用於聚合物粉碎擠壓的方法和設備的製作方法

2023-05-17 02:56:31

用於聚合物粉碎擠壓的方法和設備的製作方法
【專利摘要】本發明大體上涉及聚合物材料粉碎。更具體地，本發明涉及用於生產顆粒狀變形聚合物的擠壓方法和設備，該顆粒狀變形聚合物顆粒具有對下遊工業使用更加有用的最終脫硫表面區域。具體地，本發明涉及粉碎擠壓方法和設備，其使用在此描述的可變進料螺杆轉矩和可變主螺杆速度的特定結合連同擠壓機筒體和擠壓機主螺杆的聯合溫度控制。
【專利說明】用於聚合物粉碎擠壓的方法和設備

【技術領域】
[0001] 本發明大體上涉及通過粉碎擠壓將聚合物材料變形成碎粒。更具體地，本發明涉 及用於生產顆粒狀變形聚合物的擠壓方法和設備，該顆粒狀變形聚合物具有對下遊工業使 用更加有用的最終脫硫表面區域。具體地，本發明涉及粉碎擠壓方法和設備，其利用在此描 述的可變進料螺杆轉矩和可變主螺杆速度的特定結合連同擠壓機筒體和擠壓機主螺杆的 聯合溫度控制。
[0002] 雖然參考諸如舊輪胎和舊橡膠傳送帶之類的使用壽命結束的橡膠產品的處理將 便於描述本發明，但是本發明不限於該應用，並且可被用於處理其它類型的廢棄聚合物材 料。
[0003] 其中在此使用的術語"廢棄"聚合物材料旨在寬泛地解釋，例如，指不再需要用於 其初始應用的聚合物材料或其從工業過程中作為過量物或副產品產生的聚合物材料。
[0004] 其中在此使用的術語"碎粒"是指尺寸為幾釐米和更小的顆粒狀材料。

【背景技術】
[0005] 貫穿該說明書的討論是由於發明人的認識和/或發明人對某個相關領域的問題 的識別而產生。而且，在該說明書中對諸如文獻、設備、行為或知識之類的材料的任何討論 都被包括以根據發明人的知識和經驗解釋本發明的背景，並且因此，任何這種討論不應當 被看作是承認任何材料構成澳大利亞或別的地方的現有技術基礎的一部分或相關領域的 公知常識。
[0006] 聚合物材料包含寬範圍的聚合物，包括天然橡膠共聚物和合成橡膠，諸如SBR(丁 苯橡膠）和丁二烯橡膠、氰基橡膠、異戊二烯橡膠、氯丁橡膠以及聚硫橡膠。各種各樣的其 它有機的和無機的化學物質也被添加到諸如輪胎和橡膠傳送帶的聚合物產品，包括硫化 齊IJ、促進劑、抑制劑、顏料、填料、增強劑、軟化劑、抗氧化劑和乾燥劑。
[0007] 本文描述的粉碎擠壓工藝可被用於對所述廢棄聚合物材料進行有效的再加工，由 此發明人的認識使與本發明的權利要求書有關的擠壓能夠具體用於精確地定製最終的擠 壓顆粒狀聚合物材料，以更加有用的顆粒尺寸和相關表面區域適合更下遊的增值工藝的需 求，以使所述廢棄聚合物材料能夠在工業中更多利用。
[0008]通討擠壓粉碎
[0009] 在廢棄聚合物材料可對下遊工業使用變的更為有利之前，其必須通過諸如粉碎的 方法被減小為小尺寸顆粒。聚合物的粉碎技術通常依靠根據聚合物在特定的溫度下對聚合 物施加壓縮剪切力的螺旋擠壓機。
[0010] 基於該方法，使用可實現粉碎的擠壓機對廢棄聚合物材料進行固態剪切擠壓粉碎 已由本發明提出，所述發明還更加有效地並且有利地導致所述廢棄聚合物材料同步的最終 變形和表面脫硫。
[0011] 與使用擠壓機進行粉碎相關的一個主要問題是控制在粉碎區中由於壓縮和剪切 作用而產生的大量熱量。
[0012] 此外，需要優化粉碎擠壓機和粉碎擠壓工藝，其可提供定製為適合下遊工業工藝 需求的產品。
[0013]擠壓概沭
[0014] 已知擠壓機擠壓進料，施加壓力直到其從該擠壓機噴出。有許多不同的擠壓設備 的變型，但是最典型地，其包括用於容納和供給原材料的料鬥和用於施加壓力的液壓或機 械驅動裝置。大多數擠壓機包括用於成形擠壓的最終產品的模具。
[0015] 用於施加壓力的裝置通常包括由電動機提供動力的單螺旋推運器或雙螺旋推 運器，或者由液壓驅動的夯錘。通常用於擠壓機的螺杆包括單螺紋計量螺杆、單分離型 螺杆、雙分離型螺杆、可變螺距螺紋（variablepitchflight)、多頭螺紋（multi-start flight)、帶槽螺紋（slottedflight)和諸如用於排氣擠壓機的兩級螺杆。
[0016] 擠壓工藝通常被描述為"熱"、"溫"或"冷"：
[0017] ?熱擠壓在高溫下進行以防止材料加工硬化並且使其易於推動材料，尤其是如果 其通過模具。
[0018] ?溫擠壓在高於室溫但低於材料的再結晶溫度下進行。其通常用於實現所需的 力、延展性和最終的擠壓特性之間的平衡。
[0019] ?冷擠壓在室溫或接近室溫下執行。冷擠壓比熱擠壓具有一定的優勢，包括沒有 材料氧化、更精確的公差和良好的表面光潔度。
[0020] 硫化和脫硫
[0021] 硫化是將硫加入到聚合物中以提供在製造的聚合物產品中期望的性能的熱化學 工藝。其是用於通過添加硫將橡膠或相關聚合物轉化為更加耐用的材料的化學工藝。其尤 其廣泛地用在輪胎和橡膠傳送帶的生產中。
[0022] 通常，為了能夠再利用來自製造的聚合物產品的聚合物材料，首先需要回收該聚 合物。回收的主要步驟是脫硫。
[0023] 脫硫是使聚合物的分子間鍵諸如硫-硫鍵斷裂及進一步縮短聚合物鏈的工藝。這 通常通過化學、超聲、微波或生物處理進行，然而在本發明藉助控制熱環境被機械地實現 此。
[0024] 本發明的粉碎廢棄聚合物材料的表面區域的最終脫硫通過使用在此描述的用於 通過更經濟的機械脫硫手段選擇性地斷裂硫-硫鍵的粉碎擠壓機，通過擠壓機對廢棄聚合 物材料進行強烈的機械加工，同時使所述廢棄聚合物材料在一個工藝進程同時經受範圍從 熱擠壓到冷擠壓的溫度變化以避免特定的聚合物材料的軟化點被批處理而被實現，其中所 述批量材料的軟化點是材料軟化超過由例如維卡軟化點方法（ASTM-D1525或ISO306)確 定的軟度的溫度，以獲得固態聚合物碎粒，其中硫-硫鍵在所述聚合物碎粒的表面區域上 被切斷而沒有對最終碎粒整體脫硫。
[0025] 為了說明本發明的與通過本發明對例如用纖維增強的橡膠聚合物材料進行脫硫 有關的優選實施例的目的，在同一工藝進程期間熱擠壓工序的上限溫度達到300°C的最大 溫度，並且隨後迅速下降到室溫，以防止如下面的纖維增強橡膠降解實驗圖所示的橡膠的 降解，並通過熱衝擊優化其產生相對於最終橡膠碎粒的尺寸而言更大的表面區域的固態表 面區域特性。
[0026]

【權利要求】
1. 一種用於至少部分地使聚合物材料脫硫的聚合物粉碎方法，該方法包括： 將聚合物材料放置到進料鬥中以便受到轉矩受控的進料螺杆元件的作用， 在所述轉矩受控的進料螺杆元件的作用下將所述聚合物材料從所述進料鬥填裝到擠 壓機筒體中以進行結合的機械和熱加工，以及 通過擠壓機的包含在其筒體內的用於抵靠所述筒體的所述內部帶槽套筒來執行粉碎 加工的主螺杆元件粉碎所填裝的所述聚合物材料，所述主螺杆元件利用與所述進料螺杆元 件的轉矩控制同步的可變速驅動，並與所述擠壓機的所述筒體和所述主螺杆元件兩者的聯 合溫度調節結合，以提供具有至少部分脫硫表面區域的尺寸減小的幾何變形的聚合物碎粒 產品。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述擠壓機的所述筒體和所述主螺杆元件兩者的 聯合溫度調節對所述擠壓機的工作區提供從室溫到300°C範圍內的熱調節。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中所述主螺杆元件的可變速驅動與所述進料螺杆元 件的轉矩控制之間的同步通過轉矩調節電動機反饋和前饋通路的結合被實現。
4. 根據前述權利要求中的一項或更多項所述的方法，其中所述進料鬥的所述轉矩受控 的進料螺杆元件與位於所述進料鬥內的用於計量粒狀材料的裝置結合。
5. 根據前述權利要求中的一項或更多項所述的方法，其中被放置到所述進料鬥中的所 述聚合物材料的尺寸為15毫米或更小的尺寸。
6. -種聚合物粉碎擠壓機設備，包括： 進料鬥，包括轉矩受控的進料螺杆元件，該轉矩受控的進料螺杆元件具有反饋迴路和 前饋迴路的結合，該反饋迴路和前饋迴路的結合控制所述進料螺杆的可變速驅動三相交流 電動機的轉矩以將聚合物材料填裝到擠壓機筒體中， 擠壓機筒體，容納用於與位於所述進料鬥內的所述轉矩受控的進料螺杆元件的填裝工 作協同地且抵靠所述筒體的所述內部帶槽套筒來執行粉碎工作的可變速驅動操作的擠壓 機主螺杆元件， 內部中心管道，位於所述擠壓機主螺杆的空心內且在所述擠壓機主螺杆的內部中心縱 向軸線處，用於向所述擠壓機主螺杆的擠壓模具端傳送液體溫度控制介質，並且能實現所 述液體溫度控制介質在所述擠壓機主螺杆的內部中心縱向軸線的空心內部圍繞所述管道 的外側的返回流動， 外部熱調節元件，位於所述擠壓機筒體的外表面上，諸如例如冷卻套管或電磁熱交換 器，連同所述擠壓機主螺杆的所述內部中心管道進行協調溫度控制，和 延伸通過所述擠壓機筒體的圓柱形主體到所述擠壓機筒體下方的內部套筒的邊界的 熱電偶，以及進一步延伸通過所述內部帶槽套筒的主體到所述內部帶槽套筒下方的環形元 件的邊界的熱電偶，用於調節所述外部熱調節元件和所述內部中心管道兩者的所述協調溫 度控制。
7. 根據權利要求6所述的聚合物粉碎擠壓機設備，其中所述主螺杆元件具有位於所述 內部帶槽套筒內的一組環形元件，所述環形元件的內圓周被成型為構成一組在一端具有沿 徑向方向的實質深度並且逐漸放緩直到另一端融合消失在所述環形元件的內圓周中的部 分螺紋。
8. 根據權利要求6和7所述的聚合物粉碎擠壓機設備，其中所述主螺杆的一組環形元 件的部分螺紋使每個部分螺紋的深端沿圓周方向與下一個部分螺紋的消失端相鄰，但是相 鄰的部分螺紋的所述深端和消失端由於部分螺紋的縱向螺距而沿軸向方向彼此偏離。
9. 根據權利要求6至8所述的聚合物粉碎擠壓機設備，其中所形成的每個部分螺紋的 深部分具有基本與所述螺杆的螺紋的鄰近部分接觸的徑向尺寸，所述部分螺紋的縱向螺距 不同於所述螺杆的螺紋的相接部分的縱向螺距。
10. 根據權利要求6至9中任一項所述的聚合物粉碎擠壓機設備，其中所述設備的主螺 杆由連續接合的較短的區段構成。
11. 根據權利要求6至10中任一項所述的聚合物粉碎擠壓機設備，其中所述主螺杆元 件由一幾何形狀構成，藉以該幾何形狀，所述主螺杆元件的主幹的直徑從所述進料鬥的喉 部逐漸減小直到到達前方末端處的擠壓模具，所述螺杆上的螺紋的縱向螺距從後端向前端 減小。
12. 根據權利要求6至11中任一項所述的聚合物粉碎擠壓機設備，其中所述聚合物粉 碎擠壓機設備被構造為承受高達300MPa(45000psi)的壓力。
【文檔編號】B29B7/42GK104507653SQ201380039021
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年1月9日 優先權日:2013年1月9日
【發明者】麥可·韋內 申請人:聚合物粉末有限公司