专利名称：一种聚乳酸低聚物的造粒设备及其方法
技术领域：
本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种聚乳酸造粒的设备以及使用 这种设备进行快速简便造粒的方法。
背景技术：
造粒器可以分为两大类冷切粒系统和模面热切粒系统。冷切粒系统， 在加工过程的末了从已固化的聚合物切粒；而在模面热切粒系统中，当熔融 状态聚合物从口模出现时即进行切粒，而在下游对粒料进行冷却。 冷切粒系统
冷切粒系统包括口模、冷却区(风冷或水冷)、干燥区(如果采用水冷) 和切粒室。冷切粒系统有两大类，即片料造粒机和条料造粒机。
片料造粒机熔融的聚合物从混炼设备流经一个带式口模或辊炼机压延 成一定厚度的聚合物片料。片料在运输过程中通过一段距离凝固并冷却，然 后在一个仓室中用切粒刀切成圆形或方形粒料。
条料造粒机包括口模、冷却段(水浴或鼓风机)、干燥段(如果采用水 冷)和切粒刀。用挤出机或齿轮泵挤出熔融的聚合物通过一个水平安装的口 模而形成条料。条料从口型排出后，即用鼓风机或空气/真空设施进行冷却， 或用水浴冷却。 模面热切系统
模面热切系统有三种基本型式，即气流造粒机，喷水(水环)造粒机和 水下造粒机。
气流造粒机用于对热和长停留时间敏感的聚合物。当聚合物通过口模挤 出时，贴模面旋转的旋力即将它切成粒料。粒料切下后，随即被抛离旋转刀，为在专门设计的切粒室中强制循环流动的空气所捕获。空气流对粒料表面进 行初步淬冷，并把它带出切粒室而送至冷却区。
喷水造粒机，这类设备又称为水环切粒机，熔融的聚合物从热口模挤出， 被模面旋转的旋转刀切成粒料。这种干粒系统的特色是其特殊设计的喷水切 粒室。水呈螺旋线流动，直至流出干粒室。粒料切下后，即被抛入水流，进 行初步淬冷。粒料水浆排入粒料浆槽被进一步冷却，然后送入离心干燥器脱 除水分。
水下造粒机有一股平稳的水流流过模面，而与模面直接接触。切粒室的 大小以恰足以使切粒刀自由地转动越过模面而不限制水流为度。熔融聚合物 从口模挤出，旋转刀切割粒料，粒料被经过调温的水带出切粒室而进入离心 干燥器中脱水。 聚乳酸
以乳酸为原料的聚乳酸材料具有良好的生物降解性能，产物为二氧化碳 和水，由于乳酸属于可再生资源，因此聚乳酸这种环境友好型材料得到了材 料学领域的广泛关注。现在聚乳酸材料主要应用在医用材料领域，作为一种 通用材料在包装、纺织等领域开始得到了越来越广泛的研究和应用。
聚乳酸材料的许多方面的性能都与其分子量大小有着直接的关系，要求 能够实际应用的聚乳酸是高分子量。目前制备聚乳酸的方法主要有直接法和 间接法(开环法)两种，具体地说就是以乳酸为原料的直接进行縮聚的方法 和用丙交酯为原料进行开环聚合。
Polycondensation CH，
nHOCHCOH II
0
Lactic Acid<formula>formula see original document page 5</formula>ROP
0入0
Dilactide
间接(开环)法是目前绝大部分应用性聚乳酸所采用的聚合路线，即首先将乳酸分子间脱水縮合制成乳酸低聚物，再由低聚物降解生成环状的丙交
酯；然后将丙交酯开环聚合生成高聚物。该法制备而得的聚乳酸分子量较 高，热稳定性较好，玻璃化温度和熔点都比较高。目前最大的聚乳酸生产商， 美国Cargill-Dow (Nature Works)公司就是利用开环聚合制备得高分子量的聚 乳酸，并且申请了许多相关方法的专利，现已建成14万吨/年的生产装置。但 是，间接(开环)法生产工艺冗长，工艺复杂，特别是在丙交酯精制中需多 次提纯与重结晶，耗用大量试剂，产品产率低，导致聚乳酸价格昂贵，比常 用的普通材料高出许多倍，严重阻碍了聚乳酸作为一种通用塑料材料的广泛 应用。 ，
近年来，由乳酸直接縮聚合成聚乳酸的方法越来越引起人们的关注。关于 直接縮聚法合成聚乳酸的研究国外早有报道，近年来国内也开始进行这方面 的研究。
通过直接法制备聚乳酸，因为该缩聚反应体系中存在着乳酸、聚乳酸和 水的动态平衡，因此很难得到高分子量的聚乳酸产物。并且聚乳酸在一定条 件下会解聚生成丙交酯，所以直接法的主要问题就是要在增进縮聚反应的同 时还要抑制解聚反应的发生。为了使得反应平衡向聚合方向进行，通常采用 真空体系、升温、通入惰性气体等方法使得体系中的副产物小分子(例如水) 除去，但是这种方法不可避免的因为同时脱出了体系中的丙交酯从而使得解 聚反应也加快了。这也就是直接縮聚方法为何难以制得高分子量的聚乳酸以 及反应产率比较低的最根本的原因。日本的Mitsui公司采用共沸法进行脱水， 也就是利用高沸点有机溶剂在高真空条件下在较低的温度共沸精馏有选择性 的脱出体系中的水分，从而通过乳酸直接縮聚得到了高分子量的聚乳酸，但
是在反应中使用了高纯的溶剂和高真空的工艺，增加了生产操作的复杂性， 使得其在与开环法比较中没有成本上的优势。
发明内容
本发明的目的是在现有的设备和技术的基础之上，为了解决现在聚乳酸 低聚物等聚合物在实验阶段以及在中试阶段缺少合适的造粒设备和简便方法中试阶段用于聚乳酸和其低聚物简便 的造粒设备，该设备具有较好的连续生产性和较高的效率，同时造粒过程平 稳，易于控制，易于工业化应用。
本发明的另一 目的是提供一种使用这种设备进行造粒的方法，此方法操 作简便，能够迅速的制备出粒径范围大的聚合物颗粒。
本发明的目的可以通过以下措施达到
一种聚乳酸低聚物的造粒设备，包括内壳、外壳、铝活塞、上法兰和下 法兰，其中内壳位于外壳内，上法兰固定在内壳和外壳的一端，铝活塞的活 塞头位于内壳的筒腔中，其中还包括毛细管面板，毛细管面板的一'端与下法 兰相连，毛细管面板的另一端伸入内壳中，上法兰与下法兰固定，在毛细管 面板上间隔设有若干贯通毛细管面板的毛细管。
在内壳与所述的外壳之间可以为空腔，空腔的两端的外壳上还可以分别 设有导热油进口和导热油出口。
其中毛细管的长度为5mm 20mm，内径为0.1mm 2mm，其内表面光
洁度不大于0.8:内壳的内径为5mm 50mm，其内表面光洁度不大于0.8;
活塞头外表面光洁度不大于0.8，活塞与本体筒腔的配合精度不低于筒内径* ± o ，压杆外径0士o力2 。
0.02 0
一种聚乳酸低聚物的造粒方法，包括以下步骤
A. 聚乳酸低聚物在造粒设备的筒腔中通过循环加热或电热丝加热熔融 塑化；
B. 通过对铝活塞施加压力使熔融的聚乳酸低聚物从毛细管中以液滴状 挤出，在惰性气体下或者在惰性的冷却液中冷却形成固体颗粒。
其中聚乳酸低聚物的重均分子量Mw优选为3000 50000;聚乳酸低聚 物的熔融塑化温度优选为120°C 190°C，熔融时间优选为30s 300s;聚乳 酸挤出时施加的压力优选为7KPa lMPa。
本发明的造粒设备主要由本体筒腔，毛细管面板，温度控制系统和挤出系统构成。本体筒腔的主要部分是一个不锈钢结构的空心圆柱形的炉体。温 度控制系统可以采用循环油浴加热，热媒可以采用甲基硅油，苯基硅油，液 体石蜡等具有高沸点、不挥发且具有较好流动性的液体，附带一个合适功率 的循环泵。加热设备也可以采用石棉电热套或电热丝对炉体进行加热。本体
筒腔内径的大小一般控制在5mm 50mm，因为筒腔内径太小使得造粒产率 太低，失去了使用的价值，炉体内径太大会使得物料内外受热不均匀，可能 会导致物料的降解变性甚至设备的损坏，不利于造粒。挤出系统主要是通过 压杆进行控制，可以通过在压杆上面添加砝码的方法对物料进行加压；也可 以采用电子传感设备对压杆进行定量的控制对物料进行加压。
此外还要求压力系统中压杆的活塞要与本体筒腔的内径很好的配合，只
有保证了二者的配合精度才能够保证体系压力的准确。所以一般要求二者接 触面的光洁度在0.8以下，配合度不低于筒内径4)士 Q ，压杆外径0±<^2 。
0.02 0
设备的毛细管面板是由可以更换的金属质毛细管构成，造粒设备使用的
毛细管长度为5mm 20mm，毛细管内径为0.1mm 2mm。保证毛细管的长 度是为了保证聚乳酸挤出时的稳定性，毛细管内径的大小是由造出的粒子的 粒径的要求决定的。
本发明采用的方法是首先将聚乳酸的预聚物进行热力学测试，得出物料 的基本热力学参数Tm，然后将适量的聚乳酸加入造粒设备的本体筒腔内， 使其在炉体中熔融塑化， 一般熔融塑化的温度约为12(TC 19(TC，熔融塑化 时间约为30s 300s。因为熔融温度太低或者熔融时间太短会使得物料不能 充分完全的熔融塑化，不利于熔体的挤出，但是如果熔融温度过高或者熔融 时间太长可能会引起聚乳酸的降解甚至变性。当物料充分熔融以后，造粒设 备的挤出系统施加压力使熔融的聚乳酸通过毛细管被挤出，压力大小一般控 制在7KPa lMPa之间，因为施加的压力过低会使得熔体挤出不流畅、不稳 定，压力施加的过高则会导致熔体难以成粒。当聚乳酸的熔体被挤出以后， 可以采用在惰性气体下冷却或者在惰性的冷却液中冷却，使其熔融的聚乳酸 形成固体颗粒。惰性气体一般可以采用空气冷却、氮气冷却或者稀有气体冷却等，惰性冷却液一般采用无水乙醇、丙酮、正己烷、水等。为了获得一定 的结晶度，可以调节冷却液的温度来提高或者降低聚乳酸粒子的结晶情况。
一般条件下本造粒设备制出的粒子的粒径范围在0.7 mm 7mm。
本发明的设备能够在实验室中或者中试阶段用于聚乳酸和其低聚物简便 的造粒。该设备和方法操作简便，能够迅速的制备出粒径范围大的聚合物颗 粒，设备具有较好的连续生产性和较高的效率，同时造粒过程平稳，易于控 制，易于工业化应用。
图1是本发明的造粒设备的剖面结构示意图。 图2是本发明的毛细管结构示意图。 图3是本发明的铝活塞结构示意图。
具体实施例方式
下面结合说明书附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，造粒设备的内壳1位于外壳2的内，上法兰5固定在内壳 l和外壳2的下端，铝活塞3的活塞头4位于内壳1的本体筒腔14中，毛细 管面板7的一端与下法兰6相连，毛细管面板7的另一端伸入内壳1中，上 法兰5与下法兰6通过螺栓螺帽固定，在毛细管面板7上间隔设有若干贯通 毛细管面板的毛细管8。内壳1与外壳2之间为空腔11 (即夹套)，空腔ll 的两端的外壳2上分别设有导热油进口 9和导热油出口 10，高沸点、不挥发 且具有较好流动性的液体可以流经导热油进口9和导热油出口 IO从而加热筒 腔14，也可以在空腔11内缠绕石棉电热考或电热丝加热筒腔14。支架12 通过垫板13连接在外壳2上从而构成毛细管面板7向下的造粒设备。可以通 过在铝活塞3上面添加砝码或采用电子传感设备对铝活塞3进行定量的控制 从而构成挤出系统；空腔ll内的导热油或电热丝构成温度控制系统。
其中毛细管8的长度为5mm 20mm，内径为0.1mm 2mm，其内表面
光洁度不大于0.8。内壳1的内径为5mm 50mm，其内表面光洁度不大于0.8。活塞头3外表面光洁度不大于0.8，活塞与本体筒腔的配合精度不低于 筒内径*± c ，压杆外径O土o力2 。
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实施例2
称取质量为5g的聚乳酸低聚物，分子量约为3000，通过加料管将其加 入造粒设备的本体筒腔14中，在12(TC的条件下对样品熔融塑化30s，挤出 系统对熔融的聚乳酸施加10KPa的压力，将其从毛细管孔径为0.3mm的毛 细管面板7中挤出，通过空气直接进行冷凝，在距离毛细管面板0.3m处放 置一个接收装置，将制得的聚乳酸粒子收集起来。使用游标卡尺测定所得粒 子的平均粒径大小约0.8mm。 实施例3 .
称取质量为50g的聚乳酸低聚物，分子量约为10000，通过加料管将其 加入造粒设备的本体筒腔14中，在14(TC的条件下对样品烙融塑化180s，挤 出系统对熔融的聚乳酸施加100KPa的压力，将其从毛细管孔径为0.5mm的 毛细管面板7中挤出，通过空气直接进行冷凝，在距离毛细管面板0.3m处 放置一个接收装置，将制得的聚乳酸粒子收集起来。使用游标卡尺测定所得 粒子的平均粒径大小约l.Omm。 实施例4
称取质量为100g的聚乳酸低聚物，分子量约为30000，通过加料管将其 加入造粒设备的本体筒腔14中，在16(TC的条件下对样品熔融塑化250s,挤 出系统对熔融的聚乳酸施加500KPa的压力，将其从毛细管孔径为l.Omm的 毛细管面板7中挤出，通过空气直接进行冷凝，在距离毛细管面板0.3m处 放置一个接收装置，将制得的聚乳酸粒子收集起来。使用游标卡尺测定所得 粒子的平均粒径大小约1.5mm。 实施例5
称取质量为20g的聚乳酸低聚物，分子量约为50000，通过加料管将其 加入造粒设备的本体筒腔14中，在19(TC的条件下对样品熔融塑化300s，挤 出系统对熔融的聚乳酸施加lMPa的压力，将其从毛细管孔径为2.0mm的毛细管面板7中挤出，通过空气直接进行冷凝，在距离毛细管面板0.3m处放 置一个接收装置，将制得的聚乳酸粒子收集起来。使用游标卡尺测定所得粒 子的平均粒径大小约2.4mm。 实施例6
称取质量为50g的聚乳酸低聚物，分子量约为20000，通过加料管将其 加入造粒设备的本体筒腔14中，在16(TC的条件下对样品熔融塑化210s，挤 出系统对熔融的聚乳酸施加300KPa的压力，将其从毛细管孔径为l.Omm的 毛细管面板7中挤出，通过空气直接进行冷凝，在距离毛细管面板0.3m处 放置一个接收装置，将制得的聚乳酸粒子收集起来。使用游标卡尺测定所得 粒子的平均粒径大小约1.4mm。 实施例7
称取质量为120g的聚乳酸低聚物，分子量约为6000，通过加料管将其 加入造粒设备的本体筒腔14中，在13(TC的条件下对样品熔融塑化90s，挤 出系统对熔融的聚乳酸施加50KPa的压力，将其从毛细管孔径为0.5mm的 毛细管面板7中挤出，通过空气直接进行冷凝，在距离毛细管面板0.3m处 放置一个接收装置，将制得的聚乳酸粒子收集起来。使用游标卡尺测定所得 粒子的平均粒径大小约0.9mm。 实施例8
称取质量为5g的聚乳酸低聚物，分子量约为3000，通过加料管将其加 入造粒设备的本体筒腔14中，在12(TC的条件下对样品熔融塑化30s，挤出 系统对熔融的聚乳酸施加10KPa的压力，将其从毛细管孔径为0.3mm的毛 细管面板7中挤出，通过惰性冷却液进行冷凝，在距离毛细管面板0.3m处 放置一个盛有冰水的广口瓶，熔体滴落后被冷却，将制得的聚乳酸粒子收集 起来。使用游标卡尺测定所得粒子的平均粒径大小约0.8mm。 实施例9
称取质量为120g的聚乳酸低聚物，分子量约为6000，通过加料管将其 加入造粒设备的本体筒腔14中，在13(TC的条件下对样品熔融塑化卯s，挤出系统对熔融的聚乳酸施加50KPa的压力，将其从毛细管孔径为0.5mm的 毛细管面板7中挤出，通过惰性冷却液进行冷凝，在距离毛细管面板0.3m 处放置一个盛有纯水的广口瓶，熔体滴落后被冷却，将制得的聚乳酸粒子收 集起来。使用游标卡尺测定所得粒子的平均粒径大小约1.2mm。 实施例10
称取质量为50g的聚乳酸低聚物，分子量约为10000，通过加料管将其 加入造粒设备的本体筒腔14中，在140'C的条件下对样品熔融塑化180s，挤 出系统对熔融的聚乳酸施加100KPa的压力，将其从毛细管孔径为0.5mm的 毛细管面板7中挤出，通过惰性冷却液进行冷凝，在距离毛细管面板0.3m 处放置一个盛有丙酮的广口瓶，熔体滴落后被冷却，将制得的聚乳酸粒子收 集起来。使用游标卡尺测定所得粒子的平均粒径大小约0.9mm。 实施例11
称取质量为50g的聚乳酸低聚物，分子量约为20000，通过加料管将其 加入造粒设备的本体筒腔14中，在16(TC的条件下对样品熔融塑化210s，挤 出系统对熔融的聚乳酸施加300KPa的压力，将其从毛细管孔径为l.Omm的 毛细管面板7中挤出，通过惰性冷却液进行冷凝，在距离毛细管面板0.3m 处放置一个盛有沸水的广口瓶，熔体滴落后被冷却，将制得的聚乳酸粒子收 集起来。使用游标卡尺测定所得粒子的平均粒径大小约1.8mm。 实施例12
称取质量为100g的聚乳酸低聚物，分子量约为30000，通过加料管将其 加入造粒设备的本体筒腔14中，在16(TC的条件下对样品熔融塑化250s，挤 出系统对熔融的聚乳酸施加500KPa的压力，将其从毛细管孔径为l.Omm的 毛细管面板7中挤出，通过惰性冷却液进行冷凝，在距离毛细管面板0.3m 处放置一个盛有乙醇的广口瓶，熔体滴落后被冷却，将制得的聚乳酸粒子收 集起来。使用游标卡尺测定所得粒子的平均粒径大小约2.1mm。 实施例13
称取质量为20g的聚乳酸低聚物，分子量约为40000，通过加料管将其
12加入造粒设备的本体筒腔14中，在190'C的条件下对样品熔融塑化300s，挤 出系统对熔融的聚乳酸施加700KPa的压力，将其从毛细管孔径为2.0mm的 毛细管面板7挤出，通过惰性冷却液进行冷凝，在距离毛细管面板0.3m处 放置一个盛有环己烷的广口瓶，熔体滴落后被冷却，将制得的聚乳酸粒子收 集起来。使用游标卡尺测定所得粒子的平均粒径大小约3.1mm。
权利要求
1、一种聚乳酸低聚物的造粒设备，包括内壳、外壳、铝活塞、上法兰和下法兰，其中内壳位于外壳内，上法兰固定在内壳和外壳的一端，铝活塞的活塞头位于内壳的筒腔中，其特征在于还包括毛细管面板，毛细管面板的一端与下法兰相连，毛细管面板的另一端伸入内壳中，上法兰与下法兰固定，在毛细管面板上间隔设有若干贯通毛细管面板的毛细管。
2、 根据权利要求1所述的聚乳酸低聚物的造粒设备，其特征在于所述的内壳与所述的外壳之间为空腔。
3、 根据权利要求2所述的聚乳酸低聚物的造粒设备，其特征在于所述空 腔的两端的外壳上分别设有导热油进口和导热油出口 。
4、 根据权利要求1所述的聚乳酸低聚物的造粒设备，其特征在于所述的 毛细管的长度为5mm 20mm，内径为0.1mm 2mm，其内表面光洁度不大 于0.8。
5、 根据权利要求1所述的聚乳酸低聚物的造粒设备，其特征在于所述的 内壳的内径为5mm 50mm，其内表面光洁度不大于0.8。
6、 根据权利要求1所述的聚乳酸低聚物的造粒设备，其特征在于所述的活塞头外表面光洁度不大于0.8，活塞与本体筒腔的配合精度不低于筒内径4> ± o ，压杆外径①土u2 。0.02 0
7、 一种聚乳酸低聚物的造粒方法，其特征在于包括以下步骤A. 聚乳酸低聚物在造粒设备的筒腔中通过循环加热或电热丝加热熔融塑化；B. 通过对铝活塞施加压力使熔融的聚乳酸低聚物从毛细管中以液滴状 挤出，在惰性气体下或者在惰性的冷却液中冷却形成固体颗粒。
8、 根据权利要求7所述的聚乳酸低聚物的造粒方法，其特征在于所述的 聚乳酸低聚物的重均分子量Mw为3000 50000。
9、 根据权利要求7所述的聚乳酸低聚物的造粒方法，其特征在于所述的 聚乳酸低聚物的熔融塑化k度为120'C 1卯'C，熔融时间为30s 300s。
10、 根据权利要求7所述的聚乳酸低聚物的造粒方法，其特征在于所述 的聚乳酸挤出时施加的压力为7KPa lMPa。
全文摘要
本发明公开了一种聚乳酸低聚物的造粒设备，包括内壳、外壳、铝活塞、上法兰和下法兰，其中内壳位于外壳内，上法兰固定在内壳和外壳的一端，铝活塞的活塞头位于内壳的筒腔中，还包括毛细管面板，毛细管面板的一端与下法兰相连，毛细管面板的另一端伸入内壳中，上法兰与下法兰固定，在毛细管面板上间隔设有若干贯通毛细管面板的毛细管。本发明设备和方法能够在实验室中或者中试阶段用于聚乳酸和其低聚物简便的造粒，该设备和方法操作简便，能够迅速的制备出粒径范围大的聚合物颗粒，设备具有较好的连续生产性和较高的效率，同时造粒过程平稳，易于控制，易于工业化应用。
文档编号B29B9/00GK101590672SQ200810123698
公开日2009年12月2日 申请日期2008年5月29日 优先权日2008年5月29日
发明者波 于, 勇 何, 左璞晶, 戴夏冀 申请人:东丽纤维研究所(中国)有限公司