專利名稱：動(dòng)態(tài)螺旋式混合器和使用該混合器的混合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有螺旋式混合元件的混合器，這些混合元件可以混合具有顯 著不同粘度的成分。
背景技術(shù)：
任何兩種不同材料的混合需要小心確保實(shí)現(xiàn)所想要的混合量。材料可以在組 分、密度、粘度和其它因素上有所不同?；旌蟽煞N彼此反應(yīng)的不同材料使混合過程復(fù)雜化，因?yàn)榛旌蠙C(jī)制可造成兩種材 料之間的反應(yīng)會(huì)過早地或無意地在其中發(fā)生的條件。在高分子化學(xué)中已知二組分系統(tǒng)作為混合在一起之后可反應(yīng)的兩種不同材料。 混合的定時(shí)和方式涉及微妙的參數(shù)組合，以確保兩種組分的充分混合而很少有或沒 有反應(yīng)，直到適當(dāng)混合的組分已經(jīng)從混合裝置分配出去為止。巳知用來混合有泡沫的、二組分系統(tǒng)的靜態(tài)螺旋式混合器。例如，參見美國專 利5，893，486 (Wasmire)或美國專利5,480,589 (Belser等)。遺憾的是，兩種組分 只遇到靜態(tài)的即固定的螺旋式混合器，該混合器對(duì)于商業(yè)目的來說被認(rèn)為是不夠 的，因?yàn)閮煞N不同粘度的材料會(huì)以不同的速率和路徑來行進(jìn)。還知道用來混合二組分系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)混合器。例如，參見美國專利4,778,631 (Cobbs， Jr.等)和美國專利6,443,612 (Keller)。遺憾的是，該動(dòng)態(tài)混合器并不包 含螺旋式混合元件，由此使該裝置對(duì)于商業(yè)目的來說是不夠的，由于在混合腔室中 的停留時(shí)間，螺旋式混合器可將材料迅速從腔室中推出。動(dòng)態(tài)螺旋式混合元件也是已知的，但是并不用在二組分系統(tǒng)的高壓混合中。 Decker D系列的低壓混合器在www.liquidcontrol.com上有論述。低壓聚氨酯混合頭在www.edge-sweets.com上也有表述。 發(fā)明內(nèi)容本技術(shù)領(lǐng)域需要的且相當(dāng)長時(shí)間以來需要的是一種用于二組分系統(tǒng)的混合裝 置的動(dòng)態(tài)混合器，該混合器設(shè)計(jì)成在高壓、卨'剪切條件下工作，從而二組分系統(tǒng)可 以在迅速的停留時(shí)間內(nèi)精細(xì)混合且在輸送壓頭中高度剪切。還有，本技術(shù)領(lǐng)域需要一種便攜式混合頭，用來將二組分系統(tǒng)輸送至遠(yuǎn)離動(dòng)力泵的任^r位置，該動(dòng)力泵將 兩種不同的組分輸送至混合頭。本發(fā)明通過提供一種便攜式混合頭組件來解決這個(gè)長期以來存在的問題，該混 合頭組件包含帶有螺旋式混合元件的混合器，以驅(qū)動(dòng)該動(dòng)態(tài)螺旋式混合器的液壓馬 達(dá)。而且，木發(fā)明涉及一種混合器，該混合器組合了高剪切的螺旋式混合元件，該 混合元件在混合頭中具有非常小的滯留體積并且具有獨(dú)特的輸送系統(tǒng)，以提供任何 其它裝置所不能獲得的高效混合。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的裝置允許處理兩種或多種組分 的反應(yīng)性系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有顯著不同的粘度和比例。換句話說，本發(fā)明的裝置將髙剪切混合頭的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合入需要非常短的停留時(shí)間 和高壓混合的用于混合材料的混合裝置。本發(fā)明的一個(gè)方面是一種混合裝置，該混合裝置包括混合頭，該混合頭具有液 壓馬達(dá)和基本圓柱形的混合器，該混合器具有延伸自其的螺旋式混合元件，其中， 基本圓柱形的混合器構(gòu)造成在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下在混合腔室內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以混合兩種不 同粘度的流體并將流體推進(jìn)通過混合腔室。本發(fā)明的另一方面是一種包括以上剛剛所述的動(dòng)態(tài)混合器的混合裝置，該動(dòng)態(tài) 混合器用在髙剪切、高壓的混合環(huán)境中，利用液壓驅(qū)動(dòng)該動(dòng)態(tài)混合器。本發(fā)明的另一方面是一種使用以上剛剛所述的混合裝置來混合具有不同粘度 的兩種流體的方法，這兩種流體移動(dòng)通過這種設(shè)計(jì)成用于低停留時(shí)間的高壓混合的混合裝置。木發(fā)明的另一方面是由移動(dòng)通過上述混合裝置的具有不同粘度的兩種流體制 造合成物的方法。本發(fā)明的另一方面是由移動(dòng)通過i:述混合裝置的具有不同粘度的兩種流體制 成的合成物當(dāng)看到下面的附圖而考慮到本發(fā)明的實(shí)施例時(shí)，特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得顯而易見。


圖1是本發(fā)明的混合裝置的一個(gè)實(shí)施例的圖。圖2是木發(fā)明的動(dòng)態(tài)混合器的一個(gè)實(shí)施例的立體圖。圖3是圖2的混合器的側(cè)視圖。圖4是圖3的混合器沿著線A-A的剖視圖。圖5是木發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的頭組件的平面圖。
具體實(shí)施方式
混合裝置在本發(fā)明中使用的混合裝置是如圖1所示的分配系統(tǒng)。適于在本發(fā)明中使用的 分配系統(tǒng)可從美國佛羅里達(dá)州的阿波普卡(Apopka)的聚合物加工公司(Polymer Processing Co.)購得。目前使用的是Vader牌分配系統(tǒng)，該分配系統(tǒng)的最大輸出是 2.5加侖/分、最大壓力是3000磅/平方英寸、容許的粘度范圍是200-2500厘泊、而 90磅/平方英寸處的耗氣量是50 SCFM，且?guī)в袃蓚€(gè)正排量泵。其它分配系統(tǒng)可基 于定單從聚合物加工公司購得。通常，Vader牌分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)成使用用于高壓混合的沖擊式混合元件。本發(fā)明 用下面描述的混合元件和液壓馬達(dá)來替換了沖擊式混合元件，以在腔室中的實(shí)現(xiàn)較高的剪切和較高的壓力混合，并a使用較短的停留時(shí)間。如同根據(jù)木發(fā)聽所構(gòu)造的，設(shè)計(jì)一種分配系統(tǒng)以分配具有相同粘度的兩種不同 材料的混合物、具有不同粘度的相同材料、或者具有不同粘度的兩種不同材料。諸 如聚氨酯之類的二組分聚合物系統(tǒng)是具有兩個(gè)不同粘度的兩種不同材料，由于兩種 組分的髙度反應(yīng)性，而在混合腔室內(nèi)以非常迅速的處理量、即非常短的停留時(shí)間來 混合。"不同的粘度"是指兩種材料之間的任何可辨別的粘度差，從而需要混合裝置 來混合兩種材料。較佳的是，第二材料的粘度是第一材料的至少兩倍。最佳的是， 第二材料的粘度是第一材料的粘度的至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，在聚氨酯化學(xué)中， 種材料、棊于聚氨酯的樹脂具有約10,000的粘度，而第二材料具有約250的粘度。 性能非常極端的是， 一種材料可具有高達(dá)1,500,000厘泊的粘度，而第二材料可具 有小于100厘泊的粘度。對(duì)于二組分的泡沫聚氨酯系統(tǒng)來說,一種材料對(duì)于不同粘度的第二材料的粘度比可以在約1 : 1到約3000: 1的范圍內(nèi)，而最佳地在約1 : 1到約10: 1的范圍內(nèi)。 混合裝置的輸出可以是從約5磅/分到約300磅/分。較佳的是，輸出可以是從約10磅/分到約150磅/分，更佳的是，輸出可以是從約15磅/分到約60磅/分。 混合裝置的壓力可以從約300到約3000磅/平方英寸(psi)。較佳的是，壓力輸出可以是從約400到約2000 psi，更佳的是，壓力輸出可以是從約500到約1500psi?；旌涎b置的耗氣量可以是從約6到約10立方英尺/分(cfm)。圖1以其基本程度描繪了分配系統(tǒng)IO，該分配系統(tǒng)10以兩個(gè)貯存器作為開始。 貯存器12包含例如一種組分的聚氨酯樹脂。貯存器112包含例如第二組分的異氰 酸酯以與聚氨酯樹脂反應(yīng)。分別使用泵14和114從貯存器12和112中將兩種組分分別抽入管線16和116 中。這些管線分別進(jìn)入腔室18和118，配量泵20作用在腔室18和118上以根據(jù) 預(yù)設(shè)的比分配每種組分。 一定比例的組分分別通過管線22和122排出腔室18和 118，并且進(jìn)入混合歧管24?；蛘撸M(jìn)入混合歧管的還有例如溶劑之類的第三材料， 該第三材料從貯存器26由泵28通過管線30而進(jìn)入。就這點(diǎn)而言，本文中的分配系統(tǒng)10是傳統(tǒng)的混合裝置，且包括熟悉本領(lǐng)域的 技術(shù)人員所熟知的各種閥、過濾器、計(jì)量器等，以控制和監(jiān)測(cè)從貯存器12和112 到歧管24的流體運(yùn)動(dòng)。腔室32連接至歧管24的出口，在該腔室32中具有動(dòng)態(tài)混合器。將在下面的 部分更詳細(xì)地描述動(dòng)態(tài)混合器。在腔室32的出口處串聯(lián)著流體調(diào)節(jié)器34、帶有 截±閥38的流體管線36和分配閥40。至此所述的分配系統(tǒng)IO對(duì)于分配二組分混合物來說還是傳統(tǒng)的。二組分混合 物的非限制性例子包括粘合劑、泡沫材料、密封劑、涂層等。圖2是本發(fā)明的動(dòng)態(tài)混合器42的一個(gè)實(shí)施例的立體圖?；旌掀?2在混合器的 外周界上在混合器長度的至少一部分上具有總的用附圖標(biāo)記44標(biāo)示的螺旋元件。 螺旋元件44可以看成公共面上方升起的脊或公共面下方凹陷的槽。在本文中，螺 旋元件44是凹入混合器42的外周界的槽，從而混合器42的外徑的參考值已經(jīng)從 中減去了構(gòu)成螺旋元件44的槽的深度。當(dāng)沿著混合器42的軸線從上游方向向下游方向觀看時(shí)，螺旋元件44可以順時(shí) 針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。較佳的是，螺旋元件44逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)以推進(jìn)?；旌掀?2具有小于腔室32的內(nèi)徑的外徑?；旌掀?2在腔室32內(nèi)的間隙量可 以是從約0.025到約0.125英寸，較佳的是從約0.025到約0.075英寸?；旌掀?2的長度是從約3到約15英寸，較佳的是從約10到約12英寸?；旌掀?2的節(jié)距限定了沿著混合器42的長度螺旋元件44的轉(zhuǎn)數(shù)，該節(jié)距是 從約5到約15英寸，較佳的是從約10到約12英寸。圖2所示的混合器42的實(shí)施例具有4.00 x 3.75的節(jié)距?；旌掀?2具有總共五 個(gè)不同段46、 48、 50、 52和54，當(dāng)歧管24中的兩種組分在壓力下通過腔室32時(shí)， 這五個(gè)不同段用來提供不同的混合機(jī)制。段46具有螺旋元件48。段48沒有。段 50具有螺旋元件48。段52沒有。段54具有螺旋元件。因此，在該實(shí)施例中，以 它們的適當(dāng)比例排出歧管的兩種組分在腔室32內(nèi)遇到五個(gè)不同機(jī)械作用的段。盡管圖2-4示出了本發(fā)明的動(dòng)態(tài)螺旋式混合器的一個(gè)實(shí)施例，但是應(yīng)該理解， 基于混合器42的各種混合結(jié)構(gòu)可在本發(fā)明的范圍內(nèi)使用。熟悉本領(lǐng)域的人員無需 過度實(shí)驗(yàn)就可構(gòu)造具有螺旋元件和沒有螺旋元件的段，或者具有不同深度和半徑的 螺旋元件的段，或者它們的任意組合，以優(yōu)化不同粘度的兩種材料、兩種不同粘度 的相同材料、或相同粘度的兩種不同材料的精細(xì)混合，以從閥40分配出去。如同 可從圖2-4中看到的，螺旋形設(shè)計(jì)成推進(jìn)材料，切口用作內(nèi)部"混合腔室"，在該 "混合腔室"中，材料被螺旋形混合和抓住并被推出錐形空間。在較佳的實(shí)施例中，使用具有段46、 48、 50、 52和54的動(dòng)態(tài)混合器42,人 們可以高達(dá)200磅/分的速率分配兩種或多種組分的聚氨酯系統(tǒng)，以填充模子或?qū)?材料連續(xù)地涂敷在襯底上。這種反應(yīng)性的聚氨酯系統(tǒng)可包含發(fā)泡劑以產(chǎn)生泡沫聚氨 酯。這些配方的例子對(duì)于本領(lǐng)域是熟知的，且可在諸如由陶氏化學(xué)公司(Dow Chemical Company )的Ron Herrington和Kathy Hook所著的"Flexible Polyurethanes Foams"、 1997年第二版之類的出版物中找到，在此以參見的方式引入該出版物。圖3示出了圖2的混合器42的更詳細(xì)的平面圖。圖4是沿著線A-A的圖3的 剖視圖。段46的長度是從約0.50到約2英寸，較佳的是從約1到約1.5英寸。 段48的長度是從約0.25到約1英寸，較佳的是從約0.300到約0.400英寸。 段50的長度是從約0.50到約2英寸，較佳的是從約0.750到約1.5英寸。 段52的長度是從約0.25到約1英寸，較佳的是從約0.300到約0.400英寸。 段54的長度是從約0.50到約2英寸，較佳的是從約0.750到約1.5英寸。 混合器42的段46、 50和54的外徑是從約1到約6英寸，較佳的是從約1到約2英寸?；旌掀?2的段48和52的外徑是從約0.5到約3英寸，較佳的是從約0.75到 約1.5英寸。段46的長度是從約0.50到約2英寸，較佳的是從約1到約1.5英寸。在段46 的i:游端56有一周界面58，該周界面58并不包含任何螺旋元件44，以使兩種組 分能在混合開始之前進(jìn)入腔室32。周界面58的長度是從約0.150到約0.750英寸， 較佳的是從約0.187到約0.250英寸。在周界面58之后，槽60開始，從而在端46中形成螺旋元件。槽60沿縱向呈 螺旋形，且其半徑是從約0.06到約0.25英寸。最佳的是，半徑是約0.062英寸。 這些槽隔開從約0.020到約0.100英寸，較佳地隔開從約0.050到約0.075英、j%從 而在段46上有約12個(gè)槽。槽60的深度是從約0.100到約0.250英寸，較佳的是從 約0.125到約0.150英寸。段48沒有槽，而其外徑與段46在槽60的完全深度處的直徑是相對(duì)相同的量。 圖4是帶有槽60的段46與段48之間的相對(duì)直徑差的剖視圖。段50具有槽62，這些槽62開始于鄰近段48處。如圖4所示，在槽62的完 仝深度處，段50的直徑與段48的直徑是相對(duì)相同的，以使混合的材料能從段48 流入段50的槽62。槽62沿縱向是螺旋形的，且其半徑是從約0.050到約0.125英 寸，較佳的是從約0.062到約0.100英寸。最佳的是，半徑是約0.095英寸。槽62 隔開從約0.025到約0.100英寸，較佳地隔開從約0.045到約0.065英寸。從而在段 50上有約10個(gè)槽。槽62的深度是從約0.100到約0.250英寸，較佳的是從約0.125 到約0.150英寸。段52沒有槽，而其外徑與段50在槽62的完全深度處的直徑是相對(duì)相同的量。 圖4是帶有槽62的段50與段52之間的相對(duì)直徑差的剖視圖。段54具有槽64,這些槽64開始于鄰近段52處。如圖4所示，在槽64的完 全深度處，段54的直徑與段52的直徑是相對(duì)相同的，以使混合的材料能從段52 流入段54的槽64。槽64沿縱向是螺旋形的，且其半徑是從約0.050到約0.125英 寸，較佳的是從約0.062到約0.100英寸。最佳的是，半徑是約0.095英寸。槽64 隔開從約0.025到約0.100英寸，較佳地隔開從約0.045到約0.065英寸。從而在段 54上有約10個(gè)槽。槽64的深度是從約0.100到約0.250英寸，較佳的是從約0.125 到約0.150英寸?，F(xiàn)在參見圖4，描述混合器42的內(nèi)部。段46從段46的端部56處的開口 66開始具有兩個(gè)不同的截錐面。第一截錐面68沿著段46的整個(gè)長度延伸，且連接至段50內(nèi)的圓柱面70。截 錐面68到圓柱面70的過渡發(fā)生在段48內(nèi)。截錐面68的角度是從約2°到約10°， 較佳的是約8°。第二截錐面72從開口 66延伸到段46的大約70%長度處。截錐面72的角度 是從約2。到約10°，較佳的是約5。。在第二截錐面72內(nèi)的是螺旋元件74，該螺旋元件74與螺旋元件44同向旋轉(zhuǎn)。 螺旋元件74采取槽76的形式，這些槽76的深度穿透到段46的槽60的表面。在 該實(shí)施例中，當(dāng)從開口66觀察時(shí)，螺旋元件74順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。槽76延續(xù)了與槽60 相同的節(jié)距，且其半徑是從約0.020到約0.075英寸，較佳的是從約0.025到約0.035 英寸。因此，通過槽76與槽60的連通，混合的材料可從開口 66流通到槽76再到槽 60，所有這些都在段46內(nèi)，然后再前進(jìn)到段48。表面68、 70和72的組合形成內(nèi) 部空間或"籃"，^該內(nèi)部空間或"籃"內(nèi)，材料在被推進(jìn)之前被收集，用向心力 通過槽76和60推進(jìn)到混合器42的外表面。段46長度的大約65%具有由槽76和槽60交叉所引起的開口 ?；旌掀?2通過由液壓馬達(dá)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、穿過且沿著腔室32內(nèi)的混合器42 的流體材料的加壓流動(dòng)而在腔室32中旋轉(zhuǎn)?；旌掀?2在腔室32中的旋轉(zhuǎn)可以是 從約200rpm到約5000rpm，較佳的是從約2000rpm到約4000rpm，根據(jù)所想要的 可變速度以完成具有不同粘度的兩種材料的混合。圖5是示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的頭組件80的平面圖，該頭組件80包括如 圖2-4所示的混合器42。如上所述，混合器42使用變速混合器液壓馬達(dá)82，在圖 5中，該壓馬達(dá)82通過軸84連接至混合器42，該軸84在框架(總的用附圖標(biāo)記 86來標(biāo)示)內(nèi)旋轉(zhuǎn)，該框架86還包含軸承88和90。止回閥92和94分別與管線 22和122流體連通。兩種不同粘度的材料行進(jìn)通過管線22和122，通過lh回閥92 和94進(jìn)入由表面68、 70和72形成的"籃"。沖洗閥96也在材料流動(dòng)的流體連通 內(nèi)，以用T清潔。液壓馬達(dá)82連接至液壓泵(未示出)。在本發(fā)明的頭組件中使用液壓馬達(dá)有幾 個(gè)優(yōu)點(diǎn)。續(xù)先，液壓馬達(dá)在由于不同粘度材料的高剪切混合所引起的混合器42內(nèi) 增加的混合力下保持每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，這種不同粘度有時(shí)候是數(shù)量級(jí)的差別。代替液壓 馬達(dá)82的電動(dòng)機(jī)將在混合力下降低每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，從而導(dǎo)致混合效率的損失。增加的壓力引起電動(dòng)機(jī)的工作效率較低。其次，液壓馬達(dá)重量較輕且質(zhì)量較小。在從分配閥40輸送完全混合的流體時(shí)， 這使頭組件80變得十分便攜且能被移動(dòng)頭組件的個(gè)人或機(jī)器所處理。換句話說， 液壓馬達(dá)與具有相同功率級(jí)的電動(dòng)機(jī)相比以較小的體積或重量將動(dòng)力一致地轉(zhuǎn)移 到混合器42。第三，液壓馬達(dá)從流體從閥40分配出去之處消除電火花的可能性。液壓泵裝 置h分遠(yuǎn)離閥40，使混合器42能在電f元件會(huì)增加危險(xiǎn)性之處的易揮發(fā)空間中工 作。因?yàn)閯?dòng)力從液壓馬達(dá)82到混合器42的轉(zhuǎn)移是十分重要的，所以設(shè)置兩個(gè)軸承 88和90以控制軸84的旋轉(zhuǎn)。而且，軸承88和90設(shè)置在框架86上，以使它們相 應(yīng)的固定支座設(shè)置成正交的關(guān)系。不是將兩個(gè)軸承都固定到與軸86的軸線平行的 平面中的框架86上，而是將軸承90固定到框架86處于橫向于軸86的軸線的平面 中的一部分上。液壓馬達(dá)82、軸84、框架86、軸承88和軸承90中的每一個(gè)都對(duì)構(gòu)成便攜的、 輕質(zhì)的、不用電的頭組件80起作用。參見圖4，螺旋元件74和螺旋元件44的相對(duì)旋轉(zhuǎn)在來自歧管24的被混合的 兩種材料內(nèi)產(chǎn)生紊流，從而對(duì)于不同粘度的材料或兩種不同材料發(fā)生精細(xì)混合。具有螺旋元件44和74的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)式混合器42相對(duì)于傳統(tǒng)分配系統(tǒng)的靜態(tài)混 合器的優(yōu)點(diǎn)可以是如下列出的短的停留時(shí)間、可變的速度以匹配材料種類和產(chǎn)量、 待切割和混合的材料剪切。材料如前所述，可從本發(fā)明的混合器42和混合裝置10中獲益的材料不計(jì)其數(shù)且都 是熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，材料可以是從聚合物、前 聚物、漿、髙度填充材料、食品到流體(液體和氣體)?；旌系牟牧峡梢允嵌栊缘?或反應(yīng)性的。反應(yīng)性的聚合物或前聚物通常在分配系統(tǒng)10中混合，尤其是假如材料彼此髙 度反應(yīng)也是如此。通常，根據(jù)本發(fā)明的裝置可用來混合一旦固化就變成固體的反應(yīng) 性流體系統(tǒng)。固化基本上在混合材料排出混合裝置之后發(fā)生，并且通常導(dǎo)致固體的、 柔性的或剛性的產(chǎn)品，假如使用發(fā)泡劑的話，該產(chǎn)品也可以是泡沫的?；旌涎b置 10可在涂敷至運(yùn)動(dòng)襯底時(shí)在連續(xù)的過程中使用，或者可在用來i真充模子或其它需 要間歇操作的結(jié)構(gòu)時(shí)不連續(xù)地使用。本發(fā)明也可用來處理熱塑性聚合物。熱塑性聚合物通常是那些可以在至少髙達(dá) 軟化點(diǎn)或熔化點(diǎn)的溫度下模塑、擠壓、鑄造、或以其它方式成形和再加工的聚合物。任何合適的熱塑性聚合物用作在本發(fā)明的混合裝置10中混合的材料中的一種。例如，聚氨酯、聚烯烴、聚酰胺、聚醚、聚乙烯(諸如塑料溶膠)和聚酯形成 在本發(fā)明的某些實(shí)施例中的合適熱塑性或熱固性聚合物。這些材料的例子包括二組分聚氮酯(PU)、尼龍6、尼龍66、聚苯醚(PPE)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、 聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)、以及聚丙烯(PP)，所有這些都可從熟悉本領(lǐng)域的技 術(shù)人員所熟知的許多來源購得。二組分聚氨酯可從美國密蘇雖州的圣路易斯的(St. Louis)的拜力'聚氨酯系統(tǒng)公司(BayOneUrethane Systems, LLC)購得。 可供選擇的添加劑從本發(fā)明獲益的材料可以包括一定量的傳統(tǒng)塑料添加劑，該量足以獲得所想要 的化合物加工或運(yùn)行特性。該量不應(yīng)浪費(fèi)添加劑，也不應(yīng)對(duì)化合物的加工或運(yùn)行有 害。熟悉熱塑性化合物領(lǐng)域的技術(shù)人員無需過度實(shí)驗(yàn)而參照來自Plastics Design就可從許多不同類型的添加劑中進(jìn)行選擇以包含在本發(fā)明的化合物中。、可供選擇的添加劑的非限制性例子包括助粘劑殺生物劑(殺菌劑、殺真菌劑 和防霉劑)、防翳劑；抗靜電劑；粘合劑、起泡劑和發(fā)泡劑；分散劑；填充劑和增 tt劑；阻燃劑和抑煙劑；抗沖改性劑；引發(fā)劑；潤滑劑云母；顏料、色素和染料 增塑劑；加工助劑；脫離劑；硅烷、鈦酸鹽和鋯酸鹽；滑爽劑和防粘劑；穩(wěn)定劑； 硬脂酸酯；紫外線吸收劑；粘度調(diào)節(jié)劑；石蠟；以及它們的組合。根據(jù)本發(fā)明的裝置用于加工聚氨酯的系統(tǒng)可有特別顯著的優(yōu)點(diǎn)。通常，這些反 應(yīng)性系統(tǒng)具有兩種組分，一種包含異氰酸酯,而另一種包含與異氰酸酯反應(yīng)的組分， 諾如多元醇、胺、增鏈劑、交聯(lián)劑、水和其它組分。裝置10對(duì)于高度反應(yīng)性的聚 氨酯系統(tǒng)是尤其有用的，因?yàn)樵撗b置的混合作用如此有效，以致于用于被混合成分 的停留時(shí)間只需短至小于一秒的時(shí)間。因此，裝置10可有效地均勻混合最高度反 應(yīng)性的成分，并且在反應(yīng)發(fā)生之前就將該組合分配出去。還有其它成分對(duì)于構(gòu)成有用的產(chǎn)品來說是必需的，諸如催化劑、起泡劑、表面 活性劑、色素、染料、填充劑和其它料劑。在大多數(shù)情況下，這些組分可添加至與 異氰酸酯反應(yīng)的組分。在一些情況下，諸如催化劑或色素的組分可以單獨(dú)流添加。多種合適的成分是存在的且對(duì)于本領(lǐng)域是熟知的。對(duì)于合適的多元醇、異氰酸 酯、催化劑、抑制劑、交聯(lián)劑、增鏈劑、表面活性劑、起泡劑、阻燃添加劑、填充劑、防翳劑、脫模劑、殺生物添加劑和其它專用添加劑的更洋細(xì)描述可在Guenter Oertel所著的"PolyurethaneHandbook",第二版，Hanser 1993中找到，在此以參見 的方式引入該書。合適異氰酸酯的例子是甲苯二異氰酸酯(TDI)和二苯甲烷二異氰酸酯(MDI) 以及它們的混合物。MDI不必以純的或接近純的4，4'同質(zhì)異構(gòu)體的形式來使用?？?使用諸如聚氨酯和碳化二亞胺改性異氰酸酯之類的改性異氰酸酯。也可使用包含三 個(gè)和更卨官能度的聚合的和天然的異氰酸酯。也可使用異氰酸酯端接的預(yù)聚物和準(zhǔn) 預(yù)聚物。除了純異氰酸酯之外，還可使用異氰酸酯端接的預(yù)聚物及其混合物。材料的混合兩種不同材料(如果有的話)的反應(yīng)速度決定了混合參數(shù)。在二組分聚氨酯系 統(tǒng)中，在兩種材料是與異氰酸酯反應(yīng)的樹脂和異氰酸酯的情況下，基本反應(yīng)可在約 2秒到約5分的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，較佳地在約8秒到30秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。因此，從歧管24到分配閥40的聚氨酯系統(tǒng)的兩種組分的停留時(shí)間必須短于反 應(yīng)的開始時(shí)間。因此，混合器42對(duì)于聚氨酯系統(tǒng)的兩種組分的精細(xì)混合來說是至關(guān)重要的， 以在離開分配閥40后對(duì)于所想要的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)合適的條件，但不引起在腔室32、調(diào) 節(jié)器34、管線36或分配閥40中開始的反應(yīng)。如同目前用如圖2-4所示的、使用來自聚合物加工公司的Vader牌分配系統(tǒng)10 的混合器42來構(gòu)造的，聚氨酯系統(tǒng)的彼此接觸的兩種組分的停留時(shí)間確實(shí)是非常 短的時(shí)間，是從約1到約20秒，較佳的是從約2到約5秒。木發(fā)明的實(shí)用性任何兩種不同材料的混合需要小心確保實(shí)現(xiàn)充分的和徹底的混合。材料可以在 組分、密度、粘度和其它因素上有所不同。不同的程度取決于相對(duì)流量和粘度差。 例如，最容易混合的二組分系統(tǒng)是將具有相同粘度和密度的兩種流體流以1 : 1的 比例混合。隨著偏離該理想系統(tǒng)，混合變得越來越難。當(dāng)諸組分起化學(xué)反應(yīng)時(shí)，混合將變得更加復(fù)雜。所有組分的混合需要在材料的 反應(yīng)迅速開始之前基本完成。通常在聚氨酯固化系統(tǒng)中，理想的是，增大任何給定系統(tǒng)的反應(yīng)性，因?yàn)檩^高 反應(yīng)性的系統(tǒng)固化得較快，每單位時(shí)間可生產(chǎn)較多部件和/或需要較少的模子。較 高反〗&性是指縮短了 "開放時(shí)間"，這進(jìn)一步增加了對(duì)于混合過程的要求，從而整 個(gè)混合需耍在混合頭中在非常短的時(shí)間跨度內(nèi)發(fā)生。組分在混合頭中的停留時(shí)間需要非常短，是幾秒的量級(jí)。己有不同類型的混合器用于本行業(yè)中的許多應(yīng)用場(chǎng)合中。它們是沖擊式混合器、動(dòng)態(tài)混合器、靜態(tài)混合器和Oakes型混合器。這些混合器中的每一種都具有用 于自身用途的優(yōu)點(diǎn)，但沒有一個(gè)構(gòu)造成在高壓下、在反應(yīng)性二組分系統(tǒng)所需的短停 留時(shí)間內(nèi)提供兩種不同粘度材料的動(dòng)態(tài)混合。沖擊式混合器是熟知的，且在許多行業(yè)上成功應(yīng)用己有很長的歷史。在聚氨酯 行業(yè)中，這種機(jī)器在許多年之前首先開發(fā)出來，現(xiàn)在可從多個(gè)公司購得。這些混合 器通過將兩種相對(duì)加壓的組分噴射入小腔室中來實(shí)現(xiàn)有效混合。通過使相對(duì)的流彼 此沖擊來實(shí)現(xiàn)混合?；旌项^沒有運(yùn)動(dòng)部件。壓力需要相當(dāng)大且常常超過1000psi。 Ilennecke牌機(jī)器常常在2000 psi左右的壓力下運(yùn)行。這種技術(shù)的限制要求諸流在它們的流量、粘度和密度方面必須是大約相同的數(shù)量級(jí)，因?yàn)榉駝t一種流會(huì)壓過另一種流，從而導(dǎo)致不充分的混合。另一缺點(diǎn)是對(duì)于給定的混合頭，流量無法改變很多，因?yàn)檫M(jìn)入混合腔室的材料速度對(duì)于混合作 用是至關(guān)重要的。動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)式混合器是阿基米德螺線混合器，其用在從螺旋鉆到液壓泵的應(yīng)用場(chǎng) 合進(jìn)行推進(jìn)和泵送。這種泵送或推進(jìn)作用從腔室中迅速去除混合的材料，從而剪切 并推進(jìn)。動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)式混合器的缺點(diǎn)是需要沖洗步驟、分配頭的大尺寸和由電動(dòng)混合頭引 起的重量。靜態(tài)混合器是簡單的，且沒有運(yùn)動(dòng)部件。它們可以在許多應(yīng)用場(chǎng)合有效混合流體。靜態(tài)混合器的缺點(diǎn)是混合元件的數(shù)量需要顯著增加，以混合不同粘度比高于3 : 1的流體。這增大了滯留體積，并使混合器不適于反應(yīng)性系統(tǒng)。其次，這種混合 器只適于-連續(xù)操作，而不適于間歇操作，因?yàn)榛旌掀餍枰獩_洗以防止生產(chǎn)運(yùn)行之間 的配置。在—些行業(yè)中，在混合要求較低的情況下，這種混合器是一次性的，且在 每次生產(chǎn)運(yùn)行之后進(jìn)行更換。Oakes混合器有缺點(diǎn)混合器內(nèi)的滯留體積(太長的停留時(shí)間和太大的停留體 積)較高，這使得混合器不適于處理高度反應(yīng)性材料。也不適于間歇操作，因?yàn)樯?產(chǎn)運(yùn)行之間的沖洗產(chǎn)生浪費(fèi)且通常是不實(shí)際的。許多產(chǎn)品迫于成本壓力，從而導(dǎo)致希望降低材料的成本。減少成本的一種方式 是使用不昂貴的填充劑。許多種填充劑可用在許多行業(yè)的各種化學(xué)反應(yīng)中。最不昂貴的填充劑中的一種是用在許多產(chǎn)品和行業(yè)中的壓碎的碳酸鈣。在本發(fā)明的目前時(shí)刻，在批量購買時(shí)，碳酸鈣可以大約3美分/磅的價(jià)格購得。在與石油 衍生的聚合化學(xué)物相比(常常貴于1.00美元/磅)時(shí)，顯然使用填充劑可顯著降低 系統(tǒng)的成本。添加填充劑顯然導(dǎo)致對(duì)于混合裝置的增加需求。首先，將填充劑添加至一種組 分指數(shù)地增大了該特定組分的粘度。其次，組分之間的比例變化成更加不一致，因 為填充劑在大多數(shù)情況下是惰性的且并不參與化學(xué)反應(yīng)。第三，被填充的組分的密 度常常會(huì)增大，這進(jìn)一步增大了組分之間的不一致性。還有，沖擊型混合器上的緊 公差會(huì)迅速磨損。對(duì)于用在反應(yīng)性組分中的化學(xué)物質(zhì)，相對(duì)密度常常是從0.8到1.3。填充劑可 具有一密度范圍，然而因?yàn)槌３Ｔ醋缘V產(chǎn)物，密度常常顯著高f 1。例如，碳酸鈣 的相對(duì)密度是2.7。三水合鋁由于其阻燃性而是常用的填充劑,它的相對(duì)密度是2.6。建議考慮一例子來示出添加有填充劑的混合過程所產(chǎn)生的難題。考慮高度反應(yīng)性的系統(tǒng)由未填充的組分A和B構(gòu)成，且以比例1 : 1進(jìn)行處理。 假設(shè)組分A和組分B的系統(tǒng)都具有1000 cps的粘度和l的相對(duì)密度。還有，因?yàn)?島度反應(yīng)性，組分需要在2秒內(nèi)混合，B卩，在混合頭中的混合停留時(shí)間玎以不超過 2秒。進(jìn)一步假設(shè)，該配方需要將3份相對(duì)密度為2.7的填充劑添加到1份組分B。為了說明填充劑添加的成本效益，假設(shè)組分A和B的成本是l美元/磅，而填 充劑的成本是3美分/磅。在該例子中，填充劑的添加將系統(tǒng)成本從1美元/磅降低 到了0.42美元/磅。為了降低混合過程的難度，人們可以將填充劑添加至兩種組分。這增加了混合 過程的復(fù)雜性，并且在許多化學(xué)行業(yè)中，填充劑與諸組分中的一種是不相容的。例 如，在聚氨酯化學(xué)行業(yè)中，碳酸鈣與異氰酸酯不相容，因?yàn)樘畛鋭┍砻嫔系氖Ｓ嗨?會(huì)與異氰酸酯反應(yīng)。填充劑的添加以三種不同的方式增加了混合過程的難度。首先，將3份填充劑 添加至組分B指數(shù)地提高了組分B的粘度。例如，在我們的例子中使用的3:1的 比例可以容易地將粘度從1,000 cps提高到100，000cps。其次，使用填充劑將組分 A和B之間的重量比從1:1改變到了 1:4。第三，被填充的組分B的相對(duì)密度從1 提高到了2.28。顯然，使用填充劑對(duì)于混合過程提出了顯著增加的要求，在根據(jù)本 發(fā)明的裝置出現(xiàn)之前，還沒能獲得可處理上述填充的反應(yīng)性系統(tǒng)的機(jī)器。根據(jù)本發(fā)明的裝置允許處理2種或多種組分的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在粘度上具有至少2個(gè)數(shù)量級(jí)的極端差別。此外，根據(jù)本發(fā)明的裝置可混合相對(duì)流量以及密度完全 不同的組分。此外，這里所述的裝置具有高度靈活性，它可處理傳統(tǒng)的未填充的系 統(tǒng)以及高度填充的系統(tǒng)。可在非常短的停留時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)相當(dāng)有效的混合，這使得該 裝置尤其適于高度反應(yīng)性系統(tǒng)。本發(fā)明還通過下列例子來說明。Mil使用根據(jù)本發(fā)明的、由聚合物加工公司提供的且由兩種組分構(gòu)成的機(jī)器來混合 反應(yīng)性的二組分聚氨酯系統(tǒng)。組分A: 二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)預(yù)聚物，且其中自由NCO的含量為約 28%。顏色是帶有淺黃色而透明的。 組分B:聚醚多醇 99.3 表面活性劑 5 催化劑 2 各種液體添加劑2.9 碳酸鈣 150 各種固體添加劑27 總的重量份數(shù) 286.2 組分A和組分B以1比5.3的重量比饋送。組分A和組分B的粘度在室溫下 分別是140 cps和430,000 cps。因此，組分A和B之間的粘度比是1比3071 ?；?合頭附連至吊桿，該吊桿允許將材料漿涂敷在六英尺寬的襯底上。進(jìn)入混合器的材 料是同質(zhì)的。具體地說，在黑色的組分B和透明淺黃色組分A之間沒有看到品質(zhì) 不勻。襯底由帶式運(yùn)輸器以約10英尺/分的速度運(yùn)動(dòng)。通過固定的刮片在2到10mm 的不同深度處測(cè)量該反應(yīng)性的聚氨酯混合物。在該刮片之后，被涂敷的襯底進(jìn)入設(shè) 為約140。C的40英尺長的烘箱。 一旦排出，混合物就完全固化成非常適于諸如鞋 墊和地毯之類的應(yīng)用場(chǎng)合的柔性板。 例子2使用根據(jù)本發(fā)明的、由聚合物加工公司構(gòu)建的機(jī)器來混合另一反應(yīng)性二組分聚 氨酯系統(tǒng)。組分A和組分B以1比8.12的重量比饋送?？傒敵鍪?.74磅/分，在 混合頭中的停留時(shí)間是5.67秒。組分A的組成與例子1相同。組分B的組成在下 面列出。組分A和組分B的在77F下的粘度分別是140 cps和192,000 cps。組分B 在135F的溫度下進(jìn)行處理，在該溫度下，測(cè)得的粘度是約80,000 cps。因此，組分A和B之間的粘度比是1比1571。在排出混合器之后，將混合的材料倒入1夸 脫的杯子中，且該材料在室溫下在3分鐘內(nèi)完全固化，從而產(chǎn)生柔性泡沫材料。切 割該泡沫材料，從而顯現(xiàn)出均勻結(jié)構(gòu)的精細(xì)單元。預(yù)涂敷的聚氨酯化合物的填充劑 含量是65%。組分B (重量份數(shù))聚醚多醇 100其它液體添加劑 5催化劑和表面活性劑 3碳酸鈣 300例子3使用根據(jù)本發(fā)明的、由聚合物加工公司構(gòu)建的機(jī)器來混合反應(yīng)性二組分聚氨酯 系統(tǒng)。組分A和組分B如下所述以1比2.02的重量比、25.3磅/分的組合速率饋送， 從而導(dǎo)致在混合頭中0.73秒的停留時(shí)間。組分A和組分B的粘度分別是250 cps 和11,250 cps。因此，組分A和B之間的粘度比是1比45。在排出混合頭之后， 將混合物倒入由硅樹脂制成的敞開的頂板圓雕的模子中。在傾倒之后，模子用蓋子 蓋上且設(shè)置入壓機(jī)中。在室溫下固化了 15分鐘之后，將固化的剛性泡沫材料部件 脫模。這樣制成的部件適用于建筑裝修。組分A: 二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)組分B (重量份數(shù))聚醚多醇 31催化劑和表面活性劑 1.46水 0.55碳酸鈣 66.84本發(fā)明并不局限于以上的實(shí)施例。后面是權(quán)利要求書。
權(quán)利要求
1.一種混合裝置，包括混合頭，該混合頭具有液壓馬達(dá)和基本圓柱形的混合器，該混合器具有延伸自其的螺旋式混合元件，其中，所述基本圓柱形的混合器被構(gòu)造成在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下在混合腔室內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以混合兩種不同粘度的流體并將所述流體推進(jìn)通過所述混合腔室。
2. 如權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于，所述混合頭還包括連接所述 液壓馬達(dá)和所述混合器的軸、以及至少一個(gè)用來穩(wěn)定所述軸的旋轉(zhuǎn)的軸承。
3. 如權(quán)利要求2所述的混合裝置，其特征在于，有兩個(gè)軸承用來穩(wěn)定所述軸 的旋轉(zhuǎn)。
4. 如權(quán)利要求3所述的混合裝置，其特征在于，所述兩個(gè)軸承固定在框架上 的不同平面中。
5. 如權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于，所述混合頭和混合腔室組合 在 一起形成不用電的便攜式混合裝置。
6. 如權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于，所述混合器以約200轉(zhuǎn)/分到 5000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
7. 如權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于，所述混合裝置町在約500到 約2000磅/平方英寸的壓力卜'工作。
8. 如權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于，來自所述混合裝置的輸出是 從約10磅/分到約50磅/分。
9. 如權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于，所述兩種不同的粘度具有從 約1:1到約3,000:1的粘度比。
10. —種使用混合裝置的方法，包括以下步驟(a) 通過連接至液壓馬達(dá)的軸來在腔室中驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)螺旋式混合器(b) 將具有不同粘度的兩種流體輸送入所述腔室；以及 (c )使用所述動(dòng)態(tài)螺旋式混合器混合所述兩種流體。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述兩種不同的粘度具有從約 1:1到約3,000:1的粘度比。
12. —種由具有不同粘度的兩種或多種流體制造合成物的方法，包括以下步驟:(a) 通過連接至液壓馬達(dá)的軸來在腔室中驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)螺旋式混合器；(b) 將具有不同粘度的所述兩種或多種流體輸送入所述腔室；以及(c) 使用所述動(dòng)態(tài)螺旋式混合器在高剪切速率下混合所述兩種或多種流體。
13. 如權(quán)利要求12所述的萬法，其特征在于，所述兩種不同的粘度具有從約 1:1到約3,000:1的粘度比。
14. 一種合成物，該合成物使用如權(quán)利要求1所述的裝置由具有不同粘度的兩 種流體制成。
15. 如權(quán)利要求14所述的合成物，其特征在亍，所述兩種不同的粘度具有從約 1:1到約3,000:1的粘度比。
16. 如權(quán)利要求14所述的合成物，其特征在于，所述兩種流體是在混合后會(huì)反 應(yīng)的組分，以產(chǎn)生聚氨酯化合物。
17. —種二組分聚氨酯產(chǎn)品，該聚氨酯產(chǎn)品由如權(quán)利要求16所述的合成物制成。
18. —種聚氨酯產(chǎn)品，該聚氨酯產(chǎn)品包括至少兩種反應(yīng)性組分，其中，所述兩 種反應(yīng)性組分的粘度比大于10:1。
19. 如權(quán)利要求18所述的聚氨酯產(chǎn)品，其特征在于，所述粘度比大于100:1。
20. 如權(quán)利要求18所述的聚氨酯產(chǎn)品，其特征在于，所述粘度比大于1000:1。
全文摘要
披露了一種動(dòng)態(tài)螺旋式混合器和使用該混合器的混合頭裝置。因?yàn)榛旌掀髟诨旌涎b置中提供高剪切的同時(shí)在混合頭中提供非常小的滯留體積，所以可以實(shí)現(xiàn)具有顯著不同的粘度和比例的兩種或多種組分的反應(yīng)性系統(tǒng)的高效混合?；旌项^利用液壓馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)螺旋式混合器。
文檔編號(hào)B01F7/24GK101262934SQ200680033021
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2006年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月13日
發(fā)明者F·比恩, M·魯濱遜, S·華萊仕, U·霍爾喬維斯基 申請(qǐng)人:拜萬聚氨酯系統(tǒng)有限公司