CN106687276B - 用于挤出中空颗粒的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了生产中空颗粒的挤出方法。还公开了可用于生产所述中空颗粒的造粒装置。所述方法和装置利用具有一个模具孔和一个***件的一个挤出模具，所述***件被放置在所述模具孔中，以生产所述中空颗粒。

Description

用于挤出中空颗粒的方法和装置
发明背景
技术领域
本发明总体上涉及生产中空颗粒的一种挤出方法，其中一个***件被设置于一个挤出模具的模具孔中，熔融材料围绕其被挤出以形成那些中空颗粒。
背景技术
造粒设备及其在挤出加工后的用途已经由受让人引入和/或用于申请中多年，如包括下述公开所示：美国专利第4,123,207号、第4,251,198号、第4,500,271号、第4,621,996号、第4,728,276号、第4,888,990号、第5,059,103号、第5,403,176号、第5,624,688号、第6,332,765号、第6,551,087号、第6,793,473号、第6,824,371号、第6,925,741号、第7,033,152号、第7,157,032号、第7,171,762号、第7,172,397号、第7,318,719号、第7,402,034号、第7,421,802号、第7,524,179号、第7,771,635号、第8,007,701号、第8,011,912号、第8,080,196号、第8,205,350号、第8,220,177号、第8,303,871号、第8,361,364号、第8,366,428号、第8,444,923号、第8,512,021号、第8,562,883号、第8,671,647号和第8,708,688号；美国专利申请公开第2012/0084993号、第2012/0280419号、第2012/0000161号、第2013/0036714号、第2012/0298475号和第2009/0206507号)；美国专利申请第14/198,270号；德国专利和申请，包括DE3243332、DE3702841、DE8701490、DE19642389、DE19651354和DE29624638；以及欧洲专利和申请，包括EP1218156，EP1582327和EP2008784。这些专利和申请全部由受让人拥有，并且通过引用的方式将其全部包括在本文中。
这些公开内容没有提及在造粒过程中使用***件。更具体地，这些公开内容没有提及在挤出模具中使用***件，其中熔融材料围绕挤出模具和***件流动，从而产生中空颗粒。
本发明的各种实施方案提供了一种用来制备可重复的中空颗粒的具有成本效益的方法，通过使用等效多重模具孔中的多重***件穿过一个挤出模具板。
发明内容
简而言之，本发明的各种实施例提供了一种通过使用至少一个***件穿过一个挤出模具中的至少一个模具孔，来挤出中空颗粒的方法。熔融材料去往并通过包含所述***件的所述模具孔。所述熔融材料被挤出，优选在压力下被挤出，在冷却时提供一个中空颗粒，这样形成的中空腔可以至少是下述中的一个：贯穿所述颗粒并被完全地和周向地封闭在所述颗粒内的连续中空，以及其间的许多组合，从而使得所述封闭中空腔至少在一个中心位置上至少穿孔地连接到所述颗粒的外部。
所述中空颗粒在结构上是可重复的，并且可以是任何熔融材料，优选聚合物，颗粒形状以及中空腔都可以是任何几何形状。所获得的所述中空颗粒取决于，但不限于，挤出粘度、模具膨胀、材料组成、熔融物温度、冷却速率、结晶度、熔融物指数、造粒过程的切割速度等等。
因此，本发明一方面提供了一种廉价且具有成本效益的方法，利用在挤出模具的至少一个孔中的至少一个***件来生产相对一致且可重复的中空颗粒，熔融材料在挤出模具周围被挤出，从而控制颗粒形状、颗粒直径、腔形状、腔直径和该腔的穿透或其在颗粒中和/或通过颗粒对其的缺乏。
本发明的实施方案可以包括一种用于生产中空颗粒的挤出方法，该方法包括通过一个挤出模具挤出熔融材料并冷却挤出的熔融材料，以有效地产生一个具有一个中空腔的颗粒。挤出模具可以是一个单体挤出模具、一个可移除***件挤出模具组件或其它结构。在一些情况下，可以使用压力进行挤出。挤出模具可以包括一个模具孔和设置在模具孔中的一个***件。所述***件可以包括一个后部和一个前部。在一些实施例中，后部可包括一个中空罐。在一些实施例中，所述罐可以在其中具有一个中空腔。在一些实施例中，所述前部可包括一个心轴。在一些实施例中，所述心轴可包括多个翅片，当所述熔融材料被挤出时，所述多个翅片保持所述心轴在所述模具孔中的位置。
在一些实施例中，熔融材料可以流过中空罐。在一些实施例中，熔融材料可以穿过设置在中空罐和心轴的翅片之间的至少一个孔。
在一些实施例中，翅片可包括邻接模具孔的突起，以在熔融材料围绕翅片流动时保持心轴的位置。在一些实施例中，心轴的翅片中的至少一个可以是锥形的。在一些实施例中，心轴还可包括突起，以将熔融材料挤成单一的均匀流。
在一些实施例中，罐可以是带螺纹的。在一些实施例中，心轴可以是一个可移除的心轴，并且心轴可通过螺纹方式连接到罐上。
在某些实施方案中，颗粒的中空腔可以穿透颗粒的第一表面并继续延伸通过颗粒的第二表面。或者，中空腔可以被完全地封闭在颗粒内。中空腔还可能穿透颗粒的第一表面并且向内延伸到颗粒的主体的内部。如果一个颗粒具有多于一个的中空腔，则这些类型的中空腔中的任何一种或多种可以纳入到颗粒中。
在一些实施方案中，用于制备中空颗粒的熔融材料可以选自聚合物、共聚物、生物聚合物、生物塑料及其组合。还可以将一种或多种添加剂与熔融材料包括在一起。聚合物、共聚物和添加剂可以包含可交联的反应性官能团。反应性官能团可以通过化学反应(包括通过膨胀)来改性。
本发明的实施方案还可以包括一种用于生产中空颗粒的挤出方法，该方法涉及将一种熔融材料进料到一个造粒机中，并通过该造粒机的一个挤出模具挤出该熔融材料，使得在挤出期间该熔融材料可以流过一个***件的中空罐、穿过该***件的至少一个孔并且围绕设置在该***件的心轴上的翅片。在一些实施方案中，该造粒机可以是一个流体下造粒机，例如水下造粒机。在一些实施例中，在熔融材料围绕翅片流动之后，熔融材料可以围绕***件的不具有翅片的部分流动。
在一些实施例中，***件可以包括在***件的一个后边缘和中空罐之间的一个锥体，并且熔融材料然后可以流过锥体。
在一些实施方案中，该方法还可以包括冷却挤出的熔融材料，以有效地产生具有一个中空腔的一个颗粒。在一些实施例中，颗粒的中空腔可以穿透颗粒的第一表面并且继续延伸穿过颗粒的第二表面。或者，中空腔可以被完全封闭在颗粒内。中空腔还可能穿透颗粒的第一表面并且向内延伸到颗粒的主体的内部。如果颗粒具有多于一个的中空腔，则这些类型的中空腔中的任何一种或多种可以纳入到颗粒中。
本发明的实施方案还可以包括一个造粒机。所述造粒机可以包括用于接收一种熔融材料的一个入口、用于挤出可能在入口下游的所述熔融材料的一个模具孔，以及设置在所述模具孔中的一个***件。在一些实施例中，所述***件可包括一个后部和一个前部。在一些实施例中，所述后部可以包括一个中空罐，并且所述罐可以在其中具有一个中空腔。在一些实施例中，所述前部可以包括一个心轴，并且所述心轴可以包括多个翅片。在一些实施例中，所述***件可包括被配置成实现所述熔融材料从所述中空罐流动到所述心轴的至少一个孔。
在一些实施例中，所述多个翅片可以包括在所述熔融材料被挤出时保持所述心轴在所述模具孔中的位置的突起。在一些实施例中，所述心轴离所述***件的所述后部最远的区域可以不包括翅片。
在一些实施例中，被挤出的所述熔融材料可以包括具有一个中空腔的一个颗粒。在一些实施方案中，所述造粒机还可以包括用于从所述造粒机输送挤出的所述熔融材料的一个出口。所述造粒机可以是一台流体下造粒机，例如一台水下造粒机。
通过阅读下面的说明书并结合附图，本发明的这些和其它的目的、特征和优点将更加清楚。
附图说明
图1是本发明的单体挤出模具组件的一个实施例的一个垂直剖面示意图，其中穿孔的是单体结构。
图2是本发明的一个可移除***件挤出模具组件的一个垂直剖面示意图，其中穿孔的是可移除中心结构。
图3是示出模具孔和***件的关联的一个垂直剖面示意图。
图4是***件的一个实施例的一个示意图。
图5是图4的***件在模具孔中的一个横截面视图。
图5a是图4的***件在线a处的模具孔中的一个水平横截面视图。
图5b是图4的***件在线b处的模具孔中的一个水平横截面视图。
图5c是图4的***件在线c处的模具孔中的一个水平横截面视图。
图5d是图4的***件在线d处的模具孔中的一个水平横截面视图。
图6a是***件的第二实施例的背面仰视透视图。
图6b是***件的一个替代实施例的一个侧视透视图。
图6c是图6a的***件的主透视图。
图7a是图6a的***件在模具孔中的一个横截面视图。
图7b是***件的另一实施例的一个背面仰视透视图。
图7c是图7b的***件的一个主透视图。
图8a和8b示出了***件的又一实施例的一个侧面横截面视图。
图8c是图8a和8b的***件的主透视图。
图9a-i是各种颗粒几何形状的俯视、横截面和侧视的图示，包括示出了中空完全穿过的一个圆柱形颗粒的俯视图9a。
图9b示出了来自图9a的中空大致圆柱形的颗粒的一个横截面视图。
图9c示出了来自图9a的中空大致圆柱形的颗粒的一个侧视图。
图9d示出了一个大致圆形的颗粒的一个俯视图。
图9e示出了穿过图9d中的所述圆形颗粒的一个横截面。
图9f示出了一个大致矩形的颗粒的一个俯视图。
图9g示出了穿过图9f(其显示了在矩形颗粒内的一个圆形中空或腔)中的颗粒的一个横截面视图。
图9h示出了一个大致圆形的颗粒的一个俯视图。
图9i示出了穿过图9h中的颗粒的一个横截面视图，其中一个空腔具有进入并穿过颗粒壁的穿孔。
具体实施方式
尽管仅详细说明了本发明的某些实施例，但是应当理解，本发明的范围不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的部件的构造和设置的细节。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式实践或实行。此外，在描述这些实施例时，为了清楚起见将采用特定的术语。应当理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的的所有技术等同物。
参见附图，图1示出了与一个造粒机的部件相关联的本发明的一个实施例。所述造粒机包括来自一个熔化和/或混合设备(未示出)的一个入口壳体12。所述入口壳体12包括用于熔融材料或其他挤出物(以下统称为“加工熔融物”)的一个通道14，该加工熔融物可以包括有机材料、低聚物、聚合物、蜡及其组合，而不意欲限制。鼻锥16将所述加工熔融物引导到所述单体挤出模具10的上游侧，通过一个螺杆(未示出)附接地连接到该该单体挤出模具10。所述螺纹杆在一端以螺纹连接到所述鼻锥16的螺纹孔18中，并且螺纹在其远端处连接到单体挤出模具10的螺纹孔20中。或者，所述鼻锥16可以与所述单体挤出模具10连续，并且不需要如本文所述那样附接地连接。
所述单体挤出模具10包含至少一个模具孔22，优选多个模具孔22，所述模具孔22单独地或多个地同心地设置在至少一个环中，其从上游面24延伸到单体挤出模具10的下游面26。安装在一个切割室(未示出)中的一个旋转驱动切割器轮毂30上的多个刀片组件28将挤出的、冷却的并且至少部分固化的加工熔融物切割成颗粒。由此形成的所述颗粒被机械地、气动地、液压地、以及通过它们的组合输送到下游工序中。
下游面26的区域可选地被切除，以提供与所述模具孔22周围相邻的至少一个环形凹部或腔32，使得所述模具孔22被容纳在与单体挤出模具10的基板36连续的突起34中。在具有或不具有突起34的模具孔22内，是下文详述的等同数量的***件50。环形盖板38覆盖所述环形凹部或腔32，并通过钎焊、焊接或本领域技术人员已知的类似技术附接地连接到基板36和突起34。所述盖板38可以是一种耐磨损和耐腐蚀金属(优选镍钢)、一种硬质表面材料(优选碳化钨)及其许多组合中的至少一种。类似地，所述盖板38至所述基板36和/或突起34的附接优选通过焊接、钎焊等实现。所述盖板38的表面以及由此所述单体挤出模具10的下游面26可选地涂覆有本领域技术人员已知的一种耐磨蚀、腐蚀和耐磨涂层的化合物。
图2示出了本发明的第二实施例中的一个可移除***件挤出模具组件100。可移除***件挤出模具组件100包括基板105和可移除***件110。类似于图1，所述可移除***件挤出模具组件100附接地连接到来自一个熔化和/或混合设备(未示出)的一个入口壳体12。所述入口壳体12包括用于如上所述的用于加工熔融物的一个通道14。鼻锥16将所述加工熔融物引导到所述可移除***件110的上游侧，通过螺杆(未示出)将其附接地连接到该可移除***件110。所述螺杆在一端以螺纹连接到鼻锥16的螺纹孔118中，并且以螺纹在其远端处连接到可移除***件110的螺纹孔120中。
所述可移除***件110包含至少一个模具孔22，且优选地多个模具孔22，所述模具孔22单独地或多个地同心地设置在从可移除***件110的上游面124延伸到下游面126的至少一个环中。安装在一个切割室(未示出)中的一个可旋转驱动的切割器轮毂30上的多个刀片组件28将挤出的、冷却的和至少部分固化的加工熔融物切割成颗粒。由此形成的颗粒被机械地、气动地、液压地、以及通过它们的组合输送到下游加工中。
下游面126的区域可选地被切除，以提供与所述模具孔22周围相邻的至少一个环形凹部或腔132，使得所述模具孔22被容纳在与单体挤出模具10的基板136连续的突起134中。在具有或不具有突起134的模具孔22内，是下文详述的等同数量的***件50。环形盖板138覆盖所述环形凹部或腔132，并通过钎焊、焊接或本领域技术人员已知的类似技术附接地连接到基板136和突起134。所述盖板138可以是一种耐磨损和耐腐蚀金属(优选镍钢)、一种硬质表面材料(优选碳化钨)及其许多组合中的至少一种。类似地，所述盖板138至所述基板136和/或突起134的附接优选通过焊接、钎焊等实现。所述盖板138的表面以及由此可移除***件110的下游面126可选地涂覆有本领域技术人员已知的一种耐磨蚀、腐蚀和耐磨损涂层的化合物。
如所公开的，加热和/或冷却过程，可以通过电阻、感应、蒸汽或传热流体为所述单体挤出模具10以及所述可移除***件挤出模具组件100提供。所述可移除***件110和所述基板105可替换地通过类似或不同的机构单独地加热。优选地，加热元件46分别被***所述单体挤出模具10或所述可移除***件挤出模具组件100中，如图1和图2所示。本领域技术人员已知的其它设计通过引用的方式包括在本文中，而不意在限制。
现在转到所述单体挤出模具10的图3，***件50示出在模具孔22内，该模具孔22从上游面24延伸进入并穿过基板36中的可选突起34到盖板38的下游面26。可选环形凹部或者腔32也是为了清楚的目的而示出。类似组件随附可移除***件110，并且未示出。
图4示出了***件50的一个实施例的构造细节。如图4所示，***件50a包括一个心轴52、多个***翅片锥体54和多个翅片56。所述***件50a可由任何耐磨材料(优选是金属)组成。金属可以是铝、黄铜、青铜、紫铜、钢、工具钢、碳钢、钒钢、不锈钢、镍钢、镍等，但不限于此。更优选地，金属是包括黄铜、青铜、紫铜的一种良好热导体。不意受任何理论束缚，据信导热金属在散布到并通过模具孔22的加工熔融物中保持温度均匀性。这对于最小化热损失和/或温度变化方面有效，因为材料在由多个翅片56形成的多个路径中流动。
***件50a的尺寸必须这样：其在加工温度下不超过模具孔22的尺寸，并且在***件50a的金属与基板36或可移除***件110的金属不同的情形下，同时必须考虑到不同的膨胀。翅片56不仅形成用于所述加工熔融物的多个流动路径，而且还用于保持***件50a在模具孔22中的位置。翅片的最少数量为至少两个，优选至少三个。更优选地，在***件50a上具有至少四个翅片56。多个翅片56可以相对于相邻翅片以任何角度定向，以形成聚合物熔融物流过的路径。优选地，翅片间隔180度或更小。更优选地，翅片间隔120度或更小。最优选地，翅片间隔90度或更小。因此，在一些情况下，***件具有围绕***件50a设置的至少四个翅片，使得所述至少四个翅片中的每一个设置成与相邻翅片间隔小于或等于大约90度。
图5示出了在模具孔或孔22内的***件50a。如该图所示，心轴52显著地被包含在模具成型面60内，***翅片锥体54在尺寸上大致对应于模具孔锥体62，并且翅片56大致被包含在预成型面管64内。模具成型面60的长度通常在至少约3.8毫米(约0.15英寸)至约31.75毫米(约1.25英寸)的范围内，并且优选为至少约6.4毫米(约0.25英寸)至约25毫米(约1.00英寸)。模具成型面60内的心轴52优选地与所述挤出模具的下游面齐平。在一个替代实施例中，心轴52的长度可以小于模具成型面60的长度。在这种替代实施例中，心轴52的长度相比模具成型面60的长度，短了约0.50毫米(约0.020英寸)至约5.0毫米(约0.20英寸)，从而使心轴52的尖端从挤压模具的下游面非常轻微地凹陷。模具成型面60和/或心轴52可以是圆柱形或锥形，并且在几何形状上可以是圆形、椭圆形、矩形等。类似地，模具成型面60和心轴52可以具有相似或不同的几何形状。***件50a可以压配合，并且优选地滑动配合进入到模具孔22中。
如从在与模具孔锥体62的接合处的预成型面管64的直径上设置的垂直柱体所测量的，***翅片锥体54在角度66处与模具孔锥体62的角度相似，其范围可从0°至90°。如本文所述，角66优选的范围是从15°到45°。***翅片锥体54可以具有与模具孔锥体62相同的轮廓或不同的轮廓，并且在尺寸上，必须从翅片56的直径到心轴52的直径逐渐变细。类似地，翅片56可以与预成型面管64的所述几何形状类似，如圆柱形或锥形以及它们的组合，或者可以在几何形状上不同。预成型面管6和翅片56优选是圆柱形的。翅片56的长度可以与预成型面管64的长度相同，但是优选为小于预成型面管64的长度。翅片56的长度相比预成型面管64的长度，更优选为至少短了约0.50毫米(约0.020英寸)，使得翅片不突出在外部。
图5a示出了在线a处的在预成型面管64中的翅片56的一个示例性横截面设计。图5b示出了在线b处的在模具孔锥体62中的***翅片锥体54的一个示例性横截面设计。图5c示出了在连接点处的心轴52的一个示例性横截面设计，用于在线c处的模具成型面60中***翅片锥体54。图5d示出了在线d处的模具成型面60中的一个可选递减锥形心轴52。
图6a-6c示出了***件50的替代实施例的构造的细节。首先参见图6a，***件50b包括后部70和前部72。后部70包括罐74。前部72包括心轴76，该心轴76包括多个翅片78和多个翅片锥体80。***件50b的后部70中的罐74包括一个后边缘82和一个中空腔84。后边缘82是敞开的，以便在其中接收其中的所述加工熔融物。在后边缘82和中空腔84之间是一个可选螺纹86。螺纹86可以用于将***件50b从模具孔22中取出或放入模具孔22中，例如通过将一个工具***到螺纹86中以便抓住***件50b，以便将其从模具孔22中移除或放置在模具孔22内。该可选螺纹的有用特征是能够以最小的投资将造粒操作从生产中空颗粒转换为正常的非中空(固体)颗粒并再次转换的灵活性。
罐74的所述中空腔84包括一个前壁88。前壁88可以是平坦的，如图6a所示。前壁88包括至少一个孔90。前壁88还可以包括至少两个孔90、至少三个孔90或至少四个孔90。或者，前壁88不是平的，该区域包括多个锥形入口91，如图6b所示。锥形入口91有助于将熔融材料漏入至少一个孔90中，并且还有助于防止材料在前壁88处堆积。
返回参见图6a，至少一个孔90起始于中空腔84的前壁88，并延伸到***件50b的后部70的前壁92。所述至少一个孔90实现加工熔融物从中空腔84流动并且向***件50b的前部72进料，而不会阻碍所述加工熔融物的流动或引起不必要的压力增加。所述前壁92可以可选地包括一个倒角94。
图6c是***件50b的一个主透视图，更清楚地示出了***件50b的前部72，其包括心轴76、在心轴76上的多个翅片78，以及多个翅片锥体80。心轴76具有至少三个不同的区域，优选是一个基部区域102、一个中间区域104和一个前部区域106。在基部区域102中，翅片78沿着心轴76从后部70的前壁92朝前部区域106和所述挤出模具的所述下游面向前延伸。这使得加工熔融物可能通过至少一个孔90，并且保持通过所述至少一个孔90并且沿着翅片78的恒定层流或其它期望流。翅片78用作加工熔融物的引导件，而不会阻碍加工熔融物的流动。在中间区域104中，翅片78具有突起108。翅片78终止于心轴76的中间区域内的翅片锥体80。***翅片锥体80从翅片78的直径尺寸渐缩至没有翅片78的心轴76的直径。因此，心轴76的前部区域106可以没有翅片。在前部区域106中缺少翅片可以实现加工熔融物围绕心轴76的所述前部区域106流动，使得当加工熔融物被挤出模具孔22时，所得到的中空颗粒可以没有间隙地完全形成，如果翅片78被延伸到心轴76的尖端112则可能导致间隙。
位于心轴76上的翅片78的最少数量为至少两个，并且在一些情况下为至少三个。在一些实施例中，至少有四个翅片78位于心轴76上。心轴76上的多个翅片78可相对于相邻翅片以任何角度定向以形成流过聚合物熔融物的路径。翅片78可以彼此等间隔。因此，翅片78可围绕心轴76以约180度或更小角度彼此分开，围绕心轴76以约120度或更小角度彼此分开，或者围绕心轴与相邻翅片以约90度或更小角度分开。
现在参见图7a，***件50b示出在模具孔22内。***件50b的尺寸必须这样：其在加工温度下不超过模具孔22的尺寸，并且在***件50a的金属与基板36或可移除***件110的金属不同的情形下，同时必须考虑到不同的膨胀。
翅片78不仅形成用于加工熔融物的多个流动路径，而且还用于保持心轴76在模具孔22中的位置。模具孔22中的压力或流动差异和/或具有刀片28的旋转切割器毂30的力可以将一个力施加到心轴76上，这可以导致心轴76移动。心轴76上的翅片78为心轴76提供额外的支撑和稳定性，使心轴76稳定地保持在模具孔22中并防止心轴76发生任何不期望的移动。突起108邻接模具孔22，有助于保持心轴76在模具孔22中的位置。
***件50b在模具孔22内，从而使得心轴76的中间区域104和前部区域106显着地包含在模具成型面60内。还可以看出，模具孔椎体62可以包括两个区域：114和116。区域114可以可选地弯曲(示出)或平坦(未示出)。类似地，区域116可以可选地是直的、锥形的、对角区域(示出)或可以是平坦的(未示出)。当突起108可紧靠所述模具成型面60以保持心轴76的位置，翅片78延伸穿过模具孔锥体62并进入模具成型面60。
再次地，模具成型面60的长度通常在至少约3.8毫米(约0.15英寸)至约31.75毫米(约1.25英寸)的范围内，并且优选为至少约6.4毫米(约0.25英寸)至约25毫米(约1.00英寸)。模具成型面60内的心轴76优选为与所述挤出模具的下游面齐平。在一个替代实施例中，心轴76的长度可以小于模具成型面60的长度。在这种替代实施例中，心轴76的长度相比模具成型面60的长度，短了约0.50毫米(约0.020英寸)至约5.0毫米(约0.20英寸)，从而使心轴76的尖端112从挤压模具的下游面非常轻微地凹陷。
模具成型面60和心轴76可以具有相似或不同的几何形状。模具成型面60可以是圆柱形或锥形的，并且可以是圆形、椭圆形、矩形、星形等几何形状。心轴76可以是圆柱形或锥形的，并且可以是圆形、椭圆形、矩形、星形等几何形状。前部区域72经由翅片78，可以是一个压配合插销，并且优选地滑动压配合进入到模具孔22中。
图7b和7c示出了模具孔22内的***件50b的另一实施例的细节。图7b是所述***件的一个仰视背面透视图，而图7c是所述***件的一个主透视图。如图所示，心轴76包括突起118。在前壁88包括多于一个孔90的情况下，突起118可用于将离开孔90的聚合物流挤到一起成为单一的均匀流。当所述熔融物流经过突起118时，突起118通过在突起118和模具孔22的壁120之间向外挤出熔融物流动而工作，从而获得熔融材料的单一均匀流而不是多个流。
***件50a可由任何耐磨材料(优选是金属)组成。金属可以是铝、黄铜、青铜、紫铜、钢、工具钢、碳钢、钒钢、不锈钢、镍钢、镍等，但不限于此。在一些实施例中，金属可以是包括黄铜、青铜、紫铜的一种良好热导体。不意受任何理论束缚，据信导热金属在散布到并通过模具孔22的加工熔融物中保持温度均匀性。这对于最小化热损失和/或温度变化方面是有效的，因为材料在由多个翅片78形成的多个路径中流动。所选择的金属更优选为的强度更大和耐磨性更高，例如不锈钢，其也具有更低的热导率并且是一个更好的热绝缘体
在一个实施例中，所述***件可以是一个包括罐和心轴的一体式组件。在另一个实施例中，所述心轴可以与所述罐分离，从而使得多件式组件成为可能。图8a-8c示出了所述***件的一个多件式组件。首先参见图8a，如图8a所示，***件50b包括罐74和心轴76。在该多件式实施例中，心轴76可从罐74中移除。如图8b所示，心轴76可旋入罐74中。在所述替代方案中，心轴可以以某种其它方式附接地连接到罐。图8c是多件式组件的主透视图，示出了附接到罐74的心轴76。
图9a-i示出了根据本发明形成的所述中空颗粒的所述各种几何形状。图9a示出了一个圆柱形颗粒的俯视图，所述中空腔完全穿透该圆柱形颗粒。图9b示出了来自图9a的所述中空的圆柱形颗粒的一个横截面视图，而图9c示出了同一颗粒的一个侧视图。图9d示出了一个大致圆形的颗粒的俯视图，而图9e示出了横穿该颗粒的一个横截面。图9f示出了一个大致矩形的颗粒的一个俯视图，图9g示出了横穿该颗粒的一个横截面视图，示出了在该矩形颗粒内的一个圆形的中空腔。图9h示出了一个大致圆形的颗粒的一个俯视图，而图9i示出了横穿该颗粒的一个横截面视图，示出了具有穿入并穿过所述颗粒壁的一个腔。本领域技术人员应当理解，许多颗粒形状和腔形状可以通过本发明的方法实现，而不意在限制。
中空颗粒的形成极大地受到熔融物流变学并且特别是熔融物粘度控制。如上文所述的图9a-c中所示，部分熔融物材料通常形成环形或面包圈形状的颗粒。当所述熔融物粘度降低，并且因此所述熔融物流动指数增加时，发现可以实现颗粒的更多闭合以形成一个完全封闭的腔，如图9d-g所示。因为熔融物粘度继续下降，并且由此熔融物流动指数增加，产生较少完全封闭的腔，引入穿孔，并且最终发现所述腔塌陷或部分塌陷，这导致不规则的腔几何形状。
另外，诸如化学组成、熔点范围和结晶度等是重要的因素，因为这些影响加工熔融物的流动性和温度。结晶通常会放热，并且会增加熔融物过程温度，从而降低粘度。熔点范围越窄，显著增加固化所需的冷却越少，因此与腔完全穿透的环形或面包圈形状颗粒相比，形成一个完全封闭的腔更具挑战性。聚合物的极性、支枝化和疏水/亲水相互作用影响熔融相中的属性以及导致固化的过程。对于评估颗粒的闭合，以及为获得一个期望直径的颗粒(含有具有一个特定直径的腔)的心轴和模具成型面的直径的必要差异，材料在离开模具时膨胀的能力也是重要因素。因为当熔融物粘度降低时，这些变量的控制降低，并且结晶的温度的影响(如果存在的话)增加。
水分吸收被评价为阐明可能的水分截留的方法，其中在优选的水下造粒中进行造粒。预期水分将成比例地高，其中输送流体(优选水)的截留发生在产生的中空腔中。令人惊奇地发现，在考虑到可比直径固体颗粒的质量与中空颗粒的减少质量的差异之后，水分含量显著低于预期，甚至更令人惊奇的是，随着材料的极性增加，水分减少增加。例如，发现聚乙烯和聚丙烯中空颗粒具有可比较的含水量，具有可比直径的固体颗粒，而乙基乙酸乙烯酯中空颗粒被发现具有固体颗粒的约一半至三分之二的水分。
用于根据本发明制备的中空颗粒的材料的实例包括但不限于聚合物、共聚物、生物聚合物和生物塑料及其组合。
可用于根据本发明制备中空颗粒的聚合物可以是聚烯烃、可交联的聚烯烃、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、聚硫醚、聚砜、聚氨酯、聚醚、聚硫醚、蜡、热熔粘合剂、沥青、热塑性弹性体、橡胶、纤维素、胶基、乙烯基聚合物和包括芳族和脂族乙烯基聚合物、芳香族链烯基聚合物如聚苯乙烯，以及上述物质的共聚物。
作为最终中空颗粒或作为具有或不具有任何其它生物或非生物聚合物或材料的制剂的一个组分的生物塑料的实例包括但不限于：聚羟基链烷酸酯、聚乙交酯、聚丙交酯、聚乙二醇、多糖、纤维素和淀粉、油酸酐、脂族聚酯和聚碳酸酯、聚原酸酯、聚磷腈、聚内酯和聚内酰胺。
可用于本发明的聚烯烃可以是超低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丁烯、离聚物、聚甲基戊烯、聚丙烯、乙烯-乙酸乙烯酯、烷基和芳基取代的乙烯基、卤化和多卤代乙烯类、聚乙烯基酯、乙烯醇及其共聚物。
在制备根据本发明的中空颗粒中，可以将一种或多种添加剂与熔融材料包括在一起。添加剂可以包括但不限于：流变改性剂、交联促进剂、抗氧化剂、紫外线稳定剂、热稳定剂、染料、颜料、填料、纤维、成核剂、膨胀剂、包封的农业和药物活性成分、矫味剂和香料、增粘剂、防粘剂、颗粒涂层、增塑剂、润滑剂、蜡、生物材料添加剂(其可以包括但不限于纤维素、淀粉和蛋白质材料)、偶联剂、粘合剂、清除剂、增效剂、加工助剂和造粒助剂。一种或多种添加剂可以是单组分或多组分制剂。
可用于本发明的聚合物、共聚物和一种或多种添加剂可以是无定形的、结晶的或它们的组合。聚合物、共聚物和一种或多种添加剂可以包含可交联的反应性官能团。反应性官能团可以通过化学反应改性，包括通过膨胀来改性。
如所预期的，挤出工艺上的背压随着***件的使用而增加，并且发现其通过至少下述中的一个来减轻：通过增加穿过模具的孔的数量、通过提高加工熔融物的温度、以及通过提高模具的温度。正如本领域技术人员所理解的，这些因素不是令人惊讶的结果。
不意受任何理论束缚，与正常的固体颗粒相比，根据本发明制备的中空颗粒具有更大的表面积与体积比、减少了从外表面到“核心”的距离，从而为中空颗粒提供了与固体颗粒相比的几个益处。例如，使用中空颗粒可以提高生产率，因为中空颗粒不仅更快地熔化，而且干燥、结晶和/或固态聚合更快。在形成后，一些颗粒被放入溶剂中，中空颗粒比正常的固体颗粒溶解得更快。中空颗粒在预混合共混物中也具有改进的混合和分散性能，从而在挤出或以其他方式使用之前可以更好地与其它材料干混合。在一些情况下，需要较便宜的颗粒来实现诸如吸收冲击能量或降低总重量的功能，中空颗粒可以做到这一点。另外，膨胀剂例如戊烷可以包括在熔融材料中，所得到的颗粒可以膨胀成诸如“泡沫面包圈”的形状，并直接用于包装应用中。
前述内容仅被认为对是本发明原理的说明。因为本领域技术人员很容易想到许多的修改和变化，所以不意将本发明限制为所示出和描述的确切实施例。因此，所有合适的修改和等同可以诉诸于并落入本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种用于生产中空颗粒的挤出方法，所述方法包括：
将熔融材料进料到一个造粒机中；和
通过所述造粒机的一个挤出模具的模具孔挤出所述熔融材料；
其中在挤出期间，所述熔融材料：
流过一个***件的一个中空罐，所述***件放置在所述模具孔内，所述中空罐的外表面与所述模具孔的内表面接合接触；
通过在中空罐的下游端的至少一个孔流出，并且
围绕设置在心轴上的翅片流动，所述心轴连接于所述***件的中空罐的所述下游端，所述翅片从与内置有***件的挤出模具的模具孔的内表面接合的所述心轴的外表面伸出，在所述下游端的至少一个孔中的每一个孔与布置在心轴上的两个相邻翅片之间的空间对准，以便使熔化的材料从中空罐下游端的至少一个开口流出，围绕心轴的外表面流动，并在心轴上设置的翅片之间和周围流动，中空罐外表面和翅片与模具孔内表面的接合接触保持***件在模孔内的位置。
2.根据权利要求1的所述方法，其中在所述熔融材料围绕设置在所述***件的所述心轴上的所述翅片流动之后，所述熔融材料围绕所述***件的不包括翅片的部分流动。
3.根据权利要求1的所述方法，还包括冷却挤出的所述熔融材料，以有效地产生包括一个中空腔的颗粒，其中穿透所述颗粒的第一表面并继续延伸通过所述颗粒的第二表面的所述中空腔被完全包封在所述颗粒内，或者穿透所述颗粒的所述第一表面并且向内延伸到所述颗粒主体的内部。
4.根据权利要求1的所述方法，其中所述***件包括在所述***件的后边缘和所述中空罐之间的一个锥体，并且所述熔融材料流过所述锥体。
5.根据权利要求1的所述方法，其中所述造粒机是一流体下造粒机。
6.一种造粒机，用于生产中空颗粒，包括：
用于接收熔融材料的一个入口；
在所述入口的下游用于挤出所述熔融材料的在一个挤出模具内的一个模具孔；和
设置在所述模具孔中的一个***件，所述***件包括一个后部和一个前部，所述后部包括一个中空罐，并且所述前部包括一个心轴，所述中空罐具有一与所述模具孔的内表面接合接触的内表面，所述心轴包括多个翅片，所述翅片从与内置有***件的挤出模具的模具孔的内表面接合的所述心轴的外表面伸出，并且所述中空罐还包括在所述中空罐的下游端的至少一个孔，所述至少一个孔中的每一个孔与布置在心轴上的两个相邻翅片之间的空间对准，并且所述至少一个孔中的每一个孔被配置为实现所述熔融材料从所述中空罐的至少一个孔的每一个孔流动到翅片之间和所述心轴的外表面，其中中空罐外表面和翅片与模孔内表面的接合接触保持***件在模孔内的位置。
7.根据权利要求6的所述造粒机，所述多个翅片包括用于保持所述心轴在所述模具孔中的位置的突起。
8.根据权利要求6的所述造粒机，其中所述心轴包括离所述***件的所述后部最远的一个区域，并且其中所述区域不包括翅片。
9.根据权利要求6的所述造粒机，其中所述中空罐具有螺纹。
10.根据权利要求6的所述造粒机，其中所述心轴是可移除心轴。
11.根据权利要求6的所述造粒机，其中所述心轴可螺纹连接于所述中空罐。
12.根据权利要求1的所述的方法，其中所述翅片的每一个以180度或更小角度与相邻的翅片彼此分开布置在心轴的周围。
13.根据权利要求1的所述的方法，其中所述翅片至少部分在心轴上。
14.根据权利要求6所述的造粒机，其中所述造粒机是一流体下造粒机。
15.根据权利要求6所述的造粒机，其中所述中空罐下游端的所述至少一个孔是所述中空罐下游端的至少两个孔中的至少一个，所述下游端的所述至少两个孔中的每一个孔与设置在心轴上的两个相邻翅片之间的相应空间对准，以及所述至少两个孔中的每一个孔被配置为使得熔融材料能够从中空罐的所述至少两个孔中的每一个孔流动到翅片之间以及心轴外表面周围。
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