ITTO990959A1

ITTO990959A1 - Procedimento per la produzione di materiali polimerici espansi e estrusore per la sua attuazione.

Info

Publication number: ITTO990959A1
Application number: IT1999TO000959A
Authority: IT
Inventors: Renato Crana
Original assignee: L M P Impianti S R L
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2001-05-09
Also published as: NZ518636A; IT1308870B1; AU777984B2; CA2389438A1; CN1387548A; EP1230296B1; DE60021602D1; KR100699202B1; ES2246252T3; WO2001034687A1; NO20022159D0; NO20022159L; JP2003513829A; DE60021602T2; EP1230296A1; ITTO990959A0; KR20030031877A; ATE300577T1; AU1391501A

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: "Procedimento per la produzione di materiali polimerici espansi e estrusore per la sua attuazione"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la produzione di materiali polimerici espansi poliolefinici a bassa densità e con struttura 'a celle chiuse, mediante estrusione del polimero additivato con un agente espandente fisico, nonché ad un estrusore per la sua attuazione.

Gli agenti espandenti generalmente utilizzati per la produzione di schiume poliolefiniche a bassa densità sono-generalmente-composti organici includenti fluorocarburi, in particolare clorofluorocarburi saturi (CFC) e idroclorofluoro carburi (HCFC) e altri idrocarburi alogenati. Tali clorofluorocarburi sono tuttavia ritenuti indesiderabili, per il loro negativo impatto ambientale e particolarmente in quanto si sospetta che siano responsabili della distruzione della fascia protettiva di ozono dell'atmosfera terrestre, cosicché il loro impiego è in via di progressivo abbandono. Sono altresì utilizzati idrocarburi non alogenati che non danneggiano la fascia di ozono, ma il loro impiego come agenti espandenti è problematico a causa della loro elevata infiammabilità.

In sostituzione dei CFC e HCFC è stato altresì considerato l'impiego di agenti espandenti inorganici, quali anidride carbonica, azoto, argon e acqua, che evidentemente non sono infiammabili e presentano un nullo o ridotto impatto ambientale. Tuttavia, quando tali agenti sono utilizzati singolarmente come unico agente espandente, non è generalmente possibile ottenere espansi aventi le desiderate caratteristiche di densità, conseguibili con gli espandenti tradizionali. Le ricerche nel settore si sono quindi rivolte verso l'impiego di specifici sistemi espandenti, basati sulla combinazione di più agenti espandenti o verso la scelta di specifiche caratteristiche fisico chimiche del materiale polimerico o verso l'aggiunta di additivi.

Il brevetto US-5244 927 descrive schiume polistireniche a bassa densità preparate con l'impiego di un sistema espandente costituito da una miscela di anidride carbonica, un alcool inferiore e acqua.

Il brevetto US-5 554 661 descrive materiali espansi a celle chiuse di polimero etilenico avente una densità inferiore a 150 kg/m3, ottenuto con l'impiego di un polimero etilenico avente specifiche caratteristiche di indice di fluidità ("melt index") e di resistenza della massa fusa ("melt tension"), con l'impiego di anidride carbonica e/o argon come agenti espandenti.

La presente invenzione è riferita invece ad un procedimento che consente di ottenere espansi poliolefinici aventi le desiderate caratteristiche di bassa'densità e di conducibilità termica, anche con l'impiego di agenti espandenti quali anidride carbonica, gas inerti e acqua, utilizzati singolarmente, grazie alla scelta di particolari caratteristiche fisiche e meccaniche del processo di estrusione.

Costituisce un oggetto dell'invenzione un procedimento per la produzione di materiali espansi poliolefinici aventi un coefficiente di conducibilità termica minore di 40 mW/°K*m e densità inferiore a 50 kg/m3, mediante estrusione del materiale polimerico additivato con un agente espandente fisico, caratterizzato dal fatto che: ;l'estrusione è condotta in un estrusore bivite a viti co-rotanti e interpenetranti, aventi un rapporto tra interasse e diametro compreso tra 0,7 e 0,8, un rapporto lunghezza/diametro delle viti (L/D) compreso tra 22 e 30, e in cui le due viti co-rotanti presentano una pluralità di zone miscelanti (retromiscelazione) e una pluralità di zone pompanti (trasporto) fra loro alternate, con un rapporto di lunghezza totale tra zone miscelanti e zone pompanti compreso tra 65% e 75%, e in cui dette viti sono fatte ruotare a velocità inferiore a 50 rpm. ;I polimeri poliolefinici impiegati nel procedimento della presente invenzione comprendono poliolefine quali polietilene, polipropilene e loro copolimeri e polimeri alchenil aromatici. Questi ultimi comprendono polimeri di composti alchenil aromatici quali stirene, α-metilstirene, etil stirene, vinil benzene, vinil toluene, cloro stirene e bromo benzene. I polimeri impiegati,possono inoltre comprendere piccole quantità di composti ad insaturazione monoetilenica, quali acidi alchilicici C2-C6 e dieni C4-C che possono essere co-polimerizzati con il composto alchenil aromatico, quali acido acrilico, metacrilico, acrilonitrile, anidride maleica, metil acrilato, etil acrilato, metil metacrilato e vinil acetato. L'impiego di tali copolimeri tuttavia non è particolarmente desiderato in quanto incrementa sostanzialmente il costo della materia prima. ;Il procedimento secondo l'invenzione è particolarmente vantaggioso con l'utilizzo di agenti espandenti quali anidride carbonica, azoto, argon, ed elio; tuttavia è compreso nell'ambito dell'invenzione anche l'impiego di idrocarburi alitatici quali metano, etano, propano N-butano, isobutano e N-pentano e alcoli alifatici aventi da 1 a 3 atomi di carbonio. E' inoltre incluso nell'ambito dell'invenzione un procedimento che utilizza i convenzionali CFC e HCFC. Il materiale polimerico può inoltre comprendere gli usuali additivi utilizzati nell'estrusione di espansi, quali agenti nucleizzanti, ritardanti di fiamma e coloranti. Gli agenti nucleizzanti, utilizzati per controllare la dimensione delle celle nell'espanso, comprendono in particolare talco, ossido di magnesio, silicato di calcio, stearato di calcio, miscele di acido citrico e di bicarbonato di sodio. ;Costituisce un ulteriore oggetto della presente invenzione un estrusore per l'effettuazione del procedimento sopra descritto, comprendente due viti co-rotanti interpenetranti, e caratterizzato dal fatto che dette viti hanno un rapporto tra interasse (I) e diametro (D) compreso tra 0,7 e 0,8 e un rapporto lunghezza (L)/diametro(D) compreso tra 22 e 30 e presentano una pluralità di zone miscelanti (retromiscelazione) e una pluralità di zone pompanti fra loro alternate, con un rapporto di lunghezza tra zone miscelanti e zone pompanti compreso tra 65% e 75%. ;Ulteriori vantaggi e caratteristiche dell'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata con riferimento ai disegni annessi e a specifici esempi di attuazione aventi carattere non limitativo, nei quali disegni: ;la figura 1 è una rappresentazione schematica in sezione di una serie di componenti di un'apparecchiatura di estrusione per l'attuazione dell'invenzione, ;la figura 2 è una vista laterale in sezione di una filiera posta a valle dei componenti dell'apparecchiatura di estrusione di figura 1, le figure 3 e 4 sono viste in sezione secondo le linee III-III e rispettivamente IV-IV di figura 2, ;la figura 5 è una vista frontale della filiera di figura 2, ;la figura 6 è una vista in sezione secondo la linea VI-VI di figura 2, e ;la figura 7 è una vista in elevazione laterale di una delle viti dell'apparecchiatura di estrusione per l'attuazione dell'invenzione. ;Con riferimento alla figura 1, con 10 è indicato nel suo insieme un corpo tubolare di estrusore, nella cui cavità interna sono collocate due viti 12, co-rotanti e interpenetranti, aventi le caratteristiche precedentemente citate. Il materiale polimerico è alimentato nella cavità dell'estrusore in una zona iniziale di trasporto della vite 14, tramite mezzi di alimentazione non illustrati. Le viti 12 comprendono (fig. 7) quattro zone di pompaggio 16a, b, c, e d, intervallate da tre sezioni di retromiscelazione e 18a, b e c. ;Le viti 12 preferibilmente presentano, a valle della prima zona pompante 16a (vedi numero di riferimento 17), un incremento del diametro del nocciolo compreso fra il 7 e il 14% ed un decremento del diametro esterno compreso fra il 4 e l'8% e, a valle dell'ultima zona miscelante 18c (vedi numero di riferimento 19), un incremento del 'diametro del nocciolo compreso fra il 2 e il 5% ed un decremento del diametro esterno compreso fra 1' 1 e il 3%. A causa della loro relativa esiguità e della scala dei disegni, tali variazioni di diametro non risultano immediatamente evidenti dall'esame delle figure 1 e 7. ;La fusione del materiale alimentato avviene nelle zone iniziali di alimentazione 14 e di trasporto 16a; l'agente espandente è preferibilmente alimentato nel corpo dell'estrusore, attraverso mezzi di iniezione, non illustrati, nella zona di trasporto 16b, immediatamente a valle della prima zona di retromiscelazione 18a. ;La pressione sulla testa di estrusione è compresa fra 200 e 280,bar, preferibilmente tra 240 e 280 bar. Si intende che le temperature mantenute nell'estrusore saranno scelte dal tecnico in funzione delle specifiche caratteristiche del polimero utilizzato. ;In uscita dalla zona di terminale di trasporto/pompaggio 16d, il materiale polimerico fuso è alimentato ad un dispositivo miscelatore/omogenizzatore statico 20. Tale dispositivo può essere di tipo per sé noto e preferibilmente è costituito dal dispositivo descritto nel brevetto US-A-4 222 729 a nome della richiedente. ;Tuttavia, nell'ambito del procedimento secondo l'invenzione è preferibile che il dispositivo miscelatore statico presenti caratteristiche di flusso tali per cui la caduta di pressione da esso generata sia compresa fra 30 e 80 bar. ;In uscita dal miscelatore statico 20, il materiale è infine alimentato ad una filiera 22 (figure da 2 a 6) con una pressione generalmente compresa tra i 100 e 200 bar. ;La filiera 22 presenta un corpo 24 entro il quale è ricavato un condotto 26 di deflusso del materiale, la cui sezione in un primo tratto 28 (figure 4, 5 e 6) si modifica progressivamente da un profilo circolare 30 ad un profilo sostanzialmente rettangolare 32, in cui una coppia di lati perimetrali 34 risulta decisamente più lunga dell'altra coppia di lati 36. ;Il condotto 26 presenta un secondo tratto 38 disposto successivamente al primo 28, la cui sezione (figura 3) si modifica progressivamente nel senso di un'ulteriore allungamento dei lati 34 ed un accorciamento dei lati 36. ;Infine, in corrispondenza dello sbocco all'esterno del condotto di deflusso 26, sono disposti (figura 2) due labbri affacciati 40, che provocano un restringimento della sezione del condotto 28. ;Esempio I ;E' stato utilizzato un estrusore bivite corotante con viti aventi le caratteristiche precedentemente descritte e un rapporto fra lunghezza e diametro L/D pari a 24. Ulteriori caratteristiche delle viti erano le seguenti: ;- interasse I: 100 mm ;- diametro viti D: 132 mm ;- potenza motrice installata: 75 kW. ;Si è utilizzato come materiale polimerico polistirene avente melt index compreso tra 1,7 e 1,8 g/10 min con punto Vicat superiore a 100°C. ;Il materiale alimentato comprendeva inoltre da 0,5 a 1,5% in peso di talco come agente nucleizzante, da 4 a 5% di agente ritardante di fiamma e un colorante. Si è utilizzata anidride carbonica pura in qualità di agente espandente e, durante la prova, sono state utilizzate percentuali diverse di agente espandente, comprese tra 2 e 5% riferite a 100 parti di materia solida. ;La velocità di rotazione delle viti durante le prove è stata fatta variare tra i 18 e 25 giri/minuto. ;Le pressioni sulla testa d'estrusione sono state mantenute tra 200 e 280 bar mentre la pressione in filiera tra 100 e 200 bar. ;Sono stati così ottenuti pannelli di materiale espanso aventi: ;- una larghezza variabile tra 600 e 800 mm; - spessore tra 20 e 60 mm; ;- densità variabile tra 35 e 50 kg/m3; ;- dimensione delle celle compresa tra 0,150 e 0,250 mm. ;Il valore del coefficiente di conduttività termica è risultato compreso, subito dopo l'estrusione, nell'intervallo fra 26,5 e 28,2 mW/°K*m.

Tali variazioni sono determinate dalle differenti percentuali utilizzate di agente espandente e agente nucleizzante.

I pannelli espansi ottenuti presentavano inoltre una struttura a celle chiuse per almeno il 95%, determinata secondo ASTM D 2856-A.

II rapporto di produttività (potenza installata/chilogrammo di prodotto) era compreso tra 0,4 e 0,6 kW/kg.

Esempio II

E' stato utilizzato un estrusore a due viti co-rotante avente un profilo di vite corrispondente a quello precedentemente descritto ed inoltre le seguenti caratteristiche:

- interasse I: 66 min

- diametro viti D: 82 mm;

- potenza motrice installata 18 kW.

E' stato utilizzato lo stesso materiale polimerico utilizzato nell'esempio I, facendo anche in questo caso variare la quantità di agente espandente tra il 2 e il 5%.

Le pressioni sulla testa di estrusione sono variate tra i 200 e 280 bar, mentre le pressioni in filiera sono oscillate tra 100 e 120 bar.

Sono stati ottenuti pannelli di materiale espanso aventi:

- larghezza variabile tra 200 e 450 mm;

- spessori tra 10 e 25 mm;

- densità variabili tra 35 e 50 kg/m3;

- dimensione delle celle comprese tra 0,150 e 0,250 mm.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione di materiali polieolefinici espansi, aventi un coefficiente di conducibilità termica minore di 40 mW/°K*m e una densità inferiore a 50 kg/m3, mediante estrusione del materiale polimerico additivato con un agente espandente fisico, caratterizzato dal fatto che: - l'estrusione è attuata in un estrusore bivite a viti co-rotanti interpenetranti (12), aventi un rapporto tra interasse (I) e diametro (D) compreso tra 0,7 e 0,8 e un rapporto lunghezza (L)/diametro (D) compreso tra 22 e 30, e in cui dette viti (12) presentano una pluralità di zone miscelanti (retromiscelazione) (18a-c) e una pluralità di zone pompanti (16a-d) fra loro alternate con un rapporto di lunghezza tra zone miscelanti (18ac) e zone pompanti (16a-d) compreso tra 65% e 75%, e in cui dette viti (12) sono fatte ruotare a velocità inferiore a 50 rpm.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette viti (12) presentano, a valle della prima zona pompante (16a), un incremento del diametro del nocciolo compreso fra il 7 e il 14% ed un decremento del diametro esterno compreso fra il 4 e l'8%.
3. Procedimento secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che dette viti (12) presentano, a valle dell'ultima zona miscelante (18c), un incremento del diametro del nocciolo compreso fra il 2 e il 5% ed un decremento del diametro esterno compreso fra 1' 1 e il 3%.
4. Procedimento secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che a valle dell'estrusore è collocata una filiera (22) presentante un corpo (24) entro il quale è ricavato un condotto (26) di deflusso di materiale, la cui sezione si modifica progressivamente in un primo tratto (28) da un profilo circolare (30) ad un profilo sostanzialmente rettangolare (32), in cui una coppia di lati perimetrali (34) risulta decisamente più lunga dell'altra coppia di lati (36).
5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto condotto (26) presenta un secondo tratto (38) disposto successivamente al primo (28) e la cui sezione si modifica progressivamente nel senso di un ulteriore allungamento dei lati (34) ed accorciamento dei lati (36).
6. Procedimento secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che, in corrispondenza dello sbocco all'esterno del condotto di deflusso (26), sono disposti due labbri affacciati (40), che provocano un restringimento della sezione di detto condotto (26).
7. Estrusore per l'effettuazione di un procedimento secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, comprendente due viti co-rotanti interpenetranti (12), detto estrusore essendo caratterizzato dal fatto che dette viti (12) hanno un rapporto tra interasse (I) e diametro (D) compreso tra 0,7 e 0,8, e un rapporto lunghezza (L)/diametro(D) compreso tra 22 e 30 e presentano una pluralità di zone miscelanti (retromiscelazione) (18a-c) e una pluralità di zone pompanti (16a-d) fra loro alternate, con un rapporto di lunghezza tra zone miscelanti (18a-c) e zone pompanti (16a-d) compreso tra 65% e 75%.
8. Estrusore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che dette viti (12) presentano, a valle della prima zona pompante (16a), un incremento del diametro del nocciolo compreso fra il 7 e il 14% ed un decremento del diametro esterno compreso fra il 4 e l'8%.
9. Estrusore secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzato dal fatto che dette viti (12) presentano, a valle dell'ultima zona miscelante (18c), un incremento del diametro del nocciolo compreso fra il 2 e il 5% ed un decremento del diametro esterno compreso fra l' 1 e il 3%.