制造聚烯烃泡沫塑料珠粒料的连续方法 【发明背景】
1．发明领域
本发明涉及制造聚烯烃泡沫塑料珠粒料(foam beads)的方法，更具体本发明涉及连续制造泡沫塑料珠粒料的方法。
2．相关先有技术的叙述
由聚氨酯、聚苯乙烯或聚烯烃制造的聚合物泡沫塑料，由于其柔软性、耐用性、重量轻和低热导性而广泛地用作减震材料、隔热材料和包装材料。
通常，聚烯烃泡沫塑料珠粒料一般是通过间歇的方法，将在聚烯烃树脂中的发泡剂汽化来制造的，该方法被分成浸渍发泡剂和随后的发泡两个步骤。在美国专利4,378,859中就公开过这样的聚烯烃泡沫塑料珠粒料的制造方法。下面参考图2更详细地叙述浸渍和发泡两个步骤。
在浸渍步骤，加热下，在一个高压浸渍室201中加入并混合发泡剂、分散剂、树脂颗粒和水，使得发泡剂容易浸渍到树脂中。在这里，为了制造在后面的发泡方法中使用的树脂颗粒，要在树脂的软化点和熔点之间的温度范围内进行此浸渍步骤。
在发泡步骤，将含有发泡剂的树脂颗粒从高压浸渍室201排放到低压发泡室202中。随后在发泡室202，浸渍入树脂颗粒的发泡剂汽化得到泡沫塑料珠粒料。在此，在浸渍室较高部位空间过多的发泡剂随树脂颗粒和水一起排出。由发泡剂回收装置204回收过量的发泡剂，此装置包括一个冷却器、一个压缩机和一个分层器。发泡剂在分层器中与水分离以后，回收循环使用，而水被送到水回收室203重新投入使用。
然而上述的传统方法具有如下的缺点。
首先，在操作温度下发泡剂的蒸汽压很高(10～30kg/cm2)，在一定的容量以上，按比例放大高压釜就有技术上的困难，高压釜的制造成本也会大幅度增加。
其次，为了使树脂、发泡剂和水在浸渍室中容易混合，必须保留此浸渍室总容积的大约30％作为在混合物上面地自由气体空间。在此自由空间中以压缩蒸汽的形式存在的过量发泡剂约占向此制造方法中提供的发泡剂总量的约30～50％。为了从发泡室中回收过量的发泡剂，需要大的回收装置。
第三，需要相当于浸渍室容积20～50倍的巨大发泡室，因为在发泡步骤以后树脂的体积要增加20～50倍。
第四，为了能够再次使用回收水，必须将其加热升温20～30℃，因为在发泡步骤之后水温降低了。
第五，为了全部排放出浸渍室中的树脂颗粒，可以加入到浸渍室中树脂的量就受到限制，而若超过此量，在发泡步骤剩余的树脂颗粒就会在浸渍室中发泡，阻断了此方法的实施。
由于上述的问题和缺点，传统的间歇法方法表现出了高投资成本和低生产效率，这导致聚烯烃泡沫塑料的价格提高，尽管它有人们所需要的性能，但还是限制了其广泛的应用。
在这方面要注意到在美国专利5,580,503、5,753,157和5,928,674中叙述过的用连续法制造泡沫塑料珠粒料的方法。然而，上述的连续法方法具有的问题是，树脂颗粒会阻塞泵的运动零件和止回阀，而且由于密度不同，在过程中发泡剂具有和水分离的倾向。
发明概述
考虑到前面的叙述，本发明的目的是提供一种制造聚烯烃泡沫塑料珠粒料的连续方法，由于明显提高了效率和生产率，从而降低了聚烯烃泡沫塑料的价格。
为了达到上述的目的，本发明提供了一种方法，该方法包括一个浸渍步骤和随后的一个储存步骤，在浸渍步骤中，在一个加热和加压的浸渍室中混合树脂颗粒、水和发泡剂，而在储存步骤中，含有发泡剂的树脂颗粒被转移并储存在储存室中。随后树脂颗粒进入发泡步骤，这时树脂颗粒被连续地排放并立即通过一个排放装置，生产出泡沫塑料珠粒料。在浸渍步骤之前，此方法还任选地包括一个供应树脂颗粒的步骤，通过此步骤，将树脂颗粒供应到保持在高压下的浸渍室中。每一步骤顺序进行，被分开的各个室连续地重复。
附图简述
参照附图详细叙述本发明的实施例，上述的目的和其它优点将是不言而喻的。
图1是一个示意图，它说明用来按照本发明制造聚烯烃泡沫塑料珠粒料制造设备的一个优选实施方案，以及
图2是一个示意图，它说明用来制造聚烯烃泡沫塑料珠粒料的传统制造设备。
发明的详细说明
下面将详细叙述本发明。
参照在附图1上显示的本方法使用设备的优选实施方案叙述用本发明的连续方法制造聚烯烃泡沫塑料珠粒料的方法。为了更好地理解本发明，将与传统方法相对照来叙述本发明的方法。
(a)浸渍步骤
在此步骤中，在一个处于树脂软化点和熔点之间温度下的高压浸渍室101中混合树脂颗粒、水和发泡剂的过程中，发泡剂浸入了树脂，此浸渍室与传统方法是相似的。
这里，当在浸渍步骤(a)前进行供应步骤(d)时，将树脂颗粒提供给与浸渍室101相连的树脂供应室107，而发泡剂则直接加入到浸渍室101中。后面将要详细地叙述供应步骤(d)。
这是与传统的方法相反的，在那里是将含有发泡剂的树脂颗粒与水和过量的发泡剂一起通过位于浸渍室201较低处的排放口排放到发泡室202中，而在本发明浸渍步骤中加工的树脂颗粒则借其浮力通过优选位于浸渍室101较高部位的排放口被转移到一个储存室102中。
对于聚烯烃树脂，可以使用聚乙烯、聚丙烯或各种类型的乙烯、丙烯共聚物，如随机共聚物、嵌段共聚物和接枝共聚物。另外，除了由烯烃单体和非烯烃单体如醋酸乙烯、苯乙烯组成的共聚物以外，也可以使用由乙烯或丙烯和其它烯烃单体组成的共聚物如乙烯-丙烯-1-丁烯共聚物、乙烯-丙烯-丁二烯共聚物。
对于发泡剂，可以使用CFC-11、CFC-12、丙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳或任何其它具有在树脂内形成气泡能力的物质。不过优选使用丁烷或戊烷。蒙特利尔议定书限制使用各种CFC，而丙烷的蒸汽压太高。对于起火和爆炸来说，二氧化碳是安全的，但需要太高的操作压力。
(b)储存步骤
在此，从步骤(a)来的含发泡剂树脂颗粒被转运并储存在储存室102中。在传统的方法中没有此步骤。
在此步骤中，在浸渍室101的自由空间中以加压蒸汽相存在的过量发泡剂，通过在浸渍室101中引入溶解有发泡剂的水(发泡剂溶液)，用发泡剂溶液代替蒸汽而被回收到溶液室105中。可以用泵向浸渍室101引入溶液，但是如图1所示，让溶液室105的位置高于浸渍室101，将溶液室105的较高部位和较低部位通过输气管108和输液管111分别与浸渍室101的较高部位和较低部位相连，就能够利用重力将溶液室105中的发泡剂溶液引入浸渍室101中。为了保持或不扰乱在树脂颗粒中浸入的发泡剂的浓度，优选在溶液室105中的溶液应该是在与吸收室相同的温度下被发泡剂饱和的。
一旦用来自溶液室105的发泡剂溶液取代了浸渍室101自由空间中的蒸汽，输气管108和输液管111就闭合了，连接着浸渍室101较高部位和储存室102较低部位的树脂输送管109打开，靠其浮力将树脂颗粒转送到储存室102中。储存室102也充满被发泡剂饱和的水，并保持在与浸渍室101相同的温度和压力下。为了促进该树脂的输送，让储存室102中的溶液通过压力平衡管110排到浸渍室101中。
一旦全部树脂颗粒都转送到储存室102中，树脂转送管109和压力平衡管110就闭合。随后立即在浸渍室中加入下一批树脂和发泡剂，重复浸渍步骤。
(c)发泡步骤
在储存室102中的树脂通过排放装置103连续地或间断地排到发泡室104中。此步骤是独特的，在传统方法中没有此步骤。
树脂颗粒靠着自己的浮力从储存室102向与储存室102较高部位相连的排放装置103运动。对于排放装置103，可以使用各种类型的装置，只要它在排放树脂颗粒和水的混合物的过程中能够保持储存室102的恒定压力即可。为了连续排放该混合物，可以使用孔类装置，而为了重复排放恒定量的混合物，可以使用间歇类排放装置。在排放的过程中，必须用等量的发泡剂溶液连续地补充排放的混合物的体积，以保持储存室102的恒定压力。这可以通过将溶液室105连接到储存室102的输液管116将发泡剂溶液转送到溶液室105中来实现，溶液室105内发泡剂产生的蒸汽压通过此管将溶液进行输送的。在发泡步骤之后，随树脂一起排出的发泡剂溶液从发泡室104回收，它或者被专门设计的排放装置回收，在进入发泡步骤之前将溶液与树脂分离。
按照本发明，每个室可以比传统的浸渍室加入更多的树脂而不会引起上述的阻塞问题，因为在恒定的压力下，每个室中的树脂连续而渐进地转送到下一个室中。所以室的效率比传统的方法有明显的增大(2～3倍)。
与传统方法相比，发泡室的容积可大大减小，因为树脂颗粒是通过排放装置逐渐排出的，而不是象在传统方法中那样突然而迅速地排出。因为排放是逐渐进行的，发泡室可以在大气压下操作，这就降低了高压釜的制造成本。
包括冷却器和压缩机的发泡剂回收装置的容量也可以减小，因为在发泡步骤前的储存步骤就回收了全部过量的发泡剂，这是与传统方法相反的，在那里是从发泡后的发泡室中回收过量的发泡剂的。
(d)供应步骤
此步骤是任选实施的，为的是进一步提高聚烯烃泡沫塑料珠粒料的生产效率。这里，树脂供应到浸渍室同时维持在浸渍室的高压。
首先，将树脂供应到安装在浸渍室101下面的树脂供应室107中，在树脂供应室107中的全部气体空间都被来自水室106的水所取代。专门用输液管115连接水室106的较低部位和树脂供应室107，用输气管112连接水室106和树脂供应室107的较高部位，水室106中的水靠重力经输液管115转移到树脂供应室107中，同时树脂供应室107中的气体则经输气管112转移到水室106中或排放到大气中。在完成浸渍步骤并且在浸渍室101中的树脂颗粒被转移到储存室102中以后，在树脂供应室107中的树脂颗粒就转移到浸渍室101中。为了向高压的浸渍室供应树脂颗粒，管线112和115闭合，压力平衡管114和树脂转移管113打开，然后树脂颗粒靠其浮力转移到树脂浸渍室中。一旦树脂的转移完成，压力平衡管114和树脂转移管113闭合，同时打开输气管108，用泵将浸渍室101中的水经输液管117转移到溶液室105中，直到气体自由空间占到浸渍室容积的20～40％为止。在这以后，将预先确定量的发泡剂加入到浸渍室101中，重新开始浸渍步骤(a)。在这里可以在从树脂供应室107转移树脂之前实施从浸渍室101向溶液室105中转移水的方法。当在浸渍室101中进行浸渍步骤(a)时，树脂供应室107就减压到大气压并装入下一批树脂。在供应步骤可以任选地预热树脂颗粒。
作为结果，本发明提供的方法不仅通过提高设备的效率而且还通过缩短了加工时间而提高了生产率。
在传统方法中，包括树脂颗粒、水和发泡剂在内的所有材料都要在浸渍室中加热并排放到发泡室中，而且在完成发泡工艺后重新向浸渍室供应树脂颗粒、发泡剂和水以重新开始另一批。每批所需的时间是6～8hr，这些时间主要是向浸渍室供应水和树脂颗粒的时间、将水、树脂颗粒和发泡剂的混合物加热到预定温度的时间、将混合物排放到发泡室中的时间以及等待系统压力降低到进行下一批供应的时间。
与此相反，本发明把每个消耗时间的步骤分解到分立的各个室里，在每个室中同时和反复地进行每个步骤。因此，在每个室中所消耗的时间降低到低于2hr，生产率得到提高。
实施例
提供如下的实施例用来进一步说明本发明，并不对本发明的范围构成限制。
对照实施例1
使用图2所显示的设备，用传统的间歇法制造聚丙烯泡沫塑料珠粒料。浸渍室201和发泡室202的容积分别是1L和40L。使用的聚丙烯树脂的颗粒直径是3mm，熔点是164℃，使用丁烷作为发泡剂。
将50g树脂、560g水和50g丁烷加入到浸渍室201中并在200rpm下混合并加热到125℃。浸渍室201保持在125℃下30min，压力保持在27kg/cm2。然后经浸渍室201下面的球阀将浸渍室201中的所有物料都排放到发泡室202中，得到平均发泡率30倍的聚丙烯泡沫塑料珠粒料。排放后，发泡室202的压力和温度分别是2kg/cm2和60℃。随后，当发泡室202的压力降低到大气压时，关闭排放球阀，向浸渍室中加入同样量的树脂、水和丁烷，重新一个循环。每批需要6hr，泡沫塑料珠粒料的生产率相当于8.3g/hr。
实施例1
使用如图1所示的设备，用本发明的方法连续制造聚丙烯泡沫塑料珠粒料。浸渍室101、储存室102、溶液室105、发泡室104、树脂供应室107和水室106的容积分别都是1L(虽然浸渍室的容积和对照实施例1相同，但发泡室的容积仅是对照实施例的1/40)。为了使树脂容易排放，浸渍室101、储存室102和树脂供应室107的较高部位都做成圆锥形。
(a)浸渍步骤
将200g直径3mm的聚丙烯树脂颗粒、300g水和130g丁烷(发泡剂)加入到浸渍室101中并在200rpm下混合并加热到125℃。浸渍室101保持在125℃下和压力保持在27kg/cm2下30min，得到含丁烷的树脂颗粒。同时，在溶液室105中加入600g水和100g丁烷，并将其混合，得到丁烷饱和的水溶液，此饱和溶液在同样温度(125℃)下被保持在浸渍室101中。储存室102也用此饱和溶液充满，也保持在125℃。
(b)储存步骤
一旦完成了浸渍步骤，打开输气管108和输液管111，靠重力将饱和溶液从溶液室105转移到浸渍室101中，以取代浸渍室101较高部位的气体空间。在闭合输气管108和输液管111后，打开树脂转移管109和压力平衡管110，靠浮力让树脂颗粒转移到储存室102中。当所有树脂颗粒都转移到储存室102时，此时就闭合树脂转移管109和压力平衡管110。
(c)发泡步骤
使用了排放装置103，在一次操作其排放量是2cm3树脂颗粒和水的混合物，树脂颗粒被排放到低压发泡室，而从溶液室105来的饱和溶液经输液管116连续地供应到储存室102中，以保持储存室102的压力。
在发泡步骤进行时，浸渍步骤和储存步骤也如下所述分别进行，得到了平均发泡比大约30倍的聚丙烯泡沫塑料珠粒料。
对于下一批树脂，通过输液管117将浸渍室101中的溶解有丁烷的水转移到溶液室105中，在浸渍室101的压力降低到大气压以后，在浸渍室101中加入200g树脂。然后，用真空泵排空浸渍室101的空气，随后从溶液室105向浸渍室101中加入130g丁烷和300g饱和溶液。保持浸渍室101的温度和压力为125和27kg/cm2 30min，进行浸渍步骤(a)。在完成浸渍步骤(a)以后，用在储存步骤(b)中叙述的方法将含发泡剂的树脂颗粒转移到储存室102中。为了完成浸渍步骤(a)需要4hr，调节排放速度使发泡步骤(c)在4hr内完成。本发明连续方法的生产率相当于50g/h泡沫塑料珠粒料。得到的泡沫塑料珠粒料的平均发泡比为30倍。
与对照实施例1的传统方法(生产率8.3g/h)相反，本发明提供的实施例1的生产率比传统方法高6倍。
实施例2
使用与实施例1所述相同的方法，对第一批聚丙烯树脂进行浸渍步骤(a)、储存步骤(b)和发泡步骤(c)。对第二批树脂进行供应步骤(d)。第二批树脂从树脂供应室107供应到浸渍室101中，在浸渍室101中保持高压。下面详细叙述供应步骤。
(d)供应步骤
在树脂供应室107中加入200g的同样聚丙烯树脂，通过输液管115将在水室106中的保持80℃的水转移到树脂供应室107中，同时将树脂供应室107较高部位空间的空气排放到外面。在完成将前一批浸渍室101中的树脂转移到储存室102中以后，打开树脂转移管113和平衡管将树脂供应室107中保持在80℃的树脂被浮力转移到浸渍室101中。
一旦所有的树脂都被转移到浸渍室101中，就将在浸渍室101中的500g溶解有丁烷(发泡剂)的水转移到溶液室105中，如实施例1所示在浸渍室101中加入130g丁烷后重新进行浸渍步骤(a)。
用刚在上面叙述的方法，在树脂供应室107中加入下一批聚丙烯树脂，分别进行供应步骤(d)、浸渍步骤(a)、储存步骤(b)和发泡步骤(c)，得到平均发泡率大约30倍的聚丙烯泡沫塑料珠粒料。对每批浸渍步骤所花费的时间是大约2hr，生产率相当于100g/h聚丙烯泡沫塑料珠粒料。
与对照实施例1(生产率是8.3g/hr)的传统方法相反，本发明提供的实施例2的生产率是传统方法的12倍。
实施例3
使用与实施例2相同的设备，从直径2mm，熔点132℃的聚乙烯树脂颗粒制造聚乙烯泡沫塑料珠粒料。
对于第一批，在树脂供应室107中加入200g聚乙烯树脂，用在水室106中保持在70℃的水取代树脂供应室107中的空气。然后把树脂转移到装有300g 90℃的饱和了丙烷的水的浸渍室101中。再以后，在浸渍室101中加入110g丙烷，将混合物加热到95℃，并在此温度下保持30min。压力升到41kg/cm2。在浸渍步骤以后，通过储存步骤(b)和随后的发泡步骤(c)处理含发泡剂的树脂颗粒，得到聚乙烯泡沫塑料珠粒料。储存室102和溶液室105的温度和压力保持和浸渍室101相同。当第一批在发泡步骤(c)时，将第二批树脂加入到树脂供应室107中。以后顺序和连续地进行供应步骤(d)、浸渍步骤(a)、储存步骤(b)和发泡步骤(c)进行加工，得到平均发泡率大约30倍的聚乙烯泡沫塑料珠粒料。在此，每批的浸渍步骤消耗2hr，生产率相当于100g/h聚乙烯泡沫塑料珠粒料。
实施例4
使用直径2mm，熔点147℃的乙烯-丙烯共聚物树脂、戊烷(发泡剂)和与实施例2相同的设备制造乙烯-丙烯共聚物泡沫塑料珠粒料。
对于每-批，在树脂供应室107中加入200g树脂颗粒，而在浸渍室101中加入145g戊烷。水室106的温度保持在80℃，浸渍室101保持115℃和10kg/cm2，储存室102和溶液室105的温度和压力保持与浸渍室101相同。每批浸渍步骤消耗大约2hr，生产率相当于100g/h泡沫塑料珠粒料，平均发泡率大约30倍。
实施例5
使用直径2mm，熔点135℃的乙烯-丙烯-丁二烯共聚物树脂、丁烷(发泡剂)和与实施例2相同的设备制造乙烯-丙烯-丁二烯共聚物泡沫塑料珠粒料。
对于每一批，在树脂供应室107中加入200g树脂颗粒，而在浸渍室101中加入130g丁烷。水室106的温度保持在80℃，浸渍室101保持110℃，储存室102和溶液室105的温度和压力保持与浸渍室101相同。每批浸渍步骤消耗大约2hr，生产率相当于100g/h泡沫塑料珠粒料，平均发泡率大约30倍。
实施例6
使用直径2mm，熔点125℃的乙烯-丙烯-1-丁烯共聚物树脂、戊烷(发泡剂)和与实施例2相同的设备制造乙烯-丙烯-1-丁烯共聚物泡沫塑料珠粒料。
对于每一批，在树脂供应室107中加入200g树脂，而在浸渍室101中加入145g戊烷。在浸渍步骤(a)，水室106的温度保持在80℃，浸渍室101保持110℃，储存室102和溶液室105的温度和压力保持与浸渍室101相同。每批浸渍步骤消耗大约2hr，生产率相当于100g/h泡沫塑料珠粒料，平均发泡率大约30倍。
实施例7
使用直径2mm，熔点132℃的乙烯-丙烯共聚物树脂、二氧化碳(发泡剂)和与实施例2相同的设备制造乙烯-丙烯共聚物泡沫塑料珠粒料。
对于每一批，在树脂供应室107中加入200g树脂，而在浸渍室101中加入二氧化碳，直至内压达到40kg/cm2。在浸渍步骤(a)，室106的温度保持在80℃，浸渍室101保持130℃和40kg/cm2。储存室102和溶液室105的温度和压力保持与浸渍室101相同。每批浸渍步骤消耗大约2hr，生产率相当于100g/h泡沫塑料珠粒料，平均发泡率大约15倍。
如在上面的各个实施例中所述，使用本发明提供的方法可以连续地得到与传统方法制造的同样的聚烯烃泡沫塑料珠粒料，当进行供应步骤(d)时，生产率比传统方法高大约12倍，而当本发明方法不使用供应步骤(d)时，比传统方法高大约6倍。
虽然参照其特定的实施例具体显示和叙述了本发明，先有技术的专业人员应该理解，只要不偏离后面权利要求所界定的精神和范围，可以在形式和细节上进行各种改变。