ES2710461T3 - Procedimiento y dispositivo para llenar herramientas de moldeo con partículas de material de espuma polimérica - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para llenar herramientas de moldeo con partículas de material de espuma polimérica, donde las partículas de material de espuma polimérica se introducen con un gas portador en la herramienta de moldeo mediante un dispositivo de llenado, y donde las partículas de material de espuma polimérica se mezclan dentro del dispositivo de llenado con vapor de agua con una presión de 1,2 a 11 bar, mediante una boquilla de abertura anular colocada en el área superior del dispositivo de llenado, y se calientan de modo que al abandonar el dispositivo de llenado presentan una temperatura en la cual se ablandan, caracterizado porque el dispositivo de llenado se compone de tres tubos concéntricos que, en el área superior del dispositivo de llenado, presentan aberturas de salida (1), (2) y (3) dispuestas como boquillas de abertura anular, donde las partículas de material de espuma polimérica, con el gas portador, son conducidas mediante la abertura de salida (1) del tubo interno y el vapor de agua es conducido entre la abertura del tubo central y externo, mediante la abertura de salida (3).
Description
DESCRIPCION
Procedimiento y dispositivo para llenar herramientas de moldeo con particulas de material de espuma polimerica La invencion hace referencia a un procedimiento para llenar herramientas de moldeo con particulas de material de espuma polimerica, en donde las particulas de material de espuma polimerica se introducen con un gas portador en la herramienta de moldeo mediante un dispositivo de llenado, asi como hace referencia a un dispositivo de llenado para realizar el procedimiento.
Las piezas moldeadas de materiales de espuma, por ejemplo de polipropileno expandido, polietileno expandido o poliestireno expandido, pueden producirse en grandes cantidades de forma automatizada, en asi llamadas maquinas automaticas de piezas moldeadas. De este modo, la herramienta de moldeo vacia, en un estado parcialmente o completamente cerrado, se llena con particulas expandidas del polimero correspondiente. A continuacion, la herramienta de moldeo provista de aberturas finas se calienta a traves de la introduccion de vapor de agua, debido a lo cual las particulas se expanden y se sellan unas con otras formando la pieza moldeada. Por ultimo, la herramienta de moldeo se abre y se extrae la pieza moldeada de material de espuma terminada.
Para llenar la herramienta de moldeo se utiliza un dispositivo de llenado, por ejemplo un inyector de llenado que introduce las particulas de polimero en la herramienta de moldeo con un gas portador circulante - mayormente se utiliza aire-. Para que la herramienta de moldeo se llene de modo uniforme con las particulas, usualmente la presion del gas portador se regula de modo que en la herramienta de moldeo se regula una presion dinamica constante durante todo el proceso de llenado. El llenado puede optimizarse a traves de un gas del inyector (por ejemplo aire), de modo que este circula en la cabeza del inyector, cerca del gas portador que contiene particulas.
Un dispositivo de llenado de esa clase, para llenar una herramienta de moldeo, se describe en la solicitud US 6,220,842 B1. El inyector de llenado y las entradas de alimentacion para las particulas esponjadas estan provistos de boquillas de aire comprimido que pueden estar dispuestas como boquillas simples de abertura anular. A traves del suministro de aire comprimido se incrementa el factor de llenado en la pieza moldeada.
En la solicitud US 4,659,531 se describen un aparato y un procedimiento para producir cuerpos huecos en forma de botellas, de plastico, a traves de moldeo por soplado de masas fundidas de plastico. A traves de la utilizacion de una boquilla con tres canales pueden producirse cuerpos huecos en forma de botellas con una estructura de tres capas, de diferentes materiales.
En la solicitud FR-A 2592 610 se describe un procedimiento para producir piezas moldeadas, preferentemente de poliestireno expandido, en donde poliestireno expandido se esponja previamente, directamente antes de la introduccion en un molde, y se precalienta a una temperatura de 60 a 80°C, sin vapor de agua externo. De ese modo deben reducirse el tiempo del ciclo y el consumo de energia en la produccion de la pieza moldeada.
El llenado de la herramienta de moldeo no es satisfactorio en todos los casos, en particular en las piezas moldeadas complejas. En particular en el caso de piezas moldeadas con un grosor mas grande, por ejemplo de mas de 15 cm, o con una geometria compleja, las particulas pueden sellarse de forma irregular, lo cual conduce a propiedades mecanicas empeoradas y a superficies defectuosas de la pieza moldeada. Ademas, el consumo de energia es elevado durante la produccion de la pieza moldeada.
El objeto consiste en remediar las desventajas indicadas. En particular debe proporcionarse un procedimiento mejorado para llenar herramientas de moldeo con particulas de material de espuma polimerica, por ejemplo aquellas de poliolefinas o poliestireno. El procedimiento debe posibilitar un llenado regular de la herramienta, y durante la produccion de las piezas moldeadas, en particular tambien de piezas moldeadas mas gruesas o mas complicadas, las particulas deben sellarse unas con otras de modo fiable y uniforme. Las piezas moldeadas obtenidas deben caracterizarse por una buena superficie. Debe reducirse el consumo de energia en la produccion de la pieza moldeada, y los tiempos del ciclo en la produccion automatizada de la pieza moldeada deben acortarse.
Conforme a ello se sugiere un procedimiento para el llenado de herramientas de moldeo con particulas de material de espuma, en donde las particulas de material de espuma polimerica se introducen en la herramienta de moldeo con un gas portador, mediante un dispositivo de llenado, donde las particulas de material de espuma polimerica se mezclan dentro del dispositivo de llenado con vapor de agua con una presion de 1,2 a 11 bar, mediante una boquilla de abertura anular colocada en el area superior del dispositivo de llenado, y se calientan de modo que al abandonar el dispositivo de llenado presentan una temperatura en la cual se ablandan, y donde el dispositivo de llenado se compone de tres tubos concentricos que, en el area superior del dispositivo de llenado, presentan aberturas de salida (1), (2) y (3) dispuestas como boquillas de abertura anular, donde las particulas de material de espuma polimerica, con el gas portador, son conducidas mediante la abertura de salida (1) del tubo interno y el vapor de agua es conducido entre la abertura del tubo central y externo, mediante la abertura de salida (3).
Se sugiere ademas un dispositivo de llenado para llenar herramientas de moldeo con particulas de material de espuma polimerica, el cual comprende al menos tres tubos concentricos que, en el area superior del dispositivo de llenado, presentan aberturas de salida (1), (2) y (3) dispuestas como boquillas de abertura anular.
Segun la invencion, el dispositivo de llenado presenta un dispositivo de medicion para la direccion de circulacion o la temperatura.
En las reivindicaciones dependientes se indican formas de ejecucion preferentes de la invencion. Todos los datos de presion se tratan de presiones absolutas, a menos que se indique otra cosa.
Particulas de polimero
Segun la invencion se utilizan particulas de polimero expandidas (particulas de material de espuma polimerica). Preferentemente, el polimero esta seleccionado de poliolefinas y poliestirenos.
Como poliolefinas se consideran adecuadas en particular:
a) homopolipropilenos,
b) copolimeros random del propileno con 0,1 a 15, preferentemente de 0,5 a 12 % en peso de un comonomero. Como comonomero preferente se considera el etileno o una a-olefina C4-10 o sus mezclas. Como copolimeros random especialmente preferentes se consideran copolimeros de propileno con 0,5 a 6 % en peso de etileno o con 0,5 a 15 % en peso de but-1-eno, o un termopolimero de propileno, 0,5 a 6 % en peso de etileno y 0,5 a 6 % en peso de but-1 -eno,
c) mezclas de los polimeros mencionados en a) o b) con 0,1 a 75, preferentemente 3 a 50 % en peso de un elastomero de poliolefina, por ejemplo de un copolimero en bloque de etileno - propileno con 30 a 70 % en peso de propileno,
d) polietilenos, por ejemplo LD (baja densidad), LLD (lineal de baja densidad), MD (densidad media) o HD (alta densidad), HMW (alto peso molecular) o UHMW (ultra alto peso molecular), o
e) mezclas de los polimeros mencionados en a) a d), donde eventualmente se utilizan tambien agentes compatibilizadores de fases para mejorar la union de fases de los polimeros que en algunos casos son incompatibles.
A continuacion, de manera resumida, los polimeros a) a c) se denominan como polipropileno o PP, y los polimeros d) como polietileno o PE. Las mezclas e), segun la composicion, pueden clasificarse en polipropilenos o polietilenos. El punto de fusion de cristalita de poliolefinas adecuadas se ubica usualmente en el rango de 90 a 170°C. El mismo puede determinarse por ejemplo como maximo del pico en el diagrama de calorimetria diferencial de barrido (DSC). El calor de fusion de las poliolefinas puede determinarse igualmente por DSC y se ubica generalmente en 20 a 300 J/g. El indice de fluidez (MFI, melt flow index) de la poliolefina se ubica usualmente entre 0,1 y 100 g/10 min, determinado a 230°C y 2,16 kg de carga por polimero de propileno, asi como a 190° y 2,16 kg de carga para polimeros de etileno, segun DIN 53735.
Preferentemente, como poliolefina se utiliza un polipropileno. Las poliolefinas consideradas adecuadas son homopolimeros o copolimeros del propileno con hasta 15 % en peso de etileno y/o but-1-eno, de forma especialmente preferente son copolimeros de propileno-etileno con 1 a 5 % de etileno. Las mismas presentan un punto de fusion de cristalita de 130 a 160°C, y una densidad de aproximadamente 0,9 g/cm3.
Las poliolefinas son conocidas y pueden obtenerse segun procedimientos usuales, por ejemplo segun el procedimiento de alta presion (ICl), de presion media (Phillips), de baja presion (Ziegler), de fases gaseosas, de lecho fluidizado de fases gaseosas o de metaloceno.
La poliolefina puede estar mezclada con hasta 50 % de su peso de otro termoplastico con una temperatura de transicion vitrea (que puede determinarse por ejemplo como punto de cambio en el diagrama DSC) por debajo de 180°C. Son termoplasticos adecuados por ejemplo las poliamidas en cantidades de 5 a 40 % en peso, donde a la mezcla pueden agregarse agentes compatibilizadores de fases usuales, por ejemplo copolimerizados en bloque, como Exxelor® P 1015 (de la empresa Exxon). Se ha comprobado que la invencion puede realizarse tambien sin la mezcla de otro termoplastico de esa clase. Eso se considera preferente debido a que a traves de un termoplastico externo se perjudica la capacidad de reciclado de la poliolefina, asi como del material de espuma producido en base
a la misma. Los copolimerizados de etileno/propileno a modo de cauchos, los cuales se agregan para otorgar elasticidad, no se consideran como otros termoplasticos en ese sentido.
El poliestireno o PS se utiliza en la presente invencion como termino general para homopolimeros y copolimeros del estireno o de otros monomeros vinilaromaticos, asi como en el sentido de un termino general para mezclas de ese polimero con otros polimeros. En el sentido de la invencion, como poliestireno debe entenderse por ejemplo poliestireno estandar (General Purpose Polystyrene, GPPS, usualmente claro), poliestireno resistente a impactos (High Impact Polystyrene, HIPS, el cual por ejemplo contiene caucho de polibutadieno o de poliisopreno), polimerizados de estireno anhidrido maleico, polimerizados de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), polimerizados de estireno-acrilonitrilo (SN), u otras mezclas. Como poliestireno se considera preferente el poliestireno estandar. Ademas, el poliestireno representa tambien mezclas de los polimeros antes mencionados con eteres de polifenilo (PPE) u otros polimeros termoplasticos.
De manera analoga, el termino estireno se utiliza aqui como termino general para los monomeros utilizados para la produccion de poliestireno, por tanto, para estireno como tal, para otros monomeros vinilaromaticos y para otros comonomeros, por ejemplo acrilonitrilo, butadieno, isopreno o (anhidrido)acido maleico.
De modo especialmente preferente, el polimero de las particulas de polimero esta seleccionado de polipropileno, polietileno y poliestireno.
La produccion de las particulas de material de espuma polimerica tiene lugar de modo habitual. En primer lugar, particulas de polimero (expansibles) que contienen agentes de hinchamiento se producen mediante la utilizacion de un agente de hinchamiento. En un segundo paso, este se expande formando particulas expandidas. Como agentes de hinchamiento pueden utilizarse liquidos organicos o gases inorganicos, o mezclas de los mismos, en las cantidades habituales. Por ejemplo, se consideran adecuados los hidrocarburos alifaticos con 2 a 7 atomos de carbono, alcoholes, cetonas, eteres, hidrocarburos halogenados o agua, o sus mezclas. Preferentemente se utiliza iso-butano, n-butano, iso-pentano o n-pentano, o sus mezclas. Gases inorganicos adecuados son nitrogeno, aire, amoniaco o dioxido de carbono.
La produccion de las particulas de polimero expansibles puede tener lugar segun distintos procedimientos que son conocidos por el experto. Las particulas de poliestireno expansibles pueden producirse por ejemplo a traves de polimerizacion de suspension de estireno en presencia de agentes de hinchamiento. De manera alternativa, las particulas expansibles de poliestireno o de poliolefina pueden producirse tambien en el procedimiento de extrusion a traves del mezclado del agente de hinchamiento en una masa fundida de polimeros, mediante una extrusionadora; de este modo, la masa fundida que contiene agentes de hinchamiento se descarga bajo presion y forma un granulado de particulas de polimero que contiene agentes de hinchamiento, por ejemplo mediante granulado a presion bajo agua. Las particulas expansibles de poliestireno o poliolefina se obtienen igualmente en el asi llamado procedimiento de autoclave, a traves de impregnacion de particulas de polimero sin agentes de hinchamiento con el agente de hinchamiento bajo presion en una suspension calentada, donde el agente de hinchamiento se difunde hacia las particulas ablandadas, y de la refrigeracion de la suspension bajo presion.
A continuacion, las particulas expansibles se expanden de modo conocido a traves de calentamiento. Esto se denomina tambien como espumado previo y puede realizarse de forma discontinua o continua en el asi llamado espumado previo. A traves del calentamiento - mayormente con vapor de agua - las particulas se ablandan mediante la expansion simultanea del agente de hinchamiento incluido. Se obtienen las particulas expandidas deseadas. De manera alternativa, en el procedimiento de autoclave pueden producirse particulas expandidas de forma directa (sin un paso de espumado previo), en donde la suspension calentada se distiende a modo de impactos, en lugar de enfriarse bajo presion. De este modo, las particulas ablandadas se expanden de forma espontanea.
Las particulas de polimeros pueden contener aditivos usuales en las cantidades usuales para ello, como antioxidantes, estabilizadores, agentes ignifugos, ceras, agentes de nucleacion, agentes de carga, pigmentos y colorantes.
Como agentes de nucleacion son adecuados por ejemplo talco, ceras, en particular ceras de poliolefina, como por ejemplo homopolimeros o copolimeros del etileno, ademas parafina, negro de carbon, polvo de grafito, acidos silicicos, preferentemente acidos silicicos pirogenos, ademas zeolitas, esteres de acido citrico y bentonitas, en particular bentonitas modificadas. El agente de nucleacion provoca que durante la expansion de las particulas expansibles se produzca un material de espuma de celulas finas, en algunos casos posibilitando solo asi el espumado. En caso de que se necesite un agente de nucleacion - esto no es necesario obligatoriamente - las cantidades se ubican preferentemente entre 0,001 y 10, preferentemente entre 0,1 y 5 y en particular entre 0,5 y 3 % en peso, referido al polimero que contiene el agente de nucleacion.
Las particulas expandidas usualmente se almacenan de forma intermedia un cierto tiempo. Ese almacenamiento intermedio se utiliza para la compensacion de presion entre el interior de las particulas y el ambiente, reduce el contenido de agente de hinchamiento y seca las particulas.
Llenado de la herramienta de moldeo
Segun la invencion, las particulas de material de espuma polimerica se conducen a un dispositivo de llenado con un gas portador, y a continuacion, se introducen en la herramienta de moldeo mediante el dispositivo de llenado, con el gas portador. Usualmente, el gas portador en la parte superior del dispositivo de llenado se descarga en la herramienta de moldeo y transporta las particulas de polimero a la herramienta de moldeo. La parte superior se trata del extremo del dispositivo de llenado del lado de la herramienta de moldeo.
El dispositivo de llenado puede ser un inyector de llenado usual en el comercio o contener un inyector de esa clase. Ademas, el dispositivo de llenado puede presentar otras caracteristicas constructivas, por ejemplo una unidad de alimentacion de vapor de agua o de otros gases calentados, vease mas adelante.
Como gas portador son adecuados todos los gases que en las condiciones de temperatura y de presion predominantes no modifican fisicamente y quimicamente las particulas de polimero. Son adecuados por ejemplo aire, gas de nitrogeno, gases nobles, gas de dioxido de carbono, y otros gases. Como gas portador se considera preferente el aire.
Usualmente, el dispositivo de llenado esta conectado a un contenedor de llenado a presion mediante una linea de transporte. Este ultimo es llenado con las particulas de material de espuma polimerica y al mismo se aplica el gas portador. La presion en el contenedor de llenado a presion generalmente se ubica entre 0,8 y 13, preferentemente entre 1,5 y 7 bar. Mediante una valvula de fondo del contenedor las particulas se extraen como mezcla de particulas- gas portador.
El contenido de la mezcla de particulas - gas portador en las particulas preferentemente se selecciona de modo que la mezcla es un sistema fluido, transportable mediante tuberias, y se ubica usualmente entre 2 a 200, preferentemente entre 2 y 100 g/l a 20°C, referido a la mezcla.
La presion en la mezcla de particulas - gas portador al entrar en el dispositivo de llenado se ubica usualmente entre 0,5 y 13, preferentemente entre 1,1 y 8; y de modo especialmente preferente entre 1,5 y 5 bar, y el flujo volumetrico de la mezcla de particulas - gas portador al entrar en el dispositivo de llenado se ubica usualmente entre 1 y 3000, preferentemente entre 10 y 1000 m3/h.
En la tuberia del contenedor de llenado a presion hacia el dispositivo de llenado o directamente en el dispositivo de llenado, en caso necesario, puede dosificarse posteriormente gas portador sin particulas para regular la presion, la temperatura o bien el contenido de particulas.
Usualmente, las particulas de polimero se templan a una temperatura de 20 a 100°C antes de que abandonen el dispositivo de llenado. Preferentemente, la temperatura T asciende al menos a 30, en particular al menos a 40 y de modo especialmente preferente al menos a 50°C, y preferentemente como maximo a 100, en particular como maximo a 90 y de forma especialmente preferente como maximo a 80°C.
Preferentemente, la temperatura T se selecciona de modo que las particulas de polimero no se expanden posteriormente o solo lo hacen en una dimension tan reducida que las mismas no obstruyen las lineas de transporte o el dispositivo de llenado. Usualmente puede aceptarse una expansion posterior de como maximo 30 % en volumen, referido al volumen de las particulas antes del templado. Preferentemente, esa expansion se ubica entre 0 y 10 % en volumen.
En una forma de ejecucion preferente i), las particulas de polimero se templan antes de entrar en el dispositivo de llenado. El templado, por ejemplo, puede tener lugar debido a que las particulas (con mayor precision: la mezcla de particulas - gas portador) se templan en la extension de la tuberia desde el contenedor de llenado a presion hacia el dispositivo de llenado, o se templan el contenedor de llenado a presion o el gas portador suministrado al contenedor de llenado a presion.
En otra forma de ejecucion ii), igualmente preferente, las particulas se templan en el dispositivo de llenado, por ejemplo a traves del calentamiento del inyector de llenado a la temperatura T. Un templado de las particulas mientras estas abandonan el dispositivo de llenado, por ejemplo, puede tener lugar de modo que en la parte superior del dispositivo de llenado se deja escapar gas calentado, por ejemplo aire o vapor de agua.
Naturalmente pueden combinarse ambas formas de ejecucion i) e ii). El templado de las particulas, entre otras cosas, tiene lugar a traves de transferencia termica desde el gas portador calentado hacia las particulas, para lo cual se requiere un cierto tiempo de permanencia (tiempo de contacto) de las particulas en el gas portador calentado. El tiempo de permanencia, entre otras cosas, depende de la temperatura de las particulas deseada, del tamano, superficie y conductividad termica de las particulas, y puede determinarse a traves de ensayos previos sencillos. Por ejemplo, en la forma de ejecucion ii), un tiempo de permanencia determinado corresponde a un tiempo de vuelo determinado de las particulas.
De manera especialmente preferente, las particulas de polimero, en primer lugar, antes de abandonar el dispositivo de llenado, se templan a una temperatura Ti de 20 a 70°C, y despues a una temperatura T2 de 50 a 100°C, en donde aplica T2 > Ti.
Ese templado en dos etapas, por ejemplo, puede tener lugar de modo que primero se templan las particulas (con mayor precision: la mezcla de particulas - gas portador) en la extension de la tuberia desde el contenedor de llenado a presion hacia el dispositivo de llenado, o el contenedor de llenado a presion, o el gas calentado o vapor de agua suministrados al contenedor de llenado a presion se templan entre 20 y 70°C, y a continuacion las particulas "precalentadas" de ese modo se templan a la temperatura de ablandamiento a traves de gas calentado que se escapa en la parte superior del dispositivo de llenado o a traves de vapor de agua. El templado puede efectuarse tambien en tres o mas etapas de templado.
Segun la invencion, las particulas de polimero se templan de modo que, al abandonar el dispositivo de llenado, presentan una temperatura en la cual estas se ablandan. Es posible que una particula que abandona el dispositivo de llenado, al entrar en contacto con las particulas que ya se encuentran en la herramienta de moldeo, se una convenientemente con estas ultimas cuando se encuentra ablandada.
Segun la invencion, al dispositivo de llenado se suministra vapor de agua (adicionalmente con respecto a la mezcla de particulas - gas portador). Preferentemente, el suministro de vapor de agua tiene lugar de forma continua, y eventualmente preferentemente al mismo tiempo que el suministro de la mezcla de particulas - gas portador. Sin embargo, el vapor de agua tambien ya puede suministrarse antes de que comience el suministro de la mezcla. Usualmente, la temperatura del vapor de agua se ubica entre 105 y 180, preferentemente entre 110 y 170, y en particular entre 110 y 164°C.
El vapor de agua ya puede mezclarse en el dispositivo de llenado con la mezcla de particulas - gas portador. No obstante, lo mencionado no se considera preferente, ya que segun las condiciones de presion, de temperatura y de la mezcla, las particulas se espuman antes de tiempo en el dispositivo de llenado y pueden obstruir el dispositivo de llenado. Preferentemente, el procedimiento se caracteriza porque la mezcla de particulas de polimero - gas portador y el vapor de agua salen de forma separada uno de otro desde el dispositivo de llenado, hacia la herramienta de moldeo.
La presion del vapor de agua al entrar en el dispositivo de llenado, por ejemplo en la parte superior del dispositivo de llenado, se ubica entre 1,2 y 11; preferentemente entre 1,4 y 8; y de modo especialmente preferente entre 1,4 y 7 bar, y el flujo volumetrico de vapor de agua al entrar en el dispositivo de llenado se ubica usualmente entre 100 y 20.000, preferentemente entre 500 y 10.000 m3/h.
El vapor de agua caliente calienta las particulas de polimero a una temperatura que usualmente se ubica entre 40 y 0°C, preferentemente entre 15 y 0°C, por debajo de la temperatura que se requiere en la produccion posterior de la pieza moldeada para el sellado de las particulas (temperatura de sellado). De manera especialmente preferente, el vapor de agua calienta las particulas a una temperatura que se ubica entre 90 y 100 % de la temperatura de sellado. Preferentemente, el vapor de agua calienta a la temperatura de sellado las particulas en la parte superior del dispositivo de llenado. Durante el llenado de la herramienta de moldeo, a traves de la presion dinamica predominante en la herramienta de moldeo (vease mas adelante), las particulas son presionadas contra las particulas que ya se encuentran en la herramienta y es posible que las particulas templadas a la temperatura de sellado, al producirse ese contacto, se unan mejor unas con otras (sellado) que particulas sopladas "en frio".
La abertura de salida de la mezcla de particulas - gas portador en la parte superior del dispositivo de llenado esta realizada de forma anular como boquilla (abertura anular). La distancia de las aberturas de salida (boquillas) de la mezcla de particulas - gas portador y vapor de agua se ubica usualmente entre 0 y 100, preferentemente entre 2 y 20 mm. A traves de respectivamente una, o tambien a traves de varias boquillas, puede dejarse salir vapor de agua y mezcla de particulas - gas portador. Por ejemplo, una boquilla para particulas - gas portador puede estar rodeada por varias boquillas para vapor de agua, o de forma inversa. Preferentemente, las boquillas estan dispuestas de forma circular o, de forma especialmente preferente, como aberturas anulares concentricas.
Las temperaturas, presiones y flujos volumetricos de la mezcla de particulas - gas portador y vapor de agua, asi como la geometria de la parte superior del inyector, en particular la distancia de las boquillas, dentro de los limites
antes mencionados, preferentemente deben seleccionarse de modo que las particulas que salen hacia la herramienta, por una parte, se precalienten a la temperatura mencionada, pero por otra parte, de modo que no se espumen o sellen antes de tiempo en el dispositivo de llenado. Un espumado antes de tiempo de las particulas no es deseable, ya que las piezas moldeadas que se obtienen a partir de las mismas presentan propiedades empeoradas o pueden ser completamente inutilizables, y/o porque la boquilla para la mezcla de particulas - gas portador puede obstruirse a traves de las particulas que se espuman. En caso necesario, la linea de vapor de agua puede aislarse termicamente con respecto a la linea de particulas - gas portador en el dispositivo de llenado, a traves de materiales adecuados.
En caso necesario, a la herramienta de moldeo se puede suministrar adicionalmente vapor de agua tambien mediante valvulas de evaporacion de la maquina automatica de piezas moldeadas.
Los flujos de gas introducidos en la herramienta de moldeo provista de aberturas finas constituyen usualmente en la herramienta una presion dinamica que se correlaciona con el grado de llenado de la herramienta, por tanto, con la cantidad de particulas que han ingresado. La presion dinamica influye en el tamano de los espacios intermedios de las particulas (densidad aparente de las particulas bajo presion, asi como grado de compactacion) y, con ello, en la calidad de la pieza moldeada posterior, y puede regularse durante el llenado con una o varias valvulas de salida. Preferentemente, la presion dinamica se mantiene constante. A traves de una presion dinamica constante la herramienta puede llenarse de modo uniforme, en particular los espacios intermedios de las particulas se mantienen aproximadamente del mismo tamano durante todo el proceso de llenado y, con ello, sobre toda la cavidad de la herramienta, obteniendose en la produccion de la pieza moldeada una pieza moldeada de alta calidad.
En las particulas de polimero de poliestireno la presion dinamica se ubica en general aproximadamente entre 1 y 10, de manera preferente aproximadamente entre 1 y 5; y de modo especialmente preferente aproximadamente en 1 bar, es decir que de manera especialmente preferente las particulas de poliestireno se introducen en la herramienta sin presion. En la produccion subsiguiente de la pieza moldeada, a traves de expansion y sellado de las particulas (vease mas adelante), la fuerza de expansion requerida se aplica usualmente a traves de agente de hinchamiento residual que aun se encuentra presente en las particulas.
En las particulas de polimero de poliolefinas, en particular polipropileno o polietileno, la presion dinamica se ubica usualmente entre 1 y 10, preferentemente entre 1 y 5; y en particular entre 1,1 y 4 bar. De manera especialmente preferente, las particulas de poliolefina se introducen en la herramienta con mas de 1 bar de presion dinamica (el asi llamado procedimiento de llenado a presion). A traves de la presion dinamica las particulas se comprimen, y en la produccion subsiguiente de la pieza moldeada, a traves de expansion y sellado, la fuerza de expansion requerida se aplica a traves de la dilatacion de las particulas comprimidas (las espumas de poliolefinas presentan usualmente una fuerza de recuperacion elevada). De manera alternativa o adicional, las particulas tambien pueden comprimirse mecanicamente en la herramienta (el asi llamado proceso de llenado por craqueo) o pueden someterse previamente a una carga de presion. Vease mas adelante sobre la carga de presion.
Usualmente, el dispositivo de llenado interrumpe los flujos de gas (mezcla de particulas - gas portador y eventualmente vapor de agua), tan pronto como la herramienta de moldeo ha alcanzado el grado de llenado previsto. Preferentemente, la herramienta de moldeo se llena completamente con las particulas, de modo que en la produccion posterior de la pieza moldeada las particulas se sellan unas con otras sin problemas.
La duracion del suministro de la mezcla de particulas - gas portador, asi como del vapor de agua, se orienta segun la cantidad de particulas que se necesita para el llenado deseado de la herramienta, asi como segun los flujos volumetricos de gas y el contenido de particulas de la mezcla de particulas - gas portador. La misma puede variar en amplios limites y se ubica por ejemplo entre 1 segundo y 10 minutos, preferentemente entre 1 segundo y 3 minutos. En una forma de ejecucion preferente, al dispositivo de llenado, despues del llenado de la herramienta de moldeo -por tanto despues de la interrupcion del suministro de mezcla de particulas - gas portador y eventualmente vapor de agua - se suministra un gas del inyector que no contiene particulas de polimero. Como gas del inyector son adecuados los gases mencionados para el gas portador, donde el gas portador y el gas del inyector pueden ser iguales o diferentes. Preferentemente, como gas del inyector se utiliza aire. El gas del inyector ya puede suministrarse tambien durante el llenado.
El gas del inyector puede introducirse en la linea de la mezcla de particulas - gas portador o, en caso de que se encuentre presente, en la linea de vapor de agua. Preferentemente, el gas del inyector se suministra a traves de una linea y boquilla separadas. El gas del inyector impide que el vapor de agua caliente retorne al dispositivo de llenado y espume alli aquellas particulas que han quedado en la linea despues de la interrupcion del flujo de particulas - gas portador. Esto conduciria a una obstruccion del inyector. De este modo, el gas del inyector es un gas de purga, de manera que las lineas de transporte se mantienen libres despues del llenado.
Preferentemente se deja salir el gas del inyector a traves de una boquilla propia cerca de la boquilla de vapor de agua, y de modo especialmente preferente se cambia entre vapor de agua (durante el llenado) y gas del inyector (para purgar) mediante una valvula de dos vias. En caso de que se trabaje sin vapor de agua, preferentemente el gas del inyector sale cerca de la boquilla para la mezcla de particulas - gas portador. Usualmente, el gas del inyector presiona las particulas excedentes haciendolas retornar al contenedor de llenado a presion.
La temperatura del gas del inyector al entrar en el dispositivo de llenado se ubica usualmente entre -10 y 80, preferentemente entre 15 y 60°C; la presion del gas del inyector se ubica usualmente entre 1 y 16, preferentemente entre 1,5 y 8 bar. El flujo volumetrico del gas del inyector, al entrar en el dispositivo de llenado, se ubica usualmente entre 2 y 5000, preferentemente entre 100 y 2000 m3/h. Dependiendo del dimensionamiento del dispositivo de llenado, el gas del inyector circula hacia el dispositivo de llenado por ejemplo entre 1 y 60 segundos.
En la parte superior del dispositivo de llenado las aberturas de salida estan dispuestas concentricamente como boquillas de abertura anular. La ilustracion 1 muestra esquematicamente una forma de ejecucion segun la invencion y corresponde a la disposicion A en la siguiente tabla. Se representa un corte longitudinal a traves de la parte superior del dispositivo de llenado 5 con tres boquillas 1, 2 y 3 dispuestas concentricamente, asi como la herramienta de moldeo 4. La mezcla de particulas - gas portador circula desde la boquilla interna 1. El vapor de agua circula desde la boquilla de abertura anular 3. Despues del llenado de la herramienta, el gas del inyector circula desde la boquilla de abertura anular 2 que esta dispuesta entre la boquilla interna 1 y la boquilla de abertura anular 3.
El llenado y - en caso de que se encuentre presente - la entrada de alimentacion de gas del inyector - pueden controlarse automaticamente. Cuando la herramienta de moldeo esta llenada por completo comienza a invertirse la direccion de circulacion de la mezcla de particulas - gas portador. Esto puede medirse directamente como variacion de la direccion de circulacion o indirectamente puede medirse como variacion de temperatura, mayormente como aumento de temperatura de la mezcla, causado por el retorno del gas calentado, desde la herramienta hacia el dispositivo de llenado. En una forma de ejecucion preferente, el procedimiento segun la invencion se caracteriza porque el dispositivo de llenado o la entrada de alimentacion de la mezcla de particulas - gas portador que se encuentra en el mismo, esta provisto de al menos un dispositivo de medicion para la direccion de circulacion o la temperatura de la mezcla de particulas - gas portador.
Segun la invencion, el dispositivo de medicion es un sensor de circulacion o un sensor de temperatura y puede estar colocado en cualquier punto de la tuberia para la mezcla de particulas - gas portador. Preferentemente, el mismo esta colocado cerca del dispositivo de llenado o de su parte superior, ya que la direccion de circulacion o bien la temperatura de la mezcla varia al salir de la herramienta de moldeo. Tambien pueden utilizarse combinaciones de sensores de circulacion y de temperatura.
Los dispositivos de medicion, de manera preferente, estan conectados a un controlador - preferentemente automatizado, el cual, en funcion de la senal recibida desde el dispositivo de medicion, interrumpe el suministro de mezcla de particulas - gas portador y eventualmente vapor de agua y, en caso de que se encuentre presente, el suministro de gas del inyector para purgar las lineas. Con ese fin, la entrada de alimentacion de vapor de agua y gas del inyector preferentemente estan provistas de valvulas de conmutacion correspondientes.
Preferentemente, el procedimiento se caracteriza porque el dispositivo de llenado finaliza el suministro de mezcla de particulas - gas portador tan pronto como los dispositivos de medicion indican que la herramienta de moldeo esta llenada con las particulas de polimero.
Dependiendo del tamano y de la geometria de las piezas moldeadas de material de espuma deseadas, la herramienta de moldeo utilizada puede ser pequena o grande, asi como puede estar conformada de modo simple o complejo. En particular las herramientas grandes y/o complejas, en lugar de con un unico dispositivo de llenado, pueden llenarse tambien con dos o mas dispositivos de llenado. Gracias a ello la herramienta puede llenarse mas rapido y de modo mas uniforme. Las partes superiores de los dispositivos de llenado, por ejemplo, pueden estar montadas en distintos puntos de la herramienta.
En el caso de que se utilicen varios dispositivos de llenados, al menos un dispositivo de llenado funciona con particulas de polimero templadas, segun la invencion, del modo antes descrito. Los dispositivos de llenado adicionales pueden funcionar con o sin particulas templadas (de forma no acorde a la invencion).
Preferentemente, todos los dispositivos de llenado funcionan segun la invencion, es decir, con particulas templadas. De este modo, sus condiciones de funcionamiento pueden ser iguales o diferentes, por ejemplo las cantidades, presiones y temperaturas de la mezcla de particulas - gas portador, eventualmente del vapor de agua y eventualmente del gas del inyector, asi como el contenido de la mezcla de particulas - gas portador. De manera correspondiente, lo mismo aplica para el diseno relativo a los aparatos, por ejemplo la geometria de los dispositivos de llenado, asi como eventualmente los dispositivos de medicion, controladores y valvulas.
Produccion de piezas moldeadas de material de espuma
Las piezas moldeadas de material de espuma se producen en la herramienta de moldeo que fue llenada con las particulas de polimero expansibles segun el procedimiento de llenado segun la invencion.
El procedimiento segun la invencion para producir piezas moldeadas de material de espuma a partir de particulas de polimero expansibles (procedimiento de piezas moldeadas), preferentemente comprende las siguientes etapas: a) llenado de la herramienta de moldeo parcialmente o completamente cerrada, con particulas de material de espuma polimerica, del modo antes descrito,
b) cierre de la herramienta de moldeo y sellado de las particulas de material de espuma a traves de calentamiento, y
c) apertura de la herramienta de moldeo y extraccion de la pieza moldeada.
Del modo ya mencionado, en el paso a) la herramienta de moldeo puede llenarse sin presion, lo cual se considera preferente en el caso de particulas de poliestireno. Las particulas de poliolefina, segun el procedimiento de llenado a presion, se introducen preferentemente bajo sobrepresion, o igualmente se comprimen mecanicamente en la herramienta, de modo preferente, segun el procedimiento de llenado por craqueo.
El calentamiento de la herramienta de moldeo en el paso b) tiene lugar usualmente a traves de vapor de agua que es introducido en la herramienta de moldeo cerrada a traves de las aberturas finas que estan proporcionadas en la herramienta de moldeo. En lugar de vapor de agua pueden utilizarse tambien otros medios de calentamiento, por ejemplo aire caliente, pero el vapor de agua se considera especialmente preferente. La herramienta de moldeo esta provista de valvulas de salida, las asi llamadas valvulas de fondo, a traves de las cuales el vapor de agua puede salir desde la herramienta. Usualmente, cada mitad de la herramienta de moldeo esta provista de al menos una valvula de entrada y de al menos una valvula de salida para el vapor de agua.
La temperatura del vapor de agua (temperatura de sellado) se ubica usualmente entre 105 y 180°C, preferentemente entre 110 y 170°C. La presion se ubica por lo general entre 1,2 y 11 bar, preferentemente entre 1,4 y 8 bar, y de modo especialmente preferente entre 1,4 y 7 bar.
La cantidad de vapor de agua puede variar en gran medida, dependiendo del tamano y la geometria de la pieza moldeada, y se ubica por ejemplo entre 100 y 20.000 m3/h, preferentemente entre 5000 y 10.000 m3/h. La duracion del calentamiento y del sellado en el paso b) puede variar del mismo modo y se ubica por ejemplo entre 1 y 100 segundos, preferentemente entre 3 y 20 segundos y de modo especialmente preferente entre 4 y 10 segundos. Generalmente, las particulas de poliolefina requieren una temperatura mas elevada, una presion mas elevada y una mayor cantidad de vapor de agua, comparado con las particulas de poliestireno. Puesto que en el procedimiento de llenado segun la invencion (= paso a) del procedimiento de piezas moldeadas) no se utilizan particulas frias, sino templadas, usualmente el consumo de energia en el paso b) es mas reducido que en el procedimiento correspondiente al estado del arte.
La aplicacion de vapor de agua tiene lugar generalmente en cuatro pasos. En primer lugar, en un paso de purga, al encontrarse abiertas las valvulas de salida de vapor, el aire es expulsado desde la herramienta. A continuacion, las particulas de polimero se precalientan en cada caso a traves de una evaporacion en cada una de las direcciones transversales, de modo que en el nucleo de la pieza moldeada ya se sellan en menor medida. Por ultimo, en la asi llamada evaporacion de autoclave, las valvulas de salida de vapor se cierran y en todos los lados de la superficie de la pieza moldeada se aplica vapor, debido a lo cual las particulas se sellan por completo, formando la pieza moldeada de material de espuma.
Las particulas se expanden y se sellan a traves del aumento de temperatura. De este modo, de manera preferente, el volumen existente de particulas intermedias se llena por completo o casi por completo. En el caso de las particulas de poliestireno, la expansion usualmente tiene lugar debido a restos de agente de hinchamiento incluidos,
en el caso de particulas de poliolefina debido a la fuerza de recuperacion de las particulas comprimidas previamente a traves de la presion dinamica o de forma mecanica.
En el paso c) se abre la herramienta de moldeo y se extrae la pieza moldeada terminada. En caso de que sea necesario, la pieza moldeada puede dejarse reposar un cierto tiempo y dejarse enfriar despues del sellado y antes o despues de la apertura de la herramienta. Por ejemplo, la herramienta y la pieza moldeada pueden enfriarse con agua; esto puede acelerarse aplicando un vacio.
Despues del desmoldeado, la pieza moldeada puede secarse del modo habitual. En particular en el caso de piezas moldeadas de material de espuma de poliolefina puede ser ventajoso templarlas de 30 minutos a 10 horas, preferentemente de 2 a 6 horas, a 60 hasta 90°C, para aumentar la estabilidad de la dimension de las piezas moldeadas.
En el caso de piezas moldeadas de material esponjoso de poliestireno, la densidad de la pieza moldeada puede regularse a traves de la densidad aparente de las particulas de poliestireno. En muchos casos, la densidad de la pieza moldeada se ubica en el rango de la densidad aparente de las particulas. Las particulas de poliolefina pueden comprimirse en mayor grado que las particulas de poliestireno, por lo cual la densidad de piezas moldeadas de material de espuma de poliolefina puede variar en amplios limites a traves de la variacion de la presion dinamica. Una presion dinamica mas elvada provoca una mayor compresion de las particulas y conduce a piezas moldeadas de material de espuma de densidad mas elevada.
Una variacion aun mayor de la densidad de la pieza moldeada se logra a traves de la carga de presion de las particulas de polimero antes del paso b). De este modo, las particulas expandidas, antes de su procesamiento para formar la pieza moldeada, por tanto antes de la expansion y del sellado, se exponen a una presion aumentada durante un periodo de por ejemplo 0,5 a 50 horas, preferentemente de 3 a 12 horas (tiempo de carga de presion). La temperatura en esa carga de presion se ubica por ejemplo entre 0 y 100°C, preferentemente entre 20 y 90°C, donde temperaturas mas elevadas dentro del rango mencionado facilitan la carga de presion.
La presion final de la carga de presion se ubica usualmente entre 1,5 y 6 bar, en particular entre 2 y 5 bar. Preferentemente, la presion final no se aplica de forma espontanea, sino que la presion, durante el tiempo de carga de presion deseado, se incrementa a lo largo de una funcion ascendente de modo exponencial, escalonado o preferentemente lineal, hasta que se haya alcanzado la presion final deseada. La presion final, antes del procesamiento de las particulas para formar la pieza moldeada (paso b)), se mantiene usualmente entre 0 y 1000 minutos, preferentemente entre 30 y 300 minutos.
La carga de presion puede tener lugar con aire, pero tambien pueden utilizarse los otros gases ya mencionados con respecto al gas portador. En particular para particulas de poliolefinas puede ser ventajosa una carga de presion, puesto que la misma en muchos casos mejora la calidad de la superficie de las piezas moldeadas de material de espuma.
A continuacion, las particulas de polimero cargadas con presion se procesan para formar la pieza moldeada de material de espuma, como se describe en el paso b) y c).
Al igual que el paso a), los pasos b) y c) pueden tener lugar de forma automatizada. Por ejemplo, maquinas automaticas para producir piezas moldeadas usuales en el comercio, como por ejemplo las que pueden conseguirse a traves de las empresas Kurtz GmbH, Kreuzwertheim; Erlenbach GmbH, Lautert; o Teubert Maschinenbau GmbH, Blumberg, pueden redisenarse segun el procedimiento de llenado segun la invencion, por tanto en particular utilizando alli un dispositivo de llenado operado segun la invencion.
Las piezas moldeadas de material de espuma que se obtienen con el procedimiento de piezas moldeadas son igualmente objeto de la invencion. Las piezas moldeadas de esa clase son por ejemplo paragolpes de vehiculos a motor, elementos de proteccion contra impactos de vehiculos a motor, contenedores de transporte reutilizables en el area industrial o relacionada con los alimentos (por ejemplo soportes de carga o cajas de provisiones), envases termoaislantes o para la proteccion contra impactos, asi como placas de material de espuma. Tambien pueden producirse sin problemas y con buena calidad piezas moldeadas gruesas, con un grosor de mas de 15 cm. Esto aplica igualmente para piezas moldeadas conformadas de modo complejo.
El procedimiento de llenado segun la invencion posibilita un llenado uniforme de la herramienta. Aun cuando con el procedimiento de piezas moldeadas segun la invencion se produzcan piezas moldeadas gruesas o complejas, las particulas se sellan fiablemente y de modo uniforme unas con otras. El procedimiento de piezas moldeadas segun la invencion tiene un consumo de energia mas reducido que los procedimientos segun el estado del arte, y se caracteriza por tiempos del ciclo cortos. Las piezas moldeadas de material de espuma segun la invencion que pueden obtenerse con el mismo presentan un perfil de propiedades equilibrado, con una calidad elevada de la superficie.
Ejemplo
Como particulas de polimero expandidas se utilizo material de espuma de polipropileno Neopolen® P 9230 K de BASF. Su densidad aparente ascendia a 28 kg/m3. No se efectuo una carga de presion.
Las particulas de polimero se introdujeron en una herramienta de moldeo por el procedimiento de llenado a presion, con una maquina automatica para piezas moldeadas usual en el comercio. Como gas portador y gas del inyector se utilizo aire. Como dispositivo de llenado se utilizaron tres inyectores de llenado segun la ilustracion 1, los cuales estaban montados en diferentes puntos de la herramienta de moldeo. Cada inyector de llenado presentaba una boquilla (1) para la mezcla de particulas - aire, una boquilla (2) para el aire del inyector, y una boquilla (3) para vapor de agua.
La cavidad de la herramienta de moldeo provista de aberturas finas tenia la forma de un podio utilizado en eventos deportivos, con una longitud de 770 mm, una anchura de 200 mm y una altura maxima de 100 mm.
La herramienta se cerro y se precalento a traves de la introduccion de vapor de agua (1 bar, 5 segundos). Se dejo 2 segundos. A continuacion, a la herramienta se condujo vapor de agua 10 segundos, con una presion de llenado de 3,5 bar, a traves de los inyectores de llenado (al encontrarse cerrada la entrada de alimentacion de particulas - gas portador), y adicionalmente a traves de valvulas de evaporacion de la maquina automatica para piezas moldeadas; la presion dinamica del vapor ascendia a 2 bar. A continuacion, en los inyectores de llenado, al encontrarse ademas abierta la entrada de suministro de vapor de agua, se abrio tambien la entrada de suministro de la mezcla de particulas - gas portador, y la mezcla de particulas - aire se condujo a la herramienta (aproximadamente 8 segundos), con una presion de llenado de 2,5 bar (la presion dinamica ascendia a 2 bar), hasta que los sensores instalados detectaron que la herramienta estaba completamente llena. El suministro de la mezcla de particulas - aire y del vapor de agua se interrumpio y con aire del inyector (4 bar, 5 segundos) las particulas excedentes retornaron al aparato de llenado. La herramienta se enfrio 30 segundos, se abrio despues de 30 segundos de tiempo de permanencia y se extrajo la pieza moldeada.
La pieza moldeada se templo 4 horas a 80°C. La densidad de la pieza moldeada obtenida ascendio a 48 kg/m3.
Claims (8)
1. Procedimiento para llenar herramientas de moldeo con particulas de material de espuma polimerica, donde las particulas de material de espuma polimerica se introducen con un gas portador en la herramienta de moldeo mediante un dispositivo de llenado, y donde las particulas de material de espuma polimerica se mezclan dentro del dispositivo de llenado con vapor de agua con una presion de 1,2 a 11 bar, mediante una boquilla de abertura anular colocada en el area superior del dispositivo de llenado, y se calientan de modo que al abandonar el dispositivo de llenado presentan una temperatura en la cual se ablandan, caracterizado porque el dispositivo de llenado se compone de tres tubos concentricos que, en el area superior del dispositivo de llenado, presentan aberturas de salida (1), (2) y (3) dispuestas como boquillas de abertura anular, donde las particulas de material de espuma polimerica, con el gas portador, son conducidas mediante la abertura de salida (1) del tubo interno y el vapor de agua es conducido entre la abertura del tubo central y externo, mediante la abertura de salida (3).
2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado porque las particulas de material de espuma polimerica se componen de polipropileno, polietileno o poliestireno.
3. Procedimiento segun las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque aire se utiliza como gas portador.
4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque despues de que la herramienta de moldeo esta llenada con las particulas de material de espuma polimerica se interrumpe el suministro de las particulas de material de espuma polimerica y del vapor de agua, y el dispositivo de llenado se purga mediante un gas del inyector conducido entre la abertura del tubo interno y central, mediante la abertura de salida (2).
5. Procedimiento segun la reivindicacion 4, caracterizado porque el suministro de las particulas de material de espuma polimerica, del vapor de agua y del gas del inyector es controlado a traves de la senal de un dispositivo de medicion colocado en el dispositivo de llenado, para la direccion de circulacion o la temperatura.
6. Procedimiento segun las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado porque aire se utiliza como gas del inyector.
7. Procedimiento para producir piezas moldeadas de material de espuma de particulas de material de espuma polimerica, el cual comprende las etapas
a) llenado de la herramienta de moldeo con particulas de material de espuma polimerica segun una de las reivindicaciones 1 a 4,
b) cierre de la herramienta de moldeo y sellado de las particulas de material de espuma a traves de calentamiento, y
c) apertura de la herramienta de moldeo y extraccion de la pieza moldeada.
8. Dispositivo de llenado (5) para llenar herramientas de moldeo (4) con particulas de material de espuma polimerica segun la reivindicacion 1, el cual comprende al menos tres tubos concentricos que, en el area superior del dispositivo de llenado, presentan aberturas de salida (1) dispuestas como boquillas de abertura anular para la mezcla de gas portador - particulas de material de espuma polimerica, (2) para gas del inyector y (3) para vapor de agua, caracterizado porque el dispositivo de llenado presenta un dispositivo de medicion para la direccion de la circulacion o la temperatura.
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