СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ КАУЧУКОВ И РОТОРНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C08J3/18 B29B7/42 

Изобретение относится к способам и устройствам для смешения и диспергирования гомогенных сред, преимущественно для изготовления низкомолекулярных каучуков из высокомолекулярных, и может быть использовано на предприятиях химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности для производства полимерной продукции и паст. Способ предусматривает изготовление низкомолекулярных полиизобутиленов, бутилкаучуков, полиизопренов, этиленпропиленовых каучуков и т.п., имеющих молекулярную массу (Mw) от 5000 до 200000, из их высокомолекулярных аналогов.

Известен процесс пластикации вулканизированной резины, который состоит в продавливании обрабатываемого материала через узкий и очень длинный зазор, температура в котором может регулироваться за счет внешних источников. Процесс осуществляется в шнековом аппарате, причем шнек обеспечивает транспортировку вулканизованной резины к зазору и создает необходимое для проталкивания давление (GВ 657614, 1951).

Известен процесс деструкции полимерного материала, который реализуется в устройстве, состоящем из ряда последовательно расположенных статоров и роторов, имеющих винтовую поверхность. Деструкция полимерного материала осуществляется за счет особой, волнообразной формы роторов и статоров, наличия многозаходных винтовых поверхностей и наличия специальных фильтров, которые пропускают продеструктированный полимерный материал и задерживают непродеструктированный, в результате чего он подвергается повторной деструкции (US 5115988, 1992).

Известен процесс, описанный в патенте Франции 2003134, 1970, по которому обработку полиизобутилена высокой степени полимеризации проводят под действием усилий сдвига в экструдере в трех зонах деструкции, связанных между собой зонами транспортировки, причем каждая из зон содержит узкую щель, разграниченную двумя поверхностями вращения, вращаемыми одна относительно другой вокруг общей оси.

Наиболее близким аналогом заявляемого способа и устройства является процесс, описанный в патенте России 2117017, 1998, по которому обработка полиизобутилена производится под воздействием усилий сдвига в четырехзонном деструкторе, при этом в первой зоне высокомолекулярный полиизобутилен разогревается до 100-250^oС за счет диссипации механической энергии при вращении ротора устройства со скоростью 200-2000 об/мин, в результате чего полимер пластицируется в зазоре между цилиндрами трения; регулируемый теплосъем осуществлятся с помощью охлаждаемой жидкостью рубашки, благодаря чему температура в зоне поддерживается в установленных пределах.

Во второй зоне создают давление 10-80 кПа и поднимают температуру до 160-300^oС, в результате чего происходит начальная фаза деструкции пластицированного полимера; избыток тепла при этом отводится с помощью регулируемо охлаждаемой рубашки аппарата, благодаря чему температура в зоне поддерживается в установленных пределах.

В третьей зоне осуществляют процесс собственно деструкции полимера при температуре 250-350^oС и давлении 10-90 кПа; температура в зоне при этом также регулируется с помощью охлаждаемой жидкостью теплоотводящей рубашки.

В четвертой зоне при температуре 240-300^oС и давлении 40-80 кПа происходит дополнительная термическая деструкция полимера и его гомогенизация.

Общим недостатком аналогов является недостаточная стабильность свойств, неудовлетворительная однородность получаемого материала и ограниченная управляемость процесса.

Задачей при создании изобретения явилась интенсификация процесса диспергирования и/или гомогенизации каучуков, возможность гибкого управления процессом и получения материала с требуемым комплексом свойств, а техническим результатом - создание эффективного за счет сокращения кратности обработки способа изготовления низкомолекулярных каучуков.

Для достижения технического результата предложен способ изготовления низкомолекулярных каучуков по зонам роторного аппарата, преимущественно в трех зонах, характеризующийся тем, что:
- в первой зоне исходный материал подвергается пластикации при вращении ротора (роторов) со скоростью 5-100 об/мин;
- в следующей зоне (зонах) осуществляется деструкция пластицированного исходного материала за счет диссипации механической энергии при вращении ротора (роторов) со скоростью 500-7000 об/мин;
- в последней зоне осуществляется дегазация продукта деструкции, при необходимости дополнительная термическая деструкция, а также гомогенизация и охлаждение за счет регулирования скорости его движения путем изменения скорости вращения ротора(роторов) от 30 до 200 об/мин.

Способ характеризуется тем, что степень деструкции исходного материала и производительность аппарата регулируют путем изменения скорости вращения роторов зон пластикации и деструкции.

Способ характеризуется тем, что степень деструкции исходного материала регулируют путем изменения направления его потока и временем продолжения процесса деструкции.

Способ характеризуется тем, что степень деструкции исходного материала регулируют путем изменения зазоров между подвижными и неподвижными частями узлов деструкции аппарата в зоне (зонах) деструкции.

Способ характеризуется тем, что степень деструкции исходного материала регулируют путем подачи охлаждающей жидкости в рубашки аппарата.

Способ характеризуется тем, что дополнительная термическая деструкция осуществляется в удлиненной трубе прямой, изогнутой или иной формы, снабженной теплоизоляцией.

Процесс включает обработку высокомолекулярных каучуков преимущественно по трем зонам аппарата, причем в зоне пластицирования загружаемый полимер проходит предварительную обработку за счет диссипации механической энергии при вращении ротора аппарата со скоростью 5-100 об/мин, в результате чего осуществляют пластикацию каучука, его формование и транспортирование в зону деструкции.

В зоне (зонах) деструкции пластицированный каучук подвергается обработке за счет диссипации механической энергии при вращении ротора (роторов) аппарата со скоростью 500-7000 об/мин и нагнетания и продавливания каучука через зазор между рабочими поверхностями ротора и корпуса (узлы деструкции). В результате получают низкомолекулярные каучуки.

Число узлов деструкции может быть различным, но обязательно сочетание в одном процессе зоны пластикации, одной или нескольких зон деструкции и последней зоны, в которой происходит дегазация и гомогенизация продукта, при необходимости его дополнительная термическая деструкция, а также охлаждение.

В последней зоне осуществляется дегазация продукта деструкции, при необходимости дополнительная термическая деструкция, а также гомогенизация и охлаждение за счет регулирования скорости вращения ротора (роторов) от 30 до 200 об/мин.

Деструкцию регулируют с помощью запорного устройства и/или путем изменения скорости вращения роторов зон пластикации и деструкции и/или путем изменения величины зазоров в узлах деструкции и/или путем изменения числа зон деструкции и количества расположенных в них узлов деструкции. Также возможна регулировка степени деструкции при получении требуемой марки каучука путем охлаждения рубашек аппарата в зоне (зонах) деструкции жидкостью или их нагревания жидкостью или паром.

Скорость подачи полимера и производительность аппарата регулируют посредством скорости вращения роторов зон пластикации и деструкции.

Надлежащее качество конечной продукции, а именно узкое молекулярно-массовое распределение (Mn/Mw<3,5) низкомолекулярных каучуков и незначительное содержание летучих компонентов обеспечивается выбранной конструкцией аппарата, а также благодаря кратковременности термического воздействия на полимер.

Пример 1.

Высокомолекулярный полиизобутилен П-155 в количестве 10 кг загружается в загрузочный патрубок аппарата при вращающихся роторах. Скорость вращения ротора первой зоны составляет 80 об/мин. Скорость вращения ротора зоны деструкции составляет 500 об/мин. Скорость вращения ротора зоны охлаждения составляет 40 об/мин. Из разгрузочного патрубка выходит низкомолекулярный полимер в виде вязкой бесцветной жидкости в количестве 9,8 кг. Молекулярные характеристики исходного и конечного полиизобутилена приведены в таблице.

Пример 2.

Высокомолекулярный полиизобутилен П-155 в количестве 10 кг загружается в загрузочный патрубок аппарата. Скорость вращения ротора первой зоны составляет 90 об/мин. Скорость вращения ротора зоны деструкции составляет 1000 об/мин. Скорость вращения ротора зоны охлаждения составляет 50 об/мин. Молекулярные характеристики полиизобутилена приведены в таблице.

Пример 3.

Деструктируется полиизобутилен П-155 в количестве 10 кг. Скорость вращения ротора первой зоны составляет 110 об/мин. Скорость вращения ротора зоны деструкции составляет 2000 об/мин. Скорость вращения ротора зоны охлаждения составляет 60 об/мин. Молекулярные характеристики полиизобутилена приведены в таблице 1.

Примеры 4-6.

Осуществляют деструкцию бутилкаучука в условиях, аналогичных примерам 1-3. Результаты деструкции представлены в табл.2.

Примеры 7-9.

Осуществляют деструкцию синтетического полиизопрена в условиях, аналогичных примерам 1-3. Результаты деструкции представлены в табл.3.

Примеры 10-12.

Осуществляют деструкцию каучука СКЭПТ в условиях, аналогичных примерам 1-3. Результаты деструкции представлены в табл.4.

Известно устройство роторного типа для обработки гомогенных сред, снабженное размещенным между внутренней и наружной обоймами подшипников обечайкой с направляющими, расположенными на обеих сторонах обечайки по винтовой линии; угол наклона направляющих к плоскости, перпендикулярной оси вращения подшипников, равен 10-30^o; направляющие, расположенные на наружной поверхности обечайки, установлены по винтовой линии в направлении вращения подшипников, а направляющие на внутренней поверхности обечайки - против направления вращения подшипников (SU 860848, 1981).

Ближайшим аналогом является роторный аппарат, содержащий цилиндрический корпус с рубашкой для охлаждения, загрузочный и разгрузочный патрубки и рабочий орган, выполненный в виде ротора (SU 314540, 1969).

Общим недостатком аналогов является большая энергоемкость и отсутствие приспособлений для регулирования производительности и глубины обработки исходного материала.

Техническим результатом предлагаемого изобретения явилось создание высокопроизводительного аппарата, позволяющего непрерывно, в течение длительного времени проводить регулируемый процесс термомеханодеструкции высокомолекулярных каучуков.

Для этого роторный аппарат для изготовления низкомолекулярных каучуков включает корпуса с рубашками для охлаждения, загрузочный и разгрузочный патрубки и рабочие органы, выполненные в виде роторов, и характеризуется тем, что в каждой зоне обработки размещено не менее одного ротора, вращающегося с заданной скоростью и расположенного относительно других под углом 0-180^o. Роторный аппарат характеризуется тем, что роторы разных зон расположены в одной либо в разных плоскостях относительно друг друга.

Роторный аппарат характеризуется тем, что он имеет запорное устройство, выполненное в виде сменных элементов одного из роторов и регулируемых элементов корпуса зоны (зон) деструкции. Роторный аппарат характеризуется тем, что с целью дополнительной термической деструкции он может быть снабжен удлиненной трубой прямой, изогнутой или иной формы, имеющей теплоизоляцию.

Роторный аппарат характеризуется тем, что он имеет дроссельное приспособление, служащее для регулирования потока деструктируемого каучука.

Заявляемый аппарат иллюстрируется на чертежах (фиг.1-3).

Роторный аппарат (фиг.1-3) содержит три цилиндрических корпуса 1 с рубашками 2, загрузочный 3 и разгрузочный 4 патрубки, рабочие органы, выполненные в виде роторов 5 с винтовой нарезкой 6, конусами трения 7 и регулируемыми зазорами 8. Роторный аппарат дополнительно содержит (фиг.3) удлиненную трубу 9 прямой, изогнутой или иной формы, снабженную теплоизоляцией 10, сменную втулку с обратной резьбой 11, регулируемый элемент корпуса 12 и дроссельное приспособление 13.

Роторный аппарат (фиг.1) содержит ротор зоны I, расположенный под углом 90^o относительно ротора зоны II, который, в свою очередь, расположен под углом 90^o относительно ротора зоны III.

Роторный аппарат (фиг.2) содержит два ротора зоны I, расположенных под углом 45^o относительно ротора зоны II. Подача исходного материала из зоны I в зону II может осуществляться под разными углами. Например, корпус и ротор зоны I могут располагаться относительно корпуса и ротора зоны II таким образом, чтобы исходный материал подавался в зону II снизу под углом 45^o. При этом роторы зоны I и ротор зоны III могут находиться в любых плоскостях относительно ротора зоны II.

Роторный аппарат (фиг.3) обеспечивает возможность проведения дополнительной термической деструкции, которая осуществляется в удлиненной трубе 9, которая может быть прямой, изогнутой (например, в форме спирали) или иметь иную форму, снабженной теплоизоляцией 10.

В качестве элементов узлов деструкции во всех случаях могут использоваться участки рабочих органов (роторов) как конической, так и иной геометрической формы (цилиндров, полусфер и т.п.), а также выступы различной формы на корпусе аппарата.

Функцию запорного устройства выполняют сменные элементы одного из роторов и регулируемые элементы корпуса зоны (зон) деструкции, изменяющие направление и интенсивность потока продукта деструкции, например, втулки с обратной резьбой 11, регулируемые элементы корпуса 12 и т.п., а также дроссельное приспособление 13, служащее для регулирования потока деструктируемого каучука. Роторный аппарат работает следующим образом. В загрузочный патрубок поступает высокомолекулярный каучук, который, попадая на ротор (роторы) первой зоны (5-100 об/мин), подвергается пластикации. Пластицированный в первой зоне каучук подается на ротор следующей зоны (500-7000 об/мин), где подвергается деструкции.

Полученный низкомолекулярный каучук попадает в зону III, где подвергается дегазации, при необходимости дополнительной термической деструкции, а затем охлаждению.

Степень деструкции высокомолекулярных каучуков регулируется посредством изменения скорости вращения роторов зон пластикации и деструкции и/или с помощью запорного устройства, и/или с помощью зазора между ротором и корпусом аппарата, и/или с помощью рубашек аппарата, охлаждаемых жидкостью или нагреваемых жидкостью или паром.

Сменные элементы 11 отличаются друг от друга геометрией и/или формой и могут быть расположены в зонах I, II. Регулируемый элемент 12 изменяет зазор в зоне деструкции II и может быть выполнен в виде коаксиальных поверхностей.

По сравнению с аналогичными способами и устройствами изобретение имеет следующие преимущества:
- возможен надежный контроль и плавная регулировка характеристик полимерного продукта (вязкость, молекулярная масса) в широком диапазоне;
- уменьшается износ вращающихся частей аппарата;
- исключается необходимость соприкосновения исходного жесткого материала с высокоскоростным ротором зоны деструкции;
- исключается контакт горячего каучука с окружающей средой.

Источники информации
1. Патент Великобритании N 657614, 1951.

2. Патент США N 5115988, 1992.

3. Патент Франции N 2003134, 1970.

4. Патент России N 2117017, 1998.

5. Авт. свид. СССР N 860848, 1981.

6. Авт. свид. СССР N 314540, 1969.

Изобретение относится к способу и устройству для смешения и диспергирования гомогенных сред, преимущественно для изготовления низкомолекулярных каучуков из высокомолекулярных, и может быть использовано на предприятиях химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности для производства полимерной продукции и паст. В способе осуществляют изготовление низкомолекулярных каучуков по зонам роторного аппарата, преимущественно в трех зонах. В первой зоне исходный материал подвергают пластикации при вращении ротора со скоростью 5-100 об/мин. В следующей зоне осуществляют деструкцию пластицированного исходного материала за счет диссипации механической энергии при вращении ротора со скоростью 500-7000 об/мин. В последней зоне осуществляют дегазацию продукта деструкции и при необходимости дополнительную термическую деструкцию, а также гомогенизацию и охлаждение за счет регулирования скорости его движения путем изменения скорости вращения ротора от 30 до 200 об/мин. Роторный аппарат для осуществления способа включает корпуса с рубашками для охлаждения, загрузочный и разгрузочный патрубки и рабочие органы, выполненные в виде роторов. В каждой зоне обработки размещено не менее одного ротора, вращающегося с заданной скоростью и расположенного относительно других под углом 0-180^o. Изобретение позволяет интенсифицировать процесс диспергирования и/или гомогенизации каучуков, управлять процессом получения материала с требуемым комплексом свойств. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 3 ил., 4 табл.

1. Способ изготовления низкомолекулярных каучуков по зонам роторного аппарата, преимущественно в трех зонах, отличающийся тем, что в первой зоне исходный материал подвергается пластикации при вращении ротора (роторов) со скоростью 5-100 об/мин, в следующей зоне (зонах) осуществляется деструкция пластицированного исходного материала за счет диссипации механической энергии при вращении ротора (роторов) со скоростью 500-7000 об/мин, в последней зоне осуществляется дегазация продукта деструкции, при необходимости дополнительная термическая деструкция, а также гомогенизация и охлаждение за счет регулирования скорости его движения путем изменения скорости вращения ротора (роторов) от 30 до 200 об/мин. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что степень деструкции исходного материала и производительность аппарата регулируют путем изменения скорости вращения роторов зон пластикации и деструкции. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что степень деструкции исходного материала регулируют путем изменения направления его потока и времени продолжения процесса деструкции. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что степень деструкции исходного материала регулируют путем изменения зазоров между подвижными и неподвижными частями узлов деструкции аппарата в зоне (зонах) деструкции. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что степень деструкции исходного материала регулируют путем подачи охлаждающей жидкости в рубашки аппарата. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная термическая деструкция осуществляется в удлиненной трубе прямой, изогнутой или иной формы, снабженной теплоизоляцией. 7. Роторный аппарат для изготовления низкомолекулярных каучуков, включающий корпуса с рубашками для охлаждения, загрузочный и разгрузочный патрубки и рабочие органы, выполненные в виде роторов, отличающийся тем, что в каждой зоне обработки размещено не менее одного ротора, вращающегося с заданной скоростью и расположенного относительно других под углом 0-180^o. 8. Роторный аппарат по п. 7, отличающийся тем, что роторы разных зон расположены в одной либо в разных плоскостях относительно друг друга. 9. Роторный аппарат по п. 7, отличающийся тем, что он имеет запорное устройство, выполненное в виде сменных элементов одного из роторов и регулируемых элементов корпуса зоны (зон) деструкции. 10. Роторный аппарат по п. 7, отличающийся тем, что он имеет удлиненную трубу прямой, изогнутой или иной формы, снабженную теплоизоляцией. 11. Роторный аппарат по п. 7, отличающийся тем, что он имеет дроссельное приспособление, служащее для регулирования потока деструктируемого каучука.