Устройство для получения вспененных микросфер
Изобретение относится к технологическому процессу производства вспененных термопластических микросфер и устройству для этого. Способ включает: подачу суспензии невспененных термовспениваемых термопластических микросфер в зону нагревания при использовании насоса, способного генерировать в зоне нагревания давление, большее, чем атмосферное; нагревание микросфер до температуры, большей, чем их температура размягчения, при одновременном нахождении их в условиях давления, достаточно высокого для обеспечения их неполного вспенивания; перепускание таким образом нагретых микросфер из зоны нагревания в зону вспенивания таким образом, чтобы создавать падение давления, что в результате приводит к получению в зоне вспенивания давления, достаточно низкого для вспенивания микросфер, и удаление вспененных микросфер из зоны вспенивания; где зону вспенивания конфигурируют для создания переменного встречного давления при использовании генератора противодавления, расположенного ниже по потоку от зоны вспенивания. Устройство включает: зону нагревания, включающую впускное отверстие и выпускное отверстие, насос, расположенный выше по потоку относительно зоны нагревания и находящийся в сообщении с ней через текучую среду и способный генерировать в зоне нагревания давление, большее атмосферного; средство нагревания зоны нагревания; зону вспенивания, включающую впускное отверстие и выпускное отверстие, при этом впускное отверстие зоны вспенивания соединяют с выпускным отверстием зоны нагревания таким образом, чтобы было бы создано падение давления, для обеспечения нахождения зоны вспенивания при меньшем давлении, чем давление в зоне нагревания, и генератор противодавления, расположенный ниже по потоку от зоны вспенивания и сконфигурированный для создания переменного встречного давления в зоне вспенивания. Изобретение повышает технологичность процесса производства вспененных термопластических микросфер. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 табл.
Настоящее изобретение относится к технологическому процессу производства вспененных термопластических микросфер и устройству для этого.
На современном уровне техники известны термовспениваемые микросферы, которые подробно описываются, например, в патенте США № 3615972. В компании AkzoNobel под торговой маркой Expancel™ на коммерческих условиях доступны различные сорта вспениваемых микросфер, характеризующиеся различными температурами вспенивания, как в виде сухих легкосыпучих микросфер, так и в виде водной суспензии микросфер.
Такие вспениваемые микросферы содержат пенообразователь, инкапсулированный внутри термопластической оболочки. При нагревании пенообразователь испаряется, что увеличивает внутреннее давление, в то же самое время по мере размягчения оболочки в результате происходит значительное вспенивание микросфер, обычно соответствующее увеличению их диаметра с кратностью в диапазоне от 2 до 5 раз.
Термопластические микросферы могут быть использованы в различных областях применения, будучи невспененными или предварительно вспененными. Примерами продуктов, где используются сухие (по существу безводные) предварительно вспененные микросферы, являются сенсибилизатор эмульсионных взрывчатых веществ и облегчающий наполнитель в красках на основе растворителей и различных термоотверждающихся материалах, таких как искусственный мрамор, полиэфирная шпатлевка и искусственная древесина. Во множестве продуктов, таких как краски на водной основе и покрытия из водоразбавляемого лакокрасочного материала, бумага для термопечати, пористая керамика и эмульсионные взрывчатые вещества, используют влажные предварительно вспененные микросферы.
Транспортирование предварительно вспененных микросфер требует наличия значительного пространства, по причинам чего зачастую конечному пользователю вспененных микросфер транспортируют невспененные микросферы, которые вспенивают «по месту». После этого микросферы могут быть вспенены поблизости от способа или непосредственно в способе производства конечного продукта, например, любого из тех, которые были упомянуты выше.
Для вспенивания термопластических микросфер были разработаны различные технологические процессы и устройства.
В публикациях US 5484815 и US 7192989 раскрываются технологические процессы и устройства, подходящие для использования при вспенивании сухих микросфер.
В публикации US 4513106 раскрываются технологический процесс и устройство, подходящие для использования при вспенивании микросфер в водной суспензии в результате введения водяного пара в суспензию в зоне давления в количестве, достаточном для нагревания микросфер и, по меньшей мере, частичного их вспенивания, со следующим далее обеспечением покидания частично вспененными микросферами зоны давления при падении давления, в результате чего микросферы дополнительно вспениваются и ускоряются с переходом в поток при скорости, составляющей, по меньшей мере, 1 м/сек.
В публикации WO2014198532 описывается устройство для вспенивания невспененных термовспениваемых микросфер, где в зону давления вводят суспензию микросфер в подходящем для использования носителе, которую нагревают без непосредственного введения суспензии в контакт с нагревающей средой. Зона нагревания может представлять собой, например, теплообменник. Преимущество косвенного нагревания в сопоставлении со вспениванием при использовании водяного пара заключается в отсутствии потребности во введении (дополнительной) воды в суспензию. Косвенное нагревание также делает возможными и другие нагревающие и суспензионные среды, отличные от водяного пара и воды, и, таким образом, создает расширенную гибкость в температурных диапазонах.
Аппаратура, раскрытая в публикации WO2014198532, включает зону нагревания, которая способна выдерживать воздействие давления, составляющего, по меньшей мере, 4 бар. Аппаратура включает насос для подачи суспензии термовспениваемых термопластических микросфер в зону нагревания. Насос способен создавать в зоне нагревания давление, составляющее, по меньшей мере, 4 бар. Давление в зоне нагревания выдерживают таким образом, чтобы термовспениваемые термопластические микросферы не вспенивались бы полностью. Аппаратура включает средство нагревания суспензии термовспениваемых термопластических микросфер в зоне нагревания до температуры, составляющей, по меньшей мере, 60°С, при отсутствии какого-либо непосредственного контакта суспензии с какой-либо текучей теплопередающей средой. После нагревания микросфер в зоне нагревания суспензия отбирается из зоны нагревания и претерпевает падение давления, переходя в зону, характеризующуюся давлением, достаточно низким для начала вспенивания микросфер.
Дополнительное улучшение устройства для вспенивания описывается в публикации WO2016091847. Для уменьшения потенциального агломерирования вспененных частиц суспензию отбирают из зоны нагревания через трубу выпускного отверстия, и в трубе выпускного отверстия микрочастицы начинают вспениваться после покидания ими зоны нагревания, где их нагревали под давлением. В публикации WO2016091847 описывается возможность прикрепления трубы выпускного отверстия (где микрочастицы начинают вспениваться) к расположенной ниже по потоку распределительной трубе (также называемой «зоной смешивания»). Распределительная труба имеет впускное отверстие для охлаждающей среды, и трубу выпускного отверстия прикрепляют ниже по потоку от данного впускного отверстия распределительной трубы (или «зоны смешивания») между впускным отверстием и выпускным отверстием распределительной трубы.
В рамках дополнительной меры для выдерживания достаточно высокого давления в зоне нагревания в публикации WO2016091739 излагается информация о размещении генератора противодавления, находящегося в сообщении через текучую среду с зоной нагревания, при этом упомянутый генератор противодавления способен увеличивать давление в зоне нагревания, после чего частицы претерпевают падение давления и начинают вспениваться (например, в «зоне вспенивания», которая может принимать профиль трубы выпускного отверстия в соответствии с описанием изобретения в публикации WO2016091847). Генератор противодавления способен ограничивать и/или регулировать поток текучего материала через зону нагревания (называемую «зоной обработки» в публикации WO2016091739) для обеспечения наличия достаточной температуры в зоне нагревания для обеспечения вспенивания вспениваемых полимерных микросфер в желательной степени. Генератор противодавления может обеспечивать получение увеличенного давления в зоне нагревания и может включать, например, клапан регулирования потока или устройство для ограничения потока, такое как канальное сопло.
Настоящее изобретение относится к устройству для вспенивания невспененных термовспениваемых термопластических микросфер, включающему:
- зону нагревания, включающую впускное отверстие и выпускное отверстие,
- насос, расположенный выше по потоку относительно зоны нагревания и находящийся в сообщении с ней через текучую среду и способный генерировать в зоне нагревания давление, большее атмосферного;
- средство нагревания зоны нагревания;
- зону вспенивания, включающую впускное отверстие и выпускное отверстие, при этом упомянутое впускное отверстие зоны вспенивания соединяют с выпускным отверстием зоны нагревания так, что обеспечено падение давления, для обеспечения нахождения зоны вспенивания при меньшем давлении, чем давление в зоне нагревания, и
- генератор противодавления, расположенный ниже по потоку от зоны вспенивания и сконфигурированный для создания переменного встречного давления в зоне вспенивания.
Невспененные термовспениваемые термопластические микросферы обычно содержат термопластический полимер, инкапсулирующий пенообразователь, где упомянутый пенообразователь представляет собой жидкость, имеющую температуру кипения, не большую, чем температура размягчения термопластической полимерной оболочки.
Способ включает:
- подачу такой суспензии невспененных термовспениваемых термопластических микросфер в зону нагревания при использовании насоса, способного генерировать в зоне нагревания давление, большее, чем атмосферное,
- нагревание микросфер до температуры, большей, чем их температура размягчения, при одновременном нахождении их в условиях давления, достаточно высокого для обеспечения их неполного вспенивания;
- перепускание таким образом нагретых микросфер из зоны нагревания в зону вспенивания так, что обеспечено падение давления с получением в зоне вспенивания давления, достаточно низкого для вспенивания микросфер, и
- удаление вспененных микросфер из зоны вспенивания,
- где давление в зоне вспенивания может варьироваться, например, при использовании генератора противодавления, расположенного ниже по потоку от зоны вспенивания.
В данном технологическом процессе может использоваться описанное выше устройство.
В вариантах осуществления устройство включает:
- зону нагревания, включающую впускное отверстие, в которое подают суспензию невспененных термовспениваемых термопластических микросфер в жидкой среде, и выпускное отверстие, из которого отбирают суспензию,
- насос, расположенный выше по потоку относительно зоны нагревания, для подачи суспензии невспененных вспениваемых термопластических микросфер во впускное отверстие зоны нагревания и способный генерировать в зоне нагревания достаточно высокое давление так, что микросферы в суспензии не вспенивались бы полностью,
- средство нагревания суспензии невспененных вспениваемых микросфер до температуры, большей, чем температура размягчения термопластического полимера в конкретной среде, использованной в качестве жидкого носителя, и
- зону вспенивания, включающую впускное отверстие и выпускное отверстие, при этом упомянутое впускное отверстие зоны вспенивания соединяют с выпускным отверстием зоны нагревания таким образом, чтобы было бы создано падение давления, что в результате приводит к получению в зоне вспенивания давления, достаточно низкого для вспенивания термопластических микросфер, и генератор противодавления, расположенный ниже по потоку от зоны вспенивания и сконфигурированный для создания переменного встречного давления.
Генератор противодавления, расположенный ниже по потоку от зоны вспенивания, является регулируемым и сконфигурированным для создания переменного встречного давления в целях оказания воздействия на давление в зоне вспенивания, где частицы начинают вспениваться.
Встречное давление, генерируемое в зоне вспенивания при использовании генератора противодавления, предпочтительно является достаточно низким для неоказания достаточного воздействия также и на давление в зоне нагревания. Противодавление можно эксплуатировать таким образом, чтобы был бы достигнут желательный эффект. Эффект определяют обстоятельства, и генератор противодавления делает возможным для работника устройства варьирование уставок отдельно для каждого случая (отдельно для каждой партии), например, для регулирования вариации при переходе от одной партии к другой. В зависимости от первоначально достигнутого результата при определенной уставке (например, (вариации) плотности вспененных частиц) уставки генератора противодавления могут быть подстроены для незначительных увеличения или уменьшения противодавления вплоть до получения желательного вспенивания (плотности и/или однородности).
Как это было установлено, в результате введения возможности регулирования давления в зоне вспенивания при использовании регулируемого генератора противодавления может быть оказано воздействие на плотность вспененных частиц (степень, в которой они вспениваются). Данным образом может быть проведена подстройка для вариации при переходе от партии к партии.
Устройства (устройства для вспенивания), такие как соответствующие устройства, раскрытые на предшествующем уровне техники, обычно функционируют при предварительно установленном постоянном расходе суспензии вспениваемых микросфер при прохождении через устройство для вспенивания. Температуру в устройстве для вспенивания обычно устанавливают (постоянной), также и задают (постоянными) размеры зоны нагревания и зоны вспенивания в устройстве для вспенивания. Поэтому отсутствовал какой-либо практический способ варьирования конечной плотности вспененных микросфер или оказания воздействия на нее. Плотность произведенного материала обычно является очень стабильной на протяжении времени производства, но вариации партий продуктов могут вызывать возникновение вариаций плотности между партиями.
Как это было установлено, в результате варьирования противодавления (встречного давления) в зоне вспенивания может быть оказано воздействие на конечную плотность частиц, и частицы могут согласованно вспениваться даже до очень низких плотностей (> 40 г/л).
Устройство, соответствующее настоящему изобретению, может быть использовано для всех типов термовспениваемых термопластических микросфер. В соответствии с использованием в настоящем документе термин «термовспениваемые термопластические микросферы» относится к термопластической полимерной оболочке, инкапсулирующей пенообразователь. При вспенивании под воздействием тепла термовспениваемые термопластические микросферы называются вспененными термопластическими микросферами.
Термовспениваемые термопластические микросферы могут быть соответствующими микросферами, представленными на рынке компанией AkzoNobel под торговой маркой Expancel™. Термовспениваемые термопластические микросферы и их изготовление раскрываются, например, в публикациях US 3,615,972, US 3,945,956, US 4,287,308, US 5,536,756, US 6,235,800, US 6,235,394, US 6,509,384, US 6,617,363, US 6,984,347, US 2004/0176486, EP 486080, EP 566367, EP 1067151, EP 1230975, EP 1288272, EP 1598405, EP 1811007, EP 1964903, WO 2002/096635, WO 2004/072160, WO 2007/091960, WO 2007/091961, WO 2007/142593, JP 1987-286534 и JP 2005-272633, которые, тем самым, посредством ссылки на них включаются в настоящий документ.
Термопластическая полимерная оболочка может быть образована из полимеров или сополимеров в результате полимеризации различных этиленненасыщенных мономеров. Этиленненасыщенные мономеры могут быть нитрилсодержащими мономерами, такими как акрилонитрил, метакрилонитрил, альфа-хлоракрилонитрил, альфа-этоксиакрилонитрил, фумаронитрил и кротонитрил, акриловыми сложными эфирами, такими как метилакрилат или этилакрилат, метакриловыми сложными эфирами, такими как метилметакрилат, изоборнилметакрилат и этилметакрилат, винилгалогенидами, такими как винилхлорид, винилиденгалогенидами, такими как винилиденхлорид, винилпиридином, виниловыми сложными эфирами, такими как винилацетат, стиролом, необязательно замещенным, таким как стирол, галогенированные стиролы и альфа-метилстирол, диенами, такими как бутадиен, изопрен и хлоропрен, и их любыми смесями.
Этиленненасыщенные мономеры также могут включать сшивающие полифункциональные мономеры. Сшивающие полифункциональные мономеры включают любого одного представителя, выбираемого из дивинилбензола, этиленгликольди(мет)акрилата, диэтиленгликольди(мет)акрилата, триэтиленгликольди(мет)акрилата, пропиленгликольди(мет)акрилата, 1,4-бутандиолди(мет)акрилата, 1,6-гександиолди(мет)акрилата, глицеринди(мет)акрилата, 1,3-бутандиолди(мет)акрилата, неопентилгликольди(мет)акрилата, 1,10-декандиолди(мет)акрилата, пентаэритриттри(мет)акрилата, пентаэритриттетра(мет)акрилата, пентаэритритгекса(мет)акрилата, диметилолтрициклодеканди(мет)акрилата, триаллилформальтри(мет)акрилата, аллилметакрилата, триметилолпропантри(мет)акрилата, триметилолпропантриакрилата, трибутандиолди(мет)акрилата, PEG#200-ди(мет)акрилата, PEG#400-ди(мет)акрилата, PEG#600-ди(мет)акрилата, 3-акрилоилоксигликольмоноакрилата, триакрилформаля или триаллилизоцианата, триаллилизоцианурата или любых их смесей. Сшивающиеся полифункциональные мономеры составляют от 0,1 до 1% (масс.), наиболее предпочтительно от 0,2 до 0,5% (масс.), от совокупных количеств этиленненасыщенных мономеров термопластической полимерной оболочки.
Предпочтительным является формирование термопластической полимерной оболочкой от 60 до 95% (масс.) от термовспениваемой термопластической микросферы, а более предпочтительно от 75 до 85% (масс.).
Температура размягчения термопластической полимерной оболочки соответствует ее температуре стеклования (Tg). Tg находится в диапазоне от 50 до 250°С, а более предпочтительно в диапазоне от 60 до 200°С.
Пенообразователь в термовспениваемых термопластических микросферах может представлять собой жидкость, которая имеет температуру кипения (при комнатных температуре и давлении), не большую, чем Tg. Пенообразователь может представлять собой, по меньшей мере, один углеводород или любые их смеси. Углеводороды могут быть выбраны из н-пентана, изопентана, неопентана, бутана, изобутана, гексана, изогексана, неогексана, гептана, изогептана, октана и изооктана. Углеводороды также могут представлять собой петролейный эфир, хлорированные или фторированные углеводороды, такие как метилхлорид, метиленхлорид, дихлорэтан, дихлорэтилен, трихлорэтан, трихлорэтилен и трихлорфторметан. Пенообразователь предпочтительно является, по меньшей мере, одним представителем, выбираемым из изобутана, изопентана, изогексана, циклогексана, изооктана, изододекана и любых их смесей. Пенообразователь более предпочтительно представляет собой изобутан и изопентан.
Пенообразователь присутствует в количестве в диапазоне от 5 до 40% (масс.) от термовспениваемых термопластических микросфер.
Температура кипения (при комнатных температуре и давлении) пенообразователя предпочтительно находится в диапазоне между - 20 и 200°С, более предпочтительно между - 20 и 150°С, а еще более предпочтительно между - 20 и 100°С.
Температура, при которой термовспениваемые термопластические микросферы начинают вспениваться при атмосферном давлении, обозначается символом Tstart. Tstart зависит от типа и комбинации из термопластической полимерной оболочки и пенообразователя. Термовспениваемые термопластические микросферы, использованные в настоящем изобретении, предпочтительно характеризуются значением Tstart в диапазоне между 40 и 230°С, а более предпочтительно между 60 и 180°С.
Невспененные термовспениваемые термопластические микросферы ниже в настоящем документе могут быть названы вспениваемыми микросферами. Размер частиц для вспениваемых микросфер может варьироваться в широких пределах и может быть выбран по отношению к желательным свойствам продукта, в котором их используют. В большинстве случаев предпочтительный объемный медианный диаметр согласно определению при использовании рассеяния лазерного излучения, используя в отношении влажных образцов аппаратуру Malvern Mastersizer Hydro 200 SM, находится в диапазоне от 1 мкм до 1 мм, предпочтительно от 2 мкм до 0,5 мм, а, в частности, от 3 мкм до 100 мкм. При вспенивании диаметр микросфер увеличивается, например, с коэффициентом в диапазоне от 2 до 5.
Жидкая среда суспензии (жидкий носитель) вспениваемых микросфер может быть любой жидкостью, которая является инертной по отношению к микросферам и может выдерживать воздействие температуры, до которой нагревают суспензию. Во множестве случаев предпочитаются вода или жидкость на водной основе, что, таким образом, образует водную суспензию, но в зависимости от намечаемого варианта использования вспениваемых микросфер также может предпочитаться и использование неводных жидкостей для суспензии, таких как, по меньшей мере, один представитель, выбираемый из растительного масла, минерального масла и глицерина, где данные жидкости могут быть безводными. Вследствие отсутствия в технологическом процессе изобретения необходимости добавления к суспензии водяного пара или воды в любой другой форме возможно получение безводных вспененных микросфер, которые могут быть использованы непосредственно в областях применения, в которых вода является нежелательной. Кроме того еще, вследствие отсутствия необходимости добавления к суспензии других текучих сред возможно получение вспененных микросфер, характеризующихся высоким и находящимся под контролем уровнем содержания твердого вещества.
В большинстве коммерческих технологических процессов производства вспениваемых микросфер их обычно сначала получают в водной суспензии, и такая суспензия может быть использована непосредственно в технологическом процессе изобретения, необязательно после разбавления или обезвоживания до желательного уровня содержания микросфер. С другой стороны, такая водная суспензия может быть высушена для получения по существу безводных микросфер, которые могут быть использованы для получения суспензии в неводной жидкости.
Уровень содержания вспениваемых микросфер в суспензии зависит от того, что является желательным для продукта, полученного после вспенивания. На верхнее предельное значение накладывают ограничения перекачиваемостью суспензии и транспортируемостью суспензии через зону нагревания. В большинстве случаев уровень содержания вспениваемых микросфер подходящим для использования образом находится в диапазоне от 5 до 50% (масс.), предпочтительно от 10 до 40% (масс.), а наиболее предпочтительно от 15 до 30% (масс.).
Суспензия вспениваемых микросфер перетекает через зону нагревания, которая может быть образована любой емкостью, трубой или трубкой, снабженными впускным отверстием и выпускным отверстием и выдерживающими воздействие давления, поддерживаемого в них.
Зона нагревания в устройстве включает средство нагревания суспензии вспениваемых микросфер до температуры, большей, чем температура размягчения термопластического полимера в конкретной среде, использованной в качестве носителя (жидкого носителя). Средство нагревания суспензии в зоне нагревания может, например, представлять собой текучую теплопередающую среду, не находящуюся в непосредственном контакте с суспензией, электронагревательные элементы или сверхвысокочастотное излучение. Например, зона нагревания может включать теплообменник, включающий, по меньшей мере, одну трубу или трубку, окруженные теплопередающей средой, не находящейся в непосредственном контакте с суспензией вспениваемых микросфер. Теплопередающая среда может быть любой подходящей для использования текучей средой, такой как горячая вода, водяной пар или масло. В рамках одного альтернативного варианта, тепло может быть подведено при использовании электронагревательных элементов, например, расположенных внутри или снаружи зоны нагревания или в ее стенках, или любой их комбинации. В рамках одного дополнительного альтернативного варианта нагревание может быть обеспечено при использовании электромагнитного излучения, такого как сверхвысокочастотное излучение.
Емкость или, по меньшей мере, одну трубу или трубку, в которых суспензия вспениваемых микросфер перетекает через зону нагревания, предпочтительно изготавливают из теплопроводящего материала, подобного стали или меди, в частности, для случая обеспечения нагревания суспензии при использовании текучей теплопередающей среды или электронагревательных элементов. Для случая обеспечения нагревания при использовании электромагнитного излучения емкость или, по меньшей мере, одну трубу или трубку предпочтительно изготавливают из материала, проницаемого для такого излучения, такого как различные полимерные материалы.
В теплообменнике, включающем, по меньшей мере, одну трубу или трубку, по меньшей мере, одна труба или трубка может, например, в каждом случае иметь внутренний диаметр в диапазоне от 5 до 20 мм, предпочтительно от 7 до 15 мм, а наиболее предпочтительно от 9 до 12 мм. Толщина стенок, по меньшей мере, одной трубы или трубки в подходящем для использования случае находится в диапазоне от 0,5 до 3 мм, предпочтительно от 0,7 до 1,5 мм.
В случае проведения нагревания при использовании электронагревательных элементов такие элементы могут быть, например, расположены снаружи и/или внутри, по меньшей мере, одной трубы или трубки, например, единственной трубы или трубки.
Такие труба или трубка могут, например, иметь внутренний диаметр в диапазоне от 20 до 80 мм или от 35 до 65 мм. Например, электронагревательный элемент может быть расположен по центру внутри трубы или трубки таким образом, чтобы суспензия вспениваемых микрочастиц перетекала бы в зазоре вокруг данного нагревательного элемента. Такой электронагревательный элемент сам может представлять собой трубу или трубку с расположенным внутри них первичным электронагревательным источником таким образом, чтобы тепло передавалось бы через стенку суспензии, перетекающей в зазоре. Предпочтительно электронагревательные элементы располагают как внутри, так и снаружи, по меньшей мере, одной трубы или трубки.
Оптимальные размеры и вместимость средств нагревания суспензии определяются исходя из расхода суспензии, концентрации суспензии и температуры поступающей суспензии и должны быть достаточными для достижения суспензией температуры, достаточно высокой для вспенивания микросфер при падении давления после прохождения выпускного отверстия зоны нагревания. Данная температура всегда является большей, чем температура испарения пенообразователя конкретной микросферы.
Устройство снабжают насосом, расположенным выше по потоку относительно зоны нагревания, для подачи суспензии невспененных вспениваемых термопластических микросфер в жидкой среде (жидком носителе) во впускное отверстие зоны нагревания. Насос способен генерировать в зоне нагревания достаточно высокое давление таким образом, чтобы микросферы в суспензии не вспенивались бы полностью. Примеры подходящих для использования насосов включают гидравлические диафрагменные насосы, поршневые насосы, шнековые насосы (например, эксцентриковые шнековые насосы), шестеренчатые насосы, коловратные насосы, центробежные насосы и тому подобное. В особенности предпочитаются гидравлические диафрагменные насосы. Насос предпочтительно также создает усилие по транспортированию суспензии через зону нагревания до ее выпускного отверстия. Устройство, кроме того, может быть снабжено контуром для транспортирования суспензии вспениваемых микросфер к насосу, например, из резервуара, вмещающего суспензию.
Точное давление, требуемое в зоне нагревания, зависит от температуры и типа микросферы, и обычно оно по существу соответствует давлению паров пенообразователя вспениваемых микросфер. Предпочтительно давление, выдерживаемое в зоне нагревания, составляет, по меньшей мере, 10 бар, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 20 бар или, по меньшей мере, 30 бар. Верхнее предельное значение определяется исходя из практических соображений и может, например, доходить вплоть до 40 бар или вплоть до 50 бар. Таким образом, зона нагревания должна быть способной выдерживать воздействие такого давления.
Температура вспениваемых микросфер в зоне нагревания обычно по существу является той же самой, что и температура суспензии в ней. Точная температура, до которой нагревают суспензию, зависит от сорта микросфер. Для большинства сортов микросфер температура предпочтительно находится в пределах диапазона от 60 до 160°С или от 70 до 150°С, хотя для некоторых сортов микросфер могут потребоваться и более высокие температуры, такие как 200°С или даже 250°С и более. Таким образом, средство нагревания суспензии предпочтительно должно быть способно обеспечить нагревание суспензии до такой температуры.
В зоне нагревания поток суспензии вспениваемых микросфер транспортируют от впускного отверстия до выпускного отверстия и нагревают под давлением до температуры, достаточно высокой для вспенивания микросфер при падении давления на выпускном отверстии зоны нагревания, и они поступают в зону при достаточно низком давлении. Среднее время пребывания микросфер в зоне нагревания предпочтительно является достаточно продолжительным для обеспечения достижения и выдерживания достаточно высокой температуры суспензии для последующего вспенивания. В целях обеспечения производства при высоком и однородном качестве устройство необязательно может, кроме того, снабжаться гасителем пульсаций, стабилизирующим поток суспензии.
Термовспениваемые термопластические микросферы полностью не вспениваются в зоне нагревания при нагревании вследствие повышенного давления в зоне нагревания. При покидании зоны нагревания микрочастицы поступают в зону вспенивания. Впускное отверстие зоны вспенивания соединяют с выпускным отверстием зоны нагревания. В целях выдерживания достаточно высокого давления в зоне нагревания суспензию вспениваемых микросфер отбирают из зоны нагревания через ее выпускное отверстие, которое может быть снабжено любыми подходящими для использования средствами создания падения давления, соответствующими разности давления между внутренними пространствами зоны нагревания и зоны вспенивания, предпочтительно ограничением площади поперечного сечения потока, такими как клапан, сопло или любой другой тип узкого проходного отверстия. Выпускное отверстие зоны нагревания может, например, представлять собой предпочтительно изолированные трубу или трубку, имеющие ограничение площади поперечного сечения потока на своем конце, такое как просвет, имеющий диаметр, соответствующий внутреннему диаметру данных трубы или трубки с кратностью в диапазоне от 0,5 до 0,05, предпочтительно от 0,3 до 0,1. Такие труба или трубка могут быть жесткими или гибкими, в последнем случае они легко могут быть направлены до желательной точки выхода микросфер без перемещения всего устройства.
После покидания частицами зоны нагревания они вспениваются в «зоне вспенивания». Давление после падения давления в зоне вспенивания является достаточно низким для вспенивания термопластических микросфер. Обычно оно является по существу атмосферным давлением, но может быть выдержано и более высоким (или более низким) в зависимости от требуемой плотности микросфер. Для выдерживания высокой температуры труба может быть изолированной.
При начале вспенивания при падении давления поток микросфер также значительно ускоряется. В целях оптимизирования дезинтегрирования микросфер и избегания их агломерирования предпочитается иметь падение давления по возможности на более короткой дистанции в направлении потока.
Зона вспенивания может включать трубу или трубку, имеющие диаметр, который является (по меньшей мере, в 2 раза) большим, чем диаметр трубки (трубок) в зоне нагревания. Наличие формы гибкой трубки облегчает направление вспененных термопластических микросфер в область применения для их конечного варианта использования.
В устройстве, соответствующем изобретению, генератор противодавления может представлять собой устройство для регулирования ограничения потока, расположенное в выпускном отверстии зоны вспенивания или после него. Ограниченная площадь поперечного сечения потока будет уменьшать «объемный расход при расчете на единицу падения давления». Говоря другими словами; давление выше по потоку относительно зоны вспенивания увеличивается, и увеличенное давление может оказывать воздействие на конечную плотность вспенивающихся микросфер. Как это было установлено, большее давление в результате приводит к получению большей плотности вспененных частиц. Данное встречное давление может варьироваться в результате регулирования устройства для регулирования ограничения потока (например, в результате уменьшения просвета для истекающего потока в выпускном отверстии зоны вспенивания) в соответствии с потребностями (например, для уменьшения вариации при переходе от партии к партии и/или обеспечения вспенивания загрузочных порций до желательной плотности внутри устройства) в конкретных обстоятельствах и при конкретных уставках для устройства.
Устройство, соответствующее изобретению, может, кроме того, быть снабженным распределительной трубой, расположенной ниже по потоку от зоны вспенивания. Выпускное отверстие зоны вспенивания может быть присоединено между впускным отверстием и выпускным отверстием распределительной трубы. Поток охлаждающей среды подают во впускное отверстие (расположенное выше по потоку относительно соединения с выпускным отверстием зоны вспенивания) распределительной трубы. Вспененные частицы пересекаются с потоком охлаждающей среды в направлении выпускного отверстия распределительной трубы. Поток охлаждающей среды, поступающий в распределительную трубу, облегчает охлаждение вспененных термопластических микросфер по мере их поступления в распределительную трубу и может предотвращать агломерирование вспененных термопластических микросфер.
Охлаждающая среда может представлять собой воздух, воду, газообразный азот или любые другие газы или жидкости при условии их инертности по отношению к вспененным термопластическим микросферам. Охлаждающая среда также может представлять собой поток частиц, таких как частицы мела, частицы карбоната кальция, частицы диоксида кремния, частицы глины и частицы TiO2 или любая их комбинация. Добавление охлаждающей среды через впускное отверстие распределительной трубы обеспечивает получение гомогенной смеси вспененных термопластических микросфер.
Распределительная труба может включать, по меньшей мере, один смесительный/разделительный элемент, расположенный ниже по потоку от прикрепления выпускного отверстия зоны вспенивания.
В устройстве, соответствующем изобретению и снабженном распределительной трубой, один альтернативный способ варьирования встречного давления заключается в изменении давления охлаждающей среды в распределительной трубе. Для данной цели генератор противодавления может включать устройство для регулирования потока в отношении потока охлаждающей среды через распределительную трубу. Данное устройство для регулирования потока может быть постепенно введено в распределенную трубу.
На прилагающихся фигурах иллюстрируются варианты осуществления изобретения.
На фигуре 1 демонстрируется устройство для вспенивания, описанное в публикациях WO 2014/198532 и WO 2016/091847. Устройство включает гидравлический диафрагменный насос 1, соединенный с теплообменником 4, формирующим зону нагревания, и гасителем пульсации 2. Теплообменник 4 снабжается впускным отверстием 10 и выпускным отверстием 8 в форме трубы, снабженной ограничением площади поперечного сечения потока на конце в форме сопла. Теплообменник 4, кроме того, включает одну или множество трубок (не показано), окруженных теплопередающей средой (не показано), такой как горячая вода, водяной пар или масло. Устройство, кроме того, включает манометр 3, предохранительный клапан 5, регулировочный клапан 6, термометр 7 и трехпозиционный клапан 9.
Устройство функционирует в результате перекачивания суспензии вспениваемых микросфер, например, из резервуара для суспензии (не показано), при использовании гидравлического диафрагменного насоса 1 через теплообменник 4, в котором ее нагревают при использовании теплопередающей среды до температуры, при которой микросферы начинают вспениваться или, по меньшей мере, начинали бы вспениваться при атмосферном давлении. Гидравлический диафрагменный насос 1 создает давление, достаточное для транспортирования суспензии через теплообменник 4 и предотвращения полного вспенивания микросфер в нем. Горячая суспензия вытекает в среду окружающего воздуха через выпускное отверстие 8, необязательно снабженное ограничением площади поперечного сечения потока, при создании падения давления до атмосферного давления, что в результате приводит к получению быстрого вспенивания и охлаждения микросфер в среде окружающего воздуха. Гаситель пульсаций 2 подавляет флуктуации потока суспензии из гидравлического диафрагменного насоса 1. Давление и температуру в теплообменнике можно отслеживать, соответственно, при использовании манометра 3 и термометра 7. Оборудование может быть очищено в результате замены суспензии вспениваемых микросфер, например, на промывную воду при использовании 3-позиционного клапана 9 перед насосом 1. Расход и давление теплопередающей среды, использованной в теплообменнике 4, корректируют при использовании регулировочного клапана 6.
На фигуре 2 демонстрируется отделение сбора в мешок 11, которое может быть соединено с вышеупомянутым устройством, что иллюстрирует один вариант осуществления генератора противодавления, установленного на нем.
Выпускное отверстие зоны вспенивания 8 (смотрите фигуру 1) может быть соединено (необязательно через гибкую трубку) с впускным отверстием 12 распределительной трубы 13 (которая также продемонстрирована в форме вида в перспективе на фигуре). Впускное отверстие 12 соединяется с распределительной трубой 13 в точке между впускным отверстием для охлаждающей среды 14 и выпускным отверстием распределительной трубы 15. Выпускное отверстие распределительной трубы 15 соединяется с циклонным сепаратором 15 на стойке для мешка 17, предназначенной для размещения мешка (не показано), в котором собирают полностью вспененные микрочастицы. Циклонный сепаратор 16 включает вентиляционное выпускное отверстие 18.
Генератор противодавления в представленном в качестве примера варианте осуществления включает устройство для регулирования ограничителя потока 19, которое располагается в распределительной трубе и может быть вставлено в поток вспенивающихся частиц на переменную длину. Это будет оказывать воздействие на противодавление, генерированное в зоне вспенивания 8, соединенной с впускным отверстием 12.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
Суспензию на водной основе, содержащая 20% (масс.) микросфер Expancel grade 461SLU40 и диспергирующие/стабилизирующие добавки, перекачивают при использовании насоса, создающего давление 20 бар, через зону нагревания (теплообменник) установки для вспенивания при расходе 120 л/час. Суспензию нагревали до 131°С при использовании теплообменника. Нагретый материал вспенивающихся микросфер продавливался через выпускное отверстие зоны нагревания в расширенную трубу выпускного отверстия (зона вспенивания, длиной 250 см и шириной 8 см), а впоследствии поступал в распределительную трубу (длиной 24 см, шириной 4 см), где материал соответствовал потоку охлаждающего воздуха (1,5 м3 в минуту) до выхода через сепарационный циклон в мешочный сборник. В ходе эксперимента в поток материала в распределительной трубе постепенно вводили ограничитель потока. Для различных уставок ограничителя потока в диапазоне от только 8 см ограничителя потока в потоке материала до 24 см ограничителя потока в потоке материала отбирали образцы материала Expancel. Свойства материала, произведенного в данном эксперименте, перечисляются в таблице 1. Уровень содержания твердого вещества был вполне стабильным на уровне 21,5±1%, но плотность переходила от 20 г/л при ограничителе потока на 8 см до 30 г/л при ограничителе потока на 24 см в потоке материала.
Таблица 1. Свойства вспененного материала Expancel grade 461SLU40 при различных уставках для ограничителя потока
| Ограничитель потока в потоке (см) | Температура, °C | Уровень содержания твердого вещества, % (масс.) | Плотность *, г/л |
| 8 | 131 | 20,8 | 18,5 |
| 12 | 131 | 21,6 | 20,0 |
| 16 | 131 | 21,8 | 26,5 |
| 20 | 131 | 22,0 | 29,7 |
| 24 | 131 | 22,4 | 30,1 |
* Плотность, измеренная в грамм на литр, не включая полости между микросферами, и согласно измерению при использовании пикнометра (Micromeritics).
Пример 2
Повторяли методику из примера 1 за исключением нагревания суспензии на этот раз до 120°С, и уставки ограничителя потока находились в диапазоне от 5 см до 11 см в потоке материала. Также измеряли давление в зоне распределения. Результаты демонстрируются в таблице 2.
Как и в примере 1, может быть видно ясное коррелирование между давлением распределительной трубы/уставкой ограничителя потока и плотностью продукта.
Таблица 2. Свойства вспененного материала Expancel grade 461SLU40 при различных уставках для ограничителя потока
| Ограничитель потока в потоке (см) | Температура, °C | Уровень содержания твердого вещества, % (масс.) | Давление (бар) | Плотность *, г/л |
| 5,0 | 120 | 20,7 | 1 | 23,8 |
| 7,0 | 120 | 26,5 | 1,8 | 26,5 |
| 9,0 | 120 | 28,8 | 2,5 | 28,8 |
| 10,0 | 120 | 32,3 | 3 | 32,3 |
| 11,0 | 120 | 33,3 | 3,3 | 33,3 |
* Смотрите таблицу 1.
Пример 3
Повторяли методику из примера 2 за исключением использования температуры 122°С, и уставки ограничителя потока находились в диапазоне от 5 см до 21 см в потоке материала. Результаты демонстрируются в таблице 3.
Таблица 3. Свойства вспененного материала Expancel grade 461SLU40 при различных уставках для ограничителя потока
| Ограничитель потока в потоке (см) | Температура, °C | Уровень содержания твердого вещества, % (масс.) | Давление (бар) | Плотность *, г/л |
| 5,0 | 122 | 22,0 | 1,2 | 21,6 |
| 9,2 | 122 | 22,1 | 2,8 | 27,2 |
| 15,0 | 122 | 22,1 | 3,3 | 32,5 |
| 20,7 | 122 | 22,1 | 3,4 | 33,1 |
* Смотрите таблицу 1.
Наблюдалось то же самое коррелирование между давлением или уставкой ограничителя потока и плотностью продукта.
Пример 4
Повторили методику из примера 2 за исключением нагревания суспензии до 123°С и замещения ограничителя потока клапаном управления потоком в целях наращивания давления в распределительной трубе. Это иллюстрируется на фигуре 3. На данной фигуре распределительная труба 20 включает впускное отверстие для микросфер 21, которое соединяется с выпускным отверстием зоны вспенивания. Также имеются выпускное отверстие для микросфер 22 и впускное отверстие для охлаждающей среды (воздуха) 23. Для варьирования давления в зоне распределения согласно измерению при использовании манометра 25 использовали клапан управления расходом 24. Результаты демонстрируются в таблице 4.
Как это подтверждается в данном эксперименте, использование ограничительного клапана приводит к получению того же самого коррелирования между давлением распределительной трубы и плотностью продукта.
Таблица 4. Свойства вспененного материала Expancel grade 461SLU40 при различных уставках для клапана управления расходом
| Давление распределительной трубы (бар) | Температура, °C | Уровень содержания твердого вещества, % (масс.) | Плотность *, г/л |
| 0,5 | 123 | 21,8 | 18,9 |
| 1,0 | 123 | 22,0 | 22,2 |
| 1,5 | 123 | 22,1 | 25,1 |
| 2,0 | 123 | 22,3 | 34,1 |
| 3,0 | 123 | 22,4 | 39,0 |
* Смотрите таблицу 1.
1. Устройство для вспенивания невспененных термовспениваемых термопластических микросфер, включающее:
- зону нагревания, включающую впускное отверстие и выпускное отверстие,
- насос, расположенный выше по потоку относительно зоны нагревания и находящийся в сообщении с ней через текучую среду и способный генерировать в зоне нагревания давление, большее атмосферного; и
- средство нагревания зоны нагревания;
- зону вспенивания, включающую впускное отверстие и выпускное отверстие, при этом впускное отверстие зоны вспенивания соединено с выпускным отверстием зоны нагревания так, что обеспечено падение давления, для обеспечения нахождения зоны вспенивания при меньшем давлении, чем давление в зоне нагревания, и
- генератор противодавления, расположенный ниже по потоку от зоны вспенивания и сконфигурированный для создания переменного встречного давления в зоне вспенивания.
2. Устройство по п. 1, где средство нагревания суспензии выполнено с возможностью нагревания содержимого зоны нагревания при отсутствии непосредственного контакта с какой-либо текучей теплопередающей средой.
3. Устройство по п. 1 или 2, где генератор противодавления представляет собой устройство для регулирования ограничения потока, расположенное в выпускном отверстии зоны вспенивания или после него.
4. Устройство по п. 1 или 2, где зону вспенивания соединяют с расположенной ниже по потоку трубой выпускного отверстия, и труба выпускного отверстия проходит в расположенную ниже по потоку распределительную трубу через соединительный элемент, при этом распределительная труба дополнительно имеет впускное отверстие для охлаждающей среды, расположенное выше по потоку относительно соединительного элемента.
5. Устройство по п. 4, где генератор противодавления включает устройство для регулирования потока в отношении потока охлаждающей среды через распределительную трубу.
6. Способ вспенивания невспененных термовспениваемых термопластических микросфер, содержащих термопластический полимер, инкапсулирующий пенообразователь, где пенообразователь представляет собой жидкость, имеющую температуру кипения, не большую, чем температура размягчения термопластической полимерной оболочки, при этом способ включает:
- подачу суспензии невспененных термовспениваемых термопластических микросфер в зону нагревания при использовании насоса, способного генерировать в зоне нагревания давление, большее, чем атмосферное,
- нагревание микросфер до температуры, большей, чем их температура размягчения, при одновременном нахождении их в условиях давления, достаточно высокого для обеспечения их неполного вспенивания;
- перепускание таким образом нагретых микросфер из зоны нагревания в зону вспенивания так, что обеспечено падение давления с получением в зоне вспенивания давления, достаточно низкого для вспенивания микросфер, и
- удаление вспененных микросфер из зоны вспенивания,
- где зона вспенивания скофигурирована для создания переменного встречного давления при использовании генератора противодавления, расположенного ниже по потоку от зоны вспенивания.
7. Способ по п. 6, где давление, выдерживаемое в зоне нагревания, находится в диапазоне от 10 до 50 бар.
8. Способ по п. 6 или 7, где температура суспензии в зоне нагревания находится в диапазоне от 60°С до 250°С.
9. Способ по любому одному из пп. 6-8, где зона вспенивания соединена с расположенной ниже по потоку трубой выпускного отверстия, и труба выпускного отверстия проходит в расположенную ниже по потоку распределительную трубу через соединительный элемент, при этом распределительная труба дополнительно имеет впускное отверстие для охлаждающей среды, расположенное выше по потоку относительно соединительного элемента, где во впускное отверстие распределительной трубы подают поток охлаждающей среды.
10. Способ по п. 9, где охлаждающая среда представляет собой поток газа, жидкости или частиц, которые являются инертными по отношению к вспененным микропластическим микросферам.
11. Способ по п. 10, где охлаждающая среда выбрана из воздуха, воды, азота, частиц мела, частиц карбоната кальция, частиц диоксида кремния, частиц глины и частиц TiO2 или любой их комбинации.
12. Способ по любому одному из пп. 6-11, где невспененные термовспениваемые термопластические микросферы подают в устройство по любому одному из пп. 1-5.
