BRPI0910432B1

BRPI0910432B1 - Processo para extrusão de polímero

Info

Publication number: BRPI0910432B1
Application number: BRPI0910432-1A
Authority: BR
Inventors: Gary Lindsay Pitman
Original assignee: Ineos Europe Limited
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2019-07-02
Also published as: US8865041B2; US20110001261A1; SG188924A1; JP5363558B2; EP2113364A1; EP2259909B1; RU2010144311A; WO2009121721A1; RU2496642C2; US20150017274A1; JP2011516302A; EP2259909A1; BRPI0910432A2; CN101983121A

Abstract

processo para extrusão de polímero a presente invenção se refere a uma extrusora para um polímero, e a um processo para extrusar o dito polímero com o uso da extrusora. em particular, a presente invenção fornece uma extrusora compreendendo: (i) duas ou mais seções de cilindro (1a, 1b, 1c) dispostas sequencialmente a partir de: (a) uma seção de cilindro de alimentação a montante (1a) a qual o estoque de abastecimento de polímero a ser extrusado é alimentado, a seção de cilindro de alimentação a montante contendo dois ou mais parafusos, cada um deles com um diâmetro de x; para (b) a seção de cilindro a jusante (1c) a partir da qual o polímero fundido é passado a uma matriz e extrusado; e (ii) uma ou mais portas de alimentação para alimentar o estoque de abastecimento de polímero a ser extrusado na extrusora em sua extremidade a montante, caracterizado pelo fato de que a área total de uma ou mais portas de alimentação através da qual o estoque de abastecimento de polímero é introduzido é maior que 4*x, e a um processo para extrusão de polímero que compreende alimentar um estoque de abastecimento de polímero à porta de alimentação de tal extrusora.

Description

PROCESSO PARA EXTRUSÃO DE POLÍMERO

A presente invenção se refere a uma extrusora para um polímero, e um processo para extrusão de um polímero com o uso da extrusora.

A extrusão de polímero é uma etapa de processamento comum na produção de polímero. Em geral, o pó de polímero pode ser medido em uma taxa desejada a uma tremonha de alimentação, em seguida passada por gravidade da tremonha de alimentação, através do que se conhece por porta de alimentação, e para o interior do cilindro da extrusora, onde há parafusos rotativos. Os parafusos giram para mover o polímero para longe da porta de alimentação ao longo do cilindro. As energias mecânica e térmica (oriundas do parafuso) são fornecidas ao pó do polímero no cilindro, ocasionando sua fusão. Quando o polímero funde, é passado em uma matriz adequada e extrusado para formar o polímero na forma extrusada desejada, tais como péletes ou filme.

Em processos de extrusão em escala industrial, as extrusoras típicas são constituídas por seções de cilindro com um comprimento de cilindro padrão. Tipicamente, o comprimento total de uma seção de cilindro padrão equivale a 2 a 3 vezes o diâmetro do parafuso ou rotor. Por convenção, em escala industrial, o polímero é alimentado na primeira seção de cilindro em uma sequência, e ao menos uma segunda seção de cilindro é fornecida a jusante. Ao menos uma terceira seção de cilindro também é comum para garantir que o polímero seja completamente fundido antes da extrusão. Há uma diversidade de parâmetros que são importantes no processo de extrusão, incluindo-se, por exemplo, as dimensões do cilindro, a velocidade do

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2/10 parafuso, o passo do parafuso e o torque. O direcionamento geral na técnica tem sido aumentar o rendimento da extrusão, o que envolveu o aumento máximo possível das dimensões lineares do cilindro, a velocidade do parafuso e o torque, visto que até o momento, estes têm sido os fatores limitantes.

O principal requerimento da alimentação do polímero tem sido preencher de modo suficiente o cilindro à medida que o polímero se move. O polímero é alimentado à primeira seção de cilindro, usualmente a partir de uma tremonha, através de uma área conhecida como porta de alimentação. É típico que a largura da porta de alimentação seja maximizada com base em uma largura da seção de cilindro, isto é, até a extremidade dos parafusos, por exemplo, até 2 vezes o diâmetro dos parafusos ou rotores no caso de parafuso duplo ou extrusoras de rotor duplos.

Tipicamente, a porta de alimentação também tem um comprimento axial de até 2 vezes o diâmetro do parafuso ou rotor nesta seção da extrusora, conferindo à área da porta de alimentação tanto um comprimento quanto uma largura de até 2 vezes o diâmetro do parafuso.

A taxa de alimentação do pó do polímero para extrusoras de parafuso duplo é, de modo geral, controlada pela taxa na qual o pó é medido na tremonha. Considera-se que a tremonha, em geral, opere vazia, o que significa sem um volume de pó significativo em seu interior e sem retenção do pó na base da tremonha. Até o presente, a área da porta de alimentação não tem sido, no geral, limitante ao processo, e, portanto, não é objeto de considerações.

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No entanto, constatou-se agora que na medida em que a capacidade aumenta, e embora a área da porta de alimentação seja, de modo geral, aumentada (através de aumentos proporcionais em sua largura e comprimento) ao passo que as dimensões do parafuso e do cilindro são aumentadas, a área da porta de alimentação aumenta apenas em uma relação matemática quadrada, enquanto o rendimento aumenta em uma relação cúbica, e passa a ser uma questão, pois o polímero não é alimentado ao cilindro através da porta de alimentação em uma taxa rápida o bastante para que o cilindro seja preenchido de forma suficiente. Esta questão é especialmente significativa para estoques de alimentação com baixa fluxibilidade.

Portanto, a fim de satisfazer as contínuas exigências de maior capacidade, é necessário projetar uma extrusora dotada de uma maior capacidade de alimentação de polímero em comparação às extrusoras da técnica anterior.

Portanto, em um primeiro aspecto, a presente invenção fornece uma extrusora que compreende:

(i) duas ou mais seções de cilindro organizadas sequencialmente a partir de:

(a) uma seção de cilindro de alimentação a montante a qual o estoque de abastecimento de polímero a ser extrusado é alimentado, a seção de cilindro de alimentação a montante contendo dois ou mais parafusos, cada um deles com um diâmetro de X; até (b) uma seção de cilindro a jusante a partir da qual o polímero fundido é passado a uma matriz e extrusado; e (ii) uma ou mais portas de alimentação para alimentar 30 o estoque de abastecimento de polímero a ser extrusado na

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4/10 extrusora em sua extremidade a montante, caracterizado pelo fato de que a área total de uma ou mais portas de alimentação através da qual o estoque de abastecimento de polímero é introduzido é maior que 4*X²,

A presente invenção se refere a extrusoras contendo múltiplos (dois ou mais) parafusos. Os parafusos são fornecidos em paralelo (ou próximo ao mesmo) e podem girar em uso em direções opostas ou iguais (conhecidas, respectivamente, por contra-rotação e co-rotação). Os parafusos podem ser não engrenados, parcialmente engrenados, ou totalmente engrenados.

O tipo mais comum de extrusoras contendo múltiplos parafusos, e as extrusoras preferenciais da presente invenção, são aquelas dotadas de dois parafusos. Exemplos de tais extrusoras são as extrusoras de parafuso duplo e extrusoras de misturador de rotor duplo. Nota-se que os termos parafuso e rotor são amplamente usados na indústria de extrusora, com freqüência de modo aparentemente intercambiável. Conforme aqui usado, o termo parafuso pretende incluir parafusos e rotores, e quando uma extrusora de parafuso duplo é citada, e salvo definição contrária, deve-se entender como uma referência também a extrusoras de rotor duplo.

Preferencialmente, a extrusora compreende três ou mais seções de cilindro.

Para evitar dúvida, muito embora seja o diâmetro dos dois ou mais parafusos na seção de cilindro de alimentação a montante o fato de relevância no processo da presente invenção, cada seção de cilindro conterá duas ou mais seções de parafuso correspondentes em comunicação com os

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5/10 dois ou mais parafusos na seção de cilindro de alimentação a montante.

A presente invenção é caracterizada pelo fato de que a área total de uma ou mais portas de alimentação através da qual o estoque de abastecimento de polímero é introduzido é maior que 4*X², onde X é o diâmetro dos parafusos na seção de cilindro de alimentação a montante.

Em uma modalidade, um objetivo da presente invenção pode ser obtido adicionando uma segunda porta de alimentação a jusante da primeira porta de alimentação, ou mesmo múltiplas portas de alimentação a jusante da primeira porta de alimentação, de modo que a área combinada das portas é maior que 4*X².

Contudo, de modo geral é preferencial que uma única porta de alimentação seja usada e que tenha uma área maior que 4*X².

Preferencialmente, a área total de uma ou mais portas de alimentação através da qual o polímero é introduzido é maior que 5*X², e mais preferencialmente maior que 6*X².

Muito embora em tese outras formas possam ser utilizadas, para área máxima por unidade de comprimento e para simplicidade de desenho e fabricação, a área da porta de alimentação será, de modo geral, de forma retangular com uma largura limitada pela largura da seção de cilindro de alimentação a montante, isto é, 2*X. A forma retangular é preferencialmente a de um retângulo com cantos arredondados, pois os cantos angulosos têm maior propensão a reter pó.

Será possível perceber que, para obter as áreas acima para a porta de alimentação, o comprimento da porta de

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6/10 alimentação pode ser maior que o comprimento de um chamado cilindro padrão.

Portanto, o comprimento da porta de alimentação será maior que 2*X, preferencialmente maior que 2,5 *X e mais preferencialmente maior que 3*X.

É possível usar um cilindro estendido ou não padronizado de maior comprimento para uma seção de cilindro de alimentação a montante. Como alternativa, o comprimento/área da porta de alimentação pode estender a porta de alimentação sobre a segunda seção de cilindro a jusante, de modo que ao menos parte dela alimenta o polímero diretamente na segunda seção de cilindro. Por exemplo, a extrusora pode compreender três ou mais seções de cilindro, cada uma delas com um comprimento, L, e a porta de alimentação tem um comprimento maior que L.

Outro parâmetro importante no processo da presente invenção é o passo do parafuso. O passo do parafuso é a distância entre os pontos adjacentes onde a hélice do parafuso retorna para a mesma posição radial no parafuso.

Para evitar dúvida, quando o parafuso compreende mais de uma hélice, o passo do parafuso, conforme aqui usado, é a distância onde a hélice de um parafuso individual retorna para a mesma posição radial, que será maior que a distância entre hélices adjacentes. O passo também é mostrado esquematicamente na Figura 2. A razão de passo do parafuso em relação ao diâmetro do parafuso dentro da seção de cilindro de alimentação a montante é, de modo adequado, ao menos 1 e não maior que 2,5.

O uso de um passo do parafuso mais longo pode aumentar o rendimento da extrusora. No entanto, sem o uso de uma

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7/10 porta de alimentação ampliada de acordo com o processo da presente invenção, constatou-se que, à medida que a escala aumenta, os canais do parafuso são preenchidos apenas parcialmente, de modo que qualquer aumento adicional de passo, ou um aumento de velocidade, não proporcionará um aumento de rendimento. Ademais, no caso de parafusos de passo longo, a eficiência de transferência de avanço do estoque de abastecimento de polímero irá diminuir.

Em um segundo aspecto, a presente invenção fornece a 10 processo para extrusão de polímero compreendendo a alimentação de um estoque de abastecimento de polímero à porta de alimentação de uma extrusora conforme aqui descrito.

O estoque de abastecimento de polímero é tipicamente 15 fornecido na forma de pó ou péletes. O estoque de abastecimento de polímero da presente invenção é preferencialmente um polímero de etileno ou propileno, ambos os homopolímeros dos mesmos ou copolímeros dos mesmos com outro comonômero.

A presente invenção é aplicada particularmente a processos de extrusão com capacidade relativamente elevada e para extrusoras com dimensões relativamente significativas. Tipicamente, a presente invenção se aplica a extrusoras onde cada parafuso tem um diâmetro do parafuso igual ou superior a 200 mm na seção de cilindro de alimentação a montante.

Enquanto a extrusora e processo da presente invenção podem ser usados com qualquer pó do polímero, mesmo aqueles que, de modo geral, são considerados como de escoamento livre ou de fácil escoamento, a presente invenção se

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8/10 aplica particularmente a pós de polímero com propriedades de escoamento relativamente baixas.

As propriedades de escoamento de pó são tipicamente caracterizadas por teste em uma carcaça de cisalhamento. Um exemplo desse teste é descrito em ASTM D 6773-02 Standard Shear Test Method for Bulk Solids Using the Schulze Ring Shear Tester. Conforme descrito no ASTM D 6773-02, a função de escoamento de um pó de polímero é um gráfico da força de rendimento não confinada do pó versus a tensão de consolidação principal. De modo geral, os polímeros são classificados em sua fluxibilidade em termos de razão de fluxibilidade, ffc, que é definida como a razão da tensão de consolidação em relação à força de rendimento não confinada, como se segue:

15	ffc	< 1	não fluxível
	1 <	ffc < 2	bastante coesiva (para não fluxível)
	2 <	ffc < 4	coesiva
	4 <	ffc < 10	fácil escoamento
	10	< ffc	escoamento livre.

A presente invenção é particularmente aplicável a pós de polímero com um valor de ffc inferior a 4, muito embora também possa ser vantajosa para pós de polímero com valores acima de 4.

Preferencialmente, portanto, o pó do polímero a ser extrusado no processo da presente invenção tem uma razão de fluxibilidade inferior a 6. Mais preferencialmente, o pó do polímero a ser extrusado no processo da presente invenção tem uma razão de fluxibilidade inferior a 4, e com preferência máxima, tem uma razão de fluxibilidade inferior a 2. Preferencialmente, o pó do polímero a ser extrusado no

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9/10 processo da presente invenção tem uma razão de fluxibilidade de ao menos 1. Deve-se notar que a razão de fluxibilidade de um pó do polímero pode mudar em função da pressão de consolidação e também da temperatura. Conforme aqui usado, a razão de fluxibilidade do pó do polímero é o valor medido com o uso do teste de cisalhamento descrito em ASTM D 6773-02 em uma pressão de consolidação de 2000 Pa e em uma temperatura que é idêntica à temperatura do pó do polímero na porta de alimentação durante o processo de extrusão ao qual deve ser alimentado. Por exemplo, para um pó de polietileno que será extrusado e onde a temperatura do pó de polietileno na porta de alimentação da extrusora é igual a 65°C, a razão de fluxibilidade do pó de polietileno deveria ser medida em uma temperatura de 65°C.

Uma extrusora de acordo com presente invenção é mostrado esquematicamente na Figura 1. Em particular, a Figura 1 mostra uma extrusora com três seções de cilindro, denotadas por 1a (seção de cilindro de alimentação a montante), 1b (segunda seção de cilindro) e 1c (seção de cilindro a jusante), cada uma delas com um comprimento, L. Os cilindros contêm dois parafusos de diâmetro X não engrenados (não mostrados na Figura 1, mas mostrados na Figura 2). (A altura interna de cada cilindro é uma fração maior que X necessária para conter os parafusos e permitir a rotação do parafuso durante a operação. Pela mesma razão, a largura interna de cada cilindro é uma fração maior que 2*X). Na Figura o comprimento L é aproximadamente 2.5 *X. Para alimentar o polímero na extrusora é fornecida uma tremonha, 2, e a área de sua porta de alimentação é ao menos 4*X². (Conforme mostrado, a porta de alimentação tem

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10/10 um comprimento axial, Z, que é aproximadamente 3*X, correspondente a uma área de aproximadamente 6*X²). Também são mostrados esquematicamente na Figura 1 um motor de parafuso 3, caixa de engrenagem da extrusora, 4, uma peça de transição, 5, e uma matriz, 6.

A Figura 2 mostra de forma esquemática uma vista de topo de uma seção de parafusos duplos de uma extrusora de parafuso duplo não engrenado. Neste caso, a largura é 2*X. (Engrenados ou parcialmente engrenados teriam uma largura menor em relação à extensão da engrenagem).

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para extrusão de polímero que compreende alimentar um estoque de abastecimento de polímero à porta de alimentação de uma extrusora, a extrusora compreendendo:

5 (i) duas ou mais seções de cilindro (1a, 1b, 1c) organizadas sequencialmente a partir de:

(a) uma seção de cilindro de alimentação a montante (1a) a qual o estoque de abastecimento de polímero a ser extrusado é alimentado, a seção de cilindro de

10 alimentação a montante (1a) tendo dois parafusos, cada um deles com um diâmetro de X; para (b) uma seção de cilindro a jusante (1c) a partir da qual o polímero fundido é passado a uma matriz (6) e extrusado; e

15 (ii) uma ou mais portas de alimentação para alimentar o estoque de abastecimento de polímero a ser extrusado na extrusora em sua extremidade a montante, caracterizado pelo fato de que (a) o estoque de abastecimento de polímero é um

20 polímero de etileno ou propileno, sendo tanto um homopolímero dos mesmos, quanto um copolímero dos mesmos com outro comonômero, e está na forma de um pó com uma razão de fluxibilidade inferior a 6, a referida razão de fluxibilidade do pó do polímero sendo medida com o uso do

25 teste de cisalhamento instantâneo descrito em ASTM D 677302 na pressão de consolidação de 2000 Pa e a uma temperatura que é idêntica à temperatura do pó de polímero na porta de alimentação durante o processo de extrusão, (b) o diâmetro dos parafusos na seção de cilindro da

30 porta de alimentação é igual ou superior a 200 mm, e

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2/2 (c) a área total de uma ou mais portas de alimentação através da qual o estoque de abastecimento de polímero é introduzido é maior que 5*X^{2 * 4 5 6}.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, 5 caracterizado pelo fato de que a extrusora compreende três ou mais seções de cilindro (1a, 1b, 1c).
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a área total de uma ou mais portas de alimentação através da qual o polímero é

10 introduzido é maior que 6*X².
4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracteri zado pelo fato de que a razão do passo do parafuso em relação ao diâmetro do parafuso dentro da seção de cilindro de alimentação a

15 montante é de no mínimo 1 e no máximo 2,5.
5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracteri zado pelo fato de que o estoque de abastecimento de polímero tem uma razão de fluxibilidade de pelo menos 1.
6. Processo, de acordo com qualquer reivindicações 1 a 5, caracteri zado pelo fato estoque de abastecimento de polímero tem uma fluxibilidade inferior a 4, e preferencialmente uma das de que o razão de inferior a

2.