形成膜或纖維的設備和工藝的制作方法

專利名稱：形成膜或纖維的設備和工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及形成膜或纖維(特別是聚合膜或纖維)的設備。這樣的設備(或裝置)包括以下元件a)用于使材料組合物熔化并形成適于形成膜或纖維的形式的裝置，b)用于冷卻經熔化和成形的材料的裝置，c)用于拉伸所述膜或纖維的裝置。
大規模地形成聚合膜或聚合纖維是聚合物工業中的標準工藝。通過將聚合物組合物(包含聚合物，或聚合物與附加成分的混合物)加熱至超過其熔點(通過例如DSC(差示掃描量熱法)的已知技術測定)的溫度，以使該聚合物組合物熔化；然后將熔化的材料成形為適于制備聚合膜或聚合纖維的形式。在某些情況下，使熔融聚合物通過所謂的模具(die)而成形，由此實現上述成形。形成成形的聚合物組合物之后，將如此成形的材料冷卻，并在一個或多個拉伸輥上拉伸，以形成最終的聚合膜或聚合纖維。
現有技術中存在的裝置被設計成需要足夠量的聚合組合物的進料，以形成最終的膜或纖維。這意味著，特別是在僅有有限量的聚合組合物是可用的情形下，無法對這種用于膜或纖維成形的組合物的性質或得到的膜或纖維的性質進行測試。這還影響了實驗室環境中的聚合物研究，特別是對于需要測試催化和工藝參數的場合。對于那些在可接受的時間內僅制造出有限量的聚合物的情況，其結果是，無法對如此制造的用于膜或纖維成形的聚合物進行測試，除非進行大規模的制造。對于必須對制得的聚合物樣品進行快速篩選的所謂高通量實驗(HTE)來說，情況更是如此。
因此，需要一種小尺寸的裝置，該裝置可以用于由有限量的聚合材料形成聚合膜聚合纖維。
此問題可通過本發明的設備解決，本設備的特征在于，所述設備包括在拉伸過程中將扭矩控制到低至1.5*10-3Nm的裝置，其中每個直徑為35-100mm的拉伸輥的旋轉速度可被設定為0.25-35RPM。
已發現，為了得到用于特定少量的聚合物組合物的代表性膜或纖維，僅減小設備的尺寸(特別是拉伸輥的直徑)是不夠的。還需要減小取下(take off)和拉伸過程中的扭矩(現有技術所用的設備中的扭矩值的量級為1Nm，并且會導致膜或纖維的破裂)，并且需要減小每個拉伸輥的旋轉速度。這里及下文中，扭矩由下式確定扭矩(T)＝M*g*r(Nm)(I)其中M＝擠出機的出口與第一輥之間或第一輥與第二輥之間的膜的質量(以kg計)g＝重力常數(以m/s2計)r＝第二(或下游)輥的半徑(以m計)扭矩表明了可在不停止輥的條件下處理的聚合物的最大質量。
為了在長度以及寬度方向上得到均勻的膜，優選設備包括以層流方式將冷卻氣體供給至冷卻已熔化且成形的材料的位置的裝置。更優選地，所述設備包括在第一輥長度方向上均勻供給冷卻氣體的裝置。
(聚合)材料優選為熱塑性(聚合)材料。在冷卻時，非聚合材料也可以與為其提供粘合性的組分(例如粘結劑)混合。
為了供給減少量的(聚合)材料，用于熔融(聚合)組合物的成形裝置(如上所述，該成形裝置優選以模具的形式)也應當具有減小的尺寸。模具可以是任何形狀，例如矩形、圓形或方形。
為了能夠對模具進行清潔，該模具優選包括至少兩個可被分離以從模具出口取出的部件。
為了使熔融(聚合)組合物成形為膜，所述模具優選分為部件A和部件B，其中部件A在其最寬側構成模具出口的一側，部件B在其最寬側具有凹腔，所述凹腔的形狀使得熔體平均分流流向模具出口，部件B的一側形成模具出口的另一側。
模具的兩個部件在末端(在部件出口遠端的部件側邊)與擠出機相連接，從而通過部件A和B形成出口。以此方式，可使模具很好地固定在殼體上，防止模具在高壓下泄漏。另一個優點是，通過這種固定方式，可使出口的寬度增至200mm。可以使用與擠出機相連接的第三部件C。然后，部件A和B與部件C相連接。這使得可以通過簡便地變換部件A和B或者僅僅部件A來改變出口的高度。當需要改變出口高度時，也可以變換由部件A、B和C構成的整個模具。以此方式，變換可以更快地進行，并且部件C防止部件A的出口和部件B的凹腔受到損壞。部件C還可使整個模具更加堅固，并且對于構建寬度大于100mm的模具，部件C是必須的。
模具與擠出機相連接，而且熔體在模具中的流動路徑優選具有Z形。與具有直線流動路徑的已知模具相比，具有Z形流動路徑的模具可被制得更薄。更薄在這里是指擠出機與模具出口之間的距離盡可能地小。更薄模具的優點是不需要對其進行單獨加熱。與模具相連的擠出機的熱量足以將模具中的聚合物熔體的溫度保持在其熔點以上。
模具中的出口的寬度為5-200mm，優選5-100mm，更優選5-70mm。
出口的高度通常為0.05-1.0mm，優選0.1-0.6mm。


圖1示出了部件A、部件B和部件C。如圖1所示，部件A在其最寬側具有凹腔(o)，該凹腔的深度決定了與部件B相連時的模具出口的高度。通過將該部件A變為具有另一深度的凹腔的另一個部件A，可以改變出口的高度。
部件B在其最寬側具有凹腔，其形狀使得熔體平均分流流向模具出口。如圖1所示，部件B具有衣架形狀的凹腔(d)，但該凹腔也可具有其它形狀，例如半圓縫隙和圓衣架形。
聚合物熔體在衣架(m)的最窄點進入模具，并在衣架處分流流向出口。為了進入出口，聚合物熔體必須轉向90°。優選地，部件A和B通過螺栓彼此連接。
部件A和B也可通過螺栓在部件末端與擠出機相連接。也可以采用其它連接方式，例如通過使模具滑入夾持器或者通過所謂的bajonet封閉將模具旋入鎖定位置。
通過部件在末端相連接，部件與擠出機固定良好。
熔體在m處進入模具，并在進入部件B的衣架形凹腔時轉向約70°。當再次進入出口時，聚合物熔體轉向約90°。這是一種Z形。
部件C被設計成部件A和B的覆蓋板，使模具在整體上更加堅固。聚合物熔體經由部件C中的m被引入部件B。
部件C通過螺栓在點e處與擠出機以及部件A和B相連接。
如圖2所示，固定在一起的部件A、B和C的整體在點e處與擠出機(H)相連接。圖2還清楚地示出了聚合物熔體所定義的Z形。
適于制備聚合纖維的模具具有一個或多個模具開口，其中每個開口的直徑為0.1-2.5mm，更優選直徑為0.5-1.5mm。
為了能夠供給減少量的聚合材料，用于熔化聚合物組合物的裝置必須改造與該目的相適應。因此，所述裝置優選為擠出機，優選小尺寸擠出機，例如DSM Xplore出售的尺寸為5-15ml的微型擠出機(也可參見WO 02/16481，第48頁；和WO 00/47667，第7頁)。
使用形成聚合膜或聚合纖維的設備的理想情形是，每個拉伸輥的旋轉速度可被保持恒定。第一拉伸輥(也稱為卷取輥(take-up roll))卷取來自普通擠出機的(例如膜或纖維形式的)熔融擠出物，并將其冷卻至低于其熔點。為了旋轉這樣的輥，在常規的工藝裝置中采用直流(DC)電動機。此類電動機的優點是它們以恒定速度旋轉，而且由于旋轉速度的不規則或變化導致冷卻的擠出膜或纖維的厚度相應不規則和變化，因此直流電動機是優選的。然而，這些直流電動機可運轉的速度無法被有意地降低。這些電動機可在恒定速度下運轉的最低速度仍然高于相應于卷取來自微型擠出機(即，制造的熔融擠出物的量低至0.03g/min的擠出機)的熔融擠出物的輥的容許圓周速度的速度。在本發明的小規模設備上達到此目的的裝置還不存在。
本發明的另一個目的是提供一種卷取輥系統，所述卷取輥系統可以在不引起擠出物厚度不規則變化的低速度下卷取熔融擠出物。
此目的通過以下卷取輥系統實現所述卷取輥系統包括直徑為35-100mm并且重量為0.2-2.0kg、更典型地為0.5-1.0kg的輥；用于以8.75-3500mm/min、優選10-2000mm/min或者甚至小于1000mm/min的圓周速度旋轉所述輥的步進電動機；以及用于將所述步進電動機控制在微步進模式的裝置。
令人驚訝地，此系統可以使熔融膜或纖維以低于3500mm/min、甚至低于2000mm/min或低于1000mm/min的速度被擠出，從而在不引起所述膜或纖維厚度變換或不規則的條件下將其卷取和冷卻。
選擇在旋轉運動中固有地表現出不規則(“步進”)的步進電動機實際上與恒定旋轉速度的要求相矛盾。然而，微步進發電機與具有適當選擇的轉動慣量的輥的組合可以在所需的低速度下制造具有均勻厚度的膜。
微步進技術本身在本領域中是已知的，并且使輥間歇旋轉，其中在小時間間隔內進行部分旋轉。
每個拉伸輥的寬度(即沿其旋轉軸測量的長度)通常不大于150mm，但是當使用較寬的模具(例如寬度達200mm)時，輥的寬度可以更大，也可達200mm。優選地，此寬度為10-75mm。設備的最后輥通常還起到所謂的“滾筒式卷取機”的作用，最終的膜或纖維在其上被收集。
本發明還涉及由熔化且成形的聚合材料形成膜的設備，所述設備包括至少兩個拉伸輥。此設備的特征是，每個拉伸輥(直徑為35-100mm)的旋轉速度可被獨立地設定為0.25-35RPM。優選地，在這樣的設備中，第二拉伸輥的旋轉速度自動地與第一輥的旋轉速度相關，并且其中第二輥的扭矩至少為1.5*10-3Nm。優選地，第一輥是旋轉控制的，而第二(和連續的)輥是扭矩控制的。特別地，第一輥的重量為0.2-2.0kg，更典型地為0.5-1.0kg，被微步進模式的步進電動機驅動，其圓周速度為8.75-3500mm/min，優選10-2000mm/min，或者甚至小于1000mm/min。本發明還涉及通過熔化、成形和冷卻由聚合組合物制備聚合膜或聚合纖維的工藝。如上所述，本領域中還不存在由減少量的聚合組合物制備聚合膜或聚合纖維的工藝。使用本發明的設備可以解決此問題，本設備通常可使用量為5-15g/min的聚合材料。更具體地，在本工藝中，聚合物組合物以0.03-250g/min的給料速率被給料至所述設備，其中拉伸輥的旋轉速度為0.25-35RPM。
制造聚合膜或聚合纖維的聚合物組合物可包括可熔融加工(或熱塑性)的任何聚合物。這樣的聚合物是本領域技術人員已知的。
本工藝不僅對聚合物本身適用，而且還可用于聚合物和附加成分的混合物，其中所述混合物可以直接被給料至設備，或者該混合物可在熔化和成形過程中制備(優選當此熔化和成形發生在擠出機中時)。
由于聚乙烯和聚丙烯(均聚物形式或共聚物形式)是制備聚合膜常用的聚合物，因此這些聚合物是用于本工藝的優選成分。
盡管本設備和本工藝是針對聚合膜或纖維而詳細描述的，但是本設備和本工藝也可用于由其它材料形成膜或纖維，其它材料例如面團或無機金屬(例如鋁)。在相應情況下，用于熔化和冷卻將轉化為膜或纖維的組合物的裝置可以(或者必須)省略。
本發明的冷卻步驟通常用氣體冷卻進行，優選用空氣冷卻進行，將所述空氣供給至熔化且成形的材料被冷卻時的位置。更優選地，在第一輥的長度方向上均勻供給冷卻空氣；這是為了在成形材料的長度方向上達到均勻的聚合物冷卻過程。成形的聚合物材料被冷卻的溫度優選低于聚合物組合物的結晶點(通過DSC測定)。
當為了得到近似恒定的旋轉速度而對拉伸輥使用微步進時，微步的幅度可以使得輥在每步旋轉0.01-0.20°，更優選0.02-0.10°。這是為了得到穩定且具代表性的膜或纖維。
為了使成的形聚合物組合物輸送通過所述設備，必須施加至少1.5*10-3Nm的扭矩。扭矩還必須在避免所得的膜或纖維破裂的范圍內。該范圍在本發明的工藝中可以包括附加的工藝步驟，其中(熱敏性)成分可在本發明的冷卻步驟過程中或優選在其之后被加入聚合膜或聚合纖維中。這樣做的目的是避免或至少基本上避免上述熱敏性成分的熱處理(進而熱分解)。這可以通過工藝步驟實現，該步驟在本領域中被稱為“溶劑隙裂”(solvent crazing)導引并拉伸聚合膜或聚合纖維通過內含熱敏性成分的液體浴。可以是任何液體，液體可以不是聚合物組合物的溶劑。優選水用作該液體。可根據這樣的工藝步驟添加的熱敏性成分的例子為食品、飼料和藥品工藝中的維生素、藥物等。
本發明提供了由減少量的聚合材料制備代表性的聚合膜或聚合纖維的設備和工藝，其中所述膜或纖維具有本領域可行的常規厚度。通常，本發明的工藝和設備所制造的膜的最終厚度可達1mm。優選地，可以制得最終厚度為2-200μm的膜。優選可以制得最終厚度為0.1-2.5mm的纖維。
通過以下非限制性實施例來說明本發明。
實施例I擠出機DSM Xplore微型擠出機15ml參數速度5rpm溫度220℃模具 DSM Xplore膜模具參數寬度19mm高度0.2mm膜形成設備DSM Xplore膜設備參數兩個拉伸輥輥直徑75mm輥長度58mm速度1000mm/min扭矩22*10-3Nm與模具的距離15mm空氣刀空氣溫度20℃空氣壓力1.6bar產品 聚丙烯量15g通量0.341g/min結果25μm的膜，厚度均勻實施例II
擠出機 DSM Xplore微型擠出機15ml參數速度20rpm溫度280℃模具DSM Xplore膜模具參數寬度19mm高度0.4mm膜形成設備 DSM Xplore膜設備參數兩個拉伸輥輥直徑75mm輥長度58mm速度500mm/min扭矩34*10-3Nm與模具的距離15mm空氣刀空氣溫度20℃空氣壓力1.2bar產品尼龍6量15g通量1.365g/min結果200μm的膜，厚度均勻實施例III擠出機 DSM Xplore微型擠出機5ml參數速度2rpm溫度200℃模具DSM Xplore膜模具參數寬度19mm高度0.2mm膜形成設備 DSM Xplore膜設備參數速度750mm/min
扭矩9*10-3Nm與模具的距離15mm空氣刀空氣溫度20℃空氣壓力1.8bar產品 聚乙烯量5g通量0.051g/min結果5μm的膜，厚度均勻
權利要求
1.形成膜或聚合纖維的設備，包括以下元件a)用于使組合物熔化和/或成形為適于形成膜或纖維的形式的裝置，b)用于冷卻已熔化和成形的材料的裝置，c)用于拉伸所述膜或纖維的裝置，包括第一和第二拉伸輥其特征在于，所述設備包括在拉伸過程中控制扭矩低至1.5*10-3Nm的裝置，其中直徑為35-100mm的每個拉伸輥的旋轉速度可被設定為0.25-35RPM。
2.如權利要求1的設備，其中存在以層流方式將冷卻空氣供給至冷卻所述已熔化和成形的材料的位置的裝置。
3.如權利要求1或2的設備，其中所述旋轉速度是通過微步進控制的。
4.如權利要求1-3中任何一項的設備，其中所述用于使所述材料組合物成形為適于形成膜的形式的裝置是包括至少2個部件的模具。
5.如權利要求4的設備，其中所述模具分為部件A和部件B，部件A在其最寬側構成所述模具出口的一側，部件B在其最寬側具有凹腔，所述凹腔的形狀使得熔體平均分流流向所述模具出口，部件B的一側形成所述模具出口的另一側。
6.如權利要求4或5的設備，其中所述模具的兩個部件在所述部件的末端與擠出機相連接，以使部件A和B形成所述出口。
7.如權利要求4-6中任何一項的設備，其中所述模具與所述擠出機相連接，并且所述熔體在所述模具中定義的流動路徑具有Z形。
8.由熔化和成形的材料形成膜或纖維的設備，所述設備包括至少兩個拉伸輥，其特征在于，直徑為35-100mm的每個拉伸輥的旋轉速度可被獨立地設定為0.25-35RPM。
9.通過熔化、成形和冷卻由材料組合物制備膜或纖維的工藝，其特征在于，使用如權利要求1-8中任何一項的設備。
10.如權利要求9的工藝，其中所述材料組合物以0.03-250g/min的給料速率被給料至所述設備，并且其中所述拉伸輥的旋轉速度為0.25-35RPM。
11.如權利要求9或10的工藝，其中所述材料組合物包含聚乙烯或聚丙烯均聚物或共聚物。
12.如權利要求9-11中任何一項的工藝，其中對所述膜進行溶劑隙裂。
13.如權利要求9-12中任何一項的工藝，其中所述材料是聚合材料。
14.用于如權利要求1-8中任何一項的設備的卷取輥系統，包括直徑為35-100mm并且重量為0.2-2.0kg的輥；用于以8.75-3500mm/min的圓周速度旋轉所述輥的步進電動機；以及用于將所述步進電動機控制在微步進模式的裝置。
15.如權利要求14的卷取輥系統，其中所述圓周速度為50-2000mm/min。
全文摘要
本發明涉及由減少量的材料(特別是聚合材料)制備膜或纖維的設備。這通過小尺寸設備實現，其中每個拉伸輥的直徑為35－100mm之間。本發明還涉及采用本發明的設備以減少量的材料制備代表性的膜或纖維的工藝。
文檔編號B29C47/14GK1953864SQ200580015259
公開日2007年4月25日 申請日期2005年5月4日 優先權日2004年5月13日
發明者約翰尼斯·艾斯布蘭德·泰斯尼特遲, 馬特烏斯·彼得·奎德弗利格, 利納爾杜斯·韋爾赫爾姆斯·圭勞麥·里克斯, 勞倫特修斯·約瑟夫·亨利克斯·尼斯特 申請人:帝斯曼知識產權資產管理有限公司