CN115397639A - 处理黏性材料的组件和方法 - Google Patents

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Abstract

一种处理黏性材料的组件，其包括：沿着纵向轴线(A)延伸的处理管道(2)，其中黏性材料在一个前进方向(D)上前进；至少一个泵送装置(3)，其设置有：包括圆柱形承座(11)的定子(10)；至少一个圆柱形转子(12)，其被容纳在定子(10)中并通过滑动密封件耦合至定子(10)；其中转子(12)围绕基本上与纵向轴线(A)平行的旋转轴线(B)旋转并包括具有至少一个槽(15)的外表面(13)，该槽(15)与定子(10)的内表面(16)一起形成一个泵送通道(19)；泵送装置(3)被构造为使得泵送通道(19)在至少一个入口(21)与至少一个出口(22)之间延伸；入口(21)和出口(22)与处理管道(2)流体连接。

Description

处理黏性材料的组件和方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2019年12月16日提交的意大利专利申请第102019000024114号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种处理黏性材料的组件。
特别地，本发明特别适用于处理基本上液态的黏性材料。
背景技术
在以连续的方式处理黏性液体的机器中(例如螺杆挤出机)，“压薄”所处理的液体的体积是特别有利的，以将其转变为具有更小的厚度和更大的表面延伸量的等量体积。
换句话说，在具有x，y，z坐标轴的体积中，压薄涉及相对于z或y或x维增大x-y、x-z或z-y平面的表面延伸量。
上述的压薄在一些应用中是特别有利的，例如：
-填入细粉形式的填料；
-为了去除诸如单体物质、溶剂、水蒸气、气味等等的挥发性残留物而在大气中或真空中脱气；
-混合不相容的液体；
-例如针对诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)等等的后缩合聚合物的分子再分级(或分子拉伸)。
在上面列出的所有四个例子中，将材料转变为具有限定的且恒定的厚度(例如范围在1微米与5000微米之间)的薄膜是十分有利的。膜厚度越小，上述工序进行得越快。
文件GB2007585和US4606646描述了为黏性液体脱气的机器。然而，这些文件中描述的方案在工序的效率和速度方面存在限制。
还已知文件WO2019/049077、GB1592261和US4227816，它们描述了配备有位于上方的材料入口以及与入口间隔开约2/3周长的出口的处理黏性材料的机器。所述机器不能实现所述的合并效果并且难以与现有处理器进行结合。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种不具有现有技术的缺陷的处理黏性材料的组件。
特别地，本发明的目的是提供一种处理黏性材料的组件，其是高效的并且同时实现起来容易且经济。
根据这些目的，本发明涉及一种根据权利要求1的处理黏性材料的组件。
借助于处理管道与泵送管道之间的连接，迫使至少一部分黏性材料在泵送通道中至少通过一次。这使得界面增大并因此优化了材料经受的工序。
本发明的目的还在于提供一种根据权利要求15所述的处理黏性材料的方法。
附图说明
本发明的其他的特征和优点将通过参照附图的其实施方式的非限制性例子的以下说明变得显而易见，在附图中：
图1是根据本发明的处理材料的组件的分解立体示意图，其中为了清楚移除了一些部分；
图2是图1的组件的第一细节的仰视示意图，其中为了清楚移除了一些部分；
图3是沿着平面III-III的图1的组件的示意性剖视图；
图4是沿着图1所示的平面IV-IV的图1的组件的第二细节的示意性剖视图；
图5是沿着平面V-V的图1的组件的示意性剖视图；
图6是根据本发明的变型的处理黏性材料的组件的示意性剖视图，其中为了清楚移除了一些部分；
图7是根据本发明的处理黏性材料的组件的另一个变型的示意性侧视图；
图8是根据图6的变型的处理黏性材料的组件的示意性剖视图，其中为了清楚移除了一些部分。
具体实施方式
在图1中，附图标记1表示根据本发明的处理黏性材料的组件。
组件1包括处理管道2和泵送装置3，它们在使用中耦合在一起(见图3)。
处理管道2(更好地在图3中可见)沿着纵向轴线A在入口4与出口5之间延伸。
在使用中，如将从下文详细获知的那样例如通过螺杆挤出机6为处理管道2供应黏性材料。在处理管道2中，黏性材料在一个前进方向D上前进。
在本文描述和示出的非限制性例子中，处理管道2具有基本上矩形的流截面。
优选地，处理管道2的截面是恒定的。
应理解，处理管道2可具有不同的截面，例如圆形或者具有两个凸部。
处理管道2具有开口7和开口8，处理管道2通过这些开口与泵送装置3连通。
优选地，开口7和开口8并排设置。在本文描述和示出的非限制性例子中，开口7和开口8沿着与纵向轴线A正交的方向一个接一个地设置。
优选地，开口7和开口8被设置为使得材料沿着基本上与流动方向D正交的相应的方向F7和F8从它们中通过。
开口7和开口8具有作为轴向尺寸的宽度W以及作为与宽度W正交的尺寸的高度H。
优选地，开口8的宽度W大于开口7的宽度W。
在本文描述和示出的非限制性例子中，组件1包括螺杆挤出机6(在图1中示意表示)，其耦合至处理管道2，以向处理管道2供应黏性材料。
螺杆挤出机6可以是单螺杆或双螺杆(同向旋转或反向旋转)。处理管道2可直接耦合至螺杆挤出机6的挤出缸体或连接至螺杆挤出机6的出口。
在处理管道2中前进的材料承受压力。优选地，材料在处理管道2中的压力大于0bar且小于80bar。更优选地，材料压力大于0bar且小于10bar，并且更优选大于0bar且小于2bar。
以这种方式，如将从下文详细获知的那样帮助使材料从处理管道2移动至泵送装置9。
如果处理管道2中的材料承受压力，则尽管较轻也实际上使得液体更容易且更及时地进入泵送装置9。
根据没有示出的变型，组件1包括设置在处理管道2的下游的过压元件。过压元件可以是泵，通常是“熔体”泵，或者是限流器。
根据图6和8所示的变型，处理管道2容纳至少一个旋转挤出螺杆17并且设置有芯体17a。
在这个例子中，挤出螺杆17具有与开口7和8对应的不具有螺纹的部分，其中仅具有适用于圆周拖动的平滑的芯体17a(特别是见图8)。优选地，在图6和8的变型中，处理管道2配备有偏向元件18，其从处理管道2的内表面伸出并且基本上设置在开口7与开口8之间。偏向元件18具有被设置为基本上面对螺杆17的芯体17a并且几乎与芯体17a接触的面部18a，从而具有足够的间隙来允许芯体17a自由旋转。在使用中，偏向元件18帮助推动在管道2中循环的材料在开口7与开口8之间围绕芯体17a移动强制性的路径。
参照图1、2和3，泵送装置3配备有包括圆柱形承座11的定子10(仅在图1和3中可见)以及被容纳在圆柱形承座11中并通过滑动密封件耦合至定子10的圆柱形转子12(仅在图1和3中可见)。
转子12能够围绕基本上与纵向轴线A平行的旋转轴线B旋转并具有包括至少一个槽15的外表面13，该槽与定子10的圆柱形承座11的内表面16一起形成相应的泵送通道19。
转子12的外表面13和定子10的圆柱形内表面16是同心的并且彼此面对，并且具有使得在公差内将转子12与定子10之间的间隙减至最小以允许转子12相对于定子10容易地旋转的相应的曲率半径。
每个泵送通道19都在至少一个入口21与至少一个出口22之间延伸(更好地在图2和5中可见)。
入口21和出口22与处理管道2流体连接。换句话说，在使用中，在处理管道2中前进的材料通过入口21被送至泵送通道并且通过出口22被排入到处理管道2中。
在本文描述和示出的非限制性例子中，入口21与开口7连接，而出口22与开口8连接。
优选地，每个槽15都在与旋转轴线B正交的圆周方向上延伸，从而限定相应的基本上环形的泵送通道19。
在本文描述和示出的非限制性例子中，外表面具有六个槽15，其中的四个帮助形成相应的泵送通道19，而剩余的两个专用于形成相应的清除通道24。
特别地，泵送通道19被设置在清除通道24之间。
清除通道24专用于对在其附近的泵送通道19中循环并且通过转子12与定子10之间的间隙空间到达清除通道24的材料进行最终的排出。
清除通道24连接至开口8但是不连接至开口7。换句话说，每个清除通道24都配备有出口25(图2)但是没有配备与处理管道2连接的入口。事实上，如所述的那样，材料通过转子12与定子10之间的间隙空间进入清除通道24。
优选地，每个泵送通道19都配备有刮刀元件27(图5)，其基本上在出口22处设置在槽15中。
刮刀元件27的轮廓优选被构造为在槽15中蠕动，以使材料与转子12的外表面13分离并帮助使位于泵送通道19中的材料穿过出口22。
泵送通道19的刮刀元件27通过连接至定子10的框架28来支撑(图2)。
此外，每个清除通道24都配备有被构造为在槽15中蠕动以使材料与转子12的外表面13分离并帮助使位于清除通道24中的材料穿过清除通道24的出口25的刮刀元件27。
以这种方式，意外留在清除通道24中的所有材料都被送回到处理管道2中进行循环。
参照图3和4，每个槽15都优选具有朝向转子12的外部扩张的截面。换句话说，每个槽15都配备有朝向转子12的外部的扩张的侧面部30。事实上，已证实了这种几何形状比其他的几何形状(例如矩形)在帮助对出口22附近的液体材料加压方面更有效。
然而，应理解，槽15也可具有不同形状的截面，例如矩形或三角形等等。
优选地，至少一个槽15容纳固定至定子10的层压元件32的至少一部分。层压元件32的与转子12的槽15接合的部分具有基本上与槽15互补的形状，从而在层压元件32与槽15之间限定至少一个间隙34。
在本文描述的非限制性例子中，层压元件32的形状限定了两个间隙34，它们各自被限定在层压元件32与槽15的壁30之间。
优选地，由层压元件32限定的间隙34沿着旋转方向(即，在圆周上)从入口开始到层压元件32的端部为止逐渐收缩。以这种方式，在层压元件32处，流动的材料由于间隙34沿着泵送通道19收缩而具有伸长的形状。
优选地，层压元件32在泵送通道19的入口21的下游被设置在槽15中。
优选地，层压元件32在槽15内延伸的圆周伸展量小于泵送通道19的总长度。更优选地，层压元件32在槽15内延伸的圆周伸展量小于泵送通道19的总长度的25％。
以这种方式，通过入口21进入的材料接触尺寸被设置为由于间隙34的存在而形成沿着槽15的壁30的两股分离的材料流的层压元件32。
换句话说，层压元件32增大了在泵送通道19中流动的材料的界面。
在层压元件32的下游，材料流是无剪切(shear-free)的，并且它们在特定的处理条件下可以在不承受切应力的情况下在与转子12相同的旋转速度下移动，直到在泵送通道19的出口22附近存在材料的积累和加压为止。
泵送通道19的使液流通常为无剪切类型的部分的圆周长度范围优选在50°与260°之间。
参照图1、2和5，每个层压元件32都沿着与旋转轴线B横切的平面延伸。
优选地，层压元件32在基本上与旋转轴线B平行的摆动方向E上移动。这允许使层压元件32与壁30之间的间隙基本保持不变。以这种方式，穿过层压元件32的材料膜的厚度也保持不变，因此切割速度、伸长量和相对应力也保持不变。
事实上，当转子12旋转时，转子12的任何轴向位移(大部分归因于相对于定子10发生的非均质的热膨胀现象)例如通过没有示出且适当设置的衬垫而自动转递给层压元件32，使得层压元件32与泵送通道19的壁30之间的设计距离基本上保持不变。
基本上，由于层压元件32的摆动能力，在层压元件32下游分离的液流的厚度在整个工序期间基本上保持不变。
优选地，每个层压元件32都可以独立于其他的层压元件32之外沿着方向E摆动。
根据没有示出的变型，被设置为对材料进行连续层压的多个层压元件被容纳在同一个槽中。这可以增强泵送通道19内的分散作用。
根据没有示出的另一个变型，泵送通道19不具有层压元件。这个方案特别适用于在要进行处理的材料上释放减小的应力的应用，例如在泵送通道19中循环的材料中存在易碎纤维的情况(例如玻璃、碳纤维、玄武岩、天然纤维等等)。
另一个变型想到的是转子包括配备有层压元件的泵送通道和不具有层压元件的泵送通道。
优选地，转子12在两端处通过两个轴承33支撑并且适于在1000RPM以上的十分高的速度下旋转。相对于转子12的直径(例如范围在50mm与500mm之间)，这个速度等同于范围约在0.5m/s与10m/s之间的圆周速度。
转子12优选固定至减速器，该减速器又连接至由变频器驱动的优选的电动马达，从而能够在减速器和可在变频器中设定的频率允许的范围内改变速度。
参照图3，定子10优选具有贯通开口35，其在至少一个泵送通道19中形成孔口。
在本文描述和示出的非限制性例子中，开口35具有根据应用而允许燃气-空气离开或固体添加剂(例如纤维粉等等)进入的功能。
换句话说，开口35形成了定子10的内表面16的中断部分，在泵送通道19中形成了用于上述功能的孔口。
可以预见的是，开口35可以根据应用而以不同的方式使用。
如果组件1用于将填料合并到材料中(附图所示的例子)，则开口35连接至用于供应固体颗粒(例如粉末填料、纤维、微粒等等)的料斗36。
如果组件1用于为材料脱气或获得材料的分子再分级，则开口35连接至真空泵(为了附图简化而没有示出)。
如果组件1用于将液体添加剂或气体引入到材料中，则开口35连接至用于供应要与泵送通道19中循环的材料进行混合的某些液体或气体的源。
如果组件1用于对泵送通道19中循环的材料进行冷却(例如由于层压而过热)，则开口35与使加压水或诸如乙二醇的其他冷却剂在其中循环的冷却元件(没有在附图中示出)接合。
能够进行处理的黏性材料全部都是热塑性聚合物，例如聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚砜、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等等。
此外，也可处理诸如巧克力等等的食用液体。
可通过开口35送入到在泵送通道19中处理的材料中的固体添加剂例如可以是矿粉、木粉、有机物质粉末、实心或空心玻璃球、碳酸钙、滑石、黏土、炭黑、石墨等等、诸如碳纳米管(CNT)、石墨烯等等的纳米颗粒、有机和无机颜料、二氧化钛以及通常尺寸范围在1nm至10000.00nm之间的粉末，以及玻璃纤维、碳、玄武岩，天然纤维等等。
可通过开口35送入到在泵送通道19中处理的材料中的气体例如可以是CO2、氮气等等。
可从在泵送通道19中处理的材料中移除的气体是：单体或低聚物残留物、水蒸汽、诸如氧气、氢气的反应副产物等等。
可以将通过本发明的装置实现的工序中得到的产品混合成颗粒或者诸如板、管、型材、膜、纱线等等的成品。
根据附图中没有示出的变型，组件1可包括被设置为控制处理管道2与泵送装置3之间的连通的至少一个开关阀。
根据本发明的组件1优选配备有在转子12两侧阻挡材料泄漏的密封***37。
密封***37包括已经描述的清除通道24，其接收从其附近的泵送通道19中泄漏的任何材料并且直接将其排入到处理管道2中。
优选地，密封***37还包括由定子10的两个槽限定的优选螺旋形的粘滞密封部38，它们在轴向上分别设置在相应的清除通道24与转子12的相应的轴承33之间。
优选地，密封***37还包括两个静密封件39，优选为填充件，它们分别设置在相应的粘滞密封部38与转子12的相应的轴承33之间。
根据图7所示的变型，针对不同的应用构造的多个泵送装置3串联地耦合至处理管道2。换句话说，处理管道2配备有分别与多个泵送装置3连接的多对开口(在图7中不可见)。
每个泵送装置3都被设置为执行特定的处理。例如，第一泵送装置3a包括用于执行粉末的引入的料斗36并且第二泵送装置3b包括用于执行脱气的真空泵40。此外，以这种方式，每个泵送装置3都可具有更实用的尺寸并且在轴承之间具有减小的距离。这允许避免在工序期间折弯转子。此外，以这种方式，在真空条件下操作的泵送装置的区域与不在真空条件下操作的区域分开。
参照图3，在使用中，材料被送至处理管道2，在泵送通道19中通过一次或多次，并且在每次通过之后被周期性地排入到处理管道2中。
材料颗粒在泵送通道19内通过的次数的良好的近似值通过再循环流量与轴向流量之间的比值(Qrec/Qax)给出。
其中，轴向流量指的是从材料泵送装置(例如螺杆挤出机6)送至处理管道2的流量，并且再循环流量指的是在所有的泵送通道19中循环的材料的流量(数值取决于多种变量，例如几何变量和操作变量，诸如泵送通道的过流截面、泵送通道的深度、泵送通道的壁之间的轴向距离、层压元件32下游的材料的厚度以及转子12的速度)。
由于泵送通道19是进行材料的分散和表面暴露的工序的位置，因此显然材料在泵送通道19中通过的次数确定了所有材料经受的处理的次数。
显然，比值Qrec/Qax＜1表示并非所有液体都通过了泵送通道19一次，而Qrec/Qax＝1表示所有材料都通过了泵送通道19一次，并且最后Qrec/Qax＞1表示所有液体都通过了泵送通道19一次以上。
更详细来说，再循环流量Qrec基本上等于装在泵送通道19中的材料的体积乘以转子12的旋转速度再乘以泵送通道19的数量N。
在本文描述和示出的特定的非限制性例子中，泵送通道19配备有至少一个层压元件32，流量Qrec可通过以下公式来概况：
Qrec＝(R2-r2)·π·N·dmelt·2·ω
其中：
R＝泵送通道19的外半径
r＝泵送通道19的内半径
N＝泵送通道19的数量
dmelt＝层压元件32下游的材料层的厚度
ω＝转子12的旋转速度(每秒转数)
已知的是在本发明通常应用的工序中通常有利的是设计相同的材料通过
泵送通道19多次。
在使用根据本发明的组件1来为材料脱气的例子中，研究表明对于最优的脱气来说可能需要一次以上的脱气通过。应理解，最优通过的数量可以基于根据本发明的组件的应用而改变。
然而，应重点强调的是，由于当前方案的灵活性，能够将组件1的操作设定为在泵送装置19内实现所需的通过次数，从而优化采用组件1的工序。
有利地，根据本发明的组件和方法特别有利于生产微粒或膜、片、板、型材、管、纱线等等的形式的具有压缩或膨胀的结构的热塑性材料的复合物。
在这方面，本发明所带来的优点相对于专利GB2007585、US4606646、WO2019/049077、GB1592261和US4227816来说也是明显的。将轴向流动通道(2、17)设置为与各自具有单独的流量的圆周泵送通道连通能够使全部的液体材料根据比值Qrec/Qax反复通过泵送通道19一次或多次。这是所述专利无法实现的。
最后，显然，可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下对本文描述的处理材料的组件和方法做出修改和变型。

Claims (15)

1.一种处理黏性材料的组件，其包括：
沿着纵向轴线(A)延伸的处理管道(2)，其中黏性材料在一个前进方向(D)上前进；
至少一个泵送装置(3)，其设置有：
包括圆柱形承座(11)的定子(10)；
至少一个圆柱形转子(12)，其被容纳在所述定子(10)中并通过滑动密封件耦合至所述定子(10)，其中所述转子(12)围绕基本上与所述纵向轴线(A)平行的旋转轴线(B)旋转并包括具有至少一个槽(15)的外表面(13)，所述槽(15)与所述定子(10)的内表面(16)一起形成至少一个泵送通道(19)，
其特征在于，所述泵送装置(3)被构造为使得所述泵送通道(19)在至少一个入口(21)与至少一个出口(22)之间延伸，所述入口(21)和所述出口(22)与所述处理管道(2)流体连接，从而在使用中将在所述处理管道(2)中前进的黏性材料通过所述入口(21)送至所述泵送通道(19)并且通过所述出口(22)排入到所述处理管道(2)中。
2.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述泵送通道(19)的所述入口(21)和所述出口(22)基本上沿着与所述旋转轴线(B)正交的方向并排设置。
3.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述处理管道(2)具有与所述泵送通道(19)的所述入口(21)连接的第一开口(7)以及与所述泵送通道(19)的所述出口(22)连接的第二开口(8)。
4.根据前述任一项权利要求所述的组件，其中，所述泵送通道(19)在与所述旋转轴线(B)正交的圆周方向上延伸。
5.根据前述任一项权利要求所述的组件，其中，所述泵送装置(3)包括至少一个层压元件(32)，其被固定至所述定子(10)并被构造为至少部分地与所述转子(12)的所述槽(15)接合。
6.根据权利要求5所述的组件，其中，所述层压元件(32)的与所述转子(12)的所述槽(15)接合的部分的形状基本上与所述转子(12)的所述槽(15)互补，从而在所述层压元件(32)与所述槽(15)之间限定至少一个间隙(34)。
7.根据权利要求5或6所述的组件，其中，所述层压元件(32)沿着与所述旋转轴线(B)横切的平面延伸。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的组件，其中，所述层压元件(32)在基本上与所述旋转轴线(B)平行的摆动方向(E)上移动。
9.根据前述任一项权利要求所述的组件，其中，所述泵送装置(3)包括基本上在所述出口(22)处设置在所述槽(15)中的刮刀元件(27)，所述刮刀元件(27)的轮廓被构造为在至少一个所述槽(15)中蠕动，以使材料与所述转子(12)的所述外表面(13)分离并帮助使位于所述泵送通道(19)中的材料穿过所述出口(22)。
10.根据前述任一项权利要求所述的组件，其中，所述转子(12)的所述外表面(13)的至少一个所述槽(15)具有矩形截面或者朝向所述转子(12)的外部扩张的截面。
11.根据前述任一项权利要求所述的组件，其中，在所述处理管道(2)中前进的材料的压力大于0bar且小于80bar。
12.根据权利要求3-11中任一项所述的组件，其包括被容纳在所述处理管道(2)中的至少一个旋转挤出螺杆。
13.根据权利要求12所述的组件，其中，所述挤出螺杆(17)具有与所述第一开口(7)和所述第二开口(8)对应的不具有螺纹的部分，所述处理管道(2)配备有从所述处理管道(2)的所述内表面伸出且基本上设置在所述第一开口(7)与所述第二开口(8)之间的偏向元件(18)。
14.根据前述任一项权利要求所述的组件，其包括被设置为对所述处理管道(2)与所述泵送装置(3)之间的连通进行控制的至少一个开关阀。
15.一种处理黏性材料的方法，其包括：
在一个前进方向(D)上将黏性材料送至沿着纵向轴线(A)延伸的处理管道(2)；
将泵送装置(3)与所述处理管道(2)流体连接，其中所述泵送装置(3)配备有：
包括圆柱形承座(11)的定子(10)；
至少一个圆柱形转子(12)，其被容纳在所述定子(10)中并通过滑动密封件耦合至所述定子(10)，其中所述转子(12)围绕基本上与所述纵向轴线(A)平行的旋转轴线(B)旋转并包括具有至少一个槽(15)的外表面(13)，所述槽(15)与所述定子(10)的内表面(16)一起形成泵送通道(19)，所述泵送装置(3)被构造为使得所述泵送通道(19)在至少一个入口(21)与至少一个出口(22)之间延伸，所述入口(21)和所述出口(22)与所述处理管道(2)流体连接。
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