ES2214171T5 - Procedimiento y aparato para la producción de polímeros termoplásticos cargados - Google Patents

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Abstract

Un proceso para producir material termoplástico que contiene una carga, caracterizado por comprender los pasos siguientes: alimentar de material termoplástico base un contenedor (1) provisto con medios para mezclar y remover (2, 3); elevando la temperatura del material termoplástico base hasta que dicho material haya alcanzado un estado blando; mezclando una carga con este material termoplástico ablandado en el contenedor (1); recogiendo dicho material rellenado con la carga del contenedor y llevando a cabo la densificación de dicho material ablandado y rellenado.

Description

Procedimiento y aparato para la producción de polímeros termoplásticos cargados.
Campo de la invención.
La presente invención se refiere a un procedimiento y a un aparato para producir polímeros termoplásticos cargados. Más particularmente, la invención se refiere a un procedimiento y a un aparato para producir materiales poliméricos termoplásticos cargados con cargas inertes, tales como cargas minerales y fibras, también conocidos como “compuestos”.
Antecedentes de la invención.
Comúnmente, se añaden cargas inertes, es decir, cargas que no reaccionan con el polímero de base, a polímeros termoplásticos, siendo sus principales funciones reducir el coste promedio del producto, los tiempos de enfriamiento de la pieza conformada y dotar al polímero cargado de características técnicas diferentes con respecto al polímero inicial. Ejemplos de cargas son carbonato de calcio, sílice, sulfato de bario, polvo de talco, fibras o polvo de madera, fibras de celulosa y fibras de vidrio. La cantidad de carga añadida generalmente es de desde el 15 hasta un 80% en peso de la base polimérica y preferiblemente está dentro del intervalo del 30 al 70% en peso.
Materiales poliméricos de interés son resinas termoplásticas y particularmente PP, PE y poliolefinas en general, PVC ABS, etc.; el material es un homo o copolímero y es un monomaterial o una mezcla de materiales compatibles, por ejemplo PP/PE. En otras palabras, mezclas de materiales no compatibles no están dentro del alcance de la presente invención y con el término material termoplástico quiere decirse un monomaterial o una mezcla de material compatible.
Materiales termoplásticos preferidos son materiales de desecho industrial, tales como restos de producción, por ejemplo restos de láminas de BO PP y PP/PE que resultan de la producción de pañales y película biorientada, restos que resultan de la producción de materiales textiles no tejidos y productos no tejidos, polvos de polímero que se derivan de procedimientos de polimerización y producciones de polímeros.
Según la técnica anterior, se añaden cargas a los polímeros termoplásticos tras haberse llevado el material polimérico a un estado fundido. Por ejemplo, gránulos de material polimérico, o material de polímero en un estado densificado, se alimentan a una prensa extrusora y la carga se alimenta a uno o más puntos del cilindro del husillo de extrusión tras derretir y plastificar el material de polímero; el material cargado se granula de nuevo cuando sale del cilindro del husillo. La principal desventaja de este procedimiento es el coste de un procedimiento que comienza con material en forma de gránulos o aglomerados para obtener de nuevo gránulos o aglomerados del material cargado. Esta desventaja se siente particularmente cuando el material polimérico es un material reciclado.
Para obviar este problema, se propuso cargar los gránulos de polímero o material densificado durante su etapa de procesamiento, por ejemplo durante el moldeo por extrusión o inyección del producto conformado; sin embargo, esta solución demostró ser aplicable sólo en parte, porque el usuario final del material prefiere usar un compuesto que ya tenga la cantidad necesaria de carga por razones obvias de simplicidad, costes inferiores del procedimiento y maquinaria de extrusión y moldeo más barata y más fácil de usar.
El documento US-A-4.225.640 (Erb) da a conocer un método de recuperación de desechos municipales mediante la combinación de fragmentos de materiales plásticos diferentes e incompatibles y de hojas secas y mediante la extrusión de la mezcla. Se aplica calor en la prensa extrusora para fundir los materiales termoplásticos e incorporar en los mismos los fragmentos de hojas. En una realización, los materiales termoplásticos se derriten y se funden antes de mezclarlos con los fragmentos de hojas. El producto que sale de la prensa extrusora es una masa consolidada de hojas unidas por los plásticos, en la que los fragmentos de hojas sirven como puente para integrar diferentes materiales termoplásticos que de otro modo no se combinarían entre sí.
El documento DE-A-19718138 (Ermafa) se refiere a una máquina de reciclaje que fragmenta y aglomera materiales termoplásticos hasta que una cantidad prefijada de material se trata en la maquina; el material se funde entonces y se añade “agua de choque” para solidificarlo dentro de la máquina. El material sólido y aglomerado se seca entonces, se fragmenta y se extrae de la máquina. El documento no dice nada sobre cargas.
El documento US-A-5.635.125 (Ternes) da a conocer una teja obtenida moliendo material de PVC reforzado con fibra (concretamente mangueras de jardín), mezclando la manguera molida con serrín y extruyendo la mezcla. De nuevo, en este documento la carga se incorpora en el material plástico fundido durante la extrusión.
El documento US-A-3.552.722 (Sutter) trata del problema de mezclar uniformemente plástico en polvo y fragmentos de material plástico antes de alimentar la mezcla a una prensa extrusora o a un dispositivo de amasado y calentamiento. El aparato dado a conocer no realiza ninguna trituración ni ablandamiento del material y no se mencionan cargas.
El documento EP-A-0911131 (Gamma Meccanica) da a conocer un aparato para fragmentar, triturar y densificar un material plástico. El aparato comprende un recipiente con un elemento de rotación que tritura el material plástico y lo empuja hacia un primer husillo que es tangencial al recipiente y que lleva el material hacia un husillo de prensa extrusora. Se proporcionan medios de alimentación para alimentar colorantes o plástico granulado al husillo tangencial. La disposición citada debe garantizar una alimentación más uniforme del plástico triturado a la prensa extrusora.
Descripción de la invención.
Hay por tanto la necesidad de un procedimiento de producción de un compuesto termoplástico cargado, es decir, un material de base polimérico termoplástico cargado con cargas inertes, a menores costes que los disponibles actualmente mediante el uso de un aparato que es sencillo y no es caro. También hay la necesidad de un compuesto termoplástico cargado que sea más barato que los productos conocidos pero que tenga las mismas o mejores características técnicas que los productos conocidos correspondientes.
Es un objeto de la presente invención solucionar el problema mencionado anteriormente por medio de un procedimiento de producción de materiales termoplásticos cargados que es más barato que los procedimientos tradicionales y que puede proporcionar un producto (es decir, un gránulo cargado) con una composición sustancialmente constante, específicamente con un porcentaje sustancialmente uniforme de carga en todos los gránulos producidos, y que está dotado de las mismas o mejores propiedades técnicas que los compuestos correspondientes conocidos actualmente.
Este objeto se logra por medio de la presente invención, referente a un procedimiento para producir polímeros termoplásticos cargados según la reivindicación 1.
Otro objeto de la patente es un aparato para producir polímeros termoplásticos cargados que concuerda con el procedimiento mencionado, caracterizado según la reivindicación 5.
Según una realización preferida de la invención, la base polimérica es material de desecho industrial y se ablanda al agitarse y triturarse en un recipiente vertical, también denominado “molino caliente”, donde el calor requerido para ablandar al material polimérico de base se proporciona mediante la fricción generada por la acción de agitación y trituración.
Según otro aspecto de la invención, el procedimiento es un procedimiento continuo en el que el material se alimenta al recipiente desde la parte superior y la base polimérica ablandada y cargada se extrae por la parte inferior. Según la reivindicación 5, la carga se alimenta a la parte inferior del recipiente, donde la base polimérica está en un estado ablandado.
Según la invención, la carga se alimenta por medios de alimentación que comprenden un husillo que está fijado al contenedor y que incluye un cilindro que tiene una salida en la parte inferior del recipiente y que comprende además un dispositivo dosificador gravimétrico físicamente separado del husillo y del recipiente y preferiblemente la salida de los medios para alimentar la carga al recipiente se tamiza frente al flujo de material ablandado.
El procedimiento y aparato según la invención permite obtener un material cargado, es decir, un “compuesto”, a partir de restos o desechos industriales, con costes de producción que son mucho menores que los costes de un procedimiento tradicional; la reducción en los costes de producción, que comienza con el mismo material de base, es generalmente de aproximadamente el 25 al 30% y puede alcanzar el 50%. El porcentaje de carga en el producto final es constante a través de la producción y puede alcanzar hasta el 70% del peso total.
La invención también proporciona la ventaja de que el material termoplástico se somete sólo a un tratamiento térmico en lugar de dos como en los procedimientos de la técnica anterior; esto dará como resultado menos pérdida de las propiedades del material termoplástico.
Breve descripción de los dibujos.
La invención se comentará ahora en mayor detalle con referencia a los dibujos adjuntos como ejemplo ilustrativo no limitativo, en los que:
-
la figura 1 es una vista esquemática de un aparato según la invención;
-
la figura 2 es una vista desde arriba esquemática del recipiente y parte de los dispositivos conectados al mismo;
-
la figura 3 es una vista lateral esquemática de un dispositivo de carga gravimétrico y su conexión al recipiente; y
-
la figura 4 es una vista esquemática de un detalle de la salida de la alimentación de carga en el contenedor de agitación.
Mejor modo de llevar a cabo la invención.
Tal como puede observarse en la figura 1, el aparato, o sistema, según la invención comprende un “molino caliente”, es decir, un recipiente 1 vertical cilíndrico dotado de un elemento 2 de agitación ajustado de manera que puede girar en la base del recipiente y dotado de una pluralidad de paletas 3. Paletas 3a adicionales están montadas estacionariamente en la pared y actúan conjuntamente con las paletas 3 para agitar y disgregar el material termoplástico y ablandarlo sin derretirlo. El recipiente 1 está dotado lateralmente de medios 4 de alimentación para cargas de alimentación, por ejemplo carbonato de calcio, al recipiente y de medios 5 de salida para extraer del recipiente el material final, es decir, la base polimérica ablandada a la que se le ha añadido la carga.
En general, la adición de la carga se lleva a cabo tras haber alcanzado el material su estado ablandado pero en cualquier caso antes de que el material se haya derretido. En otras palabras, la adición de la carga al material polimérico y su mezcla con la misma se lleva a cabo cuando el material no se ha derretido y por tanto no es compacto ni denso, aún, pero todavía está “aireado” porque procede de piezas trituradas y está en un estado ablandado.
La carga se mezcla concienzudamente con el material de resina termoplástica mediante la rotación del agitador y las paletas, es decir, según la invención la carga y el material termoplástico ablandado se mezclan dentro el recipiente 1; la alta velocidad del agitador y las paletas también proporciona el calor requerido para ablandar el material termoplástico.
Con la expresión “material termoplástico ablandado”, “ablandado” y “ablandamiento” quiere decirse por el presente documento un material en un estado tal como puede obtenerse en un intervalo de temperatura que va desde justo antes del punto de fusión del material hasta aproximadamente 20-25 grados por debajo del punto de reblandecimiento Vicat del material tal como se determina mediante la norma ASTM D1525; ISO 306, “A”. Preferiblemente, la temperatura del material en el fondo del recipiente, es decir, el molino caliente, se mantiene dentro del intervalo de 5-10ºC menos que el punto de fusión y 15-20ºC menos que el punto de reblandecimiento Vicat de dicho material.
En el caso de materiales de polipropileno y polipropileno/etileno, en los que el punto de ablandamiento es de aproximadamente 140-150ºC y el punto de fusión es de 168-171ºC (para polipropileno), el intervalo de temperatura que da como resultado un material ablandado está dentro del intervalo de desde aproximadamente 120-125ºC hasta aproximadamente 165-170ºC. Preferiblemente, la temperatura es de aproximadamente 130-160ºC.
Los valores reales para cada material se obtienen del fabricante o mediante ensayos llevados a cabo en el material, siendo este último caso más frecuente cuando se reciclan materiales de desecho para dar compuestos cargados.
Después de salir del molino 1 caliente, el material cargado se somete a al menos una etapa de densificación (por ejemplo aglomeración) aumentando su densidad aparente para obtener un material fácil de usar en el procesamiento posterior. Esta etapa puede realizarse inmediata o posteriormente; es preferible realizar una plastificación y granulación del material inmediatamente.
Los medios para recoger y procesar el material ablandado están compuestos preferiblemente por un husillo transportador que puede variar en longitud según el grado de plastificación que va a proporcionarse al material. Un husillo corto proporcionará un producto densificado, una prensa extrusora proporcionará un producto peletizado. El husillo transportador puede situarse radial o tangencialmente al recipiente 1.
En la realización mostrada en las figuras adjuntas, los medios 5 están compuestos por una prensa extrusora, dotada de manera conocida de un husillo 5a y medios para filtrar, desgasificar, etc., el material derretido en el extremo de la prensa extrusora, en el que también está previsto un dispositivo peletizador o granulador. El filtro, el dispositivo desgasificador y el granulador, generalmente identificados con el número de referencia 6, se conocen en la técnica y no se muestran en detalle en las figuras 1 y 2. Preferiblemente, la prensa extrusora está ubicada tangencialmente al recipiente 1 según la enseñanza del documento US-A-4.222.728 a nombre de Kraus-Maffei, Asten, Austria, en el que se da a conocer un aparato usado para reciclar material termoplástico de desecho de procesos industriales, similar a parte del aparato según esta invención y que comprende un molino caliente triturador y una prensa extrusora.
La prensa 5 extrusora tangencial se comunica con el recipiente 1 a través de la abertura 19 y puede ser del tipo tradicional o del tipo de doble husillo, o bien horizontal o bien vertical; en una realización la prensa extrusora está dotada de una manera conocida en la técnica de medios de alimentación para alimentar carga adicional, por ejemplo una carga diferente de la primera, al material tratado.
Los medios para alimentar la carga comprende un dispositivo 7 dosificador que recibe el material de carga de un silo 8, que está a su vez conectado con un silo 9 “de extracción” que recibe la carga de los silos de almacenamiento (no mostrados). El dispositivo 7 dosificador alimenta la carga a un husillo 10 que tiene su salida en el recipiente 1.
El dispositivo 7 dosificador es un dispositivo dosificador gravimétrico, tal como el mostrado esquemáticamente en la figura 3. Según la invención, el dispositivo 7 dosificador gravimétrico está montado sobre una estructura especializada (no mostrada), es decir, sobre una estructura que es diferente de la estructura del recipiente 1 o cualquier estructura conectada al mismo; en cualquier caso, tal como se muestra en la figura 3, el dispositivo 7 está físicamente separado del cilindro del husillo 10, que alimenta la carga al recipiente 1. Tal como puede observarse, el dispositivo dosificador lleva la carga pesada a una tolva invertida 11 por medio de un primer husillo 11a, la carga cae dentro del husillo 10 de alimentación, que está situado debajo y adyacente al dispositivo 7 dosificador y a la tolva 11 sin estar físicamente conectado a estos elementos, mientras que está fijo al recipiente 1. El uso de un dispositivo dosificador gravimétrico “suspendido”, es decir, de medios de alimentación de carga que comprenden medios dosificadores separados del husillo que alimenta la carga dosificada al molino 1 caliente, hace posible obtener una uniformidad y constancia extremadamente altas en el porcentaje de carga en el material final.
Tal como se mencionó anteriormente, la salida 12 del husillo 10 está ubicada en la parte inferior del recipiente 1, es decir, en la parte del recipiente donde el material termoplástico se ha llevado a un estado ablandado mediante la acción de disgregación y agitación realizada por las paletas 3 y 3a. Con esta disposición, se evita la dispersión de polvos de la carga en el medio ambiente o se reduce sumamente.
En vista de la alta velocidad de agitación de las paletas giratorias, que está en el intervalo de 700-1200 rpm y preferiblemente 800-1000 rpm, para evitar interferencias en la alimentación de la carga a la salida 12 de material se protege mediante un tamiz 13 ubicado aguas arriba de la salida 12 con respecto al movimiento del material, indicado con la flecha R en la figura 4.
Situadas en la porción superior del recipiente 1 están las boquillas 14 y 15 para alimentar, preferiblemente mediante nebulización, agua y aceite respectivamente. Se pulveriza agua cuando la temperatura del material en el área inferior, que gira más rápido, alcanza un valor límite por encima del cual el material puede pasar de su estado ablandado a su estado derretido. Tras el contacto con el material polimérico caliente, el agua se evapora y enfría la masa que está agitándose; el vapor que se genera se trata de una manera conocida, por ejemplo mediante succión a través de un ventilador aspirador (no mostrado). El aceite, que puede ser mineral o de origen vegetal, tiene la función conocida de “lubricar” el material y también de “humedecer” la carga pulverulenta e impedir o limitar que salga polvo del recipiente. Para este fin, el recipiente está dotado también de un anillo 16 orientado hacia el interior e inclinado hacia abajo.
El funcionamiento del aparato según el procedimiento al que se refiere la presente invención es preferiblemente continuo, tal como sigue.
El material se alimenta al recipiente 1 a través de la entrada 17 por medio de una cinta 18 transportadora-elevadora y cae dentro del recipiente vertical, es decir, el “molino caliente” 1, donde se agita, disgrega y ablanda mediante las paletas 3 y 3a. La cantidad de material alimentado se conoce, por ejemplo porque se pesa de antemano o porque se mide mediante una o más celdas de carga mientras se alimenta a lo largo del transportador 18.
Según la cantidad y el porcentaje de carga deseados, el dispositivo 7 dosificador alimenta una cantidad correspondiente de carga al recipiente por medio del husillo 11a y el husillo 10. Este dosificador es particularmente preciso gracias al uso del dispositivo dosificador gravimétrico y del tamiz 13 que protege la salida 12 del husillo 10. De hecho, gracias a esto no es necesario adoptar medios de alimentación potentes, que además no serían viables en vista de la separación física requerida entre el husillo 10 y el dispositivo 7 dosificador gravimétrico y la consiguiente abertura no cubierta ubicada bajo la tolva 11.
Tal como se mencionó anteriormente, el material plástico en la parte superior de la pila de material en el molino caliente o el recipiente 1 tiene su forma original (por ejemplo una hoja) y el material en el fondo del recipiente 1 está triturado, disgregado y ablandado pero no se ha derretido ni fundido. Para evitar que se derrita el material, es decir, para mantener el material en su estado ablandado, la temperatura del material en el fondo del recipiente 1 se controla mediante sensores, por ejemplo termopares, y si alcanza un umbral preestablecido, por ejemplo en el intervalo de 140-150ºC para polipropileno, se activan las boquillas 14 para pulverizar una cantidad de agua suficiente para disminuir la temperatura del material hasta el valor deseado. Este valor esta dentro del intervalo entre la temperatura máxima que puede alcanzarse sin derretir el material y aproximadamente 20-25ºC menos que el punto de reblandecimiento VICAT según la norma ASTM D 1525 o ISO 306 (10 N).
El material ablandado, cargado y suministrado desde el recipiente se recoge por medios que lo someten a etapas adicionales de tratamiento que prevé al menos su densificación, es decir, el aumento de la densidad aparente, por ejemplo mediante extrusión a través de un husillo corto o una prensa extrusora y posiblemente una peletización final. En otras palabras, en esta etapa el material se transforma en un producto (preferiblemente un gránulo) que puede alimentarse a una prensa extrusora u otra máquina de moldeo sin tratamiento adicional.
Los gránulos pueden mezclarse opcionalmente en un silo de mezclado y homogeneización (no mostrado) antes del envasado.
El procedimiento se realiza de manera continua y el material se añade a medida que se recoge de la base por medio de la prensa extrusora. Los diversos parámetros de procesamiento se controlan mediante sensores, por ejemplo termopares para la temperatura del material ablandado, sensores para medir la energía que absorbe el motor 2 eléctrico para detectar las condiciones del material termoplástico y un PLC que hace funcionar el aparato de una manera sustancialmente automática.
EJEMPLO 1.
En un procedimiento típico, se alimentan 400 kg/hora de láminas de polipropileno de desecho a un recipiente vertical de 2000 litros (molino caliente) dotado de un dispositivo de agitación/trituración que gira a 850 rpm y con una prensa extrusora de suministro que tiene una razón L/D de 32, estando dotada la prensa extrusora de desgasificación, filtro continuo y granulador final. Las láminas de PP alimentadas al recipiente se pesan mediante cuatro celdas de carga mientras se transportan a lo largo de la cinta 18 transportadora, que se activa según la cantidad de material presente en el recipiente y su estado. El material se disgrega y ablanda mediante la acción del dispositivo de agitación y las paletas 3 y 3a, de modo que se forma un gradiente de material en el recipiente, con el material todavía en láminas en la parte superior y el material ablandado y triturado en la parte inferior del recipiente. El dispositivo 7 dosificador alimenta 400 kg/hora de carbonato de calcio con una razón que es según la cantidad de PP alimentada por la cinta 18 elevadora; la carga se alimenta a la zona del recipiente en la que el material está ablandado (130-150ºC para polipropileno) y la carga se mezcla con el material que entonces se recoge a través de la abertura 19 mediante la prensa 5 extrusora. El material se plastifica y se derrite en la prensa extrusora, se desgasifica, se filtra y se granula en aglomerados dando 800 kg/hora de gránulos de polipropileno cargados al 50% con carbonato de calcio.
El coste del producto es aproximadamente el 30% menor que el mismo producto obtenido a partir de los mismos materiales de partida pero según el procedimiento de la técnica anterior.
EJEMPLO 2
Se tratan 400 kg/hora de láminas de polipropileno de desecho y 600 kg/hora de carbonato de calcio según el procedimiento del ejemplo 1 para dar 1000 kg/hora de gránulos de PP al 60%. El coste de este producto es aproximadamente el 30% menor que el producto obtenido de manera tradicional.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de producción de material termoplástico que contiene una carga que comprende las etapas de:
    alimentar un material termoplástico de base a un recipiente (1) dotado de medios (2,3) de mezclado y agitación que comprenden medios (3, 3a) de disgregación; aumentar la temperatura del material termoplástico de base hasta que dicho material ha alcanzado un estado ablandado por medio de dichos medios (3, 3a) de agitación y disgregación; alimentar una carga a dicho material termoplástico en la parte inferior de dicho recipiente (1), en el que el material termoplástico está en un estado ablandado, mediante medios (4) de alimentación, comprendiendo dichos medios de alimentación un husillo (10) fijado a dicho recipiente (1), incluyendo dicho husillo un cilindro y teniendo una salida
    (12) en dicha parte inferior del recipiente (1), y que comprende además un dispositivo (7) dosificador gravimétrico físicamente separado de dicho husillo (10) y dicho recipiente, mezclar dicha carga con dicho material termoplástico ablandado dentro de dicho recipiente (1); recoger dicho material cargado con dicha carga de dicho recipiente y llevar a cabo una etapa de densificación de dicho material ablandado y cargado.
  2. 2.
    Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la temperatura de dicho material termoplástico ablandado está dentro el intervalo de su punto de fusión y 25ºC menos que su punto de reblandecimiento Vicat (10 N), excluyéndose la temperatura del punto de fusión.
  3. 3.
    Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha etapa de densificación es una etapa de extrusión.
  4. 4.
    Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el material termoplástico es un material de desecho industrial que va a reciclarse.
  5. 5.
    Aparato para producir material termoplástico cargado que comprende:
    un recipiente (1) que tiene medios (2) de mezclado y agitación que comprenden medios de disgregación (3, 3a) que llevan a dicho material polimérico termoplástico a un estado ablandado y medios (7,10) para alimentar una carga a dicho material termoplástico dentro de dicho recipiente; comprendiendo dichos medios de alimentación un husillo
    (10) fijado a dicho recipiente (1), incluyendo dicho husillo un cilindro y teniendo una salida (12) ubicada en dicha parte inferior del recipiente (1) en el que el material termoplástico está en un estado ablandado, y que comprende un dispositivo (7) dosificador gravimétrico físicamente separado de dicho husillo (10) y dicho recipiente; medios (5) para recoger el material ablandado y cargado de dicho recipiente y medios (5-6) para someter dicho material cargado a al menos una etapa de densificación.
  6. 6.
    Aparato según la reivindicación 5, que comprende además medios de apantallamiento (13) de la salida (12) de dichos medios (10) de alimentación de carga en dicho recipiente (1).
  7. 7.
    Aparato según la reivindicación 5 ó 6, que comprende además medios (14,15) para alimentar agua y/o aceite a dicho recipiente.
  8. 8.
    Aparato según una de las reivindicaciones 5 a 7, en el que dichos medios para recoger y densificar el material cargado comprenden una prensa (5) extrusora y una granuladora (6).
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