Устройство для инжекции текучей композиции в расплавленный полимерный материал и способ его использования
Группа изобретений относится к устройству для инжекции текучей композиции в расплавленный полимерный материал и способу его использования. Устройство (2) содержит первый насос (8) и шестеренный насос (12), расположенные последовательно в потоке текучей среды между резервуаром (4) для текучей композиции, подлежащей инжекции, и выпускным отверстием устройства. Первый насос (8) выбран из диафрагменного насоса и винтового насоса кавитационного типа. Группа изобретений направлена на обеспечение эффективного дозирования широкого спектра типов композиций. 2 н. и 28 з.п. ф-лы, 11 ил.
Настоящее изобретение относится к полимерным материалам, и, в частности, но не исключительно, оно относится к введению добавок в полимерные материалы, например - в сложные полиэфиры, например - при получении сложнополиэфирных волокон.
Известно введение добавок (например, красителей, стабилизаторов, матирующих веществ, антистатических средств, оптических отбеливателей, технологических добавок и т.п.) в волокна после их получения посредством окрашивания погружением в ванны с красителем или окрашивания в массе. Однако недостатком этих способов является то, что для обеспечения проникновения добавки в волокно необходимы большие объемы текучих (жидких) композиций, содержащих добавки; процесс может быть длительным; и после процесса проникновения красителя волокно необходимо просушивать.
Также известно использование маточной смеси, содержащей добавки, для введения добавок в полимерные материалы. Например, гранулы маточной смеси и гранулы полимера могут быть загружены в экструдер через его питающее отверстие, и два компонента подвергают совместной обработке посредством формования из расплава. Однако недостатком является то, что очистка экструдера занимает много времени, поскольку необходимо очищать экструдер по всей его длине, например - перед изменением цвета; кроме того, проблемами могут быть дозирование и обрабатываемость твердой гранулированной маточной смеси. Кроме того, могут существенно ухудшаться некоторые свойства материалов, например - штапельных волокон, изготовленных с использованием маточных смесей.
Предпочтительным способом введения добавок может быть введение жидкой композиции в расплав полимера. Композиция предпочтительно содержит среду-носитель, в которой диспергируют добавку перед инжекцией в расплав.
В публикации US 7278778 (Sauer) раскрыты устройство и способ инжекции жидкого красителя в расплав полимера и решена проблема обеспечения в течение продолжительного времени равномерного и постоянного окрашивания расплава полимера посредством подачи в расплав полимера точно отмеренного количества жидкой краски. Проблема решена за счет устройства для инжекции красителя, которое содержит резервуар для жидкого красителя, причем резервуар соединен с источником давления газа, создающим газовую подушку, которая действует на краситель, находящийся в резервуаре, так, что краситель подается к впускному отверстию питающего насоса под постоянным давлением. Питающий насос, который является шестеренным насосом, соединен с питающей линией для красителя, расположенной между резервуаром и впускным отверстием дозирующего насоса, который также является шестеренным насосом. Дозирующий насос содержит впускное отверстие, соединенное с резервуаром через питающую линию для красителя, и выпускное отверстие для соединения с компонентом, транспортирующим расплав, причем дозирующий насос добавляет измеренные количества красителя из резервуара в расплав полимера, находящийся в компоненте, транспортирующем расплав, например - в экструдере.
Хотя устройство из публикации US 7278776 может быть способным удовлетворительно подавать жидкие красители, которые содержат стабильные относительно низковязкие композиции, оно непригодно для точного дозирования в течение длительного периода времени некоторых типов композиций, включающих относительно вязкие композиции (например, имеющие вязкость до 40000 сП) и/или композиции, которые содержат высокие загрузки твердых частиц (например, до 85 масс. % твердых веществ), причем твердые частицы могут иметь размеры частиц, превышающие 5 мкм и достигающие 150 мкм. В частности, для того чтобы шестеренные насосы из публикации US 7278776 точно дозировали жидкие красители, зазоры в насосах должны быть достаточно узкими, что обычно делает насосы более чувствительными к износу и/или затрудняет перекачку насосами относительно вязких композиций и/или композиций, содержащих относительно высокие загрузки частиц.
Задачей настоящего изобретения является решение вышеописанных проблем.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предусмотрено устройство для инжекции текучей композиции в расплавленный полимерный материал, которое содержит первый насос и шестеренный насос, расположенные последовательно по пути потока текучей среды между резервуаром для текучей композиции, подлежащей инжекции, и выпускным отверстием устройства.
Первый насос может быть кавитационным винтовым насосом (РСР; от англ.: progressing cavity pump) или диафрагменным насосом, например - мультидиафрагменным насосом. Предпочтительно он является РСР.
Первый насос предпочтительно расположен выше по течению относительно шестеренного насоса. Резервуар предпочтительно расположен выше по течению относительно первого насоса, причем резервуар непосредственно соединен с первым насосом через первую трубу. Первая труба предпочтительно обеспечивает непрерывное гидравлическое соединение между резервуаром и первым насосом. Вторая труба предпочтительно проходит между первым насосом и шестеренным насосом для перемещения текучей композиции от первого насоса к шестеренному насосу.
Резервуар предпочтительно предназначен для доставки текучей композиции к впускному отверстию первого насоса под давлением менее 100 миллибар. Резервуар предпочтительно открыт в атмосферу. Предпочтительно он не находится под избыточным давлением. Устройство по настоящему изобретению предпочтительно устроено так, что давление на входе в первый насос определяется гидростатическим давлением жидкости (текучей среды), содержащейся в резервуаре, и атмосферным давлением, и не требуются дополнительные средства для создания избыточного давления в резервуаре. Резервуар и первый насос предпочтительно обеспечивают работу первого насоса под залив с использованием текучей среды из резервуара - т.е. текучая среда из резервуара эффективно «заливается» в первый насос.
Резервуар может иметь объем, лежащий в диапазоне от 1 литра до 1000 литров, предпочтительно - равный по меньшей мере 10 литрам.
Труба, проходящая между резервуаром и первым насосом, может иметь внутренний диаметр, лежащий в диапазоне от 4 мм до 20 мм. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения резервуар может содержать контейнер средней вместимости (IBC; от англ.: intermediate bulk container), и первый насос ввинчивают в выпускное отверстие IBC.
Резервуар может содержать текучую композицию, обладающую любыми признаками текучей композиции, описанными ниже.
Первый насос предпочтительно предназначен для подачи текучей композиции во впускное отверстие шестеренного насоса.
Шестеренный насос предпочтительно является шестеренным насосом с наружным зацеплением. Такой шестеренный насос относительно дешев и прост в эксплуатации. Его также можно относительно легко очистить. Шестеренный насос предпочтительно имеет прямозубые шестерни. Предпочтительным является то, что шестеренный насос может иметь относительно широкие зазоры, что позволяет ему перекачивать относительно вязкие текучие композиции, которые содержат относительно высокие загрузки зернистого материала, и/или текучие композиции, содержащие зернистый материал, имеющий относительно большие размеры частиц.
Шестеренный насос предпочтительно подает текучую среду со скоростью, лежащей в диапазоне от 0,2 мл/оборот до 10 мл/оборот, предпочтительно - в диапазоне от 0,5 мл/оборот до 5 мл/оборот.
Шестеренный насос предпочтительно содержит шестерню, содержащую зубья шестерни с вершинами головок, причем минимальное расстояние между вершинами головок зубьев шестерни и соседним корпусом (которое в данной публикации называют «зазором между головками зубьев шестерни и корпусом насоса») равно по меньшей мере 0,005 мм, предпочтительно - по меньшей мере 0,010 мм. Этот зазор между головками зубьев шестерни и корпусом насоса может быть менее 0,200 мм, предпочтительно - менее 0,150 мм, более предпочтительно - менее 0,100 мм.
Шестеренный насос предпочтительно содержит две зацепляющиеся шестерни, причем обе шестерни имеют зазоры между головками зубьев шестерни и корпусом насоса, указанные выше.
Шестеренный насос предпочтительно содержит шестерню, в которой сумма минимальных расстояний между торцами шестерни и соседними опорными поверхностями, измеренных параллельно оси вращения шестерни (которые в данной публикации называют «зазорами между торцами шестерни и опорными поверхностями»), составляет по меньшей мере 0,005 мм, предпочтительно - по меньшей мере 0,010 мм. Эти зазоры между торцами шестерни и опорными поверхностями могут быть менее 0,200 мм, предпочтительно - менее 0,150 мм, более предпочтительно - менее 0,100 мм.
Зазор в зацеплении между зацепляющимися шестернями может быть равен по меньшей мере 0,005 мм, предпочтительно - по меньшей мере 0,010 мм. Он может быть менее 0,200 мм, предпочтительно - менее 0,150 мм, более предпочтительно - менее 0,100 мм.
Шестеренный насос предпочтительно содержит две зацепляющиеся шестерни, причем обе шестерни имеют указанные выше зазоры между торцами шестерен и опорными поверхностями.
Впускное отверстие шестеренного насоса предпочтительно имеет внутренний диаметр менее 10 мм; он может быть равен по меньшей мере 1 мм.
Шестеренный насос может подавать по меньшей мере 0,1 см3/оборот, предпочтительно - по меньшей мере 1,0 см3/оборот. Он может подавать менее 10 см3/оборот, менее 8 см3/оборот или менее 6 см3/оборот. Шестеренный насос может работать с числом оборотов в минуту, лежащим в диапазоне от 5 об/мин до 200 об/мин, например - в диапазоне от 10 об/мин до 150 об/мин, предпочтительно - при подаче с указанными скоростями.
Трубопровод между первым насосом и шестеренным насосом может иметь внутренний диаметр менее 25 мм; он может быть равен по меньшей мере 1 мм.
Устройство по настоящему изобретению предпочтительно содержит первый датчик давления, расположенный выше по течению относительно шестеренного насоса. Первый датчик давления предпочтительно предназначен для измерения давления текучей композиции непосредственно перед шестеренным насосом. Информация о давлении, полученная от первого датчика давления, может быть передана в блок обработки данных.
Устройство по настоящему изобретению предпочтительно содержит второй датчик давления, расположенный ниже по течению относительно шестеренного насоса. Второй датчик давления предпочтительно предназначен для измерения давления текучей композиции непосредственно после шестеренного насоса. Информация о давлении, полученная от второго датчика давления, может быть передана в блок обработки данных.
Устройство по настоящему изобретению может регулировать работу первого насоса, например - его скорость, в зависимости от значений давления, измеренных первым и вторым датчиками давления.
Первый насос и шестеренный насос предпочтительно функционируют независимо друг от друга. Скорость первого насоса предпочтительно можно регулировать независимо от скорости шестеренного насоса, и скорость шестеренного насоса предпочтительно можно регулировать независимо от скорости первого насоса.
Устройство по настоящему изобретению предпочтительно содержит только один первый насос (например, РСР или диафрагменный насос). Устройство по настоящему изобретению предпочтительно содержит только один шестеренный насос. Между резервуаром и выпускным отверстием устройства, через которое выходящую текучую композицию предпочтительно подают в расплавленный полимерный материал, устройство по настоящему изобретению предпочтительно содержит только два насоса - первый насос и шестеренный насос.
Выпускное отверстие устройства предпочтительно может быть предназначено для соединения с устройством для формования из расплава, поэтому текучая композиция предпочтительно может быть введена, например -инжектирована, в поток расплава, создаваемый устройством для формования из расплава. Устройство может содержать клапан, расположенный ниже по течению относительно шестеренного насоса, для регулирования потока текучей композиции в поток расплава. Клапан может регулироваться блоком обработки данных, например - блоком обработки данных, который получает информацию от первого и второго датчиков давления.
Инжекционное устройство по настоящему изобретению предпочтительно используют в комбинации с устройством для формования из расплава, причем предпочтительно они образуют сборку, в которой выпускное отверстие инжекционного устройства находится в гидравлическом соединении с впускным отверстием, через которое текучую композицию можно ввести в поток расплава, создаваемый устройством для формования из расплава.
Устройство предпочтительно предназначено для инжекции текучей композиции в поток расплава под давлением, равным по меньшей мере 10 бар (предпочтительно - по меньшей мере 30 бар). Инжекционное давление может быть менее 300 бар.
В комбинации, включающей инжекционное устройство и устройство для формования из расплава, предпочтительно предусмотрены средства мониторинга давления, предназначенные для мониторинга давления в потоке расплава, предпочтительно расположенные рядом с местом инжекции текучей композиции в поток расплава, причем информация об этом давлении предпочтительно передается в инжекционное устройство, например - в блок обработки данных. Инжекционное устройство может регулировать давление, под которым текучая среда инжектируется в поток расплава, в зависимости от давления в потоке расплава, которое определяется средствами мониторинга давления. Соответственно, инжекционное устройство, например - блок обработки данных, может периодически получать сигнал обратной связи о давлении в потоке расплава, и устройство, например - блок обработки данных, соответствующим образом запрограммировано для регулирования инжекционного давления.
Блок обработки данных инжекционного устройства предпочтительно управляет шестеренным насосом так, чтобы разность давлений между впускным отверстием и выпускным отверстием была менее 8 бар, например - менее 5 бар или менее 3 бар. В этом случае шестеренный насос не может значительно повышать давление используемой текучей композиции. Основной функцией шестеренного насоса (в данной публикации называемого дозирующим насосом) может быть дозирование композиции. Первый насос (в данной публикации называемый насосом, повышающим давление) может быть использован, предпочтительно - под контролем блока обработки данных, для значительного повышения давления используемой текучей композиции. Соответственно, в этом случае блок обработки данных устройства по настоящему изобретению предпочтительно управляет насосом, повышающим давление, так, что разность давлений между его впускным и выпускным отверстиями превышает 20 бар или 60 бар. Блок обработки данных также может регулировать дозирование дозирующим насосом.
В варианте осуществления настоящего изобретения, который включает РСР или диафрагменный насос, блок обработки данных инжекционного устройства предпочтительно управляет насосом, выбранным из РСР или диафрагменного насоса, так, что разность давлений между впускным и выпускным отверстиями выбранного РСР или диафрагменного насоса составляет менее 8 бар, например - менее 5 бар или менее 3 бар. В этом случае выбранный насос не может значительно повышать давление используемой текучей композиции. Основной функцией выбранного насоса (в данной публикации называемого дозирующим насосом) может быть дозирование композиции. Другой насос, выбранный из РСР или шестеренного насоса (в данной публикации называемый насосом, повышающим давление), может быть использован, предпочтительно - под контролем блока обработки данных, для значительного повышения давления используемой текучей композиции. Соответственно, в этом случае блок обработки данных устройства по настоящему изобретению предпочтительно управляет насосом, повышающим давление, так, что разность давлений между его впускным и выпускным отверстиями превышает 5 бар, 20 бар, 50 бар, 100 бар или 150 бар. Блок обработки данных также может регулировать дозирование дозирующим насосом.
В любом варианте осуществления настоящего изобретения инжекционное устройство может подавать текучую композицию в расплавленный полимерный материал со скоростью, лежащей в диапазоне от 1 мл/минуту до 1500 мл/минуту, предпочтительно - в диапазоне от 3 мл/минуту до 750 мл/минуту, более предпочтительно - в диапазоне от 10 мл/минуту до 500 мл/минуту.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения устройство может быть устроено так, что шестеренный насос используют для дозирования текучей композиции, а первый насос предназначен для повышения давления текучей композиции. Блок обработки данных устройства может быть запрограммирован так, что он управляет шестеренным насосом и первым насосом, как описано выше.
Первый насос может повышать давление в текучей композиции по меньшей мере на 60 бар, предпочтительно - по меньшей мере на 80 бар, более предпочтительно - по меньшей мере на 100 бар. Первый насос может повышать давление не более чем на 150 бар или 120 бар. Давление текучей композиции во впускном отверстии первого насоса может быть относительно низким (например, менее 5 бар) во время его использования. Соответственно, первый насос предпочтительно является насосом такого типа, который повышает давление текучей композиции по меньшей мере на 60 бар, предпочтительно - по меньшей мере на 80 бар, более предпочтительно - по меньшей мере на 100 бар.
Первый насос может подавать текучую композицию со скоростью, равной по меньшей мере 0,10 мл/оборот, предпочтительно - со скоростью, равной по меньшей мере 0,15 мл/оборот, более предпочтительно - со скоростью, равной по меньшей мере 0,20 мл/оборот, и предпочтительно - под указанным давлением. Максимальная скорость подачи текучей композиции может быть менее 10 мл/оборот, менее 8 мл/оборот или менее 5 мл/оборот. Первый насос предпочтительно подает текучую композицию с указанной скоростью и под указанным давлением.
Если в первом варианте осуществления настоящего изобретения первый насос является РСР, то этот РСР может работать со скоростями до 600 об/мин. РСР может содержать до 40 или до 36 ступеней (то есть рабочих полостей). Он может содержать по меньшей мере 10, 15 или 20 ступеней, что позволяет ему развивать необходимое давление.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения (и во втором варианте осуществления, описанном ниже) шестеренный насос может быть по существу таким, как описано выше. Однако в первом варианте осуществления настоящего изобретения блок обработки данных устройства по настоящему изобретению соответствующим образом запрограммирован для управления шестеренным насосом, так что шестеренный насос дозирует текучую композицию для подачи в поток расплава, как описано выше. В этом случае блок обработки данных может быть запрограммирован так, чтобы разность давлений ΔР между впускным и выпускным отверстиями шестеренного насоса поддерживалась по существу равной нулю. Соответственно, разность давлений между впускным и выпускным отверстиями шестеренного насоса может быть менее 3 бар, 2 бар или 1 бар. Блок обработки данных предпочтительно запрограммирован так, чтобы разность давлений в шестеренном насосе поддерживалась с точностью ±1 бар во время инжекции текучей композиции в расплавленный полимерный материал.
Устройство по настоящему изобретению предпочтительно включает интерфейс пользователя для ввода желаемой скорости дозирования, с которой текучую композицию следует подавать в расплавленный полимерный материал. Интерфейс пользователя предпочтительно обменивается информацией с блоком обработки данных, описанным выше, а блок обработки данных предпочтительно регулирует скорость работы шестеренного насоса в соответствии с желаемой скоростью дозирования и/или таким образом, что предварительно заданные количества текучей композиции точно дозируются во время работы шестеренным насосом для подачи текучей композиции в расплавленный полимерный материал.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения, в котором первый насос является РСР, устройство по настоящему изобретению может быть устроено так, что РСР используют для дозирования текучей композиции, а шестеренный насос предназначен для повышения давления текучей композиции.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения выгодным является то, что РСР может быть более дешевым и иметь меньшие размеры, чем насос, используемый в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. РСР может быть предназначен только для создания давления до 5 бар (и предпочтительно может быть в принципе неспособным генерировать более высокое давление). РСР может содержать 10 ступеней или менее, предпочтительно - 7 ступеней или менее, более предпочтительно - 4 ступени или менее. Он может содержать по меньшей мере 2 ступени. РСР может доставлять композицию со скоростью, лежащей в диапазоне от 0,1 мл/об до 10 мл/об.
Хотя предпочтительно, чтобы в первом и втором вариантах осуществления настоящего изобретения устройство содержало только один шестеренный насос, устройство по настоящему изобретению может содержать два или более шестеренных насосов, соединенных последовательно, в частности, если желательно генерировать более высокое давление, например - до 300 бар.
Как описано выше, устройство согласно первому аспекту настоящего изобретения предпочтительно содержит блок обработки данных для регулирования и/или мониторинга первого насоса и шестеренного насоса. Блок обработки данных предпочтительно получает информацию от первого и второго датчиков давления, описанных выше, например, от датчиков, которые расположены для мониторинга давления на входе и выходе шестеренного насоса. Блок обработки данных может получать информацию от устройства для формования из расплава, с которым предпочтительно соединено инжекционное устройство. Например, информация о давлении в потоке расплава предпочтительно передается в блок обработки данных. Информация о скорости течения потока расплава также может быть передана в блок обработки данных. Информация о состоянии клапана, расположенного ниже по течению относительно шестеренного насоса, может быть передана в блок обработки данных.
Устройство согласно первому аспекту предпочтительно включает интерфейс пользователя, с помощью которого пользователь может вводить информацию о процессе. Например, пользователь может ввести одно или более из следующего: пропускную способность устройства для формования из расплава, давление в точке инжекции и коэффициент разбавления (LDR; от англ.: Let-Down Ratio).
Вследствие относительной дешевизны шестеренных насосов для использования в соответствии с первым аспектом может быть предусмотрено множество (например, по меньшей мере 3 или по меньшей мере 4) идентичных насосов, которые являются взаимозаменяемыми частями устройства. Например, может не требоваться очистка насосов перед использованием, поскольку все насосы, входящие в множество, могут содержать различные текучие композиции, например - композиции различного цвета.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения относительно дешевыми могут быть и РСР, и шестеренный насос. В этом случае устройство может содержать множество (например, по меньшей мере 3 или по меньшей мере 4) блоков смены красителя, причем каждый из блоков может содержать РСР, шестеренный насос и связанные с ними трубы. Блок смены красителя может также содержать резервуар для текучей композиции. Блоки смены красителей могут быть взаимозаменяемыми частями устройства. Они могут быть загрязнены различными текучими композициями, однако не требуют тщательной очистки (например, удаления всех следов красителя) между их использованиями в устройстве.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложен способ инжекции текучей композиции в расплавленный полимерный материал, включающий: выбор устройства, содержащего первый насос и шестеренный насос, соединенные последовательно в пути потока между резервуаром, который содержит текучую композицию, подлежащую инжекции, и выпускным отверстием; использование первого насоса или шестеренного насоса для повышения давления композиции, проходящей между резервуаром и выпускным отверстием; и инжекцию композиции в расплавленный полимерный материал ниже по течению относительно выпускного отверстия.
Предпочтительно, способ может быть использован для дозирования относительно вязких композиций, которые содержат высокие загрузки относительно крупных частиц.
Если не указано иное, то вязкость, описываемая в данной публикации, может быть измерена с использованием вискозиметра Брукфилда при 20 об/мин и 23°С.
Композиция может иметь вязкость, равную по меньшей мере 5000 сП, предпочтительно - по меньшей мере 10000 сП, более предпочтительно - по меньшей мере 15000 сП. Вязкость может быть ниже 45000 сП, предпочтительно - ниже 40000 сП, более предпочтительно - ниже 35000 сП.
Текучая композиция может содержать по меньшей мере 20 масс. % твердых веществ, предпочтительно - по меньшей мере 30 масс. %, более предпочтительно - по меньшей мере 40 масс. %, еще более предпочтительно - по меньшей мере 50 масс. %, в частности - по меньшей мере 60 масс. %. Твердые вещества могут содержать зернистый материал, например - твердые пигменты и/или красители. Текучая композиция может содержать 85 масс. % или менее твердых веществ описанного типа. Текучая композиция предпочтительно содержит от 15 масс. % до 70 масс. % текучей среды, предпочтительно - от 15 масс. % до 50 масс. % текучей среды, например - жидкости. Твердые вещества предпочтительно представлены в виде дисперсии в текучей среде, которая предпочтительно является носителем. Соответственно, твердые вещества могут быть по существу нерастворимыми в носителе. Возможность использовать композиции с высоким содержанием твердых веществ (и, соответственно, с относительно низкими количествами носителя) может быть предпочтительной для минимизации вредных воздействий, связанных с включением носителя в полимерный материал.
Твердые вещества могут быть предназначены для регулирования свойств полимерного материала, в который они могут быть введены устройством. Твердые вещества могут содержать любой материал, который желательно ввести в полимерный материал, и могут быть выбраны из красящих веществ, УФ-фильтров, поглотителей кислорода, антимикробных средств, поглотителей ацетальдегида, добавок для повторного разогрева, антиоксидантов, светостабилизаторов, оптических отбеливателей, стабилизаторов технологических свойств и замедлителей горения. Красящие вещества могут содержать пигменты или красители.
Твердые вещества предпочтительно содержат нерастворимые красящие вещества (то есть нерастворимые в носителе), например - нерастворимые пигменты или красители.
Носитель предпочтительно является жидким при нормальных условиях (STP; от англ.: standard temperature and pressure). Текучая композиция предпочтительно является жидкой при нормальных условиях. Носитель предпочтительно имеет температуру кипения (при атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст.), превышающую 300°С, более предпочтительно - превышающую 350°С, еще более предпочтительно - превышающую 500°С. Температура кипения может быть ниже 1150°С или ниже 1000°С. Температура плавления носителя может быть ниже 0°С или ниже -10°С).
Носитель предпочтительно является жидким носителем. Иллюстративные жидкие носители включают, но не ограничиваются этим, минеральные масла, сложные эфиры С9-С22 жирных кислот, этоксилированные сложные эфиры С9-С22 жирных кислот, этоксилированные спирты и пластификаторы. Пластификаторами могут быть, например, себакаты и азелаты, такие как дибутилсебакат, сложные эфиры, такие как бензилбензоат, адипаты, такие как диокстиладипат, цитраты, такие как триэтилцитрат, эпоксидные смолы, сложные эфиры фосфорной кислоты, такие как 2-этилгексилдифенилфосфат, фталаты, такие как диоктилфталат, и вторичные пластификаторы, такие как хлорированные парафины.
Размеры частиц в текучей композиции можно оценить с использованием оптической микроскопии. Предпочтительно менее 5%, менее 1% или менее 0,1% от числа частиц в текучей композиции имеют максимальный размер, превышающий 150 мкм. По меньшей мере 10% от числа частиц в текучей композиции могут иметь максимальный размер частиц, превышающий 10 мкм, или превышающий 20 мкм, или превышающий 30 мкм, или превышающий 40 мкм.
Текучая композиция может содержать частицы, имеющие медианный диаметр частиц, равный 5 мкм или более. Медианный диаметр частиц может быть равен 100 мкм или менее. При использовании в данной публикации, размер частиц d50 - это медианный диаметр, причем 50% объема состоят из частиц, превышающих указанный d50, и 50% объема состоят из частиц, меньших указанного значения d50. При использовании в данной публикации, медианный размер частиц означает то же самое, что и размер частиц d50. Размеры частиц и/или медианный диаметр могут быть оценены посредством дифракции лазерного излучения, например - с использованием лазерного анализатора размера частиц Horiba LA 950.
Текучая композиция может содержать по меньшей мере часть частиц (например, по меньшей мере 5% от числа частиц, по меньшей мере 10% от числа частиц, и предпочтительно - менее 50% от числа частиц или менее 30% от числа частиц), имеющих размеры, превышающие размер зазора между головками зубьев шестерни и корпусом шестеренного насоса, определенный так, как описано в первом аспекте.
Текучая композиция может содержать по меньшей мере часть частиц (например, по меньшей мере 5% от числа частиц, по меньшей мере 10% от числа частиц, и предпочтительно - менее 50% от числа частиц или менее 30% от числа частиц), имеющих размеры, превышающие размеры зазоров между торцами шестерен и опорными поверхностями, определенные так, как описано в первом аспекте.
Устройство, выбранное для использования в способе по настоящему изобретению, может иметь любые признаки устройства согласно первому аспекту настоящего изобретения.
Предпочтительно, устройство, например - первый насос, используют для повышения давления композиции, так что давление композиции на выходе равно по меньшей мере 10 бар, по меньшей мере 40 бар или по меньшей мере 80 бар.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения, описанном в первом аспекте, первый насос может быть использован для повышения давления текучей композиции по меньшей мере на 50 бар, предпочтительно - по меньшей мере на 70 бар, более предпочтительно - по меньшей мере на 85 бар, еще более предпочтительно - по меньшей мере на 100 бар. Повышение может быть менее 200 бар или менее 160 бар. Этот насос назван насосом, повышающим давление, в первом аспекте настоящего изобретения. Шестеренный насос (в данной публикации называемый дозирующим насосом) может быть использован для дозирования композиции, как указано в первом аспекте. Дозирующий насос может работать так, что он повышает давление текучей композиции менее чем на 8 бар, 5 бар или 3 бар, и в некоторых случаях он по существу не обеспечивает повышения давления.
Если первый насос является РСР, то любой насос, выбранный из РСР или шестеренного насоса, может быть использован для повышения давления текучей композиции по меньшей мере на 50 бар, предпочтительно - по меньшей мере на 70 бар, более предпочтительно - по меньшей мере на 85 бар, еще более предпочтительно - по меньшей мере на 100 бар. Повышение может быть менее 200 бар или менее 160 бар. Этот насос назван насосом, повышающим давление, в первом аспекте настоящего изобретения. Другой насос, выбранный из РСР или шестеренного насоса (в данной публикации называемый дозирующим насосом), может быть использован для дозирования композиции, как описано в первом аспекте. Дозирующий насос может работать так, что он повышает давление текучей композиции менее чем на 8 бар, 5 бар или 3 бар, и в некоторых случаях он по существу не обеспечивает повышения давления. В первом варианте осуществления настоящего изобретения РСР может быть использован как насос, повышающий давление. Во втором варианте осуществления настоящего изобретения РСР может быть использован как дозирующий насос.
Как в первом, так и во втором вариантах осуществления настоящего изобретения композицию предпочтительно инжектируют в расплавленный полимерный материал ниже по течению относительно выпускного отверстия под давлением, равным по меньшей мере 50, 70, 85, 100 или 120 бар. Отношение инжекционного давления к давлению полимерного материала может лежать в диапазоне от 0,8 до 1,25.
Композицию предпочтительно инжектируют со скоростью, лежащей в диапазоне от 1 мл/минуту до 1500 мл/минуту, предпочтительно - со скоростью, лежащей в диапазоне от 3 мл/минуту до 750 мл/минуту, более предпочтительно - со скоростью, лежащей в диапазоне от 10 мл/минуту до 500 мл/минуту.
После контакта между композицией и полимерным материалом смесь предпочтительно содержит менее 15 масс. % (например, менее 10 масс. %) материала, происходящего из композиции, и более 85 масс. % (например, более 90 масс. %) расплавленного полимерного материала, с которым композиция контактирует в способе по настоящему изобретению.
Композицию предпочтительно выбирают и инжектируют со скоростью, при которой в расплавленный полимерный материал вводится менее 15 масс. %, более предпочтительно - менее 10 масс. % или менее 8 масс. % носителя. То есть, после контакта между композицией и расплавленным полимерным материалом количество носителя в смеси предпочтительно составляет менее 15 масс. %, менее 10 масс. % или менее 8 масс. %. После контакта между композицией и расплавленным полимерным материалом суммарное количество жидкостей, введенных в полимерный материал с композицией, предпочтительно составляет менее 15 масс. %, менее 10 масс. % или менее 8 масс. % от общей массы смеси, содержащей композицию и расплавленный полимерный материал после контакта.
Полимерный материал может быть выбран из сложных полиэфиров (в частности, ПЭТ), поликарбонатов и полиолефинов.
Ниже по течению относительно места контакта композиции и полимерного материала смесь может быть использована для формования листа, или волокна, или других изделий посредством процессов экструзии или формования раздувом.
Способ может включать регулирование работы шестеренного насоса, например - его скорости, в зависимости от значений давления, определенных первым и вторым датчиками давления, причем первый датчик давления предназначен для измерения давления текучей композиции непосредственно перед шестеренным насосом, а второй датчик давления предназначен для измерения давления текучей композиции непосредственно после шестеренного насоса; информация о давлении от первого и второго датчиков предпочтительно передается в блок обработки данных, который регулирует работу шестеренного насоса.
Способ предпочтительно включает работу первого насоса и шестеренного насоса независимо друг от друга.
Способ предпочтительно включает ввод пользователем желаемой скорости дозирования (или информации относительно желаемой скорости дозирования), с которой текучую композицию следует дозировать в расплавленный полимерный материал. Информация может быть введена через интерфейс пользователя согласно первому аспекту настоящего изобретения.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения (который эквивалентен первому варианту осуществления настоящего изобретения, описанному в первом аспекте) шестеренный насос может быть использован для дозирования композиции, а первый насос (то есть диафрагменный насос или РСР) может быть предназначен для повышения давления текучей композиции. Блок обработки данных предпочтительно регулирует работу шестеренного насоса и первого насоса, как описано выше, согласно предварительно заданным параметрам, введенным в блок обработки данных.
Способ согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения может включать функционирование первого насоса, подающего композицию со скоростями, указанными в первом аспекте.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения способ предпочтительно включает поддержание разности давлений (ΔР, описанной в первом аспекте) между впускным и выпускным отверстиями шестеренного насоса, по существу равной нулю. Соответственно, отношение давления на входе к давлению на выходе предпочтительно может поддерживаться в диапазоне от 0,95 до 1,05, предпочтительно - в диапазоне от 0,98 до 1,02.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения первый насос может работать так, что разность давлений между его впускным и выпускным отверстиями составляет по меньшей мере 50 бар, по меньшей мере 70 бар или по меньшей мере 90 бар.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения (который эквивалентен второму варианту осуществления настоящего изобретения, описанному в первом аспекте) РСР может быть использован для дозирования текучей композиции, а диафрагменный насос предназначен для повышения давления текучей композиции.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения способ может включать работу РСР таким образом, что текучая композиция на выходе из РСР находится под давлением, составляющим менее 5 бар. РСР может подавать более 0,1 мл/оборот.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения способ может включать работу шестеренного насоса таким образом, что давление текучей композиции на выходе из шестеренного насоса равно по меньшей мере 50 бар, по меньшей мере 70 бар или по меньшей мере 90 бар. Способ может включать работу устройства таким образом, что разность между давлением на входе в шестеренный насос и давлением на выходе из шестеренного насоса равна по меньшей мере 50 бар, предпочтительно - по меньшей мере 70 бар, более предпочтительно - по меньшей мере 90 бар, в частности - по меньшей мере 110 бар. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть использованы давления до 200 бар или до 400 бар.
Далее будет описан конкретный вариант осуществления настоящего изобретения на основании примера со ссылкой на прилагаемые графические материалы, где:
Фиг. 1 является схематическим изображением первого варианта осуществления инжекционного устройства высокого давления;
Фиг. 2 является схематическим изображением части шестеренного насоса в направлении осей шестерен;
Фиг. 3 является схематическим изображением части шестеренного насоса в направлении стрелки III на Фиг. 2 с вырезанной лицевой стороной корпуса насоса;
Фиг.4 является видом в перспективе части шестеренного насоса из Фиг. 2 и Фиг. 3 без корпуса насоса;
Фиг. 5 является схематическим изображением устройства, использованного в испытании;
Фиг. 6 является графиком зависимости выхода композиции за один оборот от давления в барах для двух испытанных композиций;
Фиг. 7 является графиком зависимости выхода композиции в граммах за один оборот от числа об/мин и давления;
Фиг. 8 является графиком зависимости производительности насоса от числа об/мин и давления;
Фиг. 9 является схематическим изображением устройства, использованного в сравнительном примере;
Фиг. 10 является графиком, детализирующим результаты использования устройства из Фиг. 9;
Фиг. 11 является графиком, детализирующим результаты, полученные с использованием мультидиафрагменного насоса.
На графических материалах одинаковым или сходным частям присвоены одинаковые ссылочные номера.
В общих чертах, инжекционное устройство высокого давления для введения жидкой композиции в поток расплава содержит первый насос, который предназначен для точного дозирования жидкой композиции (включая композиции с высокими содержаниями наполнителей, содержащие твердые вещества, включающие частицы относительно большого размера), и второй насос, который повышает давление композиции до давления потока расплава, в который необходимо инжектировать композицию. В первом варианте осуществления настоящего изобретения первый насос расположен выше по течению относительно второго насоса и предназначен для создания давления, а второй насос предназначен для дозирования. Во втором варианте осуществления настоящего изобретения первый насос предназначен для дозирования, а первый насос предназначен для создания давления.
Далее устройство и его функционирование будут описаны более подробно.
Первый вариант осуществления инжекционного устройства высокого давления изображен на Фиг. 1. Устройство 2 содержит резервуар 4, в котором первоначально находится жидкая композиция. Резервуар находится при температуре и давлении окружающей среды и не требует перемешивания или какого-либо иного взбалтывания. Резервуар предназначен для подачи композиции по трубе 6 в первый насос 8, приводимый в движение мотором 9. Насос предпочтительно предназначен для работы при давлении до 120 бар. Ниже по течению относительно насоса 8 расположена труба 10 для доставки композиции из насоса 8 к шестеренному насосу 12, приводимому в движение мотором 13. Если первый насос 8 является винтовым насосом кавитационного типа (РСР), он может приводиться в движение сервоприводом 9 с системой регулирования скорости с замкнутой обратной связью через датчик обратной связи. Насос предпочтительно работает при давлении до 120 бар и обеспечивает выход композиции, равный 0,28 мл/оборот. Число оборотов в минуту предпочтительно ограничено 600 об/мин во избежание поступления теплоты, выделяющейся при сдвиговой деформации, в жидкую композицию и насос.
Поскольку первый насос предназначен для повышения давления, может быть использован относительно большой первый насос. Например, если первый насос является РСР, то он может обеспечивать выход композиции, равный 0,28 мл/оборот, под давлением до 120 бар. Длина такого РСР может включать примерно 30 ступеней. Альтернативно, первый насос может быть мультидиафрагменным насосом.
На Фиг. с 2 по 4 шестеренный насос 60 является шестеренным насосом с наружным зацеплением, содержащим две зацепляющиеся шестерни 62, 64 с прямыми зубьями, которые установлены на соответствующих валах 66, 68. Шестерни расположены внутри конструкции 70 (Фиг. 2 и Фиг. 3), которая содержит детали 72, 73, 74, 75, ограниченные опорными поверхностями, расположенными напротив торцов шестерен, и детали 76, 78, ограниченные корпусом, расположенным напротив головок зубьев.
Выгодным является то, что зазоры в шестеренном насосе 60 могут быть шире, чем в насосах, используемых в других системах, но, несмотря на это, жидкую композицию все еще можно точно дозировать с использованием устройства по настоящему изобретению. Первый зазор, который может быть шире, называют зазором между головками зубьев шестерни и корпусом насоса. Это минимальное расстояние между головкой зуба и соседней стенкой корпуса, измеряемое перпендикулярно к оси вращения шестерни (то есть, оно показывает, насколько близко головка зуба шестерни подходит к соседней стенке корпуса). Этот зазор изображен как расстояние 80 на Фиг. 2 и Фиг. 3.
Второй зазор, который может быть шире, называют зазором между торцами шестерен и опорными поверхностями. Это минимальные расстояния между торцами 72, 73, 74 или 75 шестерен и соседними опорными поверхностями 82, 84, измеренные параллельно оси вращения шестерен (то есть, они показывают, насколько близко к опорным поверхностям расположены торцы шестерен). Второй зазор является суммой расстояний 90а и 90b на Фиг. 3.
Третий зазор - это зазор между шестернями, и его называют зазором в зацеплении.
Первый зазор может достигать 200 мкм, второй зазор может достигать 200 мкм, и третий зазор также может достигать 200 мкм.
Ниже по течению относительно насоса 12 расположена труба 14 для доставки композиции к пневматически активируемой инжекционной клапанной системе 16, которая регулирует инжекцию композиции через трубу 18 в динамический смеситель и/или поток расплава (не показан) в экструдере.
Устройство 2 содержит первый датчик 20 давления, расположенный между насосом 8 и насосом 12 и предназначенный для мониторинга давления в трубе 10 на входе в насос 12, и второй датчик 22 давления, расположенный после насоса 12, для мониторинга давления текучей среды в трубе 14.
Устройство содержит полностью автоматизированную, управляемую программируемым логическим контроллером (PLC; от англ.: programmable logic controller) систему обратной связи, содержащую панель 24 управления, которая обменивается информацией с компонентами устройства.
Устройство 2 может работать следующим образом:
Цветную композицию помещают в резервуар 4 и посредством соединения трубы 18 с впускным отверстием устройства для формования из расплава собирают устройство 2, предназначенное для подачи жидкой композиции под соответствующим давлением в расплав полимера, содержащийся в устройстве для формования из расплава. Давление, под которым первоначально инжектируют жидкую композицию, может быть вручную задано оператором через панель 4 управления. Альтернативно, давление может быть определено датчиком давления расплава, расположенным ниже точки инжекции, и информация может быть передана посредством обратной связи к панели 4 управления, через которую можно затем отрегулировать соответствующие технологические параметры.
Перед использованием устройства определяют желаемую пропускную способность устройства для формования из расплава и выраженную в процентах долю жидкой композиции, которую нужно ввести в полимер (то есть коэффициент разбавления (LDR), и информацию вручную вводят в устройство через панель управления. Затем PLC рассчитывает соответствующую скорость шестеренного насоса для поддержания правильной скорости дозирования. PLC получает аналоговый входной сигнал в диапазоне от 0 В до 10 В от экструдера, относящийся к динамическому смесителю и/или потоку расплава, в который нужно подать композицию, и сравнивает этот сигнал с вручную введенным LDR. Если имеются колебания напряжения, то дозируемый объем жидкой композиции автоматически регулируют так, чтобы поддерживалось постоянное значение LDR.
Моторы 9, 13 приводят в движение насосы 8 и 12, так что жидкая композиция проходит из резервуара 4 через трубу 6, насос 8, трубу 10, насос 12 и трубу 14 к клапанной инжекторной системе 16, которая вначале закрыта, но может автоматически открыться, если будет достигнуто предварительно заданное давление. Первый насос предназначен для создания давления жидкой композиции для подачи ее через трубу 18 в устройство для формования из расплава. Давление на входе в насос определяется гидростатическим давлением жидкости, содержащейся в резервуаре 4. Выгодным является то, что в резервуаре не нужно создавать избыточное давление, что обычно имело место, если насос 8 был шестеренным насосом. Первый насос легче проталкивает жидкость из резервуара 4 по сравнению с шестеренным насосом. Кроме того, показано, что первый насос может легко развивать давление, достигающее примерно 120 бар, и работать при таком высоком давлении в течение длительного периода времени, даже в том случае, когда жидкая композиция сильно загружена крупными твердыми частицами.
Шестеренный насос 12 не предназначен для повышения давления жидкой композиции, он предназначен исключительно для дозирования композиции, так что заранее заданные количества композиции, точно отмеренные шестеренным насосом, могут быть инжектированы в поток расплава под давлением, созданным первым насосом, которое будет по существу таким же давлением, которое существует в потоке расплава. Поскольку давление, создаваемое шестеренным насосом, по существу равно нулю, отсутствует тенденция обратного потока композиций в насос, что способствует точному дозированию композиции при использовании шестеренного насоса.
Во время работы устройства панель 24 управления получает сигналы обратной связи, которая обеспечивает регулирование работы устройства. Например, она контролирует давление, определяемое датчиками 20, 22 давления; она регулирует работу первого насоса так, что создание давления первым насосом остается постоянным и обеспечивается соответствующее давление композиции в трубе 18 для инжекции в динамический смеситель и/или в поток расплава; она обеспечивает одинаковые давления в трубах 10, 14, так что ΔР между входом и выходом по существу равно нулю; и она регулирует работу шестеренного насоса так, что он дозирует предварительно заданное количество композиции.
Выгодным является то, что устройство 2 способно точно дозировать композицию в устройство для формования из расплава при желаемом высоком давлении. Первый насос легко может повысить давление композиции до 120 бар, если это необходимо. Кроме того, поскольку шестеренный насос 12 используют только для дозирования, и приращение давления в нем равно нулю, он может дозировать относительно точно (даже несмотря на то, что зазоры между шестернями и другими деталями насоса являются относительно широкими), и, в частности, точность дозирования выше, чем в случае, когда шестеренный насос используют и для повышения давления, и для дозирования, особенно в тех случаях, когда используют композиции, обладающие высокой вязкостью и/или содержащие крупные частицы.
По истечении длительного периода времени износ шестеренного насоса может привести к уменьшению подаваемого за один оборот объема композиции. Эту проблему можно решить за счет периодической калибровки насоса.
Примеры с 1 по 4 иллюстрируют применение устройства согласно первому и второму вариантам осуществления настоящего изобретения, в которых использован РСР. Пример 5 является сравнительным примером. Пример 6 иллюстрирует работу устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, в котором использован диафрагменный насос.
Пример 1
Функционирование устройства, содержащего РСР, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения
Согласно Фиг. 5, испытываемая композиция была загружена в резервуар 4. Стандартный винтовой насос 40 кавитационного типа Netzsch NX510/008 (с производительностью 0,9 мл/об) регулировался контроллером, установленным на 60 об/мин, и был предназначен для подачи композиции с измеряемой скоростью из резервуара 4 во впускное отверстие шестеренного насоса 42 производства компании MVV. Датчик 44 давления был размещен непосредственно перед впускным отверстием шестеренного насоса для измерения давления в соединительной трубе 46. После шестеренного насоса 42 были расположены датчик 48 давления, предназначенный исключительно для регистрации давления в линии, расположенной после насоса, и регулятор 51 давления для регулирования давления после насоса. Шестеренный насос 42 приводился в движение сервоприводом, который регулировался давлением в соединительной трубе между двумя насосами. Давление в соединительной трубе было задано равным 5 бар, и скорость шестеренного насоса регулировалась программируемым логическим контроллером для поддержания постоянного давления в трубе 46. Это регулирование включало повышение или снижение скорости шестеренного насоса для коррекции эффектов проскальзывания, и за счет этого поддерживался постоянный выходящий поток в линии 50.
Были испытаны следующие композиции:
Соответствующие образцы текучих сред собрали вручную за периоды времени, равные 60 секундам, после регулятора 51 давления при различных значениях давления, измеренных ниже по течению относительно шестеренного насоса 42. Результаты представлены на Фиг. 6. На Фиг. 6 следует отметить, что в случае композиции В массы композиции, собранные при различных давлениях (от 20 бар до 120 бар) за периоды времени, равные 60 секундам, различались всего на 2%. Сходным образом, в случае композиции А, которую подавали с более высокой скоростью, нежели композицию В, собранные массы также различались всего на 2%.
Из результатов очевидно, что устройство, в котором РСР использован для дозирования, а шестеренный насос - для создания давления, работает хорошо и обеспечивает точно отмеренный выходящий поток композиции в широком диапазоне значений давления. На практике обнаружено, что скорость шестеренного насоса может возрастать для противодействия проскальзыванию, и этот эффект выражен тем сильнее, чем ниже вязкость композиции. Тем не менее, устройство можно использовать для эффективного дозирования широкого спектра типов композиций (например, с различными значениями вязкости и/или различными содержаниями твердых частиц) в устройство для формования из расплава.
Пример 2
Функционирование устройства, содержащего РСР, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения
Устройство согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения использовали для подачи композиции (композиция А) при различных значениях давления так, как описано в Примере 1, за исключением того, что РСР использовали для регулирования давления, а шестеренный насос использовали для дозирования, как описано в первом варианте осуществления настоящего изобретения. Результаты представлены на Фиг. 7 и Фиг. 8. В целом, обнаружено, что вытеснение текучей среды за один оборот было по существу одинаковым, независимо от значения давления.
Пример 3
Функционирование устройства, содержащего РСР, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения
Выполняли процедуру, в целом описанную в Примере 1, за исключением того, что контроллер устанавливали на 10 об/мин, 50 об/мин, 100 об/мин или 150 об/мин. Оценили следующую композицию:
Соответствующие образцы текучей среды были собраны после регулятора 51 давления при различных значениях давления, измеренных ниже по течению относительно шестеренного насоса 42, при числе оборотов в минуту винтового насоса 40 кавитационного типа, равном 10 об/мин, 50 об/мин, 100 об/мин или 150 об/мин. Обнаружили, что массы композиции, собранные при различных значениях давления (от 20 бар до 120 бар), различались менее чем на 2%.
Пример 4
Функционирование устройства, содержащего РСР, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения
Выполняли процедуру, описанную в Примере 1, за исключением того, что контроллер был установлен на 125 об/мин. Оценили следующую композицию:
Соответствующие образцы текучей среды были собраны в течение 60-секундных периодов времени после регулятора 51 давления при различных значениях давления (от 20 бар до 200 бар), измеренного ниже по течению относительно шестеренного насоса 42. Обнаружили, что массы композиции, собранные в каждом случае, различались всего на 2%.
Пример 5 (сравнительный)
Функционирование винтового насоса кавитационного типа без шестеренного насоса (т.е. винтовой насос кавитационного типа используется для дозирования и создания давления)
Согласно Фиг. 9, композицию D, подлежащую испытанию, загрузили в резервуар 4. Стандартный винтовой насос 40 кавитационного типа Netzsch NX510/008 (с производительностью 0,28 мл/об) регулировался контроллером, установленным на 200 об/мин, и был предназначен для подачи композиции с измеряемой скоростью из резервуара 4 в выпускное отверстие, соединенное с линией 50. После винтового насоса 40 кавитационного типа был размещен датчик 48 давления.
Соответствующие образцы текучих сред собрали вручную за периоды времени, равные 60 секундам, после регулятора 51 давления при различных значениях давления, измеренных ниже по течению относительно винтового насоса 40 кавитационного типа. Результаты представлены на Фиг. 10, причем можно отметить, что массы композиции, собранные при различных значениях давления (в диапазоне от 0 бар до 110 бар) в течение 60-секундных периодов, быстро уменьшались после превышения давления, равного 80 бар. Из результатов очевидно, что применение винтового насоса кавитационного типа для дозирования и создания давления не обеспечивает точно измеренного выходящего потока при давлении, превышающем 80 бар.
Хотя устройства согласно первому и второму вариантам осуществления настоящего изобретения описаны с использованием шестеренного насоса с наружным зацеплением, могут быть использованы и другие типы шестеренных насосов. Однако описанный шестеренный насос с наружным зацеплением предпочтителен, поскольку он является дешевым и не сложным, что означает, что его можно легко очищать. Кроме того, вследствие его низкой стоимости можно предусмотреть раздельные шестеренные насосы и соединенные с ними трубы для каждого цвета композиции, которую необходимо подавать с использованием описанного устройства. В этом случае нет необходимости в очистке шестеренного насоса и связанной с ним трубы между использованиями устройства для подачи различных красителей и/или композиций - например, один шестеренный насос и связанную с ним трубу, которые использовали для одного красителя, можно заменить на другой шестеренный насос и связанную с ним трубу, которые можно использовать для подачи другого красителя. Соответственно, несколько шестеренных насосов и связанных с ними труб, которые использовали (или необходимо использовать) для подачи различных красителей, можно хранить в неочищенном состоянии до тех пор, пока не возникнет необходимость в их использовании.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения, в котором используется РСР, РСР создает давление и, соответственно, может быть относительно дорогим. Вследствие этого может быть коммерчески невыгодным обеспечивать отдельные РСР для каждого красителя и/или каждой композиции, которые желательно подавать с использованием устройства по настоящему изобретению. Однако во втором варианте осуществления настоящего изобретения, где РСР не должен развивать высокое давление, можно использовать относительно дешевые РСР, за счет чего становится коммерчески целесообразным обеспечение отдельных РСР для каждого красителя или каждой композиции, которые желательно подавать с использованием устройства по настоящему изобретению. На самом деле, в устройстве согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения может быть коммерчески целесообразным обеспечение отдельных комплектов, содержащих все компоненты устройства по настоящему изобретению, которые вступают в контакт с используемой композицией.
Каждый комплект может включать резервуар 4, РСР 8, шестеренный насос 12 и связанную с ним трубу. Использование таких комплектов позволить значительно сократить время, необходимое для изменения красителя и/или композиции, подлежащих дозированию с использованием устройства по настоящему изобретению, поскольку между прогонами, в которых используются различные красители и/или композиции, может потребоваться минимальная очистка, или очистка вообще не потребуется.
Описанное устройство может подавать композицию со скоростью от 1 мл/минуту до 1500 мл/минуту.
Очевидно, что различные композиции можно дозировать в полимерные материалы с различными скоростями и дозировками. Для того чтобы перекрыть характерный диапазон дозировок, подходящие РСР могут быть выбраны из следующих четырех различных типов насосов:
(i) низкообъемные - насосы с производительностью, равной 0,28 мл/об, при скоростях до 200 об/мин;
(ii) среднеобъемные - насосы с производительностью, равной 0,9 мл/об, при скоростях до 200 об/мин;
(iii) высокообъемные - насосы с производительностью, равной 2,8 мл/об, при скоростях до 200 об/мин;
(iv) насосы наивысшего объема - насосы с производительностью более 8 мл/об при скоростях до 200 об/мин.
Для увеличения срока службы насосов предпочтительно, чтобы насосы работали не на максимуме своих характеристик. Предпочтительно, чтобы они работали при скоростях, примерно равных 100 об/мин.
Шестеренные насосы могут быть выбраны из:
(i) насоса, подающего 0,1 см3/об, с диапазоном от 10 об/мин до 150 об/мин;
(ii) насоса, подающего 1 см3/об, с диапазоном от 10 об/мин до 150 об/мин;
(iii) насоса, подающего 5 см3/об, с диапазоном от 10 об/мин до 150 об/мин.
Описанное устройство может точно дозировать композиции, имеющие вязкость в диапазоне от 5000 сП до 35000 сП при рабочей температуре композиции, содержащие частицы (например, пигменты), имеющие размеры до 100 мкм, при содержании частиц до 85 масс. % (например, в случае неорганических пигментов) или до 65 масс. % (например, в случае органических пигментов и красителей).
Пример 6
Функционирование устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, в котором использованы мультидиафрагменный насос и шестеренный насос
Согласно Фиг. 1, композицию А, подлежащую испытанию, загрузили в резервуар 4. Стандартный мультидиафрагменный насос 9 Hydracell Р300 регулировался контроллером для обеспечения постоянного и соответствующего давления (от 0 бар до 200 бар) в трубе 18. Шестеренный насос 12 (0,6 см3/об) производства компании MW был установлен на 50 об/мин и подавал композицию с измеряемой скоростью через регулятор 16 давления.
Соответствующие образцы текучих сред собрали вручную за периоды времени, равные 60 секундам, после регулятора 22 давления при различных значениях давления, измеренных ниже по течению относительно шестеренного насоса 12. Результаты представлены на Фиг. 11. Что касается Фиг. 11, то можно отметить, что массы композиции А, собранные при различных значениях давления (в диапазоне от 20 бар до 200 бар) в течение 60-секундных периодов, различались всего на 2%.
Из результатов очевидно, что устройство, в котором мультидиафрагменный насос использован для создания давления, а шестеренный насос - для дозирования, работает хорошо и обеспечивает точно измеренный выходящий поток в исследованном диапазоне значений давления. Устройство можно использовать для эффективного дозирования широкого диапазона типов композиций (например, с различными значениями вязкости и/или различным содержанием твердых частиц) в устройство для формования из расплава.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения может быть использован первый насос, выбранный из РСР или диафрагменного насоса, как описано выше.
Во втором варианте осуществления инжекционного устройства высокого давления может быть использовано устройство, схема которого аналогична варианту осуществления, изображенному на Фиг. 1. Однако во втором варианте осуществления настоящего изобретения может быть использован РСР (а не диафрагменный насос). В этом случае РСР 8 предназначен для повышения давления всего лишь примерно на 3 бар, тогда как его основной функцией является точное дозирование композиции. Шестеренный насос 12 является первичным насосом, который предназначен для повышения давления композиции. В этом случае РСР может генерировать давление до 3 бар и перекачивать до 10 мл/оборот. Такие РСР являются относительно небольшими (например, содержащими до 6 ступеней или до 3 ступеней) и относительно недорогими. Кроме того, поскольку РСР не должен генерировать высокое давление, его внутренние геометрические параметры могут быть относительно большими, что облегчает обращение с композициями, содержащими крупные твердые частицы.
Шестеренный насос, используемый во втором варианте осуществления настоящего изобретения, может быть таким же, как насос, использованный в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения устройство может функционировать следующим образом. Моторы 9 и 13 приводят в движение насосы, так что жидкая композиция течет из резервуара 4 к клапанной инжекторной системе 16, как в первом варианте осуществления настоящего изобретения. Однако во втором варианте осуществления настоящего изобретения РСР 8 дозирует композицию с предварительно заданной скоростью под контролем панели 24 управления. РСР способен точно дозировать композицию, несмотря на то, что она может иметь относительно высокую вязкость и содержать относительно крупные твердые частицы. Во время работы устройства давление на выходе из РСР может быть равно 3 бар (что является достаточным давлением для обеспечения достаточного потока через РСР, но не слишком высоким для того, чтобы была нарушена способность шестеренного насоса дозировать композицию). После выхода из РСР композиция поступает в шестеренный насос 12 (под давлением, равным 3 бар). Шестеренный насос используют исключительно для повышения давления жидкости до уровня, необходимого для инжекции в поток расплава. Мониторинг давления осуществляют датчики 20,22 давления, и ΔР между входом и выходом шестеренного насоса регулируется так, чтобы в трубе 14 и после нее было обеспечено предварительно заданное давление.
Если в шестеренном насосе возникает проскальзывание, то текучая среда течет обратно в трубу 10, расположенную между РСР и шестеренным насосом, и вызывает возрастание давления в трубе. В этом случае программируемый логический контроллер (PLC) увеличивает скорость шестеренного насоса для компенсации этого эффекта до тех пор, пока давление на входе в шестеренный насос не вернется к 3 бар, и тем самым противодействует проскальзыванию.
Зазоры в шестеренном насосе во втором варианте осуществления настоящего изобретения могут быть относительно широкими, и точность дозирования не снижается по мере износа шестеренного насоса во время его эксплуатации, поскольку дозирование осуществляет РСР.
Изобретение не ограничено деталями описанных выше вариантов осуществления настоящего изобретения. Изобретение охватывает любой новый признак или новую комбинацию признаков, раскрытых в данном описании (включая формулу изобретения, реферат и графические материалы), или любую новую стадию или новую комбинацию стадий описанного способа или процесса.
1. Устройство для инжекции текучей композиции в расплавленный полимерный материал, содержащее первый насос и шестеренный насос, расположенные последовательно в потоке текучей среды между резервуаром для текучей композиции, подлежащей инжекции, и выпускным отверстием устройства, в котором первый насос выбран из диафрагменного насоса и винтового насоса кавитационного типа.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый насос является винтовым насосом кавитационного типа (РСР).
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый насос расположен выше по течению относительно шестеренного насоса.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что резервуар выполнен с возможностью подачи текучей композиции к впускному отверстию первого насоса под давлением менее 100 миллибар.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шестеренный насос выполнен с возможностью подачи текучей среды со скоростью, лежащей в диапазоне от 0,2 мл/оборот до 10 мл/оборот.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шестеренный насос содержит шестерню, имеющую зубья шестерни, которые имеют вершины головок, причем минимальное расстояние между вершинами головок зубьев шестерни и соседним корпусом равно по меньшей мере 0,005 мм и менее 0,200 мм; и/или шестеренный насос содержит шестерню, у которой сумма минимальных расстояний между торцами шестерни и соседними опорными поверхностями, измеренных параллельно оси вращения шестерни, составляет по меньшей мере 0,005 мм и менее 0,200 мм; и/или зазор в зацеплении между зацепляющимися шестернями равен по меньшей мере 0,005 мм.
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит первый датчик давления, расположенный выше по течению относительно шестеренного насоса, и второй датчик давления, расположенный ниже по течению относительно шестеренного насоса, причем устройство выполнено с возможностью регулирования работы шестеренного насоса в зависимости от значений давления, измеренных первым и вторым датчиками давления.
8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит один первый насос и один шестеренный насос.
9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что инжекционное устройство образует комбинацию с устройством для формования из расплава с получением сборки, причем выпускное отверстие инжекционного устройства находится в гидравлическом соединении с впускным отверстием, через которое текучая композиция вводится в поток расплава, продуцируемый устройством для формования из расплава.
10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью инжекции текучей композиции под давлением, равным по меньшей мере 10 бар.
11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство включает блок обработки данных, который выполнен с возможностью управления насосом, выбранным из первого насоса или шестеренного насоса, так, чтобы разность давлений между впускным и выпускным отверстиями выбранного первого насоса или шестеренного насоса составляла менее 8 бар; а блок обработки данных устройства выполнен с возможностью управления другим насосом, выбранным из первого насоса или шестеренного насоса, так, чтобы повышать давление текучей композиции до уровня, превышающего 50 бар.
12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство включает блок обработки данных, который запрограммирован для управления шестеренным насосом и первым насосом так, чтобы шестеренный насос дозировал текучую композицию, а первый насос повышал давление текучей композиции.
13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый насос выполнен с возможностью повышения давления текучей композиции по меньшей мере до 60 бар.
14. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство включает блок обработки данных, который запрограммирован так, чтобы разность давлений ΔР между впускным и выпускным отверстиями шестеренного насоса составляла менее 3 бар.
15. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит несколько блоков изменения цвета, каждый из которых включает первый насос, шестеренный насос и связанные с ними трубы.
16. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый насос является РСР, который содержит по меньшей мере 10 ступеней.
17. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство включает блок обработки данных, который запрограммирован так, чтобы РСР дозировал текучую композицию, а шестеренный насос повышал давление текучей композиции.
18. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый насос является РСР, который создает давление до 5 бар и/или содержит 10 ступеней или менее.
19. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый насос является диафрагменным насосом.
20. Способ инжекции текучей композиции в расплавленный полимерный материал, который включает:
выбор устройства, содержащего первый насос и шестеренный насос, расположенные последовательно в потоке текучей среды между резервуаром, который содержит текучую композицию, подлежащую инжекции, и выпускным отверстием устройства, причем первый насос выбран из диафрагменного насоса и винтового насоса кавитационного типа;
использование первого насоса или шестеренного насоса для повышения давления композиции, протекающей между резервуаром и выпускным отверстием; и
инжекцию композиции в расплавленный полимерный материал ниже по течению относительно выпускного отверстия.
21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что композиция имеет вязкость, равную по меньшей мере 5000 сП.
22. Способ по п. 20, отличающийся тем, что текучая композиция содержит по меньшей мере 20 мас.% твердых веществ, предпочтительно - по меньшей мере 50 мас.% твердых веществ.
23. Способ по п. 20, отличающийся тем, что по меньшей мере 10% от числа частиц в текучей композиции имеют максимальный размер, превышающий 10 мкм или превышающий 40 мкм.
24. Способ по п. 20, отличающийся тем, что текучая композиция содержит частицы, имеющие медианный диаметр, равный 5 мкм или более.
25. Способ по п. 20, отличающийся тем, что текучая композиция содержит по меньшей мере часть частиц, имеющих размер, превышающий зазор между головками зубьев шестерен и корпусом шестеренного насоса; и/или текучая композиция содержит по меньшей мере часть частиц, имеющих размер, превышающий зазоры между торцами шестерен и опорными поверхностями.
26. Способ по п. 20, отличающийся тем, что устройство, выбранное для использования в способе, обладает признаками устройства по любому из пп. с 1 по 19.
27. Способ по п. 20, отличающийся тем, что первый насос используют для повышения давления текучей композиции по меньшей мере на 50 бар, а шестеренный насос используют для дозирования композиции, и он повышает давление текучей композиции менее чем на 8 бар или менее чем на 3 бар.
28. Способ по п. 20, отличающийся тем, что после приведения в контакт композиции и полимерного материала смесь содержит менее 15 мас.% материала, происходящего из композиции, и более 85 мас.% расплавленного полимерного материала, с которым композиция вступает в контакт в способе.
29. Способ по п. 20, отличающийся тем, что композицию выбирают и инжектируют со скоростью, которая вводит менее 15 мас.% носителя в расплавленный полимерный материал.
30. Способ по п. 20, отличающийся тем, что он включает поддержание разности давлений между впускным и выпускным отверстиями шестеренного насоса такой, что отношение давления на входе к давлению на выходе лежит в диапазоне от 0,95 до 1,05.
