專利名稱：在同向旋轉的緊密嚙合式擠壓機上實施連續制備過程的方法
技術領域：
本發明涉及一種方法，用于在同向旋轉的緊密嚙合式擠壓機如雙螺旋和多軸螺旋式擠壓機上實施連續制備過程的方法。
同心旋轉緊密嚙合的雙螺旋和多軸螺旋式擠壓機用于在熔化或不熔化情況下的連續揉合過程。其中往往將連續除氣、混合和膨脹過程結合在一起，在有些情況下這種擠壓機還使用于反應。
可加工的產品包括塑料、樹脂、液體、粘塑性物質、粉末狀和纖維狀添加物以及食物。出料可例如通過濾和成型過程進行，如粒化或擠壓成型。
前言所述類型的擠壓機是已知的，其中螺旋直徑達340mm。在螺旋外徑與螺旋內徑之比(Da/Di)為1.18至1.25和1.4至1.6之間時，產量為5000至35000kg/h。扭矩與軸間距之比(Md/a3)即所謂“扭矩密度”其值在5和10之間。根據擠壓機的尺寸，以200至500rpm的轉速運行，特殊情況甚至高至600rpm。
擠壓機的設計通常按幾何和扭矩相關的相似原理進行。當比例Da/Di為常數時存在幾何相似性；當比例Md/a3為常數時存在扭矩相關的相似性。
對于所加工產品的彌散、混合和均勻化的質量的決定性因素，除熔體溫度和停留時間外，是在加注熔體的螺旋通道內的剪切速度。
對于許多過程都成立的是，剪切速度越高，混合、彌散和均勻化的質量就越好。在當今的擠壓機先有技術中，對于標準的制備過程，在熔化區內的平均剪切速度通常為20至1501/sec，在整個螺旋區內的平均產品停留時間通常為15至60sec。
在傳統的擠壓機中，平均剪切速度的上限受螺旋轉速和用比值Da/Di表示的所謂“體積比”的限制。在剪切速度增加時也伴隨著產生更高的單位供能值，這就會導致不能接受的高的熔體溫度。再加上在擠壓機內長的產品平均停留時間，可能引起損壞產品的質量下降，尤其是鑒于熱分解和交聯。
本發明的目的是，在縮短產品中溫度峰值持續作用時間的同時，提高有利于質量的平均剪切速度范圍至≥10001/sec，并且不會產生上面已提及的那些困難。
為達到所提出的目的采取的措施是，擠壓機以螺旋轉速為至少800rpm并與此同時提高可引入的所謂“扭矩密度”(Ma/a3)為至少11Nm/cm3和體積比(Da/Di)為至少1.5的條件下運行。
用按本發明所選擇的提高了的扭矩密度(Ma/a3)為至少11Nm/cm3，擠壓機可順利地以高的螺旋轉速工作，不會產生不可允許的高的單位供能。另一個優點在于有很高的每單位時間的產量。
合乎目的的是在擠壓機內的產品停留時間低于10秒鐘。
在本發明的另一項設計中，擠壓機在螺旋轉速達3000rpm的條件下工作，與此同時提高可引入的所謂“扭矩密度”(Md/a3)達15Nm/cm3和體積比(Da/Di)大于等于1.55以及平均產品停留時間小于2秒鐘。因此，由于這樣一來可能有高的流量，所以導致在擠壓機中特別短的(平均)產品停留時間。
因高的螺旋轉速和高的產品流量造成的低的產品停留時間為1至10秒，同時也減少了產品熱分解或交聯的傾向。
也可以在一定的限度內提高螺旋轉速而不提高扭矩密度(Md/a3)。然而，最大螺旋轉速受在任何方法中都存在的單位供能的最大上限的限制，后者與能承受的最大熔體溫度(不出現對產品的損害)相對應。
通過按本發明的前言所述類型方法的設計進一步拓寬了應用范圍。
例如，按本發明的方法也可以應用于在固體輸送范圍內連續預攪拌以及用于將粗粒散裝材料磨成粉末。但也可以將上述兩個過程結合起來，亦即固體的均勻化過程，與在塑性階段的均勻化相比這里所需的能量少得多。
此外，在反應設備中采用按本發明的方法可以在反應前培育期內有效地預混合單體和催化劑。
按本發明方法的另一項優點在于，例如顏料在母煉膠的制備期間可以顯著改善彌散性。
下面借助于曲線圖說明本發明。其中
圖1表示“平均單位供能”；圖2表示“物料流量和在擠壓機內的平均產品停留時間”。
按本發明方法的試驗在商品化的ZSK機(具有同向旋轉的緊密嚙合螺旋軸的雙軸螺旋揉合機)上進行，機器的結構(螺旋幾何尺寸、攪拌和揉合元件)與迄今應用于以一般轉速為200至400rpm運行的有關的塑料制備過程的機器相同。
試驗中螺旋轉速遠大于1000rpm，在此情況下出人意外地發現，在同時提高引入的扭矩密度至11到14Nm/cm3時，沒有出現物料溫度的顯著上升，甚至在將物料溫度(例如PC＞350℃)提高到非常高的熔體溫度時也未出現對產品的損害，因為通過按本發明的方法在擠壓機內的停留時間遠少于10秒鐘。
圖1示意表示在扭矩密度Md/a3不同時螺旋轉速(剪切速度)與單位供能之間的關系。在前提條件為可供使用的扭矩充分利用的情況下，隨著扭矩密度的增加(此時轉速為常數)使流量增加。可以看出，由于提高扭矩密度導致減少供能并因而也降低熔體溫度。另一方面可以看出，雖然提高螺旋轉速通常也增加物料流量，但是在給定扭矩密度時物料流量的增加與提高供能相連系。
圖2表示流量和停留時間之間的關系。顯然，隨著流量增大，物料在此期間承受高溫的時間明顯縮短。
所完成的試驗證明，即使根據迄今的經驗這一物料溫度肯定會導致產品質量的下降，但只要持續作用時間足夠短也不會對質量造成損害。不過，足夠短的停留時間只能通過提高流量達到，而這又只能通過提高可能的扭矩來實現，因為要不然在給定的(高)轉速下機器的驅動功率不再足夠。
由圖1還可看出，即使不增加扭矩密度也有可能在一定限度內提高轉速。單位供能的取決于每一種方法的最大上限(especmax，相應于在給定停留時間不損害產品的條件下的最大能承受的熔體溫度)限制了此轉速。
目前可得到的機器通常Da/Di值在1.4和1.6之間，Md/a3值在5和10之間。工作轉速根據結構尺寸在200至500rpm之間，特殊情況甚至達600rpm。
復合產品的流量和質量取決于所使用的螺旋幾何尺寸、機器的轉速和最大扭矩。
任何復合都有這樣的目的，即在通常加入添加劑的情況下獲得一種均勻的最終產品。因此添加劑和存在的不均勻度必須在機器內彌散和分布地拌和。為了粉碎顆粒需要或較大或較小的高剪切應力，剪切應力必須通過周圍的基體傳給顆粒。剪應力τ可按下式τ=η*Y-.---(1)]]>由基體介質的粘度η和在那里強加的剪切速度
得出。因此，被加工產品的彌散、混合和均勻化的質量的決定性因素，除了熔體溫度和停留時間外，便是在注滿熔體的螺旋通道內的剪切速度
〔1/sec〕。
若研究由螺旋切線速度/螺旋深度的商得出的簡化的平均值，則適用下式(前提條件是在螺旋通道內充填度為100％)Y-.=vuh-=Da·Π·ns(Da-Di)/2-----(2)]]>或Y-.=2Π*ns*(Da/Di)(Da/Di)-1]]>下列關系適用于許多過程剪切速度越高，混合、彌散、和均勻化的質量越高。在當今擠壓機的先有技術中，在標準的制備過程中，熔化區內平均剪切速度通常為201/S至1501/S，在整個螺旋范圍內的平均產品停留時間通常為15至60S。
在傳統的擠壓機中，平均剪切速度如由公式(2)可知，上限受螺旋轉速和用Da/Di表示的“體積比”的限制。
在提高剪切速度時，由公式e-spec=1ρs*η-(Y.)*Y2-.*t-----(3)]]>和e-spec=1ρs*η-(Y.)*t-*4Π2*ns*[(Da/Di)(Da/Di)-1]2]]>也得出較大的單位供能值espec，這又會導致不可接受的高的熔體溫度，因為熔體的溫度增高可由公式ΔT＝espec/Cp算出(Cp為比熱)。因此，與在擠壓機內產品長的平均停留時間相結合，高的剪切速度也會導致使質量下降的產品損害(熱分解或交聯)。
采用按本發明的方法，在同向旋轉的雙螺旋擠壓機中以螺旋轉速為600至3000rpm再加上提高導入的扭矩密度至11到15Nm/cm3，可以實現使質量提高的平均剪切速度至10001/S，與此同時縮短在產品中溫度峰值的持續作用時間。
使用的公式符號espec平均單位供能〔kwh/kg〕t 產品在擠壓機內平均停留時間〔s〕P 熔體密度〔kg/m3〕
平均剪切速度〔1/sec〕η 平均動力粘度〔Pa sec〕Da 螺旋外徑〔mm〕Di 螺旋內徑〔mm〕h 螺旋深度，平均值ns螺旋轉速〔min-1〕(〔s-1〕)Md 軸扭矩，涉及一根軸〔Nm〕a 螺旋軸的軸間距〔cm〕Vu螺旋軸的切線速度〔m/s〕Md/a3扭矩密度，涉及一根軸〔Nm/cm3〕τ 剪切應力〔Nm/mm2〕Cp單位焓〔KJ/kg·k〕
物料流量〔kg/h〕ΔT 物料溫度升高〔k〕
權利要求
1.在同向旋轉的緊密嚙合式擠壓機如雙螺旋和多軸螺旋式擠壓機上實施連續制備過程的方法，其特征為擠壓機在螺旋轉速為至少800rpm的條件下運行，與此同時提高可引入的所謂“扭矩密度”(Md/a3)為至少11Nm/cm3和體積比(Da/Di)為至少1.5。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征為平均產品停留時間在10秒鐘以下。
3.按照權利要求1所述的方法，其特征為擠壓機以螺旋轉速高達3000rpm并與此同時提高可引入的所謂“扭矩密度”Md/a3高至15Nm/cm3以及體積比(Da/Di)等于大于1.55和平均產品停留時間小于2秒鐘的條件下運行。
4.按照權利要求1至3之一項或多項所述方法的應用，其特征為此方法應用于在固體輸送區內連續攪合和/或應用于將粗粒散料磨成粉末。
5.按照權利要求4所述的方法的應用，其特征為顏料在母煉膠的制備期間拌和。
全文摘要
本發明涉及一種在同向旋轉的緊密嚙合式擠壓機如雙螺旋和多軸螺旋式擠壓機上實施連續制備過程的方法,擠壓機在螺旋轉速為至少800rpm的條件下運行,與此同時提高可引入的所謂“扭矩密度”(Md/a
文檔編號B29B7/00GK1198124SQ96197285
公開日1998年11月4日 申請日期1996年8月9日 優先權日1995年9月29日
發明者彼得·海得曼葉, 艾爾文·黑林, 雷納·明茨, 雷納·赫脫, 烏爾里希·布克哈特 申請人:克魯伯－維爾納和普夫萊德雷爾有限公司