BR112013015136B1

BR112013015136B1 - Processo de formação de espuma por extrusão e espuma extrusada de polímero termoplástico

Info

Publication number: BR112013015136B1
Application number: BR112013015136-6A
Authority: BR
Inventors: Van-chau Vo; Alain Sagnard; John Gordon Duffy
Original assignee: Ddp Specialty Electronic Materials, Us, Inc
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2021-07-20
Also published as: EP2627697B1; ES2550776T3; EP2627697A1; KR20140017537A; KR101859913B1; US9228070B2; CN103270094A; US20130266766A1; WO2012091918A1; BR112013015136A2; CN103270094B

Abstract

processo de formação de espuma por extrusão e espuma extrudada de polímero termoplástico. fabricação de espuma de polímero termoplástico extrudado através da preparação de uma mistura polimérica espumável contendo polímero termoplástico e agente de sopro a uma pressão de mistura, resfriamento da mistura polimérica espumável de mistura, resfriamento da mistura polimérica espumável e extrusão da mesma por uma matriz de formação de espuma a uma pressão de matriz pelo menos 90 bars menor que a pressão de mistura e por uma abertura de matriz tendo dimensões transversais de 2,5 milímetros ou mais e uma área transversal de pelo menos 700 milímetros quadrados a uma taxa de escoamento maior que 500 quilogramas por hora e permitir que a mesma se expanda numa espuma de polímero entre elementos de molgagem, enquanto ao mesmo tempo limita a velocidade de extrusão com um dispositivo de retenção para formar uma espuma de polímero contendo 96 por cento em volume ou menos de volume vazio, tamanho anisotrópico de célula, uma espessura de 50 milímetros ou maior, módulos de compressão e tensão na dimensão de espessura maior que 35 mega pascals e um módulo de cisalhamento médio maior que 16 mega pascals.

Description

Campo da invenção

[0001] A presente invenção refere-se à espuma extrusada de polímero termoplástico com alta resistência e espessura e a um processo para preparar tal espuma de polímero.

Descrição do estado da técnica

[0002] Espumas estruturais de polímero de alta resistência são valiosas em aplicações exigentes, tais como cascos de barco e hélices para moinhos de vento. As espumas de polímero são desejáveis em tais aplicações, devido a sua combinação de peso relativamente leve e alta resistência, bem como a capacidade que possuem de serem cortadas, modeladas e moldadas em formatos e tamanhos diferentes.

[0003] Apesar de seu valor, existem opções limitadas disponíveis no comércio de espumas estruturais de polímero de alta resistência e as opções que estão disponíveis tendem a ser caras e a criarem problemas de descarte. A espuma de cloreto de polivinila reticulado (PVC) vem sendo uma opção de longa data no mercado, estando disponível como espuma estrutural da marca AirexTM (Airex é marca registrada da 3A Composites GmbH). A espuma de PVC reticulado proporciona resistência e peso desejáveis, embora gerem desafios quanto a seu descarte. A reticulação extensiva impede que a espuma seja reciclada através de fusão e reintrodução num processo de formação de espuma. A espuma estrutura de PVC reticulado poderia ser reprocessada até certo grau mediante moagem e utilização em quantidades limitadas como material de enchimento em alguns processos, mas não é possível sua reintrodução num processo na forma de fundido.

[0004] A espuma de copolímero de estireno-acrilonitrila (SAN) está também disponível no mercado como espuma estrutural de polímero de alta resistência. Exemplos de espuma estrutural SAN incluem espumas estruturais da marca CorecellTM (Corecell é marca registrada da Gurit Limited Corporation). A espuma estrutural de SAN é uma alternativa à espuma de PVC reticulado em aplicações de alta resistência, tais como hélices de moinhos de vento, e oferece uma vantagem de propriedades melhoradas de tração devido ao menor grau de reticulação, em comparação com a alternativa em PVC. Porém, a preparação da espuma estrutural de SAN consiste num processo demorado e em múltiplas etapas, de operação relativamente cara. Os processos da espuma estrutural de SAN são geralmente processos em batelada que requerem formar uma amostra inicial de mistura de polímero de SAN contendo um agente de sopro, despejar a mistura em moldes metálicos, e deixá-la curar parcialmente sob alto calor e alta pressão para produzir uma massa borrachosa (uma "ameba" ou "embrião") que é desmoldada e então colocada num segundo molde e novamente aquecida numa câmara de expansão que controla a dimensão na qual a massa borrachosa pode se expandir para formar uma espuma final com dimensões anisotrópicas de célula. (vide, por exemplo, Sara Vlack, Getting to the Core of Composite Laminates), COMPOSITES TECHNOLOGY, Outubro 2003 (disponível na internet em www.compositesworld.com/articles/getting-to-the-core-of- composite-laminates) e publicação PCT WO 2009/127803 A2). As dimensões anisotrópicas de célula e a densidade relativamente alta (baixo volume vazio) da espuma resultante resultam em propriedades de rigidez e resistência que são desejáveis para espuma estrutural de polímero.

[0005] Seria desejável identificar um processo de extrusão contínua para preparar espuma estrutural de polímero para tornar o processo de produção mais eficiente e mais barato. Seria também desejável que tal processo produzisse espuma de polímero termoplástico que possa ser reciclada. O uso de espuma estrutural em aplicações de moinhos de vento e turbinas eólicas para produzir energia verde compromete o aspecto ecológico do dispositivo caso o material das hélices não possa ser reciclado e precise ser descartado em aterros sanitários.

[0006] Em particular, seria especialmente desejável identificar um processo de extrusão contínua para extrudar diretamente uma espuma estrutural de polímero termoplástico que tenha uma espessura de pelo menos 50 milímetros, uma densidade de pelo menos 45 quilogramas por metro cúbico e volume vazio de 96% em volume ou menos, um módulo de cisalhamento médio entre dimensões de espessura/comprimento (xz) e espessura/largura (xy) maior que 16 mega pascals (MPa), um módulo de tração na dimensão de espessura (x) maior que 35 MPa e um módulo de compressão na dimensão de espessura (x) que é maior que 35 MPa na forma de placa simples. É de particular interesse um processo que produza espuma de polímero que possa ser reciclada através de fusão e reintrodução num processo de formação de espuma por extrusão. Breve sumário da invenção

[0007] A presente invenção provê um processo de extrusão contínua para preparar espuma de polímero estrutural. O processo é particularmente útil para preparar espuma estrutural extrusada de polímero termoplástico que possa ser reciclada. O processo pode produzir diretamente espuma de polímero termoplástico com uma espessura de pelo menos 50 milímetros, uma densidade de pelo menos 45 Kg/m3 e volume vazio de 96% em volume ou menos (com base no volume total de espuma), um módulo de cisalhamento médio entre as dimensões de espessura/comprimento (xz) e espessura/largura (xy) maior que 16 mega pascals (MPa), um módulo de tensão na dimensão de espessura (x) que é maior que 35 MPa e um módulo de compressão na dimensão de espessura (x) que é maior que 35 MPa na forma de placa extrusada simples.

[0008] Parte da dificuldade que a presente invenção resolve é a descoberta de uma forma de extrudar espuma termoplástica com uma espessura de pelo menos 50 milímetros, enquanto ao mesmo tempo mantém um volume vazio de 96% em volume ou menos e também atinge as propriedades desejadas de módulo. A obtenção de espuma extrusada com tal espessura tipicamente requer expansão extensiva com um agente de sopro, resultando em um volume vazio que excede 96% em volume. Além disso, as propriedades necessárias de módulo requerem tamanhos anisotrópicos de célula com tamanhos de célula grandes na dimensão de espessura de espuma do que em qualquer dimensão ortogonal em relação à dimensão de espessura de espuma. O processo da presente invenção inesperada e surpreendentemente atinge esses dois objetivos - espessura de pelo menos 50 milímetros com um volume vazio de 96% em volume ou menos e anisotropia de tamanho de célula para obter os valores desejados de módulo - num processo de extrusão contínua através de métodos específicos de controle de expansão de uma mistura espumável extrusada em espuma de polímero. A presente invenção resulta da descoberta de que essas propriedades e características desejadas podem ser alcançadas com os parâmetros de processo de extrusão da presente invenção.

[0009] Num primeiro aspecto, a presente invenção é um processo de formação de espuma por extrusão, o processo compreendendo preparar, a uma pressão de mistura, uma mistura polimérica espumável compreendendo um polímero termoplástico e um agente de sopro, resfriar a mistura polimérica espumável e extrudá-la numa direção de extrusão através de uma matriz de formação de espuma a uma pressão de matriz e retirá-la da matriz de formação de espuma através de uma abertura na matriz a uma taxa de escoamento numa atmosfera de baixa pressão suficiente para permitir que a mistura polimérica espumável se expanda numa espuma de polímero, enquanto prossegue numa direção de extrusão a uma velocidade de extrusão, o processo de formação de espuma por extrusão sendo também caracterizado por: (a) pressão de matriz sendo de pelo menos 9 MPa (90 bars) menor que a pressão de mistura; (b) todas as dimensões transversais da abertura da matriz sendo de pelo menos 2,5 milímetros e a área transversal da abertura da matriz sendo de pelo menos 700 mm2 (milímetros quadrados); (c) a taxa de escoamento da mistura polimérica espumável pela abertura da matriz sendo maior que 500 kg/h; (d) a mistura polimérica espumável expande-se entre os elementos de contenção posicionados imediatamente após a matriz de formação de espuma; (e) um dispositivo posicionado após os elementos de contenção que limita a velocidade de extrusão da espuma de polímero em relação a sua velocidade de extrusão não limitada; e sendo que a espuma de polímero, caracterizada por ter uma matriz polimérica termoplástica contínua definindo células na mesma, um volume vazio de 96% em volume ou menos, com base no volume de espuma de polímero total, uma relação dimensional de tamanho de célula na dimensão de espessura de espuma de polímero em relação a sua dimensão de largura e comprimento que é maior que um, e uma espessura de 50 milímetros ou mais, um módulo de compressão e módulo de tensão na dimensão de espessura que é maior que 35 MPa e um módulo de cisalhamento médio entre suas dimensões de espessura/largura e espessura/comprimento que é maior que 16 MPa.

[0010] Num segundo aspecto, a presente invenção é uma espuma extrusada de polímero termoplástico compreendendo uma matriz polimérica termoplástica contínua definindo células na mesma e caracterizada por ter um volume vazio de 96% ou menos, com base no volume de espuma total, uma relação dimensional de tamanho de célula na dimensão de espessura de espuma de polímero em relação a qualquer dimensão ortogonal de espuma de polímero que é maior que um; uma espessura de 50 milímetros ou mais; um módulo de compressão e módulo de tensão na dimensão de espessura que é maior que 35 MPa e um módulo de cisalhamento médio entre as dimensões de espessura/largura e de espessura/comprimento que é maior que 16 MPa.

[0011] O processo da presente invenção é útil para preparar a espuma de polímero da presente invenção que é útil, por exemplo, na construção de hélices para moinhos de vento ou turbinas eólicas ou na construção de cascos de barco.

Descrição detalhada da invenção

[0012] Os métodos de teste referem-se aos métodos de teste mais recente, a contar da data de prioridade deste documento, salvo se uma outra data for indicada com o número de método de teste. As referências a esses métodos de teste contêm tanto uma referência à sociedade de teste como ao número de método de teste. As organizações de método de teste são designadas por uma das seguintes abreviações: ASTM refere-se ao American Society for Testing and Materials; EN refere-se à European Norm; DIN refere-se à Deutsches Institute für Normung; e ISO refere-se à International Organization for Standards.

[0013] Os artigos de espuma possuem três dimensões mutualmente perpendiculares: comprimento (dimensão-z), largura (dimensão-y) e espessura (dimensão-x). A dimensão de comprimento encontra-se ao longo da dimensão mais longa de um artigo de espuma e tipicamente encontra-se na direção de extrusão de um artigo de espuma extrudado. A dimensão de espessura é a dimensão que possui a menor magnitude, mas pode ser igual ao comprimento, por exemplo, de um cubo. A largura é mutuamente perpendicular ao comprimento e à espessura e pode ter uma magnitude igual ou menor que o comprimento e igual ou maior que a espessura.

[0014] "E/ou" significa "e, e/ou como alternativa". "Múltiplo" significa "dois ou mais". Todas as faixas incluem pontos extremos, salvo indicação em contrário.

[0015] A espuma polimérica da presente invenção é uma espuma polimérica extrusada compreendendo uma matriz polimérica termoplástica contínua que define células múltiplas na mesma. A espuma extrusada de polímero termoplástico possui uma retícula de matriz contínua e geralmente uniforme de polímero termoplástico. A matriz de polímero termoplástico serve como paredes de célula que definem células na matriz. Uma espuma extrusada de polímero é diferente, por exemplo, das estruturas de espuma expandida em "esferas". As estruturas de espuma expandida em "esferas" contêm peles esféricas por toda a estrutura da espuma que envolve grupos de células de espuma na estrutura de espuma de polímero. As peles esféricas são paredes relativamente densas de polímeros, em relação a outras paredes de células, que correspondem à casca/capa da esfera antes de sua expansão numa estrutura de espuma. As peles da esfera coalescem durante a expansão e moldagem para formar uma estrutura de espuma que compreende esferas múltiplas de espuma definidas por peles esféricas densas e, como resultado, possuem uma retícula de peles esféricas que se estendem por toda a estrutura de espuma resultante encerrando grupos de células. A espuma extrusada de polímero é livre de estrutura de pele esférica estendendo-se por toda a estrutura de espuma e encerrando grupos de células.

[0016] A espuma extrudada de polímero termoplástico da presente invenção é uma camada simples de espuma, ao contrário de uma estrutura compreendendo espumas laminadas múltiplas. Uma das características surpreendentes e desejáveis do processo da presente invenção é que ela pode extrudar uma espuma de polímero simples com uma espessura de 50 milímetros ou mais, enquanto mantém o volume vazio e as propriedades de alta resistência particularmente desejáveis definidas abaixo. A espuma extrusada de polímero termoplástico da presente invenção pode ser laminada em espuma de polímero adicional, sendo, porém, ela própria caracterizada pela espessura e propriedades aqui definidas, além de quaisquer outras camadas adicionais de espuma de polímero.

[0017] A matriz polimérica termoplástica da espuma extrusada de polímero termoplástico desejavelmente compreende uma fase contínua de polímero aromático de alquenila. A matriz polimérica termoplástica pode compreender 60% em peso (% em peso) ou mais, preferivelmente 70% em peso ou mais, ainda mais preferivelmente 80% em peso ou mais, ainda 90% em peso ou mais de polímero aromático de alquenila com base no peso total de polímero na matriz polimérica termoplástica. Os polímeros aromáticos de alquenila apropriados incluem aqueles selecionados de homopolímeros de poliestireno e copolímeros estirênicos. Copolímeros estirênicos desejáveis compreendem mais de 50% em peso de monômero de estireno copolimerizado com base no peso do copolímero. Um copolímero estirênico desejável é um copolímero de estireno e acrilonitrila (copolímero de estireno/acrilonitrila (SAN)). O copolímero de SAN desejavelmente compreende 30% em peso ou menos, preferivelmente 20% em peso ou menos e pode compreender 15% em peso ou menos de acrilonitrila copolimerizada com base no peso de copolímero de SAN.

[0018] O polímero aromático de alquenila pode ter 50% em peso ou mais, preferivelmente 60% em peso ou mais, ainda mais preferivelmente 70% em peso ou mais, ainda mais preferivelmente 80% em peso ou mais, podendo ser 90% em peso ou mais e ainda 100% em peso de homopolímero de poliestireno com base no peso total de polímero aromático de alquenila. Alternativamente, o polímero aromático de alquenila pode ter 60% em peso ou mais, 70% em peso ou mais, 80% em peso ou mais e ainda 90% em peso ou mais ou 100% em peso de copolímero estirênico (por exemplo, copolímero de SAN ou qualquer outro copolímero estirênico) com base no peso total de polímero aromático de alquenila. Em uma concretização particularmente desejável, a matriz polimérica termoplástica compreende uma fase contínua de homopolímero de poliestireno tendo um peso molecular médio ponderal (Mw) de pelo menos 140.000 gramas por mol.

[0019] Para obter reciclabilidade, a matriz polimérica termoplástica da presente invenção é essencialmente livre de reticulação. Isso significa que a matriz polimérica contém menos que 5% em peso, preferivelmente 1% em peso ou menos, podendo ser livre de aditivos de reticulação residuais e/ou ligados com base no peso total de polímero termoplástico. Aditivos de reticulação incluem compostos que induzem a reticulação, tal como peróxido de dicumila e divinil benzeno. Os aditivos de reticulação residuais não são reagidos, ao passo que os aditivos de reticulação ligados são ligados ao polímero termoplástico.

[0020] As células constituem vazios na espuma polimérica. A espuma extrusada de polímero termoplástico da presente invenção é caracterizada por ter um volume vazio de 96% em volume (% vol) ou menos. Ao mesmo tempo, é desejável que a espuma de polímero termoplástico tenha um volume vazio de 85% em volume ou mais por praticabilidade econômica. Determinar o volume vazio utilizando o seguinte cálculo: Volume vazio (% vol) = 100% x [(densidade de polímero)- (densidade da espuma)]/(densidade de polímero)

[0021] Esse volume vazio relativamente baixo corresponde a uma densidade relativamente alta se comparada com a espuma de polímero termicamente isolante. A densidade da espuma da presente invenção é de 45 quilogramas por metro cúbico (kg/m3) ou mais, preferivelmente de 50 kg/m3 ou mais, ainda mais preferivelmente de 55 kg/m3 ou mais. Determinar a densidade da espuma de acordo com o método D1622 ASTM.

[0022] As células têm tamanho anisotrópico de célula. A relação de tamanho de célula na dimensão de espessura de espuma de polímero para o tamanho de célula em qualquer uma das dimensões de largura ou comprimento de espuma de polímero é maior que um. Isso significa que as células, em média, possuem uma dimensão na espessura da espuma maior do que as dimensões de largura e comprimento da espuma. Desejavelmente, a relação média de tamanho de célula na dimensão-x para a dimensão-y e na dimensão-x para a dimensão-z ("anisotropia média de tamanho de célula") e preferivelmente a relação de tamanho de célula tanto na dimensão-x como na dimensão-y e nas dimensões x e z é de 1,1 ou maior, preferivelmente de 1,2 ou maior. O tamanho anisotrópico de célula ajuda a estabelecer as propriedades físicas desejáveis da espuma de polímero em termos de módulo de compressão, módulo de tensão e módulo de cisalhamento.

[0023] A espuma de polímero tem uma espessura de 50 milímetros (mm) ou mais, preferivelmente de 70 mm ou mais, ainda mais preferivelmente de 75 mm ou mais, e ainda mais preferivelmente de 90 mm ou mais, e ainda mais preferivelmente de 100 mm ou mais. Uma das características surpreendentes do processo da presente invenção é a sua capacidade de preparar uma espuma extrusada com uma espessura de 50 milímetros ou mais no volume vazio e valores de módulo especificados da presente invenção. Tipicamente, a espuma extrusada requer expansão extensiva para obter espessuras de 50 mm ou mais, de forma que uma espuma grossa teria um volume vazio superior a 96% em volume. Para ser incolor, a espessura de espuma deve ser a de uma espuma simples, diferentemente de uma combinação de espumas, laminadas juntas, quer a estrutura laminada ocorra durante a extrusão (tal como a extrusão de folhas múltiplas de mistura polimérica espumável através de uma matriz com fendas múltiplas e o extrusado sendo soldado por fusão durante a expansão), quer ocorra após extrusão (tal como ao colar ou soldar juntas placas de espuma independentemente extrusadas). Isto posto, a espuma da presente invenção pode ser laminada a pelo menos uma outra espuma de polímero para criar uma estrutura laminada.

[0024] Como resultado de baixo volume vazio e tamanho anisotrópico de célula, a espuma de polímero termoplástico da presente invenção possui propriedades de resistência particularmente desejáveis. Em particular, a espuma de polímero termoplástico da presente invenção possui módulo de compressão e módulo de tensão na dimensão de espessura que é maior que 35 MPa. Desejavelmente, o módulo de compressão e/ou módulo de tensão na dimensão de espessura é maior que 38 MPa. Determinar o módulo de compressão de acordo com EN826. Determinar o módulo de tensão de acordo com EN1607. Concomitantemente, a média do módulo de cisalhamento na dimensão espessura/largura e na dimensão espessura/comprimento da espuma de polímero termoplástico da presente invenção é maior que 16 MPa, e preferivelmente de 17 MPa ou mais. Medir o módulo de cisalhamento de acordo com EN12090.

[0025] Desejavelmente, a espuma de polímero termoplástico tem um teor de célula aberta menor que 10%, preferivelmente de 5% ou menos, ainda mais preferivelmente de 2% ou menos, ainda de 1% ou menos. A espuma de polímero termoplástico pode ter um teor de célula aberta de 0%. Determinar o teor de célula aberta de acordo com o método ASTM D6226-05.

[0026] Desejavelmente, a espuma de polímero termoplástico tem um tamanho de célula direcional médio de 0,10 mm ou mais, preferivelmente de 0,15 mm ou mais. Além disso, é desejável que o tamanho de célula direcional médio seja de 2,0 mm ou menos. Determinar o tamanho de célula direcional médio de acordo com ASTM D3576.

[0027] A espuma de polímero termoplástico da presente invenção pode também incluir um ou mais de um aditivo que inclui retardantes de chama, corantes, absorventes de infravermelho e atenuadores de infravermelho, nucleadores, cargas/enchimentos, bem como auxiliares de processamento, tais como lubrificantes. Os aditivos estão tipicamente presentes a uma concentração de 10% em peso ou menos, com base no peso total de polímero na espuma de polímero.

[0028] O processo da presente invenção é um processo de extrusão, apropriado para preparar a espuma de polímero termoplástico da presente invenção. O processo de extrusão inclui preparar uma mistura polimérica espumável de um polímero termoplástico amolecido e de um agente de sopro a uma temperatura e pressão de mistura. A temperatura de mistura é suficiente para manter o polímero termoplástico num estado amolecido e a pressão de mistura é suficientemente alta para impedir a formação de espuma ou expansão do agente de sopro. A preparação da mistura polimérica espumável ocorre numa extrusora. O processo também inclui resfriar a mistura polimérica espumável e extrusar para e através de uma matriz de formação de espuma. A pressão "pressão de matriz" da mistura polimérica espumável 50 cm antes da abertura da matriz de formação de espuma (orifício de saída da matriz de formação de espuma) é menor que a pressão de mistura e a temperatura da mistura polimérica espumável na matriz é menor que a temperatura de mistura. A pressão na parte externa da matriz é menor que a pressão da matriz e baixa o suficiente para permitir que a mistura polimérica espumável se expanda em espuma de polímero. Tipicamente, a pressão fora da matriz é pressão atmosférica ou pode também ser uma pressão subatmosférica.

[0029] O polímero termoplástico é conforme descrito para a matriz polimérica termoplástica da espuma de polímero termoplástico da presente invenção, incluindo todas as concretizações preferidas e desejáveis da matriz polimérica termoplástica. Por exemplo, o polímero termoplástico desejavelmente compreende uma fase contínua de polímero aromático de alquenila, tal como homopolímero de poliestireno, um copolímero estirênico, ou uma combinação dos mesmos. Em uma concretização particularmente desejável, o polímero termoplástico é um homopolímero de poliestireno com um Mw de pelo menos 140.000 gramas por mol.

[0030] O agente de sopro pode ser qualquer agente conhecido ou a ser conhecido no futuro para uso em processo de espuma extrusada de polímero, embora seja desejavelmente selecionado de um grupo consistindo de dióxido de carbono, hidrocarbonetos contendo 5 carbonos ou menos, álcoois contendo 3 carbonos ou menos e hidrocarbonetos fluorados incluindo 1,1,1,2 tetrafluoroetano (HFC-134a). Desejavelmente, o hidrocarboneto contendo 5 carbonos ou menos é selecionado de isômeros de butano, mais desejavelmente é isobutano. Ao mesmo tempo, o álcool é desejavelmente etanol. Preferivelmente, o agente de sopro é selecionado de um grupo consistindo de dióxido de carbono, isobutano, etanol e HFC- 134a.

[0031] É desejável que o agente de sopro compreenda dióxido de carbono, preferivelmente mais de 10% em peso, e ainda mais preferivelmente mais de 50% em peso do agente de sopro é dióxido de carbono com base no peso total de agente de sopro. O agente de sopro pode ser 100% em peso de dióxido de carbono, com base no peso total de agente de sopro. O agente de sopro de dióxido de carbono pode estar presente a uma concentração numa faixa de 0,1 a 7,0% em peso, com base no peso total de polímero na mistura polimérica espumável e preferivelmente de 0,5 a 5% em peso com base no peso total de polímero na mistura polimérica espumável.

[0032] O agente de sopro está presente na mistura polimérica espumável a uma concentração que é desejavelmente de 0,08 moles ou mais por cem gramas de polímero termoplástico. Ao mesmo tempo, é desejável utilizar menos que 0,18 moles por cem gramas de polímero termoplástico para evitar o risco de obter volume vazio indesejavelmente grande (maior que 96% em volume) na espuma polimérica resultante.

[0033] A mistura polimérica espumável está num estado amolecido, o que significa que é capaz de extrusão. É comum aquecer um polímero termoplástico acima de sua temperatura de transição vítrea (Tg) para trazê-lo para um estado amolecido. O agente de sopro pode plastificar um polímero termoplástico e assim reduzir a temperatura necessária para trazer o polímero para um estado amolecido. O dióxido de carbono, em particular, é bastante conhecido por plastificar polímeros termoplásticos, tais como polímeros aromáticos de alquenila. É desejável que a mistura polimérica espumável esteja numa temperatura de matriz na faixa de 1°C ou mais e de 20°C ou menos, preferivelmente de 15°C ou menos, mais preferivelmente de 10°C ou menos, ainda mais preferivelmente de 8°C ou menos, e ainda mais preferivelmente de 5°C ou menos acima da temperatura de transição vítrea do polímero termoplástico compreendendo a mistura polimérica espumável. Em particular, quando o polímero termoplástico na mistura polimérica espumável for homopolímero de poliestireno, é desejável que a mistura polimérica espumável tenha uma temperatura de matriz (temperatura de mistura polimérica espumável na matriz) de 105°C ou mais e de 120°C ou menos.

[0034] O processo da presente invenção incorpora uma combinação de condições de extrusão que inesperada e surpreendentemente permite a extrusão direta da espuma de polímero termoplástico da presente invenção ao se utilizar a mistura polimérica espumável conforme aqui descrito.

[0035] A diferença na pressão entre a pressão de mistura e a pressão de matriz deve ser de pelo menos 9 MPa (90 bars), podendo ser de 10 MPa (100 bars) ou mais, ainda de 11 MPa (110 bars) ou mais, com a pressão de mistura sendo maior que a pressão na matriz. Geralmente, essa diferença na pressão é de 20 MPa (200 bars) ou menos. Essa diferença de pressão é muito maior do que é típico para um processo de formação de espuma por extrusão, sendo característica da extrusão de uma mistura polimérica espumável mais fria do que é típico.

[0036] A mistura polimérica espumável egressa da matriz de formação de espuma por uma abertura de matriz com dimensões transversais iguais ou superiores a 2,5 milímetros (mm) com uma área transversal perpendicular à direção de extrusão de pelo menos 700 mm2 (quadrados). Essa abertura transversal grande é necessária para se obter uma espuma com uma espessura final de pelo menos 50 mm, mantendo ao mesmo tempo a eficiência do agente de sopro e em nível baixo o volume vazio final.

[0037] A taxa de escoamento da mistura polimérica espumável pela matriz de formação de espuma é maior que 500 quilogramas por hora (kg/h), preferivelmente de 600 kg/h ou mais, ainda mais preferivelmente de 800 kg/h ou mais para permitir a formação de espuma transversal grande e para maximizar a produtividade do volume da espuma.

[0038] A combinação dessas características de processo de extrusão reflete o fato de que o processo da presente invenção extrusa uma mistura polimérica espumável com uma temperatura relativamente baixa (temperatura de formação de espuma) em comparação com os processos de extrusão típicos utilizados, por exemplo, para preparar espuma termicamente isolante. O uso de uma temperatura de formação de espuma relativamente baixa permite o controle da expansão da mistura espumável, inclusive o controle sobre a eficiência de agente de sopro, mantendo ao mesmo tempo o controle efetivo da direção de expansão de célula.

[0039] Um objeto da presente invenção consiste em cuidadosamente conter e controlar a expansão de agente de sopro e da mistura polimérica espumável para minimizar o grau de expansão (resultando, assim, em volume vazio) bem como para obter anisotropia de tamanho de célula.

[0040] As propriedades da presente invenção se beneficiam de uma eficiência de agente de sopro relativamente baixa. A eficiência do agente de sopro é a relação de volume vazio obtido numa espuma para o volume vazio teórico que pode ser obtido numa espuma para uma dada concentração de agente de sopro. Tipicamente, a eficiência de agente de sopro para espuma termicamente isolante é de cerca de 85-95%. No processo da presente invenção, a eficiência de agente de sopro é desejavelmente inferior a 70%, preferivelmente de 60% ou menos, mais preferivelmente de 55% ou menos.

[0041] Para obter a anisotropia de tamanho de célula desejada (dimensão maior na dimensão de espessura de espuma do que as dimensões de largura ou comprimento) é necessário restringir a velocidade de extrusão na direção da extrusão (direção de percurso da espuma para fora da matriz de espuma) da espuma durante expansão para induzir a expansão na dimensão de espessura (x). Um método para restringir a velocidade de extrusão na dimensão de comprimento consiste em direcionar a espuma através de um dispositivo extrator que desacelere por atrito a velocidade de extrusão da espuma na direção de extrusão. Por exemplo, direcionar a extrusão da espuma por um extrator compreendendo esteiras transportadoras opostas que contatam superfícies opostas da espuma e operar a uma velocidade de esteira transportadora que seja menor que a velocidade de trajeto da espuma na direção de extrusão, caso não seja restringida pelo extrator. Restringir o movimento da espuma na direção de extrusão leva a espuma a se expandir principalmente na dimensão de espessura (x).

[0042] É também desejável formar a espuma em sua dimensão de espessura à medida que ela se expande utilizando elementos de contenção, tais como placas formadoras posicionadas imediatamente após a matriz e entre a matriz de formação de espuma e o dispositivo ou dispositivos que restringem a velocidade de extrusão. Ao extrudar uma placa de espuma, é desejável utilizar placas formadoras paralelas acima e abaixo da espuma, espaçadas pela espessura da espuma. Desejavelmente, o espaçamento entre as placas formadoras paralelas é um fator de 5 ou maior, preferivelmente um fator de 8 ou maior e mais preferivelmente um fator de 10 ou maior do que a altura da abertura da matriz de formação de espuma. As placas formadoras são desejavelmente revestidas em politetrafluoroetileno para minimizar o atrito entre as placas formadoras e o trajeto da espuma entre as placas formadoras. Cilindros formadores ou uma combinação de placas e cilindros formadores podem ser usados em lugar de placas formadoras apenas.

[0043] É de sejável manter a mistura polimérica espumável a uma temperatura dentro da matriz na faixa de 6°C, preferivelmente a 3°C da temperatura da parede da matriz. Isso significa que a mistura polimérica espumável está a uma temperatura relativamente uniforme e sofrendo aquecimento por cisalhamento mínimo ao longo da parede da matriz durante o processo de extrusão. É desejável uma temperatura uniforme para obter formação uniforme de células dentro da espuma. Exemplos

[0044] Os Exemplos a seguir também ilustram concretizações da presente invenção.

Exemplos 1 e 2

[0045] Uma extrusora de 9" (20,32 centímetros), preparar uma mistura polimérica através de mistura sob fusão a 185°C, 90% em peso de um homopolímero de poliestireno caracterizado por ter um Mw de 155.000 gramas por mol e uma polidispersidade (Mw/Mn) de 4,0 (por exemplo PS 641 da Styron Corporation) e 10% em peso de um homopolímero de poliestireno caracterizado por ter um Mw de 195.000 gramas por mol e um Mw/Mn de 2,5 (por exemplo, poliestireno PS 680 de uso geral da Styron Corporation). Além dos polímeros acima, misturar sob fusão 25% em peso de um polímero reciclado granulado obtido da reciclagem de espumas poliméricas produzidas de acordo com o processo correspondente. Determinar a porcentagem (%) em peso com base nas partes em peso totais de poliestireno.

[0046] Misturar na mistura polimérica os seguintes aditivos: 1,3% em peso de hexabromociclododecano (HBCD), 0,3% em peso de talco, 0,1% em peso de pirofosfato tetrassódico (RSPP), e 0,3% em peso de corante azul. Injetar na mistura polimérica 4,3% em peso de um agente de sopro a uma pressão de mistura de 19,3 MPa (193 bars) para o Exemplo 1 e 19,8 MPa (198 bars) para o Exemplo 2 para criar uma mistura polimérica espumável. O agente de sopro consiste de 93% em peso de dióxido de carbono e 7% em peso de isobutano com base no peso total de agente de sopro. A concentração de agente de sopro é de 0,10 moles de agente de sopro por 100 gramas de polímero termoplástico.

[0047] Resfriar a mistura polimérica espumável utilizando um trocador de calor plano antes de extrusar a mistura polimérica espumável através de uma matriz de formação de espuma. Ajustar o trocador de calor a uma temperatura de 113°C.

[0048] Extrudar a mistura polimérica espumável através de uma matriz de formação de espuma à pressão atmosférica. A pressão da mistura polimérica espumável na matriz (pressão de matriz) é de 8,3 (83 bars) para o Exemplo 1 e de 8,8 (88 bars) para o Exemplo 2.

[0049] A matriz de formação de espuma tem uma abertura de matriz retangular pela qual a mistura polimérica espumável é extrusada e possui uma largura de 275 mm. A abertura de matriz tem uma altura de 3,19 mm para o Exemplo 1 e 3,20 mm para o Exemplo 2. A matriz de formação de espuma é ajustada a uma temperatura de 113°C. A temperatura da mistura polimérica espumável é de aproximadamente 115°C. A queda de pressão na linha de extrusão (ou seja, a pressão de mistura menos a pressão de matriz) é de 11 MPa (110 bars) para os dois Exemplos.

[0050] Extrudar a mistura polimérica espumável da matriz de formação de espuma através da abertura da matriz a uma taxa de 855 kg/h e permitir que a mistura polimérica espumável se expanda entre as placas formadoras paralelas revestidas com politetrafluoroetileno posicionadas acima e abaixo (qualquer lado da dimensão de espessura) da espuma em expansão diretamente após a matriz de formação de espuma. O espaçamento entre as placas formadoras paralelas para o Exemplo 1 é um fator de 9,3 maior que a altura de abertura da matriz (ou seja, 29,7 mm) e para o Exemplo 2 um fator de 13,6 maior que a altura de abertura da matriz (ou seja, 43,5 mm). As placas formadoras estendem-se por 120-200 mm (milímetros) pela direção de extrusão da espuma de polímero.

[0051] A espuma de polímero prossegue das placas formadoras paralelas através de um mecanismo extrator compreendendo esteiras transportadoras paralelas posicionadas acima e abaixo da espuma expandida e contatar a espuma de polímero. Operar o extrator a uma velocidade que desacelere a velocidade de extrusão da espuma de polímero. Para o Exemplo 1 utilizar uma taxa de extrator de 4,6 metros por minuto. Para o Exemplo 2, utilizar uma taxa de extrator de 3,4 metros por minuto.

[0052] Cortar e dividir as camadas de pele opostas (cerca de 8 mm de cada lado) da espuma resultante para obter a espuma do Exemplo 1 e do Exemplo 2. A Tabela 1 provê as propriedades da espuma para o Exemplo 1 e Exemplo 2. Tabela 1

Exemplos 3 e 4

[0053] O processo dos Exemplos 3 e 4 seguem, de forma similar, os processos dos Exemplos 1 e 2, com as seguintes alterações.

[0054] Preparar uma mistura polimérica através de mistura sob fusão de um homopolímero de poliestireno caracterizado por ter um Mw de 195.000 gramas por mol e um Mw/Mn de 2,5 (por exemplo, poliestireno PS 680 de uso geral, da Styron Corporation) com cerca de 28% em peso do homopolímero de poliestireno, de polímero reciclado, um polímero reciclado granulado obtido mediante reciclagem de espumas poliméricas preparadas de acordo com o processo correspondente.

[0055] Agregar à mistura polimérica os seguintes aditivos: 0,15% em peso de estearato de bário, 0,25% em peso de corante azul, 0,10% em peso de resina de polietileno DOWLEXTM 2247 (DOWLEX é marca registrada da The Dow Chemical Company), 0,20% em peso de talco, 0,10% em peso de TSPP e 1,25% em peso de HBCD. Injetar na mistura polimérica 8,6% em peso de um agente de sopro a uma pressão de mistura de 190 bars para criar uma mistura polimérica espumável. A % em peso baseia-se no peso total de homopolímero de poliestireno. O agente de sopro consiste de 2,3% em peso de isobutano, 14% em peso de dióxido de carbono, 12% em peso de etanol, e 71% em peso de 1,1,1,2-tetrafluoroetano baseado no peso total de agente de sopro. A concentração do agente de sopro é de 0,11 moles por 100 gramas de poliestireno.

[0056] Resfriar a mistura polimérica espumável utilizando um trocador de calor plano antes de extrudar a mistura polimérica espumável através de uma matriz formadora de espuma. Ajustar o trocador de calor a uma temperatura de 109°C.

[0057] Extrudar a mistura polimérica espumável através de uma matriz de formação de espuma à pressão atmosférica. A pressão da mistura polimérica espumável na matriz (pressão de matriz) é de 7,1 MPa (71 bars) para o Exemplo 3 e 7,4 MPa (74 bars) para o Exemplo 4.

[0058] A matriz de formação de espuma tem uma abertura de matriz retangular pela qual a mistura polimérica espumável é extrusada e possui uma largura de 290 mm. A abertura de matriz tem 4,18 mm de altura para o Exemplo 3 e 3,89 mm para o Exemplo 4. A matriz de formação de espuma é ajustada a uma temperatura de 109°C e a temperatura da mistura polimérica espumável na matriz é de 114°C. A pressão na matriz (pressão de extrusão) é de 7,1 MPa (71 bars) para o Exemplo 3 e 7,4 MPa (74 bars) para o Exemplo 4. A queda de pressão na linha de extrusão (ou seja, a pressão de mistura menos a pressão da matriz) é de 10,9 MPa (109 bars) para o Exemplo 3 e 10,6 MPa (106 bars) para o Exemplo 4.

[0059] Extrudar a mistura polimérica espumável da matriz de formação de espuma pela abertura da matriz a uma velocidade de 850 kg/h (quilogramas por hora) e permitir que a mistura polimérica espumável se expanda entre placas formadoras paralelas conforme descrito para os Exemplos 1 e 2 em espuma de polímero. O espaçamento entre as placas formadoras paralelas para o Exemplo 3 é um fator de 12 maior que a altura de abertura da matriz (ou seja, 50 mm) e para o Exemplo 4 um fator de 9,3 maior que a altura de abertura da matriz (ou seja, 36 mm).

[0060] A espuma de polímero prossegue por um extrator conforme descrito para os Exemplos 1 e 2. A velocidade do extrator é de 3,7 metros por minuto para o Exemplo 3 e 4,7 metros por minuto para o Exemplo 4. Cortar e dividir as camadas de pele opostas (cerca de 3 a 6 mm de cada lado) da espuma resultante para obter a espuma dos Exemplos 3 e 4. A Tabela 2 provê as propriedades da espuma para os Exemplos 3 e 4. Tabela 2

Claims

1. Processo de formação de espuma por extrusão, compreendendo preparar, a uma pressão de mistura, uma mistura polimérica espumável compreendendo um polímero termoplástico e um agente de sopro, resfriar a mistura polimérica espumável e extrusá- la numa direção de extrusão através de uma matriz de formação de espuma a uma pressão de matriz e fora da matriz de formação de espuma através de uma abertura de matriz a uma taxa de escoamento numa atmosfera de pressão baixa o suficiente para permitir que a mistura polimérica espumável expanda-se em uma espuma de polímero enquanto trafega na direção de extrusão a uma taxa de extrusão, o processo de formação de espuma por extrusão sendo caracterizado pelo fato de ter ainda: a. a pressão de matriz sendo pelo menos 9 MPa (90 bars) menor que a pressão de mistura; b. todas as dimensões transversais da abertura da matriz sendo de pelo menos 2,5 milímetros e a área transversal da abertura da matriz sendo de pelo menos 700 mm2; c. a taxa de escoamento da mistura polimérica espumável pela abertura da matriz ser maior que 500 kg/h; d. a mistura polimérica espumável expandir-se entre os elementos de contenção posicionados imediatamente após a matriz de formação de espuma; e. um dispositivo posicionado após os elementos de contenção que limita a taxa de extrusão da espuma de polímero em relação a sua taxa de extrusão não limitada; e sendo que a espuma de polímero, tem uma matriz polimérica termoplástica contínua definindo células na mesma, um volume vazio de 96% em volume ou menos, com base no volume de espuma de polímero total, uma relação dimensional de tamanho de célula na dimensão de espessura de espuma de polímero para sua dimensão de largura e comprimento que é maior que 1, e uma espessura de 50 milímetros ou mais, um módulo de compressão e módulo de tensão na dimensão de espessura que é maior que 35 MPa e um módulo de cisalhamento médio entre suas dimensões de espessura/largura e de espessura/comprimento que é maior que 16 MPa.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a diferença de temperatura entre a matriz e a mistura polimérica espumável dentro da matriz ser menor que 6°C.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a diferença de pressão entre a pressão de mistura e a pressão de matriz ser de pelo menos 10 MPa (100 bars).

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a mistura polimérica espumável compreender um agente de sopro selecionado de dióxido de carbono, isômeros de butano e 1,1,1,2-tetrafluoroetano.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a mistura polimérica espumável compreender pelo menos 0,08 moles de agente de sopro por 100 gramas de polímero termoplástico.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a mistura polimérica espumável compreender poliestireno tendo um peso molecular ponderal médio (Mw) de 140.000 g/mol.

7. Espuma extrusada de polímero termoplástico, obtida pelo processo definido na reivindicação 1, dita espuma sendo caracterizada pelo fato de compreender uma matriz polimérica termoplástica contínua definindo células na mesma e de ter um volume vazio de 96% ou menos, com base no volume total de espuma de polímero, uma relação dimensional de tamanho de célula na dimensão de espessura de espuma de polímero para qualquer dimensão ortogonal de espuma de polímero que é maior que 1; uma espessura de 50 milímetros ou mais; um módulo de compressão e um módulo de tensão na dimensão de espessura que é maior que 35 MPa e um módulo de cisalhamento médio entre dimensões de espessura/largura e espessura/comprimento que é maior que 16 MPa.

8. Espuma, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de a matriz polimérica termoplástica compreender pelo menos 90% em peso de homopolímero de poliestireno, com base no peso total de matriz polimérica termoplástica.

9. Espuma, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de ter ainda uma concentração de aditivo de reticulação residual e ligado que é menor que 5% em peso, com base no peso total do polímero termoplástico, e sendo que a temperatura da mistura polimérica espumável na matriz está na faixa de 105°C a 120°C.

10. Espuma, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de ter ainda pelo menos uma espuma de polímero adicional laminada à mesma.