将熔融聚合物输送到一挤出模头的方法和装置的制作方法

专利名称：将熔融聚合物输送到一挤出模头的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及将聚合物树脂转换成其熔融状态的转换，这种转换使用在顺流注施机中，所述顺流注施机例如是一熔喷模头、纺粘模头、加粘注施模头、模塑模头以及类似的模头。本发明涉及到利用一个已完全成为一体的装置，将加压聚合物熔融体输送到挤出模头的装置。本发明特别涉及那种使用在熔喷模头中的聚合物熔融体输送装置。
在许多使用熔融聚合物的场合中，聚合物树脂不仅要被熔化，而且还必须要在一定压力下以一控制流率和温度输送到一模头。例如在熔喷纺产品的生产中，树脂通过一挤压机，该挤压机熔化聚合物并在400°F和800°F之间的典型温度和高达700磅/吋2的压力下输送聚合物到一模头。该熔喷模头包括一排并列的孔和与孔的侧面相接的空气通道。熔融树脂通过这些孔被挤压而形成纤维，这些纤维借助从空气通道喷出的层状热空气被拉长和变细，这些微细尺寸的纤维以形成非织造织物的纠缠纤维的形式被收集在滚筒或输送机上。在一些熔喷装置中，一齿轮泵被设置在挤压机和模头之间，以便输送定量的熔融聚合物到模头。
本发明的另一方法是应用在纺粘操作中。在这些操作中，熔融树脂由挤压机通过纺粘模头输送，一般形成长的连续的纤维，由于没有使纤维变细的空气流，该操作工艺不同于熔喷的操作工艺。纺粘纤维的直径一般大于熔喷法纤维的直径。
本发明还应用在熔融涂料和粘合剂的喷涂中。在这种方法中，熔融聚合物涂料或粘合剂利用空气挤压模头被涂在一基质上，挤压模头包括一个形成气流的组件。当涂料和粘合剂从模头孔中排出时，由于空气被用来伸张和拉细成束的聚合物，所以这种方法可称为熔喷法。
这些方法都包括聚合物熔体通过模头的挤压，但一般都需要不同的聚合物或不同的聚合物特性。
在所有这些应用中，都需要一个结构简单，效率高的装置用来在可控制的流率、压力和温度下输送聚合物熔体。传统的输送装置都采用紧公差的长挤压螺杆(L/D为30/1)。在螺旋推进杆和螺旋筒之间的紧公差使聚合物受到剪切并产生有助于聚合物熔融的热。在一些应用中，齿轮泵与挤压机串联使用。传统的聚合物输送装置是由分别的部件(例如挤压机和齿轮泵)装配的。这种部件一般受限于现有的设计和结构，这样的装置不能组成一个完全的整体，因此必须装有分别的控制系统，原动机和加热器等。
本发明的聚合物输送装置是一个整体，该装置包括一个聚合物树脂料斗，该斗具有一个预热斗内树脂的装置;一个体部，该体部内安装有一个螺旋推进杆组件和加热体部的装置;一个齿轮泵和一个用来驱动齿轮泵和螺旋推进杆的原动机。齿轮泵的排出通道通过被加热的体部延伸，以便输送聚合熔体到挤压模头。这样，螺旋推进杆和齿轮泵可由同一原动机驱动，并且树脂通过它所时的加热是由相同加热元件完成的。
在本发明的最佳实施例中，该装置还包括一个安装在排出通道内的过滤器和一个压力式回流阀，用来使熔体返回到螺旋推进组件。
螺旋推进杆最好是一个比较短的(L/D小于15∶1)低公差(高公隙)的螺杆，以便输送聚合熔体到齿轮泵。高公隙(10%或更大)使聚合熔体免受过度剪切。
本发明的方法包括预热一热塑性聚合物树脂以形成一熔体，使熔体通过一加热体进一步加热熔体并输送熔体到齿轮泵，泵送熔体通过已被加热的体部至一个挤压模头，以及挤压熔体形成一挤压或模塑产品或涂层。
在一特别实施例中，本发明用来输送一熔体到一熔喷模头，以生产熔喷层或涂施聚合涂料或粘合剂到基质上。


图1是本发明的聚合物输送装置与一个熔喷模头相连的正视图，该图为示意图。
图2是沿图1的2-2剖面的具有局部剖视的输送装置的端视图。
图3是沿图1的3-3剖面的输送装置的水平剖视图。
图4是沿表示在图3中的4-4剖面的泵连接器的剖视图。
图5是沿表示在图3中的5-5剖面的齿轮泵的剖视图。
图6是输送装置的料斗具有局部剖视的透视图。
图7是图2的局部放大剖视图，表示用来安装加热器的装置和在图6中的料斗内的散热片组件。
如图1图示的那样，本发明的聚合物输送装置10大体上包括一个被加热的体部11，一个安装在加热体11上的料斗12(包括树脂预热装置)，一个安装在体部11内的轴17上的螺旋推进杆14，一个装在轴17上的齿轮泵16和用于驱动轴17的原动机18。该原动机(例如电动机)通过齿轮箱连接装置19、轴21和联轴器22来驱动轴17。
简单地说，操纵过程如下树脂在斗12内被预热和熔融，由重力喂到在被加热的体部11内的螺旋推动杆14。螺杆14使熔体喂入齿轮泵16，泵16送熔体通过被加热的体部11并到达挤压模头23。泵的压力要足以挤压熔体通过挤压模头。
输送装置的详细结构将参照五个基本部分进行描述，这五个部分为螺旋推进杆组件，齿轮泵组件、过滤器组件，回路组件和料斗组件。这五个部分构成一个整体的可移动的单一的结构，这种结构可有效地操作，并且能易于适应各种变换。
螺旋推进杆组件(见图3和4)体部11最好用一块金属，例如钢、合金钢或铝制造，在体部11上钻孔或镗孔，以提供所描述的空腔室和通道。(体部11也可以由导热的高温工程塑料制造)。
如图3所示，体部11有一个在其上钻孔所形成的大直径孔26，孔26形成螺旋推进室27(也称为螺旋推进筒)。一个小直径的孔28与室27同轴地并从室27穿过体部11的端部向外延伸。室27和孔28内安装螺旋推进杆组件，该组件包括螺旋推进杆14，杆14的一端例如在29处与轴17整体连接，另一端与轴头31整体连接。螺杆14和轴17及31可以用相同的钢材加工。
螺杆14安装在室27内，轴头31用轴承32轴颈固定在孔28内。在轴承32和螺杆14之间可以设置一个止推轴承33。安装在轴31的沟槽内的密封圈34在轴31和轴承32之间保持一种密封。
螺旋推进杆14基本上在室27的整个长度上延伸。轴17从螺杆14处轴向向外延伸，(仅有一小部分，如在29处，嵌入室27内);并且齿轮泵16的驱动齿轮用键安装在轴17上。
螺旋推进杆14用来传送聚合物通过室27(如图3所示从右到左)，由于螺杆的旋转，使聚合物被喂入齿轮泵16。螺杆14可以为各种形状和形式。图3所示的螺杆14是一种沟槽螺杆，其中，螺旋槽24由刃带25隔开。槽相对于螺杆的轴线倾斜45°，并且槽的螺距为0.615英寸，每英寸有1.625个沟槽。由孔26形成的螺旋推进筒相对于螺杆14的外径有一相对较大的公隙，以免剪切树脂熔体。公隙最小为10%，最大为60%，15～55%较为可取，最好为20～50%，公隙可由下列公式计算公隙%＝100〔(筒直径-螺杆外径)/筒直径〕连接器35使齿轮泵16适合于螺旋推进组件。连接器35由螺栓39连接到体部11上，并盖住室27的暴露端。在连接器35内有一中心孔37，孔37与室27相连通。轴17穿过孔37，并由轴承36在轴颈处安装在连接器上。聚合物料流通道38与孔37平行地穿过连接器35，并用来引导聚合物从室27到齿轮泵16。在连接器35内还有一个用来引导聚合物熔体从齿轮泵16到体部11的斜流料通道40(下面将描述)。
齿轮泵组件(见图3和5)齿轮泵16包括构成泵室43的壳体42，端板44和45，和内接齿轮46和47。轴17穿过泵室43，并有一驱动齿轮46键接在其上。安装在枢轴50上的从动齿轮47以与驱动齿轮46相啮合的形式设置。端板45设置在壳体42和连接器35之间。在端板45内的通道48与连接器35内的孔38相连通，并用来引导聚合物熔体到泵室43内。在端板45内的通道49与连接器45的输入通道40相连通。泵构件42、44和45以串接的形式组装在一起，并由螺栓51固定在连接器35上。灌注箱具有部件52，部件52用螺栓固定在端板44上，并且部件53固定在部件52上，在部件52和53之间提供密封，螺旋推进组件和齿轮泵组件作为一个单元预先组装成一个构件，以便插入体部11的孔26和28内，并用螺栓39固定在体11上。连接在体部11上的轴承盖54封闭孔28的暴露端。
虽然齿轮泵是最好的，但本发明可以采用任何形式的正压旋转式排代泵。这些泵具有与转速成比例的一控制的输出率。
过滤组件和回流阀组件(图2和图3)本发明的聚合物输送装置最好包括在体部11内的一过滤组件56和一回流阀组件57。过滤器组件56安装在体部11内的空腔58内。体部通道59从体部11边上的齿轮泵处延伸，并引导聚合物从连接通道40到空腔58。空腔58的外露进口具有螺纹60，螺纹60与过滤器的螺纹相啮合，如下所述。
过滤器组件56是一个包括一过滤管61、端部件62和螺纹端部件63的预组装构件。过滤器61用一杆64保持在其适当位置，杆64加在69处，旋在部件63上。并通过过滤管61的中心延伸，穿过端部件62，由螺母65保持在其适当位置。在端部件62上的孔66用来引导聚合物熔体到过滤器61的内部。密封圈67和68设置在部件62和63上形成的相应沟槽内，以便在部件62和63之间提供一流体密封。过滤器组件56可插入空腔58内，并由在60处的螺纹旋进体部11内。在端部件63上的外露六角头螺钉便于过滤器组件56的拆下和插入，以便于清洗和更换过滤器。过滤管61可以由任何具有适当透气性并适合于在操作温度下使用的多孔材料制造。烧结金属特别适合于作过滤材料。例如，烧结钢可以在非常高的温度下使用。
在体部11内的通道71从空腔58向外延伸，通道71的进口在端部件62和63之间。通道71通过连接器73与输出通道72相连。通道72与挤压模头23相连。密封圈74在连接器73和体部11之间提供流体密封。
在体部11内的回路76连接在回流阀组件57上。该组件包括一在78处旋体部11的管筒77、一个球和一个安装在管筒77内弹簧柱塞组件。管筒77有一输入口79、输出口81和六角头螺钉头82。该柱塞组件包括球83、弹簧84和柱塞85。柱塞85可游动地固定在管筒77内，柱塞具有一密封圈86，并在87处旋在管筒上。通常球83在弹簧的作用下封闭口79。六角头螺钉88用来调节由弹簧84施加的作用在柱塞85的端部和球83之间的力。在一个方向上的旋转使作用在球83上的弹簧力增加，在另一个方向上的旋转使弹簧力减小，由此可控制释放压力。弹簧84可以是叠加的belville垫圈。
在体部11内的回流通道89(最好见图2)从输出口81延伸到螺旋推进杆的进口13，下面将详细描述。连接器73上有一安装管筒的六角头螺钉82处的凹槽，及一个用来露出柱塞85的调节螺钉88的开口。连接器73由螺栓91安装在体部11上。
本领域的技术人员可以理解到，在相对的金属表面之间的内表面上可以装有衬或该内表面被抛光，以提供金属对金属的密封。
料斗组件(图2、3、6和7)料斗12固定在体部11的上表面上，并包括底板95，前后板96和侧板97。板96、97和底板95可以由钢板制成，并可以按图6所示的组件形式焊成一体，板96、97和底板95构成一树脂储存器101。底板95应当略为坚固，并超出由板96和97的底部边缘所构成的正方形或矩形的周边。安装有板96、97的底板95用螺栓98连接在体部11上。在料斗的底板95和体部11之间装有一衬垫99。
底板95上有一长孔100(最好见图1)，孔100从前后方向延伸，并与侧板97距离相等。安装在斗12内并位于长孔100两侧的是加热器和基本相同的散热片组件102和103。每一个组件102和103都包括一实心的钢体楔块104，纵向地由此穿过的加热元件105和在储存器101内的从楔块的倾斜表面向上延伸的散热片106。楔块104具有一孔，该孔用来安装可收回的加热元件105。楔块104焊接在板97和底板95上。每一个楔块104向下朝着长孔100倾斜，并与另外的楔块一起构成一个用来将聚合物喂入长孔100内的漏斗(见图2)。楔块的斜度应足以避免死区的出现，20～40°的斜度(相对可水平方向)对各种情况都是合适的。
如图7所示，散热片106从楔块104的斜面向上垂直延伸，并用螺栓固定在楔块104上。螺栓108倾斜向上穿过楔块104内的孔110，并旋进散热片底座109内。
如图6所示，具有底座109和散热片106的散热结构在由孔110表示的纵向位置被用螺栓固定在相关联的楔块上。散热片106可由任意的高导热材料制成，最好是由铝压制成。另外可以使用的导热材料包括铜、黄铜及类似的材料。散热片106的纵向间隔为2英寸，11/2英寸较合适，最好为1英寸。散热片106可以布满在储存器的整个宽度上，但也可以如图所示的那样只沿长孔100布置。散热片106从斗中楔块开始向上延伸1～6英寸，最好为3～5英寸。散热片106的厚度最好在1/8～1/4英寸之间，并且散热片有一相结合的横断面(沿水平面测定，所述的区域与储存器101的水平断面区域之比不大于20%，最好小于15%。
每一个加热器和散热组件102、103都可以预先组装在斗12内，并且加热元件105通过在前板96上形成的相应的孔插入。加热元件可以是电阻电极，并可由导线113与适当的电源相连接。
在一些实施例中，希望在散热器106中插入电导体，以有助于树脂的加热。
再回到图2中，体部11的上部有一个细长的向下倾斜的长孔111。孔111与孔110对齐，将来自储存器101的聚合物喂入到螺旋推进室27。如图2所示，回流通道89与孔111相通。
体部11具有加热元件112，元件112也可以是与一适当的电源(例如，230～440V，交流，单相或三相电源)相连的电阻电极。
作为一种替代，斗12和体部11可以用加热的循环热油加热，该热油通过在其应有位置形成的或在图示的电极位置形成的通道。
在体部11内设置的加热装置用来加热腔室27、通道59、过滤组件56和回流阀组件57。在图2所示的实施例中，共有四个加热元件112。
除了熔融树脂以外，在储存器101内预热树脂的优点是，产生的热使树脂颗粒在储存器的上部区域内被干燥，从而避免了引起桥结和聚结的颗粒粘接。
挤出模头术语“挤出模头”包括熔喷模头、纺粘模头、薄膜和片膜模头。喷射嘴、用于模塑的开口，以及类似的装置。换句话说，聚合物熔体输送装置10可以使用在用聚合物熔体涂敷、塑形、成形或模制热塑性聚合材料的任何操作中。
虽然本发明的聚合物输送装置可以使用在上述的各种场合中，但本发明主要用于图1所示的熔喷模头23。如图1所示的熔喷模头23是一种复合结构，该结构包括一个体部115，模头喷嘴116，聚合物物流通道117，一些在喷嘴116上形成的并列的孔118和空气刮浆刀119。空气刮浆刀119与倾斜的模头喷嘴116一起构成空气通道120。通过通道120输送到模头的热空气在被挤压的通过孔118的聚合纤维的两侧形成层状空气流。纤维121由空气流的作用而变细及伸张，从而形成微细纤维(1～15微米)，这些纤维被收集在一适当的滚筒或输送装置上。熔喷模头23可根据美国专利3978185或4818463构制，在这里介绍这两篇专利是便于参考。
如图1所示，底座122装有小脚轮124，因此使整个装置可以移动。温度和压力控制装置123可用来控制斗和体部的温度。以及螺杆和齿轮泵的转动速率。
然而，本领域的技术人员可以理解到，本发明的装置可以与纺粘装置相连以用来输送10～100微米的常规范围内的纤维。用在纺粘操作中的树脂可以与上述的树脂相同，但一般是有较小的MFR。
操作本发明的主要特点是螺旋推进组件14和齿轮泵16之间的协调操作。螺旋推进装置使熔融聚合物在一定压力下主动喂入齿轮泵16。螺旋装置的输送能力最好比齿轮泵的输出流率大至少10%。齿轮泵的输出量和螺旋推进装置的输出量与轴17的转速成正比例。这样，增加轴17的转速就可增加两者的输出量。对螺旋推进装置和齿轮泵的尺寸要求是，在小于500磅/吋2，最好是小于200磅/吋2的压力下，应使螺旋推进装置的推进与泵的喂入力相协调。
在斗12内的加热元件应使树脂的温度达到950°F，最好达到700°F。在实心钢体楔块104内产生的热被传递到散热片106上，由此使树脂预热并使树脂在斗12内熔融，其熔体的高度至少等于楔块104的高度。熔融树脂通过长孔100、111和整个螺旋推进室27喂入，并通过通道38输送到齿轮泵16。熔体在100～10，000磅/吋2，一般在100～2，000磅/吋2的压力下泵送通过通道40、59和过滤组件56。
实际压力取决于应用场合，下列是典型的压力应用范围熔喷法非织造织物 500-1，000磅/吋2熔喷法织物涂料和粘合剂(高温) 10-200磅/吋2(低温) 200-1，000磅/吋2纺粘型 500-2，000磅/吋2模塑型 100-10，000磅/吋2齿轮泵的尺寸应使其输出率在0至2500磅/小时之间，最好在100-2500磅/小时之间。熔体通过通道66流进过滤器61的内部，径向向外通过过滤器61、通道71并最后经管72到达模头23。如果压力超过所控制的输送压力，回流阀57被打开，由此通过通道76、口79、81和通道89减缓压力，熔体返回到螺旋推进装置的喂料口111。一种替代的操作方法是，将阀57用作压力控制阀，由此，聚合物在控制压力下经过阀进行常循环。
本发明的主要特点是(a)在斗内的树脂预热是由在此描述的装置完成的，(b)高公隙螺旋推进装置避免了树脂的剪切，(c)螺旋推进装置14和齿轮泵16之间的协调工作是由同一轴17完成的(这就意味着该组件仅需要一个原动机)，(d)过滤组件，以及(e)回流组件。
本发明的附加特点是包括一个可安装在通道71内的温度探测器和/或压力传感器125，如图3所示。
权利要求
1.一种用于输送聚合熔体到一挤出模头的装置，包括(a)一个体部；(b)一个安装在所说体部上的树脂料斗；(c)在所说斗内的用来熔融装在斗内树脂，以便形成聚合物熔体的加热装置；(d)一个装在由所说体部所构成内腔室的螺旋推进杆，所说室有一个用来接受来自所说斗的聚合物熔体的开口和一个排出口；(e)一个与所说体部连接的正压旋转式排代泵，所说泵适合于接受来自室排出口的聚合物熔体；(f)一个在体部上形成的用来传送来自旋转泵的加压聚合物熔体的排出通道；(g)内连通体部排出通道和挤出模头的输送管；(h)用来加热体部，至少加热围绕着螺旋推进室和排出通道区域的装置；和(i)一个与所说齿轮泵和螺旋推进杆连接以便驱动泵和轴的驱动轴，其中，轴的旋转带动螺旋推进杆和旋转泵同步转动，使得熔体从斗流出经螺旋推进室、旋转泵和排出通道被输送到挤出模头。
2.按照权利要求1的装置，其特征在于，在泵的排出通道内设有一个过滤器。
3.按照权利要求2的装置，其特征在于，排出通道还设有一个压力回流阀和一个从所说回流阀到所说螺旋推进室的回流通道。
4.按照权利要求1的装置，其特征在于，使聚合物熔体喂入螺旋推进室的开口是一细长孔，并且，在所说斗内的加热装置包括在斗内的长孔每一个侧面安装的块体，在每一块体内的加热元件和一系列从所说块体向上延伸的导热散热片。
5.按照权利要求4的装置，其特征在于，在块体内的加热元件和散热片能散发出足够的热量使树脂在斗内成熔融状的树脂。
6.按照权利要求5的装置，其特征在于，块体是由钢体楔块构成的，楔块从斗的边缘向内并向下朝所说长孔倾斜。
7.按照权利要求6的装置，其特征在于，散热片是由铝制成的，散热片之间相互平行，并与所说长孔的纵轴线垂直。
8.按照权利要求7的装置，其特征在于，散热片从楔块的倾斜表面向上垂直延伸。
9.按照权利要求8的装置，其特征在于，散热片从每一个块体向上延伸，相互之间的间隔为2英寸。
10.按照权利要求1的装置，其特征在于，螺旋推进杆和旋转泵以相同的转速由所说的轴驱动。
11.按照权利要求10的装置，其特征在于，旋转泵是一种齿轮泵。
12.按照权利要求11的装置，其特征在于，螺旋推进杆的尺寸设计应能向所说齿轮泵提供喂入正压。
13.按照权利要求1的装置，其特征在于，加热体部的装置能够加热体部，使在螺旋推进室内的聚合物的温度达到950°F。
14.按照权利要求12的装置，其特征在于，齿轮泵能输送至少2500磅/小时的聚合物熔体。
15.按照权利要求14的装置，其特征在于，回流阀可以在100至2000磅/吋2的输送压力之间调节。
16.一种输送聚合物熔体到一个挤出模头的方法，包括(a)预热一聚合物树脂，使其达到足以形成聚合物熔体的温度;(b)使预热的熔体流入一个螺旋推进杆;(c)由旋转所说螺旋推进杆使聚合物熔体输送到一个旋转泵，与此同时向聚合物加热;(d)由转动旋转泵压送熔体到一个挤出模头，同时向熔体加热，和(e)使熔体通过挤出模头。
17.按照权利要求16的方法，其特征在于，树脂是聚烯烃类。
18.按照权利要求16的方法，其特征在于，挤出模头是一种能够挤压聚烯烃类和粘合剂的熔喷模头。
19.按照权利要求18的方法，其特征在于，树脂从聚乙烯、聚丙烯、乙烯共聚物中选取。
20.一种熔喷方法包括(a)用权利要求16的方法输送聚合物熔体到熔喷模头;(b)通过在所说模头上的一些并列的孔挤出聚合物熔体而形成纤维，同时，在纤维束的每一侧面喷吹热空气流，以使纤维伸张和变细到1至15微米的尺寸;和(c)收集形成层状的纤维。
21.一种熔喷方法，包括(a)用权利要求16的方法，输送聚合物熔体到熔体喷射模头，所说聚合物熔体是一种粘合剂;(b)将粘合剂聚合物熔体通过在熔喷模头上的一些并列的孔挤出，同时在每排孔的两侧喷吹热空气，以便伸张和变细熔体流;和(c)将粘合熔体流涂施在一基质上。
全文摘要
一种聚合物熔体输送装置，包括一个预热料斗，一个高公差的螺旋推进装置，一个齿轮泵和用来将热传递到聚合物上的装置。树脂被熔融并被喂入螺旋推进装置，再被压送到齿轮泵，进而被泵送到一挤出模头。对来自料斗的聚合物加热，并对其通至连到用于挤出模头的出口的整个通道加热。在斗内的预热装置包括导热散热片。本发明的装置特别适合于与熔喷模头一起使用。
文档编号D01D1/04GK1053032SQ9011042
公开日1991年7月17日 申请日期1990年12月8日 优先权日1989年12月8日
发明者马丁·A·阿兰, 约翰·T·非克特 申请人:埃克森化学专利公司