塑料粘度控制方法和設備的製作方法

2023-07-09 03:51:11 2

專利名稱：塑料粘度控制方法和設備的製作方法
技術領域：
和背景本發明總的涉及用聚合物進行模塑，尤其涉及一種用於通過剪切稀化和/或解開來控制各種聚合材料的粘度的新穎且實用的設備和方法，以及用於控制能夠在一可防止在最佳條件下發生解開的溫度上冷卻的同時又結晶的聚合材料的粘度的特殊措施。例如，這是針對諸如尼龍66之類的半結晶聚合物的情況。
眾所周知，對於模塑聚合材料而言，加工參數(例如，溫度、壓力、流率、流程等)是由高分子的纏結狀態所決定的熔體粘度的直接結果。樹脂「熔體指數」通常表現熔體流度的特徵，並可用於確定適用於給定的模塑應用的某種樹脂等級。該熔體指數是高分子鏈的分子量及其纏結度的函數。高熔體指數對應於高流動性樹脂。模塑產品的機械性能也是其分子量特性的強大函數，高分子鏈越長，成品就越堅固和堅硬。不幸的是，塑料在其使用期間所需的高強度往往導致在模塑操作過程中缺乏流度，其結果是帶來高操作模塑成本和模塑缺陷(熔接線、下陷痕跡(sink mark)等)。設計用來補償這種缺乏對熔體流度的控制的一種公認的作法包括減小被模塑的高分子的分子量。雖然這樣能降低粘度，顯著改善流程，但往往會導致機械性質、尤其是強度和硬度的降低。此外，這種作法不能使用在那些其中模塑成品必須極小和/或薄、諸如薄壁注射成型應用之類的場合中。
樹脂供應商已成功地向塑料工業提供降低粘度以便於(ease up)加工、或者通過使不同的分子量級混和來提高熔體彈性的手段。此種方案的問題在於，同樣大大降低了分子量較小的聚合物的機械性能，加工者們不得不想出用於較佳的加工性能的折衷方案。
該工業應歡迎一種能降低塑料熔體的粘度而無須改變樹脂的分子量、同時又能有利地降低樹脂廠商不得不提供的等級數量的處理。
塑料的剪切稀化是眾所周知的，實際上它用於在注射模塑的充填階段通過加快注射柱塞的速度來降低熔體粘度。這尤其適用於薄壁注射模塑的情況中，在這種情況下，當熔體粘度保持準牛頓(quasi-Newtonian)時，需要相當大的力來充滿模具。
同樣眾所周知的是，可在給定溫度下通過增加剪切率或者增大熔體以固定振幅的振蕩頻率來獲得剪切稀化。尤其，眾所周知的是，通過由振動所引起的剪切稀化可降低塑料熔體的粘度。參見Lee的美國專利4,793,954號；J.P.Ibar的「通過在注射模塑的充填期間進行振動來降低塑料熔體的粘度」(ANTEC 1997，Toronto，SPE再版本(1997))；以及，J.P.Ibar的「通過振動控制的剪切稀化和取向的新型塑料加工方法」(1997ASME國際機械工程大會暨展覽會再版本MD-Vol.79，pp 223-348，1997)。
剪切稀化不要求採用與用於通過解開來大幅度地降低粘度所需的相同的粘度降低機構。例如，參見Ibar的美國專利5,885,495號。剪切稀化是由稱之為構象異構體的高分子部分之間的相互作用的網絡的彈性協同度所產生的。粘度降低是瞬間的，而僅僅在振動下才會發生，即，倘若振動停止的話，則它也停止。然而，剪切稀化是有用的，並可根據本發明以本技術領域中的普通技術人員不知曉或顯而易見的方式來使塑料最優化或最有利。
由振動剪切稀化所引起的粘度降低是已知的。J.P.Ibar的「通過振動控制的剪切稀化和取向的新穎塑料加工方法」(1997ASME國際機械工程大會暨展覽會)中描述了一種例子。
美國專利5,885,495號中講授了利用振動來改變模塑處理和/或模塑材料的性質的三種已知的處理1.機械震動/振蕩或超聲波振動裝置，用於以宏觀級或是微觀級使模塑材料的密度在液化階段或是在固化階段均勻且增大參見Lemelson的美國專利4,288,398號；Pendleton的美國專利3,298,065號；以及Allen等人的美國專利4,925,161號。這些專利沒有直接涉及利用振動來降低熔體粘度以便提高它們在轉化期間的加工性能，也沒有提出利用填料(packing)振動來提高熔體彈性。
2.基於這樣一個事實材料流變不僅是溫度和壓力、而且也是振動頻率和振幅的函數為基礎的加工方法參見美國專利4,469,649號；歐洲專利0273830號；美國專利5,306,129號；美國專利4,919,870號；加拿大專利1,313,840號；以及歐洲專利0274317號(上述專利均被授予Ibar)。然而，這些專利中的原理沒有以使粘度降低的方式來改變熔體的粘度，也沒有通過在表面上引入凸肋以形成振蕩拉伸流動而使剪切稀化作用最優化。
3.利用振動通過內部摩擦局部產生熱量、或者降低介於熔體與桶體或模具之間的壁界面處的表面應力來提高產量的加工方法例如，參見Casulli等人的「振蕩模具聚合物擠壓中的實用概念」polym.Eng.Sci.；30(23)，1551(1990)和Wong等人的「在平行振蕩下環狀模具中的熱塑性塑料的流動」polym.Eng.Sci.；30(24)，1574(1990)。這些方法都沒有試圖以類似於降低高分子的平均分子量的方式來改變熔體本身的粘度。
聚合物模塑工業應非常歡迎一種降低高分子的粘度而不改變其機械性能的設備和/或方法。Ibar的美國專利5,885,495號中揭示了這樣一種處理方法，其中使高分子斷開，以便產生擔負著降低粘度的重任的解開作用。
通常，為了利用在經濟上切實可行以便在工業上實施的、用于振蕩拉伸流動的頻率，必須將熔體溫度降至正好落在聚合物的粘膠狀流動區域之中的溫度區。
對於非晶態聚合物而言，能夠使流動發生的可能的溫度最低極限是聚合物的玻璃化轉變溫度Tg。低於該溫度，聚合物就不再為熔體，而變成不會流動的固體玻璃。對於此類聚合物，通常可找到正好位於Tg之上的一解開處理溫度，在該溫度上，聚合物仍然可流動，並可根據美國專利5,885,495號在恆定溫度上機械加工聚合物。
諸如尼龍66之類的半結晶聚合物在其結晶溫度Tc之上為非晶態熔體，並在低於Tc時固化而呈現出晶體結構。通常，所出現的、與晶相共同存在的非晶相的玻璃化轉變溫度要比Tc低得多，因此，聚合物處於固化狀態。對於此類半結晶聚合物，由於解開處理窗口只能被設置在Tc之上，因此它會受到限制。
對於某些半結晶聚合物，諸如由Dupont-Dow Elastomers LLP出售的、商標為ENGAGE 8180的金屬茂聚乙烯聚合物，纏結量很高，並且所形成的熔體彈性對剪切振蕩作用很敏感，以致於可控制的機械低頻(低於50Hz)甚至在正好位於結晶溫度之上的溫度時也能將熔體帶入對能夠產生解開[2]的拉伸剪切稀化有利的最佳彈性區域。例如，ENGAGE 8180的結晶溫度為60℃，而使能夠產生解開的剪切稀化最優化的最有利的溫度範圍為110℃到160℃之間。結果，從結晶現象可以得出，不會對可流動且可擠壓的ENGAGE 8180獲得高彈性狀態有任何的幹擾或限制。而對於諸如尼龍66之類的其它的半結晶聚合物而言，在位於聚合物的結晶溫度Tc之上的溫度，在(可控頻率的)剪切振蕩和溫度的組合作用下無法獲得想要的高彈性狀態。對於此類半結晶聚合物，在到達結晶溫度之前不能充分地降低溫度，從而會影響解開處理。
本發明系一種將美國專利5,885,495號中所揭示的解開處理應用在工業範圍中、並且還發現了包括溫度控制和剪切稀化技術的、較已有技術新穎且非顯而易見的附加措施的設備和方法。
發明概述本發明以一種能製造新穎的產品的方法和設備來克服已有技術中的問題和缺點，其中，當熔融塑料被連續地擠壓以通過處理工位時，在某段時間當中、且在用於各工位的特定的振動條件下，在該熔融塑料上施加以一定溫度、振動頻率和振幅的拉伸剪切振動，以便獲得易使高分子之間的纏結遞減的可控程度的剪切稀化(彈性狀態)，從而以一種對將來需要較低的熔體粘度的模塑操作有益的方式顯著且有控制地降低被擠壓的熔體的粘度。
本發明揭示了一種用於在諸如注射模塑、擠壓、熱成形、吹模或混和之類的模塑操作之前或期間，以連續的方式來降低諸如金屬茂聚乙烯或聚碳酸酯之類的熔融聚合物的粘度的方法和設備。當想要顯著地降低粘度時，使塑料熔體受到具有最小或不具有外部壓力、且在特定範圍內的熔體振蕩的振幅和頻率的特殊的機械拉伸剪切振動，以使熔體變得高度彈性，並同時使其在拉伸流動條件下疲勞一段時間，保持與高度剪切稀化相對應的該高彈性狀態，直到高分子以一種可控方式部分或完全解開為止，在此階段，該熔體準備好用於模塑操作、諸如簡單的淬火操作或隨後進行淬火，以便形成小粒或者混和得更好或當重新熔融時具有較低粘度的混和物的擠壓加工，抑或注射模塑或類似的模塑操作，其中大大降低了熔體的粘度，以使注塑部件具有更好的可加工性能，例如，允許使用較低的注塑溫度、較低的注塑壓力、或者同時使用兩者，或者甚至在閥門或擠壓機中，這些裝置的杆、柱、轉子或螺杆的表面可配備有本發明的凸肋裝置，並根據本發明移動，以便獲得剪切稀化和粘度降低的作用。
因此，本發明的一個目的在於提供一種模塑設備和/或方法，它可通過剪切稀化/解開高分子(此時樹脂呈熔體狀)以一定可控的程度降低熔體的粘度。
本發明的另一個目的在於提供一種模塑設備和/或方法，它可連續地產生粘度降低的樹脂，該樹脂可被作為特殊的低熔體粘度制粒來儲存和裝袋，或者被泵送至用於直接使用的另一個模塑點。
這些和其它的目的可通過一種新穎的設備和/或及其使用方法來實現。該新穎的設備包括(只是其中之一)限定一腔室-處理腔的至少一個工位，其中，熔融的模塑材料可流入和/或流過其以待處理，以便形成至少部分解開的熔體，或者甚至僅僅經受例如根據美國專利5,885,495號中所描述的處理的剪切稀化的熔體。
設備的處理工位包括當熔融的模塑材料從處理工位的入口流至其出口時、用於施加該模塑材料的一定應變率的剪切牽引的裝置。
處理工位包括當熔融的模塑材料從該工位的入口流至其出口時、用於施加該模塑材料的剪切應變率的變化、以使其產生流動的拉伸加速/減速的凸肋裝置。
該設備包括用於使熔體移動、例如將工位處理腔中的熔體從入口管道朝著其出口管道連續地推動和/或牽引和/或泵送的裝置。
該設備還包括用於改變熔融的模塑材料可從中通過和/或流過的間隙的裝置。
該設備還包括用於使處理腔連續通風、以便防止在處理期間形成氣泡或氣穴的裝置。
該設備還包括各種已知的、對施加在容納於處理腔中的熔融的模塑材料的溫度、壓力、轉矩進行監控的監控裝置。
本發明的又一個目的在於提供一種用於處理半結晶聚合物的新穎的方法，為了在沒有結晶幹擾的情況下解開它們的熔體，該方法在剪切稀化或解開處理期間以一種在結晶開始時下壓至較低溫度、並因此允許利用較低的溫度通過剪切振蕩方法來增加熔體彈性的可控的方式來改變溫度。
在閱讀了以下的說明書和其後所附的權項之後，本技術領域中的那些熟練技術人員將對本發明的其它目的、方面和優點一目了然。
體現本發明特徵的各種新穎性特點由所附的權利要求具體指出，並構成該內容的一部分。為了更好地理解本發明、其操作優點以及通過使用其所獲得的特定目的，請參閱附圖和以下內容，圖中示出的是本發明的較佳實施例。
圖2A是根據本發明設計的解開設備的一種實施例的示意圖，該解開設備具有單個進料器和單個處理腔，其中拉伸流動下的剪切振動是通過將熔融的模塑材料通過間隙供給所形成的，該間隙由至少一個旋轉和/或振蕩表面所構成，出現在該表面的外部輪廓上的是熔融材料流過和/或可被牽引和/或正被推過和/或被泵送過的輪廓。
圖2B是沿著圖2A的軸線剖切的圖2A的剖視圖。
圖3是根據本發明設計的剪切稀化和/或解開設備的一種實施例的示意圖，該設備具有單個進料器和由泵送工位所隔開的一個以上的處理腔，其中處理腔部分中的、拉伸流動下的剪切振動是通過將熔融的模塑材料通過間隙供給所形成的，該間隙由至少一個旋轉和/或振蕩表面所構成，出現在該表面的外部輪廓上的是熔融材料流過和/或可被牽引和/或正被推過和/或泵送過的輪廓。圖3還示出了本發明在擠壓機中的使用。
圖4是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖，其中拉伸流動下的剪切振動形成在彼此之間相對運動的同心錐面的間隙中，其中至少一個表面上呈現一排凸肋和突部，並且以固定轉速和/或調製轉速旋轉，和/或處於單純的振蕩模式中。
圖5是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖。
圖6是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖。
圖7是根據本發明設計的解開設備的一種實施例的示意圖，其中進料器系擠壓機和/或柱塞，並且解開處理發生在通過齒輪或螺旋泵相連的一系列工位中，並且末尾工位的儲料器與制粒管線和/或擠壓機或注射模塑設備的進料口、或注射模腔相連接。
圖8是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖，其中拉伸流動下的剪切振動形成在彼此接近接觸、且形成滾動和/或振動壁的圓柱形或錐形滾筒與中心上的內芯表面之間的間隙中，其中至少一個表面以固定轉速和/或調製轉速旋轉，和/或處於單純的振蕩模式中。
圖9是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖，其中拉伸流動下的剪切振動是通過以固定轉速或調製轉速在與入口管道和出口管道連通的圓環中環行的一連串潛艇狀運輸件的熔融模塑材料中的相對運動所形成的。


圖10是根據本發明設計的解開設備的一種實施例的示意圖，其中進料器系擠壓機和/或柱塞，解開處理發生在由管狀軌跡所構成的一系列重疊且互連的環形工位中的各工位中，一連串潛艇狀運輸件以可控轉速環行通過該管狀軌跡，末尾環形工位的儲料器與制粒管線和/或擠壓機或注射模塑設備的進料口相連接。
圖11是根據本發明設計的剪切稀化/解開設備的動力傳動裝置的一種實施例的示意圖，其中由單純的旋轉所獲得的剪切流動以及由振蕩所產生的處理腔中的熔融模塑材料的可控的拉伸疲勞被單獨施加在結合旋轉和振蕩的差動器(differential)的兩條軸線上(也稱之為周轉(epicyclycloidal)驅動)。
圖12A是根據本發明設計的解開設備的剪切振動傳動裝置的一種實施例的示意圖，其中處理腔中的熔融模塑材料中的剪切振動是藉由連接在周轉差動器的一條軸線上的同心錐形組件的內錐體的振蕩所形成的，旋轉振蕩是通過凸輪和柱塞所形成的。
圖12B是圖12A的側視圖。
圖13是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖，其中熔融的模塑材料中的、拉伸流動下的剪切振動是通過以固定速度或調製速度、或者以組合的固定和調製速度的兩個同心錐面的相對運動所形成的，同時熔融的模塑材料從入口管被推動和/或牽引和/或泵送至處理腔的出口管。
圖14A是根據本發明設計的解開設備的一種實施例的示意圖，其中一個或幾個進料器將熔融的模塑材料供給至一系列相互嚙合或不嚙合的管狀腔中，這些管狀腔自己直接或者通過泵送部分與其它系列的管狀腔相連接，直到最後一系列處理工位為止，這最後一系列處理工位與收集器和制粒管線和/或擠壓機或注射模塑設備的進料口相連接。
圖14B是類似於圖14A的視圖，但示出了一種不同的操作模式。
圖15A、15B和15C是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖，其中凸肋裝置是位於與熔融的模塑材料相接觸的表面的至少其中之一上的凸肋/突起具有用於形成拉伸下的應變率和應變率變化的給定輪廓的特殊形狀，且相對於表面的旋轉軸線以一種用於形成一定的引流量的特殊方式排列。圖15A-15C限定一部分形狀參數和傾角。凸肋的外部輪廓被推算成可消除任何可能的湍流或者流動中的其它非線性缺陷，流動應保持層流狀。限定用於使流動加速(R1)或減速(R3)的曲率的凸肋高度e、凸肋的寬度w、半徑R1、R2和R3沿著橫截面aa和bb(這裡未示出橫截面bb)可以是不同的。應變率矢量分解成兩個分量，限定了引流的兩個方向。沿著各軸線aa或bb的凸肋的形狀可由這些方向中所需的應變率輪廓(加速後緊接著減速)所決定。這兩種輪廓可用於限定可結合起來以使形成解開作用的熔體的彈性(剪切稀化)最優化的剪切振動和/或拉伸疲勞的條件。
圖16是繪出了來自Dupont de Nemours公司(瑞士日內瓦)的Zytel 101、尼龍66以兩種不同的冷卻速率的比容(cc/g)對溫度(℃)的曲線圖，其中一種溫度對應於緩慢冷卻速率，另一種溫度則對應於例如包含在注射模塑中的淬火操作型冷卻速度。這些曲線對應於從300℃冷卻至室溫的、2毫米厚的尼龍66厚片。
圖17是繪出了針對尼龍66同時以10℃/min冷卻的剪切模式中的相對彈性G』/G*的曲線圖。G』是彈性模量，而G*則是針對10 rad/s頻率的複數模量。
圖18是具有兩個同心處理腔室的本發明一種實施例的剖視圖。
圖19是具有本發明蜂窩狀凸肋裝置的轉子、杆或柱的局部側視圖。
圖20是與圖19相類似的視圖，它示出了具有用作為本發明凸肋裝置的軌道裝置的本發明一種實施例。
圖21是軌道裝置的放大立體圖。
圖22是根據本發明所製成的一種閥門的局部軸向剖視圖。
較佳實施例的描述本發明涉及用於通過解開處理來降低模塑材料(例如聚合物)的粘度的設備。它還涉及此類設備的使用方法。
本發明所包含的設備包含有至少一個狹腔-處理腔，其中熔融的模塑材料在發生拉伸流動下的剪切振動的條件下流過，以便能進行解開。該設備並不僅限於任何特定的腔室設計或結構，所提供的層流在沒有幹擾或空穴的情況下進行。例如，該腔室可具有固定間隙或可變間隙。該腔室也可具有固定間隙部分和緊隨其後的可變間隙部分。在流動路徑的任何給定點上的間隙的橫截面尺寸決定了位於該點的熔融模塑材料上的應變和變形的應變率。在紐約圖書館的的會議目錄卡片#76-93301的、第二版「John Wiley Sons」中第640頁附錄C的「聚合物的粘彈性性質」(J.D.Ferry)中可找到作為間隙的幾何形狀的函數的應變和應變率的計算的例子。對於環隙(圓形狹槽)而言，間隙的橫截面是由該間隙的半徑和高度所決定的。壓降、壁上的剪切應力和流率是隨著應變率、溫度和間隙輪廓變化的熔體粘度的強大函數。總之，間隙輪廓不僅對於確定流程(即產量)、而且對於實現某種類型的流動而言是至關重要的。例如，間隙的收斂會使流動加速，並使其延伸。相反，間隙的發散轉換成流動的減速和收縮。顯然，間隙在熔融的模塑材料的流動路徑中的一系列限制和擴大會引起應變率從加速至減速、以及應變從延伸至收縮的周期性變化。倘若凸肋規則地設置在與流動在由兩個相鄰表面所形成的間隙中的熔體相接觸的至少一個表面上，則形成拉伸流動下的周期性剪切振蕩，根據本發明，該剪切振蕩可被設置成，可形成有利於利用美國專利4,885,495號中所講授的應變率和應變的操作條件來產生解開作用的高彈性狀態(剪切稀化)。在閱讀了本說明書之後，本技術領域中的那些熟練技術人員將知道，在實施本發明時可採用哪些類型的狹槽的幾何形狀和結構。例如，解開處理腔可為擠壓桶/螺杆模具或閥門套筒/杆，其可被改型以適應能將熔體帶入到美國專利4,885,495號所需的處理窗口區域中、以便形成能發生解開的凸肋裝置的特點。這可通過重新設計螺杆輪廓和介於桶體與螺杆之間的間隙、並通過在桶體的內表面和螺杆上同時增設特別設計的凸肋和/或溝槽來得以實現。變形的螺杆在匹配的桶體內部旋轉，剪切整個構形間隙中的熔融模塑材料。可構建多螺旋處理腔，其中螺紋相互嚙合。在這種情況下，相互嚙合的螺杆的作用除了形成拉伸下的振動流動之外，還因正的位移而以與齒輪泵略為相似的方式使熔融的模塑材料向前移動。單螺旋腔和相互不嚙合的多螺旋解開腔缺少這種正的位移，但凸肋和溝槽可相對於旋轉運動間隔設置成使縱向應變率增加至由壓力流動所引起的程度。在閱讀了本說明書之後，本技術領域中的那些熟練技術人員將知道，為了實施本發明、並同時產生泵送作用，在擠壓桶和螺杆模具中可增設哪些類型的凸肋和溝槽。
本說明書晚些將結合圖22來敘述在閥門中使用本發明的情況。
一般而言，本發明較佳的處理腔設計將部分取決於要被賦予彈性或解開的樹脂的特性、所需的產量以及可為本發明的從業人員所獲取的資源。例如，倘若可獲取足夠的資源，則需要一種包括多個解開工位的設備，其中各個工位被設置成可使產量、而不是解開效率最優化，但在各工位上再同時降低粘度，以便迅速生產具有適當的最終粘度降低比的最終的解開熔體。例如，一種具有五個工位的解開設備以每個工位27.5％的低效率(μout/μin＝0.725)進行工作，生產出具有最終粘度降低5、即(0.725)-5的熔體。此類多工位解開設備的產量要高出形成相同的粘度降低的單工位產量的許多倍。而且還大大降低了每單位產出的操作成本。
熔融的模塑材料通過其流入處理腔的入口與至少一個用於製備熔融的模塑材料的進料器相連接。該進料器與處理腔及可能存在的任何其它的進料器相隔離。該進料器包括用於將熔融的模塑材料通過其出口進行排放的裝置。該排放作用可通過本技術領域中的那些熟練技術人員所已知的任何合適的裝置來實現。包含有此類排放裝置的進料器的一些例子包括(但不僅限於此)使用在擠壓和注射模塑設備中的螺旋泵，與混和物一起使用的雙螺杆，使用在兩段式模塑設備中的柱塞、齒輪泵等。該排放作用可包括如參考文獻[12，13，14-16，19，20]中所描述的、用於向熔體施加壓力脈衝以有利於其流動的裝置，當然本發明中並不需要這種條件。
同樣屬於本發明範圍中的是，該設備包括多個進料器。倘若採用多個進料器，則在各個進料器中製備的熔融模塑材料無須相同。例如，每個進料器可含有相同的材料。它們還含有材質相同、但溫度不同、和/或分子量特性不同、以及/或者解開程度不同的材料。具體地講，一個進料器中的一種材料可為來自一不同的處理工位(下遊或其它)的高度解開的碎片，而另一種材料的解開程度可低些。這樣就能改變解開的碎片的濃度，並允許將具有不同解開狀態的等級進行工程規格的雙峰混和。分離的進料器還可含有在一個中是原始的、而在另一個中是再生的材料。此外，獨立的進料器可含有完全不同的材料、或者填充或未填充有纖維、填料(諸如木料、麵粉或ESD粉末)、不同濃度的聚合物和/或聚合物/液態晶體聚合物、顏料、抗氧化劑、阻燃複合物等、以及/或者其任何組合的混和物的材料。第二或第三進料器可引入到解開系統中、位於頭尾相連、以便連續地生產一定粘度特性的解開熔體的多個工位的任何入口段處。
該設備還可包括用於在已處理的熔融模塑材料送入到制粒系統或泵送工位之前收集該模塑材料的至少一個儲料器。在本發明的一種實施例中，該儲料器限定一腔室，該腔室繼續剪切被收集的解開熔體，並且容納有一系列浸沒的相互嚙合的滾筒，這些滾筒的表面上具有凸肋，以便保持解開狀態，直到熔體藉由螺旋泵或齒輪泵的可控致動泵出儲料器為止。此類解開保持裝置的一種非限制性例子是圖8所示的裝置。在本發明的另一種實施例中，被解開的熔體被泵送至使其迅速凝固成小粒的制粒管線中，這些小粒被乾燥和裝袋後以備裝運。可使用任何類型的制粒管線。在閱讀了本說明書之後，本技術領域中的熟練技術人員將知道，為了實施本發明，可將哪些類型的制粒管線增設到儲料器中，以使經處理所獲得的解開狀態凝固。
處理工位包括用於在容納於處理腔之中的熔融的模塑材料上施加與拉伸流動相關聯的剪切振動的裝置。該振動通過振蕩裝置直接產生，或者通過使與熔融的模塑材料相接觸的至少一個構形(即，具有凸肋裝置)表面旋轉來間接產生。換句話說，由於存在當熔體流過處理間隙中的凸肋、突部或溝槽時、可周期性地局部加速和減速熔體的凸肋裝置的存在，因而甚至僅朝一個方向的純粹的連續旋轉也能局部振蕩熔體。在本發明的一種實施例中，支承與熔融的模塑材料相接觸的表面的軸藉由本技術領域中的技術人員已知的裝置、或者其任意組合來振蕩。通過液壓、氣動、電氣、電磁裝置以及使用凸輪、連接杆、以及/或者機軸都可引起旋轉振動。本技術領域中的任何一名熟練技術人員將知道根據裝置的總的尺寸，如何來產生頻率在1-100Hz之間、且振幅在0.1-20度之間的旋轉振蕩。所產生的周期性運動無須為純粹的正弦波，而可為用於產生此類周期性振蕩的幾種正弦波的混和，如矩形波、三角形波等。
在本發明的另一種實施例中，與和熔融的模塑材料相接觸的至少一個表面相連接的軸的振蕩與以每分鐘一定轉數發生的軸的連續旋轉相結合。兩種運動的結合可通過編制與調製旋轉相對應的組合運動的輪廓、且使PID控制器以跟隨所需的信號來實現的。但這種方案可能需要來自電動機或液壓致動器的外部努力，而在本發明的另一種實施例中，這兩種運動分別由諸如兩個電動機之類的獨立的裝置來執行，並通過周轉差動器相結合，以便在處理腔的軸上重新產生調製旋轉。在本發明的又一種實施例中，不同頻率和振幅的兩種振蕩運動通過周轉差動器相結合，以使熔融模塑材料的剪切振動和拉伸疲勞最優化，以便實施本發明。
本發明的另一個目的在於能使拉伸流動下的剪切振動與應變率以及剪切應變的加速和減速的全控制一起發生。美國專利5,885,495號中講授了如何在一定溫度上設置剪切振動的頻率和振幅，以便獲得形成有利於使高分子解開的拉伸剪切稀化的熔體的高彈性狀態，並使熔體粘度降低。但應變、應變率及應變加速度均是彼此的導數(derivative)，而不能單獨設置。如先前所述的，利用凸肋和/或溝槽和/或突部(這裡被統稱為「凸肋裝置」)來構形和調製間隙尺寸、再加上承載著那些凸肋/溝槽的表面相對運動，就允許進一步控制拉伸流動、熔體疲勞以及熔體流動加速/減速度。凸肋/溝槽的數量、凸肋/溝槽間的間距、凸肋/溝槽的高度、凸肋/溝槽的寬度、凸肋的表面積對溝槽的表面積均是本發明的相關參數，它們被設置成用於在熔體中形成高彈性狀態，以便產生大幅度的粘度降低和解開。增設凸肋裝置使得用於向熔體施加所選應變率、應變幅度及拉伸疲勞下的剪切振動的頻率的能力增至3或4個自由度(取決於是一個還是兩個表面上形成有凸肋/溝槽)，以此取代美國5,885,495中的2個自由度。在本發明的一種特殊實施例中，可利用額外自由度的優點，以使粘度降低和解開作用最優化，即，減小解開一定數量的纏結樹脂所需的能量，和/或通過使運動加速來提高產量。在閱讀了本說明書之後，本技術領域中的那些熟練技術人員將知道，為了實施本發明，如何計算凸肋的尺寸、它們的數量以及橫向牽引流的轉速，以便在處理腔中形成所需和受控的應變率及加速/減速。
在本發明的另一種實施例中，使凸肋/突部的頂表面成曲線形，以便消除會不利於流動的任何尖角，尤其考慮到可能由包括形成微泡在內的非圓角所引起的非線性流動的缺陷。具體地講，突部/凸肋的形狀可消除此類非線性流動的缺陷。
在本發明的又一種實施例中，凸肋/突部的形狀和相對部署(間距)是由它們形成可滲入到用於轉速Ω、剪切振動的頻率ω和振幅α、以及溫度的協同網絡中的局部應力場的能力所決定的。一個凸肋的應力場必須與相連凸肋的應力場相重疊。
同樣包含在該設備中的是用於使熔體連續移動、以便例如將位於工位處理腔中的熔體從入口管道朝著其出口管道牽引和/或泵送的裝置。這是通過相對於旋轉流動方向部署凸肋來實現的。倘若凸肋垂直於旋轉方向設置，則熔融的模塑材料被沿著那個方向牽引，並因施加於處理腔的入口處的壓力流動而沿縱向方向運動。壓力可能會對剪切稀化和/或解開動力產生消極作用，為此，應當將其保持在不會對處理產生不利影響的範圍之中。通過使凸肋相對於旋轉軸線成一定角度來取向，可形成具有其自身的應變率和加速度的縱向牽引分量。該旋轉運動的的縱向分量產生泵送作用，它能減小形成一定流率所需的壓力，並致力於輸送和解開熔融的模塑材料。在閱讀了本說明書之後，本技術領域中的那些熟練技術人員將知道，為了實施本發明，哪些凸肋取向將會在處理腔中產生所需和受控的泵送作用。
在本發明的一種實施例中，凸肋/溝槽的表面輪廓是通過機加工和在處理腔的表面上永久地開槽所形成的，而在本發明的另一種實施例中，單獨製造的構形箔條覆蓋和牢固地安裝、例如點焊在處理表面的本體上。在本發明的一種實施例中，條狀物是由金屬材料製成的，在另一種實施例中，它們是由能夠維持處理所需的、剪切力、振動和溫度的組合的任何其它材料製成的。
處理工位包括用於當熔融的模塑材料從處理工位的入口流至出口時、改變施加在該模塑材料上的剪切振動的振幅的裝置。美國專利5,885,495號中提到，高振幅的熔體剪切振蕩中可能會產生損害解開處理的效率的滑動。當突然施加所需的解開幅度時，滑動的風險也隨之增加，建議逐步增加振動的應變幅度，直到獲得頻率-溫度和應變％的正確組合為止。在間斷處理中，諸如美國專利5,885,495號中所述的，設定值和參數被編製成逐步變化，從而避免了滑動問題。具體地講，在給定一定溫度和振蕩頻率的情況下，剪切振動的應變％以步進方式逐漸增加。同樣地，在一定溫度和應變％的情況下，頻率逐漸增加，直到獲得所需的組合設定值為止。對於連續解開處理而言，應變％的逐步增加可通過間隙的幾何形狀沿著熔體流動路徑的逐步變化來實現。如前所述，應變幅度是間隙幾何形狀的函數。例如，可通過增大形成間隙的環狀桶的半徑來增加剪切應變％。具體地講，本發明的一種較佳實施例採用一對用於在處理腔中限定間隙的同心錐形表面。該較佳實施例提供了能夠通過相對於外錐形表面牽拉內錐形表面而使間隙尺寸易於變化的附加優點。那樣可獲得0.5-5毫米之間的間隙，當熔融的模塑材料在處理腔中流動時，該間隙可在飛行中調節。另一種較佳實施例由同心圓柱形表面所組成，其半徑在液流從處理腔的入口流向出口的過程中分級增加。
在本發明的一種特殊實施例中，間隙的高度由以間歇性間隔增加或減小間隙的致動器和控制器來自動調節，從而以一種可控方式來調製間隙尺寸。
同樣包含在該設備中的是用於控制位於進料器、儲料器和/或處理腔之中的材料的溫度的裝置。當實施本發明時，可採用任何合適的溫度控制裝置。
合適的溫度控制裝置的例子包括(但不僅限於此)(a)通過注塑機、儲料器、注塑噴嘴和/或模具中的通道進行循環的熱和冷油，(b)設置在注塑機、儲料器、注塑噴嘴和/或模具之中的電阻筒(resistance cartridge)，(c)插入到注塑機、儲料器、注塑噴嘴和/或模具中的熱管，以及/或者(d)埋設在注塑機、儲料器、注塑噴嘴和/或模具中的、並且其溫度可由介質裝置控制的流體。在閱讀了本說明書之後，本技術領域中的那些熟練技術人員將能選擇最能滿足他們需要的溫度控制裝置。
同樣包含在該設備中的是用於控制位於進料器、儲料器和/或解開處理腔之中的壓力的裝置。尤其，螺旋泵、齒輪泵、處理腔和擠壓機中的流率可由壓力傳感器和轉換器所測得的處理腔中的熔體壓力來控制。當實施本發明時，可採用任何合適的壓力控制裝置。在閱讀了本說明書之後，本技術領域中的那些熟練技術人員將能選擇最能滿足他們需要的壓力控制裝置。
同樣包含在該設備中的是用於監視和/或控制處理腔中的材料的轉矩的裝置。該轉矩與正被處理的熔融模塑材料的模量直接相關，且反映了粘度狀態。當實施本發明時，可採用任何合適的轉矩監視和/或控制裝置。
合適的轉矩控制裝置的例子包括(但不僅限於此)(a)測量馬達所使用的電流，以便保持驅動與要解開的熔融的模塑材料相接觸的至少一個表面的相對運動的軸的一定轉速，(b)在處理腔的末端處安裝剪切應力轉換器，(c)測量超聲波通過處理腔中的間隙傳播和衰減的速度。在閱讀了本說明書之後，本技術領域中的那些熟練技術人員將能選擇最能滿足他們需要的轉矩控制裝置。
除上述內容之外，該設備可包含許多不同的任選裝置。例如，該設備可包括可置於儲料器與模具之間、以及/或者進料器與儲料器之間的淨化閥。
可包含在本發明中的另一種任選裝置是置於至處理腔的入口、以及/或者處理腔的出口處的路徑中的混和腔。在一種較佳實施例中，可由靜態混和器構成的該混和腔可使熔融模塑材料中的溫度和粘度均勻化，並使在處理腔的間隙中處理的熔融模塑材料的不同片段之間的混和最優化。在採用幾個進料器的情況下，該混合腔形成一種更均勻的不同成分的混和物。
在附圖中示出了本發明的諸特殊實施例。這些圖示內容僅僅是實施本發明的方式示例。它們決不會對本發明的範圍構成任何限制。
在閱讀了以下的說明書和所附的權項之後，本技術領域中的那些熟練技術人員將對本發明的其它目的、方面和優點一目了然。
當結合以下簡要說明的附圖來考慮時，通過參照下文中的詳細描述將能更好地理解本發明，對本發明更全面的鑑賞及其許多優點將易於探知。
現在請參閱圖1A-1F，圖1A是根據本發明設計的解開設備的一種實施例的示意圖，該解開設備具有單個進料器4和介於上件54的底表面2與下件58的頂表面56之間的單個處理腔3，其中拉伸流動下的剪切振動是通過以固定轉速和/或調製轉速旋轉、並且/或者通過單純地振蕩向外流過設置在至少一個表面2上的凸肋或凸肋裝置5的引入熔體1所形成的。熔融的模塑材料1自圓盤中心環行流動至輪緣，在那裡，刮片將其收集，並且齒輪(gear)泵將其正向泵離處理腔。腔隙3是由凸肋5所構成的，凸肋5的形狀和結構可以多種方式製成，如圖1C、1D、1F和1F所示，被具體設計成對應變率、具有給定頻率的應變率周期振動、以及當熔體流過凸肋裝置從入口流至出口時的拉伸應變進行最大控制，並且使其解開最優化。
在本發明的一種實施例中，與熔體相接觸的一個表面以固定轉速Ω旋轉，而另一個表面則固定。應變率是由存在的凸肋被局部調製的，這些凸肋形成產生擔負著剪切稀化和按時解開作用的重任的高彈性狀態所需的拉伸振動。凸肋的數量、它們之間的間距、凸肋的高度、凸肋的寬度以及凸肋間的間隙高度均是本發明的相關參數，它們必須被具體設計成能產生具有合適頻率的適當的周期應變率、能夠產生解開作用的應變幅度和頻率，如美國專利5,885,495號中所講授的。例如，對於0.5至4毫米之間的間隙高度，凸肋高度可接近間隙高度的25％，而凸肋寬度則約為間隙高度的50％。等距離間隔的凸肋的數量取決於提高用於解開處理的彈性/剪切稀化所需的應變和頻率，且取決於決定橫過凸肋的角速度、並由此切向速度的轉速。當凸肋間的間距較大時，應注意要設計凸肋拐角和構形角，以避免局部湍流和其它非線性流動缺陷。圖1A-1F示出了用於凸肋5的幾種可能的幾何形狀。在本發明的一種實施例中(圖1F)，凸肋高度在整個半徑範圍內是不固定的，而是自圓盤中心至邊緣略有增加(反之亦然)。在本發明的另一種實施例中，凸肋表面不是平坦的，取而代之的是垂直於流動半徑方向等間距地開設溝槽(圖1C和1D)。
在本發明的另一種實施例中，移動表面是不轉動的，但卻以某一振幅α和頻率ω來回振蕩。然而，在本發明的又一種實施例中，振蕩和固定旋轉共同作用在移動表面上。振幅和振動頻率的值以及熔體溫度的值是根據美國專利5,885,495號(以便提高熔體中的彈性量)以及通過剪切稀化來確定的。固定轉速Ω也被確定為以便將熔體帶入到合適的處理窗口中進行解開，並且其值連同凸肋的數量、凸肋的幾何形狀及其相對於熔體的流向的部署一起被調節，以使解開最優化，也就是說使粘度降低動力最有利，以使其在儘可能最短的時間裡儘可能高效。
在本發明的另一種較佳實施例中，與熔融的模塑材料相接觸的兩個表面都具有凸肋和/或溝槽。然而，在本發明的另一種重要的實施例中，與熔融的模塑材料相接觸的兩個表面均作受控的獨立運動。在這種情況中，雖然設備的設計和操作更為複雜，但解開更為高效，並且能較深入地貫穿腔隙發生，從而允許採用較寬的間隙，由此提高生產力。
圖2A和2B是根據本發明設計的解開設備的一種實施例的示意圖，該解開設備具有單個進料器和單個處理腔，其中拉伸流動下的剪切振動是通過將熔融的模塑材料3通過間隙(也由標號3來表示)供給所形成的，該間隙由至少一個旋轉和/或振蕩表面6或7所構成，出現在該表面的外部輪廓上的是熔融材料流過和/或可被牽引和/或正被推過和/或被泵送過的輪廓。在圖2B中，外側表面6可以固定轉速Ω和固定的振蕩頻率和振幅旋轉/振蕩(當附加振蕩時)，而另一個、例如、圓柱形表面7可固定，或者，相反地，表面7可以固定速度旋轉/振蕩(圖2A)，而表面6可固定，抑或這兩個表面均可獨立地旋轉/振蕩。應變率是由存在於表面6或7、或者兩個表面上的凸肋和/或溝槽來局部調製的，這些凸肋和/或溝槽形成帶有產生解開作用所需的振動的拉伸和疲勞流動。如已強調過的那樣，凸肋/溝槽的數量、凸肋/溝槽的高度、凸肋/溝槽的寬度均是本發明的相關參數，它們必須被具體設計成能產生適當的周期應變率、能夠產生解開作用的應變幅度和頻率，如美國專利5,885,495號中所講授的。例如，位於其中一個表面上的凸肋可為被構成為右螺旋結構的連續突起，而位於橫穿間隙的相對表面上的其對應物則是具有相同間距但左轉的螺旋結構。這兩個螺旋結構可與螺旋結構的軸線成一定角度地開設溝槽，以便沿著螺旋形凸肋的頂表面形成間隙高度的周期振動。在此類情況中，當兩個表面藉由其中至少一個表面的旋轉而相對運動時，熔體不僅在拉伸流動下被剪切和振蕩，而且還被朝著出口端牽引。熔融的模塑材料3從位於圖2A左側的處理腔的入口螺旋形流向位於右側的出口，在那裡，該模塑材料收集，並且一齒輪泵將其正向泵離處理腔，或者，當本發明在例如熱轉輪(hot runner)應用中與閥門系統協作時，該模塑材料用於充滿一模腔。腔隙3的輪廓是由凸肋所構成的，凸肋的形狀和結構可以多種方式製成，如圖1A-1F所示，被具體設計成對應變率、應變率變化、以及當熔體從入口流至出口時的拉伸應變進行最大控制，並且使粘度降低和解開最優化。帶狀加熱器8環繞構成腔室的金屬表面設置，並由PID控制迴路32中的熱電耦(圖2A中未圖示)來控制。
圖2A和2B中所示的本發明的設備用於通過拉伸流動下的剪切振動形成對於解開而言理想的剪切稀化條件來連續地降低熔融的模塑聚合材料3的粘度，該設備包括至少一個由一間隙所構成的工位處理腔，該間隙由兩個接近的獨立表面6和7構成，這兩個表面以一定速度彼此相對運動，並且/或者以一定頻率和振幅相對振蕩，以便在熔融的模塑材料3上形成剪切變形，並且通過表面6或7、或者這兩個表面上的軸向、圓周、徑向或者其它的波動使間隙尺寸有控制地變化，出現在這兩個表面的外部輪廓上的是熔融的模塑材料3可流動和/或可被牽引和/或正被推過和/或被泵送過的凸肋和/或突部和/或溝槽的輪廓。處理腔具有入口30和出口31，熔融的模塑材料3可通過該入口流入，而後又通過該出口流出該處理腔。處理腔的幾何形狀允許施加在途經的熔融模塑材料上的剪切應變和剪切應變率有控制地變化。至少一個進料器33用於製備熔融的模塑材料3，該進料器包括用於將熔融的模塑材料通過其出口排放到工位處理腔入口30的裝置。在該實施例中，設有至少一個儲料器34，該儲料器用於在已處理的熔融模塑材料被輸送至制粒(pelletizer)系統、或者泵送工位、或者模腔之前將其收集。設有諸如驅動器35之類的裝置，該裝置用於將伴隨著疲蘿拉伸流動的、一定頻率和振幅的剪切振動施加在容納在處理腔之中的熔融模塑材料3上。用於使熔融的模塑材料可途經和/或流過的間隙的尺寸有控制地變化的裝置的一個例子如圖6所示的實施例中所示，該設備的中心件呈基本圓錐形，並可軸向(橫向)移動以改變間隙。用於使處理腔連續通風、以防在處理期間形成氣泡或氣穴的裝置的一個例子如圖2A中的36所示。用於監視和控制容納在進料器33之中的熔融模塑材料的溫度的裝置的一個例子如圖2A中的37所示，用於處理腔的如38所示，用於泵送工位的如39所示。用於監視和控制容納在進料器、處理腔以及泵送工位中的熔融模塑材料的壓力的裝置的一個例子分別如47、48和49所示。用於監視和控制施加在容納在處理腔中的熔融模塑材料上的轉矩的裝置的一個例子如圖2A和2B中的50所示。在具備通過諸如那些如圖3中的11或者圖7中的26所示的齒輪泵或螺旋(screw)泵彼此相連接的若干工位的情況下，處理工位鏈具有直接或者通過一齒輪泵和/或靜態混和器(例如圖7中的52)與一擠壓機相連接的第一工位、和與制粒管線或泵送工位、或者用於立即使用已解開的熔體的模腔相連接的末尾工位。
在本發明的一種實施例中，與熔體相接觸的、具有如圖1A所示的凸肋圖案的一個表面、如圖所示是針對圖2A中的表面7以速度V縱向移動，而另一個表面則旋轉/振蕩。熔體受到帶有被調節以施加最優的解開作用的其縱向和旋轉方向兩個分量的組合(張量)周期應變率的作用。然而，在本發明的另一種實施例中，表面7的縱向運動以調製的周期速度進行，以便加入易便於提高間隙內的熔融模塑材料的彈性的振蕩分量，同時具有或不具有其自身振蕩的表面6的橫向旋轉有助於拉伸疲勞(只是其中之一)，以便根據美國專利5,885,495號解開熔體。
在本發明的另一種實施例中，移動表面是不轉動的，但卻以某一振幅α和頻率ω來回振蕩。然而，在本發明的又一種實施例中，振蕩和固定旋轉共同作用在移動表面上。振幅和振動頻率的值、熔體溫度以及固定轉速Ω、連同連同的數量一起是根據美國專利5,885,495號來確定的，以便提高熔體中的彈性量，並且使熔體以一定的熔體彈性(剪切稀化)值經受拉伸流動和疲勞，以便形成用於解開的兩種關鍵條件。具體地講，凸肋的數量、凸肋的幾何形狀及其相對於熔體的流向的部署被設計成不僅用於最有利於解開動力的腔隙內的特殊的加速和減速圖案，而且，與此同時，還藉由來自與流動的縱向方向對齊的應變率張量的分量的牽引作用允許將熔體朝著處理腔的出口泵送。
圖3是根據本發明設計的解開設備的一種實施例的示意圖，該解開設備具有單個進料器和由泵送工位11所隔開的一個以上的處理腔，其中處理腔部分中的、拉伸流動下的剪切振動是通過將熔融的模塑材料3通過間隙供給所形成的，該間隙由至少一個旋轉和/或振蕩表面10和桶體9所構成，出現在該表面的外部輪廓上的是熔融材料流過和/或可被牽引和/或正被推過和/或泵送過的輪廓12，桶體9也可旋轉/振蕩、或者可固定，它藉由外部裝置(未圖示)加熱/冷卻。表面輪廓或凸肋裝置12由取決於處理工位沿著擠壓軸線的位置、且適合粘度的逐步變化的不同的圖案所組成。圖3示出了若干可能的圖案，諸如表面上的小正方形/圓形突起、或者沿著旋轉和縱向軸線形成應變率的分裂的細長斜肋，但是本技術領域中的熟練技術人員在閱讀了這些內容之後能夠設想到許多其它的設計，這些設計在此均稱之為凸肋裝置。泵送工位11是由具有一定間距和螺旋角的螺旋泵的少數螺紋所形成的，以便通過旋轉內芯表面10將熔體以一定速率從一個處理工位泵送至下一個處理工位。圖3中所示的設備可適於與擠壓機的基本硬體交互，該基本硬體已提供了桶體9、加熱和冷卻裝置以及使移動表面10旋轉的馬達，藉此來取代擠壓機的螺旋裝置(screw)。在本發明的一種實施例中，向處理腔提供液態的熔融模塑材料的進料器本身系另一個擠壓機或與齒輪泵相連接的擠壓機。例如，熔融的模塑材料由第一擠壓機形成，並通過破碎板和十字頭模具分配到垂直於第一擠壓機的第二擠壓機的入口部分，如圖3的左端側所示，且如圖7中的部件23和24所示。移動表面10藉由第二擠壓機旋轉，而其桶體9是固定的。桶體的總長是可調節的，並且是要實現某種程度的粘度降低和想要的產量所需的工位數量的函數。
然而，在本發明的另一種實施例中，只需要一個擠壓機，但為了實施本發明而已由圖3中所示的處理設備所取代的螺旋裝置大致沿長度方向延伸，以便具有第一部分，該第一部分象具有其自身的熔化、測量和加壓區的標準螺旋裝置一樣運行，緊隨其後的是圖3中所示的解開部分。
圖4是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖，其中拉伸流動下的剪切振動形成在彼此之間相對運動的同心錐面13和14的間隙3中，其中至少一個表面上呈現一排凸肋和突部12，並且以固定轉速Ω、以及/或者調製轉速[Ω+∑αi*sin(ωi*t+θi)]旋轉，並且/或者處於單純的振蕩模式∑αi*sin(ωi*t+θi)中，其中αi，ωi，θi分別是調製振幅、振蕩頻率和振蕩相位(次標「i」是指將周期運動分解成其傅立葉分量)。如前所述，轉速、振蕩參數、凸肋間的間距、凸肋/突起和(凸肋間的)溝槽的形狀和尺寸以及相對於凸肋的錐體軸線的傾角均相互關連，並取決於產生解開所需的應變率和加速度，如美國專利5,885,495號中所講授的。
在圖4中，通過同心錐體的相對軸向或橫向平移可增加或減少間隙的高度或寬度，這可通過軸上的線性軸承沿雙箭頭所示的筆直方向進行操作來得以實現。在本發明的一具體和特殊的實施例中，間隙寬度可通過致動器和控制器來自動調節，該致動器和控制器打開或關閉間隙，允許以間歇性間距來增大間隙，以便於將已處理的熔融模塑材料擠出處理腔。該特點的原因可易於理解解開處理需要較窄的間隙，以使應變和應變率的條件易於解開熔體；但這些條件對產量是不利的。通過使間隙在有利於處理的值與有利於產量的值之間間歇性地打開和關閉，可找到一種使解開處理最優化的折衷方案。介於間隙的兩次連續打開之間的時間可被編制為1秒鐘-10分鐘之間；當然也不排除其它可能的值。間隙的寬度或高度在其最小與最大值之間的變化可被編制為處理值的5％-200％之間。
本發明的另一個目的在於具有控制解開處理的所有參數的值的中央計算機。具體地講，在圖4中，標號8和15如圖所示分別表示用於精確地調節與熔融模塑材料相接觸的表面體的溫度的帶狀加熱器和冷卻電路。溫度探頭(未圖示)接近熔融的模塑材料插入，以便將電信號回送至中央處理單元，用於激活加熱或冷卻裝置，以使間隙中的溫度保持恆定。操作者可與用戶友好的計算機屏幕交互，以便輸入要根據本發明來操作解開設備所需的所有參數。例如，操作者輸入處理腔中的溫度、內錐體14的轉速、該錐體的振蕩頻率(當僅僅存在恆定旋轉、且凸肋裝置獨自產生振動作用時，可為零)、以及間隙間歇性打開的時間和幅度(其變化也可為零)的值。
圖5是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖，其中拉伸流動下的剪切振動形成在彼此之間相對運動的、直徑遞增的一系列同心圓柱形表面13和14的間隙中，其中至少一個表面上呈現一排凸肋和突部12，並且以固定轉速以及/或者調製轉速旋轉，並且/或者處於單純的振蕩模式中。
圖6是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖，其中拉伸流動下的剪切振動形成在具有因彼此之間相對運動的同心表面的相對分離而出現的可變間隙的處理腔的連續部分中，其中至少一個表面上呈現結構和部署特殊的凸肋和突部12，並且以固定轉速以及/或者調製轉速旋轉，並且/或者處於單純的振蕩模式中。如圖6所示，凸肋/突起的形狀及其相對位置根據局部熔體壓力的數量、所需的縱向牽引應變率的大小以及移動表面的旋轉速度和模式沿著處理腔中的熔融模塑材料的路徑進行變化。
圖7是根據本發明設計的解開設備的一種實施例的示意圖，其中進料器23系擠壓機和/或柱塞，並且解開處理發生在通過齒輪或螺旋泵26相連的一系列工位24中。在各工位24中設有裝置25，該裝置用於旋轉和/或振蕩與流經其中的熔融模塑材料相接觸的至少一個表面，以便形成有利於解開的流動條件，如美國專利5,885,495號和本文中所講授的。溫度、轉速、振幅和振蕩頻率對於各工位而言是單獨設定的，但均由監視該多工位解開處理的所有方面的一中央處理單元來進行控制。對於實施本專利申請中先前描述過的諸特殊實施例，工位24和裝置25可由傳統的擠壓機驅動裝置來提供，桶體和螺旋裝置可被具體地改裝和變形，以便符合圖3、4、5或6中所指定的內容。在裝置26以及裝置25中可增設混和室，以便間歇性地調製間隙的尺寸。在多工位的末尾處，已分解的熔體被泵送到儲料器中(圖7中未示出，但本文中有描述)，以便防止熔體重新纏結，並且該儲料器與制粒管線和/或擠壓機或注射模塑設備的進料口相連接；或者，流出的熔體被直接送入到一腔室中，諸如採用被改裝成包含本發明的閥門的熱轉輪系統的模腔。
圖8是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖，其中熔融的模塑材料3上的、拉伸流動下的剪切振動形成在彼此接近接觸的圓柱形或錐形滾筒27與具有凸肋、突起或溝槽12的、呈圓柱形或錐形的中心28上的內芯表面之間的間隙中。圖8可被認為是圓柱體系統的剖切圖，應該想像它們的軸線與圖相垂直，熔融的模塑材料從位於頂部的入口沿著圓柱體或錐體的軸線流向位於底部的出口。更通常地是，至少一個表面27或28以固定轉速和/或調製轉速旋轉，並且/或者處於單純的振蕩模式中，如先前的幾幅圖中所示的那樣。例如，這兩個表面分別以固定轉速Ω和Ω』旋轉。滾筒27的旋轉可由獨立的電源、或者通過如圖8中的29所示的共用驅動裝置來驅動，該共用驅動裝置可為傳送帶或者本技術領域中已知的任何其它適當的驅動機構。在至少一個表面上具有一組凸肋/突起12或溝槽，其形狀、部署和結構被做成為可實施本發明，如先前針對其它附圖幾次描述的那樣。易於想到在圓柱芯體28上存在凸肋/突起或溝槽。圖8中示出了其中的一部分。滾筒27接近接觸、但彼此之間不直接觸碰，所以它們可沿相同方向轉動(圖8中為逆時針方向)。在本發明的一種實施例中，它們之間的間距極小，約為0.03-0.05毫米，以便防止熔融的模塑材料3流過它們之間的間隔。一組彈簧加載的滾珠軸承可用於使滾動的圓柱體保持極其接近，同時通過裝置29沿相同方向旋轉。在本發明的另一種實施例中，在滾筒27的表面上可設有凸肋和突起，從而它們在最接近的區域中相互嚙合。圖14的底部示出了該實施例的一個例子。以某一轉速Ωc起動，與滾筒27相接觸的熔融模塑材料層具有從滾筒27的轉速所構建而來的足夠的彈性來得以「伸展(stretch over)」，即，忽略形成在滾筒相互嚙合或接近接觸的地方的間隙的外部輪廓，並形成一均質環行的旋轉層，該層密封且帶動其餘被封閉在介於滾筒27與滾筒28之間的間隙中的熔融模塑材料旋轉。在本發明的一種較佳實施例中，由橫過旋轉滾筒的協同運動所形成的伸展移動壁可用於避免或使該壁的滑動最小化，同時通過滾筒28的旋轉/振蕩來執行解開處理。此外，由於已知壁的滑動會阻礙快速擠壓的產量，因而該實施例允許通過處理腔的擠壓速度要比通常在低壓降上所獲得的大得多。最後，根據28的轉速，在形成伸展層的條件下處理熔融的模塑材料會對解開動力產生積極的益處。
圖9是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖，其中拉伸流動下的剪切振動是通過以固定轉速或調製轉速在與入口管道21和出口管道22連通的圓環中環行的一連串橢圓形件或者卵形運輸件16的熔融模塑材料17中的相對運動所形成的。16的運動是由圓柱體19通過連接件18來驅動的。該圓柱體19是由與馬達相連的致動器所驅動的。連接件18是剛性連接19和16、且無阻力或幹擾地允許流體通過的蛛形環。圓環外覆有熱流體和/或帶狀加熱器和水通道，以便控制環內溫度。當19驅動16在熔融的模塑材料17中運動時，處於圓環的任何特殊位置上的間隙周期性地增大或在卵形運輸件通過時減小，由此用環繞運輸件的強烈的拉伸流動來形成周期剪切應變條件。當應變率和應變率變化(加速/減速)的條件被設置成可根據美國專利5,885,495號在熔融的模塑材料中實行解開時，已處理的熔體在一個工位完成後被向前推向與下一個圓環的入口21連通的出口孔22。圖10中示出了堆積在彼此頂部上、且通過它們相應的入口和出口孔連通的圓環67的組件。
圖10是根據本發明設計的解開設備的一種實施例的示意圖，其中進料器系將熔融的模塑材料供給到第一圓環的21的擠壓機和/或柱塞，解開處理發生在由管狀軌跡所構成的一系列重疊且互連的環形工位17中的各工位中，一連串卵形運輸件16藉由與運輸件相連的一共用圓柱芯體19的驅動以可控轉速環行通過該管狀軌跡。如圖9中所述的，熔融的模塑材料被根據本發明來處理後，通過與位於其下方的環形工位的入口直接相連的22流出環形工位。各工位上的溫度適於說明由解開所產生的粘度中的變化。在圖10所示的柱狀物的底部上，末尾圓環的出口與儲料器20相連接，該儲料器自身與制粒管線和/或擠壓機或注射模塑設備(未圖示)的進料口相連接。
圖11是根據本發明設計的解開設備的動力傳動裝置的一種實施例的示意圖，其中處理腔中的熔融模塑材料的剪切振動和可控的拉伸疲勞同時施加在周轉差動器(epicyclycloidal differential)的軸線310和320上。周轉差動器由三個主要部件構成(a)殼體行星齒輪架310；(b)轉矩臂套恆星齒輪320；以及(c)中心孔恆星齒輪330。這三個部件藉由構成周轉差動齒輪組的恆星和行星齒輪機械相連。
連接在表面上、用以在本發明的處理工位中旋轉和/或振蕩的軸進入330。威利斯(Willis)方程式建立了三個部件310、320和330的轉速之間的關係，以便在330處使於310和320處單獨施加的運動相結合N3＝ρN2+N1/K其中N1是殼體310的轉速，N2是轉矩臂套320運動的瞬間轉速，而N3則是被發現用於中心孔330的運動的轉速。ρ是轉矩臂套320與中心孔330之間的固有比(internal ratio)，即在軸線310上不存在旋轉(殼體保持固定)的情況下。同樣，威利斯(Willis)方程式中的K是殼體310與中心孔330之間的傳動比(reduction ratio)，即在N2上不存在旋轉振蕩的情況下。因此，差動器還用作為傳動比為K的齒輪箱。
具體地講，可在320上設置旋轉振動運動，而在310上設置具有一定可控轉速的單純旋轉運動。軸線310和320上的運動是完全獨立的，並可獨立編制。運動310和320的組合自然出現在330處，不具有或帶有最小的後衝(backlash)。根據本發明的一種實施例，該周轉差動器可取代將擠壓機的馬達與驅動螺旋裝置的軸相連的齒輪箱。這樣取代就能同時旋轉和振蕩諸如圖3或4中被引入到桶體中的軸，所提供的周轉差動器的其它軸線由旋轉振動裝置來驅動。該裝置也可用於驅動注射模塑機的螺旋裝置，使該螺旋裝置的旋轉和振蕩相結合，這種結合更易於形成拉伸剪切稀化。
圖12是根據本發明設計的解開設備的剪切振動傳動裝置的一種實施例的示意圖，其中處理腔中的熔融模塑材料中的剪切振動是藉由連接在周轉差動器的一條軸線上的同心錐形組件114的內錐體的振蕩來形成的，旋轉振蕩是通過凸輪110和柱塞112所形成的。在該實施例中，處理腔是諸如圖4中所示的帶有固定間隙114的一對同心錐體，通過用柱塞112來致動手柄110使熔融的模塑材料(它充滿著114)在該間隙中剪切和來回振蕩。構架116包含有充滿熱流體的加熱/冷卻外殼和熱電偶，以便控制溫度。在操作開始時，可將兩個錐體之間的間隙調節到0.5毫米-5毫米之間。一旦被調節，該間隙就在整個處理過程中保持不變。柱塞臂可連接到手柄110上的不同的高度位置113上，這樣就能改變剪切旋轉振動的幅度，連同可獲得的轉矩。也可改變柱塞的位移，以便能自由地改變旋轉振蕩的旋轉幅度。熔融的模塑材料通過如111所示的擠壓機和齒輪泵流入到設備中，並通過另一個齒輪泵115流出錐體組件。在該特殊實施例中，出口處的齒輪泵將產物通過分離的連接裝置再送回至入口111，以便熔體在被泵送出解開設備之前多次通過該設備。在該實施例中，已解開的熔體是間歇而不是連續產生的。當熔融的模塑材料以閉循環方式多次通過處理腔時，擠壓機的入口閥和至制粒單元的出口閥117都是關閉的。當所需的粘度降低已實現時，在多次通過之後，擠壓機受到信號通知而將新的一批未經處理的熔融模塑材料送入到處理腔中。在清除期間，間隙可打開得更寬些，以防已解開的熔融被加壓。在處理腔的清除期間，至制粒管線的出口閥117保持打開，而再循環出口閥(未圖示)則保持關閉。相反地，在多次通過處理期間，那些閥相應地關閉和打開。
圖13是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖，其中熔融的模塑材料中的、拉伸流動下的剪切振動是通過以固定速度或調製速度(即組合的固定和振動速度)、或者單純的旋轉振蕩下的兩個同心錐面的相對運動所形成的，同時熔融的模塑材料從入口管220被推動和/或牽引和/或泵送至處理腔的出口管270(圖13)。在該實施例中，與圖12所示的、實施間歇性釋放已處理的熔融材料的實施例所不同的是，處理腔及其附件清楚地構成一適用於連續解開處理的工位，如圖7中的標號24所示。從圖13中可清楚地看到，凸緣220和270是相同的，這樣就允許重複至其它工位，這在該工位的描述中被認為是標準特點。熔融的模塑材料250通過入口220流入處理工位，流經一蛛形件(spider)後充滿由限定一間隙的兩個同心錐體所形成的腔。入口220可與一齒輪或螺旋泵相連接。對於第一工位，如圖7所示，擠壓機被用在齒輪泵的前面，以製備熔融的模塑材料，並將其加壓至給定值。內錐體延伸超過處理部分260直至280，它與圖11所示的、具有兩條獨立的運動軸線的周轉差動器相連接。由於壓力流動與內錐體的旋轉以及如圖4或6所示的、存在於內外錐體的表面上的斜肋的組合，熔融的模塑材料250從入口220流至出口270。當熔融的模塑材料250流過由錐體所形成的間隙時，它因內錐體260通過軸280的旋轉和/或振蕩的組合作用而解開。沿著從220至270的路徑、在若干位置210上測量熔融模塑材料的溫度和壓力。帶狀加熱器230纏繞在構架上，水通道240和242被做成用於從外部(240)和內部(242)來冷卻250，以便保持其精確控制的溫度。出口270可與一齒輪或螺旋泵相連接。在齒輪泵的情況中，該泵的轉速被控制成用於使熔體壓力回到下一個處理工位所需的值。圖7揭示了如何構建諸如圖13中所示的完整的處理工位鏈，以便連續且經濟地解開聚合樹脂。這些錐體可由圓柱形腔所取代。
圖14A和14B是根據本發明設計的解開設備的一種實施例的示意圖，其中一個或幾個進料器420將熔融的模塑材料供給至一系列相互嚙合或不嚙合的管狀腔中，這些管狀腔自己直接(圖14B)或者通過泵送部分400與其它系列的管狀腔相連接，直到最後一排處理工位為止，這最後的處理工位與收集器410和制粒管線和/或擠壓機或注射模塑設備(未圖示)的進料口相連接。管狀腔的表面覆有被設計成用於合成合適的應變率輪廓的凸肋/突起和/或溝槽450，以便實現解開，並將熔融的模塑材料朝著下一個管狀工位且沿著管狀腔的軸線牽引至該管狀工位。至少一個表面430移動，以便在振動下剪切熔體並實現拉伸疲勞，這是有效地形成解開的兩個必要條件。這是通過使轉子430以一定轉速旋轉、或者使轉子430以一定頻率和幅度旋轉振動、抑或先前這兩種運動的組合來進行的。在圖14B中，兩個管狀腔被設置成沿著它們的軸線在它們的中心處相互嚙合，該實施例用於在最後的出口處在制粒管線之前先施加到儲料器中，以防解開復原。
圖15A-15C是根據本發明設計的解開設備的處理腔的一種實施例的示意圖，其中位於與熔融的模塑材料相接觸的表面的至少其中之一上的凸肋/突起具有用於形成拉伸下的應變率和應變率變化的給定輪廓的特殊形狀，且相對於表面的旋轉軸線以一種用於形成一定的引流量的特殊方式排列。圖15A-15C限定一部分形狀參數和傾角。凸肋的外部輪廓被推算成可消除任何可能的湍流或者流動中的其它非線性缺陷，流動應保持層流狀。限定用於使流動加速(R1)或減速(R3)的曲率的凸肋高度e、半徑R1、R2和R3沿著橫截面aa和bb(這裡未示出橫截面bb)可以是不同的。應變率矢量分解成兩個分量，限定了引流的兩個方向。沿著各軸線aa或bb的凸肋的形狀可由這些方向中所需的應變率輪廓所決定。這兩種輪廓可用於限定可結合起來以使剪切稀化和解開作用最優化的剪切振動和/或拉伸疲勞的條件。
根據本發明的另一個目的，模塑設備的溫度控制是變化的，以便能以一定速率來冷卻熔體直到到達給定溫度為止，同時調節作為熔體溫度的函數的剪切振蕩頻率，以便保持有利於解開效率的熔體的特定彈性狀態。根據本發明的另一項技術，通過在解開或簡單地剪切發生的同時交替地冷卻和加熱熔體，並且同時調節作為熔體溫度的函數的剪切振蕩頻率以便保持有利於解開效率的熔體的特定彈性狀態，而使熔體溫度控制在兩個溫度值之間變化。
在本發明的一種實施例中，通過使流動在埋設於桶壁內的冷卻劑轉輪中的熱冷卻流體的速度逐漸變化，使得各處理工位中的熔體溫度沿著從中通過的壓出物的路徑變化，以便產生具有從工位的入口至出口的確定了的速率的冷卻作用，所提供的最冷的溫度大於Tc，該Tc的值是由一定冷卻速率所確定的。
在本發明的一種實施例中，冷卻流體在位於處理工位的短小部分中的轉輪之中循環，每個部分具有其自身的、由位於冷卻部分的入口或出口處的針門的打開/關閉的量所控制的流體速度。
在本發明的另一種實施例中，處理工位內的冷卻作用可通過增大或減小轉輪的橫截面積、並且/或者使它們的位置相對於處理下的移動熔體變化、以及/或者在冷卻媒質與熔體通道之間插入材料、散熱片或者不同導熱性的間隙(例如空氣間隙)來實現。
在本發明的又一種較佳實施例中，流過所埋設的轉輪的熱流體的溫度例如通過兩個不同溫度的兩種流體的有控制的混和、或者保持不同溫度的兩種流體連續通過的不斷重複的順序來變化。
在本發明的另一種實施例中，處理工位中的熔體溫度藉由與導電裝置相結合的介質加熱器和/或微波加熱器而局部變化。
當實施本發明時，可採用任何適當的溫度控制裝置。在閱讀本說明書之後，本技術領域中的那些熟練技術人員將能夠選擇最能滿足他們需要的溫度控制裝置。
在本發明的另一種實施例中，產生熔體拉伸下的剪切振蕩的設備被固定地調節為熔體溫度的函數，同時在工位中發生解開處理，以便保持與預定值相等的相對彈性(G』/G*)。當實施本發明時，可採用任何適當的、作為溫度函數的振蕩頻率和振幅的控制裝置，包括(但不僅於此)閉環控制器、PID控制器、模糊邏輯控制器等。在閱讀本說明書之後，本技術領域中的那些熟練技術人員將能夠選擇最能滿足他們需要的控制裝置。
在本發明的又一種實施例中，通過限定熔體的表面的相對移動來形成熔體恆速連續牽引的裝置恆定地調節為熔體溫度的函數，同時在工位中發生解開處理，以便保持與預定值相等的相對彈性(G』/G*)。當實施本發明時，可採用任何適當的、作為溫度函數的牽引速度的控制裝置，包括(但不僅於此)閉環控制器、PID控制器、模糊邏輯控制器等。
圖16示出了半結晶聚合物熔體的結晶溫度Tc的開始值上的冷卻速率的作用。以接近10℃/min冷卻的緩慢冷卻的熔體在240℃時開始結晶。這與圖16所示的下部跡線中的、與更密集相、即微晶的形成有關的比容的急劇下降相對應。圖17示出了非晶態的熔體彈性由於存在用作為高分子之間的交聯點的微晶而被分裂和幹擾。相對彈性不會因作為引起解開的標準的高分子間協同交互作用的增加而急劇增加，而是因交聯點的增加而增加。
圖16所示的上部跡線與以接近200℃/min冷卻的熔體相對應。結晶開始點現在為Tc＝180℃，低於用於緩慢冷卻的熔體的結晶溫度60℃。
Tc值上的冷卻速率的作用的結果是，熔體的非晶性質可保持至較低的溫度，這裡為額外的60℃。當使熔體迅速冷卻時，溫度下降，並最終到達發生結晶的新的Tc。例如，以200℃/min要花費18秒鐘從240℃冷卻至180℃。倘若我們以這樣一種方式來控制溫度、即溫度剛好在到達新的Tc之前開始升高，則熔體不結晶，並在整個延長的60℃上保持非晶態，這可通過拉伸疲勞下的剪切振蕩來增加它的彈性來獲得，以供解開之用。例如，倘若選擇當非晶態熔體的相對彈性(G』/G*)＝0.83時來解開該非晶態熔體，則圖17示出對於10rad/s的頻率而言，不能沒有在Tc＝242℃時開始發生強烈結晶的幹擾而到達該彈性級別。對於該頻率而言，(G』/G*)的值在結晶開始時僅等於0.3。通過採用更高的剪切振蕩頻率可使該值升高。利用施加給粘彈性熔體的流變特性的時間-溫度重疊原理，可計算應施加用以將T＝242℃時的熔體彈性從(G』/G*)＝0.3升高至(G』/G*)＝0.83的頻率。建議頻率為5,382 rad/s(857 Hz)。雖然實現該振蕩頻率是確實可行的，但它不夠經濟，並且/或者會在生產環境中引起嚴重的噪聲問題。一種較佳的方案正好是本發明的目的。處於經濟的原因，倘若溫度能被降至220℃，即低於緩慢冷卻速率上的Tc(因此，在不具備本發明裝置的情況下是不可行的)、但高於迅速冷卻速率的Tc，則用於升高至合適的解開範圍的振蕩頻率就變成為166 rad/s(27 Hz)，該頻率落在可接受的工業方案的實施範圍之內。將溫度進一步降至200℃可使振蕩頻率降得更低，以便保持(G』/G*)的相同值。
根據本發明，例如當應用於尼龍66，熔體溫度在解開處理期間以這樣一種方式下降，即通過在Tc上的迅速冷卻速率的作用而使Tc降低例如60℃，隨後又升高，以避免冷卻超過180℃(系迅速冷卻的熔體的Tc)，直到到達另一個溫度為止，冷卻循環在該階段上再次開始。更具體地講，上限溫度可為T＝245℃，而下限溫度為185℃。用於使溫度變化倒轉的循環時間為18秒鐘。這可由將能夠選擇最能滿足他們需要的溫度控制裝置的本技術領域中的那些熟練技術人員以多種不同的方式來實現。
一種有利且經濟的裝置在於以快速流率交替地泵送以兩個溫度積聚在等溫保持的液槽中的熱流體，其中一個溫度比循環範圍的上限溫度高大約15℃，而另一個溫度則比該範圍的下限溫度低同樣15℃。各個流體僅僅被泵送循環時間中的一段時間，以考慮在泵送流體轉換時發生的慣性作用。液槽中流體的溫度、連同用於交替泵送兩種流體的比例定時一起可進行調節，以便獲得適合解開處理的恰當的溫度輪廓。本技術領域中的那些熟練技術人員應知道如何設計和控制這種由均處於可從主計算機來方便地編程的伺服迴路中的溫度控制器、熱電偶、加熱和冷卻裝置、以及伺服控制的轉換閥所構築的系統。
在本發明的另一種實施例中，通過控制在位於處理腔的模具和/或桶體的內部的冷卻劑轉輪或冷卻外套中循環的冷卻劑熱流體的流率，使溫度的輪廓沿著流動熔體的路徑分布。例如，冷卻劑熱流體可在橫截面減小的螺旋狀轉輪中從處理工位的出口端朝著入口循環，當它更靠近工位的入口端時，進一步遠離熔體腔，從而形成沿著熔體流動軸線的冷卻能力梯度。模塑溫度控制領域中的那些熟練技術人員已知的其它裝置、諸如帶狀加熱器、熱管、散熱片、空氣間隙等，可用於在處理工位的入口與出口之間產生恰當的溫差，以便當熔體流過時形成所需的冷卻速率輪廓。工位與工位之間可重複相同的溫度輪廓，以便當解開進行時使熔體保持非晶態。
溫度一定，彈性與頻率一同增加。頻率一定，當溫度下降時，彈性增加。為了精確地控制各溫度上熔體的彈性量，本發明的一種較佳實施例在於調節剪切振蕩頻率的值，以使各熔體溫度上的解開最優化。因此，在本發明的一種較佳實施例中，處理工位的旋轉表面上每轉的凸肋、突部或溝槽的數量隨著該位置上熔體的溫度一同變化。當溫度下降時，凸肋裝置的密度減小，相反，當溫度沿著路徑升高時，則凸肋裝置的密度增加。
當解開系統由可單獨機械和熱控制的一系列小段部組成時，各段部溫度可與該溫度上的最優解開變量相關聯最佳振蕩頻率、最佳轉速以及用於拉伸疲勞的最佳應變幅度。溫度輪廓可由相鄰段部之間的溫差所決定。
當熱流體的溫度按時循環時，使振蕩頻率同步，以便根據程序變化，從而保持使解開在所有時間均最優化的所需的彈性輪廓。對於大多數實際應用而言，頻率可在1-100 Hz之間變化。
圖18示出了本發明的一種實施例500，它包含有形成在可連續旋轉(Ω)和/或可旋轉振蕩(ω，α)的轉子或圓柱體508的內外表面與內部固定的圓柱體或錐體504的外表面、以及外部固定的圓柱體或錐體512的內表面之間的一對聚合物熔體處理腔室或環形(圓柱形或錐形或兩者)間隙506和510。轉子506的表面設有本發明的凸肋裝置，並且/或者限定間隙506和510的固定件504和512的表面上具有凸肋裝置，只要在每個腔室中至少存在一組凸肋裝置。固定軸或支承件502承載著固定件504。
用於圖18所示實施例中諸表面的直徑的可能的例子為502的外徑為7.62釐米；504的外徑為15.24釐米；508的內徑為15.88釐米；508的外徑為23.50釐米；512的內徑為24.36釐米；以及512的外徑為32.98釐米。間隙506和510通常為1.6-6毫米，但取決於熔體類型和部件直徑也可更厚或薄些。這是針對用於聚碳酸酯的最小生產量65公斤/小時的。
圖19示出了本發明的一種實施例，它具有用於限定熔體處理間隙的內部、且可繞其軸線旋轉和/或振蕩的轉子、柱、螺杆、管或軸602。轉子602的表面中的凸肋裝置604採用蜂窩狀凸肋裝置的形式。雖然圖中示出的是六邊形蜂房的蜂窩狀裝置604，但也可採用其它的多邊形形狀。每個蜂房具有與流動方向F成角θ延伸的一對側壁606，該流動方向也與轉子的軸線相平行。每個蜂房還具有上遊和下遊橫向壁612、608，以及上遊和下遊傾斜壁614、610。橫向壁與流動方向F成斜角延伸，而傾斜壁則以銳角延伸。這些壁還與蜂窩狀裝置中的下一個側壁606的上遊和下遊端相交。發明人已發現，這種布局是非常有用的，當轉子旋轉時，它能在熔體流過各相交點時反覆且周期性地分割熔體，由此在各相交點處促進熔體的局部加速/減速，並產生粘度降低的作用。用於蜂窩狀裝置的壁的典型壁厚約為0.15-1.0毫米，這取決於轉子602的直徑D和轉速(連續和/或振蕩)、頻率和幅度以及熔體類型。壁高通常約為0.1-1.0毫米。介於側壁606之間的距離d也取決於轉子直徑、轉速和熔體類型。該距離d通常約為1.50-5.0毫米。角θ可為2-85°，或者較佳地約為30-60°。
圖20和21所示的實施例包括用於限定熔體處理間隙的內部、且可繞其軸線旋轉和/或振蕩的轉子、柱、螺杆、管或軸702。轉子702的表面中的凸肋裝置704採用使人聯想起鐵軌的軌道裝置的形式。該軌道裝置704是由相隔可與圖19所示的蜂窩狀裝置的距離d相比的距離1(大約0.1-1.2毫米)、且如圖19所示的實施例那樣、與流動方向F成角θ延伸的成對的平行軌道壁708所形成的。多個交叉或連接壁708延伸在軌道壁之間。軌道壁706的壁高hr約為0.5-1.5毫米，其寬度wr約為0.4-1.2毫米。取決於應變率加速要求，交叉壁708的基底沿著軌道壁彼此隔開的距離wb約為0.5到幾個釐米，且要短於軌道壁706，其高度e約為0.1-1.5毫米。各交叉壁的頂部寬度wt約為0.1-1.5毫米。交叉壁708的兩側與轉子702的表面成約為25-89°的角δ傾斜。
圖22是本發明應用在注射模塑機的熱轉輪系統中的閥門上的一種實施例。該閥門具有帶有用於容納聚合物熔體的通道804的門部分802並具有可由已知的驅動裝置沿著箭頭812軸向移動的閥面或端818的柱或杆808。為了打開或關閉通道、並允許或阻止熔體流入閥門套筒806，柱808朝著箭頭812所指的方向移動。在本發明其它實施例的情況下，柱808和/或套筒806的內表面承載著凸肋裝置810，且繞其軸線連續地和/或振蕩地旋轉(Ω；ω，α)。這樣就能顯著地降低熔體粘度和注射壓力。在溫度升高或不升高的情況下降低粘度，由此縮短循環時間。
可使柱808旋轉、且甚至軸向運動，以便將熔體在套筒806中推進。柱808的連續轉速是柱的直徑(例如約為6-15毫米)的函數，並且要比採用直徑大得多的管子的擠壓機的轉速(1-125rpm)要高得多(大約300-1700rpm)。
類似的布局也可適用於擠壓機部分、注射部分和已知的用於處理聚合物熔體的設備的各種其它可能的部件。
本發明的複合凸肋裝置可例如利用電鑄；電蝕刻；雷射焊接；雷射成形；放電加工(EDM)；蠟模鑄造或機械加工來製造。適用於轉子和桶體的材料為不鏽鋼、4140鋼、高洛氏硬度的銅等。對於轉子而言，例如直徑為9毫米、且長度為23釐米的杆的外表面可形成有凸肋裝置。對於桶體而言，可沿著平行於管子軸線的一平面切下例如直徑為18毫米的管子，其內表面形成有凸肋裝置，並且半圓柱形或半錐形的半部從背後焊接在一起。
作為總的考慮事項，應取決於要處理的聚合物熔體的類型、並根據本人的美國專利5,885,495號的標準來選擇和製造凸肋裝置的凸肋、突部和/或溝槽的形狀、幾何形狀、尺寸和間距。在具備該專利中所指導的流變參數(尤其是關於G』/G*)、由於熔體因凸肋裝置的壓擠和放鬆所形成的應變的頻率和幅度的情況下，這些設計標準對於特定的熔體而言可能是最佳的。
雖然已圖示且詳細地描述了本發明的具體實施例、以示出本發明原理的應用，但要理解的是，在不脫離這些原理的情況下，本發明還可由其它方式來實施。
權利要求
1.一種用於通過拉伸流動下的剪切振動引起至少剪切稀化來降低熔融的模塑聚合材料的熔體的粘度的設備，所述設備包括限定第一和第二表面的間隙裝置，所述第一和第二表面彼此隔開，以便在表面之間形成處理腔間隙，其中至少一個表面可相對於另一個表面移動，以便在位於所述間隙中的聚合物熔體上形成剪切變形；用於使其中至少一個表面相對於另一個表面移動的驅動裝置；位於所述第一和第二表面的至少其中之一上的凸肋裝置，所述熔體流過所述凸肋裝置的整個外部輪廓，所述外部輪廓被選擇成當熔體流過所述間隙時、並且當所述至少一個表面移動、以便形成熔體的局部拉伸加速和減速時，凸肋裝置在熔體上施加周期性變化的剪切應變率；限定間隙入口的入口裝置，熔體通過所述間隙入口流入所述間隙；限定間隙出口的出口裝置，熔體通過所述間隙出口流出所述間隙；以及與所述間隙入口相連接的、用於製備熔體並將熔體進給至間隙入口的進料器。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，包括與所述凸肋裝置相協配的、用於在所述間隙中的所述熔體上施加與疲蘿拉伸流動相關聯的所選頻率和振幅的剪切振動的驅動裝置。
3.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，包括與所述間隙出口相連接的、用於收集來自間隙出口的熔體的儲料器，用於改變施加在熔體上的剪切振動的振幅的裝置，用於使熔體從所述入口朝著所述出口連續地移動通過所述間隙的裝置，用於使所述處理腔間隙連續通風、以便防止在處理期間形成氣泡或氣穴的裝置，用於監視和控制容納在處理腔間隙之中的熔體的溫度的裝置，用於監視和控制位於間隙中的熔體的壓力的裝置，以及用於監視和控制施加在容納於處理腔間隙之中的熔體上的轉矩的裝置。
4.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，包括通過齒輪泵或螺旋泵彼此相連的多個間隙裝置，所述多個間隙裝置包括直接或通過齒輪泵和/或靜態混和器與擠壓機相連接的第一處理工位，與所述間隙出口相連接的、用於收集來自間隙出口的熔體的儲料器，以及與所述至少一個儲料器相連接的末尾工位。
5.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述凸肋裝置包括凸肋、突部和溝槽的至少其中之一。
6.如權利要求3所述的設備，其特徵在於，所述用於使熔體連續移動的裝置包括用於推動、牽引和泵送熔體的裝置的至少其中之一，所述設備還包括用於有控制地改變所述間隙的寬度的裝置。
7.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述間隙是大致平坦的，所述第一和第二表面是平坦的。
8.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述間隙呈環形。
9.如權利要求8所述的設備，其特徵在於，所述第一和第二表面的至少其中之一呈圓柱形。
10.如權利要求8所述的設備，其特徵在於，所述第一和第二表面的至少其中之一呈錐形。
11.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，包括用於使其中至少一個表面軸向移動、以便改變所述處理腔間隙的寬度的軸向驅動裝置。
12.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述凸肋裝置包括間隔設置的凸肋壁，所述凸肋壁的間距被選擇成可使由位於熔體中的一個凸肋壁所引起的應力場與由位於熔體中的一相鄰的凸肋壁所引起的應力場相重疊。
13.如權利要求12所述的設備，其特徵在於，所述凸肋壁以徑向、周向和螺旋形方向的其中一種方式延伸。
14.如權利要求13所述的設備，其特徵在於，所述凸肋壁是連續的。
15.如權利要求13所述的設備，其特徵在於，所述凸肋壁是間斷的。
16.如權利要求13所述的設備，其特徵在於，所述凸肋壁的高度沿著所述第一和第二表面的至少其中之一變化。
17.如權利要求13所述的設備，其特徵在於，所述凸肋壁呈V形。
18.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述間隙呈環形，並且其半徑在所述處理腔間隙的間隙入口與間隙出口之間至少改變一次。
19.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述凸肋裝置包括多個間隔設置的突部。
20.如權利要求19所述的設備，其特徵在於，所述突部呈多邊形。
21.如權利要求19所述的設備，其特徵在於，所述突部具有被選擇成用以消除熔體流過所述突部時的湍流的圓形外部輪廓。
22.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述間隙形成在可彼此對著旋轉而形成內部空間的多個外部轉子與可在所述內部空間內旋轉的內部轉子之間，所述內部轉子承載著所述凸肋裝置。
23.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述間隙是由圓環形外殼、內部轉子和一系列彼此相連且與所述轉子相連接的橢圓形件所形成的，所述橢圓形件可在所述圓環形外殼中旋轉。
24.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述間隙包括通過泵和轉子彼此相連接的一對殼體，所述轉子可在每個殼體中旋轉，並在各轉子與其相應的殼體之間形成間隙。
25.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述間隙呈環形，所述第一表面系轉子的外表面，而所述第二表面系用於容納所述轉子的桶體的內表面。
26.如權利要求25所述的設備，其特徵在於，所述驅動裝置包括用於使所述轉子作連續旋轉、並用於使所述轉子作所選頻率和振幅的剪切振動的振蕩旋轉的雙重驅動裝置。
27.如權利要求26所述的設備，其特徵在於，所述雙重驅動裝置包括能夠獨立地控制所述連續旋轉和所述振蕩旋轉的頻率和振幅的差動驅動裝置。
28.如權利要求27所述的設備，其特徵在於，所述差動驅動裝置包括周轉驅動裝置。
29.如權利要求28所述的設備，其特徵在於，包括與所述間隙相連接的擠壓機，所述周轉驅動裝置與所述擠壓機相連接，以便驅動擠壓機。
30.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述驅動裝置與所述凸肋裝置相協配，以便在所述間隙中的所述熔體上施加與疲蘿拉伸流動相關聯的所選頻率和振幅的剪切振動、加到至少使熔體解開的程度。
31.如權利要求30所述的設備，其特徵在於，包括與所述間隙出口相連接的、用於收集來自間隙出口的熔體的儲料器，以及位於所述儲料器中、用於使熔體在儲料器中移動、以使熔體中保持解開的解開保持裝置。
32.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述第一表面系擠壓轉子的外表面，而所述第二表面系用於容納所述擠壓轉子的擠壓桶的內表面，所述設備包括用於加熱和冷卻位於所述間隙中的熔體的溫度控制裝置，並且所述驅動裝置包括用於使所述轉子旋轉的馬達裝置。
33.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述第一表面系閥門杆的外表面，而所述第二表面系用於容納所述杆的閥門套筒的內表面。
34.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，包括具有出口、並構成所述進料器的至少一部分的擠壓機，以及連接在所述擠壓機出口與所述間隙入口之間、用於將熔體從擠壓機出口進給至間隙入口的十字頭模具。
35.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述第一表面系轉子的外表面，並承載著所述凸肋裝置，所述第二表面系用於容納所述轉子的桶體的內表面，間隙通過位於所述桶體上的、用於擠出熔體且用於解開熔體的多個工位。
36.如權利要求35所述的設備，其特徵在於，所述工位的至少其中之一包含有位於所述轉子上的、用於使熔體沿著所述間隙移動的螺旋結構，所述工位的至少其中之一包含有用於給位於所述間隙中的熔體加壓的裝置，並且所述工位的至少其中之一具有用於解開熔體的凸肋裝置。
37.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，包括與所述間隙相連的、用於接納來自所述間隙出口的已處理的熔體、或者向所述間隙入口提供未處理的熔體的至少其中一種的注射模塑機。
38.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，包括連接在所述間隙的下遊部分與所述間隙的上遊部分之間的、用於再循環至少一部分熔體、以便在間隙中進行額外的粘度降低處理的再循環裝置。
39.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，包括用於沿著所述間隙控制溫度的溫度控制裝置。
40.如權利要求39所述的設備，其特徵在於，所述溫度控制裝置沿著所述間隙控制溫度，以使熔體保持所選彈性。
41.如權利要求39所述的設備，其特徵在於，所述溫度控制裝置沿著所述間隙控制溫度，以使熔體沿著所述間隙保持其所選溫度輪廓。
42.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述凸肋裝置具有沿著所述第一和第二表面的至少其中之一的凸肋分布密度，所述設備包括用於沿著所述間隙控制溫度的溫度控制裝置，所述溫度被控制成沿著所述間隙作為所述凸肋密度的函數而變化，其中越高的溫度對應越高的凸肋密度。
43.一種用於製造解開的聚合物的設備，包括用於升高混和物的溫度、直到它熔融成熔體為止的裝置；用於通過拉伸疲勞變形下的剪切振蕩來使所述熔體經受解開處理、直到已將聚合物高分子之間的纏結狀態改變成如通過熔體粘度中的變化所測得的所需的級別為止的剪切裝置；用於在解開處理期間、以使聚合物的結晶溫度藉由結晶開始時的冷卻速率的動力作用而降低、同時又避免越過該轉變區域的方式來改變熔體溫度的熔體溫度控制裝置；用於將熔體輸送至工位的輸送裝置；以及用於使熔體經受使聚合物凝固的進一步操作的處理裝置。
44.如權利要求43所述的設備，其特徵在於，所述熔體溫度控制裝置能以所選速率來冷卻熔體，直到到達所選溫度為止，同時調節作為熔體溫度的函數的剪切振蕩頻率，以使熔體保持有利於解開效率的特定彈性狀態。
45.如權利要求43所述的設備，其特徵在於，所述熔體溫度控制裝置能以所選速率來冷卻熔體，直到到達所選溫度為止，同時調節作為熔體溫度的函數的剪切振蕩頻率，以使熔體保持有利於解開效率的特定彈性狀態，並且避免熔體斷裂。
46.如權利要求43所述的設備，其特徵在於，所述熔體溫度控制裝置能以所選速率來冷卻熔體，直到到達所選溫度為止，同時調節熔體所經受的、作為熔體溫度的函數的剪切流率，以使熔體保持有利於解開效率的特殊特性狀態。
47.如權利要求46所述的設備，其特徵在於，所述剪切裝置包括與熔體相接合的旋轉表面，與熔體相接觸的旋轉表面的轉速被編製成為熔體溫度的函數，以使熔體保持有利於解開效率的特定彈性狀態。
48.如權利要求47所述的設備，其特徵在於，所述旋轉表面的至少其中之一具有凸肋，所述旋轉表面上每轉的凸肋數量被選擇成用以形成局部拉伸剪切周期變形，凸肋數量隨著該位置上的熔體溫度一同變化。
49.如權利要求48所述的設備，其特徵在於，根據需要，當溫度下降時，位於解開處理的任何給定位置上的表面上的所述凸肋的密度減小，相反，當溫度升高時，則增加，以使熔體在各位置上保持有利於解開的特定彈性狀態。
50.如權利要求43所述的設備，其特徵在於，通過交替地冷卻和加熱熔體、同時進行解開、並且同時調節作為熔體溫度的函數的剪切振蕩的頻率和振幅、以使熔體保持有利於解開效率的特殊彈性狀態，所述熔體溫度控制裝置能使熔體溫度有控制地在兩個溫度之間變化。
51.如權利要求43所述的設備，其特徵在於，通過控制在所述處理腔的模具和/或桶體內部的冷卻劑轉輪或冷卻外套中循環的冷卻劑熱流體的流率，使所述熔體溫度的輪廓沿著流動熔體的路徑分布。
52.如權利要求51所述的設備，其特徵在於，冷卻劑熱流體可在橫截面減小的螺旋形轉輪中從處理工位的出口端朝著入口循環，當它更靠近工位的入口端時，進一步遠離熔體腔，從而形成沿著熔體流動軸線的冷卻能力梯度。
53.如權利要求48所述的設備，其特徵在於，模塑溫度控制領域中的那些熟練技術人員已知的熔體溫度控制裝置、諸如帶狀加熱器、熱管、散熱片、空氣間隙等被設計並致動成用以在處理工位的入口與出口之間產生恰當的溫差，以便當熔體流過時形成所需的冷卻速率輪廓。
54.如權利要求43所述的設備，其特徵在於，工位與工位之間可重複相同的溫度輪廓，以便當解開進行時，使熔體保持非晶態。
55.如權利要求43所述的設備，其特徵在於，在各工位的處理腔之中加上不同的溫差輪廓，以便在處理從一個工位進行到下一個工位時，考慮到被解開熔體的變化性質，並在解開時，使熔體保持非晶態。
全文摘要
一種用於連續地降低熔融的模塑聚合材料的粘度的設備和方法，系利用拉伸流動下的剪切振動來引起剪切稀化和/或解開。一個或多個工位處理腔(3)由間隙所限定，該間隙是由以一定轉速並且/或者以一定的頻率和振幅相對振蕩、以便在熔融的材料上形成剪切變形和使間隙尺寸作可控變化的、彼此相對運動的兩個接近的分離表面(6，7)所構成的。這些表面具有凸肋和/或突部和/或溝槽(5，12)的外部輪廓，熔融的模塑材料可從其上流過，並且/或者可被牽引和/或被推過和/或泵送過。處理腔具有熔融的模塑材料可通過其流入的入口(30)和可通過其流出各處理腔的出口(31)。
文檔編號B29K101/12GK1399587SQ00809033
公開日2003年2月26日 申請日期2000年6月12日 優先權日1999年6月15日
發明者讓-皮埃爾·伊巴爾 申請人:讓-皮埃爾·伊巴爾