用于解交聯(lián)和脫硫的具有超聲變幅桿的單螺桿和雙螺桿擠出的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供用于使交聯(lián)塑料解交聯(lián)并且使硫化橡膠脫硫的工藝，所述工藝包括將此類材料推進通過單螺桿或雙螺桿擠出機，所述單螺桿或雙螺桿擠出機包括特殊超聲處理區(qū)域，其中無螺紋的單個軸(單螺桿)或多個軸(雙螺桿)在超聲變幅桿下方旋轉(zhuǎn)，所述超聲變幅桿具有遠端，所述遠端與所述一個或多個軸對準并且它的形狀與所述軸互補。特殊的弧形(單螺桿)或雙弧形超聲處理流動路徑將所述材料限于在所述變幅桿下方流動，此處所述材料經(jīng)受超聲波以便在交聯(lián)塑料的情況下使所述材料解交聯(lián)，或在硫化橡膠的情況下使所述材料脫硫，并且離開模頭的擠出物呈連續(xù)流或繩索形式，而這種形式是全新塑料或橡膠所特有的。
【專利說明】用于解交聯(lián)和脫硫的具有超聲變幅桿的單螺桿和雙螺桿擠出機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及具有超聲變幅桿的擠出機。更具體地說，本發(fā)明涉及單螺桿和雙螺桿擠出機，其具有與擠出機的機筒連通的超聲變幅桿。本發(fā)明還涉及使用這些單螺桿和雙螺桿擠出機來使交聯(lián)塑料解交聯(lián)和使硫化橡膠脫硫的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人類在21世紀所面臨的許多環(huán)境問題之一是環(huán)境可持續(xù)性和管理所產(chǎn)生的大量聚合物廢料的問題。在各種聚合物廢料之中，管理舊輪胎和橡膠廢料以及交聯(lián)塑料是需要一個有效解決方案的主要環(huán)境問題。本發(fā)明特別針對于產(chǎn)生新的環(huán)保超聲單螺桿和雙螺桿擠出設(shè)備和工藝，其用于回收舊輪胎和橡膠廢料以及交聯(lián)塑料。已進行了廣泛研究以了解使用單螺桿擠出機工藝來使橡膠脫硫的工藝和機制以及模型的各種參數(shù)。這一研究最終在科學(xué)期刊和書籍中發(fā)布許多專利和多個科學(xué)出版物。由于存在這些成功的努力，因此在單螺桿擠出工藝中運用大功率超聲來使橡膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分解開以便進行回收是在世界各地確立的研究領(lǐng)域。雖然這一研究課題已經(jīng)存在，但是設(shè)備和工藝仍然可受益于額外的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，如本文公開的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展。
[0003]值得注意的是，關(guān)于將超聲并入雙螺桿擠出機工藝中，已教導(dǎo)了將超聲變幅桿放置于擠出機模頭的出口處，如在美國專利號5，284，625中所教導(dǎo)。關(guān)于將超聲并入單螺桿擠出機工藝中，已將超聲變幅桿放置于擠出機模頭的出口處，如在前述U.S.5，284，625中。超聲變幅桿還已經(jīng)被放置于單螺桿擠出機的機筒內(nèi)，如在美國專利號6，095，440中，其教導(dǎo)在機筒中提供特殊螺旋通道并且將變幅桿的遠端放置于此螺旋通道中。變幅桿具有正方形橫截面，并且具有在其遠端處所界定的弧形通道，所述通道從正方形的一個隅角延伸至相對隅角。這被認為是一種不當?shù)淖兎鶙U設(shè)計，但又是允許變幅桿與特殊螺旋通道連通所需要的。這些專利教導(dǎo)在這些擠出機中使橡膠脫硫。
[0004]另外其它的單螺桿擠出機已經(jīng)得到改良來將超聲變幅桿包含在模頭內(nèi)，如在歐洲專利申請?zhí)?645381中，所述申請教導(dǎo)使用這類擠出機以便在模制樹脂材料過程中改善性質(zhì)。美國專利申請?zhí)?009/0275689也教導(dǎo)了將超聲變幅桿放置于機筒處，但是用于將材料分散在聚合物中。
[0005]本發(fā)明致力于通過在單螺桿和雙螺桿擠出機中使硫化橡膠脫硫和使交聯(lián)塑料解交聯(lián)來使塑料和橡膠再生，其中一個或多個超聲變幅桿放置于單螺桿和雙螺桿擠出機的機筒處，并且在變幅桿處提供特定流動路徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明涉及利用單螺桿和雙螺桿擠出來使交聯(lián)塑料有效地解交聯(lián)以及使輪胎和其它硫化橡膠有效地脫硫的工藝。這些工藝所包括的單螺桿或雙螺桿擠出機具有放置于機筒區(qū)段中的一個或多個超聲水冷變幅桿，其中超聲波在饋給區(qū)段之后的區(qū)域中施加。這個特殊超聲處理區(qū)域由流線型弧形超聲處理流動路徑組成，粉狀交聯(lián)塑料或硫化橡膠穿過所述路徑，弧形處理流動路徑部分地由具有選定深度和長度的間隙來界定。在單螺桿擠出機中，這個間隙位于旋轉(zhuǎn)軸與特別配置的超聲變幅桿的遠端之間，并且類似地，在雙螺桿擠出機中，這個間隙位于兩個旋轉(zhuǎn)圓柱形軸與特別配置的超聲變幅桿的遠端之間。在每種情況下，變幅桿的尖端經(jīng)過成形使得它具有圓柱形弧形表面(單)或圓柱形雙弧形表面(雙)，所述表面大致上平行于所述一個或多個旋轉(zhuǎn)軸的表面。進行特別布置以防止材料從所述一個或多個軸與變幅桿之間的間隙中流出。
[0007]硫化橡膠或交聯(lián)塑料粉末由饋給器以受控流動速率在擠出機的饋給區(qū)段處饋給。通過一個或多個螺桿的旋轉(zhuǎn)動作，將粉末輸送至超聲處理區(qū)域。在變幅桿尖端下方經(jīng)過期間，粉末得以脫硫或解交聯(lián)，變得如典型的未硫化橡膠或解交聯(lián)塑料般具有流動性，并且被推向位于擠出機末端的模頭。出乎意料地觀察到，在一些處理條件下，離開模頭的塑料或橡膠呈連續(xù)繩索形式，并非呈松散且破碎的擠出物形式。所述一個或多個超聲變幅桿的溫度受從恒溫器輸送至變幅桿中所提供的冷卻通道的水或其它類型的冷卻介質(zhì)的控制。超聲波的頻率和振幅可變化。在超聲處理區(qū)域與模頭之間的區(qū)段中，如果由于過度溫度上升而需要的話，對脫硫橡膠或解交聯(lián)塑料加以冷卻，并且使其經(jīng)受進一步塑化作用。使用本文中的設(shè)備和工藝獲得的超聲脫硫橡膠或解交聯(lián)塑料可與所需固化劑混合并且成形為合意產(chǎn)品，并且加以再硫化或再交聯(lián)。
[0008]這些工藝中所使用的雙螺桿擠出機可為模塊化共旋轉(zhuǎn)或反旋轉(zhuǎn)擠出機。雙螺桿擠出機提供對溫度、旋轉(zhuǎn)速度和流動速率的精確控制，尤其是在精細粉末的情況下，并且這種控制不容易通過單螺桿擠出工藝來實現(xiàn)。具體來說，與單螺桿擠出機相比，雙螺桿擠出機更容易接收精細粉末材料(塑料和橡膠)，而單螺桿擠出機受到精細粉末堵塞饋給區(qū)域并且難以饋給至單螺桿的影響。另外，雙螺桿工藝的另一個優(yōu)勢是它在較低壓力和較低超聲功率消耗下進行操作。超聲雙螺桿擠出機的額外優(yōu)勢是它具有蛤殼式機筒，其易于通過打開機筒來清洗。當然，與迄今為止在本領(lǐng)域中已知的超聲單螺桿擠出脫硫工藝相比，新穎的超聲雙螺桿擠出脫硫工藝更有效。另外，與超聲單螺桿擠出脫硫工藝相比，所發(fā)現(xiàn)的工藝提供更均勻的脫硫橡膠。
[0009]在一個實施方案中，本發(fā)明提供一種用于使交聯(lián)塑料解交聯(lián)或使硫化橡膠脫硫的工藝，其包括以下步驟:將交聯(lián)塑料或硫化橡膠饋給至在機筒中具有螺桿的螺桿擠出機，所述螺桿具有軸線；通過所述螺桿的旋轉(zhuǎn)將所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠推進至所述機筒中的超聲處理區(qū)域，所述超聲處理區(qū)域包括:本體，所述本體具有在其中穿過的圓柱形孔，所述圓柱形孔界定孔軸線，所述本體還具有與所述圓柱形孔連通的變幅桿通路；圓柱形軸，所述圓柱形軸與所述螺桿締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，所述軸在所述本體的所述孔中旋轉(zhuǎn)并且不提供螺紋，這樣使得所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠并非通過所述軸的旋轉(zhuǎn)來推進，而實際上通過所述螺桿的旋轉(zhuǎn)來推進，從而迫使所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠進入所述超聲處理區(qū)域；以及超聲變幅桿，所述超聲變幅桿延伸至所述變幅桿通路中，所述超聲變幅桿在所述圓柱形軸上方對準并且具有與所述圓柱形軸間隔開的遠端，所述遠端的形狀與所述軸互補，從而界定弧形超聲處理流動路徑的一部分；以及將所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠推進通過所述弧形超聲處理流動路徑；在所述弧形超聲處理流動路徑處通過由所述超聲變幅桿產(chǎn)生的超聲波對所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠進行超聲處理。[0010]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0009]的工藝，其中本體中的圓柱形孔沒有通道。
[0011]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0009]或[0010]的工藝，其中超聲變幅桿的遠端具有長方形橫截面，這樣使得在所述將所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠推進通過所述弧形超聲處理流動路徑的步驟中被推進通過弧形超聲處理流動路徑的一定體積的交聯(lián)塑料或硫化橡膠在超聲處理區(qū)域中經(jīng)歷更均勻的平均停留時間。
[0012]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0009]至[0011]中任一段落的工藝，其中超聲處理區(qū)域進一步包括固定插入物，所述插入物在本體的孔內(nèi)部分地圍繞軸延伸，所述弧形超聲處理流動路徑在所述軸、固定插入物、超聲變幅桿的遠端和變幅桿通路之間予以界定。
[0013]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0009]至[0012]中任一段落的工藝，其中超聲波的頻率為15kHz至IOOOkHz。
[0014]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0009]至[0013]中任一段落的工藝，其中超聲波的振幅為2微米至100微米。
[0015]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0009]至[0014]中任一段落的工藝，其中交聯(lián)塑料或硫化橡膠在弧形超聲處理流動路徑中的停留時間小于60秒。
[0016]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0009]至[0015]中任一段落的工藝，其中交聯(lián)塑料或硫化橡膠在弧形超聲處理流動路徑中的停留時間小于5秒。
[0017]本發(fā)明的另一個實施方案提供一種用于使交聯(lián)塑料解交聯(lián)或使硫化橡膠脫硫的工藝，其包括以下步驟:將交聯(lián)塑料或硫化橡膠饋給至在機筒中具有第一螺桿和第二螺桿的雙螺桿擠出機，所述第一螺桿具有第一軸線并且所述第二螺桿具有第二軸線；通過所述第一螺桿和所述第二螺桿的旋轉(zhuǎn)將所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠推進至所述機筒中的超聲處理區(qū)域，所述超聲處理區(qū)域包括:本體，其包括:穿過所述本體的第一孔，所述第一孔具有孔軸線，所述孔軸線與所述第一螺桿的軸線同軸；穿過所述本體的第二孔，所述第二孔具有孔軸線，所述孔軸線與所述第二螺桿的軸線同軸，所述第一孔和第二孔重疊，從而產(chǎn)生雙孔；變幅桿通路，所述變幅桿通路與所述雙孔的所述第一孔和所述第二孔連通；第一圓柱形軸，所述第一圓柱形軸與所述第一螺桿締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，所述第一圓柱形軸在所述本體的第一孔中旋轉(zhuǎn)并且不提供螺紋，這樣使得所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠并非通過所述第一圓柱形軸的旋轉(zhuǎn)來推進，而實際上通過所述第一螺桿和第二螺桿的旋轉(zhuǎn)來推進，從而迫使所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠進入所述超聲處理區(qū)域；第二圓柱形軸，所述第二圓柱形軸與所述第二螺桿締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，所述第二圓柱形軸在所述本體的所述第二孔中旋轉(zhuǎn)并且不提供螺紋，這樣使得所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠并非通過所述第二圓柱形軸的旋轉(zhuǎn)來推進，而實際上通過所述第一螺桿和第二螺桿的旋轉(zhuǎn)來推進，從而迫使所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠進入所述超聲處理區(qū)域，所述第一圓柱形軸與第二圓柱形軸彼此接觸；超聲變幅桿，所述超聲變幅桿延伸至所述變幅桿通路中，所述超聲變幅桿在所述第一軸和第二軸上方對準并且具有與所述第一軸和所述第二軸間隔開的遠端，所述遠端的形狀與所述第一軸和所述第二圓柱形軸互補，從而界定雙弧形超聲處理流動路徑的一部分；將所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠推進通過所述雙弧形超聲處理流動路徑；以及在所述雙弧形超聲處理流動路徑處通過由所述超聲變幅桿產(chǎn)生的超聲波對所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠進行超聲處理。[0018]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0017]的工藝，其中本體中的第一孔和第二孔沒有通道。
[0019]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0017]或[0018]的工藝，其中超聲變幅桿的遠端具有長方形橫截面，這樣使得在所述將所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠推進通過所述雙弧形超聲處理流動路徑的步驟中被推進通過雙弧形超聲處理流動路徑的一定體積的交聯(lián)塑料或硫化橡膠經(jīng)歷更均勻的超聲處理時間分布。
[0020]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0017]至[0019]中任一段落的工藝，其中超聲處理區(qū)域進一步包括一個或多個固定插入物，其在本體的第一孔內(nèi)部分地圍繞第一軸延伸且在第二孔內(nèi)部分地圍繞第二軸延伸，所述雙弧形超聲處理流動路徑在第一軸、第二軸、一個或多個固定插入物中的至少一個固定插入物、超聲變幅桿的遠端和變幅桿通路之間予以界定。
[0021]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0017]至[0020]中任一段落的工藝，其中超聲波的頻率為15kHz至IOOOkHz。
[0022]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0017]至[0021]中任一段落的工藝，其中超聲波的振幅為2微米至100微米。
[0023]在其它實施方案中，本發(fā)明提供段落[0017]至[0022]中任一段落的工藝，其中交聯(lián)塑料或硫化橡膠在弧形超聲處理流動路徑中的停留時間小于5秒。
[0024]本發(fā)明還提供一種在機筒中具有螺桿的單螺桿擠出機，所述螺桿具有軸線，所述單螺桿擠出機的特征在于它在所述機筒中包括超聲處理區(qū)域，所述超聲處理區(qū)域包括:本體，所述本體具有在其中穿過的圓柱形孔，所述圓柱形孔界定孔軸線，所述本體還具有與所述圓柱形孔連通的變幅桿通路；圓柱形軸，所述圓柱形軸與螺桿締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，所述軸在所述本體的孔中旋轉(zhuǎn)并且不提供螺紋；以及超聲變幅桿，所述超聲變幅桿延伸至所述變幅桿通路中，所述超聲變幅桿在所述圓柱形軸上方對準并且具有與所述圓柱形軸間隔開的遠端，所述遠端的形狀與所述軸互補，從而界定弧形超聲處理流動路徑的一部分。
[0025]在又一個實施方案中，本發(fā)明提供一種在機筒中具有第一螺桿和第二螺桿的雙螺桿擠出機，所述第一螺桿具有第一軸線并且所述第二螺桿具有第二軸線，所述雙螺桿擠出機的特征在于它在所述機筒中包括超聲處理區(qū)域，所述超聲處理區(qū)域包括:本體，其包括:穿過所述本體的第一孔，所述第一孔具有孔軸線，所述孔軸線與所述第一螺桿的軸線同軸；穿過所述本體的第二孔，所述第二孔具有孔軸線，所述孔軸線與所述第二螺桿的軸線同軸，所述第一孔和第二孔重疊，從而產(chǎn)生雙孔；以及變幅桿通路，所述變幅桿通路與所述雙孔的所述第一孔和所述第二孔連通；第一圓柱形軸，所述第一圓柱形軸與所述第一螺桿締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，所述第一圓柱形軸在所述本體的第一孔中旋轉(zhuǎn)并且不提供螺紋；第二圓柱形軸，所述第二圓柱形軸與所述第二螺桿締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，所述第二圓柱形軸在所述本體的第二孔中旋轉(zhuǎn)并且不提供螺紋，所述第一圓柱形軸與第二圓柱形軸彼此接觸；以及超聲變幅桿，所述超聲變幅桿延伸至所述變幅桿通路中，所述超聲變幅桿在所述第一軸和第二軸上方對準并且具有與所述第一軸和所述第二軸間隔開的遠端，所述遠端的形狀與所述第一圓柱形軸和所述第二圓柱形軸互補，從而界定雙弧形超聲處理流動路徑的一部分?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0026]圖1是根據(jù)本發(fā)明的單螺桿擠出機的示意性側(cè)面立視圖；
[0027]圖2是沿著線2— 2截取的圖1的單螺桿擠出機的超聲處理區(qū)域的橫截面視圖；
[0028]圖3是根據(jù)本發(fā)明的雙螺桿擠出機的示意性側(cè)面立視圖；并且
[0029]圖4是沿著線4一4截取的圖3的雙螺桿擠出機的超聲處理區(qū)域的橫截面視圖；
[0030]圖5是本文使用的超聲變幅桿的一般側(cè)面立視圖，其顯示冷卻通道；
[0031]圖6是根據(jù)本文的一個實施例的由解交聯(lián)的LDPE薄膜制成的模制物的應(yīng)力-應(yīng)變行為的曲線圖；
[0032]圖7提供(a)通過過氧化物來交聯(lián)的粉狀LDPE薄膜、(b)由根據(jù)本發(fā)明的單螺桿擠出機獲得的解交聯(lián)LDPE顆粒和(c)由圖7(b)的顆粒制成的模制解交聯(lián)LDPE平板的照片;
[0033]圖8提供經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明的雙螺桿擠出機處理的200網(wǎng)目研磨完整輪胎橡膠的照片，其顯示呈粉狀形式的初始硫化橡膠和經(jīng)過處理的橡膠，即脫硫橡膠，它經(jīng)過擠出并且重制成平板；
[0034]圖9提供經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明的雙螺桿擠出機處理的40網(wǎng)目研磨完整輪胎橡膠的照片，其顯示呈粉狀形式的初始硫化橡膠和經(jīng)過處理的橡膠，即脫硫橡膠，它經(jīng)過擠出并且重制成平板；并且
[0035]圖10是由全新交聯(lián)HDPE (虛線)和解交聯(lián)HDPE (實線)制成的模制物的應(yīng)力-應(yīng)變行為的曲線圖。
【具體實施方式】
[0036]現(xiàn)在參看圖1，根據(jù)本發(fā)明的單螺桿擠出機得以展示并且由數(shù)字10來標示。這種單螺桿擠出機10用于使交聯(lián)塑料解交聯(lián)并且使橡膠脫硫。如已知的，單螺桿擠出機10包括用于將材料饋給至機筒14的料斗12，所述機筒包括單螺桿16，所述單螺桿由主要驅(qū)動組件18旋轉(zhuǎn)驅(qū)動以便借助于螺紋20將材料朝向模頭22推進。本發(fā)明通過提供超聲處理區(qū)域24來推動技術(shù)進步，被推進通過單螺桿擠出機10的交聯(lián)塑料或硫化橡膠在所述區(qū)域中用超聲來處理，從而得以解交聯(lián)或脫硫。如已知的，擠出機10可具有多個區(qū)域，每個區(qū)域保持于所需溫度下。本發(fā)明尤其針對于超聲處理區(qū)域24。
[0037]雖然展示了單螺桿16，但是應(yīng)認識到其它結(jié)構(gòu)可用于機筒14中，例如UCC混合器、熔體星形混合器等。在超聲處理區(qū)域24之后，塑化區(qū)段26可用于進一步剪切解交聯(lián)的塑料并且對其進行塑化以便經(jīng)由模頭22來擠出。雖然并非必需的，但是擠出機10在塑化區(qū)段26中展示熔體星形混合器28以便直觀地展示擠出機的混合元件的選擇方案。擠出機的一般用途是已知的，并且本發(fā)明尤其針對于新穎超聲處理區(qū)域24，其較具體地參照圖2的橫截面來公開。
[0038]參照圖2，可以看出超聲處理區(qū)域24包括本體30，所述本體具有孔32，所述孔延伸穿過所述本體并且界定孔軸線34。本體30還包括變幅桿通路36，其延伸穿過本體以便與孔32連通。圓柱形軸38駐留于孔32中，并且在具體實施方案中與其同軸，即在一些實施方案中，軸38的軸線位于孔軸線34上。圓柱形軸38與螺桿16締合(通過與其一起形成或銷接于其上)以便與螺桿16 —起旋轉(zhuǎn)以使得圓柱形軸38在本體30的孔32中旋轉(zhuǎn)。值得注意的是，超聲處理區(qū)域24內(nèi)的圓柱形軸38不包括螺紋，這樣使得材料(即，交聯(lián)塑料或硫化橡膠)并非通過軸本身的旋轉(zhuǎn)來推進，而實際上通過螺桿16和其螺紋20的旋轉(zhuǎn)來推進，從而迫使材料進入并且穿過超聲處理區(qū)域24。然而，無螺紋的軸38對材料進行剪切。應(yīng)當指出的是孔32的內(nèi)表面沒有通道。
[0039]在圖2所展示的這個具體實施方案中，圓柱形軸38在固定插入物40內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所述固定插入物在孔32的內(nèi)表面與圓柱形軸38的外部之間部分地圍繞圓柱形軸38延伸。孔32被展示為圓柱形的，但是不一定是圓柱形的，尤其在使用固定插入物40時。然而，應(yīng)認識至IJ，本體30可被成形為與圓柱形軸38緊密接合，這樣使得不需要固定插入物40。固定插入物40還可用多個片段來提供以便有助于組裝。
[0040]超聲變幅桿42延伸至變幅桿通路36中并且在圓柱形軸38上方對準。參照圖1，可以看出電源44和轉(zhuǎn)換器46提供超聲頻率范圍內(nèi)的振動能量以使得變幅桿42在超聲處理區(qū)域處輸送超聲能量。超聲變幅桿42包括遠端48，所述遠端與圓柱形軸38間隔開，并且它的形狀與其互補，如在弧形部分52處，以便界定弧形超聲處理流動路徑50的一部分。應(yīng)認識到，“形狀互補”是指遠端48的曲率與軸的曲率極其相似，但并未特別要求相同曲率。在一些實施方案中，遠端48的曲率將與軸38的曲率相同，這樣使得變幅桿42的遠端48可直接緊密安裝于圓柱形軸38的頂部，從而在其之間不提供間隙(雖然間隙對于操作擠出機是必需的)。然而，曲率的變化是允許的，因為目的是在變幅桿42正下方提供弧形超聲處理流動路徑50，這就要求材料經(jīng)由較小間隙在變幅桿下方經(jīng)過，這樣使得全部材料物質(zhì)得以超聲處理。在所展示的具體實施方案中，應(yīng)認識到弧形超聲處理流動路徑50在圓柱形軸38、固定插入物40、超聲變幅桿42的遠端48和變幅桿通路36之間予以界定。此外,在遠端48包括弧形部分52的同時，它還可包括從弧形部分52側(cè)向延伸的平面底腳53、54。
[0041]變幅桿42可移動得更接近以及更遠離圓柱形軸38，如雙箭頭Al表示。變幅桿42移動超過適當?shù)拿芊饧?3，所述密封件用來阻止材料在變幅桿42與變幅桿通路36的壁之間流動。在一個實施方案中，密封件43是安裝于變幅桿通路36中的凹槽內(nèi)的高溫石墨填充聚酰亞胺。通過移動變幅桿42遠離圓柱形軸38，在變幅桿42的弧形部分52的頂點與圓柱形軸38的頂點之間界定間隙gl。在遠端48的弧形部分52與圓柱形軸38的曲率相同的實施方案中，此間隙gl將沿著軸38的圓周保持不變，但是應(yīng)認識到在弧形部分52不相同的實施方案中，間隙將稍微變化。在底腳53、54處存在間隙時，這種間隙將是相似的，但是不一定與頂點處的間隙gl相同。在具體實施方案中，間隙gl將在0.1毫米(mm)至15mm的范圍內(nèi)。在其它實施方案中，間隙gl將在0.2_至IOmm的范圍內(nèi)，在其它實施方案中為
0.5mm至5mm,并且在其它實施方案中為Imm至3mm。同樣，間隙可沿著軸38的圓周變化,但是在所有位置處應(yīng)保持小于15mm，并且在其它實施方案中小于10mm，在其它實施方案中小于5_，在其它實施方案中小于3_，并且在其它實施方案中小于2_。間隙還應(yīng)在所有位置處保持大于0.1mm,并且在其它實施方案中大于0.2mm,在其它實施方案中大于Imm,并且在其它實施方案中大于2_。
[0042]材料由螺桿16以一定饋給速率推進以使得在變幅桿42下方的停留時間，即在弧形超聲流動路徑50處的停留時間為I秒至60秒。在其它實施方案中，停留時間小于60秒，在其它實施方案中小于30秒,在其它實施方案中小于15秒,在其它實施方案中小于10秒，在其它實施方案中小于5秒,在其它實施方案中小于2秒,在其它實施方案中小于I秒。[0043]超聲變幅桿42優(yōu)選地以15kHz至IOOOkHz的頻率來操作。在其它實施方案中，變幅桿42優(yōu)選地在20kHz至IOOkHz下操作，在其它實施方案中為20kHz至50kHz，并且在其它實施方案中為20kHz至40kHz。超聲變幅桿42優(yōu)選地以2微米至50微米的振幅來操作。在其它實施方案中，變幅桿42優(yōu)選地以5微米至30微米的振幅來操作，在其它實施方案中為5微米至20微米。
[0044]參照圖5，變幅桿42優(yōu)選地為水冷的。為了冷卻變幅桿42，在變幅桿42中形成內(nèi)部腔室45，并且提供將水饋給至腔室45的入口管47，同時提供接收離開腔室45的水流的出口管49。腔室45位于中心并且沿著變幅桿42的高度的主要部分延伸，從而允許水沿著高度循環(huán)并且提供有效冷卻。值得注意的是，在優(yōu)選實施方案中，入口 47和出口 49定位于變幅桿的波節(jié)點處，即在超聲波的振幅為零之處，以便降低損壞入口和出口的機會。水可在任何合適溫度下饋給以便減少變幅桿42的熱量。典型地，水可在10°C至90°C的范圍內(nèi)。
[0045]應(yīng)認識到，假如變幅桿42是圓柱形的，那么對于任何給定體積的材料來說，流經(jīng)弧形超聲處理流動路徑50的材料在變幅桿42下方的停留時間可能顯著地有所不同。具體來說，如果變幅桿42是圓柱形的，那么它將在其中心處具有最大寬度(相對于材料的流動方向)，并且在考察從中心向右側(cè)或左側(cè)移動的位置時，那個寬度將沿著流動方向而減小(相對于圖2的橫截面)。在變幅桿的最寬部分下方經(jīng)過的材料將具有較長的超聲處理時間(即，在變幅桿下方的較長停留時間)。因此，在具體實施方案中，所產(chǎn)生的變幅桿42具有長方形橫截面，這樣使得被推進通過弧形超聲處理流動路徑50的一定體積的材料經(jīng)歷更均勻的超聲處理時間分布。應(yīng)進一步指出，弧形部分52從長方形變幅桿的一個側(cè)壁延伸至相對側(cè)壁，這與美國專利號6，095，440的螺旋弧形部分形成對照，所述螺旋弧形部分從一個隅角點延伸至相對隅角。本發(fā)明變幅桿的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固，尤其在包括底腳53、54時更是如此。
[0046]應(yīng)當指出的是，雖然本發(fā)明附圖在超聲處理區(qū)域24處展示一個變幅桿42，但是可使用多個變幅桿。舉例來說，在一些實施方案中，針對進入向下延伸穿過本體30的變幅桿通路36的變幅桿42所示的一般結(jié)構(gòu)可被復(fù)制用于進入向上延伸穿過本體或甚至從左側(cè)或右側(cè)延伸穿過本體的變幅桿通路的第二變幅桿。另外，可沿著機筒14的長度來安置一個以上超聲處理區(qū)域24。
[0047]從超聲處理區(qū)域24開始，不包括螺紋的圓柱形軸38緊固至螺紋軸或以其它方式與螺紋軸締合，如在60處(圖1)。被強制離開超聲處理區(qū)域24的解交聯(lián)塑料或脫硫橡膠由此被推進至模頭22，如果在所述模頭處根據(jù)本文闡明的參數(shù)來適當?shù)靥幚?，那么所述材料將形成連續(xù)繩索擠出物，與全新塑料或橡膠材料非常相似。如已經(jīng)提到的，擠出機10可包括多個混合區(qū)段，如在數(shù)字28處表示的熔體星形混合器。
[0048]使用以上公開的結(jié)構(gòu)，用于使交聯(lián)塑料解交聯(lián)并且使硫化橡膠脫硫的工藝包括將交聯(lián)塑料或硫化橡膠(本文統(tǒng)稱為“材料”)饋給至在機筒14中具有螺桿16的螺桿擠出機10。通過螺桿16的旋轉(zhuǎn)來將材料推進至機筒14中的超聲處理區(qū)域24。超聲處理區(qū)域包括本體30，所述本體具有孔32，所述孔在所述本體中穿過并且界定孔軸線。本體30還具有與孔32連通的變幅桿通路36。圓柱形軸38與螺桿16締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，并且在本體30的孔32中旋轉(zhuǎn)。所述軸不提供螺紋，這樣使得材料并非通過軸38的旋轉(zhuǎn)來推進，而實際上通過螺桿16的旋轉(zhuǎn)來推進，從而迫使材料進入超聲處理區(qū)域24。超聲變幅桿42延伸至變幅桿通路36中并且在圓柱形軸38上方對準。超聲變幅桿42具有與圓柱形軸38間隔開的遠端48，所述遠端48的形狀與軸38互補，以便界定弧形超聲處理流動路徑50的一部分。
[0049]材料被推進通過弧形超聲處理流動路徑50，并且在弧形超聲處理流動路徑50處通過由超聲變幅桿42產(chǎn)生的超聲波來進行超聲處理。所述處理遵循本文公開的停留時間、頻率和振幅。結(jié)果是交聯(lián)塑料得以解交聯(lián)或硫化橡膠得以脫硫。
[0050]現(xiàn)在參看圖3，根據(jù)本發(fā)明的雙螺桿擠出機得以展示并且由數(shù)字110來標示。這種雙螺桿擠出機10在某種程度上類似于圖1和圖2的單螺桿擠出機10，雖然其在超聲處理區(qū)域124處的結(jié)構(gòu)由于存在兩個軸138a、138b而更復(fù)雜一些。由于存在類似性，因此相同的部件接收相同的數(shù)字但是增加100。雙螺桿擠出機110用于使交聯(lián)塑料解交聯(lián)并且使硫化橡膠脫硫。如已知的，雙螺桿擠出機110包括用于將材料饋給至機筒114的料斗112，如已知的，所述機筒包括兩個配合螺桿，雖然僅一個螺桿116在圖3的側(cè)視圖中是可見的。雖然可使用兩個連續(xù)螺桿，但是應(yīng)認識到通常使用具有模塊化雙螺桿元件的雙螺桿擠出機。本文著眼于超聲處理區(qū)域124。螺桿由主要驅(qū)動組件118旋轉(zhuǎn)驅(qū)動以便借助于螺紋120將材料朝向模頭122推進。本發(fā)明通過提供超聲處理區(qū)域124來推動技術(shù)進步，被推進通過雙螺桿擠出機110的硫化橡膠或交聯(lián)塑料在所述區(qū)域中用超聲來處理，從而得以脫硫(橡膠)或解交聯(lián)(塑料)。如已知的，擠出機110可具有多個區(qū)域，每個區(qū)域保持于所需溫度下。本發(fā)明尤其針對于超聲處理區(qū)域124。
[0051]雖然如在116處只展示基本螺桿結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)認識到其它結(jié)構(gòu)可用于機筒114中，例如，可使用具有模塊化螺桿元件的螺桿。雙螺桿擠出機的一般用途是已知的，并且本發(fā)明尤其針對于新穎超聲處理區(qū)域124，其較具體地參照圖4的橫截面來公開。
[0052]參照圖4，可以看出超聲處理區(qū)域124包括本體130，所述本體具有:第一孔132a，所述第一孔延伸穿過所述本體并且界定孔軸線134a ;第二孔132b，所述第二孔延伸穿過所述本體并且界定孔軸線134b，第一孔132a和第二孔132b重疊，從而產(chǎn)生雙孔135。本體130還包括變幅桿通路136，所述通路延伸穿過本體以便與雙孔135連通，所述通路在第一孔132a和第二孔132b上方對準。第一圓柱形軸138a駐留于第一孔132a中，并且在具體實施方案中與其同軸，即在一些實施方案中，第一軸138a的軸線位于孔軸線134a上。圓柱形軸138與螺桿116締合(通過與其一起形成或銷接于其上)以便與螺桿116 —起旋轉(zhuǎn)以使得圓柱形軸138a在本體130的第一孔132a中旋轉(zhuǎn)。第二圓柱形軸138b駐留于第二孔132b中，并且在具體實施方案中與其同軸，即在一些實施方案中，第二軸138b的軸線位于孔軸線134b上。第二圓柱形軸138b與未在圖3中展示的螺桿締合(通過與其一起形成或銷接于其上)并且與那個螺桿一起旋轉(zhuǎn)以使得第二圓柱形軸138b在本體130的第二孔132中旋轉(zhuǎn)。值得注意的是，超聲處理區(qū)域124內(nèi)的第一圓柱形軸138a和第二圓柱形軸138b都不包括螺紋，這樣使得材料(即，交聯(lián)塑料)并非通過軸138a、138b本身的旋轉(zhuǎn)來推進，而實際上通過螺桿116 (以及其它不可見的螺桿)和其螺紋120的旋轉(zhuǎn)來推進，從而迫使材料進入并且穿過超聲處理區(qū)域124。然而，無螺紋的軸138a、138b對材料(即，交聯(lián)塑料或硫化橡膠)進行剪切。應(yīng)當指出的是孔132的內(nèi)表面沒有通道。這些軸經(jīng)過成形并且間隔開以便如在點139處接觸。軸138a、138b可在相同方向上旋轉(zhuǎn)，如在圖4中的軸上繪制的實線箭頭所表示，或可在相反方向上旋轉(zhuǎn)，如在軸138a上繪制的實線箭頭和在軸138b上繪制的虛線箭頭所表示。
[0053]在圖3所展示的這個具體實施方案中，第一圓柱形軸138a在固定插入物140a內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所述固定插入物在孔132a的內(nèi)表面與第一圓柱形軸138a的外部之間部分地圍繞第一圓柱形軸138a延伸。類似地,第二圓柱形軸138b在固定插入物140b內(nèi)旋轉(zhuǎn),所述固定插入物在孔132b的內(nèi)表面與第二圓柱形軸138b的外部之間部分地圍繞第二圓柱形軸138b延伸。第一孔132a和第二孔132b均被展示為圓柱形的，但是不一定是圓柱形的，尤其是在使用固定插入物140a和140b時。然而,應(yīng)認識到,本體130可被成形為與第一圓柱形軸138a和第二圓柱形軸138b緊密接合，這樣使得將不需要固定插入物140a、140b。然而，固定插入物140a、140b的使用有助于組裝?？墒褂脝我徊迦胛锒嵌鄠€插入物?？傊诒景l(fā)明的一個實施方案中使用一個或多個固定插入物，而在其它實施方案中，不使用固定插入物。
[0054]超聲變幅桿142延伸至變幅桿通路136中并且在第一圓柱形軸138a和第二圓柱形軸134b上方對準。參照圖3，可以看出電源144和轉(zhuǎn)換器146提供超聲頻率范圍內(nèi)的振動能量以使得變幅桿142在超聲處理區(qū)域處輸送超聲能量。超聲變幅桿142包括遠端148，所述遠端與第一圓柱形軸134a和第二圓柱形軸134b間隔開并且它的形狀與這兩個軸互補，如在弧形部分152a和弧形部分152b處，以便界定雙弧形超聲處理流動路徑150的一部分。應(yīng)認識到，“形狀互補”是指遠端148的曲率與第一軸134a和第二軸134b兩者的曲率極其相似，但并未特別要求相同曲率。事實上，在變幅桿142在第一軸138a與第二軸138b接觸的區(qū)域(即，最接近點139)上方對準的情況下，變幅桿142具有平面連接部分155。在一些實施方案中，遠端148的弧形部分152a的曲率將與軸138a的曲率相同，并且遠端148的弧形部分152b的曲率將與軸138b的曲率相同，這樣使得變幅桿142的遠端148可直接緊密安裝于圓柱形軸38的頂部，從而在其之間不提供間隙，除了在平面連接部分155處以夕卜。然而，曲率的變化是允許的，因為目的是提供雙弧形超聲處理流動路徑150。在所展示的具體實施方案中，應(yīng)認識到雙弧形超聲處理流動路徑150在第一圓柱形軸138a、第二圓柱形軸138b、第一固定插入物140a、第二固定插入物140b、超聲變幅桿142的遠端148和變幅桿通路136之間予以界定。此外，在遠端148包括第一弧形部分152a和第二弧形部分152b的同時，它還可包括從弧形部分152a和152b側(cè)向延伸的平面底腳153、154。
[0055]變幅桿142可移動得更接近以及更遠離圓柱形軸138a、138b，如雙箭頭A2表示。變幅桿142移動超過適當?shù)拿芊饧?43，所述密封件用來阻止材料在變幅桿142與變幅桿通路136的壁之間流動。在一個實施方案中，密封件143是安裝于變幅桿通路136中的凹槽內(nèi)的高溫石墨填充聚酰亞胺。通過移動變幅桿142遠離圓柱形軸138a、138b，在變幅桿142的弧形部分152a的頂點與第一圓柱形軸138a的頂點之間界定間隙g2，并且在變幅桿142的弧形部分152b的頂點與第二圓柱形軸138b的頂點之間界定間隙g3。在弧形部分152a與圓柱形軸138a的曲率相同的實施方案中，間隙g2將沿著軸138a的大部分圓周保持不變，但是應(yīng)認識到在弧形部分152a不相同的實施方案中，間隙將稍微變化。對于間隙g3來說，同樣如此。在具體實施方案中，將軸138a、138b和弧形部分152a、152b設(shè)定尺寸為使得間隙g2與間隙g3相同。在底腳53、54處存在間隙時，這種間隙是相似的，但是不一定與間隙g2和g3相同。應(yīng)認識到由于在兩個軸138a、138b趨向于彼此接觸時產(chǎn)生間隔，因此連接部分155下方的間隙將較大。[0056]關(guān)于雙螺桿擠出機110，應(yīng)當指出的是間隙g2和g3的尺寸可具有與如上文對于圖1和圖2的單螺桿擠出機10所述的范圍相同的范圍。類似地，在變幅桿142下方的停留時間，即在雙弧形超聲流動路徑150處的停留時間，以及超聲變幅桿142的頻率和振幅可與如上所述的停留時間以及頻率和振幅相同。變幅桿142也優(yōu)選地為水冷的，如關(guān)于圖5所提及。
[0057]應(yīng)認識到，正如同變幅桿42，在一些實施方案中，變幅桿142具有長方形橫截面，這樣使得被推進通過雙弧形超聲處理流動路徑150的一定體積的材料經(jīng)歷更均勻的超聲處理時間分布。應(yīng)進一步指出弧形部分152從長方形變幅桿的一個側(cè)壁延伸至相對側(cè)壁。本發(fā)明變幅桿的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固，尤其在包括底腳153、154時更是如此。
[0058]應(yīng)當指出的是，雖然本發(fā)明附圖在超聲處理區(qū)域124處展示一個變幅桿142，但是可使用多個變幅桿。舉例來說，在一些實施方案中，針對進入向下延伸穿過本體130的變幅桿通路136的變幅桿142所示的一般結(jié)構(gòu)可被復(fù)制用于進入向上延伸穿過本體或甚至從左側(cè)或右側(cè)延伸穿過本體的變幅桿通路的第二變幅桿，雖然從左側(cè)或右側(cè)進入的第二變幅桿將只能與一個軸相互作用。另外，可沿著機筒114的長度來安置一個以上超聲處理區(qū)域124。
[0059]從超聲處理區(qū)域124開始，不包括螺紋的圓柱形軸138a、138b緊固至螺紋軸或以其它方式與螺紋軸締合，如在160處(圖3)。被強制離開超聲處理區(qū)域124的解交聯(lián)塑料或脫硫橡膠由此被推進至模頭122，并且如已經(jīng)提到的，擠出機110可包括模塊化螺桿元件。
[0060]使用以上公開的結(jié)構(gòu)，用于使交聯(lián)塑料解交聯(lián)或使橡膠脫硫的工藝包括將交聯(lián)塑料或硫化橡膠饋給至在機筒114中具有雙螺桿的螺桿擠出機110。對于這種工藝的公開內(nèi)容的其余部分，交聯(lián)塑料和硫化橡膠被簡稱為“材料”。通過雙螺桿的旋轉(zhuǎn)來將材料推進至機筒114中的超聲處理區(qū)域124。超聲處理區(qū)域包括本體130，所述本體具有穿過其中的雙孔135，所述雙孔由連接的第一孔132a和第二孔132b形成。本體130還具有與雙孔135連通的變幅桿通路136。第一圓柱形軸138a與雙螺桿的第一螺桿116締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，并且在本體130的孔132a中旋轉(zhuǎn)，而第二圓柱形軸138b與雙螺桿的第二螺桿(未圖示)締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，并且在本體130的孔132b中旋轉(zhuǎn)。所述軸138a、138b不提供螺紋，這樣使得材料并非通過軸138a、138b的旋轉(zhuǎn)來推進，而實際上通過雙螺桿的旋轉(zhuǎn)來推進，從而迫使材料進入超聲處理區(qū)域124。超聲變幅桿142延伸至變幅桿通路136中并且在第一圓柱形軸138a和第二圓柱形軸138b上方對準。超聲變幅桿142具有與第一圓柱形軸138a和第二圓柱形軸138b間隔開的遠端148,所述遠端148的形狀與第一圓柱形軸138a和第二圓柱形軸138b互補，從而界定雙弧形超聲處理流動路徑150的一部分。
[0061]材料被推進通過雙弧形超聲處理流動路徑150，并且在弧形超聲處理流動路徑150處通過由超聲變幅桿142產(chǎn)生的超聲波來進行超聲處理。所述處理遵循本文公開的停留時間、頻率和振幅。結(jié)果是在硫化橡膠的情況下，材料得以脫硫，并且在交聯(lián)塑料的情況下，材料得以解交聯(lián)。
[0062]實施例
_3] 單螺桿擠出機使交聯(lián)塑料解交聯(lián)
[0064]通過過氧化二異丙苯來交聯(lián)的低密度聚乙烯(LDPE)薄膜在如本文教導(dǎo)的包括超聲處理區(qū)域的單螺桿擠出機中得以解交聯(lián)。從制造商獲得的專屬廢棄交聯(lián)LDPE薄膜由攪拌雙螺桿饋給器以I磅/小時的饋給速率饋給至本發(fā)明的單螺桿擠出機的料斗中，并且通過以IOOrpm的速度使螺桿旋轉(zhuǎn)來推進至超聲處理區(qū)域。在弧形超聲處理流動路徑中，變幅桿的曲率的頂點與同螺桿締合的軸的頂點之間的間隙為2.5mm。在此流動速率和流動路徑橫截面下，在超聲處理區(qū)域中的停留時間為7.0秒。變幅桿以20kHz的頻率和10 μ m的振幅來操作。機筒溫度在饋給區(qū)段中設(shè)定為160°C并且在所有其它區(qū)域中為180°C。為了避免LDPE過度加熱，變幅桿的溫度通過2500毫升/分鐘的流動速率下的80°C的冷卻水來調(diào)節(jié)。LDPE被推進通過弧形超聲處理流動路徑，此處它經(jīng)受超聲處理和通過軸的旋轉(zhuǎn)動作的剪切作用。超聲處理區(qū)域前后的超聲功率消耗、擠出壓力和溫度由計算機經(jīng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來記錄。從擠出機的電動機的功率消耗讀取力矩。
[0065]在此處理之后，解交聯(lián)的LDPE被推進通過塑化區(qū)段，并且經(jīng)由模頭擠出并且造粒以便進一步特征化和成形。出乎意料地，擠出物呈連續(xù)繩索形式，這種情形在全新塑料的情況下通常會遇到。在必要時，成形可直接在擠出機的出口處通過安裝適當?shù)某尚文ｎ^來完成。超聲處理區(qū)域中的壓力和停留時間可通過改變流動速率、模頭尺寸和弧形超聲處理區(qū)域之間的間隙來變化。這些因素是決定超聲作用的重要變量。其它處理參數(shù)(如溫度和超聲振幅)也可變化。
[0066]對于過氧化二異丙苯交聯(lián)LDPE薄膜所獲得的結(jié)果是非常令人鼓舞的。具體地說，擠出物呈連續(xù)繩索形式，這種情形在全新塑料的情況下通常會遇到。在圖7中，在(a)處，展示初始交聯(lián)LDPE薄膜的照片；在(b)處，展示在模頭出口處收集的顆粒；并且在(c)處，展示經(jīng)過壓縮模制以便形成平板的解交聯(lián)LDPE。明顯地，超聲解交聯(lián)的LDPE顯示良好流動性，從而容易地成形為產(chǎn)品供進一步測試。顯著地，模制的解交聯(lián)LDPE平板保留了其柔韌性，從而指示當前設(shè)計的擠出機(圖1)中的熱降解是不明顯的。
[0067]圖6展示以20毫米/分鐘的伸長速率來測試的模制解交聯(lián)LDPE樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。顯著地并且意外地，此數(shù)據(jù)展示解交聯(lián)LDPE模制物是非常堅韌的，分別展現(xiàn)近似25MPa和550%的抗拉強度和斷裂伸長率。制造商未提供原始交聯(lián)LDPE薄膜的機械性質(zhì)。另外，不能測量原始薄膜的機械性質(zhì)，因為薄膜當初在接收時呈破碎形式。因此，將解交聯(lián)LDPE的拉伸性質(zhì)與可從文獻中獲得的關(guān)于通過1.5wt%過氧化物交聯(lián)的原始LDPE模制物的拉伸性質(zhì)來進行比較。拉伸性質(zhì)具體地從Khonakdar H.A.等人的Mechanical Propertiesof Uncrosslinked and Chemically Crosslinked Polyethylene/Ethylene Vinyl AcetateCopolymer Blends (J.App1.Polym.Sc1.2007 ；103:3261-3270)獲得，其中教導(dǎo)交聯(lián)模制物分別具有9.9MPa和307%的抗拉強度和斷裂伸長率。明顯地，在本實施例中制備的模制物展現(xiàn)顯著更高的抗拉強度和斷裂伸長率。為了獲得較好機械性質(zhì)，超聲擠出機必須控制PE在超聲處理區(qū)域中的過度加熱。本發(fā)明的超聲擠出機的高級設(shè)計經(jīng)由本文公開的冷卻腔室來提供超聲變幅桿的良好受控冷卻。
[0068]雙螺桿擠出機使交聯(lián)塑料解交聯(lián)
[0069]將通過1%過氧化二異丙苯來交聯(lián)的高密度聚乙烯(HDPE)研磨并且饋給至根據(jù)本發(fā)明的具有超聲處理區(qū)域的雙螺桿擠出機。經(jīng)過研磨的HDPE由雙螺桿饋給器以1.1磅/小時的饋給速率饋給至超聲雙螺桿擠出機的料斗中。雙螺桿擠出脫硫工藝示意性地描繪于圖3和圖4中。所使用的雙螺桿擠出機是模塊化共旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(Prism)。它具有的直徑為16mm并且L/D=25。HDPE由饋給器饋給至入口區(qū)段中并且由以200rpm的速度共旋轉(zhuǎn)的螺桿來推進。這種擠出機提供對溫度和旋轉(zhuǎn)速度的精確控制，其中變幅桿溫度通過從恒溫器輸送的溫度為45°C的水來控制。在穿過雙螺桿擠出機的饋給區(qū)段之后，使HDPE穿過超聲處理區(qū)域，此處它經(jīng)受頻率為40kHz并且振幅為ΙΟμπι的超聲波。在此區(qū)段中，HDPE解交聯(lián)，然后進一步塑化，并且被推動穿過具有圓形孔的模頭。機筒中的溫度設(shè)置在饋給區(qū)段中為190°C，并且在包括模頭區(qū)的所有其它區(qū)段中為200°C。應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果展示于圖10中，其將經(jīng)過處理的塑料與全新塑料進行比較。
[0070]雙螺桿擠出機使橡膠脫硫
[0071]粉狀完整輪胎硫化橡膠在根據(jù)本發(fā)明的具有超聲處理區(qū)域的雙螺桿擠出機中脫硫。使用40和200網(wǎng)目大小的粉末,這些粉末從制造商獲得(Lehigh Technologies,微粉化橡膠粉末來自生命終期的輪胎)。200網(wǎng)目的粉末由雙螺桿饋給器以1.5磅/小時的饋給速率饋給至超聲雙螺桿擠出機的料斗中。雙螺桿擠出脫硫工藝示意性地描繪于圖3和圖4中。所使用的雙螺桿擠出機是模塊化共旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(Prism)。它具有的直徑為16mm并且L/D=25。完整輪胎橡膠粉末由饋給器饋給至入口區(qū)段中。粉末通過以200rpm的速度共旋轉(zhuǎn)的螺桿來推進。這種擠出機提供對溫度和旋轉(zhuǎn)速度的精確控制，其中變幅桿溫度通過從恒溫器輸送的溫度為90°C的水來控制。在穿過雙螺桿擠出機的饋給區(qū)段之后，使輪胎橡膠粉末穿過超聲處理區(qū)域，此處它經(jīng)受具有40kHz的頻率以及3.5μπι、5μπι、7.5μπι、10μπι和13 μ m的各種振幅的超聲波。在此區(qū)段中，橡膠粉末脫硫，然后進一步塑化，并且被推動穿過具有圓形孔的模頭。機筒中的溫度設(shè)置在饋給區(qū)段中為150C，并且在包括模頭區(qū)的所有其它區(qū)段中為180C。引起關(guān)注地，在未施加超聲波的情況下，離開圓形模頭的橡膠呈類似于原始橡膠粉末的粉末形式。在3.5 μ m的超聲振幅下對于200網(wǎng)目的輪胎橡膠粉末進行的實驗指示粉末被轉(zhuǎn)化為流動性材料，并且離開模頭的擠出物展現(xiàn)粗糙的高度扭曲的表面。當超聲振幅增加至5 μ m時，表面不均勻性減少，并且最終在7.5 μ m、10 μ m和13 μ m的振幅下，表面不均勻性出乎意料地減弱以致于脫硫橡膠以全新未硫化橡膠化合物所特有的連續(xù)平滑擠出物形式離開模頭。
[0072]圖8展示在以下脫硫條件下處理的200網(wǎng)目研磨橡膠輪胎(GRT)的初始輪胎橡膠粉末(a)、脫硫橡膠的擠出物(b)、與固化劑混合的壓縮模制平板(C)以及再硫化橡膠平板⑷的照片:饋給速率為0.19克/秒、超聲振幅為13μπι、頻率為40kHz、超聲間隙(g2/g3)為2.5毫米，并且從饋給區(qū)段到模頭的各種擠出機區(qū)域的溫度為IOO0C /180°C /180°C /180°C /160°C /150°C。
[0073]另外，使用與在200網(wǎng)目橡膠的情況下相同的溫度設(shè)置，以1.5磅/小時的流動速率對于40網(wǎng)目的輪胎橡膠粉末進行脫硫?qū)嶒?。?.5 μ m、5 μ m、7.5 μ m、10 μ m和13 μ m的各種振幅下，超聲頻率為40kHz。在這種情況下，離開模頭的橡膠呈粉末形式，但是展現(xiàn)一些柔軟性和內(nèi)聚性。然而，它是容易破損的松散擠出物，直到振幅變?yōu)棣│苔笑蔀橹?。只有?3 μ m的振幅下，才獲得連續(xù)平滑擠出物。圖9展示在以下脫硫條件下處理的40網(wǎng)目研磨橡膠輪胎(GRT)的初始輪胎橡膠粉末(a)、脫硫橡膠的擠出物(b)、與固化劑混合的壓縮模制平板(c)以及再硫化橡膠平板⑷的照片:饋給速率為0.19克/秒、超聲振幅為13 μ m、頻率為40kHz、超聲間隙(g2/g3)為2.5毫米，并且從饋給區(qū)段到模頭的各種擠出機區(qū)域的溫度為 10(TC /180°C /180°C /180°C /160°C /15(TC。
【權(quán)利要求】
1.一種用于使交聯(lián)塑料解交聯(lián)或使硫化橡膠脫硫的工藝，其包括以下步驟: 將交聯(lián)塑料或硫化橡膠饋給至在機筒中具有螺桿的螺桿擠出機，所述螺桿具有軸線；通過所述螺桿的旋轉(zhuǎn)將所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠推進至所述機筒中的超聲處理區(qū)域，所述超聲處理區(qū)域包括: 本體，所述本體具有在其中穿過的圓柱形孔，所述圓柱形孔界定孔軸線，所述本體還具有與所述圓柱形孔連通的變幅桿通路， 圓柱形軸，所述圓柱形軸與所述螺桿締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，所述軸在所述本體的所述孔中旋轉(zhuǎn)并且不提供螺紋，這樣使得所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠并非通過所述軸的旋轉(zhuǎn)來推進，而實際上通過所述螺桿的旋轉(zhuǎn)來推進，從而迫使所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠進入所述超聲處理區(qū)域中，以及 超聲變幅桿，所述超聲變幅桿延伸至所述變幅桿通路中，所述超聲變幅桿在所述圓柱形軸上方對準并且具有與所述圓柱形軸間隔開的遠端，所述遠端的形狀與所述軸互補，從而界定弧形超聲處理流動路徑的一部分； 將所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠推進通過所述弧形超聲處理流動路徑；以及在所述弧形超聲處理流動路徑處通過由所述超聲變幅桿產(chǎn)生的超聲波對所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠進行超聲處理。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述本體中的所述圓柱形孔沒有通道。
3.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述超聲變幅桿的所述遠端具有長方形橫截面，這樣使得在所述將所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠推進通過所述弧形超聲處理流動路徑的步驟中被推進通過所述弧形超聲處理流動路徑的一定體積的交聯(lián)塑料或硫化橡膠在所述超聲處理區(qū)域中經(jīng)歷更均勻的平均停留時間。
4.如權(quán)利要求1所述的工 藝，其中所述超聲處理區(qū)域進一步包括固定插入物，所述插入物在所述本體的所述孔內(nèi)部分地圍繞所述軸延伸，所述弧形超聲處理流動路徑在所述軸、所述固定插入物、所述超聲變幅桿的所述遠端和所述變幅桿通路之間予以界定。
5.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述超聲波的頻率為15kHz至1000kHz。
6.如權(quán)利要求4所述的工藝，其中所述超聲波的振幅為2微米至100微米。
7.如權(quán)利要求5所述的工藝，其中所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠在所述弧形超聲處理流動路徑中的所述停留時間小于60秒。
8.如權(quán)利要求5所述的工藝，其中所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠在所述弧形超聲處理流動路徑中的所述停留時間小于5秒。
9.一種用于使交聯(lián)塑料解交聯(lián)或使硫化橡膠脫硫的工藝，其包括以下步驟: 將交聯(lián)塑料或硫化橡膠饋給至在機筒中具有第一螺桿和第二螺桿的雙螺桿擠出機，所述第一螺桿具有第一軸線并且所述第二螺桿具有第二軸線； 通過所述第一螺桿和所述第二螺桿的旋轉(zhuǎn)將所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠推進至所述機筒中的超聲處理區(qū)域，所述超聲處理區(qū)域包括: 本體，其包括: 穿過所述本體的第一孔，所述第一孔具有孔軸線，所述孔軸線與所述第一螺桿的所述軸線同軸， 穿過所述本體的第二孔，所述第二孔具有孔軸線，所述孔軸線與所述第二螺桿的所述軸線同軸，所述第一孔和第二孔重疊，從而產(chǎn)生雙孔，以及 變幅桿通路，所述變幅桿通路與所述雙孔的所述第一孔和所述第二孔連通， 第一圓柱形軸，所述第一圓柱形軸與所述第一螺桿締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，所述第一圓柱形軸在所述本體的所述第一孔中旋轉(zhuǎn)并且不提供螺紋，這樣使得所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠并非通過所述第一圓柱形軸的旋轉(zhuǎn)來推進，而實際上通過所述第一螺桿和第二螺桿的旋轉(zhuǎn)來推進，從而迫使所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠進入所述超聲處理區(qū)域， 第二圓柱形軸，所述第二圓柱形軸與所述第二螺桿締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，所述第二圓柱形軸在所述本體的所述第二孔中旋轉(zhuǎn)并且不提供螺紋，這樣使得所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠并非通過所述第二圓柱形軸的旋轉(zhuǎn)來推進，而實際上通過所述第一螺桿和第二螺桿的旋轉(zhuǎn)來推進，從而迫使所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠進入所述超聲處理區(qū)域，所述第一圓柱形軸與第二圓柱形軸彼此接觸， 超聲變幅桿，所述超聲變幅桿延伸至所述變幅桿通路中，所述超聲變幅桿在所述第一軸和第二軸上方對準并且具有與所述第一軸和所述第二軸間隔開的遠端，所述遠端的形狀與所述第一軸和所述第二圓柱形軸互補，從而界定雙弧形超聲處理流動路徑的一部分；將所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠推進通過所述雙弧形超聲處理流動路徑；以及在所述雙弧形超聲處理流動路徑處通過由所述超聲變幅桿產(chǎn)生的超聲波對所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠進行超聲處理。
10.如權(quán)利要求9所述的工藝，其中所述本體中的所述第一孔和所述第二孔沒有通道。
11.如權(quán)利要求9所述的工藝，其中所述超聲變幅桿的所述遠端具有長方形橫截面，這樣使得在所述將所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠推進通過所述雙弧形超聲處理流動路徑的步驟中被推進通過所述雙弧形超聲處理流動路徑的一定體積的交聯(lián)塑料或硫化橡膠經(jīng)歷更均勻的超聲處理時間分布。
12.如權(quán)利要求9所述的工藝，其中所述超聲處理區(qū)域進一步包括一個或多個固定插入物，其在所述本體的所述第一孔內(nèi)部分地圍繞所述第一軸延伸且在所述第二孔內(nèi)部分地圍繞所述第二軸延伸，所述雙弧形超聲處理流動路徑在所述第一軸、所述第二軸、所述一個或多個固定插入物中的至少一個固定插入物、所述超聲變幅桿的所述遠端和所述變幅桿通路之間予以界定。
13.如權(quán)利要求9所述的工藝，其中所述超聲波的頻率為15kHz至1000kHz。
14.如權(quán)利要求13所述的工藝，其中所述超聲波的振幅為2微米至100微米。
15.如權(quán)利要求14所述的工藝，其中所述交聯(lián)塑料或硫化橡膠在所述弧形超聲處理流動路徑中的停留時間小于5秒。
16.一種在機筒中具有螺桿的單螺桿擠出機，所述螺桿具有軸線，所述單螺桿擠出機的特征在于它在所述機筒中包括超聲處理區(qū)域，所述超聲處理區(qū)域包括: 本體，所述本體具有在其中穿過的圓柱形孔，所述圓柱形孔界定孔軸線，所述本體還具有與所述圓柱形孔連通的變幅桿通路，` 圓柱形軸，所述圓柱形軸與所述螺桿締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，所述軸在所述本體的所述孔中旋轉(zhuǎn)并且不提供螺紋，以及 超聲變幅桿，所述超聲變幅桿延伸至所述變幅桿通路中，所述超聲變幅桿在所述圓柱形軸上方對準并且具有與所述圓柱形軸間隔開的遠端，所述遠端的形狀與所述軸互補，從而界定弧形超聲處理流動路徑的一部分。
17.—種在機筒中具有第一螺桿和第二螺桿的雙螺桿擠出機,所述第一螺桿具有第一軸線并且所述第二螺桿具有第二軸線，所述雙螺桿擠出機的特征在于它在所述機筒中包括超聲處理區(qū)域，所述超聲處理區(qū)域包括: 本體，其包括:穿過所述本體的第一孔，所述第一孔具有孔軸線，所述孔軸線與所述第一螺桿的所述軸線同軸；穿過所述本體的第二孔，所述第二孔具有孔軸線，所述孔軸線與所述第二螺桿的所述軸線同軸，所述第一孔和第二孔重疊，從而產(chǎn)生雙孔；以及變幅桿通路，所述變幅桿通路與所述雙孔的所述第一孔和所述第二孔連通； 第一圓柱形軸，所述第一圓柱形軸與所述第一螺桿締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，所述第一圓柱形軸在所述本體的所述第一孔中旋轉(zhuǎn)并且不提供螺紋； 第二圓柱形軸，所述第二圓柱形軸與所述第二螺桿締合以便與其一起旋轉(zhuǎn)，所述第二圓柱形軸在所述本體的所述第二孔中旋轉(zhuǎn)并且不提供螺紋，所述第一圓柱形軸與第二圓柱形軸彼此接觸；以及 超聲變幅桿，所述超聲變幅桿延伸至所述變幅桿通路中，所述超聲變幅桿在所述第一軸和第二軸上方對準并且具有與所述第一軸和所述第二軸間隔開的遠端，所述遠端的形狀與所述第一圓柱形軸和所述第二圓柱形軸互補，從而界定雙弧形超聲處理流動路徑的一部分。`
【文檔編號】B29C47/00GK103492153SQ201280018655
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月15日
【發(fā)明者】A·伊薩耶夫 申請人:阿克倫大學(xué)