ES2228072T3 - Procedimiento asociado con el tratamiento de un material polimero o elastomero. - Google Patents

Abstract

Un método en relación con el proceso de un material polímero o elastómero, en el que se añade aditivo al material polímero o elastómero y el aditivo se somete a la reacción química deseada y se introduce radiación infrarroja en el material polímero o elastómero, caracterizado porque la longitud de onda de la radiación se selecciona de modo que la radiación penetra de manera óptima en el material polímero o elastómero, pero se absorbe en el aditivo produciendo en él la reacción química deseada.

Description

Procedimiento asociado con el tratamiento de un material polímero o elastómero.

La invención se refiere a un método en relación con el proceso de un material polímero o elastómero, en el que se añade aditivo al material polímero o elastómero y el aditivo se somete a la reacción química deseada.

Generalmente se ha sabido modificar las propiedades de un material mediante varios aditivos en diferentes campos técnicos que emplean materiales polímeros y elastómeros. Muchas veces este aditivo solo puede proporcionar las propiedades mejoradas deseadas cuando está bien mezclado con el material, lo que es cierto en el caso de tintes, agentes antiestáticos, reforzadores y agentes de relleno, por ejemplo.

En algunos casos, el cambio deseado en las propiedades de un material plástico está sujeto a llevar a cabo una reacción química en el aditivo, por ejemplo, la descomposición química del aditivo por medio de calor. Un ejemplo típico de semejante aditivo es un agente de entrecruzamiento químico como peróxido orgánico. En este caso, el agente de entrecruzamiento se añade al plástico en un proceso separado (composición) o durante la fabricación del producto plástico, o se descompone por medio de calor inmediatamente después de un proceso de maquinado como extrusión.

Otro ejemplo de un aditivo que tiene que descomponerse químicamente antes de conseguir el efecto, es un agente espumante químico como la azodicarbonamida que, bajo la influencia de la descomposición, libera gas nitrógeno mediante lo cual se obtiene una estructura espumosa para el material plástico.

La reacción química de los aditivos mencionados, es decir, la descomposición química en los casos antedichos, se realiza convencionalmente calentando todo el material plástico a una temperatura que causa la descomposición suficiente del aditivo. En la práctica, el calentamiento puede tener lugar inmediatamente después de la fabricación del producto plástico en la cadena o como un proceso separado.

Un ejemplo de un proceso práctico en el que se toman las medidas mencionadas es el proceso de entrecruzamiento que tiene lugar en la fabricación de cables. En un método de fabricación convencional todo el conductor aislado o revestido y sus aislantes se calientan a una temperatura suficientemente elevada como para hacer que se descomponga el peróxido. Para alcanzar una temperatura suficientemente elevada como para calentar todo el material polímero se requiere mucha energía y, además, como la conductividad térmica del polímero es débil, el proceso lleva mucho tiempo. Debe señalarse aquí que la proporción de aditivos es sólo de alrededor del 2% de la cantidad del material polímero.

A temperaturas elevadas los productos de desintegración del peróxido, de los que una parte significativa es agua, son gaseosos y, como la temperatura del polímero es también elevada, hacen que se formen fácilmente burbujas en la capa del revestimiento. Por las razones mencionadas, en el entrecruzamiento convencional el producto que se va a entrecruzar tiene que colocarse a menudo en un espacio presurizado para hacer que los productos de desintegración del peróxido se disuelvan en el polímero sin producir burbujas. Además, el producto tiene que enfriarse en un espacio presurizado para prevenir el burbujeo.

Otro ejemplo de descomposición típica de aditivos en la cadena es fabricar un tubo de plástico entrecruzado mediante un método químico. En este caso, la materia prima que contiene peróxido se extruye en un tubo a una temperatura que sustancialmente no hace que se descomponga el peróxido. Inmediatamente después del extremo del extrusor, el tubo se calienta a una temperatura a la que tiene lugar la descomposición del peróxido suficiente y se entrecruza el plástico.

En la práctica, el calentamiento mencionado puede llevarse a cabo en una pluralidad de formas, pero todas ellas se caracterizan porque toda la pared del tubo de plástico se calienta a una temperatura que hace que se descomponga una parte suficiente del peróxido. El problema aquí es la poca conductividad térmica del material plástico. La distancia de calentamiento tiene que ser larga para que el calor tenga tiempo de pasar a través de la superficie exterior del tubo hasta toda la anchura de la pared. Permítase mencionar a modo de ejemplo que cuando un tubo de polieteno HD se entrecruza por medio de butilperóxido di-terciario, la temperatura después del extrusor tiene que elevarse a cerca de 100 grados Celsius a fin de obtener un nivel de entrecruzamiento suficiente. A una velocidad de cadena típica de 10 m/min, esto indica una longitud de calentamiento de alrededor de 10 metros. Esto requiere medidas especiales para que el tubo retenga su forma durante el calentamiento.

Para eliminar el problema mencionado, la especificación publicada finlandesa 94106, por ejemplo, describe un método de calentamiento en el que un tubo es soportado por dos poleas de garganta durante el calentamiento. Durante el calentamiento el tubo se conduce por las gargantas de las poleas y la forma de la garganta previene la deformación del tubo.

El hecho de que una temperatura elevada a largo plazo causa el envejecimiento en la estructura molecular del plástico debilitando así las propiedades a largo plazo del producto final, plantea un segundo problema en los métodos mencionados que implica el fuerte calentamiento de un material plástico. Este inconveniente puede paliarse proporcionando una fase gaseosa inerte alrededor del tubo durante la duración del calentamiento, como se ha hecho en la mencionada especificación publicada finlandesa; pero en cualquier caso, una estructura de plástico contiene siempre algún oxígeno libre que, junto con el calor, causa envejecimiento.

Un tercer ejemplo de descomposición del aditivo en la cadena es la fabricación simultánea de productos poliméricos espumosos y entrecruzados. Esto implica la extrusión de un producto, por ejemplo, una placa o tubo, que contiene peróxido orgánico y un agente espumante químico. Inmediatamente después del extrusor el producto se somete a calentamiento, con lo que tanto el peróxido como el agente espumante comienzan a descomponerse produciendo una estructura espumosa y entrecruzada. Ambos aditivos tienen que descomponerse exactamente en una proporción determinada entre sí para alcanzar un grado de formación de espuma suficientemente elevado, ya que una estructura no entrecruzada no tolera la formación de espuma abundante y porque, por otro lado, una estructura excesivamente entrecruzada no es capaz de producir espuma, incrementando el entrecruzamiento la resistencia de la estructura sobre la presión del gas liberado del agente espumante.

Otro problema en el caso mencionado se plantea por el hecho de que a medida que se espuma la estructura su conductividad térmica se debilita, impidiendo con ello aún más el suministro de calor adicional al interior de la estructura.

En todos los casos de ejemplos mencionados, surge un problema adicional porque el producto tiene que enfriarse después del paso de calentamiento y, como la descomposición del aditivo requiere un elevado aumento de la temperatura, la necesidad de enfriamiento es también importante, haciendo larga la distancia de enfriamiento. En lo que respecta a la estructura espumosa, la distancia de enfriamiento se incrementa aún más por el hecho de que la formación de espuma ha debilitado más la conductividad térmica.

Como ejemplos adicionales de la técnica anterior conocida pueden mencionarse WO 97/10936 y GB-A-2 283 489.

Un objeto de la invención es proporcionar un método para eliminar problemas de la técnica anterior. Esto se consigue mediante el método de la invención que se caracteriza porque la longitud de onda de la radiación se selecciona de modo que la radiación penetra de manera óptima en el material polímero o elastómero, pero se absorbe en el aditivo produciendo en él la reacción química deseada.

Así pues, el punto de partida de la invención es lo que se conoce como "reacción química inducida selectivamente en aditivo", por ejemplo "calentamiento selectivo". Al observar los ejemplos mencionados se puede declarar que el calentamiento del material polímero o elastómero es en todos los casos un proceso secundario, que sólo hace que se caliente el aditivo en el material polímero o elastómero, por ejemplo, y que por tanto se descomponga. El calentamiento del material polímero o elastómero es ante todo un impedimento que requiere medidas complicadas y consumir energía adicional tanto en el paso de calentamiento como en el de enfriamiento. La ventaja que proporciona la invención en comparación con soluciones anteriores está basada en los puntos mencionados, ya que en la invención sólo se calienta el aditivo, por ejemplo peróxido, cuya porción es alrededor del 2% de la cantidad del material polímero. Por consiguiente se ahorra mucha energía de calentamiento en comparación con el método de entrecruzamiento convencional en el que se calienta todo el material polímero, incluso por encima de la temperatura de descomposición del peróxido, a fin de controlar las desventajas de la lentitud del proceso como resultado de la débil conductividad térmica del material polímero. Una vez que se ha hecho descomponer el peróxido y la temperatura del polímero circundante es significativamente menor, el proceso también puede llevarse a cabo a una presión inferior sin temor a que se produzcan burbujas por los productos de descomposición. En consecuencia, las estructuras mencionadas relativas a un espacio presurizado pueden simplificarse dado que el material polímero está más rígido a una temperatura inferior que a una superior. En el mejor de los casos pueden abandonarse todas, de lo que se derivan ahorros significativos. La invención proporciona también notables ventajas porque el material polímero o elastómero no tiene que someterse a temperaturas elevadas durante un tiempo tan largo como en la técnica anterior, por lo que el material no sufre por las temperaturas elevadas. En relación con la invención puede mencionarse un ejemplo que implica temperaturas del material polímero hasta 50 grados más bajas que en la técnica anterior en la fabricación de cables, por ejemplo.

En el método de la invención el calor necesario para descomponer el aditivo se suministra al material polímero o elastómero en forma de radiación infrarroja de tal manera que la longitud de onda de la radiación utilizada se selecciona de modo que penetra bien en el material polímero o elastómero, pero se absorbe en el aditivo produciendo en él la reacción química deseada, por ejemplo calentamiento y descomposición.

Como es bien conocido en la materia, cada estructura molecular posee frecuencias oscilantes características diferentes. Estas oscilaciones incluyen la oscilación de toda la molécula, oscilaciones entre partes moleculares y oscilaciones de los enlaces en la molécula. Cuando se introduce en tal estructura una radiación infrarroja, se convierte en calor cuando la radiación encuentra una oscilación que tiene la misma longitud de onda que la propia radiación. En este caso la radiación se absorbe en el objeto y por consiguiente se convierte en calor.

La conversión de radiación infrarroja en calor no es, sin embargo, el único proceso factible, pero la radiación infrarroja, cuando es absorbida en el aditivo, puede unirse también de manera natural y directa a la reacción química deseada sin calentar sustancialmente el aditivo o partes del mismo.

Una vez que se conocen las frecuencias de oscilación características del material polímero o elastómero y el aditivo deseado, la gama de la longitud de onda de radiación infrarroja puede seleccionarse de manera que corresponda de manera óptima a las frecuencias de oscilación características del aditivo, con lo que la reacción química deseada, por ejemplo el calentamiento, puede dirigirse principalmente al aditivo. Pero sin embargo, en este caso debe señalarse que una reacción dirigida totalmente de manera selectiva, como el calentamiento antes mencionado, no es posible porque alguna radiación infrarroja se absorbe también en el material polímero o elastómero. Esto se debe a que, al hacer referencia a la longitud de onda de la radiación, el problema se refiere siempre a una distribución de la longitud de onda determinada que comprende cantidades diferentes de radiación de longitudes diferentes y es extremadamente posible que algunas longitudes de onda coincidan también con las oscilaciones características del material polímero o elastómero. No obstante, esta propiedad se puede reducir eliminando longitudes de onda perjudiciales para el proceso desde la radiación infrarroja. La eliminación de longitudes de onda perjudiciales puede llevarse a cabo, por ejemplo, mediante un filtro adecuado.

Como un ejemplo de la realización del método de la invención se puede mencionar una prueba en la que se moldeó por extrusión un tubo de plástico de polieteno HD de elevado peso molecular con una densidad de 952 kg/m^{3} y un índice de fusión de alrededor de 6, medido en un peso de 21 kg. Antes de la extrusión, 0,7% de 2,5-dimetil-2,5-di(terbutilperóxido)-hexín-3-peróxido y un total del 0,5% de antioxidantes diferentes se mezclaron con el polieteno.

Inmediatamente después del extrusor se dispuso una unidad calentadora por infrarrojos compuesta por cuatro calentadores de 500 mm, cada uno con una potencia de 3 kW, a intervalos de 90 grados de manera que se formaba entre ellos un espacio cuadrático para el tubo. Tres conjuntos de cuatro calentadores se dispusieron en sucesión, siendo la longitud total de 1.500 mm y la potencia total de 36 kW. Dentro de la unidad calentadora se instaló un tubo de cuarzo para proteger el tubo de plástico.

Un tubo con un diámetro exterior de 20 mm y un grosor de pared de 2 mm se sacó del extrusor a una velocidad de 8 m/min a través de dicha unidad calentadora por infrarrojos, por lo que el producto se enfriaba en una pileta de agua instalada en la misma cadena. La potencia de los resistores de infrarrojos en la unidad calentadora se ajustó dentro de la gama del 60 al 100%, con lo que la longitud de onda media de la radiación variaba dentro de la gama de 5,0 a 1,2 micrómetros. El ajuste puede realizarse mediante la temperatura de la fuente de infrarrojos, por ejemplo.

Se tomaron muestras de la prueba de funcionamiento a longitudes de onda diferentes y los grados de entrecruzamiento se midieron de las muestras, con lo que se observó que el mejor grado de entrecruzamiento (78%) se conseguía a la longitud de onda más baja, 1,2 micrómetros.

La segunda prueba fue una prueba adicional estática en la que se dispuso un sensor de temperatura dentro de la pared de un tubo de plástico similar, la radiación infrarroja se condujo a la superficie del tubo a las mismas longitudes de onda mencionadas anteriormente y el aumento de temperatura se midió en el punto medio de la pared como una función de tiempo. El resultado muestra que el mayor aumento de temperatura se alcanzó a longitudes de onda de 3,3 a 3,6 y de 6,7 a 6,9 micrómetros.

Para resumir las dos pruebas mencionadas se puede concluir que la longitud de onda empleada en la primera prueba penetraba bien en el plástico de polieteno, siendo relativamente bajo el aumento de temperatura pero bien absorbido en el peróxido, ya que el grado de entrecruzamiento era excelente. Por otra parte, en la primera prueba, a la longitud de onda de 3,5 micrómetros, el grado de entrecruzamiento se mantenía a nivel del 45%, lo que indica que el aumento de temperatura en el polieteno no era suficiente para la descomposición del peróxido, aunque de acuerdo con la segunda prueba el máximo aumento de temperatura en el plástico se obtuvo con esta misma longitud de onda.

Sobre la base de los dos hechos mencionados se declaró que la descomposición del peróxido a la longitud de onda de 1,2 micrómetros tuvo lugar de manera expresa porque la radiación infrarroja se absorbía en el peróxido y apenas en absoluto mediante el calentamiento del material plástico.

Las aplicaciones mencionadas no pretenden en modo alguno restringir la intención, que puede modificarse libremente dentro del alcance de las reivindicaciones. La invención se puede aplicar a procesos extremadamente diferentes que requieran la reacción química deseada en el aditivo, pero no en el material polímero o elastómero. Un ejemplo es calentar el aditivo para minimizar el calentamiento del material polímero o elastómero. Una aplicación de la invención es dirigir la reacción química únicamente a algún aditivo y no a todos los aditivos en el material polímero o elastómero. Como ejemplos de procesos en los que se puede utilizar la invención ya se ha mencionado anteriormente un proceso de entrecruzamiento utilizando peróxido en la fabricación de cables, etc. Como otros procesos factibles se hace referencia a procesos empleados en la vulcanización sulfúrica de caucho. No obstante, en todos los procesos debe señalarse que hay que encontrar una gama de longitud de onda de radiación infrarroja óptima para cada combinación de material polímero o elastómero/aditivo.

Claims (8)

1. Un método en relación con el proceso de un material polímero o elastómero, en el que se añade aditivo al material polímero o elastómero y el aditivo se somete a la reacción química deseada y se introduce radiación infrarroja en el material polímero o elastómero, caracterizado porque la longitud de onda de la radiación se selecciona de modo que la radiación penetra de manera óptima en el material polímero o elastómero, pero se absorbe en el aditivo produciendo en él la reacción química deseada.

2. Un método como el reivindicado en la reivindicación 1, caracterizado porque la longitud de onda de la radiación infrarroja se selecciona sobre la base de las frecuencias de oscilación características del material polímero o elastómero y el aditivo, de modo que la longitud de onda corresponde de manera óptima a las frecuencias de oscilación características del aditivo y de la manera lo más insatisfactoria posible a las frecuencias de oscilación características del material polímero o elastómero.

3. Un método como el reivindicado en la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el aditivo es un peróxido orgánico.

4. Un método como el reivindicado en la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el aditivo es un agente espumante químico.

5. Un método como el reivindicado en la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la longitud de onda de la radiación infrarroja se produce mediante la temperatura de la fuente de infrarrojos.

6. Un método como el reivindicado en la reivindicación 1 ó 5, caracterizado porque la radiación infrarroja se selecciona eliminando longitudes de onda que se absorben en el material polímero o elastómero.

7. Un método como el reivindicado en la reivindicación 6, caracterizado porque las longitudes de onda que se absorben en el material polímero o elastómero son eliminadas de la radiación infrarroja por medio de un filtro.

8. Un método como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la radiación infrarroja se conduce al material polímero en relación con un proceso de entrecruzamiento para una capa de aislamiento o revestimiento llevado a cabo en la fabricación de cables.