СИСТЕМА ДОСТАВКИ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ЛАМИНАТОРА
MATERIAL DELIVERY SYSTEM FOR LAMINATOR

Ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании предварительной заявки на патент США№62/162113, поданной 15 мая 2015 года.
Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству и способу, подходящему для доставки материала в ламинатор.
Уровень техники
Адгезивы для ламинирования широко используют в гибких упаковочных материалах, например, в промышленности пищевых продуктов, фармацевтических средств и потребительских товаров длительного пользования. Не содержащие растворителя полиуретановые адгезивы для слоистых материалов становятся все более востребованными на рынке благодаря тому, что такая технология обеспечивает возможность снижения энергопотребления и увеличения эффективности преобразования. Для современных ламинаторов необходимы полиуретановые адгезивы с увеличенным сроком жизнеспособности, составляющим более 30 минут при температуре обработки. Продолжительный срок жизнеспособности необходим для достижения равномерного слоя адгезивов при требуемой скорости технологической линии и предотвращения возможных дефектов и недостатков внешнего вида. Однако продолжительный срок жизнеспособности замедляет отверждение, развитие прочности склеивания, разложение NCO и разложение первичных ароматических аминов (РАА), что приводит к задержке отгрузки товаров.
Реакционная способность полиуретановых адгезивов может быть специально подобрана многими различными способами, такими как изменение функциональности, типа изоцианатов (ароматических или алифатических), молекулярной массы и молекулярной структуры изоцианатов и изоцианатных реакционноспособных соединений. Для специального изменения реакционной способности также могут быть использованы катализаторы, описанные во многих литературных источниках. Целесообразной является разработка полиуретановых адгезивов со сроком жизнеспособности от нескольких минут до нескольких часов. Более короткий срок жизнеспособности приводит к более быстрому отверждению, более быстрому нарастанию прочности склеивания, более быстрому разложению NCO, более быстрому разложению РАА, более высокой массе покрытия и более высокой скорости отгрузки готовых продуктов, что обеспечивает улучшенную эффективность преобразования. Однако вследствие ограничений, свойственных существующим коммерческим ламинаторам, полиуретановые адгезивы с коротким сроком жизнеспособности, таким как, например, менее 30 минут, зачастую вызывают проблемы при получении слоистых материалов с неизменно высоким качеством вследствие быстрого увеличения вязкости. Это может быть обусловлено увеличенным временем пребывания адгезива между валиком №1 и валиком №2 в промышленных ламинаторах, как показано на фиг. 1, вследствие избыточного количества адгезива, нанесенного между двумя валиками. Если количество адгезива между двумя валиками может быть минимизировано для сокращения времени пребывания адгезива, то в процессах ламинирования потенциально могут быть использованы также полиуретановые адгезивы с более коротким сроком жизнеспособности. Современные установки доставки материала не обеспечивают возможность эффективного смешивания компонентов, которые существенно различаются по вязкости, возможность использования предельно допустимого соотношения компонентов при смешивании и точного регулирования расхода в широком диапазоне скоростей. Указанные ограничения препятствуют синхронизации смесительного устройства с ламинатором и затрудняют регулирование расхода смесительного устройства для соответствия скорости убавления адгезива между двумя валиками. Кроме того, короткий срок жизнеспособности обусловливает вероятность того, что вследствие нарастания прочности материала со временем может требоваться более частая очистка валиков, что приводит к потере производительности.
Таким образом, необходима система доставки материала, которая обеспечивает точное регулирование в широком диапазоне скоростей, эффективное смешивание компонентов с предельно допустимым соотношением компонентов и существенной разницей в вязкости, минимальное время пребывания адгезива и эффективную очистку валиков с помощью нескольких автоматических систем очистки.
Сущность изобретения
В одном варианте реализации настоящего изобретения описано устройство для распределения материала между двумя валиками ламинатора, содержащее: а) по меньшей мере два бака для хранения реагентов, причем каждый бак для хранения реагентов имеет шестеренный насос; b) смеситель, соединенный с шестеренными насосами; с) дозирующее сопло, соединенное со смесителем; d) датчик уровня, установленный на перекладине между двумя валиками; и е) по меньшей мере один контейнер для хранения растворителя, соединенный со смесителем.
В частных вариантах осуществления датчик уровня электронным образом подключен к шестеренным насосам баков для хранения реагентов, а смеситель имеет скорость перемешивания от 1000 об/мин до 8000 об/мин.
В другом варианте реализации настоящего изобретения описан способ распределения материала между двумя валиками ламинатора, включающий: а) подачу по меньшей мере двух реагентов из отдельных баков для хранения реагентов; b) приведение в контакт указанных реагентов со смесителем, имеющим скорость смешивания от 1000 об/мин до 8000 об/мин; с) смешивание реагентов в смесителе в течение менее 60 секунд с получением смешанного продукта; d) введение смешанного продукта в дозирующее сопло; е) распределение смешанного продукта из дозирующего сопла между двумя валиками; f) прекращение подачи реагентов; g) подачу первого растворителя из первого контейнера для хранения растворителя; h) приведение в контакт первого растворителя со смесителем;
i) введение первого растворителя в дозирующее сопло; j) распределение первого растворителя из дозирующего сопла между двумя валиками; k) прекращение подачи первого растворителя; и l) повторение стадий а) - е).
В частных вариантах осуществления после прекращения подачи первого растворителя на стадии k) повторяют стадии g) - k) со вторым растворителем, подаваемым из второго бака для хранения растворителя, который отличен от первого растворителя.
Материал, распределяемый между двумя валиками, представляет собой адгезив для ламинирования, выбранный из группы полиуретановых адгезивов, эпоксидных адгезивов, акрилатных адгезивов и их гибридных адгезивов.
Один из по меньшей мере двух реагентов содержит первый реагент, выбранный из группы, состоящей из метилендифенилдиизоцианата, толуолдиизоцианата, гексаметилендиизоцианата, изофорондиизоцианата, циклоалифатических изоцианатов, полиизоцианатов, алифатических полиуретановых преполимеров, ароматических полиуретановых преполимеров и их смесей.
Один из по меньшей мере двух реагентов содержит второй реагент, выбранный из группы, состоящей из простых полиэфирполиолов, сложных полиэфирполиолов, поликарбонатполиолов, полибутадиенполиолов и их сополимеров и смесей, этиленгликоля, диэтиленгликоля, пропиленгликоля, дипропиленгликоля, неопентилгликоля, 1,4-бутандиола, 1,6-гександиола, триметилолпропана и их смесей.
Первый и/или второй растворитель выбран из группы, состоящей из сложных эфиров двухосновных кислот, полиолов, этиленгликоля, диэтиленгликоля, дипропиленгликоля, дибензоата диэтиленгликоля, сложного диэфира гексанола, дитерефталата, этилацетата, бутилацетата, ацетона, метилэтилкетона, метилбутилкетона, ксилола, толуола и их смесей.
В настоящем изобретении также предлагается адгезив для слоистых материалов, полученный в ламинаторе, в который материал доставляют с помощью описанного выше устройства.
Кроме того, в настоящем изобретении предлагается ламинатор, содержащий множество валиков и дополнительно содержащий описанное выше устройство.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен ламинатор с пятью валиками; и
На фиг. 2 представлено устройство для доставки материала.
Подробное описание
Указанное устройство может быть использовано, в целом, вместе с ламинирующим устройством, подходящим для нанесения адгезивов для ламинирования. В одном из вариантов реализации указное устройство используют с ламинатором, который содержит пять валиков, как показано на фиг. 1. Валик 1 упомянут как дозирующий валик и является неподвижным. Валик 2 упомянут как промежуточный валик, расположен рядом с валиком 1 и вращается. Валик 3 упомянут как валик дифференциальной скорости, расположен рядом с валиком 2 и вращается в противоположном направлении относительно валика 2. Валик 3 определяет количество адгезива, наносимого на слоистый материал. Валик 4 упомянут как валик нанесения, расположен возле валика 3 и вращается в противоположном направлении относительно валика 3. Валик 5 упомянут как дозирующий валик, расположен рядом с валиком 4 и вращается в противоположном направлении относительно валика 4. Валики могут быть изготовлены из резины или стали. В одном из вариантов реализации валики 3 и 5 изготовлены из резины, а валики 1, 2 и 4 изготовлены из стали. Адгезив обычно подают в зазор между валиками 1 и 2, который может быть при необходимости отрегулирован. Адгезив наносят на одну или более подложек между валиками 4 и 5. В различных вариантах реализации одна или более подложек могут представлять собой полимерную пленку, металлизированную полимерную пленку или фольгу. Более предпочтительны варианты реализации, в которых отверждаемую композицию адгезива используют для склеивания двух полимерных пленок, полимерной пленки и металлизированной полимерной пленки или полимерной пленки и фольги. Предпочтительные полимерные пленки содержат органический полимер. Примеры органических полимеров, используемых в таких пленках, включают, но не ограничиваются ими, сложные полиэфиры, полиолефины (включая сополимеры олефинов с другими мономерами), полиамиды и их смеси. Более предпочтительные органические полимеры представляют собой полиэтилентерефталат, полиэтилен, полипропилен и нейлон.
В своей простейшей форме устройство 10 согласно настоящему изобретению содержит баки 12 и 14 для хранения реагентов; шестеренные насосы 16 и 18, которые могут регулировать расход в баках 12 и 14 для хранения реагентов, соответственно; смеситель 24; контейнеры 28 и 30 для хранения растворителя; дозирующее сопло 36, которое обеспечивает распределение материала между валиками 1 и 2 ламинатора (валики 3, 4 и 5 не показаны на фиг. 2); и датчик 38 уровня. Патрубки, в частности, патрубки 32, и 34 представляют собой трубки, которые могут быть изготовлены из стали и могут быть необязательно гибкими. Указанные трубки также могут быть жесткими и гибкими в разных частях, в зависимости от потребностей. В одном из вариантов реализации распределяемый материал представляет собой адгезив.
Указанное устройство содержит множество баков для хранения реагентов. В целом, баки для хранения реагентов могут быть любого размера, подходящего для промышленных применений. Баки могут быть из материала, который может выдерживать давление по меньшей мере 1 атм. Примеры включают, но не ограничиваются ими, нержавеющую сталь и углеродистую сталь. В различных вариантах реализации баки для хранения реагентов могут быть оснащены устройствами для перемешивания, нагревания азотной защиты и дегазации.
Каждый бак для хранения реагентов оснащен шестеренным насосом. Шестеренный насос может быть любым устройством, который обеспечивает возможность точного регулирования расхода. В различных вариантах реализации шестеренный насос представляет собой устройство, которое обеспечивает возможность точного регулирования расхода при расходе от 1 фунт/мин до 30 фунт/мин. Шестеренные насосы и трубки, соединенные с ними, имеют соответствующий размер для обеспечения точного регулирования расхода. В различных вариантах реализации расход составляет от 0,5 фунт/мин до 50 фунт/мин, в различных других вариантах реализации составляет от 2 фунт/мин до 35 фунт/мин, и в различных других вариантах реализации составляет от 2,5 фунт/мин до 25 фунт/мин.
В различных вариантах реализации смеситель представляет собой динамический смеситель, который обеспечивает возможность высокоскоростного смешивания компонентов, которые существенно различаются по вязкости при предельно допустимом соотношении смешивания, таком как, например, отношение реагента 1 к реагенту 2 от 5:95 до 95:5. Смеситель обычно может работать со скоростью от 100 об/мин до 10000 об/мин, в различных других вариантах реализации от 1000 об/мин до 8000 об/мин, и наиболее предпочтительно, в других вариантах реализации, от 4000 об/мин до 6000 об/мин. Кроме того, время пребывания реагентов в смесительной камере обычно составляет менее 60 секунд, в различных вариантах реализации менее 30 секунд, и в различных других вариантах реализации менее 10 секунд. Кроме того, смесительное устройство предназначено для смешивания компонентов с существенной разницей вязкости при экстремальном соотношении компонентов, с отношением вязкости реагента 1 к вязкости реагента 2 от 1:1 до 1:100, и при соотношении смешивания между указанными двумя компонентами от 5:100 до 100:5.
В различных других вариантах реализации смеситель представляет собой статический смеситель, который может быть использован, если реагенты 1 и 2 имеют схожую вязкость, и соотношение смешивания составляет примерно 1:1.
Смешанный продукт вводят в дозирующее сопло. Конфигурация сопла может быть стандартной или специализированной для обеспечения выравнивания адгезива между валиками 1 и 2. Для облегчения выравнивания адгезива сопло может быть смонтировано на рычаге, который обеспечивает возможность его перемещения вперед и назад вдоль оси валиков по меньшей мере 4 раза в минуту, в различных вариантах реализации 8 раз в минуту, и в различных других вариантах реализации от 10 до 15 раз в минуту.
Датчик уровня, который обнаруживает высокие и низкие уровни смешанного продукта между валиками 1 и 2, электронным образом подключен к шестеренным насосам баков для хранения реагентов, обеспечивая возможность увеличения расхода при низком уровне и снижения расхода при высоком уровне.
Автоматическая система очистки содержит по меньшей мере один контейнер для хранения растворителя, соединенный со смесителем через патрубок, такой как трубка. Каждый контейнер для хранения растворителя изготовлен из нержавеющей стали или углеродистой стали, способной выдерживать давление по меньшей мере 50 psi, предпочтительно от 70 до 100 psi. Систему очистки используют для очистки смесителя и валиков во время переключения и/или при видимом обрастании валиков. Подходят обычные очищающие растворители, такие как эфир двухосновной кислоты, Benzoflex, TXIB, простые полиэфирполиолы или низкомолекулярные спирты. Во избежание загрязнения указанных растворителей ламинирующими материалами необходимо иметь второй растворитель во втором контейнере для хранения растворителя, такой как МЭК или этилацетат. Второй контейнер для хранения растворителя также соединен со смесителем через трубку.
Указанный аппарат может быть оснащен различными кабелями, компьютерами и другими устройствами для электронной эксплуатации аппарата.
Один из вариантов реализации способа согласно настоящему изобретению проиллюстрирован с помощью вышеописанного устройства 10. Баки 12 и 14 для хранения реагентов содержат реагенты 1 и 2, соответственно. Шестеренные насосы 16 и 18 регулируют подачу реагентов. Высвобожденные реагенты 1 и 2 проходят по соответствующим патрубкам, соответственно, в смеситель 24. Затем их смешивают, и полученный перемешанный продукт направляют в сопло 36 по соответствующему патрубку, где происходит его распределение между валиками 1 и 2. Датчик 38 уровня подает сигнал обратной связи в каждый шестеренный насос.
После прекращения операции ламинатор выключают и осуществляют процесс очистки. Шестеренные насосы выключают для остановки потока реагентов и останавливают валики ламинатора. Затем валики 1 и 2 разъединяют и смывают избыток смешанного продукта в поддон или соскабливают вручную. Затем снова соединяют валики 1 и 2 и разъединяют валики 4 и 5. Из контейнера 28 для хранения растворителя подают первый очищающий растворитель и включают валики 1 и 2 ламинаторы. Первый очищающий растворитель проходит по патрубку 32 в смеситель 24 и по соответствующему патрубку на валики 1 и 2. После использования первого очищающего растворителя в течение необходимого периода времени поток первого очищающего растворителя останавливают и подают второй очищающий растворитель из контейнера 30 для хранения растворителя. Второй очищающий растворитель проходит по патрубку 34 в смеситель 24 и по соответствующему патрубку на валики 1 и 2. По истечении некоторого времени останавливают поток растворителя из контейнера 30 для хранения растворителя. В другом варианте реализации устройство очистки может быть использовано над валиком 4 для очистки валика 4. После остановки потока второго очищающего растворителя валики 1 и 2 останавливают, а валики 4 и 5 снова соединяют. Затем весь процесс может быть начат заново.
Все стадии, описанные выше, можно запрограммировать и регулировать электронным способом (т.е. с помощью компьютера) или необязательно осуществлять вручную, или использовать комбинацию двух вариантов.
Для устройства и способа согласно настоящему изобретению могут быть использованы адгезивные материалы различных химических классов. Примеры включают, но не ограничиваются ими, системы на полиуретановой основе, системы на эпоксидной основе, системы на акрилатной основе, системы, основанные на механизме присоединения Михаэля, и гибридные системы на основе вышеуказанных систем.
Примеры реагента 1 в системе на полиуретановой основе включают, но не ограничиваются ими, ароматические полиизоцианаты, такие как метилен-бис(п-фенилизоцианат) (MDI), толуолдиизоцианат (TDI), 3,3-битолуолдиизоцианат (TODI), 1,5-нафталиндиизоцианат (NDI) и пара-фенилендиизоцианат (PPDI); и продукты реакции по меньшей мере одного из изоцианатов с по меньшей мере одним соединением, способным взаимодействовать с изоцианатами, таким как полиуретановые преполимеры и полимочевинные преполимеры.
В альтернативных неограничивающих вариантах реализации полиизоцианат также может представлять собой алифатические или циклоалифатические полиизоцианаты, их циклические димеры и циклические тримеры, и их смеси. Неограничивающие примеры подходящих алифатических полиизоцианатов могут включать, но не ограничиваются ими, 1,4-бис(изоцианатометил)циклогексан, 1,3-бис(изоцианатометил)циклогексан, изофорондиизоцианат (IPDI), циклогексилдиизоцианат (CHDI), метилен-бис(п-циклогексилизоцианат) (H12MDI), 1,3-бис(1-изоцианато-1-метилэтил)бензол, 1,6-гександиизоцианат, уретидион и его тримерные изоцианураты, такие как Desmodur N 3300 (тример гексаметилендиизоцианата), который имеется в продаже у компании Bayer, Desmodur N 3400 (60% димера гексаметилендиизоцианата и 40% триммера гексаметилендиизоцианата), их смеси и продукты реакции по меньшей мере одного из указанных изоцианатов с по меньшей мере одним соединением, способным взаимодействовать с изоцианатами, таким как полиуретановые преполимеры и полимочевинные преполимеры.
Примеры реагента 2 в системе на полиуретановой основе включают, но не ограничиваются ими, простые полиэфирполиолы, сложные полиэфирполиолы, поликарбонатполиолы, полибутадиенполиолы, полигидрокси-функциональные полиакрилаты и их сополимеры и смеси с молекулярной массой от 300 до 25000 и функциональностью от 2 до 8, а также короткоцепочечные гликоли с молекулярной массой менее 300 и функциональностью от 2 до 8, такие как этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль, дипропиленгликоль, триметилолпропан, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, тетраэтиленгликоль, трипропиленгликоль, 1,2-, 1,3- и 1,4-бутандиол, 2,2,4-триметил-1,3-пентандиол, 2-метил-1,3-пентандиол, 1,3-, 2,4- и 1,5-пентандиол, 2,5- и 1,6-гександиол, 2,4-гептандиол, 2-этил-1,3-гександиол, 2,2-диметил-1,3-пропандиол, 1,8-октандиол, 1,9-нонандиол, 1,10-декандиол, 1,4-циклогександиол, 1,4-циклогександиметанол, 1,2-бис(гидроксиэтил)циклогексан и их изомеры и смеси.
Примеры реагента 1 в системе на эпоксидной основе включают, но не ограничиваются ими, алифатические, циклоалифатические или ароматические жидкие эпоксидные смолы или их смеси, такие как диглицидиловые эфиры бисфенола А или бисфенола F, диглицидиловый эфир гексендиола, циклоалифатические диглицидиловые эфиры, триглицидиловые эфиры триметилолпропана, диглицид иловый эфир 1,4-бутадиена, диглицидиловый эфир циклогександиметанола, а также более сложные алифатические или ароматические эпоксидные смолы и их смеси.
Примеры реагента 2 в системе на эпоксидной основе включают, но не ограничиваются ими, алифатические амины, аддукты алифатических аминов, кетимины, аддукты оснований Манниха, простые полиэфирамины, арилиламины, полиамиды, циклоалифатические амины, амидоамины, сложные полиэфиры с карбоксильной функциональной группой, ангидриды кислот, меркаптаны, циклические амидины, цианатные сложные эфиры и их смеси. Примеры реагента 1 в системе, основанной на механизме присоединения Михаэля, включают, но не ограничиваются ими, ди-, три- и поли-α,β-ненасыщенные вещества, содержащие карбонильную функциональную группу, смеси ди-, три- и поли-α,β-ненасыщенных веществ, содержащих карбонильную функциональную группу, и их смеси с эпоксидными смолами, полиизоцианатами, полиуретановыми преполимерами, уретанакрилатами, сложными полиэфиракрилатами, сложными полиэфир-уретанакрилатами, акриловыми полиолакрплатами и ди-, три- и многофункциональными акрилатами.
В одном из вариантов реализации β-дикарбонильное соединение выбрано из группы, состоящей из сложных β-кетоэфиров, β-дикетонов, β-кетоамидов, β-кетоанилидов и их смесей. В другом варианте реализации предпочтительное β-дикарбонильное соединение выбрано из группы, состоящей из метилацетоацетата, этилацетоацетата, 2-(метоксиэтил)ацетоацетата, глицидилацетоацетата, ацетоацетанилида, 2,4-пентандиона и их смесей.
В другом варианте реализации предпочтительный многофункциональный акрилат выбран из группы, состоящей из триакрилата триметилолпропана, триакрилата ди-триметилолпропана, диакрилата дипропиленгликоля, диакрилата гександиола, триакрилата пентаэритрита, тетраакрилата пентаэритрита, триакрилата изоцианурата, эпоксидных диакрилатов бисфенола А, эпоксидных новолачных полиакрилатов, уретановых диакрилатов, полиакрилатов сложных полиэфиров, (мет)акрилатов металлов и их смесей.
Примеры реагента 2 в системе, основанной на механизме присоединения Михаэля, включают, но не ограничиваются ими, ди-, три- и политиолы, ди- и/или триполиамины и их смеси, ди-, три- и полиацетоацетокси-содержащие вещества и их смеси.
Другие реагенты, которые могут быть использованы, включают вещества с концевым карбамидом, а также ди-, три- и полиалифатические или ароматические альдегиды.
Другие химические вещества, которые могут быть использованы для устройства и способа согласно настоящему изобретению, включают отверждаемые материалы, такие как смеси полиизоцианатов с эпоксидными материалами или акрилаты, отверждаемые смесями полиолов с аминами или другими соединениями-донорами протона.
Растворители, используемые в системе очистки, обычно выбраны из группы, состоящей из сложных эфиров двухосновных кислот, полиолов, короткоцепочечных гликолей, таких как этиленгликоль, диэтиленгликоль, дипропиленгликоль, дибензоат диэтиленгликоля, сложный диэфир гексанола, дитерефталат, этилацетат, бутилацетат, ацетон, метилэтилкетон, метилбутилкетон, ксилол, толуол и их комбинации.
В различных вариантах реализации первый растворитель, который может быть использован в системе очистки, включает, но не ограничивается ими, сложные эфиры двухосновных кислот, полиолы, короткоцепочечные гликоли, такие как этиленгликоль, диэтиленгликоль, дипропиленгликоль, дибензоат диэтиленгликоля, сложный диэфир гексанола, дитерефталат и их смеси.
В различных вариантах реализации второй растворитель в системе очистки может быть выбран из группы, состоящей из этилацетата, бутилацетата, ацетона, метилэтилкетона, метилбутилкетона, ксилола, толуола и их комбинаций.