聚酰胺線料模頭、包括該線料模頭的擠出機和聚酰胺生產(chǎn)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本申請涉及用于聚酰胺線料模頭、包括該線料模頭的擠出機和聚酰胺生產(chǎn)系統(tǒng)。所述聚酰胺線料模頭包括多個毛細管，每個毛細管獨立地具有其直徑的6.1至6.5倍的長度。
【專利說明】聚酰胺線料模頭、包括該線料模頭的擠出機和聚酰胺生產(chǎn) 系統(tǒng)
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年5月1日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/818, 144的優(yōu)先權(quán)權(quán) 益，其公開通過引用以其全部內(nèi)容結(jié)合在此。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本申請涉及用于聚酰胺線料合成的高生產(chǎn)量模頭。

【背景技術(shù)】
[0004] 在多個連續(xù)聚酰胺生產(chǎn)方法中，將熔融聚酰胺成形為線料，當(dāng)其硬化時可以被切 割為粒料。為增加聚酰胺產(chǎn)量，聚酰胺生產(chǎn)系統(tǒng)的一個或多個部件可以被改進以提高該方 法的速率-限制步驟的功能。然而，連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)具有必須一同操作的數(shù)個部件。替換出一 個部件以更好地優(yōu)化其功能可以需要其他部件的改造，導(dǎo)致昂貴的整個系統(tǒng)的改裝、重組、 對準和調(diào)節(jié)。因此，該系統(tǒng)的一個部件嘗試最優(yōu)化的益處可以通過不僅改變這一部件而且 改變該系統(tǒng)的其他部件的成本而抵消。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 聚酰胺線料的數(shù)目可以與聚酰胺的產(chǎn)量相關(guān)，因為更多的線料可以允許生產(chǎn)更多 的聚酰胺粒料。然而，線料也應(yīng)當(dāng)足夠?qū)捯跃哂薪Y(jié)構(gòu)完整性以使得線料斷裂減少。因此，聚 酰胺線料的直徑不可以減少至低于產(chǎn)生穩(wěn)定的聚酰胺線料所需的直徑。對具有被選擇為產(chǎn) 生具有令人滿意的線料完整性的聚酰胺線料的固定模頭毛細管尺寸的現(xiàn)有系統(tǒng)，聚酰胺線 料生產(chǎn)可以通過增加模頭中毛細管的數(shù)目而增加。
[0006] 然而，僅增加將聚酰胺通過其擠出的毛細管的數(shù)目可能將毛細管放置地過于接 近，導(dǎo)致所得到的相當(dāng)粘的聚酰胺線料熔合。線料熔合是使得通過自動線料切割器形成粒 料變麻煩的常見問題?？梢栽黾泳埘０肪€料模頭的尺寸以使得對于增加的毛細管可得更 大的表面積，但是這將很可能需要生產(chǎn)系統(tǒng)的重組以使得可以將更大的模頭配合至系統(tǒng) 中。因此，在現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)中通過將另外的毛細管加入至線料模頭增加聚酰胺生產(chǎn)的速 率一般是不經(jīng)濟的。
[0007] 增加聚酰胺生產(chǎn)而不導(dǎo)致聚酰胺線料熔合并且不重組連續(xù)聚酰胺生產(chǎn)系統(tǒng)的多 于一個部件的問題通過增加聚酰胺線料模頭中毛細管的長度和寬度而解決。對該問題的這 種解決方案不僅提高聚酰胺產(chǎn)量而且提高聚酰胺線料穩(wěn)定性。令人驚訝地，跨越聚酰胺線 料模頭的壓降低，盡管有更長的毛細管長度。線料熔合也減少，這是出乎意料地，因為線料 模頭中的毛細管更加接近。
[0008] 本文描述的線料模頭具有多個毛細管，每個毛細管具有其直徑約6. 1至約6. 5倍 的長度。線料模頭的毛細管可以具有大約垂直于毛細管的縱軸的卵形或圓形橫截面。約 5. 5-6. 5mm的直徑是指大約垂直于毛細管的縱軸的毛細管橫截面的最大尺寸。例如，每個 毛細管可以具有約3-4. 5cm的長度和約5. 5-6. 5mm的直徑，其中毛細管具有大約垂直于毛 細管的縱軸的圓形橫截面。線料模頭可以擠出比具有直徑4. 5mm和0. 5英寸（1. 27cm)的 長度的毛細管的模頭多約20-60重量％的聚酰胺。線料模頭還可以以比從具有直徑4. 5mm 和0.5英寸（1.27cm)的長度的毛細管的模頭擠出的聚酰胺線料更低的線料熔合發(fā)生率擠 出聚酰胺線料。線料模頭還可以擠出比從具有直徑4. 5mm和長度0. 5英寸的毛細管的模頭 擠出的聚酰胺線料斷裂少的聚酰胺線料。例如，線料模頭可以配置為合成尼龍6 ;尼龍7 ;尼 龍11 ;尼龍12 ;尼龍6,6 ;尼龍6,9 ;尼龍6,10 ;尼龍6,12 ;或它們的共聚物的線料。
[0009] 本文還描述的是一種增加聚酰胺線料生產(chǎn)的方法，所述方法包括：在連續(xù)聚酰胺 生產(chǎn)系統(tǒng)的擠出機單元中用本文描述的線料模頭替換聚酰胺擠出模頭，從而增加聚酰胺線 料生產(chǎn)。
[0010] 本文描述了避免聚酰胺線料熔合的方法，所述方法包括：在連續(xù)聚酰胺生產(chǎn)系統(tǒng) 的擠出機單元中用本文描述的線料模頭替換聚酰胺擠出模頭，從而避免聚酰胺線料熔合；
[0011] 本文描述了提高聚酰胺線料穩(wěn)定性的方法，所述方法包括：在連續(xù)聚酰胺生產(chǎn)系 統(tǒng)的擠出機單元中用本文描述的線料模頭替換聚酰胺擠出模頭，從而提高聚酰胺線料穩(wěn)定 性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是聚酰胺可以通過其擠出以形成聚酰胺線料的具有更小的毛細管的傳統(tǒng)的 聚酰胺線料形成模頭的圖。
[0013] 圖2是示例聚酰胺可以通過其擠出以形成具有改進的性質(zhì)的聚酰胺線料的具有 更大的毛細管的本發(fā)明的聚酰胺線料模頭的圖。
[0014] 圖3是包括聚酰胺線料模頭板的聚酰胺線料形成單元。

【具體實施方式】
[0015] 本文描述的改進的系統(tǒng)具有聚酰胺線料形成單元，其包括具有多個毛細管（例 如，孔或鉆孔）的聚酰胺線料模頭板，每個毛細管寬度和長度當(dāng)強制熔融聚酰胺通過毛細 管時足以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)完整的聚酰胺線料，并且每個毛細管與每個其他的毛細管隔開足以避免 線料熔合的距離。還描述的是包括使用這種線料形成單元的聚酰胺線料的生產(chǎn)的方法。
[0016] 圖1是具有毛細管的傳統(tǒng)的聚酰胺線料形成模頭的圖，毛細管各自具有直徑D1和 長度L1，聚酰胺可以通過其擠出以形成聚酰胺線料。擠出機單元將熔融聚酰胺擠出至擠出 室，其包括多個線料形成模頭，最終將線料從其擠出。圖2是示例具有各自具有直徑D2和 長度L2的毛細管的聚酰胺線料模頭的實施方案的圖。在一些實施方案中，D2可以與D1相 同。在一些實施方案中，L2可以與L1相同。在一些實施方案中，圖2中給出的聚酰胺線料 模頭的毛細管可以具有比圖1中給出的傳統(tǒng)的聚酰胺線料形成模頭的直徑D1更大的直徑 D2,并且在一些實施方案中長度L2可以大于長度L1。令人驚訝地，聚酰胺線料形成單元的 實施方案的更大的毛細管的直徑可以增加聚酰胺生產(chǎn)而不增加線料熔合，即使毛細管比在 目前可得的具有相似的模頭尺寸的線料形成單元中更接近。目前可得的用于聚酰胺線料形 成的模頭具有更小的毛細管尺寸，其中毛細管的長度為其寬度的約2. 8倍（例如，4. 5mm的 直徑，并且約1. 27cm的長度）。這種更小的毛細管模頭產(chǎn)生較少的聚酰胺產(chǎn)物，并且聚酰胺 線料傾向于烙合，這困擾粒料形成。
[0017] 例如，本文描述的線料模頭可以擠出比這種目前可得的線料模頭多約20-60重 量％的聚酰胺。本文描述的聚酰胺線料模頭和方法解決對目前可得的聚酰胺線料形成單元 通常觀察到的低聚酰胺產(chǎn)量、聚酰胺線料熔合和聚酰胺線料斷裂的問題。
[0018] 聚酰胺線料形成單元可以因此具有帶多個毛細管的聚酰胺線料模頭，單獨的毛細 管各自具有大約垂直于毛細管的縱軸的圓形（圓）、卵形、方形或三角形橫截面。例如，單獨 的毛細管可以各自具有大約垂直于毛細管的縱軸的圓形（圓）或卵形橫截面。
[0019] 聚酰胺線料模頭可以具有與現(xiàn)在用于擠出聚酰胺的線料模頭互換的形狀。例如， 聚酰胺線料模頭可以是圓形的、方形的或三角形的板，其配置為適合于連續(xù)聚酰胺生產(chǎn)系 統(tǒng)的擠出機。
[0020] 本文提供的聚酰胺線料模頭可以具有多個毛細管，其中毛細管具有大于4. 5mm的 直徑。通常，聚酰胺線料模頭中的毛細管的長度可以是其寬度的約6. 3倍。
[0021] 例如，毛細管的直徑可以是大于4. 7mm，大于4. 8mm，大于4. 9mm，大于5. 0mm，大 于5. 1mm,大于5. 2mm,大于5. 3mm,大于5. 4mm,大于5. 5mm,大于5. 6mm,大于5. 7mm,大于 5. 8mm,大于5. 9mm。聚酰胺線料模頭中的毛細管可以具有小于7. 0mm,小于6. 9mm,小于 6. 8mm,小于6. 7mm,小于6. 6mm,小于6. 5mm,小于6. 4mm,小于6. 3mm,或小于6. 2mm的官徑。 例如，聚酰胺線料形成單元可以具有直徑為約6.0_的毛細管。在一些實施方案中，毛細管 的直徑從毛細管的一端至另一端可以是基本上恒定的。在其他的實施方案中，毛細管可以 具有在入口更小的直徑和在出口更大的直徑，或在出口更大的直徑和在入口更小的直徑。 在具有不同的入口和出口直徑的毛細管中，入口與出口之間的毛細管的部分的直徑可以是 任意合適的直徑，如在入口與出口直徑之間逐漸過渡，或允許模頭如本文所述使用的任意 其他的合適的形狀。
[0022] 聚酰胺線料模頭中的毛細管可以具有在線料形成時足以穩(wěn)定線料的長度。例如， 毛細管可以具有減少聚酰胺在模頭板的出口處積累的長度。毛細管可以，例如，具有調(diào)節(jié)沿 毛細管的長度的壓力梯度的長度。這種壓力的調(diào)節(jié)減少毛細管出口處聚酰胺潑濺或積累 的發(fā)生。通常更長的毛細管長度可以減少跨越聚酰胺線料模頭中毛細管的長度的壓力差。 聚酰胺線料模頭可以具有長度大于1. 5cm的毛細管。例如，毛細管的長度可以大于1. 6cm， 大于1. 7cm，大于1. 8cm，大于1. 9cm，大于2. 0cm，大于2.lcm，大于2. 2cm，大于2. 3cm，大 于2. 4cm，大于2. 5cm，大于2. 6cm，大于2. 7cm，大于2. 8cm，大于2. 9cm，大于3. 0cm，大于 3. lcm,大于 3. 2cm,大于 3. 3cm,大于 3. 4cm,大于 3. 5cm,大于 3. 6cm,大于 3. 7cm〇
[0023] 聚酰胺線料模頭可以具有長度小于5. 0cm的毛細管。例如，毛細管的長度可以小 于4. 9cm，小于4. 8cm，小于4. 7cm，小于4. 6cm，小于4. 5cm，小于4. 4cm，小于4. 3cm，小于 4. 2cm，小于4.lcm，小于4. 0cm，或小于3. 9cm。例如，聚酰胺線料模頭可以具有約3. 81cm的 長度的毛細管。
[0024]Fourn6(SYNTHETICFIBERSat第 242 頁（HanserPublishers，Munich1999))推 薦線料之間的間隔為14.4mm。然而，本文描述的聚酰胺線料模頭中的毛細管之間的間隔可 以小于14. 4mm或大于14. 4_。例如，使用本文描述的聚酰胺線料模頭和方法產(chǎn)生的線料不 容易熔合，所以本文描述的聚酰胺線料模頭中毛細管之間的間隔可以小于14. 4_。因此，本 文描述的聚酰胺線料模頭中毛細管之間的間隔可以從約3mm至14_，或約4mm至13_，或 約5_至12mm,或約6_至11mm,或約7mm至13mm,或約8_至12mm變化，或者約4mm至 13mm的任意值。
[0025] 聚酰胺線料模頭中的毛細管的數(shù)目可以變化。例如，當(dāng)聚酰胺線料模頭的表面具 有更大的表面積時，在聚酰胺線料模頭中可以存在更多的毛細管。然而，當(dāng)聚酰胺線料模頭 的表面具有更小的表面積時，在聚酰胺線料模頭中可以存在更少的毛細管。例如，聚酰胺線 料模頭可以具有約10-200個毛細管，20-150, 50-100, 25-40,或約30個毛細管，或約10、15、 20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190,或約 200個毛細管。
[0026] 聚酰胺線料模頭可以由對聚酰胺反應(yīng)物和產(chǎn)物基本上惰性的材料組成。用于聚酰 胺線料模頭采用的材料可以傳遞熱以使得進入聚酰胺線料模頭的毛細管的熔融聚酰胺保 持足夠地熔融以通過毛細管，但以足夠的內(nèi)聚性出現(xiàn)以形成結(jié)構(gòu)上可靠的聚酰胺線料。例 如，聚酰胺線料模頭可以由材料如不銹鋼，如奧氏體鋼、鐵素體鋼、馬氏體鋼，以及它們的組 合以任意合適的比例組成。不銹鋼可以包括任意合適的一系列不銹鋼，如例如440A、440B、 440C、440F、430、316、409、410、301、301LN、304L、304LN、304、304H、305、312、321、321H、 316L、316、316LN、316Ti、316LN、317L、2304、2205、904L、1925hM〇/6M0、254SM0。奧氏體鋼可 以包括300系列鋼，其例如具有最大約0. 15%碳，最小約16%鉻，以及足夠的鎳或猛，以在 從低溫區(qū)域至合金的熔點的基本上全部溫度保持奧氏體結(jié)構(gòu)。奧氏體鋼可以包括，例如， 304和316鋼，如316L鋼。在一些實例中，線料模頭可以包括耐腐蝕材料。耐腐蝕材料的 實例可以包括超合金，如含有少量的鐵和痕量的其他元素的鎳-銅合金如Monel?400,析 出加強的鎳-鐵-鉻合金如Incoloy?牌合金，例如Incoloy?800系列，或奧氏體鎳-鉻 系Inconel?牌合金，或鎳_鉻-鑰合金如Hastelloy?牌合金，例如，Hastelloy?G-30?。 耐腐蝕材料的實例可以包括任意合適的耐腐蝕材料，如超奧氏體不銹鋼（例如AL6XN、 254SM0、904L)、雙相不銹鋼（例如2205)，超雙相不銹鋼（例如2507)，鎳系合金（例如合 金〇276，〇22,02000,600,625,800,825)，鈦合金（例如級別1、2、3)、鋯合金（例如 702)、 Hasteloy276、duplex2205、superduplex2507、Ebrite26-1、Ebrite16-1、Hasteloy 276、Duplex2205、316SS、316L和 304SS、鋯、鋯覆金屬 316、Ferralium255,或它們的任意 組合。
[0027] 在一些實施方案中，可以將模頭的表面清潔或拋光。毛細管或模頭可以具有任 意合適的平均粗糙度。術(shù)語"平均粗糙度"（Ra)是那些不規(guī)則處的表面峰和谷的測量平均 值，并且以微米（um)和以微英寸（yin)表達。表面質(zhì)地測量是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的 并且采用表面外形裝置。已知的表面外形裝置可得自TAYL0R-H0BS0N，公司AMETEK，INC.， llOOCassattRoad，P.O.Box1764,Berwyn，賓夕法尼亞，19312USA。在一些實例中，毛細管 或模頭可以具有不大于約6. 00ym，約1. 00ym至約6. 00ym，約0? 90ym至約1. 50ym，約 0? 60um至約1. 00um，不大于約0? 5um，不大于約0? 10um，約0? 10um至約0? 80um，或約 0. 90iim至約1. 50iim的平均表面粗糙度。
[0028] 材料從擠出機通過和通過模頭的流動速率一般是均勻的和恒定的。流動均勻性依 賴于聚合物的特性（換言之，其粘彈性）和在通過聚酰胺線料模頭傳送的過程中施加在聚 合物上的剪切應(yīng)力的水平兩者。精密齒輪泵可以用于提供穩(wěn)定的壓力和準確的計量，以使 得聚酰胺以受控和無涌浪方式達到模頭頂。這種齒輪泵可以安裝在擠出機器件（例如，螺 桿擠出機）與聚酰胺線料模頭之間，或擠出機的上游。齒輪泵可以是主要擠出機控制器件， 以減少在傳統(tǒng)的擠出系統(tǒng)中可以是固有的低效性。排放壓力變化，并且因此質(zhì)流變化，可以 保持為少于3%或少于1%，以促進均勻線料生產(chǎn)并避免收縮、不完整性和凝膠形成。
[0029]加熱室將聚酰胺加熱至合適的溫度用于通過聚酰胺線料模頭擠出。通常，如果擠 出溫度不足夠高，熔融的聚合物將不足夠均勻，并且可以存在一些固體或晶體聚酰胺。相 反，如果擠出溫度過高，降解的風(fēng)險增加，并且可能難以擠出聚酰胺，因為它可以在更高的 溫度具有低粘度。通常，加熱室溫度可以是約185-350°C以當(dāng)聚酰胺通過聚酰胺線料模頭時 將聚酰胺保持在約180-300°C的溫度。將聚酰胺保持的溫度可以隨著要制成線料的聚酰胺 的類型變化。例如，尼龍6當(dāng)通過聚酰胺線料模頭時可以保持在約225-260°C的溫度，而尼 龍6,6當(dāng)通過聚酰胺線料模頭時可以保持在約270-295°C的溫度。在一個實例中，尼龍11 當(dāng)通過聚酰胺線料模頭時可以保持在約190-220°C的溫度，而尼龍12當(dāng)通過聚酰胺線料模 頭時可以保持在約185-215°C的溫度。
[0030] 在從聚酰胺線料模頭出來之后，可以將聚酰胺線料冷卻至約10-KKTC的溫度。例 如，可以將從聚酰胺線料模頭出來的線料噴射或浸漬在水中以將它們快速冷卻并硬化?？?以切割硬化的線料或以其他方式加工為容易包裝的長度或尺寸。通常，在包裝之前將聚酰 胺干燥以將水含量減少至1 %以下，或〇. 7%以下，或0. 5%以下，或0. 2%以下，或0. 1 %以 下。
[0031] 聚酰胺線料模頭和使用這種模頭的方法出乎意料地增加聚酰胺生產(chǎn)，同時也減少 線料熔合，即使毛細管比在目前可得的線料形成單元中更接近。凝膠形成減少。凝膠可以 是由聚合物質(zhì)形成的任意固體材料，其積累或堵塞設(shè)備或者污染聚酰胺產(chǎn)物，如由聚合物 的氧化或熱降解形成的無序固體。凝膠可以在通過該系統(tǒng)的聚合物的流中以滯積袋以及不 規(guī)則或漩渦形成。聚酰胺線料模頭促進聚酰胺的流動并且從而減少凝膠形成。
[0032] 實例聚酰胺線料形成單元
[0033] 圖3顯示聚酰胺線料形成單元的實例實施方案。來自連續(xù)聚酰胺生產(chǎn)系統(tǒng)的熔融 聚酰胺10通過至少一個傳遞管線20傳送至聚酰胺線料形成單元的入口 30。入口 30可以 包括擠出機或齒輪泵（例如，精密齒輪泵）以促進聚酰胺至擠出室45中和通過聚酰胺線料 模頭60的傳送。在一些實施方案中，齒輪泵可以在管線20的上游出現(xiàn)。齒輪泵可以有助 于緩沖流的涌浪，如由擠出機所導(dǎo)致的。加熱室40可以用以將擠出室45的溫度保持在合 適的溫度以使得所要擠出的聚酰胺50保持熔融，而且具有合適的粘度用于當(dāng)通過聚酰胺 線料模頭60時的線料形成。通過使聚酰胺通過聚酰胺線料模頭60形成聚酰胺線料70。
[0034] 聚酰胺生產(chǎn)
[0035] 術(shù)語"聚酰胺"意指含有多個酰胺鍵的聚合物。聚酰胺，例如，在重復(fù)酰胺單元之 間具有至少85%脂族鍵的脂族直鏈聚酰胺也被稱為尼龍。術(shù)語"直鏈"意指聚酰胺可得自 雙官能化反應(yīng)物，其中結(jié)構(gòu)單元以尾對尾并且以鏈狀方式連接。像這樣，該術(shù)語意在排除得 自三胺或得自三元酸的聚合物中可能存在的三維聚合結(jié)構(gòu)。參見，WallaceH.Carothers， 美國專利號2, 130, 948,題為"合成纖維"。
[0036] 脂族聚酰胺當(dāng)與伯或仲胺反應(yīng)時可以得自二元羧酸和其他的二元羧酸的酰胺形 成衍生物（如酸酐、酰胺、酰齒、半酯和二酯）?；旧先恐寰埘０肪酆衔飶挠啥人岷?二胺構(gòu)成的單體的形成可以通過伯或仲二胺（具有至少一個連接至每個氮的氫的二胺）與 二羧酸或二元羧酸的酰胺-形成衍生物的反應(yīng)完成。

【權(quán)利要求】
1. 一種聚醜胺線料模頭，所述聚醜胺線料模頭包括多個毛細管，每個毛細管獨立地具 有其直徑的6. 1至6. 5倍的長度。
2. 權(quán)利要求1所述的線料模頭，其中所述直徑是指垂直于所述毛細管的縱軸的橫截面 的最大尺寸。
3. 權(quán)利要求1所述的線料模頭，其中每個毛細管具有垂直于該毛細管的縱軸的卵形或 圓形橫截面。
4. 權(quán)利要求1所述的線料模頭，其中每個毛細管具有3-4. 5cm的長度和5. 5-6. 5mm的 直徑。
5. 權(quán)利要求1所述的線料模頭，其中每個毛細管長度是3. 7至3. 9cm。
6. 權(quán)利要求1所述的線料模頭，其中每個毛細管具有5. 75-6. 25mm的直徑。
7. 權(quán)利要求1所述的線料模頭，其中每個毛細管具有6mm的直徑。
8. 權(quán)利要求1所述的線料模頭，所述線料模頭包括10-200個毛細管。
9. 權(quán)利要求1所述的線料模頭，所述線料模頭包括25-40個毛細管。
10. 權(quán)利要求1所述的線料模頭，所述線料模頭包括30個毛細管。
11. 一種擠出機，所述擠出機包括權(quán)利要求1所述的線料模頭。
12. -種聚醜胺生產(chǎn)系統(tǒng)，所述聚醜胺生產(chǎn)系統(tǒng)包括權(quán)利要求1所述的線料模頭。
【文檔編號】B29C47/30GK204222129SQ201420173218
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月1日
【發(fā)明者】查爾斯·R·克爾曼, 托馬斯·A·米茨卡, 約翰·P·普安薩蒂, 加里·R·韋斯特 申請人:因溫斯特技術(shù)公司