Método e aparelho para produzir corposcontinuamente moldados.
A presente invenção se refere a um método paraproduzir corpos continuamente moldados a partir de umasolução de extrusão, particularmente uma solução de extrusãoque contém água, celulose, e óxido de amina terciária, sendoque o método compreende as seguintes etapas: o suprimento dasolução de extrusão a uma pluralidade de orifícios deextrusão arranjados substancialmente em uma fileira; aextrusão da solução de extrusão através de um respectivoorifício de extrusão para se obter um corpo continuamentemoldado; a formação de uma cortina substancialmente planarpelos corpos continuamente moldados individuais.
A presente invenção também se refere a um aparelhopara produzir corpos continuamente moldados a partir de umasolução de extrusão, particularmente de uma solução deextrusão que contém água, celulose e óxido de aminaterciária, sendo que o aparelho compreende uma cabeça deextrusão que inclui uma multiplicidade de orifícios deextrusão arranjados substancialmente na configuração do tipofileira, onde a solução de extrusão, durante a operação, éextrudável através dos orifícios de extrusão, para se obterum respectivo corpo continuamente moldado, e os corposcontinuamente moldados extrudados formam uma cortinasubstancialmente planar devido ao arranjo dos orifícios deextrusão, e compreende um defletor por meio do qual a cortinados corpos continuamente moldados extrudados é defletidadurante a operação.
Um corpo continuamente moldado deve sercompreendido no seguinte texto como um corpo produzido apartir da solução de extrusão na forma de uma fibra, umafibra de comprimento padrão, uma película ou um filamento. Asolução de extrusão é uma solução que, na maioria dos casos,pode ser fiada e que, além de um polímero dissolvido tal comoa celulose, contém água e um óxido de amina terciária talcomo N-óxido de N-metil morfolina.
O método inicialmente descrito e o aparelho acimamencionado para a execução do dito método são conhecidos noestado da técnica, por exemplo, para a produção de fibras naindústria de têxteis. Para a produção de uma fibra fiada, asolução de extrusão é fiada nos orifícios de extrusão como umrespectivo filamento mediante a compressão da solução deextrusão através dos orifícios de extrusão, com o que ela éextrudada. Um método genérico e um aparelho genérico são, porexemplo, conhecidos a partir da patente norte-americana4.869.860. Este método, entretanto, só é apropriado para osfilamentos de poliamida resistentes à ebulição.
Para tornar o método genérico mais lucrativo, umapluralidade de orifícios de extrusão é combinado em umaposição de fiação ou uma cabeça ou bocal de extrusão, de modoque uma multiplicidade de corpos continuamente moldados, porexemplo, na forma de filamentos, possa ser fiada ou extrudadaao mesmo tempo.
Os corpos continuamente moldados da multiplicidadede orifícios de extrusão são combinados e formados como umfeixe por um defletor nos métodos e os aparelhosconvencionais. Uma vez que as estações para o pós-tratamentodos corpos continuamente moldados não são posicionadasnormalmente na direção de extrusão, os corpos continuamentemoldados são defletidos pelo defletor para serem submetidos aoutras etapas pós-tratamento, tais como lavagem, compressão,secagem.
A lucratividade do método é determinadaessencialmente pelo número e pela densidade dos orifícios deextrusão. Entretanto·, a uma densidade excessivamente elevadade orifícios de extrusão, também chamada de "densidade defuro", os orifícios de extrusão vizinhos afetam uns aosoutros, e os corpos continuamente moldados tendem a aderiruns aos outros. A uma densidade de furo excessivamenteelevada, a troca de calor dos corpos continuamente moldadosindividuais também é afetada, o que resulta em uma qualidadepobre dos corpos continuamente moldados produzidos.
Na técnica anterior, o jato de polímero que sai dobocal é fortemente defletido na borda de saída do bocal nocaso de um grande ângulo de formação de feixe ou deconvergência por causa da convergência do tipo de ponto doscorpos continuamente moldados, o que resulta em um prejuízoda extrusão e da operação de fiação. Uma vez que o ângulo deformação de feixe aumenta com um tamanho crescente do bocal,o tamanho dos bocais é limitado.
Particularmente em um método ou em um aparelho noqual os corpos continuamente moldados são imersos em um banhode fiação ou precipitação depois da extrusão, os grandesângulos de formação de feixe têm um efeito desvantajoso. Osgrandes ângulos de formação de feixe afetam os processos dofluxo e o deslocamento de banho no feixe de corpos deextrusão; a grandes ângulos de formação de feixe, maioresturbulências e contrafluxos são observados no banho defiação.
A patente WO 96/20300 discute estes problemas aoindicar uma equação para o ângulo de formação de feixe máximoadmissível para um sistema de fiação com um bocal de anel eum defletor do tipo de ponto no banho de fiação. Entretanto,a grandes diâmetros do bocal esta equação resulta emprofundidades de imersão excessivamente grandes. Além disso,as grandes profundidades de imersão têm um efeito negativo naoperabilidade; além disso, as forças de atrito aumentamentre o feixe de filamentos e o banho de fiação e no ponto dedeflexão do defletor.Um outro problema que surge no desenho de acordocom a patente WO 96/20300 é a difícil troca do licor do banhode fiação no feixe de filamentos. Uma multiplicidade defileiras de filamentos é necessária para um desenho econômicode uma posição individual de fiação de tal tipo com bocais deanel. Uma deflexão do tipo de ponto resulta em um cone defilamentos cujo volume do banho de fiação deve serconstantemente trocado para impedir diferenças excessivamentegrandes na concentração. Por conta do formato do tipo anel,não é somente o banho de fiação que circunda diretamente osfilamentos fiados que deve ser trocado através dos filamentosfiados, mas também o volume do banho de fiação que éencerrado pelo cone de filamentos. Isto leva a cargasaumentadas nos filamentos fiados individuais, mas também asturbulências que afetam o processo de fiação.
A patente WO 94/28218 ilustra uma outra abordagem;neste documento, o feixe de filamentos que sai de um bocalretangular é guiado através de um tanque de banho de fiaçãoque é dotado em sua extremidade inferior de uma abertura desaída através da qual o feixe de filamentos é agrupado em umponto e descarregado do sistema do banho de fiação.
Este sistema também é limitado na sua lucratividadepor causa da necessidade de que os ângulos de formação defeixe excessivamente grandes devem ser evitados. Para mantero ângulo de formação de feixe pequeno, grandes profundidadesde imersão são necessárias neste tipo de desenho com todos osefeitos negativos descritos acima. Além disso, a grandeprofundidade de imersão resulta em uma velocidade de saídaelevada do banho de fiação na abertura de saída localizada nofundo. Esta elevada velocidade de saída do banho de fiaçãoafeta o processo de fiação na operação de fiação inicial etambém durante a operação por causa do surgimento deturbulências. A elevada velocidade de saída do banho podeafetar o processamento dos filamentos, uma vez que filamentosseparados são inseridos pela elevada velocidade de saida dobanho e não são defletidos em um estado esticado no ponto dadeflexão abaixo da saida do banho de fiação, mas flexionampara baixo. Além disso, em um maior número de filamentos porposição de fiação, uma maior abertura de saida também se faznecessária. Desse modo, grandes quantidades de banho defiação devem ser circuladas, o que cria adicionalmenteturbulências.
Os tanques de banho de fiação ilustrados naspatentes WO 94/28218 e WO 96/20300 também afetam a operaçãode fiação inicial e a manipulação nas posições de fiação demodo bastante considerável em combinação com as grandesprofundidades de imersão necessárias.
Para permitir a manipulação do feixe de filamentosfiados, conforme necessário durante a fiação inicial, aolongo da trajetória de imersão pela mão de um operador apesardo comprimento limitado do braço do dito operador, elevadosesforços de construção se fazem necessários. Conformeindicado nos relatórios descritivos das patente citadas, oacesso necessário é fornecido por aberturas (portas) (napatente WO 94/28218) ou por dispositivos içadores adicionaispara elevar e abaixar o tanque do banho de fiação (na patenteWO 96/20300).
Por conseguinte, o objetivo da presente invençãoconsiste em melhorar a qualidade dos corpos continuamentemoldados sem nenhuma perda na lucratividade do método ou doaparelho e sem nenhum esforço ou custo de construçãoadicionais, e também em melhorar as características de fluxona área entre o orifício de extrusão e o defletor.
De acordo com a invenção, este objetivo é atingidopara o método acima mencionado pelas seguintes etapas: aimersão da cortina em um banho de precipitação, e a deflexãoda cortina no banho de precipitação por um defletor.
Para o aparelho acima mencionado, este objetivo éatingido pela medida em que o defletor é arranjado em umbanho de precipitação no qual os corpos continuamentemoldados são imersos.
Estas soluções são simples e resultam em melhorescaracterísticas de fluxo na área entre o orifício de extrusãoe o defletor. Ao contrário da técnica anterior, os corposcontinuamente moldados já não são convergidos no defletorsubstancialmente em uma forma do tipo ponto, mas sãodefletidos como uma cortina. Uma cortina neste contextosignifica um arranjo substancialmente planar amplamenteestendido de corpos continuamente moldados substancialmenteadjacentemente posicionados.
Em conseqüência da deflexão como uma cortinaamplamente estendida imóvel e não como um feixe de fibras, osângulos nos quais os corpos continuamente moldados sãoconvergidos são diminuídos. Isto resulta em uma qualidademais uniforme dos corpos continuamente moldados. Uma vez queos ângulos nos quais os corpos continuamente moldadosindividuais são unidos como uma cortina, não variam mais talcomo quanto na técnica anterior, as condições de fluxo entreo orifício de extrusão e o defletor também são simplificadas.
A qualidade de fiação é melhorada pelas medidas emque de acordo com a invenção os orifícios de extrusão sãoarranjados em uma fileira e os corpos continuamente moldadosque saem dos orifícios de extrusão formam uma cortina. Talcomo já indicado acima, é possível em consideração à deflexãode ampla extensão do feixe de filamentos de acordo com ainvenção, por exemplo, como uma cortina, aumentarconsideravelmente o comprimento do bocal e desse modo alucratividade de uma posição de fiação.
Além disso, a profundidade de imersão pode serreduzida até o grau requerido para a coagulação por causa daorientação de extensão ampliada do feixe de filamentos nobanho de precipitação. Em resumo, os seguintes problemasencontrados em sistemas de fiação de acordo com a técnicaanterior podem ser resolvidos ou minimizados:
- Ao contrário de um bocal de anel, um formatoretangular do bocal não resulta em um cone do banho de fiaçãoencerrado que deve ser adicionalmente deslocado.
Os processos de deslocamento pelo feixe defilamentos no banho de fiação são minimizados, com o que asturbulências e os contrafluxos são evitados.
- As forças de atrito entre o banho de fiação e ofeixe de filamentos e as forças de atrito que agem nodefletor são desse modo minimizadas.
- Graças à deflexão no tanque do banho de fiação, aabertura de saida inferior é omitida, desse modo impedindo osefeitos negativos associados no comportamento de fiação, asturbulências e a manipulação.
- O acesso que é sobretudo requerido no processo defiação inicial para manipular o feixe de filamentos fiados aolongo da trajetória de imersão pela mão é simplificadoconsideravelmente devido à profundidade de imersão bastantereduzida.
- Os esforços de construção e desse modo os custospara tal sistema são reduzidos consideravelmente.
A formação de uma cortina substancialmente planarse torna mais fácil se em uma cabeça de extrusão o número defileiras de orifícios de extrusão for consideravelmente menordo que o número de orifícios de extrusão nas respectivasfileiras.
Em uma outra realização vantajosa do método e doaparelho, o defletor pode ser arranjado em um banho deprecipitação para o qual os corpos continuamente moldadosextrudados são passados. Neste arranjo, os corposcontinuamente moldados serão defletidos somente se tiveremsido solidificados e podem ser submetidos a cargasmecânicas. Desse modo, é assegurado que os corposcontinuamente moldados não serão danificados pela deflexão.
Devido ao arranjo do defletor no banho deprecipitação ao qual os corpos continuamente moldados sãopassados, os corpos continuamente moldados serão defletidosapenas se tiverem sido solidificados e podem ser submetidos acargas mecânicas. É desse modo assegurado que os corposcontinuamente moldados não serão danificados pela deflexão.
No caso da deflexão como uma cortina, as condiçõesde fluxo no banho de precipitação são melhoradasconsideravelmente em relação à técnica anterior no aparelho eno método de acordo com a invenção: A cortina é imersa comoum corpo substancialmente planar no banho de precipitação;os ângulos de imersão dos corpos continuamente moldados nãodiferem muito uns dos outros. Como conseqüência disso,nenhuma turbulência forte é observada no banho deprecipitação e a superfície do banho de precipitaçãopermanece mais calma do que na técnica anterior, de modo queos corpos continuamente moldados são guiados com segurançaatravés do banho de precipitação e não podem aderir uns aosoutros nem rasgar. No todo, a estabilidade de fiação ou aconfiabilidade são aumentadas.
Na direção de extrusão a jusante do defletor, umcoletor pode ser posicionado em uma outra realizaçãovantajosa para a convergência dos corpos continuamentemoldados substancialmente em um ponto e então para a passagemdos mesmos para diante como um feixe, por exemplo, como umfeixe de fibras, para as etapas subseqüentes do processo.
Em uma realização vantajosa, o método e o aparelhode acordo com a invenção podem compreender um espaço vazioque se estende do orifício de extrusão ao banho deprecipitação. Neste espaço vazio, uma operação deestiramento pode ser executada, por exemplo, mediante o soprode ar em torno dos corpos continuamente moldados na direçãode extrusão. A operação de estiramento também pode serexecutada de uma tal maneira que os corpos continuamentemoldados sejam removidos por uma unidade de extração a umavelocidade de extração mais alta do que a velocidade deextrusão.
No espaço vazio, uma operação de sopro também podeser executada em uma direção transversal à direção deextrusão para secar os corpos continuamente moldadosimediatamente depois da extrusão. 0 método e o aparelho dainvenção podem operar com ou sem uma ação de sopro.
Finalmente, em uma outra realização vantajosa, osistema de fiação pode ser de um tipo modular: Pelosorifícios de extrusão de uma cabeça de extrusão, são formadascortinas individuais que são processadas conjuntamente.Desse modo, para aumentar a capacidade de produção de umaparelho existente, somente outras cabeças de extrusão oucortinas precisam ser adicionadas. Esta possibilidade deextensão é facilitada de acordo com a invenção mediante oarranjo dos orifícios de extrusão de uma cabeça de extrusãosubstancialmente em uma fileira. Para um aumento dacapacidade de produção, as cabeças de extrusão podem serarranjadas em série, isto é, uma depois da outra, ou emparalelo, de modo que as cabeças de extrusão adicionais devamapenas ser conectadas à fileira existente das cabeças deextrusão ou ser adicionadas em paralelo às cabeças extrusãojá existentes. Para esta finalidade, um dispositivo receptoré empregado, no qual as cabeças de extrusão adicionais podemser inseridas ou removidas de maneira destacável de umamaneira reinserível.Uma adaptação particularmente fácil da capacidadeda máquina é obtida se pelo menos uma cabeça de extrusão epelo menos um defletor forem combinados na unidade daextensão. Com este desenho, a unidade deve apenas ser fixadaao sistema existente para aumentar a capacidade.
O método e o aparelho da invenção serão explicadosagora mais detalhadamente com a ajuda de duas realizações comreferência aos desenhos, nos quais:
a Figura 1 é uma vista em perspectiva de umaprimeira realização da invenção em uma representaçãoesquemática;
a Figura 2 mostra uma segunda realização dainvenção, também em uma representação esquemática.
Primeiramente de tudo, a estrutura da primeirarealização é descrita com referência à Figura 1.
A Figura 1 é uma vista em perspectiva que mostra umaparelho 1 para extrudar corpos continuamente moldados;particularmente, a Figura 1 mostra uma máquina de fiação naqual os corpos continuamente moldados são fiados na forma defibras individuais.
Para esta finalidade, uma solução de fiação queconsiste em água, celulose e óxido de amina terciária épreparada em um tanque de suprimento (não mostrado) e passadaao sistema de fiação 1 do dito tanque de suprimento atravésde um sistema de canalização ou tubulação (não mostrado).
Uma vez que a solução de fiação tende a executaruma reação exotémica espontânea a altas temperaturas e aperíodos de armazenagem longos, dispositivos de proteçãocontra surtos são posicionados no sistema de tubulação paradescarregar a pressão da reação no caso de uma reaçãoexotérmica espontânea desse tipo para o exterior e paraimpedir danos ao aparelho 1.
A solução de extrusão é conduzida por meio desistemas de bombas através do sistema de tubulação para osistema de fiação 1. No sistema de tubulação, também podeser empregado um tanque de compensação (não mostrado) paracompensar as variações de pressão e de volume no sistema detubulação e para assegurar uma alimentação uniforme econstante do sistema de fiação 1 com a solução de extrusão.
O sistema de fiação 1 é dotado de cabeças deextrusão 2 que compreendem uma multiplicidade de orifícios deextrusão arranjados em fileiras. Na realização da Figura 1,o número de fileiras de orifícios de extrusão éconsideravelmente menor do que o número de orifícios deextrusão em uma fileira. Depois da extrusão através dosorifícios de extrusão, a solução de extrusão sai portantocomo uma cortina substancialmente planar 3 da cabeça deextrusão 2.
A cortina planar 3, que consiste em corposcontinuamente moldados ou filamentos moldados, é passadadiretamente através de um espaço vazio 4 depois da extrusãoatravés dos orifícios de extrusão e então imersa em um banhode precipitação 5. No espaço vazio 4, os corposcontinuamente moldados são estirados.
Os defletores 7 são arranjados no banho deprecipitação 5 que é prendido em uma cuba 6. Na realizaçãoda Figura 1, cada cortina tem a ela atribuída um defletor 7.
Cada um dos defletores 7 se estende na direção das fileirasdos orifícios do duto de extrusão. No sistema de fiação daFigura 1, os defletores são desenhados como cilindros ourolos que giram com os corpos continuamente moldados tantoativa quanto passivamente. Alternativamente, o defletor 7também pode ser desenhado como uma superfície curvaestacionária.
De acordo com a invenção, a cortina 3 não éconvergida pelos defletores 7 em um ponto, mas é defletida naforma de uma cortina. Isto tem a vantagem de que os corposcontinuamente moldados 3a, 3b respectivamente exteriores deuma cortina são imersos no banho de precipitação 5 somente aum ângulo pequeno.
Uma vez que a cortina 3 é planar e uma vez que asdiferenças no ângulo entre os corpos continuamente moldadosindividuais são pequenas, a superfície do banho deprecipitação 5 permanece calma, e nenhum fluxo é criado nasolução do banho de precipitação que leva os corposcontinuamente moldados individuais a aderirem uns aos outrosou serem rasgados.
A cortina 3 é guiada pelo defletor 7 para fora dobanho de precipitação 5 rumo a um coletor 8. De acordo com ainvenção, a cortina é convergida apenas para um ponto nocoletor 8. Do coletor 8, os corpos continuamente moldados deuma cortina são passados adiante como um feixe de corposcontinuamente moldados ou como um feixe de fibras.
Na realização da Figura 1, os coletores 8 tambémsão desenhados como rolos cilíndricos circulares que sãoacionados por uma unidade de propulsão ou, alternativamente,são girados passivamente pelo movimento dos corposcontinuamente moldados, mas também podem ser estacionários.
Cada defletor 7 tem a ele atribuído um coletor 8. Os eixosdos coletores 8 se estendem em paralelo com a direção dafileira dos orifícios de extrusão nas cabeças de extrusão 2.
Os coletores 8 são arranjados um depois do outro demaneira tal que as cortinas que são ali convergidas para seobter um feixe de fibras 9a são combinadas umas com as outraspara se obter um feixe conjunto de fibras 9b. 0 feixe defibras 9b é extraído por um mecanismo de extração 10.
0 mecanismo de extração 10 extrai os corposcontinuamente moldados a uma velocidade de extraçãocontrolável predeterminada que é ligeiramente mais elevada doque a velocidade de extrusão da solução de extrusão atravésdos orifícios de extrusão. No caso desta diferença nasvelocidades, uma força de tensão é aplicada aos corposcontinuamente moldados e os corpos continuamente moldados sãoestirados.
O mecanismo de extração 10 pode ser seguido poroutras etapas de processamento, tais como lavagem, compressãoou impregnação. Cada uma destas etapas pode ser levada aefeito nas estações designadas de maneira genérica na Figura1 com a referência numérica 11.
O sistema de fiação 1 é de um tipo modular e a suacapacidade pode ser aumentada ou reduzida sem grandesesforços. Para aumentar a capacidade de produção, somenteuma nova cabeça de extrusão 20 precisa ser fixada. Isto podeser realizado ao se adicionar a cabeça de extrusão 20juntamente com um defletor 21 e um coletor 22 atribuídos àdita cabeça de extrusão, como uma unidade de extensão 25 dosistema de fiação modular 1.
Graças à produção de uma cortina substancialmenteplanar e devido à deflexão como uma cortina, uma extensão éfacilmente possível sem nenhum prejuízo considerável do fluxono banho de precipitação e sem a necessidade de medidas dereconstrução adicionais. Além disso, uma extensão rápida esimples é possível e resulta apenas em períodos curtos deparalisação.
Uma segunda realização da invenção será descritaagora com referência à Figura 2. As referências numéricasidênticas são utilizadas para componentes e peças que, narealização da Figura 2, têm a mesma função ou são da mesmaestrutura que os componentes e partes correspondentes darealização da Figura 1.
O sistema de fiação da Figura 2 diferesubstancialmente do sistema de fiação da Figura 1 pelaorientação das cabeças de extrusão 2 e pelo desenho dodefletor 7.
Na realização da Figura 2, as cabeças de extrusão2, ao contrário daquelas na realização da Figura 1, não sãoarranjadas em paralelo, mas são alinhadas em uma fileira. Ascortinas individuais 3 formadas pelos corpos continuamentemoldados ficam agora localizadas lado a lado. Uma respectivacabeça de extrusão 2 pode formar uma ou várias cortinas 3.
Por conseguinte, apenas um único defletor 7 éempregado e se estende em paralelo com as cabeças de extrusão2. Na realização da Figura 2, os corpos continuamentemoldados também são convergidos somente depois do defletor 7substancialmente rumo a um ponto, e são defletidos como umacortina.
No sistema de fiação 1 da Figura 2, os eixos dodefletor 7 e dos coletores 8 são perpendiculares uns aosoutros. Os coletores 8 no sistema de fiação da Figura 2 sãoidênticos àqueles do sistema de fiação da Figura 1, isto é,cada cortina 3 tem a ela atribuído um coletor que converge acortina para substancialmente um ponto e passa o mesmo paradiante como um feixe de corpos continuamente moldados. Osfeixes 9a de corpos continuamente moldados de todas ascortinas são unidos pelos coletores, para se obter um únicofeixe 9b.
0 sistema de fiação da Figura 2 pode ser estendidode duas maneiras. Primeiramente de tudo, em paralelo com afileira existente de cabeças de extrusão 2, é possíveladicionar uma segunda, terceira, etc., fileira de cabeças deextrusão 2a com seu próprio defletor 7b. Dependendo docomprimento dos coletores 8, duas respectivas cortinas podementão ser unidas em um coletor para se obter dois respectivosfeixes ou um feixe conjunto.
0 aparelho de extrusão da Figura 2 pode então serestendido mediante a adição de uma cabeça de extrusão 2adicional à fileira já existente de cabeças de extrusão emediante a fixação de um extensão ao defletor 7 e por meio deum coletor 8 adicional. Tal como na realização da Figura 1,a cabeça de extrusão 2 pode ser equipada com a extensão dodefletor e com o coletor adicional como uma unidade deextensão.