輸帶之間驅動。可通過從模具中推擠出聚合物來簡單地進給聚合物，使聚合物移動通過和移出模具送至旋轉刀盤的是進給機構。其它的進給方法是已知的。
以上討論的實質是應用本文描述的旋轉刀盤切斷聚合物的方法的說明。可以切斷許多不同形狀的聚合物，例如片狀，股狀，帶狀及管狀，特別是厚壁管。如果要切斷的聚合物太薄，例如小直徑纖維或薄膜片，聚合物可能彎曲和可能或不可能切斷，但是即使切斷，切斷質量也不會好，即有毛刺，產生細屑(比要求更小的顆粒)或只是部分地或不均勻地切下。要切斷的聚合物的最小橫截面尺寸較好是約1mm或更大，最好是約2mm或更大。最大尺寸將取決于被切斷的聚合物和切斷器設備的功率，以及切斷設備能承受的機械應力。
一種優選方式是切斷一股或多股帶狀聚合物。所謂帶狀是指聚合物的桿狀基本連續長度不大于其最大橫截面尺寸的6倍，最好不大于3倍，而最好不大于其最小橫截面尺寸的2倍。帶狀的優選橫截面是近似圓形或方形，特別優選的是圓形。優選是帶狀的最大橫截面尺寸約1～約8mm，最好是約2mm～約4mm。將帶狀物切斷成約1～約8mm長的相對短的塊，或用其它表示法以顆粒的長(直)徑比約為1來表示，這給出了特別有用的聚合物形式，通常稱為顆粒或細粒。這是固體聚合物的最普通的形態，它被送進注射成形機、擠壓機及類似機器中。
最好刀片的切削刃不磨制成盡可能薄，因為這導致弱的切削刃(因薄金屬造成)，該弱切削刃易于碎裂。相反地最好的是刀刃磨制成圓柱形的。這意味著刀片的切削刃磨制成具有給定半徑的一般圓形(弧形)的形狀(圓柱形齒刃)。優選是這個半徑為約0.10mm～約1.3mm，更好的是約0.25mm～約1.0mm，而特別好的是約0.35mm～約0.80mm.
本文描述的切斷器對已切下的聚合物，特別是顆粒，以及尤其是對傳統切斷器常可獲得優秀質量的硬/脆聚合物，特別能提高(它們的)顆粒均勻性并減少灰塵及細屑。此外，刀片常常可延續使用更長時間，即比傳統切斷器更不容易碎裂和/或磨損。
例子根據我們發明的切斷器使用我們發明的刀盤來切斷圓形橫截面的帶狀聚合物。所應用的切斷器及具有其各自尺寸的各種零件示于圖2及圖4～6(刀盤安裝在切斷器的支架上并由穿過該刀盤的軸帶動旋轉)。進入切斷器的帶的直徑為約2.3mm，而產生的顆粒長度也是約2.3mm。(聚合物)帶熔化擠壓通過直徑4.0mm的模具孔，并在帶熔化的同時被切斷器的進給機構拉細至直徑約2.3mm。在帶實際到達到切斷器進給機構之時已變硬。
經過略微超過3個月的周期，總量約301,000kg的各種液晶聚合物(LCP)通過了這臺切斷器(周期性地，非連續地)，產生約277,000kg優質的顆粒。大多數LCP中具有30～40％(重量)的玻璃纖維填充物以及其它材料，例如碳黑或TiO2。在此時間周期內，由于不良的切斷質量而數次改換或更換底刀片，并且轉子刀片呈現出相對小的磨損。然而經過此測試，約有90％的規模(按重量)，轉子(刀片)的余留刀刃明顯地接觸底刀片，并在該處出現一些碎裂。
與現有技術的切斷器相比，本切斷器上的刀片不會很快鈍化，而切斷顆粒的質量有所提高，特別是顆粒本身的外形方面質量有提高，并且消除了長顆粒。
當本發明已用現有優選實施例來描述時，應理解本發明不局限于已公開的實施例。與之相反，本發明的意圖是涵蓋附錄的各權項要求的精神及范圍內的各種改型及等同結構。下列的各權項要求的范圍與最廣泛的解釋相一致以使包括了所有此類改型和等同的組成及功能。
權利要求
1.一種具有旋轉軸線的旋轉刀盤包括一個或多個刀片，每個刀片在所述旋轉刀盤的周邊圓周上具有切削刃，每個刀片具有約40°～約60°的進刀角，并設置成在所述刀片的切削面上沒有任何點比所述切削刃離所述旋轉刀盤的所述旋轉軸線更遠。
2.一種用于切斷聚合物的旋轉切斷器包括一底刀片，一旋轉刀盤，以及一用于將聚合物送進所述旋轉刀盤中的裝置，并且其中所述旋轉刀盤具有旋轉軸線和一個或多個刀片，每個刀片在所述旋轉刀盤的周邊圓周上具有切削刃，每個刀片具有約40°～約60°的進刀角，并設置成在所述刀片的切削面上沒有任何點比所述切削刃離所述旋轉刀盤的所述旋轉軸線更遠。
3.一種用旋轉切斷器切斷聚合物的方法，其中的改進包括使用了具有一旋轉軸線和一個或多個刀片的旋轉刀盤，每個刀片在所述旋轉刀盤的周邊圓周上具有切削刃，每個刀片具有約40°～約60°的進刀角，并設置成在所述刀片的切削面上沒有任何點比所述切削刃離所述旋轉刀盤的所述旋轉軸線更遠。
全文摘要
一種具有旋轉刀盤(17)的聚合物切斷器，其中切削刃(20)位于所述刀盤的周邊圓周上。旋轉刀盤上的刀片(18)具有(如所確定的)約40°～約60°的進刀角(22)。該設備對切斷硬的和/或脆的熱塑性塑料特別有用，并可用于制備聚合物顆粒或細粒。
文檔編號B29B9/00GK1409662SQ00816930
公開日2003年4月9日 申請日期2000年12月8日 優先權日1999年12月10日
發明者M·G·瓦戈納, G·F·菲舍爾 申請人:納幕爾杜邦公司