專利名稱：形成膜或纖維的設(shè)備和工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形成膜或纖維(特別是聚合膜或纖維)的設(shè)備。這樣的設(shè)備(或裝置)包括以下元件a)用于使材料組合物熔化并形成適于形成膜或纖維的形式的裝置，b)用于冷卻經(jīng)熔化和成形的材料的裝置，c)用于拉伸所述膜或纖維的裝置。
大規(guī)模地形成聚合膜或聚合纖維是聚合物工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)工藝。通過將聚合物組合物(包含聚合物，或聚合物與附加成分的混合物)加熱至超過其熔點(diǎn)(通過例如DSC(差示掃描量熱法)的已知技術(shù)測(cè)定)的溫度，以使該聚合物組合物熔化；然后將熔化的材料成形為適于制備聚合膜或聚合纖維的形式。在某些情況下，使熔融聚合物通過所謂的模具(die)而成形，由此實(shí)現(xiàn)上述成形。形成成形的聚合物組合物之后，將如此成形的材料冷卻，并在一個(gè)或多個(gè)拉伸輥上拉伸，以形成最終的聚合膜或聚合纖維。
現(xiàn)有技術(shù)中存在的裝置被設(shè)計(jì)成需要足夠量的聚合組合物的進(jìn)料，以形成最終的膜或纖維。這意味著，特別是在僅有有限量的聚合組合物是可用的情形下，無法對(duì)這種用于膜或纖維成形的組合物的性質(zhì)或得到的膜或纖維的性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。這還影響了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的聚合物研究，特別是對(duì)于需要測(cè)試催化和工藝參數(shù)的場合。對(duì)于那些在可接受的時(shí)間內(nèi)僅制造出有限量的聚合物的情況，其結(jié)果是，無法對(duì)如此制造的用于膜或纖維成形的聚合物進(jìn)行測(cè)試，除非進(jìn)行大規(guī)模的制造。對(duì)于必須對(duì)制得的聚合物樣品進(jìn)行快速篩選的所謂高通量實(shí)驗(yàn)(HTE)來說，情況更是如此。
因此，需要一種小尺寸的裝置，該裝置可以用于由有限量的聚合材料形成聚合膜聚合纖維。
此問題可通過本發(fā)明的設(shè)備解決，本設(shè)備的特征在于，所述設(shè)備包括在拉伸過程中將扭矩控制到低至1.5*10-3Nm的裝置，其中每個(gè)直徑為35-100mm的拉伸輥的旋轉(zhuǎn)速度可被設(shè)定為0.25-35RPM。
已發(fā)現(xiàn)，為了得到用于特定少量的聚合物組合物的代表性膜或纖維，僅減小設(shè)備的尺寸(特別是拉伸輥的直徑)是不夠的。還需要減小取下(take off)和拉伸過程中的扭矩(現(xiàn)有技術(shù)所用的設(shè)備中的扭矩值的量級(jí)為1Nm，并且會(huì)導(dǎo)致膜或纖維的破裂)，并且需要減小每個(gè)拉伸輥的旋轉(zhuǎn)速度。這里及下文中，扭矩由下式確定扭矩(T)＝M*g*r(Nm)(I)其中M＝擠出機(jī)的出口與第一輥之間或第一輥與第二輥之間的膜的質(zhì)量(以kg計(jì))g＝重力常數(shù)(以m/s2計(jì))r＝第二(或下游)輥的半徑(以m計(jì))扭矩表明了可在不停止輥的條件下處理的聚合物的最大質(zhì)量。
為了在長度以及寬度方向上得到均勻的膜，優(yōu)選設(shè)備包括以層流方式將冷卻氣體供給至冷卻已熔化且成形的材料的位置的裝置。更優(yōu)選地，所述設(shè)備包括在第一輥長度方向上均勻供給冷卻氣體的裝置。
(聚合)材料優(yōu)選為熱塑性(聚合)材料。在冷卻時(shí)，非聚合材料也可以與為其提供粘合性的組分(例如粘結(jié)劑)混合。
為了供給減少量的(聚合)材料，用于熔融(聚合)組合物的成形裝置(如上所述，該成形裝置優(yōu)選以模具的形式)也應(yīng)當(dāng)具有減小的尺寸。模具可以是任何形狀，例如矩形、圓形或方形。
為了能夠?qū)δ＞哌M(jìn)行清潔，該模具優(yōu)選包括至少兩個(gè)可被分離以從模具出口取出的部件。
為了使熔融(聚合)組合物成形為膜，所述模具優(yōu)選分為部件A和部件B，其中部件A在其最寬側(cè)構(gòu)成模具出口的一側(cè)，部件B在其最寬側(cè)具有凹腔，所述凹腔的形狀使得熔體平均分流流向模具出口，部件B的一側(cè)形成模具出口的另一側(cè)。
模具的兩個(gè)部件在末端(在部件出口遠(yuǎn)端的部件側(cè)邊)與擠出機(jī)相連接，從而通過部件A和B形成出口。以此方式，可使模具很好地固定在殼體上，防止模具在高壓下泄漏。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過這種固定方式，可使出口的寬度增至200mm?？梢允褂门c擠出機(jī)相連接的第三部件C。然后，部件A和B與部件C相連接。這使得可以通過簡便地變換部件A和B或者僅僅部件A來改變出口的高度。當(dāng)需要改變出口高度時(shí)，也可以變換由部件A、B和C構(gòu)成的整個(gè)模具。以此方式，變換可以更快地進(jìn)行，并且部件C防止部件A的出口和部件B的凹腔受到損壞。部件C還可使整個(gè)模具更加堅(jiān)固，并且對(duì)于構(gòu)建寬度大于100mm的模具，部件C是必須的。
模具與擠出機(jī)相連接，而且熔體在模具中的流動(dòng)路徑優(yōu)選具有Z形。與具有直線流動(dòng)路徑的已知模具相比，具有Z形流動(dòng)路徑的模具可被制得更薄。更薄在這里是指擠出機(jī)與模具出口之間的距離盡可能地小。更薄模具的優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)加熱。與模具相連的擠出機(jī)的熱量足以將模具中的聚合物熔體的溫度保持在其熔點(diǎn)以上。
模具中的出口的寬度為5-200mm，優(yōu)選5-100mm，更優(yōu)選5-70mm。
出口的高度通常為0.05-1.0mm，優(yōu)選0.1-0.6mm。


圖1示出了部件A、部件B和部件C。如圖1所示，部件A在其最寬側(cè)具有凹腔(o)，該凹腔的深度決定了與部件B相連時(shí)的模具出口的高度。通過將該部件A變?yōu)榫哂辛硪簧疃鹊陌记坏牧硪粋€(gè)部件A，可以改變出口的高度。
部件B在其最寬側(cè)具有凹腔，其形狀使得熔體平均分流流向模具出口。如圖1所示，部件B具有衣架形狀的凹腔(d)，但該凹腔也可具有其它形狀，例如半圓縫隙和圓衣架形。
聚合物熔體在衣架(m)的最窄點(diǎn)進(jìn)入模具，并在衣架處分流流向出口。為了進(jìn)入出口，聚合物熔體必須轉(zhuǎn)向90°。優(yōu)選地，部件A和B通過螺栓彼此連接。
部件A和B也可通過螺栓在部件末端與擠出機(jī)相連接。也可以采用其它連接方式，例如通過使模具滑入夾持器或者通過所謂的bajonet封閉將模具旋入鎖定位置。
通過部件在末端相連接，部件與擠出機(jī)固定良好。
熔體在m處進(jìn)入模具，并在進(jìn)入部件B的衣架形凹腔時(shí)轉(zhuǎn)向約70°。當(dāng)再次進(jìn)入出口時(shí)，聚合物熔體轉(zhuǎn)向約90°。這是一種Z形。
部件C被設(shè)計(jì)成部件A和B的覆蓋板，使模具在整體上更加堅(jiān)固。聚合物熔體經(jīng)由部件C中的m被引入部件B。
部件C通過螺栓在點(diǎn)e處與擠出機(jī)以及部件A和B相連接。
如圖2所示，固定在一起的部件A、B和C的整體在點(diǎn)e處與擠出機(jī)(H)相連接。圖2還清楚地示出了聚合物熔體所定義的Z形。
適于制備聚合纖維的模具具有一個(gè)或多個(gè)模具開口，其中每個(gè)開口的直徑為0.1-2.5mm，更優(yōu)選直徑為0.5-1.5mm。
為了能夠供給減少量的聚合材料，用于熔化聚合物組合物的裝置必須改造與該目的相適應(yīng)。因此，所述裝置優(yōu)選為擠出機(jī)，優(yōu)選小尺寸擠出機(jī)，例如DSM Xplore出售的尺寸為5-15ml的微型擠出機(jī)(也可參見WO 02/16481，第48頁；和WO 00/47667，第7頁)。
使用形成聚合膜或聚合纖維的設(shè)備的理想情形是，每個(gè)拉伸輥的旋轉(zhuǎn)速度可被保持恒定。第一拉伸輥(也稱為卷取輥(take-up roll))卷取來自普通擠出機(jī)的(例如膜或纖維形式的)熔融擠出物，并將其冷卻至低于其熔點(diǎn)。為了旋轉(zhuǎn)這樣的輥，在常規(guī)的工藝裝置中采用直流(DC)電動(dòng)機(jī)。此類電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是它們以恒定速度旋轉(zhuǎn)，而且由于旋轉(zhuǎn)速度的不規(guī)則或變化導(dǎo)致冷卻的擠出膜或纖維的厚度相應(yīng)不規(guī)則和變化，因此直流電動(dòng)機(jī)是優(yōu)選的。然而，這些直流電動(dòng)機(jī)可運(yùn)轉(zhuǎn)的速度無法被有意地降低。這些電動(dòng)機(jī)可在恒定速度下運(yùn)轉(zhuǎn)的最低速度仍然高于相應(yīng)于卷取來自微型擠出機(jī)(即，制造的熔融擠出物的量低至0.03g/min的擠出機(jī))的熔融擠出物的輥的容許圓周速度的速度。在本發(fā)明的小規(guī)模設(shè)備上達(dá)到此目的的裝置還不存在。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種卷取輥系統(tǒng)，所述卷取輥系統(tǒng)可以在不引起擠出物厚度不規(guī)則變化的低速度下卷取熔融擠出物。
此目的通過以下卷取輥系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所述卷取輥系統(tǒng)包括直徑為35-100mm并且重量為0.2-2.0kg、更典型地為0.5-1.0kg的輥；用于以8.75-3500mm/min、優(yōu)選10-2000mm/min或者甚至小于1000mm/min的圓周速度旋轉(zhuǎn)所述輥的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；以及用于將所述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制在微步進(jìn)模式的裝置。
令人驚訝地，此系統(tǒng)可以使熔融膜或纖維以低于3500mm/min、甚至低于2000mm/min或低于1000mm/min的速度被擠出，從而在不引起所述膜或纖維厚度變換或不規(guī)則的條件下將其卷取和冷卻。
選擇在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中固有地表現(xiàn)出不規(guī)則(“步進(jìn)”)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際上與恒定旋轉(zhuǎn)速度的要求相矛盾。然而，微步進(jìn)發(fā)電機(jī)與具有適當(dāng)選擇的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的輥的組合可以在所需的低速度下制造具有均勻厚度的膜。
微步進(jìn)技術(shù)本身在本領(lǐng)域中是已知的，并且使輥間歇旋轉(zhuǎn)，其中在小時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行部分旋轉(zhuǎn)。
每個(gè)拉伸輥的寬度(即沿其旋轉(zhuǎn)軸測(cè)量的長度)通常不大于150mm，但是當(dāng)使用較寬的模具(例如寬度達(dá)200mm)時(shí)，輥的寬度可以更大，也可達(dá)200mm。優(yōu)選地，此寬度為10-75mm。設(shè)備的最后輥通常還起到所謂的“滾筒式卷取機(jī)”的作用，最終的膜或纖維在其上被收集。
本發(fā)明還涉及由熔化且成形的聚合材料形成膜的設(shè)備，所述設(shè)備包括至少兩個(gè)拉伸輥。此設(shè)備的特征是，每個(gè)拉伸輥(直徑為35-100mm)的旋轉(zhuǎn)速度可被獨(dú)立地設(shè)定為0.25-35RPM。優(yōu)選地，在這樣的設(shè)備中，第二拉伸輥的旋轉(zhuǎn)速度自動(dòng)地與第一輥的旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)，并且其中第二輥的扭矩至少為1.5*10-3Nm。優(yōu)選地，第一輥是旋轉(zhuǎn)控制的，而第二(和連續(xù)的)輥是扭矩控制的。特別地，第一輥的重量為0.2-2.0kg，更典型地為0.5-1.0kg，被微步進(jìn)模式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其圓周速度為8.75-3500mm/min，優(yōu)選10-2000mm/min，或者甚至小于1000mm/min。本發(fā)明還涉及通過熔化、成形和冷卻由聚合組合物制備聚合膜或聚合纖維的工藝。如上所述，本領(lǐng)域中還不存在由減少量的聚合組合物制備聚合膜或聚合纖維的工藝。使用本發(fā)明的設(shè)備可以解決此問題，本設(shè)備通?？墒褂昧繛?-15g/min的聚合材料。更具體地，在本工藝中，聚合物組合物以0.03-250g/min的給料速率被給料至所述設(shè)備，其中拉伸輥的旋轉(zhuǎn)速度為0.25-35RPM。
制造聚合膜或聚合纖維的聚合物組合物可包括可熔融加工(或熱塑性)的任何聚合物。這樣的聚合物是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。
本工藝不僅對(duì)聚合物本身適用，而且還可用于聚合物和附加成分的混合物，其中所述混合物可以直接被給料至設(shè)備，或者該混合物可在熔化和成形過程中制備(優(yōu)選當(dāng)此熔化和成形發(fā)生在擠出機(jī)中時(shí))。
由于聚乙烯和聚丙烯(均聚物形式或共聚物形式)是制備聚合膜常用的聚合物，因此這些聚合物是用于本工藝的優(yōu)選成分。
盡管本設(shè)備和本工藝是針對(duì)聚合膜或纖維而詳細(xì)描述的，但是本設(shè)備和本工藝也可用于由其它材料形成膜或纖維，其它材料例如面團(tuán)或無機(jī)金屬(例如鋁)。在相應(yīng)情況下，用于熔化和冷卻將轉(zhuǎn)化為膜或纖維的組合物的裝置可以(或者必須)省略。
本發(fā)明的冷卻步驟通常用氣體冷卻進(jìn)行，優(yōu)選用空氣冷卻進(jìn)行，將所述空氣供給至熔化且成形的材料被冷卻時(shí)的位置。更優(yōu)選地，在第一輥的長度方向上均勻供給冷卻空氣；這是為了在成形材料的長度方向上達(dá)到均勻的聚合物冷卻過程。成形的聚合物材料被冷卻的溫度優(yōu)選低于聚合物組合物的結(jié)晶點(diǎn)(通過DSC測(cè)定)。
當(dāng)為了得到近似恒定的旋轉(zhuǎn)速度而對(duì)拉伸輥使用微步進(jìn)時(shí)，微步的幅度可以使得輥在每步旋轉(zhuǎn)0.01-0.20°，更優(yōu)選0.02-0.10°。這是為了得到穩(wěn)定且具代表性的膜或纖維。
為了使成的形聚合物組合物輸送通過所述設(shè)備，必須施加至少1.5*10-3Nm的扭矩。扭矩還必須在避免所得的膜或纖維破裂的范圍內(nèi)。該范圍在本發(fā)明的工藝中可以包括附加的工藝步驟，其中(熱敏性)成分可在本發(fā)明的冷卻步驟過程中或優(yōu)選在其之后被加入聚合膜或聚合纖維中。這樣做的目的是避免或至少基本上避免上述熱敏性成分的熱處理(進(jìn)而熱分解)。這可以通過工藝步驟實(shí)現(xiàn)，該步驟在本領(lǐng)域中被稱為“溶劑隙裂”(solvent crazing)導(dǎo)引并拉伸聚合膜或聚合纖維通過內(nèi)含熱敏性成分的液體浴?？梢允侨魏我后w，液體可以不是聚合物組合物的溶劑。優(yōu)選水用作該液體。可根據(jù)這樣的工藝步驟添加的熱敏性成分的例子為食品、飼料和藥品工藝中的維生素、藥物等。
本發(fā)明提供了由減少量的聚合材料制備代表性的聚合膜或聚合纖維的設(shè)備和工藝，其中所述膜或纖維具有本領(lǐng)域可行的常規(guī)厚度。通常，本發(fā)明的工藝和設(shè)備所制造的膜的最終厚度可達(dá)1mm。優(yōu)選地，可以制得最終厚度為2-200μm的膜。優(yōu)選可以制得最終厚度為0.1-2.5mm的纖維。
通過以下非限制性實(shí)施例來說明本發(fā)明。
實(shí)施例I擠出機(jī)DSM Xplore微型擠出機(jī)15ml參數(shù)速度5rpm溫度220℃模具 DSM Xplore膜模具參數(shù)寬度19mm高度0.2mm膜形成設(shè)備DSM Xplore膜設(shè)備參數(shù)兩個(gè)拉伸輥輥直徑75mm輥長度58mm速度1000mm/min扭矩22*10-3Nm與模具的距離15mm空氣刀空氣溫度20℃空氣壓力1.6bar產(chǎn)品 聚丙烯量15g通量0.341g/min結(jié)果25μm的膜，厚度均勻?qū)嵤├齀I
擠出機(jī) DSM Xplore微型擠出機(jī)15ml參數(shù)速度20rpm溫度280℃模具DSM Xplore膜模具參數(shù)寬度19mm高度0.4mm膜形成設(shè)備 DSM Xplore膜設(shè)備參數(shù)兩個(gè)拉伸輥輥直徑75mm輥長度58mm速度500mm/min扭矩34*10-3Nm與模具的距離15mm空氣刀空氣溫度20℃空氣壓力1.2bar產(chǎn)品尼龍6量15g通量1.365g/min結(jié)果200μm的膜，厚度均勻?qū)嵤├齀II擠出機(jī) DSM Xplore微型擠出機(jī)5ml參數(shù)速度2rpm溫度200℃模具DSM Xplore膜模具參數(shù)寬度19mm高度0.2mm膜形成設(shè)備 DSM Xplore膜設(shè)備參數(shù)速度750mm/min
扭矩9*10-3Nm與模具的距離15mm空氣刀空氣溫度20℃空氣壓力1.8bar產(chǎn)品 聚乙烯量5g通量0.051g/min結(jié)果5μm的膜，厚度均勻
權(quán)利要求
1.形成膜或聚合纖維的設(shè)備，包括以下元件a)用于使組合物熔化和/或成形為適于形成膜或纖維的形式的裝置，b)用于冷卻已熔化和成形的材料的裝置，c)用于拉伸所述膜或纖維的裝置，包括第一和第二拉伸輥其特征在于，所述設(shè)備包括在拉伸過程中控制扭矩低至1.5*10-3Nm的裝置，其中直徑為35-100mm的每個(gè)拉伸輥的旋轉(zhuǎn)速度可被設(shè)定為0.25-35RPM。
2.如權(quán)利要求1的設(shè)備，其中存在以層流方式將冷卻空氣供給至冷卻所述已熔化和成形的材料的位置的裝置。
3.如權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中所述旋轉(zhuǎn)速度是通過微步進(jìn)控制的。
4.如權(quán)利要求1-3中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述用于使所述材料組合物成形為適于形成膜的形式的裝置是包括至少2個(gè)部件的模具。
5.如權(quán)利要求4的設(shè)備，其中所述模具分為部件A和部件B，部件A在其最寬側(cè)構(gòu)成所述模具出口的一側(cè)，部件B在其最寬側(cè)具有凹腔，所述凹腔的形狀使得熔體平均分流流向所述模具出口，部件B的一側(cè)形成所述模具出口的另一側(cè)。
6.如權(quán)利要求4或5的設(shè)備，其中所述模具的兩個(gè)部件在所述部件的末端與擠出機(jī)相連接，以使部件A和B形成所述出口。
7.如權(quán)利要求4-6中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述模具與所述擠出機(jī)相連接，并且所述熔體在所述模具中定義的流動(dòng)路徑具有Z形。
8.由熔化和成形的材料形成膜或纖維的設(shè)備，所述設(shè)備包括至少兩個(gè)拉伸輥，其特征在于，直徑為35-100mm的每個(gè)拉伸輥的旋轉(zhuǎn)速度可被獨(dú)立地設(shè)定為0.25-35RPM。
9.通過熔化、成形和冷卻由材料組合物制備膜或纖維的工藝，其特征在于，使用如權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)的設(shè)備。
10.如權(quán)利要求9的工藝，其中所述材料組合物以0.03-250g/min的給料速率被給料至所述設(shè)備，并且其中所述拉伸輥的旋轉(zhuǎn)速度為0.25-35RPM。
11.如權(quán)利要求9或10的工藝，其中所述材料組合物包含聚乙烯或聚丙烯均聚物或共聚物。
12.如權(quán)利要求9-11中任何一項(xiàng)的工藝，其中對(duì)所述膜進(jìn)行溶劑隙裂。
13.如權(quán)利要求9-12中任何一項(xiàng)的工藝，其中所述材料是聚合材料。
14.用于如權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)的設(shè)備的卷取輥系統(tǒng)，包括直徑為35-100mm并且重量為0.2-2.0kg的輥；用于以8.75-3500mm/min的圓周速度旋轉(zhuǎn)所述輥的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；以及用于將所述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制在微步進(jìn)模式的裝置。
15.如權(quán)利要求14的卷取輥系統(tǒng)，其中所述圓周速度為50-2000mm/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及由減少量的材料(特別是聚合材料)制備膜或纖維的設(shè)備。這通過小尺寸設(shè)備實(shí)現(xiàn)，其中每個(gè)拉伸輥的直徑為35－100mm之間。本發(fā)明還涉及采用本發(fā)明的設(shè)備以減少量的材料制備代表性的膜或纖維的工藝。
文檔編號(hào)B29C47/14GK1953864SQ200580015259
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2005年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月13日
發(fā)明者約翰尼斯·艾斯布蘭德·泰斯尼特遲, 馬特烏斯·彼得·奎德弗利格, 利納爾杜斯·韋爾赫爾姆斯·圭勞麥·里克斯, 勞倫特修斯·約瑟夫·亨利克斯·尼斯特 申請(qǐng)人:帝斯曼知識(shí)產(chǎn)權(quán)資產(chǎn)管理有限公司