СПОСОБ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОНЛАЙН-ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ПОЛИМЕРА И СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРА
METHOD, AN APPARATUS FOR ONLINE DETERMINATION OF POLYMER VISCOSITY AND A METHOD OF PROCESSING A POLYMER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу онлайн-определения вязкости полимера, к устройству для осуществления способа и к способу переработки полимера.
Способ касается переработки, в частности, вторичной переработки полимера, причем полимер расплавляют и используют способ для онлайн-определения вязкости полимера в соответствии с одним из пп. 1-5, а также к устройству для переработки, в частности, для вторичной переработки полимера, с плавильным устройством для полимера, предпочтительно экструдером, и подключенным к нему устройством для онлайн-определения вязкости в соответствии с одним из пп. 8-12.
Уровень техники
При обработке полимеров, в частности, термопластичных полимеров, большое значение имеет знание характеристик, в частности, характеристик их вязкости. В случае необходимости оценки полимеров применительно к характеристикам их вязкости существуют согласованные с различными полимерами способы оценки, проводимые в значительной мере в режиме офлайн, то есть, большей частью в лаборатории. Однако, все большее значение приобретает определение этих характеристик непосредственным путем или во время процесса переработки. Обычно и, в частности, в случае подлежащих вторичной переработке полимеров эти полимеры подвергают предварительной обработке, большей частью измельчают и подготавливают в резервуаре для нарезания с помощью инструментов. При этом плавления еще не происходит, а в течение времени пребывания в этом резервуаре производят нагрев или размягчение. Из этого резервуара предварительно обработанный материал подводят к экструдеру для плавления.
Таким образом, переработка полимеров включает, как правило, процесс экструзии. При этом полимер в большинстве случаев полностью расплавляют и вязкость можно определить с помощью различных известных способов.
Использование многих систем онлайн-измерения ограничено наличием загрязнений. Эти системы часто работают с использованием небольших насосов расплава, размер зазора которых лежит в диапазоне 20 мкм. При вторичной переработке полиолефина в зависимости от конечной аппликации загрязнения в расплаве имеют обычно размер от 100 мкм до 1000 мкм. В таких условиях известные системы не обладают длительной прочностью.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание конструктивно несложного и обладающего длительной прочностью устройства и способа для «онлайн»-определения вязкости, предоставляющего точные величины измерения. В частности, должны быть возможны длительные измерения без прерывания процесса переработки полимера.
С этой целью предусмотрены признаки п. 1 формулы изобретения, а именно:
- что для онлайн-определения вязкости полимера от находящегося в стадии переработки полимера отводят, по меньшей мере, одну порцию, предпочтительно через временные интервалы поочередно определенное количество порций, и подводят их к измерительному объему измерительного устройства,
- что заранее заданный объем соответствующей порции вследствие нагружения порции заданным давлением выдавливают из измерительного объема через выполненное в измерительном устройстве измерительное сопло, при необходимости с помощью поршня, нагруженного заданной, предпочтительно неизменной силой,
- что измеряют длительность выдавливания заранее заданного объема порции через измерительное сопло,
- что эти определенные величины измерения привлекают для расчета вязкости полимера, и
- что перед заполнением измерительного объема подлежащим измерению полимером измерительный объем и при необходимости также линию подвода полимера к измерительному объему промывают, по меньшей мере, однократно количеством подлежащего переработке полимера.
Соответствующее изобретению устройство отличается тем,
- что к плавильному устройству подключена подводящая линия для забора порций полимера, находящегося в форме от тестообразной до жидкой,
- что подводящая линия подключена через запирающее устройство к содержащему предпочтительно вытянутый в продольном направлении измерительный объем измерительному устройству, которое содержит измерительное сопло, через которое подведенная к измерительному объему порция может быть полностью или на величину заданной части выдавлена из измерительного объема посредством нагружения давления устройством для выработки силы сжатия,
- что предусмотрен измеритель времени для измерения продолжительности выдавливания заданного количества полимера через измерительное сопло,
- что предусмотрен блок оценки для расчета вязкости из полученных величин измерения времени, и
- что предусмотрен блок управления для приведения в действие запирающего устройства и устройства для выработки силы сжатия, с помощью которого запирающее устройство можно регулировать в заданные моменты времени в положениях отпирания или запирания, за счет чего можно управлять протеканием полимера к измерительному объему и этот полимер может быть использован в целях промывки или измерения.
За счет осуществляемой между измерениями промывки обеспечивается возможность длительной переработки полимера и текущего определения величин вязкости. Отложения в устройстве, остатки от предшествовавших измерений и загрязнения, в частности, в измерительном объеме, не оказывают влияния на величины измерения.
Заданный объем подлежащей измерению порции после полного выведения использующегося для чистки полимера из измерительного объема или поршневого цилиндра может быть введен в измерительный объем. Отложения или образовавшиеся комки не оказывают влияния или не изменяют действующую на поршень силу во время движения поршня.
Процесс промывки может быть выполнен быстро и эффективно, если подведенный к измерительному объему для промывки полимер из измерительного объема отводят через измерительное сопло и/или, по меньшей мере, один отводящий канал, расположенный предпочтительно в верхней области измерительного объема или в расположенной напротив измерительного сопла концевой области измерительного объема. Процесс промывки можно легко интегрировать в способ измерения, если используемый для промывки полимер подводят к измерительному объему под давлением, которое действует на него при его обработке в его месте ответвления. Для измерения предусмотрено, что при завершении процесса промывки прекращают подвод полимера к измерительному объему и осуществляют либо ответвление следующего полимера и его подвод к измерительному объему и выдавливание его через измерительное сопло, либо еще находящийся в измерительном объеме полимер процесса промывки выдавливают в качестве ответвленной порции через измерительное сопло и измеряют длительность выдавливания.
В зависимости от температуры и степени размягчения полимера предусмотрено, что измерительный объем и по мере необходимости отводящий канал промывают количеством полимера, которое больше объема измерительного объема и ведущего от места ответвления к измерительному объему подводящего канала и при необходимости, по меньшей мере, в два раза больше этих обоих объемов, вместе взятых.
Изобретение относится также к способу переработки, в частности, вторичной переработки полимера, причем полимер расплавляют и используют способ о онлайн-определения вязкости полимера в соответствии с пп. 1-5. При этом выгодно, если полученные величины измерения используют для управления способом переработки, в частности, процессом плавления полимера, и/или для управления экструдером, в частности, его числа оборотов, причем при необходимости оказывают влияние на подчиненный клапан расплава или размягчитель гранулята, и выработанный полимер отделяют или сортируют в соответствии с его вязкостью. Предпочтительно пригодное для этого устройство отличается тем, что устройству или блоку плавления приданы размягчитель гранулята или клапан расплава, к которым может быть подведен полимер, измеренный в отношении его вязкости.
Конструктивно несложной конструкции, допускающей быстрые и точные измерения, причем одновременно может быть осуществлена быстрая и хорошая промывка измерительного объема и, в частности, несложное освобождение его от оставшихся загрязнений, достигают в случае, если входное отверстие подводящей линии и входное отверстие отводящего канала расположены в противоположных концевых областях измерительного объема и/или измерительное сопло и входное отверстие отводящего канала расположены во взаимно вертикально противоположных концевых областях измерительного объема.
Определенного управления процессом промывки и процессом измерения достигают с помощью точного переключения запирающего устройства и/или за счет того, что входное отверстие отводящего канала в момент начала движения поршня в измерительный объем может быть заперто поршнем устройства для выработки давления. Поршень запирает отводящий канал и после запирания отводящего канала может быть начат процесс измерения или выдавливание через измерительное сопло.
Краткое описание чертежей
На чертежах схематически изображено соответствующее изобретению устройство.
Фиг. 1 показывает соответствующее изобретению устройство с поршнем в верхнем концевом положении. Фиг. 2 показывает устройство с поршнем, введенным в измерительный объем.
Осуществление изобретения
Как видно из чертежа, к блоку 100 переработки полимера, предпочтительно к экструдеру, подключена подводящая линия 1 для забора в заданных количествах или порциями полимера 10, присутствующего, по меньшей мере, в форме от тестообразной до жидкой.
К служащей в качестве подводящей линии 1, в которой расположено запирающее устройство 2, например, сервоклапан, подключен измерительный объем 40, который содержит измерительное сопло 3, через которое за счет нагружения порции нажимным пуансоном или поршнем 6 может быть выдавлено заданное количество порции, заполняющей измерительный объем 40. Далее, предусмотрены измерительное устройство 21 для измерения длительности выдавливания порции через измерительное сопло 3 и блок 29 оценки для расчета вязкости из полученных величин измерения времени. Альтернативно для определения количества выдавленного через измерительное сопло 3 полимера 10 было бы возможным также измерение пути, пройденного поршнем 6, в заданных единицах времени.
Таким образом, в выбираемом месте экструзионной системы или блока 5 плавления, в месте которого подлежащий переработке полимер или соответствующая смесь полимера присутствует в форме, позволяющей осуществлять транспортировку, измерительное устройство 12 для определения вязкости подключено непосредственно к экструзионной системе или к блоку 5 плавления или подводящей линии и направляет текучий полимер 10 для измерения в измерительное устройство 12.
Измерительное устройство 12 содержит блок 21 измерения времени, подводящую линию 1 и запирающее устройство 2, например, запорный клапан. Подводящая линия может быть выполнена различным образом; важно то, чтобы полимер можно было направлять по возможности просто и быстро к измерительному объему 40. Запорный клапан 2 расположен между экструзионной системой и измерительным объемом 40 в подводящей линии 1. Размеры и исполнение соответствующего изобретению устройства выбирают таким образом, чтобы влияние времени пребывания, температуры и т.д. на забранную порцию было по возможности малым, чтобы добиться соответствующего измерения, репрезентирующего главный поток в экструдере 5 блока плавления. Подводящая линия 1 выполнена предпочтительно таким образом, что она проходит во внутреннее пространство охваченного экструдером канала расплава, чтобы обеспечить там возможность забора репрезентативного количества полимера.
Блок 12 измерения содержит при известных условиях сменное измерительное сопло 3 (сопло MFR), которое при необходимости может быть составлено из количества измерительных сопел с различным поперечным сечением. Далее, поршень 6 с выбираемым или изменяемым весом или регулируемым устройством 30 выработки усилия нажима расположен с возможностью регулировки в поддерживаемом по мере необходимости на равномерной температуре цилиндре 8, определяющем измерительный объем 40. Нагружение весом или устройством 30 для выработки усилия нажима происходит через пригнанный в цилиндре 8 поршень 6, который продавливает полимер 10 через измерительное сопло 3. С помощью блока 21 измерения времени изменяют длительность выдавливания находящегося в измерительном объеме 40 полимера или его заданной доли.
Дополнительно к измерению вязкости можно осуществлять измерение температуры и давления расплава. Цилиндр 8 и, следовательно, измерительный объем 40, можно регулировать по температуре, то есть нагревать или охлаждать. Для регулировки температуры измеряют температуру цилиндра 8 и регулировку этой температуры можно осуществлять, например, например, путем электрического нагрева или охлаждения.
С помощью системы 29 управления или компьютерной системы, которая управляет работой запирающего устройства 2 или нагружением поршня 6 давлением, можно автоматизировать или частично автоматизировать процесс измерения. Для измерения длительности выдавливания порции, в частности, для осуществления автоматизации, можно точно распознать движение поршня 6, в частности, продольное движение поршня 6. Тем самым, возможно точное задание или определение объема выдавленного полимера. Полезным в смысле достижения цели оказалось также непрерывное распознавание пройденного измерительным поршнем 6 участка пути и определение, таким образом, выдавленного объема. Это обеспечивает возможность согласования способа измерения с различными величинами времени измерения, полимерами и т.д. Для этого задают или распознают верхнюю стартовую точку и нижнюю конечную точку поршня 6. Это можно осуществить, например, за счет прохождения определенной точки поршня через световой затвор. На основании определения пройденного поршнем пути можно определить выдавленный объем порции или выдавливание определенного количества полимера может быть определено на основании хода поршня. Таким образом, при регламентированном пути поршня можно измерить длительность выдавливания или длительность выдавливания можно измерить при регламентированном давлении, чтобы получить необходимые величины измерения.
В практических условиях процесс измерения может протекать следующим образом:
3
Расплав системы переработки, давление которого определено инструментом, следующим за экструдером или нагружаемым им полимером, отжимает при открытом запирающем устройстве 2 через подводящую линию 1 измерительный поршень 6 в его верхнюю позицию (фиг. 1) и заполняет цилиндр 8 или измерительный объем 40. При нахождении поршня 6 в верхней позиции подвод расплава прерывают и начинают процесс измерения порции путем опускания поршня 6. С помощью устройства, в частности, механического или гидравлического или геометрического устройства, поршень 6 можно удерживать в его верхней позиции до момента полного завершения подвода или запирания подводящей линии. При отсутствии противодавления или сброшенном давлении в измерительном объеме 40 поршень 6 деблокируется. После этого измерительный поршень 6 под усилием своего веса или за счет нагружения устройством 30 выработки усилия нажима движется вниз (фиг. 2) и выдавливает полимер через измерительное сопло 3. Геометрию измерительного сопла 3, температуру полимера в измерительном объеме 40 и давление поршня выбирают в соответствии с нормой или в соответствии с заданными параметрами. Определяют время, протекающее до достижения поршнем 6 заранее заданной или его самой нижней точки. Для этого может быть произведено измерение пути. На основании известных геометрий и измеренного времени можно рассчитать параметр MFR (Melt Flow Rate) (скорость течения расплава) в г/10 мин. или MVR (Melt Volume Rate) (объемная скорость течение расплава) в см/10 мин. в соответствии с нормой DIN EN ISO 1133-2. Возможна также калибровка блока измерения с помощью субстанций с известной вязкостью. В этом случае измеренное время можно рассматривать как прямо пропорциональную вязкости. На основании точного определения параметров окружающей среды, в частности, температуры плавления, можно произвести корректировку полученных величин и, следовательно, получить величины, регламентированные нормой. Принципиально температура плавления полимера вследствие его малого количества в измерительном объеме 40 приближается к температуре измерительного цилиндра 8, и эту температуру измерительного цилиндра 8 регулируют в соответствии с нормой.
Вместо веса поршня 6 можно использовать устройство 30 для выработки усилия нажима, которое нагружает поршень 6 заданным, неизменным, по мере необходимости согласованным с консистенцией полимера усилием сжатия.
Для предотвращения изменения скорости движения поршня 6 вследствие вибраций экструдера позитивным оказалось устранение связей по вибрации между экструдером и измерительной аппаратурой или соответствующим изобретению устройством. Далее, выгодно, если измерительную аппаратуру или измерительный объем можно регулировать по вертикали независимо от экструдера или подводящая линия 1, чтобы также и в этом случае минимизировать влияния монтажного положения на движение поршня 6.
Далее, позитивной мерой оказалось обеспечение термической развязки относительно окружающей среды. Это можно осуществить относительно несложным образом путем использования кожухов и пригодной изоляции. Поскольку температурный режим является важным для точности измерения признаком, ни теплые, ни холодные потоки воздуха не должны оказывать влияния на температуру измерительной аппаратуры. Если поддержание равномерной температуры цилиндра 8 должно осуществляться лишь с помощью нагрева, то в этом случае следует позаботиться об естественной конвекции, чтобы также обеспечить охлаждение цилиндра 8.
Выгодным зарекомендовало себя предусмотрение отводящего (дренажного) канала 25, с помощью которого можно быстро промыть измерительный объем 40 или цилиндр 8, если поршень 6 находится в своей верхней позиции. Эта очистка измерительного объема 40 позволяет осуществлять длительную эксплуатацию на протяжении дней, недель, месяцев без очистки измерительной аппаратуры. За счет использования автоматизированного процесса измерения может быть произведена запись измеренных данных и определена долговременная тенденция.
Отводящий канал 25 содержит входное отверстие 26 в верхней области измерительного объема 40 и вследствие своего поперечного сечения обеспечивает возможность быстрого процесса промывки. Для обеспечения возможности по возможности полной промывки измерительного объема 40 входное отверстие 26 выполняют на одном конце предпочтительно вытянутого в длину, в частности, цилиндрического измерительного объема 40, предпочтительно на расположенном на стороне поршня конце, а входное отверстие 27 подводящей линии 1 выполняют на другом, противолежащем конце. При входе или движении внутрь измерительного объема 40 поршень 6 может запирать входное отверстие 26 для предотвращения нежелательного выхода полимера и может быть начат процесс измерения.
За счет ориентации измерительной аппаратуры на норму, далее, получают возможность расчета также вязкости тех полимеров, которые обычно не указывают применительно к параметрам MFR или MVR и для которых существуют соответствующие формулы пересчета или модели. Поэтому возможно также измерение вязкости полиэфира.
Особо следует отметить простоту и надежность принципа измерения или измерительного устройства. По этой причине это измерительное устройство можно использовать также для загрязненных полимерных материалов, которые содержат более грубые загрязнения.
Измерение вязкости полимеров осуществляют с температурой выше температуры размягчения по Вика, по мере необходимости в диапазоне плавления полимера, предпочтительно, однако, в диапазоне температур, в котором полимер находится в полностью расплавленном состоянии.
Принципиально в отводящем канале 25 нет необходимости. Если выпускное отверстие 27 подводящей линии 1 расположено в верхней концевой области измерительного объема 40, то измерительный объем 40 может быть промыт полимером, который выходит через измерительное сопло 3, если поршень 6 находится в своей верхней конечной позиции.
Из фиг. 1 и 2 видно, что предусмотрен блок 29 оценки для расчета вязкости на основании полученных величин измерения времени, и что предусмотрен блок 20 управления для приведения в действие запирающего устройства 2 и устройства 30 для выработки усилия нажима, с помощью которого запирающее устройство 2 можно регулировать в заданные моменты времени в положении отпирания и запирания, за счет чего можно управлять протеканием полимера 10 к измерительному объему 40 и использовать этот полимер для промывки или измерения. Применительно к 41 подводящая линия 1 присоединен к блоку 100 обработки или блоку 5 плавления.