專(zhuān)利名稱(chēng)：可發(fā)泡熱塑性顆粒和制備其的霧化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用霧化技術(shù)制成的聚合物顆粒。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種新的用于生產(chǎn)可發(fā)泡熱塑性顆粒(尤其是可發(fā)泡聚苯乙烯)的改進(jìn)方法。這些顆?？捎欣剡M(jìn)行發(fā)泡和熔化，這樣可由這些顆粒形成各種模塑制品。
背景已有技術(shù)提供了生產(chǎn)可發(fā)泡聚苯乙烯材料的方法，包括常用的間歇法，其中通過(guò)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員已知的方法，在劇烈攪拌條件下，將各種原料(包括含有苯乙烯單體、表面活性劑、催化劑、和其它添加劑的水懸浮液)進(jìn)行處理，得到直徑約0.5-1.5毫米的球狀聚苯乙烯珠。隨后，通常用烴發(fā)泡劑，如戊烷浸漬這些珠，即，將約100份(重量)聚合物珠、100份水、和1份濃縮表面活性劑(或其混合物，如芳烷基聚醚醇與十二烷基苯磺酸鹽的混合物)連同約3-10份戊烷裝入高壓釜中。將該混合物在壓力下加熱至約170華氏度3小時(shí)，然后冷卻至室溫，得到可發(fā)泡聚苯乙烯珠，隨后在漂洗和干燥之后備用。一般來(lái)說(shuō)，在這種間歇體系中，珠的尺寸可通過(guò)有利地選擇工藝條件(包括時(shí)間、攪拌情況、溫度、壓力和反應(yīng)物濃度)來(lái)控制。但這種生產(chǎn)可發(fā)泡聚苯乙烯珠的方法本身具有幾個(gè)缺點(diǎn)。
與常規(guī)間歇操作相關(guān)的一個(gè)缺點(diǎn)是，在聚合和浸漬步驟中，都需要大量的水來(lái)懸浮聚苯乙烯珠。這實(shí)際上是雙重缺點(diǎn)。首先，在浸漬結(jié)束時(shí)，如果將水排放到環(huán)境中，就喪失為達(dá)到所需溫度輸入到水中的能量。其次，在進(jìn)行排放之前，必須以額外費(fèi)用來(lái)處理水才能滿足各種政府實(shí)體所實(shí)行的嚴(yán)格法規(guī)要求。這些能量和處理綜合費(fèi)用占必須傳遞到聚苯乙烯最終用戶的可發(fā)泡聚苯乙烯成本的可觀部分。
另一缺點(diǎn)在于，懸浮液在其中反應(yīng)的攪拌罐反應(yīng)器容易受多種因素的破壞而造成反應(yīng)器攪拌器停止運(yùn)動(dòng)，其中包括動(dòng)力和設(shè)備故障。這些故障可能意味著災(zāi)難性后果，即，單體液滴的凝聚可能會(huì)導(dǎo)致形成單個(gè)的、大的、反應(yīng)性的原料塊，由于在這種情況下沒(méi)有有效的除熱裝置，這些原料塊會(huì)進(jìn)行不可控制的、強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)。除了污染設(shè)備，這種場(chǎng)合還明顯意味著安全危害。
美國(guó)專(zhuān)利No.4174427、5000891、5240657、5525637和5573790都涉及可發(fā)泡聚苯乙烯的生產(chǎn)，在此將其作為參考并入本發(fā)明。
可發(fā)泡熱塑性材料，如按照前述制備的包含揮發(fā)劑的可發(fā)泡聚苯乙烯已知可通過(guò)加熱來(lái)發(fā)泡，其條件使得揮發(fā)劑能夠蒸發(fā)并在聚合物材料本體內(nèi)形成大量的泡孔。如果在合適模具的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行加熱，那么可使用所述可發(fā)泡聚苯乙烯珠生產(chǎn)出各種制品。本發(fā)明涉及新的可發(fā)泡聚苯乙烯珠的制備方法，它避免了與上述已有技術(shù)工藝相關(guān)的各種缺點(diǎn)。本發(fā)明還涉及一種生產(chǎn)具有相當(dāng)尺寸均勻性的可發(fā)泡聚苯乙烯顆粒的方法，這樣可消除或減少對(duì)所得球狀體進(jìn)行多步分級(jí)的需求。在本發(fā)明中，所得球狀體可包含各種添加劑，其中包括(但不限于)阻燃劑、成核劑、和已知可賦予聚合物以所需性能的其它化學(xué)物質(zhì)。這些其它的化學(xué)物質(zhì)是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的。
本發(fā)明的綜述本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)可發(fā)泡聚苯乙烯球狀體的連續(xù)方法，它不會(huì)由于形成大塊的放熱反應(yīng)性原料而帶來(lái)危害，也不會(huì)因?yàn)閳?zhí)行環(huán)境或其它法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)以處理大量水而增加費(fèi)用。該方法包括，提供一種包含熱塑性聚合物和至少一種發(fā)泡劑的熔融混合物，然后在足以使所述熔融混合物霧化形成包含所述熔融混合物的液滴的條件下，將該熔融混合物傳送到霧化噴嘴中，然后將液滴冷卻形成其中夾有發(fā)泡劑的聚合物顆粒。然后收集這些顆粒備用。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，按照本發(fā)明原理制成的可發(fā)泡聚苯乙烯球狀體是在足以保證熔融物料中沒(méi)有氣相的溫度和壓力條件下，通過(guò)提供包含均勻分布態(tài)的至少一種發(fā)泡劑的熔融聚合物物料而得到。還提供了一種與熔融物料液流或儲(chǔ)器流體連通的霧化噴嘴，所述儲(chǔ)器用作噴嘴的加料來(lái)源。通過(guò)噴嘴中的孔，將來(lái)自聚合物液流或儲(chǔ)器的熔融物質(zhì)轉(zhuǎn)移到小于儲(chǔ)器或液流壓力的某個(gè)壓力區(qū)。壓力變化，再加上噴嘴的機(jī)械構(gòu)型和霧化氣體的共同作用，使包含均勻分布其整個(gè)本體中的發(fā)泡劑的熔融聚合物發(fā)生霧化。霧化時(shí)伴隨霧化氣體膨脹的Joule/Thompson冷卻、以及視需要采用的外冷卻使得該熔融聚合物形成包含均勻分布其中的發(fā)泡劑的球狀體。收集之后，這些球狀體適于采用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的各種技術(shù)模塑成各種制品。
附圖的簡(jiǎn)要描述

圖1是可用于生產(chǎn)本發(fā)明可發(fā)泡聚合物顆粒的霧化噴嘴的剖面圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述本發(fā)明是一種由包含至少一種發(fā)泡劑的聚合物熔融混合物生產(chǎn)可發(fā)泡聚苯乙烯顆粒的方法。采用霧化方法由熔料形成球狀體，然后將這些球狀體用于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的模塑工藝。優(yōu)選的是，這些聚合物球狀體顆粒包括聚苯乙烯。
本發(fā)明生產(chǎn)可發(fā)泡聚合物的一個(gè)要求是，必須將熔融聚合物液流提供到霧化噴嘴上。該熔融聚合物包含本領(lǐng)域技術(shù)人員通常稱(chēng)作“發(fā)泡劑”的物質(zhì)。發(fā)泡劑一般是聚合物領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的。用于本發(fā)明的發(fā)泡劑包括發(fā)泡聚合物領(lǐng)域熟知可用于此的任何發(fā)泡劑，包括(但不限于)氣體，包括烴、氮?dú)?、二氧化碳、鹵代烴、氟代烴、氯烴、氟氯烴。在本文中，適用作發(fā)泡劑的固體物質(zhì)，如在經(jīng)受熱能時(shí)放出氣體的偶氮二甲酰胺和其它熟知化合物也意味著是包含在聚合物熔料中的合適發(fā)泡劑。但是，就本發(fā)明而言，發(fā)泡劑優(yōu)選包括正戊烷、丁烷、或異丁烷，發(fā)泡劑更優(yōu)選包括正戊烷。熔料中發(fā)泡劑的量?jī)?yōu)選約0.5-7.0％重量，而且如果選擇正戊烷作為發(fā)泡劑，那么其量為1.0-10％重量，最優(yōu)選5.0％重量。將熔融聚合物液流保持在沒(méi)有氣態(tài)戊烷的溫度和壓力條件下，并且使發(fā)泡劑均勻分布在聚合物液流熔料內(nèi)?？梢圆捎帽绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的各種攪拌方法中的任何一種來(lái)促進(jìn)發(fā)泡劑在熔料中均勻分散。
將含有發(fā)泡劑的聚合物液流加料其上的霧化噴嘴可以是各種構(gòu)型，只要聚合物液流能夠充分霧化，這樣可通過(guò)冷卻霧化聚合物而形成尺寸約0.3-1.5微米的顆粒。
按照本發(fā)明，最優(yōu)選用于霧化聚合物熔料的噴嘴采用了將氣流碰撞在熔融聚合物液流或膜上以霧化液流的機(jī)理。這種氣體霧化噴嘴公開(kāi)于美國(guó)專(zhuān)利No.4619845和5228620，在此將其作為參考并入本發(fā)明。參考圖1，給出了可用于制備本發(fā)明可發(fā)泡聚合物顆粒的霧化噴嘴的剖面圖。在該圖中，75表示聚合物顆粒產(chǎn)品。83表示其中包含管狀導(dǎo)管71的延伸結(jié)構(gòu)，熔融聚合物液流26通過(guò)導(dǎo)管71傳送到霧化區(qū)69。42是確定霧化氣體和熔融聚合物液流所通過(guò)的孔的結(jié)構(gòu)。在熔融聚合物液流通過(guò)該孔時(shí)，利用高速霧化氣體17與熔融聚合物液流的相互作用使其霧化。在高壓下，將霧化氣體17以次音速加料到霧化噴嘴中，在此霧化氣體作用在所述熔融聚合物液流上使其霧化。形成霧化顆粒的區(qū)域30是低壓(優(yōu)選大氣壓)區(qū)。隨著霧化氣體的壓力下降，霧化氣體和聚合物顆粒同時(shí)進(jìn)行絕熱冷卻。由于熔融聚合物液流26包含發(fā)泡劑，顆粒的這種冷卻作用會(huì)保證將發(fā)泡劑包裹在產(chǎn)品顆粒75本身內(nèi)。
霧化機(jī)理詳細(xì)描述于題為“金屬加工過(guò)程的流體流動(dòng)現(xiàn)象”的書(shū)(J.Szekely，由Academic Press出版，New York City，New York(1979)，340頁(yè)以后)中，在此將其作為參考并入本發(fā)明。其它適用于本發(fā)明方法的霧化設(shè)備可包括，例如旋轉(zhuǎn)式霧化盤(pán)或板、有或沒(méi)有輔助能量供給(如，機(jī)械振蕩)的單物料或多物料噴嘴、以及帶有內(nèi)部或外部混合的混合噴嘴?！安牧鲜澜纭彪s志(第5卷，№7，1997年7月，383頁(yè)以后)中的一篇文章提出和描述了另一種可用于本發(fā)明的噴嘴，在此將其作為參考并入本發(fā)明。
按照本發(fā)明，制造聚合物顆粒的另一要求是將熔融聚合物液流供料到上述霧化設(shè)備中。這可通過(guò)由加壓容器自由流入或利用合適的泵、擠出機(jī)、或本領(lǐng)域已知的其它熔料傳送裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。在所需流速下將聚合物熔料傳送到霧化噴嘴時(shí)所需的溫度和壓力綜合條件容易由所用聚合物或聚合物混合物的溫度-粘度依賴(lài)性數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)。優(yōu)選的是，導(dǎo)管內(nèi)的壓力大于大氣壓且最優(yōu)選約200psig。聚合物熔料的溫度優(yōu)選比聚合物的熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高至少10℃。如果所用的聚合物是聚苯乙烯，那么該熔料在使用5.0％戊烷(在熔料中)時(shí)的優(yōu)選溫度為180℃。
一旦將包含聚合物熔料的液流供料到霧化噴嘴，可利用霧化氣體與聚合物熔料的相互作用和同時(shí)產(chǎn)生的壓力變化進(jìn)行霧化。優(yōu)選的是，噴嘴外的壓力為大氣壓，可以采用除大氣壓之外的壓力，只要聚合物熔料所經(jīng)受的壓力與外壓之間相差至少5psig。所得顆粒的直徑優(yōu)選約0.3-1.5毫米。顆粒的優(yōu)選尺寸根據(jù)需要使用其的最終用途而變化，通常直徑為1.0毫米。
此外，為了在形成聚合物球狀體的階段抑制發(fā)泡劑產(chǎn)生氣體，這樣顆粒不會(huì)出現(xiàn)明顯的凈膨脹，而且為了促進(jìn)發(fā)泡劑留著在固化顆粒本身內(nèi)，對(duì)被排出霧化噴嘴的新生聚合物顆粒進(jìn)行充分的冷卻。
實(shí)施例1裝備在8000千克/小時(shí)下生產(chǎn)熔融晶體聚苯乙烯的連續(xù)聚合成套設(shè)備，這樣熔融聚合物支流可使用齒輪泵以50千克/小時(shí)的速率從該設(shè)備的輸出流中取得。齒輪泵將聚合物傳送到配有注射裝置的靜態(tài)混合器中，戊烷之類(lèi)的揮發(fā)性物質(zhì)可通過(guò)該注射裝置進(jìn)入熔融聚合物中并溶于其中。通過(guò)在靜態(tài)混合器周?chē)膴A套中循環(huán)的傳熱油，將靜態(tài)混合器中的聚合物保持在210℃。將聚合物由靜態(tài)混合器進(jìn)入冷卻擠出機(jī)的進(jìn)料口，所述擠出機(jī)將熔融聚合物冷卻至170℃。離開(kāi)擠出機(jī)的聚合物通過(guò)一個(gè)霧化模頭，該模頭包括一個(gè)內(nèi)徑10毫米的加熱立式灌料管。熔融聚合物由灌料管的下端形成自由沉降束，然后碰撞在氮?dú)饬魃喜⒈黄潇F化。將霧化氮?dú)饬饕?7巴的壓力傳送通過(guò)排列在一環(huán)(該環(huán)的中心就是灌料管的中心)中的一排孔。來(lái)自每個(gè)孔的氮?dú)饬饕?5度(相對(duì)聚合物液流的軸線)的角度碰撞在聚合物上。每個(gè)氮?dú)鈧鬏斣O(shè)備內(nèi)都有一個(gè)共振腔，它能夠在氮?dú)饬髦挟a(chǎn)生50千赫的壓力和速率振蕩。將氮?dú)饬魉僭O(shè)定在5立方米/小時(shí)(在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下計(jì)算)。霧化聚合物是平均直徑1毫米的球狀體顆粒形式。然后在靜態(tài)混合器中將戊烷注入熔融聚合物，得到占聚合物5％(重量)的戊烷。含有戊烷的熔融聚苯乙烯通過(guò)碰撞氣體被霧化成直徑約0.8毫米的球狀體顆粒。在沸水中加熱這些顆粒的樣品，這樣可發(fā)泡得到具有閉孔結(jié)構(gòu)的低密度發(fā)泡聚苯乙烯顆粒，這表明戊烷留著在霧化得到的初生聚合物顆粒內(nèi)。在常用于由懸浮聚合的氣體浸漬聚合物珠生產(chǎn)可發(fā)泡聚苯乙烯的預(yù)發(fā)泡機(jī)中，將大量顆粒暴露于蒸汽中進(jìn)行預(yù)發(fā)泡。將發(fā)泡珠熟化5小時(shí)，然后模塑成密度40千克/立方米且導(dǎo)熱率0.03瓦/米·℃的隔熱板。
盡管已就某些優(yōu)選實(shí)施方案給出并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員在閱讀和理解該說(shuō)明書(shū)及其所附權(quán)利要求之后，顯然可以進(jìn)行等價(jià)替換和改進(jìn)。本發(fā)明包括所有這些改進(jìn)和替換，因此僅由以下權(quán)利要求的范圍限定。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)可發(fā)泡熱塑性顆粒的方法，它包括a)提供包含熱塑性聚合物和發(fā)泡劑的熔融混合物；b)提供霧化氣體；c)在足以使所述熔融混合物霧化形成包含所述熔融混合物的液滴的條件下，將所述熔融混合物和所述霧化氣體傳送到霧化噴嘴中；d)將液滴冷卻形成固體聚合物顆粒；和e)收集所述顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述熱塑性聚合物包括至少一種選自聚苯乙烯、聚乙烯和聚丙烯的聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述發(fā)泡劑選自烴、氯烴、氟氯烴、二氧化碳、氮?dú)?、和空氣?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述發(fā)泡劑是偶氮二甲酰胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述發(fā)泡劑選自戊烷和異丁烷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述冷卻是利用霧化氣體的膨脹進(jìn)行的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述膨脹基本上是絕熱的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所收集的顆粒的直徑為約0.3-1.5毫米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述熔融混合物的溫度為約40-300℃。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述熔融混合物所經(jīng)受的壓力大于大氣壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述聚合物熔料中所述發(fā)泡劑的量占聚合物熔料總重的約0.5-7.0％重量。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述霧化氣體選自惰性氣體、氮?dú)狻⒀鯕?、空氣、和二氧化碳?br> 13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述霧化氣體包括能夠?qū)⑺鼍酆衔锕倌芑姆磻?yīng)性物質(zhì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述反應(yīng)性物質(zhì)選自鹵素、鹵化氫、鹵間化合物、氮氧化物、臭氧、馬來(lái)酸酐、胺、氧氣、三氧化硫、和空氣。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述聚合物熔料所經(jīng)受的壓力與所述霧化噴嘴外部的壓力之間相差5psig以上。
16.通過(guò)權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)的方法得到的可發(fā)泡聚合物產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)可發(fā)泡聚合物顆粒的改進(jìn)方法。所公開(kāi)的這種連續(xù)方法可在單個(gè)步驟中生產(chǎn)出可發(fā)泡聚合物粒料,同時(shí)消除了同樣用于此的已有技術(shù)方法所固有的許多危害。本發(fā)明所得聚合物尺寸均勻,因此可使用本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員已知的現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)模塑成各種制品。
文檔編號(hào)B29C44/34GK1265689SQ98807866
公開(kāi)日2000年9月6日 申請(qǐng)日期1998年7月24日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月1日
發(fā)明者T·O·克拉格 申請(qǐng)人:胡茨曼公司