肥皂條的製造方法及設備的製作方法
2023-07-29 15:45:06
專利名稱:肥皂條的製造方法及設備的製作方法
技術領域:
本發明涉及有關肥皂形狀的製造方法及用於所說方法的設備的改進。本發明具體地關於所謂肥皂「壓條機」以及使用改良壓條機的方法的改進。雖然本發明是結合具體的肥皂條的製造來說明的,但是應當理解,「肥皂」一詞延伸至包括非肥皂的表面活性劑的材料,其中包括合成表面活性劑,而且「形狀」一詞延伸至其他3-維固體形狀,包括肥皂條、坯、塊以及所謂的麵條狀。
生產肥皂條或坯的原料是含有適當比例的表面活性劑、其它功能成分及水的混合物。依該種混合物的組成的不同,其流變及加工特性有很大的差異。
通常,這種混合物的加工/最終加工包括各種不同的工藝步驟,例如均化、剪切處理以及成形為所要求的形狀。
一種執行上述一種或多種操作的應用非常普遍的裝置是壓條機。
簡單壓條機的功能是把混合物成形為具有要求斷面的條或坯,此條或坯隨後再用其它合適的手段切成較小的條或壓成具有要求形狀的扁塊。
精製-壓條機的功能是清除混合物中的所有砂質顆粒或雜質並進一步地對其實行均化/剪切加工,以達到要求程度的均勻性和相態結構。壓條機也可以用來將鬆散的聚集體/粒子/碎片轉變成粒料或麵條狀以便於中間貯存或隨之餵入後續的工藝驟中。
壓條機生產線的核心是螺杆擠壓機。最簡單的壓條機包括一臺單螺杆擠壓機。將原料,不論是經均化並成形的,還是切粒、麵條、皺縮的碎片甚至是(回用的)條料形式的,經料鬥加入到擠壓機機筒中並充滿擠壓機蝸杆(螺杆)與機筒之間的環形空間。機筒是固定的,而蝸杆在機筒內旋轉。機筒以及蝸杆表面處的摩擦/粘性拖曳力作用於物料。象一隻在靜止的螺杆上旋轉的螺帽那樣,合力把加工的物料朝著出料端向前輸送。在出料端,擠壓機可備有一多孔板,加工的物料被強迫通過這些孔。這就是通常所說的「麵條」板。加工過的物料以棍/帶/片的形狀從多孔板冒出來。
如果目的是生產用於中間貯存或用作下道工藝步驟的進料切斷麵條或粒料,就在出口端配上合適的切斷刀把擠出物切成較小的片料。如果目的是強化均勻或剪切作用或者濾除砂質類顆粒,則最好在多孔板前面裝上金屬網,但這往往會降低產量。如果目的是要將混合物料成形為坯料或條料,則在擠壓機的出料端配備一隻錐形件和一個塑形孔板,此時可裝也可以不裝多孔板。擠壓機迫使混合後的物料通過上述端部配件以生產出坯料或條料。不同用途的多孔板、錐形件及塑形孔板的式樣相差很大。
被稱做雙螺杆壓條機的機器具有2個平行、不嚙合並彼此相切地安裝在機筒裡的蝸杆(或螺杆)。此2蝸杆可以是彼此順轉的但通常它們是反轉的。用於肥皂/洗滌劑物料加工的嚙合並順轉的雙螺杆擠壓機也是已知的。在非嚙合雙螺杆壓條機以及嚙合順轉雙螺杆擠壓機中,類似於單蝸杆壓條機中遇到的拖曳力作用於被加工物料上並將其朝前推進。
雖然看上去螺杆擠出明顯是個簡單的操作,但是,從產品質量、產率、比能耗等指標來看,其效果受到多種因素以較為複雜的方式影響。一般而言,壓條過程受肥皂物料因素的影響,同時也受機器因素的影響。重要的是要權衡各種因素以便獲得最佳的效果。隨著加工物料朝前運動,物料由於摩擦和剪切生熱而變得熱起來。在某些配方的情況下,還可發生相當數量的結構分解。在某些情況下,產生的熱量使加工物料的溫度上升到超過規定的限度,從而對肥皂的某些性能產生不利的影響。下面列舉迄今已知的使用單螺杆壓條機、雙螺杆壓條機及嚙合、順轉擠壓機的肥皂最終加工工藝的一些缺點1.產率對金屬網、多孔板、錐形體及模板產生的阻力非常敏感。
2.被輸送的加工物料可能受到過度的剪切,從而導致流變損害及溫升。而這些又可能造成最終使用性能的惡化以及擠出的成形料較軟從而在下遊加工中產生連帶的問題。過度和浪費的剪切耗散還會導致能量效率降低。
3.為達到合格的產物溫控及壓送特性,必須採用15℃以下,較好10℃以下的冷凍冷媒來冷卻機筒。這種要求又造成在冷凍裝置及操作方面的額外投資及花費。
4.傳統的擠壓機的送料特性對被加工物料的流變性質非常敏感。而肥皂/洗滌劑條的流變性對其配方又非常敏感。因此,為了實現滿意的加工,對配方就施加了若干限制。這些限制嚴格地制約具有改良/新穎功能作用,譬如潤膚、增溼等等的肥皂/洗滌劑條料的製造,而這些作用恰恰可以通過改變配方來達到,其中包括使用替代的洗滌活性劑(如羥乙磺酸烷基酯)、功能成分,如護膚劑、象脂肪酸類、礦物油和石蠟油以及矽氧烷等。
在長達半個多世紀的肥皂壓條生產的歷史中,肥皂條的設備製造商及生產廠家一直在研究和開發具有各種不同形式特徵和參數的壓條機蝸杆,但是沒有一種能夠足以減少上面的缺點。
本發明的一個目的在於儘量減少,且最好是避免上述的缺點。
現在我們肯定,上述缺點中某些或全部可以通過採用嚙合、反轉雙螺杆擠壓機加以克服,其中螺杆為非匹配且其長徑比大於1。
於是,按照本發明的第一方面,提供了一種肥皂形狀的製造方法,該方法包括把肥皂原料通過一種嚙合、反轉雙螺杆擠壓機的處理步驟,其中2螺杆帶有彼此相反的螺紋、不匹配且螺杆長徑比大於1∶1。
本發明的第二方面提供製造按照權利要求1的方法的肥皂形狀的設備,所說設備包括嚙合、反轉雙螺杆擠壓機,其中螺杆的螺紋彼此相反、不匹配,且螺杆的長徑比大於1∶1。
這種處理提高了任何轉速下的產率,最大限度地降低了產率對原料流變性質及冷卻劑循環的依賴,最大限度地減少了對產品的流變破壞和溫升,還大大降低了擠壓機操作的比能耗。
「不(非)匹配」的螺杆意思是說,在使用期間,擠壓機中的2螺杆不是互為鏡象的。這一點可以通過保證讓一個螺杆的螺稜後側面置於緊靠第二螺杆相鄰螺稜前側面來達到。
典型地說,該擠壓機包括2個帶相反螺紋,緊密嚙合的螺杆,它們能旋轉地安裝在機筒的內部,該機筒有第一進料端和第二出料端,所說螺杆具有最小的螺杆與螺杆及螺杆與機筒之間的間隙,這樣隨著物料從所說第一端朝所說第二端沿機筒的至少一部分通過,便被分割成被螺杆及機筒表面所約束的不連續、基本上呈C字形的料段,並被送入一條通道,藉此物料整體沿大致平行於螺杆旋轉軸線運動。
用以實施上述方法的擠壓機可以包括一個機筒,內裝一對嚙合螺杆,它們被布置成彼此自動刮料的。所說機筒的一端備有用來把原料加入到機筒的手段。機筒的第二端備有把物料成形為各種肥皂形狀的手段。
此螺杆可以從擠壓機上拆下來,而且當需要時能夠換上另一對具有不同螺紋形狀的螺杆。此螺杆既可以是連續的也可以是分段的。分段螺杆具有可拆御的段,各具有不同的螺距,以便可根據被加工物料的組成不同對它們進行組合。此螺杆可以是單頭的也可以是多頭的。
下面,僅為說明的目的,結合附圖來說明本發明,這些附圖是
圖1.表示一臺典型的嚙合、反轉雙螺杆擠壓機的示意圖,其敞口端為螺杆斷面圖。
圖2.表示典型的擠壓機/機筒組裝件的剖面圖,其中有完全嚙合的反轉螺杆。
圖3.表示按照本發明的一個具體實施方案的螺杆的橫截面輪廓;虛線表示進料區螺杆輪廓,而實線則表示出料區的螺杆輪廓,以及圖4.表示按照本發明的一個優選具體實施方案的2個嚙合螺杆的俯視圖。
圖5.-11以曲線的形式表示出採用按照本發明的擠壓機所做的實驗的結果。
如圖所示,擠壓機包括安裝在機筒3中的2個互齧螺杆1和2,機筒可以帶也可以不帶夾套,且螺杆由馬達和驅動齒輪組件4驅動。這2個螺杆帶有彼此相反的螺紋,並緊密地互相嚙合。當一個螺杆頁時針旋轉時另一個螺杆逆時針旋轉。畫出的螺杆是單頭螺杆,但它們也可以是多頭的。
本發明的螺杆在出料區8(圖4)處基本上互相嚙合。在典型的擠壓機中,出料區經受最大的操作壓力,因此迄今所使用的擠出機裡,被加工物料大部分剪切降解、發熱以及隨之而來的溫升,乃至因內部發生循環導致的產量下降都發生在這一區域。而在本發明中,此基本互相嚙合的出料區保證了多個基本上封閉的C字形室的存在,這就使得肥皂/洗滌劑物料得以牢靠地前進,其中內部循環極少,因此能保持較高的產量、較緩和、極輕的產品結構降解及極少的發熱,乃至極小的溫升。較好是,此基本嚙合進料區的長度為螺杆「導程」的1-3倍,更好為螺杆導程的1.5-2.5倍,以便獲得充分的正位移型壓送作用,同時螺杆操作不消耗過大的電力。
在操作擠壓機時,需要把不連續的粒狀或結團物料壓實成均一的擠出物。可以通過從鄰近進料端5到鄰近出料端6以這樣的方式改變螺杆的斷面輪廓(見圖4)來做到達一點,即從出料區到進料區逐漸/遞增地加大螺稜寬度,較好增加50%以上。與此同時,還可以任選地改變螺杆的螺距角來改善壓實作用。較好鄰近出料端螺距角為8-20°,更好8-18°;而在鄰近進料端,較好8-30°,更好8-18°。
圖4表示了一對「非匹配」螺杆,其中一隻螺杆的螺稜後側間與第2個螺杆的相鄰螺稜前側面靠得很近。這是通過在鄰近出口端處讓一個螺杆的螺稜平均位置與第二個螺杆對應螺槽的中心對齊,但沿著過渡區7的長度方向較快地改變二螺杆之一的螺距角,來實現的(見圖4)。
擠壓機進料端備有一隻料鬥5,肥皂物料通過它進入擠壓機。在擠壓機的另一端裝有傳統的附件(未畫出),例如多孔板(帶或不帶金屬濾網)、切粒刀、錐體頭及模眼板,它們根據要求的產品形狀(如粒子、坯料或條料)做相應的組合。
螺杆的全長,即進料區6、過渡區7和出料區8的長度之和(見圖4),較好是直徑的2-8倍,更好是直徑的3-8倍。較長的螺杆對壓送特性有利。但是長度較長,每單位產量的耗電也較高,且肯定造成基本投資也較高。所以最好是讓螺杆總長度等於3-5倍的直徑。
為了儘量減少能耗和發熱,希望減少螺紋稜面與機筒之間的摩擦。故在本發明的一個優選的具體實施方案中,把螺紋的寬稜面,尤其是在出料端和過渡區,如圖4所示,沿其後邊緣切出一個臺肩。
為了降低設備的製造成本,以便其在肥皂/NSD(新型合成洗滌劑)條工業中的應用在經濟上能過關,此螺杆至少部分地用鑄造工藝製造。合理的如上述的長徑比及充裕的二螺杆間的轉動(以及移動)間隙使得有可能採用低成本的鑄造方法來加工本發明使用的蝸杆。二螺杆間的間隙完全由螺杆的橫斷面決定。圖2表示了一對典型螺杆的橫截面,二者充分嚙合,帶有極小的間隙。圖3表示了一個用於本發明的螺杆的典型橫斷面,它具有減少的斷面(陰影部分)面積。這種在斷面幾何形狀上的松配做法相應地加大了二螺杆間的轉動(及移動)間隙。優選的是,基於名義橫斷面幾何形狀,出料區的二螺杆間公稱轉動間隙大於5°。這樣的間隙不僅允許使用低成本鑄造技術來製造蝸杆,而且能容忍傳統互切雙蝸杆壓條機的低成本齒輪箱裡的齒輪遊隙和竄動。
雖然上面描述的擠壓機一律具有單級擠壓機機構,但是將會明白,本發明同樣地能實施於2級或其他多級擠壓機,而且尤其是那些對應於多級真空壓條機或精製機的情況。
在加工期間,達二蝸杆由馬達-驅動齒輪組件4(圖1)帶動反向旋轉。料鬥5中的物料(圖1)被捲入蝸杆進料區6(圖4)中。進料區裡的螺杆部分將結團及粒狀進料輸送到過渡區。過渡區的螺杆部分把加工物料壓實並送到出料區。隨著螺杆轉動,每一個所說封閉C字形室內的物料被沿直線輸送並推過多孔板上的孔成為互相粘連的麵條狀進入錐形件中,再從模嘴出來變成具有要求斷面的連續的一條。如果需要的是麵條狀產品,則只需要多孔板作為最終附件(帶或不帶精鍊金屬絲網)。加工的物料呈麵條狀從多孔板的孔裡排出。需要粒子時,便採用一種旋轉刀把排出的麵條切成粒。若需要的產品形狀是條或坯料,則使用錐形件或模嘴板作為最終附件(帶或不帶多孔板)。當被從錐形件及模嘴板中擠出時,加工物料因受螺杆出料區的朝前推力,被熔融並成形為條或坯的形狀。
現已令人驚奇地發現,儘管所用螺杆長度短(如前所述)而且二螺杆間有間隙(由於前面解釋的原因),但本發明的螺杆壓送性能卻比以前所試驗過的壓條機蝸杆中任何一個(均屬先有技術的一部分)遠為優越。本發明的蝸杆能在任何轉速下獲得較高的產率,不論肥皂/NSD產品的流變特性或配方如何。
還驚奇地發現,與單螺杆或互切雙螺杆壓條機不同,這類壓條機需要使用15℃以下,甚至更好使用10℃以下的冷凍冷媒來冷卻機筒以防止物料轉動和肥皂產率的急劇下降,本發明的擠壓機不用冷媒也仍然能滿意地工作。可以任選地使用適當溫度,例如5℃-35℃的冷媒來實現產物冷卻及溫控,但這對擠壓機的送料作用是不重要的。取消了使用冷凍冷媒的需要還可以取消在冷凍裝置上的投資,並從而降低基本費用。
還驚奇地發現,儘管本發明擠出機的產量較高,但與目前使用的單螺杆或互切雙螺杆壓條機相比,其比功耗要少得多。這不但使得操作成本較低,而且使得每單位產量的基本投資降低這種壓條機本身使得可以降級選用佔壓條機成本的60%以上的驅動組件。
下面的實例用來說明本發明實例採用2種不同的肥皂/洗滌劑條的配方進行了實驗,以比較按本發明的單級壓條機與傳統壓條機的性能。
試驗了4對(E1、E2、E3和對比的E*)不同的螺杆,它們的螺距角以及其他特徵則載於下面的表1
兩種壓條機均設計成採用輸出軸中心距為100mm的反轉驅動齒輪箱操作的。兩種壓條機的蝸杆具有相同的螺槽深度25mm。兩種壓條機的蝸杆總長度相同,即約500mm。傳統互切蝸杆的螺距角按熟知的優化技術從進料區的12.6°變到出料區的9°。本實例的壓條機蝸杆螺距角從進料區的12°-18°變到出料區的12°-18°(見表1)。實例蝸杆的螺稜寬度還從出料區至進料區減少了約60%。蝸杆E1的螺稜面在其後邊緣被挖下了5mm以減少該稜面與機筒間的摩擦。蝸杆E1的出料區長度等於1個螺旋「導程」。蝸杆E2和E3出料區長度等於1.5倍螺旋導程。它們的長徑比為4.0。充分嚙合出料區裡的螺杆橫斷面幾何形狀名義轉動間隙約為10°。蝸杆是採用低成本的製造傳統蝸杆的方法製成的,涉及鑄造技術的應用。
第一組實驗中使用的原料為麵條形式的含脂肪酸鈉鹽作為表面活性劑的3種香皂配方,即A、B和C。
實驗所用的肥皂配方如下肥皂A78%總脂肪類1.3% 香料12.0% 水其餘為著色劑,TiO2湊足100%肥皂B50%Cocyl羥乙磺酸鈉20%硬脂酸5% 羥乙磺酸鈉4% 椰子脂肪酸5% 水1.65% 香料8.3% 82/18椰子/牛脂皂3.0% 硬脂酸鈉2.0% 線型烷基苯磺酸鹽其餘為著色劑、鹽、TiO2肥皂C73.9% 82/18椰子/牛脂皂8.9% 帶20個EO的C16-C18非離子乙氧基化物3.6% 棕櫚核油脂肪酸13.0% 水0.6% 鹽將用來冷卻按照本發明的壓條機機筒的水溫從7℃變到30℃。將用於冷卻傳統壓條機機筒的水溫從14℃變到30℃。進料麵條的溫度大約為28-33℃。在每種壓條機上進引了幾次實驗。採用傳統方法測定了產率、比能耗、對冷媒溫度的敏感性、塑性屈服應力等。
在第二組實驗中,在一臺大型西格馬混合機裡製備了若干每批30或40kg的非肥皂洗滌劑(NSD)麵團(或分為22%線型烷基苯磺酸、4%蘇打、8.3%高嶺土、42%方解石、6%無機結構劑、1.5%無水鹼性矽酸鹽、8.3%STPP、6%水分及少量香料、著色劑、TiO2等)。麵團製備完成之後立即用麵條機將其製成麵條狀。
為防止冷卻和變硬,把新製備的麵條不延誤地作為原料專門研究了新型壓條機的送料特性。採用30-31℃的冷卻水冷卻按照本發明和傳統壓條機的機筒。依批號不同進料麵條的溫度在39-45℃之間。
在肥皂A、B、和C的情況下,新型壓條機的產量是傳統壓條機產量的1.5-2.5倍,且新型壓條機的比能耗比傳統壓條機少了50-85%(見圖5-9)。既使當新型壓條機的冷媒溫度為30℃,而傳統壓條機的冷媒溫度為15℃,2壓條機的進料到擠出物的溫度升高大致相同。這證明,在新型壓條機情況下,可以用環境溫度的冷卻水來代替冷凍水。圖7和圖8清楚地顯示,新壓條機即使不用冷凍水冷卻機筒也能滿意地運轉,然而當傳統壓條機用未冷凍的水冷卻機筒時,由於物料在壓條機內轉動致使產率急劇下降。這進一步表明,與傳統壓條機呈對照,新型壓條機具有高度正位移特性。圖9表明採用帶不匹配螺杆(E2)比帶匹配螺杆(E*)的壓條機的優越性。圖11說明,新壓條機在任何轉速之下不論肥皂的流變性(圖10)和配方如何均能獲得較高的產率。這一點得到表2所示的關於NSD條的數據的進一步支持,表中顯示,新壓條機的產率是傳統壓條機的1.5倍,且其比能耗比傳統壓條機低了30%。
表2洗滌劑(NSD條)E3 傳統壓條機冷媒溫度,℃ 31 30淨功率kw 1.451.43產率,kg/h 197 136比能耗度/噸 7.4 10.5雖然對按照本發明的壓條機/擠壓機已具體地結合肥皂/洗滌劑成形做了描述,但是應當理解,它還能被應用在其他的領域。
權利要求
1.一種肥皂形狀的製造方法,該方法包括將肥皂/洗滌劑原料經過一臺嚙合、反轉雙螺杆擠壓機的處理步驟,其中該螺杆帶有彼此相反的螺紋、不匹配且此螺杆的長徑比大於1∶1。
2.製造按照權利要求1的方法的肥皂形狀的設備,所說設備包括嚙合、反轉雙螺杆擠壓機,其中該螺杆帶有彼此相反的螺紋、不匹配且此螺杆的長徑比大於1∶1。
3.按照權利要求2的製造肥皂形狀的設備,其中該擠壓機包括能旋轉地安裝在機筒內的2隻螺紋相反、緊密嚙合的螺杆,機筒具有第一進料端和第二出料端,所說螺杆具有最小的螺杆與螺杆及螺杆與機筒間的間隙,以致隨著原料沿著從所說第一端朝所說第二端的至少一部分機筒通過,它便被分割成許多由螺杆和機筒的表面約束的、不連續的基本呈C字形的料段並被送入一通道,藉此原料的總體沿大致平行於螺杆旋轉軸線移動。
4.按照權利要求3的設備,其中每個螺杆獨立地具有從機筒的進料端到出料端變化的斷面輪廓,以致螺稜寬度從進料端到出料端增加50%以上。
5.按照權利要求3的設備,其中螺杆的螺距角從鄰近機筒出料端的8-20°數值範圍改變成鄰近機筒進料端的8-30°數值範圍,以致第一螺杆的螺稜後側面與第二螺杆前側面相緊貼。
6.按照權利要求3的設備,其中在鄰近進料端和出料端區域中第一螺杆的螺距角變化比第二螺杆的螺距角變化小。
7.按照權利要求2的設備,其中每個螺杆的長徑比獨立地為3-8。
8.按照權利要求3的設備,其中鄰近出料端的第一與第二螺杆之間的轉動間隙至少是5°。
9.按照權利要求2的設備,進一步包括冷卻機筒內物料的冷卻手段。
10.按照權利要求9的設備,其中該冷卻手段包括使冷卻流體在2個螺杆之一或兩者內部的通道內循環的手段。
11.按照權利要求9的設備,其中冷卻手段包括使冷卻流體沿著機筒周圍的冷卻夾套循環的手段。
全文摘要
本發明提供一種製造肥皂形狀的方法,包括讓肥皂原料通過嚙合、反轉雙螺杆擠壓機的處理步驟及按照該方法的肥皂成型設備,所說設備包括嚙合、反轉雙螺杆擠壓機,其中擠壓機包括2根帶有相反的螺紋、緊密嚙合的螺杆,該螺杆是不匹配的,而且其長徑比大於1∶1,能旋轉地安裝在機筒內部,該機筒具有第一端和第二端,所說螺杆具有極小的螺杆與螺杆和螺杆與機筒間的間隙,這樣,隨著原料沿從所說第一端朝所說第二端的機筒的至少一部分通過,便被分割成許多由螺杆和機筒表面約束的不連續、基本上呈C字形的料段並被沿一條通道輸送,這樣,原料的總體沿著大致平行於螺杆旋轉軸線移動。
文檔編號C11D13/10GK1140468SQ95191627
公開日1997年1月15日 申請日期1995年1月28日 優先權日1994年2月15日
發明者K·D·喬卡帕, V·M·奈克 申請人:尤尼利弗公司