用于制備膨脹微球的方法和裝置的制造方法
【專利說明】用于制備膨脹微球的方法和裝置
[0001]本發(fā)明涉及制備膨脹熱塑性微球的方法及用于所述方法的裝置。
[0002]可熱膨脹熱塑性微球是本領(lǐng)域中已知的，并詳細(xì)描述于例如美國專利N0.3615972中。具有不同膨脹溫度的各等級(jí)的可膨脹微球作為干自由流動(dòng)微球和微球的含水漿料以商標(biāo) Expancel?由 AkzoNobel 市購。
[0003]這類可膨脹微球包含包封在熱塑性殼中的發(fā)泡劑。在加熱時(shí)，在殼軟化時(shí)，發(fā)泡劑蒸發(fā)以提高內(nèi)部壓力，導(dǎo)致微球明顯膨脹，通常為其直徑的2-5倍。
[0004]熱塑性微球可作為未膨脹或預(yù)膨脹的用于各種應(yīng)用中。其中使用干(基本無水)預(yù)膨脹微球的產(chǎn)物實(shí)例作為敏化劑用于乳化炸藥中以及作為輕重量填料用于溶劑基油漆和各種熱固性材料如人造大理石、聚酯膩?zhàn)雍腿嗽炷玖现?。在許多產(chǎn)品如水基油漆和涂料、熱敏打印紙、多孔陶瓷和乳化炸藥中，使用通常作為含水漿料的濕預(yù)膨脹微球。
[0005]運(yùn)輸預(yù)膨脹微球要求明顯的空間，為此，通常將未膨脹微球運(yùn)送給膨脹微球的最終使用者并在現(xiàn)場膨脹。然后可將微球膨脹結(jié)晶或者直接送入生產(chǎn)最終產(chǎn)品如上述那些中的任一種的方法中。
[0006]開發(fā)了各種方法和裝置用于將熱塑性微球膨脹。
[0007]US 5484815和US 7192989公開了適于將干微球膨脹的方法和裝置。
[0008]US 4513106公開了適于通過在壓力區(qū)中將蒸汽以足以加熱微球的量引入漿料中并將它們至少部分地膨脹，其后使部分膨脹的微球在壓降下離開壓力區(qū)，由此使微球進(jìn)一步膨脹并以至少lm/s的速度加速到料流中而使微球在含水漿料中膨脹的方法和裝置。
[0009]使微球在含水漿料中膨脹的優(yōu)點(diǎn)是避免了粉塵。然而，理想的是進(jìn)一步改進(jìn)使微球在漿料中膨脹的現(xiàn)有技術(shù)。
[0010]本發(fā)明的目的是提供用于將微球在漿料中膨脹而不需要引入額外的水的方法和
目.ο
[0011]本發(fā)明的另一目的是提供用于將微球在漿料中膨脹的方法和裝置，其為靈活的而不管哪種液體用于漿料。
[0012]本發(fā)明的另一目的是提供用于將微球在漿料中膨脹的方法和裝置，其為靈活的而不管用于將微球加熱的裝置。
[0013]本發(fā)明的又一目的是提供用于以低微球聚集風(fēng)險(xiǎn)將微球在漿料中膨脹的方法和
目.ο
[0014]本發(fā)明的又一目的是提供用于將微球在漿料中膨脹的方法和裝置，其也可用于具有各種膨脹溫度的寬范圍的微球等級(jí)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，發(fā)現(xiàn)可通過根據(jù)所附權(quán)利要求書的方法和裝置實(shí)現(xiàn)這些和其它目的。
[0016]更具體而言，本發(fā)明涉及由包含包封發(fā)泡劑的熱塑性聚合物殼的未膨脹可熱膨脹熱塑性微球制備膨脹熱塑性微球的方法，所述方法包括:
[0017](a)將這種可膨脹熱塑性微球在液體介質(zhì)中的漿料供入加熱區(qū)中；
[0018](b)在不與任何流體傳熱介質(zhì)直接接觸下將漿料在加熱區(qū)中加熱，以使得可膨脹微球至少達(dá)到它們會(huì)在常壓下開始膨脹的溫度，并保持加熱區(qū)中的壓力足夠高以使得漿料中的微球不完全膨脹；和
[0019](c)將可膨脹微球的漿料從加熱區(qū)中取出送入具有足夠低的壓力以使微球膨脹的區(qū)中。
[0020]本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于使包含包封發(fā)泡劑的熱塑性聚合物殼的未膨脹可熱膨脹熱塑性微球膨脹的裝置，所述裝置包括具有入口和出口并且能夠經(jīng)受至少4巴壓力的加熱區(qū)，用于將未膨脹的可膨脹熱塑性微球在液體介質(zhì)中的漿料供入加熱區(qū)中并且能夠在加熱區(qū)中產(chǎn)生至少4巴壓力的裝置；和用于將可膨脹微球漿料在不與任何流體傳熱介質(zhì)直接接觸下加熱至溫度至少60°C的裝置。
[0021]未膨脹的可熱膨脹熱塑性微球在下文中稱為可膨脹微球。可膨脹微球的粒度可在寬極限內(nèi)變化，并可相對(duì)于它們用于其中的產(chǎn)物的所需性能選擇。在多數(shù)情況下，如通過在濕試樣上在Malvern Mastersizer Hydro 2000 SM設(shè)備上激光散射測定，優(yōu)選的體積平均直徑為I μ m至1mm，優(yōu)選2 μ m至0.5mm,特別是3 μ m至100 μ m。微球的直徑在膨脹時(shí)增大例如2-5倍。
[0022]可膨脹微球漿料的液體介質(zhì)可以為對(duì)微球呈惰性并且可經(jīng)受加熱漿料的溫度的任何液體。在許多情況下，優(yōu)選水基液體，因此形成含水漿料，但取決于膨脹微球的意欲用途，也可優(yōu)選用于漿料的有機(jī)液體，例如植物油、礦物油和甘油中的至少一種，所述有機(jī)液體可以不含水。由于在本發(fā)明方法中不需要將蒸汽或任何其它形式的水加入漿料中，可制備可直接用于不需要水的應(yīng)用中的無水膨脹微球。此外，由于不需要將其它流體介質(zhì)加入漿料中，可制備具有高且可控固體含量的膨脹微球漿料。
[0023]在制備可膨脹微球的多數(shù)商業(yè)方法中，它們通常首先以含水漿料得到，并可將該漿料直接，任選在稀釋或脫水至所需微球含量以后用于本發(fā)明方法中。另一方面，可將該含水漿料干燥以得到基本無水微球，其可用于在有機(jī)液體中制備漿料。
[0024]漿料中的可膨脹微球含量取決于膨脹以后所得產(chǎn)物所需的。上限由漿料的可栗送性和漿料通過加熱區(qū)的可輸送性限制。在多數(shù)情況下，可膨脹微球的含量適當(dāng)?shù)貫?-50重量％，優(yōu)選10-40重量％，最優(yōu)選15-30重量％。
[0025]可膨脹微球漿料流過加熱區(qū)，所述加熱區(qū)可由具有入口和出口且經(jīng)受其中保持的壓力的任何容器、管道或管構(gòu)成。用于加熱其中漿料的手段可例如為不與漿料直接接觸的流體傳熱介質(zhì)、電加熱元件或微波。例如，加熱區(qū)可以為換熱器，所述換熱器包含被不與可膨脹微球漿料直接接觸的傳熱介質(zhì)圍繞的至少一個(gè)管道或管。換熱器可例如包含幾個(gè)優(yōu)選平行的管道或管，例如2-10或3-7個(gè)管道或管，所述管道或管優(yōu)選與共有入口和共有出口連接。還可僅具有一個(gè)管道或管。使用單一管道或管(即僅一個(gè))涉及這一優(yōu)點(diǎn):降低由幾個(gè)平行管道中的一個(gè)中部分堵塞導(dǎo)致的不均勻流動(dòng)分布的風(fēng)險(xiǎn)。該單一管道或管優(yōu)選被傳熱介質(zhì)，例如熱水圍繞，優(yōu)選位于包含傳熱介質(zhì)的容器或罐中。
[0026]傳熱介質(zhì)可以為任何合適的流體介質(zhì)，例如熱水、蒸汽或油。作為選擇，熱可由例如在加熱區(qū)的內(nèi)部或外部，或者在其壁上的電加熱元件或其任何組合提供。作為另一選擇，加熱可由電磁輻射如微波提供。
[0027]在本發(fā)明中，可使要求比實(shí)際上通過蒸汽，例如通過使用電加熱元件或熱油作為傳熱介質(zhì)可實(shí)現(xiàn)的更高溫度的微球等級(jí)膨脹。例如，可使要求超過200°C的溫度的微球膨脹。也可或者通過使用具有相當(dāng)?shù)偷臏囟?，例?0-100°C的傳熱介質(zhì)如熱水使在太高溫度下可能瓦解或者以任何其它方式受損的微球膨脹。
[0028]可膨脹微球漿料在其中流動(dòng)的容器或者至少一個(gè)管道或管優(yōu)選具有傳導(dǎo)性材料如鋼或銅，如果漿料的加熱借助流體傳熱介質(zhì)或者由電加熱元件提供的話特別如此。如果加熱由電磁輻射輻射提供，則容器或者至少一個(gè)管道或管優(yōu)選具有該輻射可透的材料，例如各種聚合物材料。
[0029]在包含至少一個(gè)管道或管的換熱器中，該至少一個(gè)管道或管可例如各自具有2-25mm的內(nèi)徑，或者更優(yōu)選內(nèi)徑為4-15mm或者優(yōu)選6-12mm。至少一個(gè)管道或管的壁厚度適當(dāng)?shù)貫?.5_3mm，優(yōu)選0.7-1.5mm。
[0030]如果加熱借助電加熱元件進(jìn)行，則該元件可例如在至少一個(gè)管道或管，例如單一管道或管外部和/或內(nèi)部提供。該管道或管可例如具有20-80mm或35-65mm的內(nèi)徑。例如，電加熱元件可在管道或管內(nèi)部中心提供，以使得可膨脹微球漿料在圍繞該加熱元件的間隙中流動(dòng)。該電加熱元件本身可以為其內(nèi)部具有主電加熱源的管道或管，以使得熱從壁轉(zhuǎn)移至在間隙中流動(dòng)的漿料。優(yōu)選電加熱元件在至少一個(gè)管道或管內(nèi)部和外部提供。
[0031]用于加熱漿料的裝置的最佳尺寸和容量由漿料的流速、漿料濃度和進(jìn)入的漿料溫度決定，并且應(yīng)足以使?jié){料達(dá)到足夠高以使在進(jìn)入加熱區(qū)的出口以后壓力下降時(shí)微球膨脹的溫度。該溫度總是高于具體微球的發(fā)泡劑的揮發(fā)溫度。
[0032]可膨脹微球漿料通過其入口，優(yōu)選借助栗供入加熱區(qū)中，該栗在加熱區(qū)中提供足夠高的壓力以使得微球在其中不完全膨脹。在加熱區(qū)外部完全膨脹以后，微球可在加熱區(qū)內(nèi)膨脹至例如10-80%的體積或20-70%的體積，但也可根本地防止在加熱區(qū)內(nèi)膨脹。合適栗的實(shí)例包括液壓隔膜栗、活塞栗、螺桿栗(例如偏心螺桿栗)、齒輪栗、旋轉(zhuǎn)凸輪栗、離心栗等。特別優(yōu)選液壓隔膜栗。栗優(yōu)選還產(chǎn)生用于將漿料通過加熱區(qū)輸送至其出口的力。該裝置可進(jìn)一步具有用于將可膨脹微球漿料例如從保持漿料的罐輸送至栗的導(dǎo)管。
[0033]為保持加熱區(qū)中足夠高的壓力，將可膨脹微球漿料通過出口從加熱區(qū)中取出，該出口產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于加熱區(qū)內(nèi)部與加熱區(qū)外部之間壓差的壓降。壓降可通過用于例如流通面積限制的任何合適裝置產(chǎn)生，例如閥、噴嘴或具有窄通道的任何其它種類。加熱區(qū)的出口可例如優(yōu)選為任選在其末端具有流通面積限制，例如具有直徑為該管道或管內(nèi)徑的0.9-0.05倍或0.5-0.05被，優(yōu)選0.3-0.1倍的開口的隔熱管道或管。然而，不需要流通面積限制或任何其它專用裝置，因?yàn)橛删哂信c加熱區(qū)相同流通面積的出口產(chǎn)生的壓降通常足以防止加熱區(qū)內(nèi)微球完全膨脹。管道或管可以為剛性或撓性的，其中在后者中，可容易送入微球的所需出口點(diǎn)而不移動(dòng)整個(gè)裝置。
[0034]加熱區(qū)中所需的確切壓力取決于溫度和微球的類型。優(yōu)選，加熱區(qū)中保持的壓力為至少4巴，最優(yōu)選至少10巴。上限由實(shí)際考慮決定，并且可例如為高達(dá)40巴或高達(dá)50巴。因此，優(yōu)選加熱區(qū)能夠經(jīng)受該壓力。
[0035]加熱區(qū)中可膨脹微球的溫度通常與其中漿料的溫度基本相同。加熱漿料的確切溫度取決于微球的等級(jí)。對(duì)于多數(shù)等級(jí)的微球，溫度優(yōu)選在60-160°C，優(yōu)選80-160°C或100-150°C范圍內(nèi)，但對(duì)于一些等級(jí)的微球，可能需要較高的溫度，例如200°C或者甚至250°C或更高。用于加熱漿料的裝置因此應(yīng)優(yōu)選能夠?qū){料加熱至該溫度。
[0036]在加熱區(qū)中，可膨脹微球漿料流從入口輸送至出口并在壓力下加熱至足夠高的溫度以任選將微球在其中部分膨脹或者至少在加熱區(qū)出口處壓力降低時(shí)膨脹，并且它們以足夠低的溫度進(jìn)入該區(qū)中。該區(qū)中的壓力通常為基本常壓，但取決于微球的溫度可保持為較高或較低的。在該階段中，微球通常還通過該區(qū)中的周圍空氣冷卻。微球在加熱區(qū)中的平均停留時(shí)間優(yōu)選為足夠長的以確保達(dá)到漿料的足夠高溫度并保持用于隨后的膨脹。為確保高且恰當(dāng)質(zhì)量的生產(chǎn)，裝置可任選進(jìn)一步具有穩(wěn)定漿料流的脈沖消除裝置。
[0037]當(dāng)膨脹在加熱區(qū)的出口處在壓降下進(jìn)行或開始時(shí)，微球流動(dòng)也明顯加速。同時(shí)，微球自動(dòng)冷卻至該低溫，使得膨脹停止，形成膨脹完成的點(diǎn)。為使微球的衰變最佳化并避免聚集，優(yōu)選壓降經(jīng)流動(dòng)方向上盡可能短的距離進(jìn)行。
[0038]由于通過加熱區(qū)出口處的壓降的微球的衰變和冷卻快速進(jìn)行，膨脹微球通?；静缓奂w。膨