"MÉTODO PARA AUMENTAR A TAXA DE PRODUÇÃO DE UM MISTURADOR CONTÍNUO OU EXTRUSORA E MÉTODO PARA CONTROLAR A TEMPERATURA DE FUNDIDO DE UM MISTURADOR CONTÍNUO OU EXTRUSORA".
Antecedentes da invenção
Esta invenção relaciona-se com processamento com misturadores contínuos ou extrusoras, e, mais especificamente, com aumentar a taxa de produção de tais misturadores contínuos ou extrusoras.
A taxa de produção de uma linha de produção de extrusão ou mistura é freqüentemente limitada pela capacidade da extrusora ou misturadores contínuos. Misturadores contínuos e extrusoras, de alimentação de sólidos, geralmente funcionam parcialmente cheios e a capacidade volumétrica de bombeamento de fundido dos fusos é raramente alcançada. A taxa de produção é geralmente limitada (dados equipamentos auxiliares adequados) por potência da máquina, itens relacionados com alimentação de sólidos, qualidade do produto ou combinações dos mesmos. Por exemplo, a taxa de produção de resinas com altas viscosidades de fundido é tipicamente limitada pela potência da máquina. Em comparação, a taxa de produção de resinas tendo baixas viscosidades de fundido é tipicamente limitada por itens relacionados com o transporte de sólidos. Em alguns casos, tais como em extrusão e mistura reativa, a qualidade do produto também pode limitar a taxa de produção devido a fatores relacionados incluindo temperatura de fusão do polímero e tempo de residência. 0 controle da temperatura de fusão em equipamentos de grande produção também é outro desafio, uma vez que o resfriamento da extrusora se torna mais difícil à medida que o tamanho da máquina aumenta. Fazer o aumento em escala para máquinas maiores provê canais de fusos mais profundos e razões mais baixas de superfície de resfriamento para volume. Assim, máquinas maiores têm tanto uma trajetória de fluxo térmico mais longa (entre o centro da massa fundida e a superfície detransferência térmica mais próxima) e relativamente menos área de superfície de transferência térmica comparadas com unidades menores. Em combinação com a baixa condutividade térmica de polímeros, estas diferenças em máquinas grandes e pequenas resultam na taxa de geração térmica por dissipação viscosa ser muito maior do que a taxa de remoção térmica via o resfriamento do tanque ou fuso em máquinas de grande escala de produção. Por esta razão, uma vez que o polímero está fundido o controle de temperatura é difícil de conseguir.
Conseqüentemente, métodos para melhorar a taxa de produção de extrusoras e misturadores contínuos e métodos para prover controle de temperatura melhorado são altamente desejados pela indústria de processamento de polímeros.
Sumário resumido da invenção
Em uma configuração, a invenção é um método para aumentar a taxa de produção de um misturador contínuo ou extrusora. O método compreende: operar um misturador contínuo ou extrusora a uma dada velocidade de fuso, o misturador ou extrusora tendo: (i) um primeiro orifício de entrada adaptado para aceitar material alimentado sólido; (ii) pelo menos um segundo orifício de entrada a jusante do primeiro orifício de entrada adaptado para aceitar material alimentado sólido; (iii) pelo menos um rotor ou fuso interno rotativo que pode ser operado a, pelo menos uma velocidade rotacional; introduzir um material termoplástico polimérico sólido na extrusora ou misturador através do primeiro orifício de entrada a uma primeira taxa de alimentação; introduzir o material termoplástico polimérico sólido no misturador ou extrusora através do segundo orifício de entrada a uma segunda taxa de alimentação; tal que a taxa de alimentação total, que é a soma da primeira taxa de alimentação e da segunda taxa de alimentação, seja maior do que uma taxa de alimentação máxima no mesmo misturador ou extrusora operado na mesma velocidade de fuso quando omesmo material polimérico sólido é introduzido unicamente através do primeiro orifício de entrada, sendo que a taxa de alimentação máxima é limitada por requisitos de potência do misturador ou extrusora.
Em uma outra configuração, a invenção é um método para controlar a temperatura de fundido de saída de um misturador contínuo ou extrusora, o método compreendendo: operar um misturador contínuo ou extrusora a uma dada velocidade de fuso, o misturador ou extrusora tendo: (i) um primeiro orifício de entrada adaptado para aceitar material alimentado sólido; (ii) pelo menos um segundo orifício de entrada a jusante do primeiro orifício de entrada, o segundo orifício de entrada adaptado para aceitar material alimentado sólido; (iii) pelo menos um rotor ou fuso interno rotativo que pode ser operado a, pelo menos uma velocidade rotacional, e, (iv) pelo menos uma saída, introduzindo uma primeira corrente de um material termoplástico polimérico sólido no misturador ou extrusora através do primeiro orifício de entrada a uma primeira taxa de alimentação; fundir a primeira corrente de material termoplástico polimérico sólido no misturador ou extrusora para formar uma primeira massa fundida; introduzir uma segunda corrente do material termoplástico polimérico sólido no misturador ou extrusora através do segundo orifício de entrada a uma segunda taxa de alimentação tal que a segunda corrente de um material termoplástico polimérico sólido esteja em contato íntimo com a primeira massa fundida; fundir a segunda corrente de material termoplástico polimérico sólido pelo menos parcialmente por energia térmica transferida da primeira massa fundida, tal que o material polimérico fundido da segunda corrente combine com a primeira massa fundida para formar uma massa fundida total; expelindo a massa fundida total através da saída, a massa fundida total tendo uma temperatura de fundido de saída, sendo que a primeira taxa de alimentação e a segunda taxa de alimentação são selecionadas para obter uma desejadatemperatura de fundido de saída.
Em uma configuração adicional, a invenção é um método para aumentar a taxa de produção de um misturador contínuo ou extrusora. o método compreende: operar um misturador contínuo ou extrusora a uma dada velocidade de fuso, o misturador ou extrusora tendo: (i) um primeiro orifício de entrada adaptado para aceitar material alimentado sólido; (ii) pelo menos um segundo orifício de entrada a jusante do primeiro orifício de entrada, o segundo orifício de entrada adaptado para aceitar material alimentado sólido; (iii) pelo menos um rotor ou fuso interno rotativo que pode ser operado a, pelo menos uma velocidade rotacional; introduzir uma primeira corrente de um material termoplástico polimérico sólido na extrusora ou misturador através do primeiro orifício de entrada a uma primeira taxa de alimentação; introduzir uma segunda corrente do material termoplástico polimérico sólido no misturador ou extrusora através do segundo orifício de entrada a uma segunda taxa de alimentação;sendo que a primeira taxa de alimentação e a segunda taxa
de alimentação são selecionadas para conseguir uma taxa de alimentação total, determinada somando a primeira taxa de alimentação e a segunda taxa de alimentação, que é maior que uma taxa de alimentação comparativa máxima no 25 mesmo misturador ou extrusora operado na mesma velocidade de fuso quando o mesmo material termoplástico polimérico sólido é introduzido unicamente através do primeiro orifício de entrada, sendo que a taxa de alimentação comparativa máxima é limitada por limitações de bombeamento do misturador ou extrusora.
Várias outras características, objetivos e vantagens da presente invenção serão tornadas aparentes a partir da descrição detalhada seguinte. Descrição detalhada da invenção Os inventores descobriram que quando usando um misturador de duplo estágio, de alimentação dupla para processar resinas altamente viscosas, dividir a alimentação depolímero sólido provê melhor utilização da energia mecânica disponível, o que por sua vez, permite taxas de produção mais altas serem alcançadas comparadas com usar um protocolo de alimentação convencional. 0 mesmo conceito de alimentação dividida foi aplicado com sucesso a uma resina de baixa viscosidade onde as taxas de mistura são limitadas por transporte de sólidos ao invés de potência da máquina. Por ajuste criterioso das correntes de alimentação, o processo forneceu um melhor controle da temperatura do fundido polimérico.
Geralmente, o processo da invenção é um processo de mistura ou extrusão. A mistura pode ser efetuada em um misturador contínuo convencional ou um uma extrusora convencional adaptada para o processo, e os termos "mistura" e "extrusão" são usados nesta especificação intercambiavelmente. Do mesmo modo, "misturador contínuo" e "extrusora" também são usados intercambiavelmente aqui. Geralmente, a composição é preparada em um misturador contínuo e então peletizada usando um acessório peletizador ou uma extrusora adaptada para peletização. Tanto o misturador contínuo, como o nome implica, quanto a extrusora, de fato têm zonas de fusão e de mistura embora as várias seções de cada um sejam conhecidas por aqueles experientes na técnica por nomes diferentes. No 25 presente caso, as zonas importantes são a primeira e segunda zonas de mistura. A primeira zona de mistura pode ser considerada a ser uma zona de fusão/mistura uma vez que a resina é fundida nesta zona. Na segunda zona, a resina fundida a partir da primeira zona de mistura contribui substancialmente para a fusão da resina sólida adicionada. Um nível mais baixo de energia mecânica é requerido na segunda zona de mistura para manter a mistura no estado fundido enquanto ela está sendo misturada, resultando assim em uma redução global da 35 temperatura do produto. Uma característica importante na segunda zona de mistura são os meios de ventilação, que podem ser providos por um ou mais orifícios. A ventilaçãoocorre antes da descarga do misturador, e é acreditada a reduzir a possibilidade de gases de retorno, e melhora a alimentação da resina adicional para a segunda zona de mistura, permitindo assim a produção em taxas aumentadas.
0 processo inventivo pode ser executado em vários tipos de misturadores contínuos e extrusoras, tais como, extrusoras de fuso simples ou fusos duplos ou outros dispositivos de processamento de polímeros. 0 dispositivo requer zonas de entrada e de saída, e pelo menos duas zonas de injeção, cada zona contendo um orifício de injeção. Usar mais do que dois orifícios de injeção para dividir adicionalmente a alimentação de polímero está dentro do escopo desta invenção. Em adição, meios de aquecimento são providos para manter a resina em um estado fundido e prover algum controle através de todo o processo de extrusão. Do mesmo modo, meios de mistura também são requeridos para manter a resina em um estado de agitação para o mesmo período de tempo. A mistura pode ser realizada por um fuso roscado, um impeiidor, ou outrodispositivo incorporado no corpo do misturador ouextrusora. Extrusoras ou misturadores contínuos de fusos duplos são preferidos devido a mistura mais eficiente em comparação com um dispositivo de fuso simples. Uma extrusora típica tem uma primeira tremonha em sua 25 extremidade de montante e uma matriz em sua extremidade de jusante. Tremonhas de alimentação adicionais podem ser localizadas ao longo do tanque a jusante da primeira tremonha. A tremonha alimenta um tanque, o qual contém um fuso. Na extremidade de jusante, entre a extremidade dofuso e matriz, uma guarnição de tela e disco trituradorpodem ser incluídos. A porção de fuso da extrusora é considerada a ser dividida em até três seções, a seção de alimentação, a seção de compressão, e a seção de medição, e duas zonas, a zona térmica traseira e a zona térmica 35 frontal, as seções e zonas correndo de montante para jusante. Se a extrusora tiver mais do que um tanque, os tanques são conectados em série. A razão de comprimentopara diâmetro de cada tanque está na faixa de cerca de 5:1 a 30:1. Será entendido que as zonas de entrada, saída, e injeção como usadas nesta especificação não são necessariamente coextensivas com aquelas zonas, que são nomeadas como partes de uma extrusora típica. Ao invés, as zonas de entrada, saída, e injeção podem ser localizadas em um tanque ou em vários tanques. Elas são simplesmente áreas que são de comprimento suficiente e têm meios adequados de aquecimento e mistura para efetuar a fusão, mistura, enxerto, ou desvolatilização a serem realizadas na particular área ou zona. Portanto, equipamento direto da prateleira pode ser facilmente convertido para prover as zonas requeridas. Vários tipos de misturadores contínuos e extrusoras tais como um misturador Brabender®, misturador Banbury®, ou um moinho de rolos, um co-amassador Buss®, uma extrusora amassadora de fuso biaxial, e extrusoras de fusos simples ou duplos podem ser adaptados para executar o processo da invenção. Uma descrição de uma extrusora convencional pode ser encontrada na patente U.S. n° 4.857.600. Em adição a fundir/misturar, a extrusora pode ser usada para revestir uma fibra de vidro ou um fio de cobre ou um núcleo de fibras de vidro ou de fios de cobre. Um exemplo de co-extrusão e uma extrusora, portanto, podem ser encontrados na patente U.S. 5.575.965.
Preferivelmente, o misturador contínuo ou extrusora é um misturador de compostagem contínuo "longo" de nova geração tal como o misturador LCM® Kobe® ou misturador ADVEX-D® Farrel®. As características destes designs de misturadores são que eles têm tipicamente L/D 10 e são configurados em câmaras de mistura de dois estágios. Os dois estágios são separados por porta/orifício ajustáveis. o começo do segundo estágio é usualmente provido com uma "zona de descompressão" e um orifício de 35 ventilação. A configuração de rotor e configuração de câmara-represa são manipuladas para o efeito de que os dois estágios possam ser considerados a ser duas zonas demistura independentes.
Todas as linhas de mistura envolvendo a fusão de polímeros sólidos podem ser revisadas para implementar novo processo para aumentar as taxas e melhorar o controle da temperatura de fundido. Estas incluem misturadores contínuos de rotores duplos (tipo Farrel®, Kobe®, JSW®) bem como extrusoras de fusos duplos (W&P tipo K®, etc. Modificações adicionais seriam necessárias para fazer uso do novo processo em casos onde as taxas de mistura sejam limitadas por outros fatores tais como tempo de residência para completar uma reação ou limites de pressão a partir de equipamentos a jusante.
EXEMPLOS
Nos exemplos seguintes, o índice de fundido (MI) foi medido pela ASTM-D1238 a 190 °C e 2,16 kg e a densidade foi medida pela ASTM D-792.
O conceito inventivo foi testado em um misturador Farrel® de dois estágios, no qual o orifício de ventilação foi usado como um segundo orifício de alimentação, para conseguir os resultados mostrados nas Tabelas 1 e 2. Os experimentos foram conduzidos em um Farrel® 4"FCM® equipado com dois orifícios de alimentação e rotores de mistura de dois estágios. Cada rotor tem um primeiro estágio compreendendo uma seção helicoidal de alimentação para frente seguida por uma seção de mistura. O segundo estágio é a segunda porção de estágio do rotor que foi originalmente projetada para melhorar a ventilação e desgaseificação bem como uma mistura adicional antes da descarga de polímero.
Como mostrado na Tabela 1, com uma resina de alta viscosidade (Polietileno DGM-1810 (densidade de 0,918 g/cm3, MI l,0g/10 min, ponto de fusão de 121,2°C) - esta é uma resina representativa de fase gasosa intermediária - quando um único orifício foi usado, a taxa de produção máxima foi 775 lb/h (Corrida #2) na qual a potência máxima do misturador foi alcançada. A Corrida #2 foi caracterizada por uma alta alimentação de energiaespecífica (SEI) (0,1623 hp.h/lb) e uma alta temperatura de fundido de polímero indicada de 310°C. Aumentando gradualmente a segunda alimentação, e ajustando a taxa de alimentação, poder-se-ia alcançar taxas de mistura 5 equivalentes em SEI e temperatura de fundido muito mais baixas (Corridas #8 e #9) . De fato, a temperatura de fundido para as Corridas #8 e #9 foram cerca de 800C a 90 0C menores do que as temperaturas de fundido para a Corrida #2. 0 aumento adicional das taxas de alimentação em ambos os estágios resultou em taxas globais mais altas em SEI e temperatura de fundido mais baixas do que encontradas na Corrida #2 (Corridas #12 a #15) . Os aumentos de taxas, em relação à Corrida #2, de cerca de 10, 16, 23, 29, 42, 48, e 55% são demonstrados nas 15 Corridas #9, 10, 11, 12, 13, 14, e 15, respectivamente. Portanto, com alimentação dividida e equilíbrio criterioso entre as duas correntes de alimentação, a taxa de produção alcançável total (Corrida #15) foi 1.200 lb/h, ou aumento de taxa de 54,8%, no limite de potênciado misturador e controle melhorado da temperatura defundido foi obtido.
Como mostrado na Tabela 2, com uma resina de baixa viscosidade (Polietileno DGL-5280 (densidade de 0,952 g/cm3, MI de 80 g/10 min, ponto de fusão de 127,8°C)), -25 esta é uma resina representativa de fase gasosa intermediária - quando um orifício de alimentação único foi usado, a taxa máxima de produção foi 90 0 lb/h na qual transbordamento da alimentação ocorreu (Corrida #16). Com alimentação dividida e equilíbrio criterioso entre asduas correntes de alimentação, uma taxa de produção total
de 1.800 lb/h (Corrida #25) foi alcançada, (aumento de taxa de 10 0%) . O novo limite de taxa foi causado por transbordamento em ambos os orifícios de alimentação, isto é, o limite máximo de bombeamento da máquina foi 3 5 alcançado.
Nós mostramos que aumentos significativos em taxas de mistura podem ser conseguidos dividindo a alimentação desólido polimérico. A fusão de polímero sólido adicional é significativamente assistida por excesso de entalpia de fundido chegando de um estágio primário de mistura. Dependendo da reologia da resina e características de fusão, aumentos de taxa foram conseguidos de até cerca de 55 a cerca de 100% de aumento de taxa em relação ao uso de uma alimentação única na mesma velocidade de rotor. O resultado líquido é uma diminuição na SEI global e portanto temperaturas de fundido mais baixas. De acordo com os estatutos, a invenção foi descrita em linguagem mais ou menos específica quanto às características estruturais e metódicas. Deve ser entendido, entretanto, que a invenção não está limitada às características específicas mostradas e descritas, uma vez que os meios aqui divulgados compreendem formas preferidas de colocar a invenção em efeito. A invenção é, portanto, reivindicada em qualquer de suas formas ou modificações dentro do escopo correto das reivindicações anexas interpretadas apropriadamente de acordo com a doutrina de equivalentes.TABELA 1
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