ГРАНУЛЯТОР ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ГРАНУЛЯТОР ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Полезная модель относится к конструкции газоохлаждаемых грануляторов термопластичных композиционных материалов, используемых как технологическая оснастка экструдеров-смесителей. Такие грануляторы предназначены преимущественно для переработки термопластичных композиционных материалов, которые характеризуются низкой теплопроводностью и которые содержат по меньшей мере один гигроскопичный (обычно целлюлозосодержащий) ингредиент.
Гранулирование полимерных материалов включает:
лриготовление гомогенного расплава какого-либо полимерного материала,
экструзию расплава сквозь отверстия в подходящей перегородке (которую обычно именуют «фильерная решётка),
резку образующихся стренг расплава на заготовки гранул и
охлаждение этих заготовок с такой скоростью отвода тепла, которая исключает слипание гранул при их плотном контакте между собой.
На фоне сказанного понятно:
что особенности конструкций грануляторов существенно обусловлены составом и свойствами гранулируемых материалов,
что для гранулирования полимерных композитов с гигроскопичными наполнителями практически неприменимы средства гранулирования чистых или наполненных водостойкими частицами термопластичных полимеров и
что для эффективного гранулирования указанных полимерных композитов нужна специальная оснастка.
Например, из описания и чертежей гранулятора по патенту UA 17138 известен гранулятор, который пригоден для эффективного гранулирования гомогенных полимерных материалов с относительно высокой теплопроводностью и низкими адгезионными свойствами. Этот гранулятор имеет:
полый корпус с закрепленной на его выпускном торце фильерой,
МПК в 29 с 47/30 В 29 С 47/88
формующий элемент в виде плиты с такими отверстиями для отсекания гранул, количество которых равно сумме количеств отверстий для пропуска расплава и хладоагента в неподвижном элементе.
Охлаждение заготовок гранул, получаемых с помощью описанного гранулятора, происходит только с поверхности в момент их «выстреливания из формующего элемента под напором хладоагента.
Понятно, что глубокое охлаждение гранул при таком кратком контакте с хладоагентом исключено. Следовательно, недоохлаждённые гранулы, изготовленные из плохо проводящих тепло полимерных материалов, будут слипаться при незначительном сжатии, которое неминуемо происходит в приёмных бункерах грануляторов.
Поэтому при гранулировании плохо проводящих тепло полимерных композитов с негигроскопичными наполнителями обычно применяют:
либо жидкостное, в частности водяное, охлаждение заготовок гранул, что требует последующей сушки гранулята,
либо существенно интенсифицируют воздушное охлаждение, полезным побочным эффектом которого может служить удаление из гранулята следов летучих растворителей, которые нередко присутствуют в гранулируемых материалах.
Примером может служить гранулятор по SU 1242386 А1. Он имеет:
соединенную с экструдером фильерную головку, в которой со стороны боковой цилиндрической поверхности выполнены отверстия для прохода гранулируемого материала, а со стороны плоской торцевой поверхности - глухое отверстие для установки подшипника,
снабжённый воздухозаборными лопастями и защитным кожухом перфорированный диск с полыми ножами, у которого:
-полости ножей сообщаются со сквозными отверстиями в диске, а
-опорами служат подшипники, установленные соответственно в глухом отверстии торцовой поверхности фильерной головки и в опоре привода вращения ножей, и
-указанный привод вращения.
Интенсивный обдув получаемых из расплава профильных заготовок и доохлаждение отрезанных гранул в потоке воздуха практически исключает слипание гранулята в приёмном бункере, если связующим в гранулируемом композите служит относительно тугоплавкий (с температурой плавления более 150°С) вязкий в расплаве лолимер и если этот композит не
содержит такие плохо проводящие тепло наполнители, как целлюлоза.
Из сказанного следует, что для гранулирования материалов с низкой теплопроводностью и высокой адгезионной активностью необходимо ещё более интенсивное охлаждение.
Такое охлаждение может обеспечить наиболее близкий к предлагаемому по технической сущности гранулятор по SU №127325 А1. Он имеет:
полый корпус, который в рабочем положении закреплён на выпускном торце экструдефильерную решетку, которая закреплена на выпускном торце полого корпуса и имеет сквозные одинаковые по диаметру и глубине расположенные в одной горизонтальной плоскости формующие отверстия;
кронштейн, жёстко связанный с полым корпусом;
экран зоны гранулирования, служащий продолжением указанного кронштейна;
средство обдува фильерной решётки, размещённое под экраном;
ножевой ротор, подвешенный под экраном на указанном кронштейне и имеющий:
-вал, простирающийся вдоль фильерной решётки,
-ножи, закреплённые на периферии вала так, что их режущие кромки расположены с зазором относительно рабочей поверхности фильерной решетки, и
-привод вращения вала;
проточный холодильник для глубокого охлаждения гранул, подключённый к источнику жидкого хладоагента, и
средство эвакуации готовых гранул из проточного холодильника, оснащённое фильтром для отделения избытка жидкого хладоагента.
В известном грануляторе ножи наклонно закреплены на концах радиальных лопастей, которые равномерно расположены по окружности вращения ротора напротив каждого отверстия в фильерной решётке и жёстко связаны с валом, а привод вала выполнен скоростным.
При вращении ножевого ротора со скоростью порядка 2500 об/мин, его лопасти обеспечивают интенсивную вентиляцию зоны гранулирования и, тем самым, служат упомянутым средством обдува фильерной решётки. Прокачиваемый под экраном воздух охлаждает ножи и, предварительно, гранулы. Окончательное отвердевание гранул происходит при контакте с жидким хладоагентом (обычно водой).
Однако гранулирование композитов с гигроскопичными, в частнооти целлюлозосодержащими, наполнителями с помощью описанного устройства тем быстрее будет приводить к набуханию гранул в жидком хладоагенте, чем выше будет объёмная концентрация такого наполнителя в гранулах.
Поэтому в основу полезной модели положена задача путём дальнейшей интенсификации воздушного охлаждения с соответствующим изменением конструкции создать такой гранулятор, который исключал бы слипание гранул, изготовленных из композиционных материалов, содержащих гигроскопичные наполнители с низкой теплопроводностью и связующие, которые сохраняют адгезионную активность даже при относительно низких температурах.
Поставленная задача решена тем, что гранулятор, имеющий:
полый корпус, который в рабочем положении закреплён на выпускном торце экструдера;
фильерную решетку, которая закреплена на выпускном торце полого корлуса и имеет сквозные расположенные в одной горизонтальной плоскости формующие отверстия;
кронштейн, жёстко связанный с полым корпусом;
экран зоны гранулирования, служащий продолжением указанного кронштейна;
средство обдува фильерной решётки, размещённое под экраном;
ножевой ротор, подвешенный под экраном на указанном кронштейне и имеющий:
-вал, лростирающийся вдоль фильерной решётки,
-ножи, закреплённые на периферии вала так, что их режущие кромки расположены с зазором относительно рабочей поверхности фильерной решетки, и
-лривод вращения вала;
проточный холодильник для глубокого охлаждения гранул, подключённый к источнику хладоагента, и
средство эвакуации готовых гранул из проточного холодильника,
согласно изобретательскому замыслу
средство обдува фильерной решётки выполнено на основе по меньшей мере одной газовой форсунки, выход которой обращён к этой решётке, а вход подключён к источнику сжатого воздуха,
который оснащён перфорированным внутренним днищем и у которого внешнее днище имеет отверстие для подачи охлаждающего воздуха, а
средство эвакуации готовых гранул из проточного холодильника размещено внутри бункера над перфорированным внутренним днищем.
Интенсивный обдув фильерной решётки и отрезанных гранул сжатым воздухом и доохлаждение гранул в псевдоожиженном слое, который возникает при продувке воздуха над перфорированным внутренним днищем, исключает слипание гранул, изготовленных из композиционных материалов, содержащих гигроскопичные наполнители с низкой теплопроводностью и адгезионноактивные связующие.
Первое дополнительное отличие состоит в том, что средство обдува фильерной решётки выполнено в виде газовой форсунки со щелевым выходным соплом. Этот частный вариант реализации изобретательского замьюла наиболее прост и дёшев.
Второе дополнительное отличие состоит в том, что средство обдува фильерной решётки выполнено в виде набора подключённых к раздаточному коллектору газовых форсунок, количество которых кратно количеству отверстий в указанной решётке и каждая из которых имеет выходное сопло с регулируемым проходным сечением.
Третье, дополнительное ко второму отличие состоит в том, что газовые форсунки имеют сменные сопла.
Эти дополнительные отличия обеспечивают индивидуальное охлаждение каждой из формуемых гранул с учётом теплофизических и механических свойств гранулируемых термопластов.
Четвёртое, дополнительное ко второму отличие состоит в том, что газовые форсунки шарнирно связаны с раздаточным коллектором. Это позволяет устанавливать требуемый угол наклона сопла каждой отдельной форсунки к геометрической оси соответствующего формующего отверстия в фильерной решётке и тем самым локально оптимизировать режим охлаждения гранул.
Пятое дополнительное отличие состоит в том, что со стороны полости в корпусе фильерная решетка выполнена выпуклой и, соответственно, имеет формующие отверстия разной уменьшающейся от центра к краям глубины. Тем самым выравнивается температурное поле на рабочем торце фильерной решетки.
сменными вставками с формующими отверстиями разного выходного сечения. Это дает возможность изменением линейных размеров отсекаемых гранул дополнительно регулировать скорость их охлаждения с учётом конкретных теплофизических и механических свойств гранулируемого термопласта.
Седьмое дополнительное отличие состоит в том, что на входе в отверстие для подачи охлаждающего воздуха в проточный холодильник установлен регулятор расхода, который облегчает формирование псевдоожиженного слоя при изменениях средней массы охлаждаемых гранул.
Восьмое дополнительное отличие состоит в том, что средство эвакуации готовых гранул из проточного холодильника выполнено в виде шнека. Такой рабочий орган способствует перемешиванию доохлаждаемых гранул в среде газового хладоагента, проходящего сквозь отверстия в перфорированном внутреннем днище.
Далее сущность полезной модели поясняется подробным описанием конструкции и работы гранулятора со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены на:
фиг.1 - гранулятор термопластичных композиционных материалов (поперечный разрез вертикальной плоскостью симметрии, включающей геометрическую ось выходного канала экструдера);
фиг.2 - то же, что на фиг.1 (продольный разрез горизонтальной плоскостью, включающей геометрические оси выходного канала экструдера, формующих отверстий фильерной решётки и ножевого ротора);
фиг.З - обдувающая форсунка со сменным соплом (продольный разрез).
Предложенный гранулятор (см. фиг.1) имеет:
полый корпус 1, который в рабочем положении закреплён на выпускном торце экструдера, условно показанного на чертеже штриховыми линиями;
обычно сменную фильерную решетку 2, которая закреплена на выпускном торце полого корпуса 1 и предпочтительно снабжена сменными вставками 3 со сквозными формующими отверстиями разного выходного сечения, которые расположены в одной горизонтальной плоскости;
кронштейн 4, жёстко связанный с полым корпусом 1;
на основе по меньшей мере одной газовой форсунки 7, выход которой обращён к этой решётке 2, а вход подключён к не показанному и не обозначенному особо подходящему источнику сжатого воздуха, например, к общезаводской пневмосети;
ножевой ротор 8, подвешенный под экраном 5 на кронштейне 4 и имеющий:
-вал 9, простирающийся вдоль фильерной решётки 2,
-ножи 10, диаметрально противоположно закреплённые на периферии вала 9 так, что их режущие кромки расположены с зазором относительно рабочей поверхности фильерной решетки 2, и
-не показанный и не обозначенный особо произвольный подходящий привод вращения вала 9;
проточный холодильник 11 для глубокого охлаждения гранул, который выполнен в виде бункера 12 со сплошными стенками, отверстием во внешнем днище 13 для подачи газообразного хладоагента (обычно воздуха) от не показанного и не обозначенного особо подходящего источника, например от воздуходувки, и перфорированным внутренним днищем 14;
средство 15 эвакуации готовых гранул из проточного холодильника 11, которое размещено внутри бункера над перфорированным внутренним днищем 14 и предпочтительно выполнено в виде транспортного шнека с прерывистыми винтообразно расположенными лопастями.
Фильерная решетка 2 со стороны рабочего торца ограничена плоскостью. Для облегчения обдува выдавливаемых стренг гранулируемого материала перед отрезкой гранул она может иметь явно видный на фиг.1 продольный выступ, в средней части которого расположены выходы формующих отверстий.
Ножи 10 обычно расположены по длине вала 9 со смещением один относительно другого на шаг формующих отверстий так, что в каждой паре этих ножей один (условно «верхний) соответствует нечётному, а второй (условно «нижний) - чётному формующему отверстию, считая от какого-либо края фильерной решетки 2.
Желательно, чтобы со стороны полости в корпусе фильерная решетка 2 была вылолнена выпуклой и, соответственно, имела формующие отверстия разной, уменьшающейся от центра к краям глубины (см. фиг.2).
проточный холодильник 11 был установлен подходящий, например шиберный, регулятор расхода.
Средство 6 обдува может быть выполнено по-разному в зависимости от габаритных размеров фильерной решётки 2, от количества и диапазона выходных сечений формующих отверстий во вставках 3.
Так, для грануляторов, фильерные решётки 2 которых имеют небольшое (порядка 10и) количество формующих отверстий, средство 6 может быть выполнено в виде одной газовой форсунки 7 со щелевым выходным соплом.
Для грануляторов же с длинными формующими решётками (см. фиг.2) целесообразно иметь набор газовых форсунок 7, подключённых к общему не обозначенному особо раздаточному коллектору. Их количество должно быть кратно количеству отверстий в решётке 2, причём желательно, чтобы каждая форсунка 7 (см. фиг.З) имела выходное сопло с регулируемым проходным сечением и чтобы она была шарнирно связана с раздаточным коллектором. Регулирование проходных сечений газовых форсунок 7 проще всего обеспечить, имея сменные сопла.
Гранулятор работает следующим образом.
Перед запуском гранулятора известным для специалистов образом подлежащий гранулированию материал или его компоненты загружают в экструдер в количестве, достаточном для заполнения канала экструзии, плавят связующее и гомогенизируют расплав при интенсивном перемешивании.
Затем включают привод вращения вала 9, подключают средство 6 обдува фильерной решетки 2 к источнику сжатого воздуха, включают проточный холодильник 11 и гомогенизированный расплав термопластичного композиционного материала непрерывно подают в полость корпуса 1, которая служит раздаточным коллектором. При этом экструдер продолжают питать подлежащим гранулированию материалом или его компонентами с расходом, который практически равен расходу гомогенизированного расплава.
Расплав в виде стренг выходит сквозь формующие отверстия в сменных вставках 3 в фильерной решетке 2, и вращающиеся ножи 10 отсекают от стренг заготовки гранул. Широкая струя воздуха из газовой форсунки 7 со щелевым соплом или струи воздуха из отдельных форсунок 7 выносят эти заготовки, предварительно охлаждая их (см. фиг.1), в зазор между валом 9 и рабочей поверхностью фильерной решетки 2.
Далее гранулы через приёмную горловину бункера 12 проточного холодильника 11 попадают в полость над перфорированным внутренним днищем 14. Здесь при перемешивающем воздействии средства 15 эвакуации (в, частности, в виде упомянутого шнека) и струй воздуха гранулы доохлаждаются. Готовые гранулы, выгружаемые из проточного холодильника 11, поступают на упаковку с применением любого подходящего устройства.
Оптимальный режим обдува поверхности отсекаемых гранул может быть обеспечен поворотами газовых форсунок 7 относительно фильерной решетки 2 и подбором сменных сопел 18 с нужными выходными сечениями. Аналогично, для оптимизации доохлаждения гранул регулируют напор и расход воздуха, подаваемого в проточный холодильник 11.