CN103264453A - 热塑性聚氨酯弹性体生产装置及方法 - Google Patents

热塑性聚氨酯弹性体生产装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种热塑性聚氨酯弹性体生产装置，包括：双螺杆挤出机，与所述双螺杆挤出机后端连接的水中造粒机，与所述水中造粒机连接的脱水机，与所述脱水机连接的下部设有卸料口的振动筛，与所述振动筛连接的包装机，与所述包装机连接的料仓，其特征在于：所述双螺杆挤出机前端直接连有三个液料罐，所述液料罐上部设置有原料计量部件，所述双螺杆挤出机的前部设置有可以使液料充分反应的至少十二个原料连续反应工位。该装置原料比例可控，原料反应充分，劳动效率高，占地面积少，而且可以极大的减少环境污染。

Description

热塑性聚氨酯弹性体生产装置及方法
技术领域
本发明涉及一种聚合物生产装置，尤其涉及一种热塑性聚氨酯弹性体(TPU)生产装置及方法。
背景技术
TPU是由低聚物多元醇软段与二异氰酸酯、扩链剂硬段构成的线性嵌段共聚物。TPU是由二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)或甲苯二异氰酸酯(TDI)等二异氰酸酯类分子和大分子多元醇(POLYOL)、低分子多元醇(扩链剂)共同在灌注机和双螺杆挤出机中连续完全反应聚合而成并经水中造粒的高分子材料。它在分子组成上以重复氨基甲酸酯基团为特征，同时含有尿素基甲酸酯、缩二脲、及酯键、醚键等其它基团。从分子结构上看，由刚性链段与柔性链段交替构成，其中刚性链段是由二异氰酸酯和扩链剂反应得到，柔性链段则由二异氰酸酯和大分子多元醇反应得到。它和其它热塑性塑料相似，室温下具有橡胶弹性和塑料特性，高温下会熔成粘流体，可由注塑机加工(如挤出、注射、压延等)，无需混炼与硫化等后处理工艺，可节约能量，制品可回收再利用且其废弃后可自然分解，与一般泛用塑料(PVC)比较起来属于环保材料。
TPU是加热可塑化、溶剂可溶解的聚氨酯弹性体，它具有各种优异的性能。其具有优异的韧性，耐磨耗及撕裂性，良好的透气性质也极适合于化学品、油品容器。TPU应用范围广泛，用量持续增长，但由于聚合物本身的特殊性，原料的配比精确度、混合的均匀性以及生产过程中的温度控制都会影响TPU的产品的物理性能，从而产生质量波动，这种质量波动会给下游客户的使用带来不利影响。对于TPU来说，下游客户主要是抽丝、拉膜、注塑，由于质量波动，会给下游客户带来生产不稳定、拉膜不均匀、抽丝易断、注塑物件强度不稳定等问题。另外，现在许多产业需要复合型TPU，因此，TPU厂家需要生产改性TPU。
对于TPU的生产来说，传统TPU造粒一般分为两步，第一步首先将BDO(二羟基丁烷)、聚酯多元醇以及纯MDI(二苯甲烷二异氰酸酯)加热至一定温度，再按一定比例混合反应，然后通过托盘或者其他模具成型成块状。第二步是经一定时间温度熟化后经破碎机破碎成小块状再通过挤出机造粒成型即可。但是通过托盘或者其他模具成型成料块污染大，生产效率低，能耗高，环境污染严重，成本高。最佳的方法是一步法用双螺杆挤出机生产TPU。
对于一步法制得的TPU，基本上是属于一种嵌段线型聚合物，采用双螺杆挤出机连续合成TPU，其工艺步骤是由原料预备、计量输送、混合反应、挤出造粒四个部分组成。该工艺具有原料配比计量精确、混合均匀、反应温度均一及物料在机内停留时间均匀等特点。但工艺流程中，对原料水分的控制、计量的精度、输送、温度分布以及切粒技术都不可忽视。根据需要，通过配方的调整，可设计出具有合适性能指标的TPU产品。因此，在TPU生产过程中，原料成分的配比、混合的均匀性、反应温度的控制都是及其重要的部分，但是，现在的TPU一步造粒系统均存在原料手工配比计量不精确、混合不均匀、反应温度不可控制等问题，而且传统的二步造粒系统一方面由于需要两步制造从而存在加工工艺制备流程长、能耗高的问题，另一方面能耗高造成了环境污染严重、成本高的问题，因此，为了产出符合市场需求的TPU产品，急需开发出一种原料配比精确、混合均匀、反应温度可控且制备流程简单、成本低、能耗低、降低环境污染的TPU一步法造粒系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原料配比计量精确、混合均匀、反应温度可控且不使用托盘或其他模具、制备流程简单、成本低、能耗低、无污染的热塑性聚氨酯弹性体生产装置。
一种热塑性聚氨酯弹性体生产装置，包括：双螺杆挤出机，与所述双螺杆挤出机后端连接的水中造粒机，与所述水中造粒机连接的脱水机，与所述脱水机连接的下部设有卸料口的振动筛，设置于所述振动筛下方的包装机，与所述包装机连接的料仓，其特征在于：所述双螺杆挤出机前端直接连有三个液料罐，所述液料罐上部设置有控制原料供给量的原料计量部件，所述双螺杆挤出机的前部设置有可以使液料充分反应的至少十二个相互独立的原料连续反应工位，原料分别依次进入到所述的至少十二个相互独立的原料连续反应工位。
优选的，所述三个液料罐为多元醇料罐、多异氰酸酯料罐和丁二醇料罐。
优选的，所述三个液料罐的原料计量部件设置有计量泵，与所述计量泵相连并控制其流量的质量流量计，以及与所述质量流量计相连并控制其流量的伺服调速器；所述伺服调速器、质量流量计和计量泵由电脑自动控制。
优选的，所述TPU造粒系统还包括与双螺杆挤出机中后段连接的单螺杆造粒机，所述单螺杆造粒机设置有与其相连的粉体电子计量称。
优选的，所述水中造粒机与所述脱水机以及所述包装机与所述料仓之间通过料粒输送管道相连接。
一种利用上述热塑性聚氨酯弹性体生产装置进行造粒的TPU造粒方法，其包括以下步骤：
1、将多元醇、多异氰酸酯和丁二醇分别注入相应的多元醇料罐、多异氰酸酯料罐和丁二醇料罐；
2、在电脑中设置各原料的比例，利用每个液料罐的原料计量部件的各自伺服调速器控制相应的质量流量计控制原料的流量，从而控制各自计量泵的输出流量，从而改变不同的混合指数；
3、各自计量单位的质量流量计分别对三个组份流量参数及混合比参数进行检测、校正以实现组份流量的调节和控制；
4、计量完成后的三份原料组份在一定反应温度下在相互独立的至少十二个原料连续反应工位中依次连续混合反应；
5、双螺杆挤出机对组合好的原料进行挤出后，经水中造粒机造粒；
6、双螺杆挤出机挤出的聚合物通过单螺杆造粒机增加性能参数或添加相应原料以获得复合型TPU；
7、造粒完成的TPU通过料粒输送管道进入脱水机进行脱水，通过料粒输送管道进入振动箱干燥，并进入包装机包装，包装完成后进入料仓。
本发明的有益效果有：
1、由于采用双螺杆挤出机一步造粒，降低了成本，减少了能耗。
2、利用电脑控制，通过每个液料罐的各自的原料计量部件的质量流量计分别对三个组份流量参数及混合比参数进行检测、校正以实现组份流量的调节和控制，提高了原料配比的计量精确度。
3、至少十二个原料连续反应工位的设置，增加了原料的反应时间，可以使原料充分混合反应。
4、不使用模具、托盘造粒不仅减少了环境污染，而且减少了TPU造粒机的占地面积，提高了工厂的整体使用率，且降低了工人的劳动强度，能为工厂带来更大的经济效益。
5、通过单螺杆配合双螺杆挤出机，提高了TPU的性能稳定性并且更容易加工复合性TPU。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为本发明的另一实施例的工艺流程图；
图3为本发明液料罐中原料计量部件放大示意图；
如图中坐标系所示，X轴正方向为上方或上部，Y轴正方向为右方或右部，Z轴正方向为前方或前部，同样的，X轴、Y轴和Z轴的反方向对应的为下方或下部、左方或左部和后方或后部。
具体实施方式
热塑性聚氨酯弹性体生产装置，包括：双螺杆挤出机1，设置在双螺杆挤出机1后端部并通过料粒输送管道100与双螺杆挤出机1连接的水中造粒机2，与水中造粒机2连接的脱水机3，与脱水机3通过料粒输送管道100连接的下部设有卸料口的振动筛4，设置在振动筛4下方的包装机5，与包装机5通过料粒输送管道100连接的料仓6，双螺杆挤出机1前端直接连有三个液料罐71、72、73，所述液料罐上部设置有控制原料反应量的原料计量部件70，双螺杆挤出机1的前部设置有可以使液料充分反应的相互独立的至少十二个原料连续反应工位10，原料分别依次进入到至少十二个原料连续反应工位10。
优选的，三个液料罐为多元醇料罐71、多异氰酸酯料罐72和丁二醇料罐73。
优选的，所述三个液料罐的原料计量部件70设置有计量泵701，与计量泵701相连并控制其流量的质量流量计702，以及与质量流量计702相连并控制其流量的伺服调速器703；伺服调速器701、质量流量计702、计量泵703由电脑自动控制。
优选的，热塑性聚氨酯弹性体生产装置还包括与双螺杆挤出机1中后段连接的单螺杆造粒机8，单螺杆造粒机8设置有与其相连的粉体电子计量称80。
优选的，水中造粒机2与脱水机3，脱水机3与振动筛4，包装机5与料仓6之间通过料粒输送管道100相连接。
利用上述热塑性聚氨酯弹性体生产装置的TPU造粒方法，其包括以下步骤：
1、将多元醇、多异氰酸酯和丁二醇分别注入对应的多元醇料罐71、多异氰酸酯料罐72和丁二醇料罐73。
2、在电脑中设置各原料的比例，优选的，多元醇、多异氰酸酯和丁二醇各组分的用量分别为100份、35-50份和8-13份(每份的单位相同)，例如三原料用量份比可以设置为100∶35∶8，利用每个液料罐的原料计量部件70的各自伺服调速器701控制相应的质量流量计702控制原料的流量，从而控制各自计量泵703的输出流量，从而改变混合指数至在电脑中设定的比例，达到多元醇、多异氰酸酯和丁二醇用量份比例为100∶35∶8。
3、各自计量单位的质量流量计702分别对三个组份流量参数及混合比参数进行检测、校正以实现组份流量的调节和控制，以达到用量精准的目的。
在另一个实施例中也可以在电脑中将多元醇、多异氰酸酯和丁二醇比例设置为100∶50∶13，以得到其他性能的TPU，同样的，利用每个液料罐的原料计量部件70的各自伺服调速器701控制相应的质量流量计702控制原料的流量，从而控制各自计量泵703的输出流量，从而改变混合指数至在电脑中设定的比例，达到多元醇、多异氰酸酯和丁二醇用量比例为100∶50∶13。
4、计量完成后的三份原料组份在一定反应温度下在至少十二个原料连续反应工位10中混合反应。
5、双螺杆挤出机1对组合好的原料进行挤出后，经水中造粒机2造粒。
6、双螺杆挤出机1挤出的聚合物通过单螺杆造粒机8增加性能参数或添加相应原料以获得复合型TPU。
7、造粒完成的TPU通过料粒输送管道进入脱水机3进行脱水，通过料粒输送管道进入振动筛4干燥，并进入包装机5包装，包装完成后进入料仓6。
在生产过程中，通过将原料置于双螺杆挤出机1中进行高温反应聚合，双螺杆挤出机1相对运动的两个螺杆具有高剪切速度梯度可使物料良好混合反应均匀。双螺杆挤出机1的前端设有至少十二个原料连续反应工位10，计量完成的原料在一定温度下在至少十二个原料连续反应工位10中充分聚合反应。
作为一种优选，双螺杆挤出机1连接的液料罐71、72、73处还设有原料计量部件70，该原料计量部件70包括伺服调速器701、质量流量计702和计量泵703。伺服调速器701、质量流量计702和计量泵703的工作由计算机控制，通过在电脑中设置多元醇、多异氰酸酯和丁二醇的比例，利用每个料灌的原料计量部件70的伺服调速器701控制各个计量部件的质量流量计702的流量，通过质量流量计702控制各自相应的计量泵703的输出流量，从而改变不同的混合指数，制造出不同性能、不同用处的TPU。
各自原料计量单位70的质量流量计702分别对多元醇、多异氰酸酯和丁二醇三个组份流量参数及混合比参数进行检测、校正以实现组份流量的调节和控制。从而实现并控制双螺杆挤出机的物料的精确配比。优选的，其控制方式分为可开环控制和闭环控制两种方式。
作为一种优选，该TPU造粒系统还设置有单螺杆造粒机8，该单螺杆造粒机8前端设置有粉体电子计量称80，当原料在双螺杆挤出机1中的至少十二个原料连续反应工位中混合反应后，并通过双螺杆挤出机挤出后，可通过在单螺杆造粒机中反应以提高产品性能，或通过直接添加复合材料以达到制造复合TPU的需要。
由于采用双螺杆挤出机一步造粒，降低了成本，减少了能耗。各自计量单位的质量流量计702分别对三个组份流量参数及混合比参数进行检测、校正以实现组份流量的调节和控制，提高了原料配比的计量精确度。双螺杆挤出机1前端设置至少十二个原料连续反应工位10，可以使原料在双螺杆挤出机1中充分反应，以得到性能优良的TPU。不使用模具、托盘造粒不仅减少了环境污染，而且减少了TPU造粒机的占地面积，提高了工厂的整体使用率，且降低了工人的劳动强度，能为工厂带来更大的经济效益。通过单螺杆造粒机8配合双螺杆挤出机1，提高了TPU的性能稳定性并且更容易加工复合性TPU。
本领域技术人员可以根据本发明公开的内容和所掌握的本领域技术对本发明内容做出替换或变型，但是这些替换或变型都不应视为脱离本发明构思的，这些替换或变型均在本发明要求保护的权利范围内。

Claims (6)

1.一种热塑性聚氨酯弹性体生产装置，包括：双螺杆挤出机，与所述双螺杆挤出机后端连接的水中造粒机，与所述水中造粒机连接的脱水机，与所述脱水机连接的下部设有卸料口的振动筛，设置于所述振动筛下部的包装机，与所述包装机连接的料仓，其特征在于：所述双螺杆挤出机前端直接连有三个液料罐，所述液料罐上部设置有控制原料供给量的原料计量部件，所述双螺杆挤出机的前部设置有可以使液料充分反应的至少十二个原料连续反应工位。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性聚氨酯弹性体生产装置，其特征在于：所述三个液料罐为多元醇料罐、多异氰酸酯料罐和丁二醇料罐。
3.根据权利要求1或2所述的一种热塑性聚氨酯弹性体生产装置，其特征在于：所述三个液料罐的原料计量部件设置有计量泵，与所述计量泵相连并控制其流量的质量流量计，以及与所述质量流量计相连并控制其流量的伺服调速器；所述伺服调速器、质量流量计和计量泵由电脑自动控制。
4.根据权利要求3所述的一种热塑性聚氨酯弹性体生产装置，其特征在于：所述热塑性聚氨酯弹性体造粒系统还包括与所述双螺杆挤出机中后段连接的单螺杆造粒机，所述单螺杆造粒机设置有与其相连的粉体电子计量称。
5.根据权利要求3所述的一种热塑性聚氨酯弹性体生产装置，其特征在于：所述水中造粒机与所述脱水机以及所述包装机与所述料仓之间分别通过料粒输送管道相连接。
6.一种利用前述任一权利要求所述的一种热塑性聚氨酯弹性体生产装置进行TPU造粒的方法，其特征在于：所述一种TPU造粒方法包括以下步骤：
(1)将多元醇、多异氰酸酯和丁二醇分别注入相应的多元醇料罐、多异氰酸酯料罐和丁二醇料罐；
(2)在电脑中设置各原料的比例，利用每个液料罐的原料计量部件的各自伺服调速器控制相应的质量流量计控制原料的流量，从而控制各自计量泵的输出流量，从而改变不同的混合指数；
(3)各自计量单位的质量流量计分别对三个组份流量参数及混合比参数进行检测、校正以实现组份流量的调节和控制；
(4)计量完成后的三份原料组份在一定反应温度下在相互独立的至少十二个原料连续反应工位中依次连续混合反应；
(5)双螺杆挤出机对组合好的原料进行挤出后，经水中造粒机造粒；
(6)双螺杆挤出机挤出的聚合物通过单螺杆造粒机增加性能参数或添加相应原料以获得复合型TPU；
(7)造粒完成的TPU通过料粒输送管道进入脱水机进行脱水，然后通过料粒输送管道进入振动筛干燥，并进入包装机包装，包装完成后进入料仓。
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