BRPI0703450B1 - Device for extrusion of a viscoelastic material and method of homogenization and filtration of a viscoelastic material - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO PARA EXTRUSÃO DE UM MATERIAL VISCOELÁSTICO E MÉTODO DE HOMOGENEIZAÇÃO E FILTRAÇÃO DE UM MATERIAL VISCOELÁSTICO” A invenção se refere ao campo da extrusão de materiais plásticos ou viscoelásticos e, em particular, ao campo da extrusão de materiais borrachosos. O uso industrial destes materiais, antes de que eles sejam conformados por moldagem de injeção ou passagem através de uma matriz, exige que esses materiais sejam homogeneizados tão completamente quanto possível, tanto em termos de temperatura quanto em termos de viscosidade de maneira a obter controle sobre as propriedades mecânicas do produto final.

Os métodos convencionais de extrusão para assegurar estas funcionalidades compreendem um parafuso em que a forma dos filetes é projetada para fazer o material circular, ao mesmo tempo em que fragmenta e recombina os fluxos. Eles podem incluir um conjunto de grade de filtração posicionado a jusante do fluxo, de forma a remover substâncias estranhas indesejáveis.

Esses métodos são geralmente muito penalizantes em termos do desempenho em vazão e temperatura dos dispositivos de extrusão, devido às altas quedas de pressão que eles causam. Esta penalização é ainda pior no caso de um sistema de filtração ser adicionado, porque o acúmulo de substâncias pode bloquear os filtros, tomando a operação mais difícil. Já conhecido na arte anterior, é um dispositivo de extrusão incluindo dois ou mais parafusos misturadores e transportadores posicionados coaxialmente e concentricamente um com relação ao outro, no mesmo corpo, no qual os fundos de filete de um parafuso de diâmetro maior têm orifícios permitindo que o espaço coberto pelos filetes do parafuso de diâmetro maior se comuniquem-se com o espaço coberto pelos filetes do parafuso de diâmetro imediatamente menor. Este tipo de dispositivo está descrito a título de exemplo na patente FR 1.270.314 ou altemativamente na patente FR 2.008.656.

Tais dispositivos são capazes de alcançar um certo nível de homogeneização, mas são restritos nesta ação na medida em que o material passa diretamente do espaço coberto pelos filetes do parafuso de diâmetro maior para o espaço coberto pelos filetes do parafuso de diâmetro imediatamente menor. Além disso, devido a este tipo de montagem, os parafusos devem girar em velocidades diferentes um do outro, de maneira a propiciar o trabalho necessário para transferir o material. Isto conduz a montagens mecânicas complexas, particularmente quando é desejável produzir um dispositivo incluindo mais do que dois parafusos concêntricos.

Também conhecidos, a partir das publicações das patentes US 2 948 922 ou SU 1 498 623, são, um dispositivo e um método nos quais um tubo cilíndrico fixo incluindo aberturas passando através da parede do dito tubo cilíndrico é interposto entre o espaço coberto pelos filetes do parafuso de diâmetro menor e o espaço dentro do qual se abrem os orifícios feitos nos fundos de filete da abertura do parafuso de diâmetro maior, os dois parafusos sendo eles mesmos posicionados coaxialmente e concentricamente um em relação ao outro em um corpo. Entretanto, estes dispositivos têm a desvantagem de não permitir facilmente que substâncias de tamanho maior que os orifícios feitos no tubo cilíndrico possam ser removidos sem a necessidade de parar o dispositivo a fim de realizar uma operação de esvaziamento e desobstrução do filtro. O dispositivo, de acordo com a invenção, o qual se destina a extrudar e filtrar um material viscoelástico, é projetado para superar esta desvantagem. Este dispositivo inclui dois ou vários parafusos misturadores e transportadores posicionados coaxialmente e concentricamente em um corpo, no qual os fundos de filetes de um parafuso de diâmetro maior têm orifícios permitindo que o espaço coberto pelos filetes do dito parafuso de diâmetro maior se comunique com o espaço coberto pelos filetes do parafuso de diâmetro imediatamente menor.

Um tubo cilíndrico fixo incluindo aberturas passando através da parede do dito tubo cilíndrico é inserido entre o espaço coberto pelos filetes do parafuso de diâmetro menor e o espaço dentro do qual os orifícios se abrem. O espaço coberto pelos filetes do parafuso de diâmetro maior é fechado por uma parede de maneira que quando o dispositivo está operando, o material é forçado para dentro dos orifícios e em seguida para dentro das aberturas. A parede tem um orifício que se comunica com um duto de saída fechado por um dispositivo obturador removível. O tubo cilíndrico atua como uma placa de filtro, cujo tamanho das aberturas precisa ser calibrado de forma a ajustar o tamanho das partículas do material que devem ser filtradas..

Atuar desta maneira toma possível para substancias com um diâmetro maior que o tamanho dos orifícios a serem concentrados na extremidade do espaço coberto pelos filetes do parafuso de diâmetro maior e comunicando com o duto de saída. Tudo o que é assim exigido é para que o duto de saída possa ser aberto de maneira que a dita região de extremidade possa ser esvaziada e as partículas indesejáveis expelidas sem a necessidade de interromper a operação da máquina.

Atuar desta maneira também toma possível melhorar a homogeneização do material. Isto é porque o fluxo é dividido uma primeira vez, conforme ele passa através dos orifícios, e é então dividido uma segunda vez, conforme entra nas aberturas feitas no tubo cilíndrico, antes de ser transportado pelos filetes dos parafuso de diâmetro menor.

Adicionalmente, o material sofre cisalhamento significante conforme ele passa entre os vários componentes devido aos movimentos relativos desses componentes um em relação ao outro. É também verificado que esta capacidade de homogeneização, para trabalho mecânico e para filtração, é obtida com a queda de pressão, que é relativamente limitada, devido à baixa magnitude das distâncias, conhecidas como distâncias passivas, sobre as quais o material é deslocado, somente sob a ação da pressão, que reina a montante. Esta distância passiva é formada, em uma primeira aproximação, pelo comprimento dos orifícios passando através dos fundos de filetes do parafuso de diâmetro maior e pela espessura do tubo cilíndrico. Esta pequena quantidade de queda de pressão tem o efeito de limitar o aumento na temperatura do material.

Finalmente, tendo em mente o fato de que o tubo cilíndrico não é acionado rotativamente, o dito tubo cilíndrico atua como uma parede interna do corpo de uma extrusora. É, portanto possível, que os parafusos sejam girados na mesma velocidade de rotação, permitindo que estes componentes sejam presos um ao outro, e acionados usando um dispositivo mecânico comum. O projeto e construção de um tal sistema ficam assim enormemente simplificados por isso, em comparação com o projeto e construção dos sistemas conhecidos. A descrição que se segue irá revelar outras vantagens de um método e um dispositivo para homogeneização e filtração de acordo com a invenção, e é suportada pela Figura 1, a qual mostra uma vista esquemática do dito dispositivo provendo uma ilustração de uma configuração preferida. O dispositivo ilustrado na Figura 1 inclui um corpo de extrusora 1 montado em um chassi (não descrito). Um parafuso 2 incluindo filetes 21 é rotativamente acionado por um conjunto acionador (não descrito). Um sistema alimentador (não mostrado) posicionado a montante introduz o material viscoelástico no dispositivo. A forma dos filetes 21, aqui mostrados esquematicamente, é, usando os métodos conhecidos daqueles qualificados na arte, talhada para a vazão e temperatura que devem ser obtidas na saída do dispositivo.

Quando o dispositivo está operando, o fluxo de material flui no sentido da seta F dentro do espaço coberto pelos filetes 21 do parafuso 2 e situado entre a parede interior do corpo 1 da extrusora e o fundo do filete do parafuso 2. Este espaço é fechado na extremidade a jusante por uma parede 43 a qual constitui o meio que permite que o fluxo do material seja forçado para dentro dos orifícios feitos nos fundos de filetes do parafuso de diâmetro maior. A parede 43 é montada de uma maneira tal a ser presa no corpo 1.

Os fundos de filetes 21 situados na parte a jusante do parafuso 2 tem orifícios 22 os quais permitem que o espaço coberto pelos filetes do dito parafuso se comuniquem com um espaço interno formado no núcleo do parafuso 2. O resultado disso é que o fluxo F, é forçado, sob o efeito da pressão, através dos orifícios 22 em direção ao espaço interno formado no núcleo do parafuso 2.

Este espaço interno inclui um segundo parafuso 3, cujo eixo de rotação coincide como eixo de rotação do parafuso de diâmetro maior 2. Nos orifícios feitos no parafuso de diâmetro maior, o diâmetro do espaço coberto pelos filetes 31 do parafuso de diâmetro menor 3 é menor que o diâmetro interno do espaço formado no núcleo do parafuso de diâmetro maior 2. O dispositivo é suplementado por uma cabeça 5, presa ao corpo 1 e situada na parte a jusante do dispositivo.

Um tubo cilíndrico fixo 4 é inserido entre o espaço coberto pelos filetes 31 do parafuso de diâmetro menor 3 e o espaço dentro do qual os orifícios 22 abrem. Este tubo cilíndrico tem aberturas 41 passando através da parede do tubo cilíndrico de tal modo que o fluxo F seja direcionado a partir dos orifícios 22 através das aberturas 41 de maneira que possa ser retomado pelos filetes 31 do parafuso de diâmetro menor 3 o qual mistura o material uma vez mais e o direciona através da saída do dispositivo.

Conforme já ficou estabelecido acima, estas múltiplas fragmentações têm o efeito de melhorar o efeito de homogeneização sem, de forma nenhuma, fazer que o material seja aquecido significativamente. O trajeto chamado trajeto passivo, durante o qual o material é impelido sob o efeito exclusivo da pressão gerada pelo parafuso de diâmetro maior, pode ser extremamente curto e ser reduzido somente à espessura do tubo cilíndrico, o qual pode variar entre 1 e 10 mm.

Também serão feitos esforços para minimizar a espessura do tubo cilíndrico 4 a fim de tomar mais fácil esvaziar o dispositivo antes de uma fase de parada, de forma a minimizar a quantidade de material restante no dispositivo.

As aberturas 41 feitas no tubo cilíndrico podem ser de tamanhos e formatos extremamente variados, dependendo de se o que se deseja é simplesmente homogeneizar ou filtrar o material.

Quando o dispositivo é usado como homogeneizador, a forma das aberturas 41 é projetada para separar os fluxos de material que passam através dos filetes 21 do parafuso de diâmetro maior, tão efetivamente quanto possível. Uma forma em fenda parece proporcionar a maior eficiência, e o ângulo que a fenda faz com as geratrizes do tubo cilíndrico precisa ser adaptada para se ajustar à velocidade de rotação dos parafusos. A direção global das fendas pode ser alinhada em um ângulo na faixa de 0o e 90° em relação à direção das geratrizes do tubo cilíndrico.

Ao reduzir o tamanho das aberturas 41, o dispositivo então atua como um filtro. O tamanho as aberturas, o qual pode vantajosamente adotar a forma de furos cilíndricos, pode ser pequeno, caso se tome cuidado em aumentar o número das ditas aberturas 41, de forma a não penalizar o dispositivo através da imposição de uma queda de pressão muito alta. A fim de reduzir a queda de pressão através do filtro, é possível dar às paredes das aberturas 41 uma forma alargada de forma que a seção transversal da abertura aumente na direção na qual o material progride através do filtro. É, portanto, possível reter as substâncias indesejáveis a montante do filtro, enquanto, ao mesmo tempo, se favorece o material a passar dentro da abertura.

Esta queda de pressão pode ainda ser adicionalmente reduzida aumentando-se o diâmetro do parafuso de diâmetro maior 2 na região de transferência a jusante, como mostrado na Figura 1. Esta medida toma possível aumentar a área de superfície global do filtro, em relação à vazão do dispositivo. A parede 43 é equipada com um duto 42 o qual continua na região da cabeça 5 na forma de uma saída 52, a qual inclui um membro de descarga 6,62, fechado por um elemento obturador removível 61.

As partículas que não estão aptas a passar através das aberturas 41 no tubo 4 são mecanicamente reduzidas pelo movimento da parte interna do parafuso de diâmetro maior 2 ao redor do tubo cilíndrico 4 até que estejam pequenas o bastante no tamanho para passar através de uma abertura 41. Se a partícula não puder ser reduzida, ela é então empurrada para trás para a extremidade do tubo na direção da parede 43.

Tudo o que é exigido então é que o elemento obturador 61 seja removido para que o espaço no qual estes contaminadores se acumularam possa ser esvaziado através dos dutos 42, 52, 62. Isto então evita que as aberturas 41 feitas no tubo cilíndrico 4 fiquem bloqueadas, sem a necessidade de interromper o uso do dispositivo a fim de trocar ou limpar o filtro. A fim de tomar mais fácil a montagem de todos os componentes, a parede 43 é feita presa no tubo cilíndrico 4. Assim, o tubo cilíndrico 4 pode ser fixado e removido simplesmente removendo a cabeça de extrusão 5.

Outra vantagem do dispositivo de acordo com a invenção é que é possível girar os parafusos na mesma velocidade de rotação. Isto é porque os filetes acionam o material em um movimento de translação em relação a uma parede fixa. Este efeito é obtido pelos filetes 21 em relação à parede interior do corpo 1 e da mesma maneira, pelos filetes 31 em relação à parede interior do tubo cilíndrico 4. É, então, fácil prender os parafusos um ao outro, posicionando-os concentricamente e coaxialmente, um em relação ao outro. Apenas o parafuso de diâmetro maior precisa ser conectado a um membro acionador, assim simplificando enormemente a produção do dispositivo. É ainda possível produzir um conjunto incluindo vários estágios sucessivos, estendendo-se a cabeça 5 do corpo 1 e fazendo-se orifícios na parte a jusante do parafuso 3 para permitir ao espaço coberto pelos filetes 31 do parafuso 3 se comunicar com o espaço interno formado no núcleo do parafuso 3 o qual trabalharia em conjunto com um parafuso de diâmetro menor (não mostrado na Figura 1).

Esta cascata de parafusos, colaborando um com o seguinte, pode também ser produzida em uma forma muito compacta, fazendo os parafusos concêntricos. É possível atribuir funções mais específicas aos vários tubos cilíndricos, dedicando tubos de diâmetros maiores para as funções de filtração e os tubos de diâmetros menores para as funções de homogeneização ou altemativamente para dimensionar os orifícios de uma maneira tal a filtrar substâncias de tamanho cada vez menor.

Desta forma é possível variar o diâmetro de vários parafusos ou, altemativamente, fazer os parafusos de forma cônica. Pode então ser rapidamente apreciado que o diâmetro do parafuso 3 pode aumentar novamente a jusante daquela parte do dispositivo na qual este parafuso colabora com o parafuso 2.

REIVINDICAÇÕES

Claims (9)

1. Dispositivo para extrusão de um material viscoelástico incluindo dois (2,3) ou vários parafusos misturadores e carregadores posicionados coaxialmente e concentricamente em um corpo (1), nos quais os fundos de filete do parafuso de diâmetro maior (2) tem orifícios (22) permitindo ao espaço coberto pelos filetes (21) do dito parafuso de diâmetro maior (2) comunicar-se com o espaço coberto pelos filetes (31) do parafuso de diâmetro imediatamente menor (3), no qual um tubo cilíndrico fixo (4) incluindo aberturas (41) passando através da parede do dito tubo cilíndrico é inserido entre o espaço coberto pelos filetes (32) do parafuso de diâmetro menor (3) e o espaço dentro do qual os orifícios (22) abrem, em que o espaço coberto pelos filetes do parafuso de diâmetro maior é fechado por uma parede (43) de maneira que quando o dispositivo está operando, o material é forçado para dentro dos orifícios (22) e daí para dentro das aberturas (41), caracterizado pelo fato de que a parede (43) tem um orifício (42) comunicando com um duto de saída (52, 62) fechado por um dispositivo obturador (61).

2. Dispositivo de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a parede (43) é solidária do tubo cilíndrico (4).

3. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 e 2 , caracterizado pelo fato de que o tubo cilíndrico (4) é removível.

4. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que os parafusos (2, 3) são presos um ao outro, através de seus respectivos núcleos.

5. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4 , caracterizado pelo fato de que as aberturas (41) são furos cilíndricos.

6. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4 , caracterizado pelo fato de que as aberturas (41) são fendas formando um dado ângulo com as geratrizes do tubo do cilindro (4).

7. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 5 e 6 , caracterizado pelo fato de que as paredes das aberturas (41) têm uma forma alargada de maneira que a seção transversal da abertura aumente na direção na qual o material progride através do tubo cilíndrico (4).

8. Método de homogeneização e filtração de um material viscoelástico no qual o uso é feito por um dispositivo de acordo com urna das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de que substâncias de tamanhos maiores do que as aberturas (41) são extraídas do dispositivo abrindo-se o elemento obturador (61) sem interrupção na operação do dispositivo.

9. Método de homogeneização e filtração de acordo com a reivindicação 8. caracterizado pelo fato de que os parafusos (2, 3 ) são girados na mesma velocidade.