Процесс приготовления полимерно-биоматериальных композитов с низким содержанием влаги и вспучивающихся полимерно-биоматериальных композитов путем экструзии через перфорированную плиту (18) в водяную камеру (16) и гранулирования режущими пластинами (14). Полиолефины или конденсационные полимеры смешиваются в расплаве с твердым или полутвердым компонентом биологического происхождения (155), таким как полисахариды, включая производные целлюлозы и крахмала, или материалы белковой природы, включая полипептиды, и экструдируются, гранулируются под водой и обрабатываются в условиях ускоренного высушивания для достижения уровней влажности около одного процента (1%) или менее.

[0001] Способ переработки полимерно-биоматериальных композитов в гранулы, включающий стадии экструдирования нитей полимерно-биоматериального композита через перфорированную плиту (18) в подводный гранулятор (12, 102), разрезания композитных прядей на гранулы в грануляторе, транспортирования композитных гранул из гранулятора в виде гидросмеси воды и гранул и высушивания композитных гранул, отличающийся тем, что указанная стадия транспортирования композитных гранул включает инжектирование инертного газа с высокой скоростью в указанную гидросмесь воды и гранул, чтобы обеспечить удаление воды из указанных гранул и удержания гранулами внутренней теплоты, уменьшение поглощения влаги гранулами и ускорение транспортировки и высушивания гранул.

[0002] Способ по п.1, отличающийся тем, что высушивание гранул достигает уровня влажности приблизительно 1% и предпочтительно менее чем 1%.

[0003] Способ по п.1, отличающийся тем, что гранулы транспортируются в сушилку (32, 108) после того, как инертный газ с высокой скоростью инжектируется в гидросмесь воды и гранул.

[0004] Способ по п.3, отличающийся тем, что гранулы, выходящие из сушилки, поддерживаются в движении вибрационным блоком (84), во время чего продолжается высушивание названных гранул.

[0005] Способ по п.3, отличающийся тем, что указанное инжектирование инертного газа с высокой скоростью в гидросмесь воды и гранул вызывает возрастание скорости перемещения гранул в сушилку и через нее.

[0006] Способ по п.1, отличающийся тем, что газ инжектируется в названную гидросмесь воды и гранул с расходом по меньшей мере 100 м3/ч и предпочтительно около 175 м3/ч.

[0007] Способ по п.1, отличающийся тем, что газ инжектируется в гидросмесь воды и гранул, по существу, соосно с линией для перемещения гидросмеси.

[0008] Способ по п.7, отличающийся тем, что линия для перемещения гидросмеси поворачивает на угол между 30 и 60 ° и газ инжектируется на указанном повороте.

[0009] Способ по п.8, отличающийся тем, что указанное время пребывания указанных гранул в линии для перемещения регулируется с помощью шарового клапана (150), расположенного ниже по потоку инжектирования воздуха.

[0010] Способ по п.1, отличающийся тем, что полимерно-биоматериальный композит содержит вспениваемые, вспененные и невспененные композиты.

[0011] Способ по п.1, отличающийся тем, что полимерно-биоматериальный композит имеет от 5 до 95% полимера и от 10 до 90% биоматериала и предпочтительно от 30 до 70% биоматериала.

[0012] Способ по п.11, отличающийся тем, что названный биоматериал выбирается из группы, состоящей из полисахаридов, включая производные целлюлозы и крахмала, и белковых материалов, включая полипептиды, и любых комбинаций вышеназванных материалов.

[0013] Способ по п.11, отличающийся тем, что биоматериал содержит волокнистые частицы размером от 10 до 900 мкм с соотношением геометрических размеров от 1 до 50 и предпочтительно от 2 до 20.

[0014] Способ по п.11, отличающийся тем, что биоматериал содержит порошки, имеющие размер частиц от 15 до 425 мкм.

[0015] Способ по п.1, отличающийся тем, что полимер выбирается из группы, состоящей из полиолефинов, замещенных полиолефинов, сложных полиэфиров, полиамидов, полиуретанов и поликарбонатов.

[0016] Способ по п.1, отличающийся тем, что полимерно-биоматериальный композит содержит один или более агентов для придания большей совместимости между полимером и биоматериалом.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом касается способа и устройства, применяющего гранулирование под водой и последующее ускоренное высушивание полимерно-биоматериальных композитов и вспененных полимерно-биоматериальных композитов для производства гранул с существенно сниженным содержанием влаги. Более конкретно настоящее изобретение касается способа и устройства для гранулирования под водой полиолефинов, таких как полиэтилен и полипропилен, замещенных полиолефинов, таких как поливинилхлорид и полистирол, сложных полиэфиров, полиамидов, полиуретанов, поликарбонатов или сополимеров вышеназванных материалов, которые содержат твердый или полутвердый биосырьевой компонент, такой как полисахариды, включая производные целлюлозы и крахмала, или материалы белковой природы, включая полипептиды, в том числе вспучивающиеся композиты, с последующим ускоренным высушиванием этих таблеток и гранул, вспучивающихся или нет, таким образом, что содержание влаги в этих таблетках или гранулах существенно снижается. Процесс гранулирования и высушивания, описанный здесь, производит таблетки и гранулы, имеющие желаемый уровень влажности, достигающий одного процента (1%) или менее.

Уровень техники, к которой относится изобретение

Деревообрабатывающая промышленность в течение многих лет уделяла повышенное внимание композитам полимеров с древесными материалами. Поскольку высококачественные ресурсы для декоративной отделки и открытых поверхностей древесины с годами все сокращаются, были предприняты значительные усилия в поиске экономичных альтернатив. Особый интерес привлекали композитные материалы на основе полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида. Последние из таковых также исследовались в широком масштабе для использования в качестве вспененных композитных материалов с древесной мукой и различными неорганическими наполнителями.

Впоследствии область интересов расширилась с повышением внимания к конструкционным материалам, таким как отделочные материалы, к возможностям повторной переработки в производстве бумаги и древесной пульпы и утилизации отходов от процессов ферментации. Постоянный рост цен на нефть привел также к дополнительному анализу источников регенерируемых пластических материалов. В дальнейшем повышенное внимание было обращено на области ландшафтной архитектуры, производства автомобильных деталей и разработки материалов для устранения запахов домашних животных.

Основную проблему составляет контроль влажности на пути к конечному продукту. Высокое содержание влаги ведет к потенциальной потере структурной целостности конечного продукта вследствие растрескивания под воздействием напряжений и образования пузырей. Поверхностная отделка также может пострадать в результате неконтролируемого влагосодержания. Кроме того, существует проблема температурных ограничений, обусловленных применением целлюлозных материалов, которые в особенности предрасположены к обугливанию при повышении температуры обработки. Эта проблема ограничивает выбор пластических материалов, из которых могут быть изготовлены композиты.

Высушивание биосырьевых материалов сопряжено с большими затратами времени и является дорогостоящим в экономическом плане. Это дополнительно осложняется вероятностью поглощения влаги биологическими компонентами композитного материала при хранении, обусловливая необходимость дорогостоящего контроля влажности или применения влагонепроницаемой упаковки. Поэтому обработка, которая ведет к поглощению влаги из окружающей среды или включает непосредственное воздействие воды, не пользовалась популярностью в промышленности.

Пропускная способность производственной установки страдает от нормативных ограничений, обусловленных необходимостью снижения содержания влаги перед и/или в ходе процесса составления композиции. Чтобы избежать ненужного хранения и сократить нежелательное поглощение влаги, многие отрасли промышленности перешли к составлению композитов с непосредственным получением конечного продукта при помощи экструзии или иной производственной технологии.

В свете вышеизложенного настоящее изобретение сосредоточилось на разработке технологии получения полимерно-биоматериального композита без ненужного предварительного высушивания компонентов и с ускоренной обработкой для приготовления гранулированных полупродуктов, достаточно высушенных для последующей обработки, перевозки или многостадийной обработки, как потребуется. Этот процесс включает непрерывную технологическую цепочку, состоящую из экструзии, гранулирования под водой и ускоренного высушивания для изготовления желаемого композитного материала с низким содержанием влаги.

Уровень техники

Патенты США.

5441801 Aug. 1995 Deaner et al. 428/326

5563209 Oct. 1996 Schumann et al. 524/709

5714571 Feb. 1998 Al Ghatta et al. 528/308.2

5746958 May 1998 Gustafsson et al. 264/115

5847016 Dec. 1998 Cope 521/84.1

5938994 Aug. 1999 English et al. 264/102

5951927 Sep. 1999 Cope 264/54

6015612 Jan. 2000 Deaner et al. 428/326

6066680 May 2000 Cope 521/79

6083601 Jul. 2000 Prince et al. 428/71

6245863 Jun. 2001 Al Ghatta 525/437

6255368 Jul. 2001 English et al. 524/13

6280667 Aug. 2001 Koenig et al. 264/68

6498205 Dec. 2002 Zehner 524/14

6624217 Sep. 2003 Tong 524/9

6632863 Oct. 2003 Hutchison et al. 524/13

6685858 Feb. 2004 Korney, Jr. 264/102

6706824 Mar. 2004 Pfaendner et al. 524/437

6737006 May 2004 Grohman 264/211.21

6743507 Jun. 2004 Barlow et al. 428/393

6762275 Jul. 2004 Rule et al. 528/271

6790459 Sep. 2004 Andrews et al. 428/36.92

6797378 Sep. 2004 Shimizu 428/394

Опубликованные патентные заявки США.

2002/0106498 Aug. 2002 Deaner et al. 428/292.4

2003/0025233 Feb. 2003 Korney, Jr. 264/102

2004/0126568 Jul. 2004 Deaner et al. 428/326

2004/0140592 Jul. 2004 Barlow et al. 264/523

2004/0169306 Sep. 2004 Crews et al. 264/140

2005/0075423 Apr. 2005 Riebel et al. 524/17

Прочие патентные заявки США, находящиеся на рассмотрении.

20050110182 May 2005 Eloo 264/69

20050110184 May 2005 Eloo 264/143

Иностранные патентные документы.

1467246 Jan. 2004 CN

1470568 Jan. 2004 CN

1515617 Jul. 2004 CN

1603088 Apr. 2005 CN

2005/035134 Feb. 2005 JP

2005/053149 Mar. 2005 JP

2005/060556 Mar. 2005 JP

2005/088461 Apr. 2005 JP

2005/097463 Apr. 2005 JP

Прочие публикации.

"Wood-Filled Plastics", by Lilli Manolis Sherman, Senior Editor, July 2004 Plastics Technology

Сущность изобретения

Термин «гранулы », применяемый в этой заявке, предназначен для описания продукта, сформованного в подводном грануляторе, в его самом широком смысле, и включает гранулы и любые другие частицы, имеющие определенные форму и размеры, сформованные в подводном грануляторе.

Настоящее изобретение направлено на способ и устройство для гранулирования, который производит полимерные гранулированные композитные материалы с минимальным временем пребывания под водой так, чтобы сохранить достаточное количество теплоты для самоинициирования процесса высушивания и в итоге обеспечить достаточно низкие уровни влажности, достигающие одного процента (1%) или менее, без нужды в дополнительной стадии нагревания полимерных гранулированных композитных материалов перед дополнительной обработкой. Предыдущие патентные публикации продемонстрировали эффективность гранулирования и охлаждения для получения достаточно высушенных гранул, но, как правило, они избегали воздействия влаги, в особенности непосредственного погружения в воду, чтобы предотвратить существенное и нежелательное поглощение воды биоматериалами. В соответствии с настоящим изобретением было обнаружено, что полимерные композитные гранулы могут быть получены в приемлемо сухом состоянии, когда они подвергаются воздействию условий с повышенной температурой, и преимущество, состоящее в сокращении времени пребывания гранул в водной суспензии, заключается в сохранении достаточного количества теплоты в гранулах, чтобы эффективно снизить содержание влаги внутри гранул.

Чтобы обеспечить высокий уровень скрытой теплоты, гранулы должны быть отделены от воды настолько быстро, насколько возможно, при существенном увеличении скорости, с которой они перемещаются от выхода из подводного гранулятора в сушилку и через последнюю. Гранулы выходят из сушилки, сохраняя большую часть своей скрытой теплоты, и могут быть транспортированы, по требованию, на общеприменимых вибрационных конвейерах, или подобных вибрационных установках, или другом подъемно-транспортном оборудовании так, что с дополнительным временем достигается желаемый уровень влажности. В настоящее изобретение включено хранение горячих гранул в общеприменимых термостатированных контейнерах или теплоизолированных контейнерах, которое обеспечивает время для завершения высушивания до желаемого уровня. Достигнутый желаемый уровень влажности определяется допустимым уровнем в стадиях обработки или производства и может приблизительно составлять один процент (1%) или менее.

Полимерно-биоматериальные композиты, которые могут быть гранулированы согласно настоящему изобретению, в общем включают в качестве своих основных компонентов подходящий полимер и частицы биоматериала. Включаются также приемлемые добавки. Относительные процентные доли этих основных компонентов могут варьировать в зависимости от избранных полимера и частиц биосырьевого материала, но типично составляют 5-95% полимера и 10-90% частиц биоматериала.

Отделение гранул от воды и последующее повышение скорости перемещения гранул в сушилку выполняется с помощью комбинации инжектирования сжатого газа с одновременным удалением (выдуванием) воды. Как только отрезанные гранулы покидают водяную камеру подводного гранулятора в виде водной суспензии, воздух или другой применимый инертный газ инжектируется в транспортный трубопровод, ведущий из водяной камеры к сушилке. Термин «воздух » здесь и далее означает применение воздуха, азота или любого другого пригодного инертного газа. Инжектируемый воздух служит для удаления воды с переходом в пар с эффективным отделением ее от гранул. Инжектируемый воздух далее повышает скорость перемещения гранул в сушилку и в итоге через нее. Это повышение скорости перемещения является достаточно быстрым, чтобы позволить грануле оставаться при температуре, достаточно высокой для инициирования процесса высушивания гранул, которые могут быть далее высушены при транспортировании через центробежную сушилку. Другие общеупотребительные способы высушивания гранулы с сопоставимой эффективностью могут быть использованы специалистом-технологом и предполагаются включенными здесь.

Чтобы обеспечить выдувание воды и повышение скорости перемещения от выхода из водяной камеры гранулятора до сушилки, инжектируемый воздух должен иметь очень высокую скорость. Согласно настоящему изобретению объем инжектируемого воздуха должен составлять по меньшей мере 100 м ³ /ч в расчете на инжектирование через вентиль в трубопровод диаметром 1,5 дюйма. Этот расход варьирует соответственно объему производительности, эффективности высушивания и диаметру трубопровода, что будет понятно специалисту в данной области техники.

Скорость инжектирования воздуха в гидросмесевый трубопровод предпочтительно регулируется путем применения шарового клапана или другого клапанного механизма, расположенного в транспортном трубопроводе для гидросмеси после места инжектирования. Регулирование с помощью этого вентильного устройства позволяет лучше контролировать время пребывания гранул в транспортном трубопроводе и сушилке и служит для улучшения аспирации гидросмеси гранул и воды. Применением вентильного устройства после места инжектирования также уменьшается или устраняется вибрация в транспортном трубопроводе.

Регулирование инжектирования воздуха обеспечивает необходимый контроль для сокращения времени перемещения от выхода из водяной камеры гранулятора через сушилку, позволяя гранулам сохранить внутри значительное количество теплоты. Гранулы с увеличенным диаметром не теряют тепло так быстро, как гранулы с меньшим диаметром, и поэтому могут быть транспортированы с меньшей скоростью, чем мелкие гранулы. Сопоставимые результаты достигаются путем повышения скорости инжектирования воздуха по мере сокращения диаметра гранул, что будет понятным специалисту в данной области техники. Сокращение времени пребывания между водяной камерой гранулятора и выходом из сушилки оставляет достаточное количество теплоты в гранулах, чтобы достичь желаемого уровня влажности. Удержание теплоты внутри гранулы может быть усилено путем использования термостатированного вибрационного конвейера, расположенного после выведения гранул из сушилки и/или путем применения общеприменительных контейнеров для хранения или теплоизолирующих контейнеров, при необходимости. Этот способ и агрегат был найден эффективным для описанных здесь полимеров. Уровни влажности приблизительно около одного процента (1%) и предпочтительно менее чем один процент (1%) могут быть достигнуты с помощью описанных здесь способа и агрегата. Отклонения времени пребывания для полимера и полимерных смесей могут быть при необходимости отрегулированы для оптимизации результатов для конкретного состава, что будет понятным специалисту в данной области техники. Дополнительные стадии нагревания устраняются применением описанных здесь способа и агрегата.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию системы гранулирования под водой, включающую подводный гранулятор и центробежную сушилку, изготовляемые и продаваемые фирмой Gala Industries, Inc. ("Gala"), Eagle Rock, Virginia, с вдуванием воздуха и вибрационным конвейером согласно настоящему изобретению,

фиг. 2а представляет собой схематическую иллюстрацию вида сбоку вибрационного конвейера из фиг. 1,

фиг. 2b представляет собой схематическую иллюстрацию вида с торца вибрационного конвейера из фиг. 1,

фиг. 3 иллюстрирует компоненты системы подводного гранулирования, показанной в фиг. 1, в байпасном режиме, когда производственная линия была отключена,

фиг. 4 представляет схематическую иллюстрацию, показывающую устройство для инжектирования инертного газа в трубопровод с гидросмесью, ведущий от гранулятора до сушилки, согласно настоящему изобретению,

фиг. 5 представляет схематическую иллюстрацию, показывающую предпочтительное устройство для инжектирования инертного газа в трубопровод с гидросмесью, ведущий от гранулятора до сушилки, включая увеличенный вид шарового клапана в линии с гидросмесью.

Подробное описание изобретения

Подробно разъясняются предпочтительные варианты осуществления изобретения. Прототип был включен в целях пояснения, и должно быть понятно, что изобретение не ограничивается в своей области подробностями конструкции, компоновки узлов или химическими компонентами, изложенными в описании, которое следует ниже или иллюстрировано чертежами. Варианты исполнения изобретения могут быть реализованы или проведены различными путями, и они входят в пределы области изобретения.

Описания вариантов осуществления, которые следуют ниже, используют терминологию, включенную для пояснения, и предназначены для понимания специалистами в данной области техники в самом широком смысле, включая все технические эквиваленты. Полимерные компоненты, описанные для этого изобретения, раскрывают рядовым специалистам в данной области техники подробности об объеме раскрытия способа и не предполагают ограничения объема охраны изобретения.

Полимерно-биоматериальные композиты типично составляются из волокнистого(ых) биосырьевого(ых) материала(ов), термопластической матрицы, связующего средства или стабилизатора, смазочных материалов, наполнителей, красителей и различных технологических добавок. Они могут также содержать вспучивающие или вспенивающие реагенты и сшивающие реагенты, как требуется конкретным конечным вариантом применения. Компоненты состава, вводимые из различных процессов регенерации, также вполне входят в область этого изобретения.

Биоматериал или волокнистые компоненты придают материалу прочность и поверхностные свойства для конкретного продукта. Размеры биоматериала или волокнистых компонентов ограничены только желаемым размером гранулированного полупродукта и условиями достижения необходимых поверхностных характеристик. Поглощение и удержание влаги композитным материалом весьма сильно обусловливаются выбором биоматериала. Термическая устойчивость биокомпонента является важной при выборе материала полимерной матрицы. Следует соблюдать осторожность при выборе полимера с температурой плавления или температурой обработки, которая не будет вести к обугливанию или разложению биосырьевого материала. Составы типично включают от 10 до 90% биоматериала и предпочтительно от 30 до 70% биоматериала. Остальное приходится на полимерную матрицу и другие компоненты. Температуры экструзии составляют менее чем 220 °С и предпочтительно менее чем 200 °С.

Биоматериалы включают, но не ограничиваются таковыми, полисахариды, в том числе производные целлюлозы и крахмала, и материалы белковой природы, в том числе полипептиды. Примерами целлюлозных материалов являются древесные стружки, древесный многослойный материал, древесный шпон, древесные хлопья, древесные волокна, древесные частицы, древесная масса, опилки, скорлупа кокосовых орехов, шелуха арахисовых орехов, солома, пшеничная солома, хлопок, рисовая шелуха или оболочки, люцерна, рисовая солома, пшеничные отруби, пшеничная мякоть, плодоножки фасоли, кукуруза или маис, кукурузные кочерыжки, кукурузные плодоножки, сорго или майло, сахарный тростник, выжимки от апельсинового сока, жмых, бамбуковая зола, летучая зола, торфяной мох, ламинария, кострика, рожь, просо, ячмень, овес, соя, кофейная гуща, бобовые растения, фуражная трава и растительные волокна, в том числе волокна бамбука, пальмы, конопли, юкки и джута. Дополнительно в этом изобретении находят применение бумажные продукты, такие как бумага для компьютеров, картон, газеты, журналы, книги, картонные упаковки для молока и напитков, и бумажная масса.

Примеры материалов на основе крахмала включают картофель, сладкий картофель, маниоку и грубые корма для скота. Материалы белковой природы включают твердые отходы процессов сбраживания, зерна и твердые остатки винокуренного производства, мучную клейковину, проламины из пшеницы и ржи, такие как глиадин, из кукурузы, как зеин, и из сорго и проса, как кафинин.

Размеры частиц биосырьевого материала варьируют в зависимости от того, являются ли частицы волокнистыми или порошкообразными, и от величины и конечного применения гранул. Размер волокнистых частиц типично может варьировать от 10 до 900 мкм, с соотношением геометрических размеров от 1 до 50 и более предпочтительно от 2 до 20. Для порошков размер частиц типично варьирует от 15 до 425 мкм.

Термопластические материалы, показанные в прототипе для применения в полимерно-биоматериальных композитах, включают полиэтилен, или РЕ, поливинилхлорид, или PVC, полипропилен, или РР, и полистирол, или PS, с полиэтиленом высокой плотности, или HDPE, как наиболее широко распространенным в употреблении. Среди составов для применения со вспучиванием существенное внимание было обращено на возможности поливинилхлорида (PVC) или хлорированного поливинилхлорида, CPVC. Выбор материалов часто был ограничен таковыми, которые могут быть обработаны при температурах ниже температуры разложения биосырьевых материалов.

При тщательном выборе составов многообразие полимеров может быть расширено включением сложных полиэфиров, полиамидов, полиуретанов и поликарбонатов. Термопластические материалы, а также термореактивные полимеры входят в рамки этого изобретения. Применение термореактивных материалов при подборе полимеров требует предусмотрительного внимания к температурам сшивания для обеспечения последующего отверждения, чтобы сшивание выполнялось при температурах, не достигающих предельных, или с помощью химических реакций, инициируемых в ходе процессов в рамках этого изобретения.

Полиэтилены для использования в этом изобретении включают полиэтилен низкой плотности, или LDPE, линейный полиэтилен низкой плотности, или LLDPE, полиэтилен средней плотности, или MDPE, полиэтилен высокой плотности, или HDPE, и полиэтилен с ультравысокой молекулярной массой, или UHMWPE, также известный как полиэтилен ультравысокой плотности UHDPE.

Также в пределы этого изобретения входят олефиновые производные, охватывающие полипропилен, или РР, поли-альфа-олефины, или РАО, включая полимеры и сополимеры, примерами которых являются полибутен, полиизобутен, полипентены, полиметилпентены и полигексены. Полистирол, или PS, и поли(альфа-метил)стиролы, акрилонитрил-бутадиен-стирольный сополимер, или ABS, акрилат-стирол-акрилонитрильный сополимер, или ASA, стирол-акрилонитрильный сополимер, или SAN, и стирольные блок-сополимеры включены здесь как пример. Аморфные, кристаллические и полукристаллические материалы также включены в пределы этого изобретения.

Поливинилхлорид, или PVC, и хлорированный поливинилхлорид, или CPVC, как описанные для этого изобретения, могут быть пластифицированными или непластифицированными и могут быть использованы как гомополимер или в сополимерах, включающих ранее названные олефиновые производные, а также в полимерных композициях с акрилонитрилом, винилидендихлоридом, акрилатами, метилакрилатами, метилметакрилатами, гидроксиэтилакрилатом, винилацетатом, винилтолуолом и акриламидом в качестве примера.

Сложные полиэфиры, полиамиды, поликарбонаты и полиуретаны в пределах этого изобретения должны подбираться так, чтобы температура обработки материала была ниже температуры разложения биосырьевого материала. Насколько это знакомо специалистам-технологам, это может быть достигнуто применением сополимеров в пределах этого широкого семейства продуктов конденсационной химии.

Сложные полиэфиры для настоящего изобретения соответствуют общей структурной формуле

(OR1O)x[(C=O)R2(C=O)]y и/или [(С=O)R1O]х[(С=O)R2O]y.

Описанные здесь радикалы R ₁ и R ₂ включают алифатические, циклоалифатические, ароматические группы и фрагменты с введенными в цепи заместителями, включающими, но не ограниченными таковыми, галогены, нитрогруппы, алкильные и арильные группы, и могут быть одинаковыми или различными. Более предпочтительно описываемые здесь сложные полиэфиры включают полиэтилентерефталат, или PET, политриметилентерефталат, или РТТ, полибутилентерефталат, или РВТ, полиэтиленнафталат, или PEN, полилактид, или PLA, и поли-альфа-гидроксиалканоаты, или РНА, и их сополимеры.

Полиамиды, применимые для настоящего изобретения, соответствуют общей структурной формуле

и/или

Описанные здесь радикалы R ₁ и R ₂ включают алифатические, циклоалифатические, ароматические группы и фрагменты с введенными в цепи заместителями, включающими, но не ограниченными таковыми, галогены, нитрогруппы, алкильные и арильные группы, и могут быть одинаковыми или различными. Описываемый здесь радикал R включает, но не ограничивается таковыми, алифатические, циклоалифатические и ароматические фрагменты. Более предпочтительно полиамиды включают политетраметиленадипинамид, или найлон-4,6, полигексаметиленадипинамид, или найлон-6,6, полигексаметиленсебацинамид, или найлон-6,10, полигексаметилендиаминсододекандиовая кислота, или найлон-6,12, поликапролактам, или найлон-6, полигептанолактам, или найлон-7, полиундеканолактам, или найлон-11, полидодеканолактам, или найлон-12, и их сополимеры.

Поликарбонаты, применимые для настоящего изобретения, соответствуют общей структурной формуле

Описанные здесь радикалы R ₁ и R ₂ включают алифатические, циклоалифатические, ароматические группы и фрагменты с введенными в цепи заместителями, включающими, но не ограниченными таковыми, галогены, нитрогруппы, алкильные и арильные группы. Более предпочтительно поликарбонаты включают бисфенол- и замещенные бисфенолкарбонаты, где бисфенольный фрагмент представлен структурной формулой HOPhC(CH ₃ ) ₂ PhOH или OHPhC(CH ₃ )(CH ₂ CH ₃ )PhOH, где Ph описывает фенильное кольцо, и заместители включают, но не ограничиваются таковыми, алкильные, циклоалкильные, арильные группы, галогены и нитрогруппы. Радикалы R ₁ и R ₂ могут быть одинаковыми или различными.

Полиуретаны, применимые для настоящего изобретения, соответствуют общей структурной формуле

Описанные здесь радикалы R ₁ и R ₂ включают алифатические, циклоалифатические, ароматические группы и фрагменты с введенными в цепи заместителями, включающими, но не ограниченными таковыми, галогены, нитрогруппы, алкильные и арильные группы. Описываемый здесь радикал R включает, но не ограничивается таковыми, алифатические, циклоалифатические и ароматические фрагменты. Более предпочтительно полиуретаны, описываемые здесь, включают простые полиэфирполиуретановые и/или сложные полиэфирполиуретановые сополимеры, в том числе метиленбисфенилизоцианат. Радикалы R ₁ и R ₂ могут быть одинаковыми или различными.

Сложные полиэфиры и сополимеры, полиамидные сополимеры, поликарбонаты и сополимеры и полиуретаны и сополимеры могут включать по меньшей мере один диол, включая этиленгликоль, 1,2-пропиленгликоль, 1,3-пропиленгликоль, 1,3-бутандиол, 1,4-бутандиол, 1,5-пентандиол, 1,3-гександиол, 1,6-гександиол, неопентилгликоль, декаметиленгликоль, додекаметиленгликоль, 2-бутил-1,3-пропандиол, 2,2-диметил-1,3-пропандиол, 2,2-диэтил-1,3-пропандиол, 2-этил-2-изобутил-1,3-пропандиол, 2-метил-1,4-пентандиол, 3-метил-2,4-пентандиол, 3-метил-1,5-пентандиол, 2,2,4-триметил-1,3-пентандиол, 2-этил-1,3-гександиол, 2,2,4-триметил-1,6-гександиол, 1,2-циклогександиол, 1,4-циклогександиол, 1,2-циклогександиметанол, 1,3-циклогександиметанол, 1,4-циклогександиметанол, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, полиэтиленгликоль, дипропиленгликоль, трипропиленгликоль, полипропиленгликоль, политетраметиленгликоль, пирокатехин, гидрохинон, изосорбид, 1,4-бисгидроксиметилбензол, 1,4-бисгидроксиэтоксибензол, 2,2-бис(4-гидроксифенил)пропан и их изомеры.

Сложные полиэфиры и сополимеры, полиамидные сополимеры, поликарбонаты и сополимеры и полиуретановые сополимеры могут включать по меньшей мере один лактон или оксикислоту, включая бутиролактон, капролактон, молочную кислоту, гликолевую кислоту, 2-гидроксиэтоксиуксусную кислоту и 3-гидроксипропоксиуксусную кислоту, 3-гидроксимасляную кислоту в качестве примера.

Сложные полиэфиры и сополимеры, полиамиды и сополимеры, поликарбонатные сополимеры и полиуретановые сополимеры могут включать по меньшей мере одну дикарбоновую кислоту, примерами которой являются фталевая кислота, изофталевая кислота, терефталевая кислота, нафталин-2,6-дикарбоновая кислота и изомеры, стильбендикарбоновая кислота, 1,3-циклогександикарбоновая кислота, дифенилдикарбоновые кислоты, янтарная кислота, глутаровая кислота, адипиновая кислота, азелаиновая кислота, себациновая кислота, фумаровая кислота, пимелиновая кислота, ундекандиовая кислота, октадекандиовая кислота и циклогександиуксусная кислота.

Сложные полиэфиры и сополимеры, полиамиды и сополимеры, поликарбонатные сополимеры и полиуретановые сополимеры могут включать по меньшей мере один сложный диэфир, включая, например, диметил- или диэтилфталат, диметил- или диэтилизофталат, диметил- или диэтилтерефталат и диметилнафталин-2,6-дикарбоксилат.

Полиамиды и сополимеры, сложные полиэфирные сополимеры, поликарбонатные сополимеры и полиуретаны и сополимеры, составленные диаминами, включая 1,3-диаминопропан, 1,4-диаминобутан, 1,5-диаминопентан, 1,6-диаминогексан, 1,8-диаминооктан, 1,10-диаминодекан, 1,12-диаминододекан, 1,16-диаминогексадекан, фенилендиамин, простой 4,4'-диаминодифениловый эфир, 4,4'-диаминодифенилметан, 2,2-диметил-1,5-диаминопентан, 2,2,4-триметил-1,5-диаминопентан и 2,2,4-триметил-1,6-диаминогексан, являются включенными в это изобретение и не ограничиваются тем, что здесь описано.

Полиамиды и сополимеры, сложные полиэфирные сополимеры, поликарбонатные сополимеры и полиуретановые сополимеры могут включать по меньшей мере один лактам или аминокислоту, в том числе пропиолактам, пирролидинон, капролактам, гептанолактам, каприлактам, нонанолактам, деканолактам, ундеканолактам и додеканолактам в качестве примера.

Полиуретаны и сополимеры, сложные полиэфирные сополимеры, полиамидные сополимеры и поликарбонатные сополимеры могут включать по меньшей мере один изоцианат, включая, но не ограничиваясь таковыми, 4,4'-дифенилметандиизоцианат и изомеры, толуилендиизоцианат, изофорондиизоцианат, гексаметилендиизоцианат, этилендиизоцианат, 4,4'-метиленбисфенилизоцианат и изомеры, ксилилендиизоцианат и изомеры, тетраметилксилилендиизоцианат, 1,5-нафтилендиизоцианат, 1,4-циклогексилдиизоцианат, дифенилметан-3,3'-диметокси-4,4'-диизоцианат, 1,6-гексилендиизоцианат, 1,6-диизоцианато-2,2,4,4-тетраметилгексан, 1,3-бис(изоцианатометил)циклогексан и 1,10-децилендиизоцианат.

Связующие агенты предпочтительно вводятся в состав для придания большей совместимости полимеров с более полярными биосырьевыми материалами. Связующие агенты эффективно связывают биосырьевые материалы с пластиковой матрицей и обеспечивают повышенную размерную стабильность, более высокую ударопрочность, более эффективное диспергирование волокнистых материалов, снижение ползучести и сокращение поглощения воды и возможного набухания гранулированных полупродуктов, а также конечных продуктов. Примерами таких связующих агентов или стабилизаторов являются полипропиленмалеинат, полиэтиленмалеинат, длинноцепочечные хлорированные парафины или LCCP, твердый парафин, металлические мыла, силаны, титанаты, цирконаты и поверхностно-активные вещества.

Водорастворимые связующие материалы служат подобно активаторам адгезии и могут быть включены в полимерно-биоматериальные композиты для настоящего изобретения. Эти связующие материалы придают повышенную растворимость биосырьевым материалам и в особенности эффективны для целей повторной утилизации, как практически продемонстрировано в прототипе. Примеры таковых включают полиакриламид, полиакриловую кислоту, поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль, поливинилпирролидон, замещенную целлюлозу, натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы, натриевую соль гидроксиэтилцеллюлозы, натриевую соль гидроксипропилцеллюлозы и натриевую соль карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлозы.

Смазочные средства также желательны для настоящего изобретения, в котором они повышают дисперсность биосырьевых материалов, а также снижают избыточное нагревание вследствие сопротивления трения, эффективно снижая это трение и обусловленные этим разложение и обесцвечивание. Они также способствуют сокращению агломерирования и слеживания биосырьевых материалов. Скорости прохождения материалов и поверхностные характеристики существенно модифицируются подбором смазочного(ых) средства(средств). Силиконовое масло, твердый парафин, окисленный полиэтилен, стеараты металлов, амиды жирных кислот, олеоилпальмитамид и этиленбисстеарамид включены здесь в качестве примера.

Наполнители также могут быть использованы для снижения стоимости и служат для модифицирования свойств, как это легко понятно специалистам-технологам, и включены в рамки этого изобретения. Вспенивающие средства, включая азот, диоксид углерода, бутан, пентан, гексан и многократно описанные химические вспенивающие агенты (CFA), также следуют как примеры, раскрытые в прототипах.

Рассмотрение предыдущих патентных материалов показало, что высокие уровни влажности во вводимых биоматериалах могут быть снижены с помощью сушильного оборудования, знакомого специалистам в данной области техники, до введения в экструдер или могут быть существенно снижены в процессе подачи и экструдирования. Подробности этого выходят за рамки этого изобретения, но здесь включены в качестве ссылки. Сырье с уровнями влажности до 40% вводилось в экструдер с приемлемым вентилированием для достижения приемлемых характеристик продукта.

Система гранулирования под водой для использования в связи с настоящим изобретением схематически показана на фиг. 1. Система гранулирования под водой в целом обозначена номером 10 и включает подводный гранулятор 12, такой как подводный гранулятор Gala, с режущей втулкой и лезвиями 14, показанными в отдельном виде от водной камеры 16 и перфорированной плиты 18.

В системе гранулирования под водой 10 обрабатываемые полимерно-биоматериальные композиты обычно подаются сверху с использованием по меньшей мере одного полимерного бака или бункера 160 в экструдер 155 и подвергаются сдвигу и нагреванию для расплавления полимера. Полимерно-биоматериальные композиты обычно экструдируются при температурах ниже чем 220 °С во избежание разложения биоматериалов. Расплав может продолжать движение для подачи через шестеренчатый насос 22, который обеспечивает равномерную и контролируемую скорость потока. Полимерный расплав при необходимости может быть подан в фильерный переключатель 20 (фиг. 1) для удаления любых объемистых или крупноразмерных твердых частиц или постороннего материала. Расплав течет в полимерный перепускной клапан 24 и в фильерные отверстия в перфорированной плите 18. Нити полимерного расплава, сформированные в результате экструзии через отверстия фильеры, попадают в водную камеру 16 и разрезаются вращающейся режущей втулкой и лезвиями 14 с образованием желаемых гранул или гранулированного материала. Процесс, как описанный здесь, является иллюстративным по определению, и прочие конфигурации, обеспечивающие желаемый поток полимера, как это легко понятно любому специалисту в данной области техники, являются включенными в объем этого изобретения.

В прототипе продемонстрировано множество модификаций и добавок к экструзионному процессу, которые применимы для уменьшения термического или окислительного разложения экструдата. В число этих приспособлений входят вакуумное удаление побочных продуктов и избыточных мономеров, сокращение гидролиза, контроль каталитической деполимеризации, ингибирование катализаторов полимеризации, защита концевых групп, повышение молекулярной массы, удлинение полимерных цепей и применение продувок инертным газом.

Вода поступает в водяную камеру 16 через трубопровод 26 и быстро удаляет таким образом сформованные гранулы с рабочей поверхности фильеры, образуя гидросмесь из гранул и воды. Рабочая вода циркулирует через водяную камеру гранулятора, как включенная в это изобретение, не ограничена в составе и может содержать добавки, сорастворители и технологические добавки, нужные для облегчения гранулирования, предотвращения агломерирования и/или поддержания транспортного потока, как будет понятно специалистам в данной области техники. Таким образом сформированная гидросмесь гранул и воды выходит из водяной камеры через трубопровод 28 и направляется к сушилке 32 через трубопровод 30 для гидросмеси.

Согласно этому изобретению воздух подается в трубопровод для гидросмеси 30 в точке 70 предпочтительно рядом с выходом из водяной камеры 16 и поблизости от начала трубопровода для гидросмеси 30. Это предпочтительное место 70 для инжектирования воздуха облегчает транспортировку гранул благодаря повышению скорости перемещения, облегчающему удаление воды в гидросмеси, тем самым позволяя гранулам сохранять достаточное количество скрытой теплоты для проведения желаемого высушивания. Воздух с высокой скоростью удобно и экономично инжектируется в трубопровод для гидросмеси 30 в точке 70 с использованием общеприменимых трубопроводов для сжатого воздуха, обычно имеющихся в производственных установках, таких как снабженных воздушным компрессором. Другие инертные газы, включая, но не ограничиваясь азотом, могут быть использованы в соответствии с этим изобретением, чтобы придать гранулам высокую скорость, как описывается. Этот воздушный поток с высокой скоростью организуется с использованием сжатого газа, создающего объем потока по меньшей мере 100 м ³ /ч, с использованием стандартного шарового клапана для регулирования давления по меньшей мере 8 бар, через трубопровод для гидросмеси 30, который имеет стандартный трубный диаметр, предпочтительно 1,5-дюймовый трубный диаметр. Для специалистов в данной области техники скорости потока и диаметры трубопроводов варьируют согласно объему производства, желаемому уровню влажности и размеру гранул. Воздух с высокой скоростью эффективно контактирует с гидросмесью гранул и воды, образуя водяной пар путем выдувания, и разгоняет гранулы по длине гидросмесевого трубопровода, передавая эти гранулы с повышенной скоростью к сушилке 32, предпочтительно с быстротой менее чем за 1 с, из водяной камеры 16 до выхода из сушилки 34. Выдувание с высокой скоростью создает смесь гранул и воздуха, которая может достигать 98-99 об.% воздуха.

Фиг. 5 показывает предпочтительную компоновку для подачи воздуха в трубопровод с гидросмесью. Гидросмесь из воды и гранул выходит из водяной камеры гранулятора 102 в линию (трубопровод) 106 для гидросмеси через трубчатый уровнемер 112 и минует угловое колено 114, где сжатый воздух инжектируется из клапана 120 в изогнутый профиль линии 116 для гидросмеси. Инжектированный воздух, гранулы и испаренная вода проходят через расширенное колено 118, через вход в сушилку 110 и в сушилку 108. Предпочтительно, что подача воздуха в угловое колено 114 производится соосно с осью линии 116 для гидросмеси, тем самым обеспечивая максимальное действие этого инжектированного воздуха на гидросмесь гранул и воды, имея результатом равномерное испарение смеси.

Угол, образованный между вертикальной осью трубопровода для гидросмеси 106 и продольной осью трубопровода для гидросмеси 116, может варьировать от 0 до 90 ° или более, как потребуется изменениями высоты гранулятора 102 относительно высоты входа 110 в сушилку 108. Эта разница в высоте может быть обусловлена реальным расположением сушилки 108 относительно гранулятора 102 или может быть следствием разницы размеров сушилки и гранулятора. Предпочтительный угол варьирует от 30 до 60 ° с более предпочтительным углом 45 °. Расширенное колено 118 на входе в сушилку 110 облегчает переход продуваемой с высокой скоростью гидросмеси гранул и воды из загружающей линии 116 для гидросмеси во вход сушилки 110 и уменьшает возможность агломерирования гранул в сушилке 108.

Предпочтительное расположение оборудования, как описанное в фиг. 5, позволяет транспортировать гранулы из гранулятора 102 до выхода из сушилки 108 приблизительно за 1 с, что минимизирует потерю теплоты внутри гранулы. Это далее оптимизируется введением второго клапанного устройства или более предпочтительного второго шарового клапана 150 после места подачи воздуха при колене 114. Этот дополнительный шаровой клапан 150 позволяет лучше регулировать время пребывания гранул в линии 116 для гидросмеси и уменьшает любую вибрацию, которая может возникать в трубопроводе для гидросмеси. Второй шаровой клапан 150 позволяет обеспечить дополнительное сжатие воздуха, введенного в камеру, и улучшает испарение воды из гидросмеси гранул и воды. Это становится в особенности важным по мере уменьшения величины диаметра гранул.

Гранулы выводятся через выход 126 сушилки 108 и предпочтительно направляются к вибрационному блоку, такому как вибрационный конвейер 84, показанный схематически на фиг. 2а и 2b. Перемешивание, которое происходит в результате воздействия вибрации вибрационного конвейера 84, позволяет распределять теплоту среди гранул, когда они приходят в контакт с другими гранулами и деталями названного вибрационного конвейера. Это позволяет добиться равномерности температуры и имеет результатом улучшенное, пониженное и более однородное содержание влаги в гранулах. Перемешивание уменьшает склонность гранул к слипанию между собой и/или прилипанию к деталям вибрационного конвейера как следствие повышенной температуры гранул.

Время пребывания гранул на вибрационном конвейере может влиять на желаемое содержание влаги, которое должно быть достигнуто. Чем крупнее гранула, тем длительнее ожидаемое время пребывания. Время пребывания типично составляет от около 20 до около 120 с или дольше, предпочтительно от 30 до 60 с и более предпочтительно 40 с, чтобы позволить гранулам высохнуть до желаемой степени и позволить гранулам охладиться для транспортировки. Более крупные гранулы будут сохранять больше теплоты внутри и высыхать быстрее, чем следовало ожидать для гранул с уменьшающимся диаметром. Напротив, чем больше диаметр гранулы, тем большее время пребывания требуется для гранулы, чтобы остыть для целей транспортировки. Желаемая температура гранулы для конечной упаковки обычно более низкая, чем требовалось бы для дальнейшей обработки.

Другие способы охлаждения или способы в дополнение к вибрационному конвейеру могут быть использованы, чтобы позволить гранулам покинуть сушилку и иметь достаточно времени для высушивания и последующего охлаждения для транспортировки. Гранулы по мере поставки могут быть упакованы, могут храниться или транспортироваться как требуется для дополнительной обработки или производства конечного продукта, включая промежуточное и конечное вспучивание гранул, где это применимо.