Устройство и способ для расширения термически расширяемых термопластических микросфер до расширенных термопластических микросфер

Авторы патента:

Группа изобретений относится к устройству и способу для расширения суспензии термически расширяемых термопластических микросфер. Устройство для расширения термически расширяемых термопластических микросфер содержит: нагревательную зону, способную выдерживать давление, составляющее, по меньшей мере, 4 бар, причем данная нагревательная зона имеет впускную трубу и выпускную трубу; насос для подачи суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательную зону и способный создавать давление, составляющее, по меньшей мере, 4 бар в нагревательной зоне; средство для нагревания суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательной зоне до температуры, составляющей, по меньшей мере, 60°C, без непосредственного контакта суспензии с какой-либо текучей теплопередающей средой; причем выпускная труба прикреплена к распределительной трубе между впуском и выпуском распределительной трубы. Группа изобретений развита в зависимых пунктах формулы. Технический результат – получение термопластических микросфер, не содержащих агломератов, имеющих однородное распределение плотности. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл., 3 пр.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для расширения термически расширяемых термопластических микросфер в целях получения расширенных термопластических микросфер. В частности, устройство и способ обеспечивают, что расширенные термопластические микросферы не содержат агломератов, имеют однородное распределение плотности и быстро охлаждаются после расширения.

Уровень техники, к которой относится изобретение

Термически расширяемые термопластические микросферы включают газообразующее вещество, инкапсулированное внутри термопластической полимерной оболочки. Термически расширяемые термопластические микросферы описываются, например, в патенте США № US 3615972.

При нагревании газообразующее вещество испаряется, вызывая увеличение внутреннего давления термически расширяемых термопластических микросфер, и в то же время термопластическая полимерная оболочка размягчается, и в результате этого происходит расширение термически расширяемых термопластических микросфер с образованием расширенных термопластических микросфер. Расширенные термопластические микросферы имеют диаметр, который часто превышает, по меньшей мере, в 2-5 раз диаметр термически расширяемых термопластических микросфер.

Термически расширяемые термопластические микросферы являются доступными как сухие сыпучие термически расширяемые термопластические микросферы или как суспензия термически расширяемых термопластических микросфер, в которой термически расширяемые термопластические микросферы присутствуют в жидком носителе.

Термически расширяемые термопластические микросферы или расширенные термопластические микросферы используются в разнообразных применениях. Термически расширяемые термопластические микросферы используются, например, в бумажных материалах для термической печати, пористых керамических материалах, инжекционном формовании, экструзии термопластических материалов, печатных красках, бумаге и картоне. Расширенные термопластические микросферы используются, например, в качестве сенсибилизатора в эмульсионных взрывчатых веществах, красках на жидкой основе, покровных материалах на жидкой основе и разнообразных термоотверждающихся материалах, таких как искусственный мрамор, сложнополиэфирная мастика и искусственная древесина. Расширение термически расширяемых термопластических микросфер и/или расширенные термопластические микросферы могут также использоваться в цементирующих композициях, например, для придания долговечности при периодическом замерзании и оттаивании цементирующих композиций.

Транспортировка расширенных термопластических микросфер может оказываться экономически нецелесообразной, поскольку для расширенных термопластических микросфер требуется значительный объем вследствие их увеличенного размера. Таким образом, термически расширяемые термопластические микросферы доставляются конечному пользователю, который производит расширенные термопластические микросферы на месте применения из суспензии термически расширяемых термопластических микросфер. Термически расширяемые термопластические микросферы затем подвергаются расширению с образованием расширенных термопластических микросфер вблизи или непосредственно в процессе конечного применения, например, какого-либо из применений, упомянутых выше.

В технике существуют известные устройства и способы для расширения термически расширяемых термопластических микросфер с образованием расширенных термопластических микросфер.

Японская патентная заявка № JP 2005-254213 описывает устройство и способ для производства термически расширенных микрокапсул. В данном устройству и способе используется трубка для нагревания/пенообразования. Японская патентная заявка № JP 2005-254213 описывает, что водная суспензия термически расширяемых микрокапсул принудительно вводится в трубку для нагревания/пенообразования посредством высокотемпературного пара путем приложения обратного давления, превышающего давление пара. Термически расширяемые микрокапсулы выпускаются в воздух и затем подвергаются расширению.

Патент США № US 4513106 описывает устройство и способ для образования расширенных термопластических микросфер из термически расширяемых термопластических микросфер. Патент США № US 4513106 описывает, что пар вводится в суспензию термически расширяемых термопластических микросфер в зоне повышенного давления в достаточном количестве для нагревания термически расширяемых термопластических микросфер и их, по меньшей мере, частичного расширения. Частично расширенные термопластические микросферы затем выходят из зоны повышенного давления под действием перепада давления, и в результате этого микросферы дополнительно расширяются и ускоряются, образуя поток со скоростью, составляющей, по меньшей мере, 1 м/с.

Международная патентная заявка № WO 03/051793 описывает способ изготовления взрывчатого вещества посредством получения термически расширяемых микросфер с помощью пара, который вызывает термическое расширение микросфер с образованием влажных расширенных микросфер.

Устройства и способы согласно японской патентной заявке № JP 2005-254213, патенту США № US 4513106 и международной патентной заявке №WO 03/051793 имеют недостатки, заключающиеся в том, что получаемые в результате расширенные термопластические микросферы слипаются друг с другом и образуют агломераты в устройстве и конечном продукте. Кроме того, пар или влага, которые вводятся в расширенные термопластические микросферы, как описано в указанных документах, часто приводят к несовместимости влаги в расширенных термопластических микросферах, что препятствует их использованию в конечных применениях.

Расширенные термопластические микросферы обладают хорошими теплоизоляционными свойствами, и в процессе производства это вызывает проблему изготовления и хранения. Расширенные термопластические микросферы часто продолжают расширяться в процессе хранения. Кроме того, поскольку расширенные термопластические микросферы имеют термопластическую полимерную оболочку, когда указанная оболочка нагревается, это заставляет расширенные термопластические микросферы слипаться друг с другом и образовывать агломераты в процессе производства и/или хранения. Агломерированные расширенные термопластические микросферы являются нежелательными для применений, в которых требуются однородно диспергированные расширенные термопластические микросферы.

Было бы желательным усовершенствование технологии расширения термически расширяемых термопластических микросфер в суспензии таким образом, чтобы предотвращалась агломерация изготавливаемых расширенных термопластических микросфер и получались высокодисперсные и однородно расширенные термопластические микросферы.

Было бы желательным предложение устройства и способа для расширения термически расширяемых термопластических микросфер в суспензии без необходимости введения дополнительной воды в форме пара.

Было бы желательным предложение устройства и способа для расширения термически расширяемых термопластических микросфер в суспензии, которые обеспечивают гибкость в отношении жидкого носителя, который используется в суспензии термически расширяемых термопластических микросфер.

Было бы желательным предложение устройства и способа для расширения микросфер в суспензии, которые обеспечивают гибкость в отношении средства для нагревания суспензии термически расширяемых термопластических микросфер с образованием расширенных термопластических микросфер.

Было бы желательным предложение устройства и способа для расширения термически расширяемых термопластических микросфер в суспензии, которые предотвращают агломерацию образующихся расширенных термопластических микросфер в устройстве.

Было бы желательным предложение устройства и способа для расширения термически расширяемых термопластических микросфер в суспензии, которые могут использоваться для широкого разнообразия типов микросфер, имеющих различные температуры расширения.

Было бы желательным предложение устройства и способа для расширения термически расширяемых термопластических микросфер в суспензии, которые предотвращают продолжение расширения после выхода микросфер из устройства для расширения.

Существует потребность в предложении устройства и способа для расширения термически расширяемых термопластических микросфер в суспензии, которые преодолевают, по меньшей мере, вышеупомянутые недостатки.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению, была обнаружена возможность достижения вышеупомянутых и других целей посредством предложения устройства и способа, которые описываются в настоящем документе.

Согласно первому аспекту, настоящее изобретение предлагает устройство для расширения термически расширяемых термопластических микросфер. Данное устройство включает нагревательную зону, которая является способным выдерживать давление, составляющее, по меньшей мере, 4 бар (0,4 МПа). Нагревательная зона имеет впускную трубу и выпускную трубу. Устройство включает насос для введения суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательную зону. Насос способен производить давление, составляющее, по меньшей мере, 4 бар (0,4 МПа) в нагревательной зоне. Устройство включает средство для нагревания суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательной зоне до температуры, составляющей, по меньшей мере, 60°C без какого-либо непосредственного контакта суспензии с какой-либо текучей теплопередающей средой. Выпускная труба устройства прикрепляется к распределительной трубе между впуском и выпуском распределительной трубы.

Согласно следующему аспекту, настоящее изобретение предлагает способ расширения термически расширяемых термопластических микросфер. Данный способ включает введение суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательную зону. Суспензия затем нагревается в нагревательной зоне до температуры, составляющей, по меньшей мере, 60°C, и производится давление, составляющее, по меньшей мере, 4 бар (0,4 МПа). Нагревание достигается без какого-либо непосредственного контакта суспензии с какой-либо текучей теплопередающей средой. Давление внутри нагревательной зоны поддерживается таким образом, что термически расширяемые термопластические микросферы расширяются не полностью. Суспензия выводится из нагревательной зоны через выпускную трубу и затем через распределительную трубу. Выпускная труба прикрепляется к распределительной трубе между впуском и выпуском распределительной трубы. Суспензия выводится в зону с пониженным давлением для полного расширения термически расширяемых термопластических микросфер.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет устройство для расширения термически расширяемых термопластических микросфер согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2 представляет увеличенное изображение концевой секции выпускной трубы и распределительной трубы согласно настоящему изобретению.

Подробное описание

Для полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ следует обратиться к следующему подробному описанию и сопровождающим чертежам.

Следует понимать, что разнообразные аспекты и варианты осуществления подробного описания и сопровождающих чертежей, которые описываются в настоящем документе, представляют собой иллюстрации конкретных способов осуществления настоящего изобретения и не ограничивают объем настоящего изобретения, когда рассматриваются пункты формулы изобретение, а также подробное описание и сопровождающие чертежи. Кроме того, следует понимать, что отличительные признаки различных аспектов и варианты осуществления настоящего изобретения могут сочетаться с отличительными признаками других аспектов и вариантов осуществления настоящего изобретения.

Устройство и способ согласно настоящему изобретению могут использоваться для всех типов термически расширяемых термопластических микросфер.

При упоминании в настоящем документе, термически расширяемые термопластические микросферы означают термопластические полимерные оболочки, в которых инкапсулируется газообразующее вещество. Когда происходит расширение под действием нагревания, термически расширяемые термопластические микросферы упоминаются как расширенные термопластические микросферы.

Согласно первому аспекту, настоящее изобретение предлагает устройство для расширения термически расширяемых термопластических микросфер. Данное устройство представлено на фиг. 1. Устройство включает нагревательную зону 4, которая является способной выдерживать давление, составляющее, по меньшей мере, 4 бар (0,4 МПа). Нагревательная зона 4 имеет впускную трубу 10 и выпускную трубу 8. Устройство включает насос 1 для введения суспензия термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательную зону 4. Насос 1 способен производить в нагревательной зоне 4 давление, составляющее, по меньшей мере, 4 бар (0,4 МПа). Устройство включает средство для нагревания суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательной зоне 4 до температуры, составляющей, по меньшей мере, 60°C, без непосредственного контакта суспензии с какой-либо текучей теплопередающей средой. Выпускная труба 8 устройства прикрепляется к распределительной трубе 12 между впуском 13 и выпуском 14 распределительной трубы 12.

Термически расширяемые термопластические микросферы могут представлять собой микросферы, которые поставляются под товарным знаком Expancel™ от компании AkzoNobel. Термически расширяемые термопластические микросферы и их производство описывают, например, патенты США №№ US 3615972, US 3945956, US 4287308, US 5536756, US 6235800, US 6235394, US 6509384, US 6617363, US 6984347, US 2004/0176486, европейские патенты №№ EP 486080, EP 566367, EP 1067151, EP 1230975, EP 1288272, EP 1598405, EP 1811007, EP 1964903, международные патентные заявки №№ WO 2002/096635, WO 2004/072160, WO 2007/091960, WO 2007/091961, WO 2007/142593, японские патентные заявки №№ JP 1987-286534 и JP 2005-272633, которые включаются в настоящий документ посредством данной ссылки.

Термопластическая полимерная оболочка может быть изготовлена из полимеров или сополимеров посредством полимеризации разнообразных этиленовых ненасыщенный мономеров. Этиленовые ненасыщенные мономеры могут представлять собой нитрилосодержащие мономеры, такой как акрилонитрил, метакрилонитрил, альфа-хлоракрилонитрил, альфа-этоксиакрилонитрил, фумаронитрил и кротонитрил, сложные эфиры акриловой кислоты, такие как метилакрилат или этилакрилат, сложные эфиры метакриловой кислоты, такие как метилметакрилат, изоборнилметакрилат и этилметакрилат, винилгалогениды, такие как винилхлорид, винилиденгалогениды, такие как винилиденхлорид, винилпиридин, сложные эфиры винилового спирта, такие как винилацетат, стирол, необязательно замещенный, такой как стирол, галогенированные стиролы и альфа-метилстирол, диены, такие как бутадиен, изопрен и хлоропрен, а также любые соответствующие смеси.

Этиленовые ненасыщенные мономеры могут также включать сшивающие многофункциональные мономеры. Сшивающие многофункциональные мономеры включают любые мономеры, такие как дивинилбензол, ди(мет)акрилат этиленгликоля, ди(мет)акрилат диэтиленгликоля, ди(мет)акрилат триэтиленгликоля, ди(мет)акрилат пропиленгликоля, ди(мет)акрилат 1,4-бутандиола, ди(мет)акрилат 1,6-гександиола, ди(мет)акрилат глицерина, ди(мет)акрилат 1,3-бутандиола, ди(мет)акрилат неопентилгликоля, ди(мет)акрилат 1,10-декандиола, три(мет)акрилат пентаэритрита, тетра(мет)акрилат пентаэритрита, гекса(мет)акрилат пентаэритрит, ди(мет)акрилат диметилолтрициклодекана, три(мет)акрилат триаллилформаля, аллилметакрилат, три(мет)акрилат триметилолпропана, триакрилат триметилолпропана, ди(мет)акрилат трибутандиола, ди(мет)акрилат PEG #200, ди(мет)акрилат PEG #400, ди(мет)акрилат PEG #600, моноакрилат 3-акрилоилоксигликоля, триакрилформаль или триаллилизоцианат, триаллилизоцианурат или любые соответствуюшие смеси. Сшивающие многофункциональные мономеры составляют от 0,1 до 1 мас.% и наиболее предпочтительно от 0,2 до 0,5 мас.% полного количества этиленовых ненасыщенных мономеров в термопластической полимерной оболочке.

Оказывается предпочтительным, что термопластическая полимерная оболочка составляет от 60 до 95 мас.% и предпочтительнее от 75 до 85 мас.% термически расширяемых термопластических микросфер.

Температура размягчения термопластической полимерной оболочки соответствует ее температуре стеклования (T_g). T_g находится в интервале от 50 до 250°C и предпочтительнее в интервале от 70 до 200°C.

Газообразующее вещество в термически расширяемых термопластических микросферах может представлять собой жидкость, которая имеет температуру кипения (при комнатной температуре и давлении), составляющую не более чем T_g. Газообразующее вещество может представлять собой, по меньшей мере, один углеводород или любые соответствующие смеси. В качестве углеводородов могут быть выбраны н-пентан, изопентан, неопентан, бутан, изобутан, гексан, изогексан, неогексан, гептан, изогептан, октан и изооктан. Углеводороды могут также представлять собой петролейный эфир, хлорированные или фторированные углеводороды, такой как метилхлорид, метиленхлорид, дихлорэтан, дихлорэтилен, трихлорэтан, трихлорэтилен и трихлорфторметан. Газообразующее вещество представляет собой предпочтительно, по меньшей мере, одно вещество, такое как изобутан, изопентан, изогексан, циклогексан, изооктан, изододекан и любые соответствующие смеси. Газообразующее вещество предпочтительнее представляет собой изобутан и изопентан.

Газообразующее вещество присутствует в количестве от 5 до 40 мас.% термически расширяемых термопластических микросфер.

Температура кипения (при комнатной температуре и давлении) газообразующего вещества составляет предпочтительно от -20 до 200°C, предпочтительнее от -20 до 150°C и еще предпочтительнее от -20 до 100°C.

Температура, при которой термически расширяемые термопластические микросферы начинают расширение при атмосферном давлении, называется T_start. Значение T_start зависит от типа и сочетания термопластической полимерной оболочки и газообразующего вещества. Термически расширяемые термопластические микросферы, используемые согласно настоящему изобретению, предпочтительно имеют температуру T_start, составляющую от 40 до 230°C и предпочтительнее от 60 до 180°C.

Устройство включает нагревательную зону 4, через которую протекает суспензия термически расширяемых термопластических микросфер. Нагревательная зона 4 может присутствовать в форме резервуара, трубы или трубки. Нагревательная зона 4 оборудована впускной трубой 10 и выпускной трубой 8.

Нагревательная зона 4 нагревает содержащуюся в ней суспензию термически расширяемых термопластических микросфер без какого-либо непосредственного контакта суспензии с какой-либо текучей теплопередающей средой, представляющей собой пар или нагретый газ.

Нагревательная зона 4 может представлять собой теплообменник. В том случае, когда нагревательная зона 4 присутствует в форме теплообменника, она включает, по меньшей мере, одну трубу или трубку, окруженную теплопередающей средой, которая не вступает в непосредственный контакт с суспензией термически расширяемых термопластических микросфер. Теплообменник может, например, включать несколько предпочтительно параллельных труб или трубок, например, от 2 до 10 или от 3 до 7 труб или трубок, предпочтительно присоединенных к общему впуску и общему выпуску. Эти трубы или трубки могут в каждом случае иметь внутренний диаметр, составляющий от 2 до 25 мм, или предпочтительно от 4 до 15 мм или еще предпочтительнее от 6 до 12 мм. Кроме того, оказывается возможным присутствие только одной трубы или трубки. Использование единственной трубы или трубки имеет преимущество уменьшения риска неравномерного распределения потока, вызываемого частичным закупориванием одной из нескольких параллельных труб или трубок. Такая единственная труба или трубка предпочтительно окружается теплопередающей средой, находящейся в резервуаре или сосуде, содержащем теплопередающую среду. Теплопередающая среда может представлять собой любую подходящую текучую среду, такую как горячая вода, пар или масло.

Нагревательная зона 4 может быть оборудована, по меньшей мере, одним электрическим нагревательным элементом. По меньшей мере, один электрический нагревательный элемент может располагаться внутри или снаружи нагревательной зоны 4, или может присутствовать любое соответствующее сочетание. Электрический нагревательный элемент может располагаться в центре нагревательной зоны 4, таким образом, что суспензия термически расширяемых термопластических микросфер втекает в промежуток, который окружает указанный электрический нагревательный элемент внутри нагревательной зоны 4. Оказывается предпочтительным, что электрические нагревательные элементы одновременно присутствуют внутри и снаружи, по меньшей мере, одной трубы или трубки.

Нагревательная зона 4 может быть оборудована источником микроволнового электромагнитного излучения, такого как микроволны.

Нагревательная зона 4 предпочтительно изготавливается из теплопроводящего металла, такого как сталь или медь. Теплопроводящий металл представляет собой преимущество в том случае, где нагревание суспензии осуществляется посредством текучая теплопередающей среды или посредством электрических нагревательных элементов.

Если нагревание осуществляется посредством источника электромагнитного излучения, нагревательная зона 4 изготавливается из материала, проницаемого для такого излучения, производимого источником электромагнитного излучения, таким как полимерный материал.

Нагревательная зона 4 нагревает суспензию термически расширяемых термопластических микросфер до температуры, составляющей, по меньшей мере, 60°C. Температура в нагревательной зоне 4 измеряется посредством термометра 7. Однако в случае нагревательной зоны 4 согласно настоящему изобретению оказывается возможным расширение термически расширяемых термопластических микросфер, для которых требуются более высокие температуры, чем температуры, практически достижимые с помощью пара, например, посредством использования электрических нагревательных элементов или горячего масла в качестве теплопередающей среды. Температура, до которой суспензия термически расширяемых термопластических микросфер нагревается в нагревательной зоне 4, зависит от типа термически расширяемых термопластических микросфер. Данная температура составляет, по меньшей мере, 60°C и предпочтительно находясь в интервале от 60 до 250°C, предпочтительнее от 80 до 230°C и еще предпочтительнее от 80 до 200°C.

Согласно настоящему изобретению, используется суспензия термически расширяемых термопластических микросфер. Посредством использования суспензии термически расширяемых термопластических микросфер предотвращается образование пыли. Посредством использования суспензии термически расширяемых термопластических микросфер предотвращается блокирование устройства сухими расширенными термопластическими микросферами.

Суспензия термически расширяемых термопластических микросфер получается посредством введения жидкого носителя в термически расширяемые термопластические микросферы. Жидкий носитель является инертным по отношению к термически расширяемым термопластическим микросферам. Жидкий носитель может выдерживать температуры, до которых нагревается суспензия. Жидкий носитель может представлять собой воду или жидкость на водной основе, из которой образуется водная суспензия термически расширяемых термопластических микросфер. Жидкий носитель может представлять собой органическую жидкость, такую как растительное масло, минеральное масло и глицерин или любые соответствующие смеси. Поскольку в органических жидкостях отсутствует вода, и поскольку не требуется добавление пара или воды в суспензию, оказывается возможным получение не содержащей воды суспензии термически расширяемых термопластических микросфер, что представляет собой преимущество в тех случаях, где получаемые в результате расширенные термопластические микросферы требуются для применений, в которых необходимым является отсутствие воды.

Кроме того, поскольку не требуется добавление никакой текучей среды в суспензию, оказывается возможным получение суспензии расширенных микросфер, имеющую высокое и регулируемое содержание твердых частиц расширенных термопластических микросфер.

Содержание термически расширяемых термопластических микросфер в суспензии термически расширяемых термопластических микросфер составляет от 5 до 50 мас.%, предпочтительно от 5 до 30 мас.% и предпочтительнее от 10 до 20 мас.%. Когда их содержание находится в пределах указанных интервалов, является оптимальной пригодность для перекачивания и/или пригодность для транспортировки суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в устройстве.

Суспензия термически расширяемых термопластических микросфер вводится в нагревательную зону 4 через впускную трубу 10 посредством насоса 1. Насос 1 обеспечивает в нагревательной зоне 4 достаточно высокое давление, составляющее, по меньшей мере, 4 бар (0,4 МПа), таким образом, что термически расширяемые термопластические микросферы расширяются не полностью в нагревательной зоне 4, когда они нагреваются. Термически расширяемые термопластические микросферы могут частично расширяться внутри нагревательной зоны 4, например, до объема, составляющего от 10 до 80% или от 20 до 70% объема после полного расширения снаружи нагревательной зоны 4, но расширение внутри нагревательной зоны 4 может также полностью предотвращаться посредством регулирования давления, производимого насосом 1. Насос 1 может представлять собой насос любого типа, включая гидравлические диафрагменные насосы, поршневые насосы, шнековые насосы (например, эксцентрические шнековые насосы), шестереночные насосы, коловратные насосы и центробежные насосы. Гидравлические диафрагменные насосы являются особенно предпочтительными. Насос 1 обеспечивает усилие, требуемое для перемещения суспензии термически расширяемых термопластических микросфер через устройство.

Давление внутри устройства измеряется посредством манометра 3.

Устройство может быть дополнительно оборудовано трубопроводом (не представлен на чертежах) для перемещения суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в насос 1, например, из резервуара (не представлен на чертежах), в котором содержится суспензия термически расширяемых термопластических микросфер. Трубопровод (не представлен на чертежах) должен присоединяться к трехходовому клапану 9, который направляет суспензию термически расширяемых термопластических микросфер через устройство.

Давление, которое производится насосом 1 и требуется в нагревательной зоне 4, зависит от конкретных термически расширяемых термопластических микросфер. Предпочтительно давление составляет, по меньшей мере, 10 бар (1 МПа). Верхнее предельное давление определяется практическими соображениями и может, например, составлять вплоть до 40 бар (4 МПа) или вплоть до 50 бар (5 МПа).

Как отмечено выше, термически расширяемые термопластические микросферы расширяются не полностью в нагревательной зоне 4, когда они нагреваются. Когда термически расширяемые термопластические микросферы перемещаются к выпуску 14 распределительной трубы 12, термически расширяемые термопластические микросферы окончательно и полностью расширяются, когда давление падает на выпуске 14, поскольку термически расширяемые термопластические микросферы достигают области достаточно низкого давления (такого как атмосферное давление), что способствует окончательному расширению.

Как представлено на фиг. 2, распределительная труба 12 прикрепляется к выпускной трубе 8. Распределительная труба 12 прикрепляется между впуском 13 и выпуском 14 распределительной трубы 12. Фиг. 2b представляет изображение поперечного сечения, которое соответствует фиг. 2a.

В конфигурации, которая представлена на фиг. 2, когда расширенные термопластические микросферы поступают в распределительную трубу 12, они ударяются во внутренние стенки распределительной трубы 12, прежде чем они выходят из распределительной трубы 12 через выпуск 14. Было обнаружено, что это приводит к меньшей агломерации расширенных термопластических микросфер. Считается, что это представляет собой результат соударения расширенных термопластических микросфер с внутренними стенками распределительной трубы 12 и определяется типом вихревого эффекта, который создается в распределительной трубе 12, посредством наличия впуска 13, который способствует поступлению воздушного потока в распределительную трубу 12. Воздушный поток, который поступает в распределительную трубу 12, способствует охлаждению расширенных термопластических микросфер при их поступлении в распределительную трубу 12.

Выпускная труба 8 может иметь постоянный внутренний диаметр.

Выпускная труба 8 может увеличиваться во внутреннем диаметре таким образом, что концевая секция до отверстия выпускной трубы 8 имеет внутренний диаметр, составляющий, по меньшей мере, двукратный внутренний диаметр выпускной трубы 8. Концевая секция до отверстия выпускной трубы 8 может иметь внутренний диаметр, составляющий вплоть до шестикратного внутреннего диаметра выпускной трубы 8.

Когда концевая секция до отверстия выпускной трубы 8 имеет внутренний диаметр, который составляет, по меньшей мере, двукратный внутренний диаметр выпускной трубы 8, это способствует более эффективному расширению термически расширяемых термопластических микросфер, образующих расширенные термопластические микросферы. Когда концевая секция до отверстия выпускной трубы 8 имеет внутренний диаметр, составляющий, по меньшей мере, двукратный внутренний диаметр выпускной трубы 8, это создает ограничение потока производимых расширенных термопластических микросфер в выпускной трубе 8, что сохраняет давление внутри нагревательной зоны 4. Согласно наблюдениям, когда концевая секция до отверстия выпускной трубы 8 имеет внутренний диаметр, составляющий, по меньшей мере, двукратный внутренний диаметр выпускной трубы 8, это позволяет термически расширяемым термопластические микросферы расширяться более свободно в трех измерениях, и в результате этого получаются однородно расширенные термопластические микросферы, имеющие меньшую плотность, и предотвращается агломерация расширенных термопластических микросфер, что обеспечивает более однородное распределение плотности расширенных термопластических микросфер, а также снижение плотности.

Кроме того, согласно наблюдениям, когда присутствует концевая секции до отверстия выпускной трубы 8, у которой внутренний диаметр составляет, по меньшей мере, двукратный внутренний диаметр выпускной трубы 8, это предотвращает блокирование отверстия выпускной трубы 8, когда расширяются термически расширяемые термопластические микросферы, поскольку они оказываются при атмосферном давлении, когда они выходят из выпускной трубы 8 и входят в распределительную трубу 12.

Поскольку расширенные термопластические микросферы обладают хорошими теплоизоляционными свойствами, устраняется возможность того, что указанные расширенные термопластические микросферы и, в частности, термопластические полимерные оболочки прилипают друг к другу и образуют агломераты.

В случае конфигурации, которая представлена на фиг. 2, когда расширенные термопластические микросферы поступают в распределительную трубу 12, они проходят в направлении потока, создаваемого охлаждающей средой, которая может быть введена через впуск 13. Согласно данному варианту осуществления, распределительная труба 12 обеспечивает моментальное охлаждение расширенных термопластических микросфер и немедленно предотвращает дополнительное расширение и агломерацию расширенных термопластических микросфер. Охлаждающая среда пропускается из впуска 13 распределительной трубы 12 в направлении потока, как представлено на фиг. 2.

Охлаждающая среда может представлять собой воздух, воду, газообразный азот, или любые другие газы или жидкости, при том условии, что они являются инертными по отношению к расширенным термопластическим микросферам. Охлаждающая среда может также представлять собой поток частиц, таких как частицы мела, частицы карбоната кальция, частицы диоксида кремния, частицы глины и частицы TiO₂, или любое соответствующее сочетание. Введение таких частиц через впуск 13 распределительной трубы 12 обеспечивает образование гомогенной смеси расширенных термопластических микросфер, и частицы существуют как расширенные термопластические микросферы, проходящие в направлении потока, обеспечиваемого посредством впуска 13. Это имеет большое значение, когда для конечного применения требуются модифицированные расширенные термопластические микросферы.

Распределительная труба 12 может включать, по меньшей мере, один перемешивающий/разделительный элемент 15 или соответствующие сочетания. По меньшей мере, один или несколько перемешивающих/разделительных элементов 15 располагаются внутри перемешивающего/разделительного устройства 12 ниже по потоку от прикрепления выпускной трубы 8 к распределительной трубе 12, как представлено на фиг. 2b.

В качестве, по меньшей мере, одного или нескольких перемешивающих/разделительных элементов 15 могут быть выбраны статический смеситель, вращающийся смеситель, вращающийся нож или сито или разделяющий поток блок.

Когда присутствуют в сочетании охлаждающая среда и перемешивающие/разделительные элементы 15, оказывается возможным моментальное охлаждение расширенных термопластических микросфер и одновременное обеспечение высокоинтенсивного перемешивания материала. Перемешивающее/разделительное устройство 12 обеспечивает эффективное перемешивание охлаждающей среды с расширенными термопластическими микросферами. Поток охлаждающей среды переносит расширенные термопластические микросферы через распределительную трубу 12. Таким образом, обеспечивается достаточная механическая энергия для того, чтобы распределительная труба 12 отделяла индивидуальные расширенные термопластические микросферы друг от друга.

Чтобы дополнительно обеспечивать равномерное производство и нагревание термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательной зоне 4, может присутствовать демпфер пульсаций 2. Демпфер пульсаций 2 стабилизирует поток суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в устройстве.

Выпускная труба 8 нагревательной зоны 4 является предпочтительно изолированной, чтобы способствовать максимальному расширению термически расширяемых термопластических микросфер.

Выпускная труба 8 нагревательной зоны 4 может представлять собой жесткую трубу или гибкую труба. Когда она присутствует в форме гибкой трубы, это способствует направлению расширенных термопластических микросфер для их конечного прикладного использования без перемещения всего устройства.

Устройство и способ, которые описываются в настоящем документе, оказываются особенно пригодными для использования в целях расширения термически расширяемых термопластических микросфер на месте применения для изготовления изделий на водной основе, например, таких как эмульсионные взрывчатые вещества, краски, покровные материалы на водной основе, покровные материалы бумаги для термопечати и другие материалы, пористые керамические материалы, гипсокартон, формовочная глина, заполнители трещин и цементирующие композиции. Устройство и способ, которые описываются в настоящем документе, оказываются особенно пригодными для использования в целях расширения термически расширяемых термопластических микросфер на месте применения для изготовления изделий на неводной основе, например, таких как сложнополиэфирная мастика, искусственные древесные композиции на сложнополиэфирной, полиуретановой или эпоксидной основе, искусственный мрамор на сложнополиэфирной основе, покрытия днища кузова, эластомеры, герметизирующие материалы, связующие вещества, фенолоальдегидные полимеры, штукатурка, заполняющие кабельные композиции и микроячеистые полиуретановые пеноматериалы. Расширенные термопластические микросферы, которые выходят из устройства, могут поступать непосредственно на линии для производства указанных изделий. Например, поток расширенных термопластических микросфер может вводиться в непрерывном режиме непосредственно в эмульсионный поток в процессе производства эмульсионных взрывчатых веществ или непосредственно в эмульсионный поток в процессе заполнения буровых скважин эмульсионными взрывчатыми веществами из грузовика. В последнем случае взрывчатые вещества могут сенсибилизироваться на шахтной площадке и транспортироваться в несенсибилизованной форме в шахту.

Регулировочный клапан 6 внутри устройства может использоваться для направления потока внутри устройства и для поддержания давления внутри устройства.

Предохранительный клапан 5 может использоваться в устройстве перед нагревательной зоной 4 в целях прекращения потока суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательную зону 4 и/или в целях подержания давления внутри нагревательной зоны 4.

Устройство может очищаться посредством замещения суспензии термически расширяемых термопластических микросфер, например, водой и эксплуатации устройства с помощью регулирования позиций предохранительного клапана 5, регулировочного клапана 6 и трехходового клапана 9.

Условия настоящего изобретения обеспечивают расширение термически расширяемых термопластических микросфер непосредственно в устройстве таким образом, что термически расширяемые термопластические микросферы имеют однородное распределение плотности и хорошо диспергированы (т. е. не образуют агломераты).

Следующие неограничительные примеры демонстрируют эффекты настоящего изобретения.

Пример 1 - расширение с помощью распределительной трубы

В качестве контрольного эксперимента, осуществляли расширение суспензии термически расширяемых термопластических микросфер (Expancel 461WU40) с помощью устройства посредством способа, согласно которому выпускная труба, имеющая постоянный диаметр, была использована без распределительной трубы. Расширение термически расширяемых термопластических микросфер осуществляли посредством использования устройства, имеющего единственную медную трубу (нагревательную зону) длиной 15 м, расположенную в резервуаре, заполненном горячей водой, поддерживаемой при температуре 100°C. Медная труба имела постоянный внутренний диаметр, составляющий 7,8 мм. Водную суспензию, содержащую 20 мас.% микросфер, перекачивали с помощью диафрагменного насоса при скорости 80 л/ч через медную трубу. Диафрагменный насос производил давление, составляющее 6 бар (0,6 МПа). Расширенные термопластические микросферы выходили из медной трубы через выпускную трубу.

В качестве эксперимента согласно настоящему изобретению, термически расширяемые термопластические микросферы (Expancel 461WU40) подвергали расширению с помощью устройства согласно способу, который описан выше, но здесь была использована распределительная прикрепленная к выпускной трубе.

В ходе эксперимента согласно настоящему изобретению было обнаружено, что уровень агломерации улучшался, о чем свидетельствовало визуальное наблюдение расширенного материала. Кроме того, было обнаружено, что температура расширенных термопластических микросфер становилась значительно ниже (65°C) в пакете для хранения после расширения в течение 10 минут по сравнению с контрольным экспериментом (90°C). Это свидетельствует о том, что никакое дополнительное расширение не происходит, и уменьшается риск агломерации в процессе хранения по сравнению с контрольным экспериментом, в котором такой же объем расширенных термопластических микросфер выдерживали в пакете для хранения, имеющем такие же размеры.

Пример 2 - расширение с помощью распределительной трубы

Степень агломерации (диспергируемость) может быть оценена по пятибалльной шкале, где оценка 1 означает высокую степень агломерации, и оценка 5 означает полное отсутствие агломератов.

Степень агломерации определяли, используя следующий способ. Получаемые расширенные термопластические микросферы диспергировали в связующем материале Mowilith LDM 1871S, имеющем вязкость от 0,95 до 1,50 Па⋅с (при измерении вискозиметром Брукфильда (Brookfield) с помощью шпинделя № 3 при скорости вращения 10 об/мин), и получали 5 мас.% дисперсию. Получаемую в результате дисперсии гомогенизировали с использованием планетарного смесителя (57,5 мм) при скорости 100 об/мин в течение 5 минут. Гомогенизированную дисперсию расширенных термопластических микросфер наносили на пластмассовый лист, получая пленку толщиной 180 мкм. Пленку высушивали в течение 10 минут. Число агломератов определяли на куске пленки, имеющем размеры 10 × 10 см.

В качестве контрольного эксперимента разнообразные суспензии Expancel 461WU40 подвергали расширению с помощью устройства посредством способа, аналогичного примеру 1, в нагревательной зоне, нагреваемой маслом при температуре 100,5°C при скорости потока, составляющей 120 кг суспензии в час. Были оценены четыре суспензии, имеющие различные концентрации, т. е. уровни содержания сухих термически расширяемых термопластических микросфер. Расширенные термопластические микросферы помещали в пластмассовый пакет объемом 50 л. Была использована выпускная труба, имеющая постоянный диаметр, и к выпускной трубе не была прикреплена распределительная труба.

Получаемые агломераты анализировали на куске пленки, имеющем размеры 10 × 10 см, и соответствующие результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Содержание сухого вещества (%)	Плотность в сухом состоянии (г/л)	Диспергируемость
20	30,8	1
15	27,3	1
10	24,6	1
7,5	23,2	1

В качестве эксперимента согласно настоящему изобретению различные суспензии Expancel 461WU40 подвергали расширению помощью устройства посредством способа, аналогичного контрольному эксперименту в нагревательной зоне, в нагреваемой маслом при температуре 100,5°C при скорости потока, составляющей 120 кг суспензии в час. Были оценены четыре суспензии, имеющие различные концентрации, т. е. уровни содержания сухих термически расширяемых термопластических микросфер. Расширенные термопластические микросферы помещали в пластмассовый пакет объемом 50 л. Во впуск распределительной трубы вводили охлаждающую среду, представляющую собой сжатый воздух при давлении 5,3 бар (0,53 МПа).

Получаемые агломераты анализировали на куске пленки, имеющем размеры 10 × 10 см, и соответствующие результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2

Содержание сухого вещества (%)	Плотность в сухом состоянии (г/л)	Диспергируемость
20	48,5	3
15	43,1	3,5
10	38,0	4
7,5	37,0	5

Как можно видеть, диспергируемость значительно улучшается, даже когда плотность является повышенной. Из данного примера согласно настоящему изобретению становится очевидным, что посредством снижения содержания сухого вещества диспергируемость повышается, и улучшается расширение (снижается плотность). Посредством немедленного охлаждения расширенных микросфер на выходе из выпускная трубы с помощью воздуха предотвращается их расширение. Достигается более высокая плотность по сравнению со случаем, в котором не применяется никакая охлаждающая среда.

Когда объединяются распределительная труба, устройство и охлаждающая среда, представляющая собой воздух, получаются расширенные термопластические микросферы, имеющие значительно пониженную степень агломерации.

Пример 3 - выпускная труба, имеющая увеличенный диаметр, с распределительной трубой

Эксперимент осуществляли аналогично эксперименту 2, используя суспензию, имеющую содержание сухих термически расширяемых термопластических микросфер, составляющее 10%.

В качестве контрольного эксперимента, выпускная труба, имеющая постоянный внутренний диаметр 7,8 мм, была использована с распределительной трубой, и охлаждающая среда, представляющая собой сжатый воздух при давлении 5,3 бар (0,53 МПа), поступала через впуск.

В следующем эксперименте выпускная труба была заменена расширяющейся трубой, у которой внутренний диаметр составлял от 7,8 мм до 16,0. Присутствовала распределительная труба, и охлаждающая среда, представляющая собой сжатый воздух при давлении 5,3 бар (0,53 МПа), поступала через впуск.

Таблица 3

Содержание сухого вещества (%)	Плотность в сухом состоянии (г/л)	Диспергируемость
10	38,0	4
10	30,1	5

Таблица 3 представляет в верхней строке трубу, имеющую постоянный диаметр, перед охлаждением воздухом и в нижней строке трубу с увеличивающимся диаметром перед охлаждением воздухом.

Эти результаты четко демонстрируют, что в случае расширяющейся выпускной трубы получаются термопластические микросферы, имеющие значительно меньшую плотность и меньшую степень агломерации.

1. Устройство для расширения термически расширяемых термопластических микросфер, содержащее:

- нагревательную зону (4), способную выдерживать давление, составляющее, по меньшей мере, 4 бар, причем данная нагревательная зона (4) имеет впускную трубу (10) и выпускную трубу (8),

- насос (1), для подачи суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательную зону (4) и способный создавать давление, составляющее, по меньшей мере, 4 бар в нагревательной зоне (4);

- средство для нагревания суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательной зоне (4) до температуры, составляющей, по меньшей мере, 60°C, без непосредственного контакта суспензии с какой-либо текучей теплопередающей средой; и причем

- выпускная труба (8) прикреплена к распределительной трубе (12) между впуском (13) и выпуском (14) распределительной трубы (12).

2. Устройство по п. 1, в котором выпускная труба (8) имеет постоянный внутренний диаметр.

3. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором выпускная труба (8) увеличивается во внутреннем диаметре таким образом, что концевая секция до отверстия выпускной трубы (8) увеличивается во внутреннем диаметре до, по меньшей мере, двукратного внутреннего диаметра выпускной трубы (8).

4. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором распределительная труба (12) содержит внутри себя, по меньшей мере, один смешивающий/разделительный элемент (15) или их сочетания ниже по потоку от прикрепления выпускной трубы (8) к распределительной трубе (12).

5. Устройство по п. 3, в котором в качестве, по меньшей мере, одного из перемешивающих/разделительных элементов (15) выбран вращающийся смеситель, статический смеситель, вращающийся нож, разделяющий поток блок или сито.

6. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором средство для нагревания суспензии представляет собой, по меньшей мере, один электрический нагревательный элемент, теплообменник или источник электромагнитного излучения.

7. Устройство по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающее демпфер пульсаций (2), расположенный между насосом (1) и нагревательной зоной (4).

8. Способ расширения термически расширяемых термопластических микросфер, включающий следующие стадии:

- введение суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательную зону (4),

- нагревание суспензии термически расширяемых термопластических микросфер в нагревательной зоне (4) до температуры, составляющей, по меньшей мере, 60°C, и создание давления, составляющего, по меньшей мере, 4 бар, причем данное нагревание достигается без какого-либо непосредственного контакта суспензии с какой-либо текучей теплопередающей средой,

- поддержание давления внутри нагревательной зоны (4) таким образом, что термически расширяемые термопластические микросферы расширяются не полностью; и

- выведение суспензии из нагревательной зоны (4) через выпускную трубу (8) и затем через распределительную трубу (12), причем выпускная труба (8) прикрепляется к распределительной трубе (12) между впуском (13) и выпуском (14) распределительной трубы (12) в зону с пониженным давлением для полного расширения термически расширяемых термопластических микросфер.

9. Способ по п. 8, в котором используют выпускную трубу (8), имеющую постоянный внутренний диаметр.

10. Способ по любому из пп. 8 и 9, в котором используют выпускную трубу (8), которая увеличивается во внутреннем диаметре таким образом, что концевая секция до отверстия выпускной трубы (8) увеличивается во внутреннем диаметре до, по меньшей мере, двукратного внутреннего диаметра выпускной трубы (8).

11. Способ по любому из пп. 8-10, в котором распределительная труба (12) содержит внутри себя, по меньшей мере, один перемешивающий/разделительный элемент (15) или их сочетания ниже по потоку от прикрепления выпускной трубы (8) к распределительной трубе (12).

12. Способ по любому из пп. 8-11, дополнительно включающий добавление охлаждающей среды через впуск (13), причем охлаждающая среда представляет собой любое из газа, жидкости или частиц, или любые их сочетания, выбранные из воздуха, воды, газообразного азота, частиц мела, частиц карбоната кальция, частиц диоксида кремния, частиц глины и частиц TiO₂.

13. Способ по любому из пп. 8-12, в котором в нагревательной зоне (4) поддерживается давление, составляющее от 4 до 50 бар.

14. Способ по любому из пп. 8-13, в котором суспензия расширяющихся микросфер нагревается в нагревательной зоне до температуры, составляющей от, по меньшей мере, 60 до 250°C.

15. Способ по любому из пп. 8-14, в котором содержание термически расширяемых термопластических микросфер в суспензии термически расширяемых термопластических микросфер составляет от 5 до 50 мас.%.

16. Способ по любому из пп. 8-15, в котором жидкий носитель в суспензии термически расширяемых термопластических микросфер представляет собой жидкость на водной основе или жидкость на масляной основе.

17. Способ по любому из пп. 8-16, в котором нагревание суспензии термически расширяемых термопластических микросфер осуществляется посредством, по меньшей мере, одного из электрического нагревательного элемента, теплообменника или источника электромагнитного излучения.

Похожие патенты: