УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ Российский патент 2002 года по МПК D01D5/08 

Изобретение относится к области производства волокон из различных термопластичных материалов, в том числе и из различных видов бытовых и промышленных отходов термопластов.

Изобретение с наибольшим эффектом может быть использовано для производства теплоизоляционных материалов, сорбентов для очистки воды от нефти и нефтепродуктов, а также ряда ионов тяжелых металлов, очистки воздуха от твердых частиц и углеводородных загрязнителей.

Известный процесс получения волокон из термопластов осуществляют согласно А. с. СССР 514046, МКИ D 01 F 7/00, 1973; А.с. СССР 1236020, МКИ D 01 D 1/04, 1984; А.с. СССР 556198, МКИ D 01 F 1/04, 1977 продавливанием расплава через фильеры с последующим вытягиванием, охлаждением и намоткой получаемых нитей на специальных намоточных устройствах.

Второй известный промышленный способ - вытягивание нитей из растворов полимеров с последующим испарением растворителя и намоткой получаемых нитей (А.с. СССР 2061129, МКИ D 04 H 3/16, 1991).

Эти способы неприменимы при использовании в качестве сырья бытовых и промышленных отходов, которые неоднородны по химическому составу, содержат механические примеси и отличаются от стандартного сырья меньшей молекулярной массой и, как следствие, более низкой вязкостью расплава, температурой плавления и механической прочностью получаемых волокон.

Известны способы получения волокна из термопластов подачей расплава полимера во вращающуюся чашу с образованием пленки расплава и формирование волокон из пленки расплава центробежным вытягиванием волокон посредством обработки их потоком воздуха на кромке чаши (Патент Великобритании 1265215, НКИ С 1М, 1972; А.с. СССР 669041, МКИ D О1 D 5/08, 1977). Получение волокна этими способами связано с высокими затратами высокотемпературного энергоносителя.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство по патентам (Патент РФ 2117719. Способ получения волокнистого материала из термопластов и установка для его осуществления, МКИ D 01 D 5/08, D 04 Н 3/16, опубл. БИ 23, 1998г.; Патент Германии. 19800297 Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Faserstoffen aus thermoplastischen Kunststoffen, 1998), согласно которым плавление полимера и образование пленки расплава осуществляются внутри вращающегося реактора, выполненного в виде цилиндра, открытая часть которого выполнена в виде расходящегося конуса, а формирование и вытягивание волокон из пленки расплава производят за счет кинетической энергии, которая создается вращающимся реактором с линейной скоростью на его кромке не менее 10 м/с. Вязкость пленки расплава термопласта поддерживают близкой к вязкости расплава при температуре его деструкции путем нагревания вращающегося реактора. Формирующееся у кромки реактора волокно подвергают воздействию воздушного потока, который направляют поперек направления движения формирующихся волокон.

Недостатками данного устройства являются недостаточная производительность установки, неоднородность и малый выход получаемого волокна, кроме того, недостаточные экологические характеристики, так как в отработанном воздухе содержатся токсичные газообразные продукты, образующиеся при высокотемпературной переработке термопластов.

В основу настоящего изобретения положена задача увеличения производительности установки и повышения надежности ее работы, улучшения качества волокна путем увеличения выхода однородного волокна из исходного сырья, а также улучшения очистки отработанного воздуха, содержащего токсичные газообразные продукты, образующиеся при высокотемпературной переработке термопластов из-за их деструкции.

Поставленная задача решается при помощи установки для получения волокон из термопластов путем плавления полимера, образования пленки расплава внутри вращающегося реактора, формирования и одновременного вытягивания волокон при центробежном разбрызгивании пленки расплава, включающей защитную камеру, экструдер, волокнообразователь, выполненный в виде полого вращающегося реактора, кольцевой воздуховод высокого давления и приемное устройство для получаемого волокна.

Согласно изобретению вращающийся реактор установлен вертикально и имеет открытый с обеих сторон корпус в форме расширяющегося конуса, а защитная камера снабжена системой циркуляции и очистки отработанного воздуха.

В одном из случаев приемное устройство для волокна выполнено в виде ленточного транспортера, при этом транспортер и вращающийся реактор помещены в защитную камеру, снабженную системой вытяжной вентиляции и системой рециркуляции воздуха с установленными в них фильтрами для очистки отработанного воздуха из защитной камеры.

В частном случае в качестве сорбента в фильтрах для очистки воздуха может быть использовано получаемое на заявленной установке волокно на основе полиэтилентерефталата, а распределение расплава термопласта по внутренней поверхности вращающегося реактора производится с помощью распределительного диска, укрепленного на валу привода вращения реактора.

Конструкция предлагаемой установки приведена на прилагаемых фиг.1 и фиг. 2.

Фиг. 1. Схема установки для получения волокна из термопластов с вертикальным расположением вращающейся чаши и приемом волокна на движущийся ленточный транспортер.

Фиг.2. Схема вертикального расположения волокнообразователя.

Установка содержит следующие узлы:
1 - вытяжной вентилятор; 2 - фильтр для очистки отработанного воздуха; 3 - двигатель привода вращающегося реактора; 4 - патрубок подачи расплава из экструдера; 5 - экструдер; 6 - нагнетающий вентилятор; 7 - ленточный транспортер; 8 - шиберное устройство для ввода воздуха; 9 - лента нетканого волокнистого материала; 10 - кольцевой воздуховод; 11 - нагреватель вращающегося реактора; 12 - вращающийся реактор (волокнообразователь); 13 - защитная камера; 14 - подшипниковый узел; 15 - распределительный диск; 16 - обойма; 17 - устройство забора воздуха из ленточного транспортера.

Вращающийся реактор 12 и ленточный транспортер 7 устанавливаются в защитной камере 13, чтобы исключить проникновение газообразных продуктов деструкции за пределы рабочей зоны. Отработанный воздух, содержащий газообразные продукты деструкции, образующиеся при эксплуатации установки, предварительно очищается в фильтрах с волокнистым сорбентом 2, и часть его удаляется в систему вытяжной вентиляции с помощью вытяжного вентилятора 1, а другой воздушный поток, отсасываемый из под ленточного транспортера 7, очищается в фильтре 2 с волокнистым сорбентом и подается нагнетающим вентилятором 6 в кольцевой воздуховод 10. Для компенсации потерь удаляемого в вытяжную вентиляцию воздуха служит шиберное устройство 8, обеспечивающее поступление необходимого количества чистого воздуха в защитную камеру установки и требуемое разрежение в объеме защитной камеры 13.

По центральной оси внутри вращающегося реактора 12 на опорах размещается в области центра тяжести реактора обойма 16, во внутреннее отверстие которой устанавливается вал привода вращения, конец которого фиксируется гайкой. Концы опор жестко закрепляются на внутренней поверхности реактора и на наружной поверхности обоймы. Реактор состоит из двух расширяющихся конусов, соединенных друг с другом, например, посредством резьбового соединения, один из которых несущий (с обоймой). Ввод расплава из подающей головки экструдера во вращающийся реактор осуществляется в промежуток между валом и кольцеобразной задней стенкой вращающегося экструдера. Для равномерного распределения расплава по внутренней поверхности вращающегося реактора служит распределительный диск 15, жестко установленный на валу привода вращения реактора над обоймой 16, которая фиксируется на валу привода вращения с помощью гайки.

Волокнообразователь 12 выполнен в виде полого вращающегося реактора, состоящего из двух расширяющихся конусов с увеличивающимся значением конусности по ходу движения расплава, соединенных друг с другом, например, посредством резьбового соединения, один из которых несущий (с обоймой). Реактор 12 обогревается снаружи нагревателем 11. Внутри расширяющегося конуса по центральной оси внутри реактора на опорах размещается в области центра тяжести реактора обойма 16, во внутреннее отверстие которой устанавливается вал привода вращения реактора и фиксируется в обойме с помощью гайки. На обойму жестко установлен распределительный диск 15 для равномерного распределения расплава по внутренней поверхности вращающегося реактора 12. Обойма 16 и конус реактора 12 соединены между собой опорами (перемычками). На внутренней поверхности конуса укреплены ребра прямоугольной формы. У открытого конца расходящегося конуса установлен кольцевой воздуховод 10 для подачи воздуха в направлении, поперечном по отношению к направлению движения струек расплава. Вращающийся реактор 12 и его привод вращения с подшипниковым узлом размещаются на одном валу и устанавливаются вертикально на отдельной станине вне нагреваемых зон экструдера 5.

Задняя стенка вращающегося реактора 12 выполняется не сплошной, а в виде кольца, через отверстие которого в реактор входит вал. Таким образом, на валу, установленном в подшипниковом узле, с одной стороны установлен вращающийся реактор 12, а с другой - привод вращения 3 реактора, в качестве которого использовался электродвигатель постоянного тока.

Установка для получения волокнистых материалов из термопластов работает следующим образом.

Перед началом работы установку приводят в рабочее состояние. Для этого включают нагреватель 11 вращающегося реактора 12 и нагреватели, установленные на экструдере 5. Приводят в действие систему циркуляции воздуха и вытяжной вентиляции. Заполняют бункер экструдера 5 подготовленным к переработке термопластичным материалом. После достижения заданных температурных режимов запускают двигатель 3 привода вращения, вертикально установленного на отдельной станине вращающегося реактора 12, и выдерживают установку в холостом режиме в течение 15-20 минут для стабилизации рабочих температурных режимов. Когда температурный режим установится, запускают электродвигатель привода шнека экструдера для подачи материала в экструдер 5, включают приводы вращения 3 вращающегося реактора 12, приемника волокна 7. Приводят во вращение червяк экструдера, который захватывает частицы термопласта из питательного бункера и перемещает его к выходной головке экструдера 5. Проходя через нагреваемую часть экструдера 5, материал перемешивается и расплавляется до вязкости, соответствующей вязкости термопласта вблизи температуры его деструкции. Затем расплавленный материал через отверстие выходной головки поступает в патрубок подачи расплава из экструдера 4, а затем на распределительный диск 15 во вращающемся реакторе 12, где также поддерживается необходимый температурный режим.

В реакторе 12 расплав с помощью распределительного диска 15 равномерно распределяется по периметру внутренней поверхности вращающегося реактора и под действием центробежных сил продвигается между ребрами к открытому концу реактора. По мере продвижения слой расплава термопласта, контактирующий с внутренней поверхностью реактора 12 и ребрами, дополнительно прогревается, вязкость расплава уменьшается и таким образом формируется тонкая пленка волокнообразующего расплава. Так как внутри реактора 12 установлены ребра, расплав движется не по спирали, что характерно для гладких поверхностей, а вдоль образующей реактора 12. В этом случае заполнение внутренней поверхности происходит более равномерно, что существенно влияет на качество получаемого расплава. По мере движения по внутренней поверхности вращающегося реактора 12, выполненного в виде расширяющихся конусов, происходит утонение пленки расплава. На выходе из реактора пленка расплава растекается по внутренней поверхности расходящегося конуса, где происходит дополнительное уменьшение ее толщины. При этом газы, образующиеся в реакторе при переработке термопластов, выходя из него, способствуют лучшему распределения пленки по конусу. В дальнейшем пленка, которой под действием вращения реактора 12 за счет центробежных сил сообщается кинетическая энергия, превышающая силы поверхностного натяжения, разбивается на струйки и, отрываясь от кромки конуса, вытягивается в волокно, которое осаждается на сетчатой поверхности ленточного транспортера 7 в виде нетканого волокнистого материала 9. Получение волокна возможно в том случае, если линейная скорость на кромке конуса реактора превышает 10 м/с. Образовавшееся волокно попадает под действие воздушного потока, выходящего из отверстий кольцевого воздуховода 10, охлаждается и отбрасывается на сетчатую поверхность ленточного транспортера 7 равномерным слоем заданной толщины и притягивается к нему за счет разрежения под сеткой транспортера 7, создаваемого с помощью нагнетающего вентилятора 6, подающего загрязненный газообразными продуктами деструкции воздух из устройства забора воздуха 17 под сеткой ленточного транспортера на очистку в фильтр 2 с волокнистым сорбентом.

Твердые частицы и токсичные газообразные продукты деструкции термопластов, образующиеся при получении волокнистого материала, из защитной камеры подаются в систему газовой очистки, основой которой является фильтр с волокнистым сорбентом 2 на основе термопластов, в объеме которых задерживаются как твердые частицы процесса переработки термопластов, так и газообразные продукты деструкции термопластов. Один циркулирующий очищенный воздушный поток с помощью нагнетающего вентилятора 6 подается в кольцевой воздуховод 10 для формирования и охлаждения волокна, а второй после очистки в фильтре с волокнистым сорбентом 2 удаляется в систему вентиляции с помощью вытяжного вентилятора 1. Для компенсации потерь воздуха, удаляемого в систему вытяжной вентиляции, предусмотрено поступление в защитную камеру атмосферного воздуха через шиберное устройство 8 в количестве, обеспечивающем в защитной камере 13 разрежение на 20-30 мм водяного столба ниже атмосферного давления, чтобы исключить распространение загрязненного воздуха за пределы защитной камеры.

Для более полного понимания преимущества изобретения приводится пример его конкретного исполнения для получения волокна из лавсановой (полиэтилентерефталат) тары (бутылки, емкости и т.д.) на опытной установке, выполненной по предлагаемому техническому решению.

Состав установки: одношнековый экструдер номинальной производительностью 2,5 кг/ч, волокнообразователь с вращающимся реактором (внутренний диаметр 110 мм, длина 170 мм), выполненный в виде двух соединенных расходящихся конусов: один с конусностью 2,5^o, другой с конусностью 30^o и длиной 60 мм. Шаг между ребрами, размещенными на внутренней поверхности реактора, составлял 27 мм. Скорость вращения вертикально установленной вращающейся чаши изменялась с 1000 до 1600 об/мин, температура расплава полиэтилентерефталата на выходе из вращающегося реактора изменялась с 280 до 345^oС, а массовый расход расплава полиэтилентерефталата варьировали от 0,2 до 0,4 г/с. Волокнообразователь с ленточным транспортером помещались в защитную камеру объемом 0,8 м³, производительность нагнетательного вентилятора, обеспечивающего циркуляцию воздуха в защитной камере, составляла 5 м³/ч, что обеспечивало необходимый расход воздуха для охлаждения волокна, разрежение под сеткой ленточного транспортера 25-30 мм вод. столба, достаточное для формирования на нем слоя волокнистого материала толщиной 16-20 мм, а также требуемую скорость движения воздуха через фильтр для очистки воздуха диаметром 100 мм, высотой 200 мм, заполненный волокном из лавсана.

Производительность вытяжного вентилятора, снабженного таким же фильтром для очистки воздуха, составляла 3 м³/ч.

Установлено, что определяющими параметрами процесса получения волокна из отходов полипропилена являются окружная скорость на кромке вращающегося реактора, значение которой должно быть не менее 10 м/с, температура пленки расплава во вращающемся реакторе, значение которой составляет 315-345^oС, и необходимый массовый расход полимера, обеспечивающий условия устойчивого пленочного течения расплава во вращающемся реакторе. Определено, что оптимальным температурным диапазоном для получения волокна из полиэтилентерефталата является область 315-345^oС, обеспечивающая необходимую вязкость расплава для создания устойчивого пленочного режима расплава во вращающемся реакторе. При этом при массовом расходе от 0,2 до 0,42 г/с и линейной скорости на кромке свыше 10 м/с получается лавсановое волокно с диаметром от 24 до 100 мкм хорошего качества с выходом 85-90%. При увеличении температуры расплава свыше 350-360^oС происходит нарушение пленочного режима вследствие деструкции материала расплава на внутренней поверхности вращающегося реактора.

Содержание токсичных газообразных продуктов деструкции полиэтилентерефталата в защитной камере установки составляло ниже установленных предельно-допустимых концентраций. Таким образом, реализуя заявляемую установку, достигают возможность получения волокнистого материала высокого качества из термопластов различного вида, используя для этого различное по качеству сырье, в том числе и в виде промышленных и бытовых отходов термопластов.

Установка получения волокнистых материалов из термопластов путем плавления термопласта, получения из расплава пленки расплава с вязкостью расплава, близкой к вязкости расплава при температуре его деструкции и последующего центробежного формирования и вытягивания волокна из пленки расплава, срывающейся с кромки расходящегося конуса открытого конца реактора, содержит экструдер с волокнообразователем, размещенным вертикально на отдельной станине вне нагретых зон экструдера и устанавливаемым на одном валу с приводом вращения, приемник волокна в виде ленточного транспортера, систему циркуляции и газоочистки отработанного воздуха из защитной камеры установки, где размещаются волокнообразователь и ленточный транспортер. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для получения волокон из термопластов путем плавления полимера, образования пленки расплава внутри вращающегося реактора, формирования и одновременного вытягивания волокон при центробежном разбрызгивании пленки расплава, включающая защитную камеру, экструдер, волокнообразователь, выполненный в виде полого вращающегося реактора, кольцевой воздуховод высокого давления и приемное устройство для получаемого волокна, отличающаяся тем, что вращающийся реактор установлен вертикально и имеет открытый с обеих сторон корпус в форме расширяющегося конуса, а защитная камера снабжена системой циркуляции и очистки отработанного воздуха. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что приемное устройство для волокна выполнено в виде ленточного транспортера, при этом последний и вращающийся реактор помещены в защитную камеру, снабженную системой вытяжной вентиляции и системой рециркуляции воздуха с установленными в них фильтрами для очистки отработанного воздуха из защитной камеры. 3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве сорбента в фильтрах для очистки воздуха используют получаемое на установке волокно на основе полиэтилентерефталата. 4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что распределение расплава термопласта по внутренней поверхности вращающегося реактора производится с помощью распределительного диска, укрепленного на валу привода вращения реактора.