УСТАНОВКА И СПОСОБ СУШКИ И ТВЕРДОФАЗНОЙ ПОЛИКОНДЕНСАЦИИ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА
INSTALLATION AND METHOD OF DRYING AND SOLID-PHASE POLYCONDENSATION OF POLYMER MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное изобретение в целом находит применение в области обработки полимерных материалов, и в частности относится к установке для сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала в гранулированной форме.
[0002] Кроме того, изобретение относится к способу обработки для сушки и твердофазной поликонденсации упомянутого выше полимерного материала.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Известно, что некоторыеновые и/или вторичные полимерные материалы, используемые для литья пластиковых материалов, требуют обработки в соответствующих установках для сушки, обновления и, возможно, кристаллизации.
[0004] В частности, материалы, выбираемые для этой цели, представляют собой полимеры, получаемые в процессе реакции поликонденсации, и выбраны из группы, содержащей поликонденсаты в целом, такие как: полиамиды, эластомерные полиэфиры и ПЭТ; а термин «обновление» используется далее в данном документе для обозначения процесса формирования целевых полимерных цепей путем повторных реакций конденсации, происходящих в твердой фазе, повышающих молекулярную массу полимеров, и как результат, характеристическуювязкость материала.
[0005] Обрабатывающие установки, как правило, используют множество обрабатывающих рабочих станций, в которых поток горячего воздуха протекает через полимерные материалы, нагревая их до предварительно определенных температур.
[0006] Первый недостаток обрабатывающих установок заключается в том, что горячий воздух, используемый для тепловой обработки полимеров, вызывает реакцию окисления, изменяющую структурные или эстетические свойства материала.
[0007] Кроме того, материал нагревается с помощью множества отдельных тепловых станций, расположенных последовательно вдоль линии подачи продукта, а это в итоге увеличивает сложность и общий размер установки.
[0008] Чтобы по меньшей мере частичо устранить упомянутые выше недостатки, был разработан целый ряд установок для тепловой обработки полимеров с применением электромагнитных полей, как правило, радиочастотного (РЧ) диапазона.
[0009] Эти установки особенно подходят для обработки материалов, полимеризованных путем конденсации, с управлением температурой либо путем регулирования электрических параметров электромагнитного поля, в частности, частоты и/или мощности, либо путем регулирования времени воздействия поля.
[0010] Тепловая обработка полимеров с помощью РЧ электромагнитного поля приводит к удалению воды, естественно присутствующей в материале, чтоувеличивает его молекулярную массу и дает полимер высокой прочности и высокой вязкости.
[0011] Документ US 6316518 описывает установку для тепловой обработки полимеров, например, полиэфиров, полиамидов и полиуретанов, содержащую трубопровод подачи обрабатываемого полимерного материала и две обрабатывающие станции вдоль трубопровода подачи.
[0012] Каждая из станций содержит аппликатор, излучающий радиочастотное электромагнитное поле предварительно определенной мощности, адаптированный для нагрева полимерного материала до температуры в диапазоне от 190°С до 205°С.
[0013] В частности, электромагнитное поле, генерируемое электродами, имеет частоту около 40 МГц, а время его воздействия составляет около 30 минут на килограмм обрабатываемого материала.
[0014] Кроме того, установка содержит устройства нагнетания азота в обрабатывающие станции для удаления влаги, образующейся во время реакций полимеризации материала.
[0015] Первый недостаток этого устройства заключается в том, что электромагнитное поле, генерируемое аппликаторами, неравномерно и не может обеспечить оптимальный нагрев полимерного материала, проходящего через трубопровод.
[0016] Этот недостаток затрудняет сушку и процессы твердофазной поликонденсации, из-за чего было обнаружено, что обрабатываемые полимерные материалы имеют очень малую молекулярную массу.
[0017] Дополнительный недостаток заключается в том, что поскольку линии электромагнитной индукции перпендикулярны к направлению подачи материала в трубопроводе, скорость потока материала должна быть очень низкой, чтобы обеспечить обработку подаваемого полимерного материала, чего можно достигнуть, уменьшив диаметр трубопровода.
[0018] Этот недостаток дополнительно увеличивает общее время, необходимое для тепловой обработки полимерного материала.
[0019] Кроме того, из-за особой структуры используемого электромагнитного поля, эта установка имеет очень низкую тепловую эффективность и очень высокое общее потребление.
Техническая Проблема
[0020] Исходя из известного уровня техники техническая проблема, решаемая данным изобретением, заключается в осуществлении тепловой обработки полимерного материала в гранулированной форме, полученного путем поликонденсации, обеспечивающей его равномерную сушку и твердофазную поликонденсацию за очень короткое время и с высокой тепловой эффективностью.
ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0021] Общая задача данного изобретения заключается в решении обсуждаемой выше технической проблемы путем устранения недостатков известного уровня техники.
[0022] Конкретная задача заключается в создании установки для сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала в гранулированной форме, которая должна быть высокоэффективной и относительно рентабельной.
[0023] Другая конкретная задача данного изобретения заключается в создании упомянутой выше установки, которая может обеспечить равномерную тепловую обработку полимерного материала.
[0024] Следующая задача данного изобретения заключается в создании установки для сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала, обеспечивающей высокую тепловую эффективность.
[0025] Другая задача данного изобретения заключается в создании упомянутой выше установки, имеющей простую конструкцию и легкой в управлении.
[0026] Еще одна задача данного изобретения заключается в предложении способа сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала, обеспечивающего очень короткое общее время обработки.
[0027] Эти и другие задачи лучше объясненные ниже, решены установкой для сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала в гранулированной форме, полученного путем поликонденсации, определенной в пункте 1 формулы изобретения, содержащей: трубопровод подачи обрабатываемого материала, устройства нагнетания инертного газа в трубопровод и множество устройств, излучающих переменное электромагнитное поле в радиочастотном диапазоне.
[0028] Излучающие устройства содержат множество аппликаторов, расположенных вдоль трубопровода и за его пределами на соответствующих станциях обработки, каждый аппликатор содержит пару излучающих элементов, расположенных один напротив другого, генерирующих радиочастотное электромагнитное поле в трубопроводе, силовые линии поля по меньшей мере частично параллельны направлению подачи материала.
[0029] В дополнительном аспекте, изобретение относится к способу сушки и твердофазной поликонденсации таких полимерных материалов, определенному в пункте 11 формулы изобретения.
[0030] Преимущественные варианты реализации изобретения будут определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0031] Дальнейшие характеристики и преимущества данного изобретения станут более очевидны после прочтения описания предпочтительногоно не исключительного варианта реализации установки и способа сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала в гранулированной форме согласно данному изобретению, описанному в качестве не имеющего ограничительного характера примера с помощью приложенных графических материалов, в которых:
Фиг. 1 представляет собой схематический вид в перспективе установки для сушки и твердофазной поликонденсации твердого полимерного материала по данному изобретению согласно первому варианту реализации изобретения;
Фиг. 2 представляет собой вид сбоку в разрезе первой детали Фиг. 2;
Фиг. 3 представляет собой схематический вид в перспективе установки для сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала согласно второму варианту реализации изобретения;
Фиг. 4 представляет собой схематический вид в перспективе установки для сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала согласно третьему варианту реализации изобретения;
Фиг. 5-7 представляют собой виды сбоку в разрезе установки в трех вариантах ее реализации, содержащие линии индукции генерируемых электромагнитных полей;
Фиг. 8 представляет собой блок-схему способа сушки и твердофазной поликонденсации твердого полимерного материала согласно данному изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0032] Со ссылкой на упомянутые выше фигуры, изображена и в целом обозначена числовым обозначением 1 установка для сушки и твердофазной поликонденсации содержащего влагу полимерного материала М.
[0033] Материалы, которые можно обрабатывать установкой 1, принадлежат к группе полимеров, способных полимеризоваться в ходе конденсационной полимеризации, таких как полиамиды и полиэфиры.
[0034] В частности, как показано в Таблице I ниже, сильное снижение внутренней влажности после сушки и существенное увеличение вязкости после твердофазной поликонденсации проявляют такие полимеры как полиамиды 6, получаемые путем поликонденсации с раскрытием кольца, эластомерные полиэфиры, получаемые путем поликонденсации эфира дикарбоновой кислоты, полимеры мягкого сегмента, такие как политетраметиленгликоль (ПТМГ), полиэтилентерефталат (ПЭТ) и другие аналогичные полимеры.
[0035] Обрабатываемый полимерный материал М также может иметь гранулированную форму, чтоувеличиваеттеплообменнуюповерхность для тепловой обработки.
[0036] В предпочтительном варианте реализации изобретения установка 1 содержит трубопровод подачи 2, подающий обрабатываемый материал М в предварительно определенном продольном направлением L и расположенный между входной станцией и выходной станцией, которые не показаны.
[0037] Преимущественно, как изображено на Фиг. 1, трубопровод 2 может содержать стенку 3, изготовленную из диэлектрического материала, и может быть расположен по существу в вертикальном направлении L, способствующем подаче материала М под действием естественной силы тяжести.
[0038] В альтернативном варианте могут быть предусмотрены устройства 4 принудительной подачи материала М, расположенные в трубопроводе 2, и выбранные из группы, содержащей шнеки или архимедовы винты, которые не показаны, и ленточные конвейеры 5, изображенные на Фиг. 3 и 4.
[0039] Кроме того, трубопровод 2 может иметь внутренний диаметр в диапазоне от 20 мм до 60 мм, предпочтительно около 40 мм, обеспечивающий поток подачи полимерного материала в диапазоне от 4 до 11 кг/ч.
[0040] Согласно дополнительному варианту реализации изобретения, который не показан, трубопровод 2 может содержать внутри множество по существу радиальных ребер, расположенных в продольном направлении, обеспечивающих перемешивание полимерного материала М во время его подачи.
[0041] Для удобства на входной станции могут быть предусмотрены загрузочные устройства, которые не показаны, загружающие полимерный материал М, которые могут содержать бункер с выходным каналом на уровне входной станции, и устройства управления скоростью потока материала в трубопровод.
[0042] Также могут быть предусмотрены нагнетающие устройства 6, нагнетающие в трубопровод 2 инертный газ, способствующий удалению влаги, выходящей из полимерного материала М при сушке.
[0043] Инертный газ может быть выбран из группы, содержащей аргон и азот, а трубопровод 2, загрузочная станция и разгрузочная станция очевидно должны быть изолированы от внешней среды для поддержания в них контролируемой атмосферы.
[0044] Таким образом, в процессе подачи материала М в трубопроводе 2, влага, удаленная из него, не будет снова попадать в полимеры, и кинетика реакции процесса конденсации не будет обращена вспять.
[0045] Установка 1 также содержит по меньшей мере одну зону обработки 7, расположенную вдоль трубопровода 2, и устройства 8, излучающие переменное электромагнитное поле в радиочастотном диапазоне для тепловой обработки полимерного материала М, обеспечивающие возможность его сушки и поликонденсации, как наилучшим образом изображено на Фиг. 1-4.
[0046] Электромагнитное поле может иметь фиксированную частоту в диапазоне от 5 МГц до 50 МГц, предпочтительно от 25 МГц до 29 МГц, более предпочтительно около 27,12 МГц.
[0047] Кроме достижения эффективной сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала М, эти значения частот обеспечивают более высокую безопасность по сравнению с установками, использующими другие электромагнитные поля, например, микроволнового диапазона.
[0048] Излучающие устройства 8 содержат множество аппликаторов 9, расположенных в соответствии с зоной обработки 7 за пределами трубопровода 2 и в смещенных в продольном направлении положениях, и соединены с терминалами генератора электромагнитных волн 10, мощность которого составляет от 10 кВ/мдо 20 кВ/м.
[0049] Кроме того, генератор 10 должен быть такого размера, чтобы иметь возможность генерирования переменного тока регулируемой амплитуды для достижения, таким образом, этих значений электромагнитного поля.
[0050] Согласно особому аспекту изобретения, аппликаторы содержат пары расположенных один напротив другого излучающих элементов 11, 11', выполненных с возможностью генерирования переменного электромагнитного поля в трубопроводе 2 с силовыми линиями F, по меньшей мере частично параллельными направлению L подачи материала М, и создающих магнитные диполи с противоположной полярностью вдоль трубопровода 2, как наилучшим образом изображено на Фиг. 5-7.
[0051] Таким образом, генерируемое электромагнитное поле способно равномерно обрабатывать полимерный материал М, подаваемый вдоль трубопровода 2 с однородным распределением температуры, благодаря этому существенно снижая внутреннюю влажность и повышая вязкость материала за очень короткое время.
[0052] В первом варианте реализации изобретения, изображенном на Фиг. 2, излучающие элементы 11 состоят из колец 12 из проводящего материала, расположенных по существу перпендикулярно оси L трубопровода 2.
[0053] В частности, кольца 12 разделены на первый ряд 13 колец 12, соединенных параллельно с одним из терминалов 14 генератора 10, и второй ряд 15 колец 12, соединенных с другим терминалом 16 генератора 10.
[0054] Кольца 12 каждого ряда 13, 15 расположены чередуясь вдоль продольного направления трубопровода 2, образуя соответствующие пары 11, 11' излучающих элементов противоположной полярности.
[0055] Во втором варианте реализации изобретения, изображенном на Фиг. 3 и предпочтительно используемом в комбинации с ленточным конвейером 5 в качестве подающего устройства, излучающие элементы 11 состоят из двух рядов 17, 18 стержней 19, изготовленных из электропроводного материала и выступающихиз трубопровода 2 в поперечном направлении.
[0056] Эти два ряда 17, 18 размещены на поперечно противоположных сторонах 20, 21 трубопровода 2 и соединены с первым 14 и вторым 16 терминалами генератора 10 соответственно, так, что пары 11, 11' излучающих элементов расположены чередуясь в положениях, смещенных в диаметральном и продольном направлениях.
[0057] В третьем варианте реализации изобретения, изображенном на Фиг. 4, излучающие элементы 11 состоят из смещенных в продольном направлении пар 22 стержней 19, изготовленных из проводящего материала, расположенных поперек трубопровода 2 в диаметрально противоположных положениях.
[0058] В этом варианте реализации изобретения стержни 19 образуют первый ряд пар 22, соединенных параллельно друг другу с терминалом 14 генератора 10 и второй ряд пар 22', соединенных параллельно друг другу с другим терминалом 16 генератора 10.
[0059] Кроме того, пары 22, 22' стержней 19 с противоположной полярностью расположены чередуясь и находясь в смещенных в продольном направлении положениях, образуя пары излучающих элементов 11, 11' с противоположной полярностью.
[0060] В дополнительном аспекте, как изображено на Фиг. 8, в изобретении предложен способ сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала М в гранулированной форме, полученного путем поликонденсации, с помощью упомянутой выше установки 1, включающий этап: а) предоставления предварительно определенного количества полимерного материала М для обработки и этап b) введения полимерного материала М в трубопровод 2.
[0061] За этими этапами следует: этап с) подачи полимерного материала М вдоль трубопровода 2 в зону обработки 7, этап d) активации генератора 10 и генерирования радиочастотного электромагнитного поля с помощью излучающих элементов 11 для тепловой обработки материала М и, наконец, этап е) нагнетания инертного газа в трубопровод 2, способствующего твердофазной поликонденсации полимерного материала М в сочетании с электромагнитным полем.
[0062] Излучающие элементы 11 предназначены для генерирования переменного электромагнитного поля в трубопроводе 2 с силовыми линиями F, по меньшей мере частично параллельными направлению L подачи материала М, имеющего магнитные диполи с противоположной полярностью между каждым излучающим элементом 11 и соседним с ним излучающим элементом 11'.
[0063] В зоне обработки 7 поддерживается температура, заставляющая материал М нагреваться до температуры от 120°С до 180°С, при этом поток подачи регулируется так, чтобы материал М оставался внутри трубопровода 2 в течение времени от 30 секунд до 7 минут, со средней скоростью потока от 4 до 11 кг/ч.
[0064] Следующая таблица показывает условия обработки полимерного материала М, а также результаты сушки и твердофазной поликонденсации, полученные для каждого образца.
[0065] Следует отметить, что для всех обрабатываемых образцов установка может обеспечить значительное уменьшение внутренней влажности, при этом ограничивая конечную температуру материала.
[0066] Также следует отметить, что для образцов A3 и С3, которые продувались азотом внутри трубопровода, наблюдалось значительное увеличение вязкости, что указывает на то, что произошла твердофазная поликонденсация.
[0067] Приведенные выше результаты показывают, что установка и способ по данному изобретению выполняют поставленные задачи, и в частности, соответствуют требованию обеспечения быстрого и эффективного отверждения полимерного материала.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0068] Данное изобретение может найти применение в промышленности, поскольку оно может быть реализовано в промышленном масштабе на фабриках, производящих и перерабатывающих полимеры.