ES2271362T3 - Dispositivo para la granulacion en caliente de polimeros termoplasticos. - Google Patents

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Abstract

Dispositivo para la granulación en caliente de polímeros termoplásticos, opcionalmente expandibles, que está esencialmente constituido por: a) una boquilla extrusora (1) constituida por un cuerpo cilíndrico (2), que contiene en la superficie externa una pluralidad de placas pequeñas (6) provistas cada una de una pluralidad de orificios de extrusión y una pluralidad de conductos de alimentación (3) del polímero fundido, estando alineados dichos conductos con un material (4) que presenta una conductividad térmica elevada y dispuestos dentro de un cuerpo cilíndrico en correspondencia con y conectado a las placas pequeñas perforadas; b) una cámara de corte (8) que comprende un conjunto de boquillas de atomización (17) que crean un chorro de gotas de un líquido de regulación del termostato utilizado para el enfriamiento y la separación de los gránulos cortados, nebulizados y atomizados contra la boquilla extrusora; c) un sistema de corte (9) que comprende una placa cortante (13), sujeta firmemente al eje de rotación (14), que sostiene un conjunto de cuchillas (15) dispuestas de manera que el perfil de corte de la cuchilla es radial con respecto a la superficie de la boquilla extrusora que está frente a dicho sistema de corte, en el que el cuerpo (2) de la boquilla extrusora (1) está regulado por termostato y mantenido a una temperatura próxima o superior a la del punto de ablandamiento del polímero.

Description

Dispositivo para la granulación en caliente de polímeros termoplásticos.
La presente invención se refiere a un dispositivo para la granulación en caliente de polímeros termoplásticos.
Más específicamente, la presente invención se refiere a un dispositivo para la granulación en caliente de polímeros termoplásticos, por ejemplo polímeros vinilaromáticos, opcionalmente expandibles.
Aún más específicamente, la presente invención se refiere a un dispositivo para la granulación en caliente de poliestireno y de poliestireno expandible.
Los dispositivos para la granulación de polímeros termoplásticos, conocidos en la bibliografía, comprenden generalmente:
-
una boquilla extrusora, constituido por un cuerpo perforado calentado;
-
una cámara de corte y recogida de los gránulos que, para polímeros expandibles, puede mantenerse a presión;
-
un sistema de corte constituido esencialmente por un eje propulsor, un disco de rotación portahoja soportado en el eje propulsor y un dispositivo de colocación de las hojas frente a la cara externa de la boquilla extrusora;
-
un sistema de alimentación y distribución de un fluido regulado por termostato, generalmente agua, en la cámara de corte para enfriar y descargar los gránulos cortados.
El material termoplástico en estado fundido se extruye a través de los orificios de la boquilla extrusora, se corta a medida que abandona la boquilla extrusora mediante hojas rotativas y los gránulos así obtenidos se enfrían y se retiran por medio del líquido regulado por el termostato.
Se conocen varios dispositivos de granulación de corte principales, sin embargo, en su forma de realización práctica no satisfacen completamente las demandas tecnológicas. Por ejemplo, se conocen dispositivos de granulación de "corte en seco", que crean la parcialización del flujo polimérico que abandona la boquilla extrusora mediante la acción de hojas y de la separación del gránulo formado de este modo debido al efecto centrífugo, mientras que la fase de enfriamiento se obtiene principalmente con un anillo de fluido (por ejemplo agua o aire). Estos dispositivos, sin embargo, no son sólo incapaces de garantizar grandes velocidades de flujo, especialmente en presencia de polímeros de gran viscosidad, sino que además no son adecuados para producir gránulos de dimensiones reducidas (microgránulos), debido al hecho de que el efecto centrífugo no es adecuado para separar los microgránulos de las cuchillas.
Otros dispositivos de granulación son los conocidos como dispositivos de "corte subacuático" que garantizan mayores velocidades de flujo que los dispositivos de corte en seco pero que adolecen de otros inconvenientes tales como:
-
gran intercambio térmico de agua-polímero, con la consiguiente necesidad de temperatura elevada en la boquilla extrusora o de agua de corte;
-
posibles fenómenos de cavitación detrás de las cuchillas de corte si la presión de funcionamiento en la cámara de corte no es suficientemente elevada o si el número de revoluciones es demasiado elevado;
-
procedimientos de puesta en marcha largos y onerosos, debido a la parada y puesta en marcha de la granulación producida por los inconvenientes durante el corte, con un residuo de material consiguiente. Además, las múltiples reactivaciones posteriores no son posibles sin intervenir en la cámara de corte.
Otro dispositivo conocido y descrito en la patente inglesa nº 1.062.307 es la conocida como "corte en espaguetis" efectuado bajo un chorro de agua que, sin embargo, adolece de los inconvenientes siguientes:
-
el gránulo cortado por el bramante está fuertemente orientado y por consiguiente es extremadamente difícil de preparar un producto aceptable mediante la eliminación completa de la tensión;
-
el gránulo se corta a la presión atmosférica y está sólo parcialmente enfriado (65 a 70ºC), es por consiguiente inadecuado para los polímeros expandibles ya que favorece la formación de microexpansiones no deseables. La procesabilidad y la estructura de estos gránulos no son aceptables;
-
el sistema de corte adoptado prepara gránulos irregulares ya que la velocidad del flujo del extrusor puede variar en relación con pequeñas variaciones de las condiciones de funcionamiento, la densidad del polímero o la velocidad de flujo del agente de expansión (pentano), en el caso de polímeros expandibles (un hecho que influye fuertemente en la viscosidad de la base). No es posible de hecho garantizar la regularidad del corte, por ejemplo, con elementos de contraste acoplados a las hojas capaces de oponerse a cualquier acción repentina que tienda a separar el borde de la propia hoja de la placa;
-
los canales de aporte en la boquilla extrusora no garantizan una temperatura uniforme del polímero, lo que produce inestabilidad en la extrusión. La temperatura del polímero en contacto con el metal es de hecho mayor que la del polímero en el interior y por consiguiente tiene mayor fluidez.
Los dispositivos de granulación con sistemas de corte de hoja rígida son también conocidos, los cuales sin embargo no producen únicamente gránulos de escasa calidad, sino que también producen un severo desgaste tanto en las hojas como en la boquilla extrusora ya que la lubricación entre éstos es efectuada por una simple película de agua y por consiguiente no es muy eficaz.
El documento US-A-3 341 892 da a conocer un dispositivo de granulación con un sistema de corte que comprende una placa de corte, sujeta firmemente a un eje de giratorio, que soporta un conjunto de cuchillas dispuestas de modo que el perfil de corte de la cuchilla es radial con respecto a la superficie de la boquilla extrusora que está enfrente del sistema de corte.
El documento US-A-4 678 423 da a conocer un dispositivo para la granulación en caliente de polímeros termoplásticos expandidos que comprende una boquilla extrusora que está constituida por un cuerpo equipado con varios canales de alimentación provistos dentro del cuerpo y alineados de un material que presenta una conducción térmica elevada; la operación de corte puede realizarse mientras se pulveriza la boquilla extrusora con agua.
El objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo para la granulación en caliente de polímeros termoplásticos expandibles que supere los inconvenientes que caracterizan a los dispositivos de la técnica conocida y que es por consiguiente capaz de garantizar altos y constantes caudales del polímero, es decir que es capaz de mantener un caudal térmico uniforme hasta los orificios de extrusión para evitar un gradiente de temperatura entre el borde y el centro de los canales de alimentación del polímero fundido, lo que permite la producción de gránulos regulares, de cualquier tamaño, con tensión interna que puede eliminarse fácilmente, poco desgaste de las hojas y/o de la boquilla extrusora y que puede volverse a arrancar fácilmente tras las interrupciones.
El solicitante ha descubierto actualmente que es posible conseguir el objetivo anterior mediante un dispositivo tal como se define en la reivindicación 1.
Según la presente invención, la boquilla extrusora es susceptible de garantizar grandes caudales de polímero en estado fundido y de transportar un flujo térmico uniforme al borde libre del canal, que impida el enfriamiento del polímero en el centro del canal. De este modo se genera un caudal uniforme del extrusor y por consiguiente un tamaño homogéneo de los gránulos. La regulación del termostato puede conseguirse por cualquier medio conocido en este campo, por ejemplo por medio de resistencias eléctricas o la circulación de un fluido caliente en canales apropiados situados en el cuerpo de la boquilla extrusora.
Los conductos de alimentación del polímero pueden estar dispuestos, por ejemplo, en direcciones paralelas entre sí y con los ejes de la boquilla extrusora (coincidiendo sustancialmente con el eje de rotación del sistema de corte) y están alineados con un metal que tiene una conductividad térmica mayor de 40 W/mK, preferentemente superior a 100 W/mK. Ejemplos de estos metales son el cobre, la plata y el oro.
Los conductos de alimentación extraen el polímero que debe granularse a través de pequeñas placas perforadas caracterizadas por numerosos orificios que varían en relación con el caudal que debe obtenerse. Este número es superior a 1, por ejemplo entre 4 y 10. El diámetro de los orificios depende del tipo y diámetro del gránulo que debe prepararse y es superior a 0,2 mm, estando comprendido típicamente entre 0,2 y 5 mm, preferentemente entre 0,3 y 1,5 mm, aún más preferentemente entre 0,4 y 1 mm.
Cualquier polímero termoplástico puede extrusionarse a través de la boquilla extrusora del dispositivo de granulación, objeto de la presente invención. Ejemplos típicos son las poliolefinas, (co)polímeros de condensación tales como policarbonatos y poliésteres, polímeros modificados y polímeros que proceden de monómeros vinilaromáticos, todos además en forma expandible.
La expresión "monómero vinilaromático" tal como se utiliza en la presente descripción y en las reivindicaciones, se refiere esencialmente a un producto que corresponde a la fórmula general siguiente:
100 
\newpage
en la que R es un hidrógeno o un grupo metilo, n es cero o un número entero comprendido entre 1 y 5 e Y es un halógeno, tal como cloro o bromo, o un radical alquilo o alcoxilo con 1 a 4 átomos de carbono.
Ejemplos de monómeros vinilaromáticos que presentan la fórmula general anterior son: estireno, \alpha-metilestireno, metilestireno, etilestireno, butilestireno, dimetilestireno, mono-, di-, tri-, tetra- y penta-cloroestireno, bromoestireno, metoxiestireno, acetoxiestireno, etc. Los monómeros vinilaromáticos preferidos son el estireno y el alfa-metilestireno.
Los monómeros vinilaromáticos que presentan la fórmula general (I) pueden utilizares solos o en una mezcla de hasta 50% en peso con otros monómeros copolimerizables. Ejemplos de estos monómeros son el ácido (met)acrílico, los ésteres alquil C_{1}-C_{4} del ácido (met)acrílico, tal como el acrilato de metilo, metacrilato de metilo, acrilato de etilo, metacrilato de etilo, acrilato de isopropilo, acrilato de butilo, amidas y nitrilos del ácido (met)acrílico tales como acrilamida, metacrilamida, acrilonitrilo, metacrilonitrilo, butadieno, etileno, divinilbenceno, anhídrido maleico, etc. Los monómeros copolimerizables preferidos son el acrilonitrilo y el metacrilato de metilo.
Ejemplos típicos de polímeros termoplásticos que pueden granularse con el presente dispositivo son el poliestireno (PS), poliestireno de gran impacto (HIPS), polietileno (PE), polipropileno, las aleaciones PS/PE (o HIPS/PE) relacionadas, SAN, ABS, polimetilmetacrilato, policarbonato de Bisfenol-A, las aleaciones relacionadas, copolímeros estireno-butadieno y, en general, los cauchos termoplásticos.
Los polímeros anteriores pueden extrusionarse como tales o un agente de expansión, seleccionado de entre hidrocarburos alifáticos C_{3}-C_{6}, freón, dióxido de carbono, agua, alcohol metílico, alcohol isopropílico o una combinación de estos agentes de expansión puede añadirse en una cantidad comprendida entre 1 y 10% en peso.
Dentro de la cámara de corte, el polímero extruído es granulado por el sistema de corte y enfriado por medio de un chorro de gotitas del líquido regulador del termostato, nebulizadas y atomizadas contra la boquilla extrusora, formando de este modo una niebla. Este líquido está constituido por generalmente agua, a la que se añaden opcionalmente agentes antiadherentes o glicerina, etilenglicol, aceite mineral, aceite de silicio, etc. u otras mezclas, y se mantiene a una temperatura comprendida entre 10ºC y la del punto de ablandamiento del polímero.
El líquido regulador del termostato se atomiza contra la boquilla extrusora mediante boquillas de atomización dispuestas, por ejemplo, en una posición ortogonal y/o tangencial a la boquilla extrusora o fijadas a las cuchillas. Las boquillas de atomización están dispuestas preferentemente detrás del disco portahoja de manera que la superficie proyectada por las cuchillas regula el flujo de gotitas en la boquilla extrusora mediante la geometría de las propias cuchillas y/o la velocidad de rotación del disco portahoja y/o de las gotas atomizadas.
El líquido regulador del termostato se recoge sobre el fondo de la cámara de corte, junto con los gránulos cortados que se descargan y envían para el tratamiento posterior, opcionalmente con adición de líquido de enfriamiento adicional.
En el caso de la granulación de polímeros termoplásticos expandibles, la cámara de corte está a presión para eliminar riesgos de preexpansiones de los gránulos. Las presiones de funcionamiento están comprendidas generalmente entre 0,11 y 10 MPa.
El sistema de corte está constituido esencialmente por una placa sobre la que se fijan dos o más cuchillas. El número y dimensiones de las cuchillas pueden variar en relación con el número y el diámetro de los conductos de la boquilla extrusora o el tipo de polímero que ha de granularse, es decir, si es un polímero de alta o baja viscosidad. Generalmente, se utiliza un número de cuchillas superior o igual a 1, comprendido preferentemente entre 2 y 40.
Las cuchillas están generalmente en forma escalonada ya que esto garantiza un desgaste uniforme y las cuchillas pueden curvarse sin romperse de forma considerable lo que facilita las múltiples etapas de arranque. Además, las cuchillas en forma escalonada, dispuestas radialmente, no sólo tienen la finalidad de cortar con eficacia el polímero sino también de repartir el flujo de líquido regulador del termostato, nebulizado contra la boquilla extrusora, haciéndola intermitente y uniforme.
Las cuchillas funcionan a una presión constante debido al empuje contra la boquilla extrusora mantenida por un sistema de colocación específico tal como el descrito, por ejemplo, en la solicitud de patente europea nº 266.673. El sistema de colocación permite ejercer una presión óptima, que es suficientemente elevada para garantizar un corte homogéneo de los gránulos, impidiendo de este modo la formación de aglomerados, pero no excesiva para limitar el desgaste de las cuchillas y de la boquilla extrusora.
Esto asegura la calidad constante de los gránulos con respecto a las dimensiones y temperatura (una presión constante hace mucho más uniforme y constante el intercambio térmico del polímero fundido con el ambiente circundante). De hecho se sabe que la presión del polímero en la boquilla extrusora cambia con relación a la heterogeneidad del producto en la alimentación con respecto tanto al peso molecular como a la dispersión de los aditivos tales como antioxidantes, ceras, colorantes, cargas inertes, agentes de expansión, etc.
El arranque del dispositivo para granulación en caliente de polímeros termoplásticos, comprende las tres fases siguientes:
i)
preenfriamiento de la boquilla extrusora, atomizándolo, sin el polímero, con líquido regulador del termostato o agua;
ii)
calentamiento de la boquilla extrusora durante unos pocos segundos sin líquido regulador del termostato para alcanzar la temperatura de funcionamiento, debido al reparto, asimismo total, del flujo atomizado;
iii)
arranque, mediante agua y polímero de alimentación simultáneamente.
Las tres fases pueden repetirse varias veces sin necesidad de abrir el cabezal de corte para optimizar el porcentaje de orificios abiertos, hasta el 100% de los orificios libres. Este procedimiento puede repetirse en cualquier momento durante la operación de granulación.
El funcionamiento del dispositivo de granulación, objeto de la presente invención, puede facilitarse más mediante la utilización de aditivos antiadherentes que deben dosificarse en el líquido regulador del termostato en continuo o discontinuo, antes de la formación del chorro de gotitas. Estos aditivos facilitan el desprendimiento de las gotas de las cuchillas a medida que se forman en una capa muy delgada en el metal impidiendo el ensuciamiento gradual de las hojas y por lo tanto asegurando un corte perfecto asimismo durante ciclos de funcionamiento prolongados.
Los agentes antiadherentes preferidos según la presente invención son los polisiloxanos tales como los polidimetilsiloxanos solubles o emulsionables en agua. La cantidad de polisiloxano que debe añadirse al líquido regulador del termostato antes de la nebulización es superior a 1 ppm, preferentemente entre 1 y 1.000 ppm, aún más preferentemente entre 10 y 100 ppm.
El dispositivo para la granulación en caliente de polímeros termoplásticos, opcionalmente expandibles, objeto de la presente invención, puede entenderse mejor refiriéndose a los dibujos de las figuras adjuntas que representan una forma de realización ilustrativa pero no limitativa de los mismos y en los que:
- La Figura 1 representa un esquema de una sección transversal plana de la boquilla extrusora (1) constituida sustancialmente por el cuerpo cilíndrico (2) dentro del cual están los conductos (3), alineados con un material (4) que tiene una conductividad térmica elevada para la alimentación del polímero fundido (5). Los conductos (3) se extienden hacia fuera a través de las pequeñas placas (6) perforadas. Las resistencias eléctricas (7) mantienen el cuerpo cilíndrico de la boquilla extrusora a la temperatura correcta;
- la Figura 2 representa un esquema de una sección transversal plana de la cámara de corte (8) relacionada con el correspondiente sistema de corte (9). La cámara de corte comprende sustancialmente un recipiente (10) que se corresponde con la boquilla extrusora (1), provista de una salida (11) de la que se recupera la mezcla (12) de gránulos mezclados con el líquido regulador del termostato. El sistema de corte comprende un disco (13) portahoja, frente a la boquilla extrusora (1), fijado firmemente al eje de rotación (14). Las cuchillas (15) con el borde cortante escalonadas (16) dispuestas radialmente con respecto a la boquilla extrusora (1), están sujetas al disco portahoja. Las boquillas (17) de atomización, sujetas a la parte posterior del recipiente (10), están dispuestas detrás del disco portahoja, que, está alimentado por una bomba a alta presión, no ilustrada en la Figura, nebulizan el líquido regulador del termostato y lo atomizan contra la boquilla extrusora en forma de gotas o microgotas;
- la Figura 3 representa un esquema de una sección trasera del disco (13) portahoja en el que están dispuestos, a título ilustrativo únicamente, ocho cuchillas (15) con el filo cortante colocado en forma radial.
El dispositivo para la granulación en caliente de polímeros termoplásticos, opcionalmente expandibles, proporciona las ventajas siguientes:
-
enfriamiento óptimo de los gránulos gracias al chorro de gotas de líquido regulador del termostato;
-
calidad constante de los gránulos con respecto al tamaño;
-
calidad constante de los gránulos con respecto a la estructura y procesabilidad debida a la presión de corte;
-
activación/reactivación fácil;
-
utilización completa del número de orificios presentes en la boquilla extrusora;
-
poco desgaste de las cuchillas debido a su configuración escalonada y a la presión constante ejercida por el sistema de colocación del sistema de corte; y
-
periodos de funcionamiento prolongados, también con activaciones más fáciles, debido a la utilización de agentes antiadherentes inyectados junto con el líquido regulador del termostato.

Claims (12)

1. Dispositivo para la granulación en caliente de polímeros termoplásticos, opcionalmente expandibles, que está esencialmente constituido por:
a)
una boquilla extrusora (1) constituida por un cuerpo cilíndrico (2), que contiene en la superficie externa una pluralidad de placas pequeñas (6) provistas cada una de una pluralidad de orificios de extrusión y una pluralidad de conductos de alimentación (3) del polímero fundido, estando alineados dichos conductos con un material (4) que presenta una conductividad térmica elevada y dispuestos dentro de un cuerpo cilíndrico en correspondencia con y conectado a las placas pequeñas perforadas;
b)
una cámara de corte (8) que comprende un conjunto de boquillas de atomización (17) que crean un chorro de gotas de un líquido de regulación del termostato utilizado para el enfriamiento y la separación de los gránulos cortados, nebulizados y atomizados contra la boquilla extrusora;
c)
un sistema de corte (9) que comprende una placa cortante (13), sujeta firmemente al eje de rotación (14), que sostiene un conjunto de cuchillas (15) dispuestas de manera que el perfil de corte de la cuchilla es radial con respecto a la superficie de la boquilla extrusora que está frente a dicho sistema de corte,
en el que el cuerpo (2) de la boquilla extrusora (1) está regulado por termostato y mantenido a una temperatura próxima o superior a la del punto de ablandamiento del polímero.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que los conductos de alimentación del polímero fundido están alineados con un metal que presenta una conductividad térmica superior a 40 W/mK.
3. Dispositivo según las reivindicaciones 1 ó 2, en el que los orificios presentan un diámetro superior a 0,2 mm.
4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el polímero termoplástico se selecciona de entre poliestireno (PS), poliestireno de impacto elevado (HIPS), polietileno (PE), polipropileno, las aleaciones PS/PE (o HIPS/PE) relacionadas, SAN, ABS, polimetilmetacrilato, policarbonato de Bisfenol-A, las aleaciones relacionadas, copolímeros estireno-butadieno y, en general, los cauchos termoplásticos.
5. Dispositivo según la reivindicación 4, en el que los polímeros termoplásticos se extruyen como tales o se añade un agente de expansión, seleccionado de entre hidrocarburos alifáticos C_{3}-C_{6}, freón, dióxido de carbono, agua, alcohol metílico, alcohol isopropílico o una combinación de estos agentes de expansión en una cantidad comprendida entre 1 y 10% en peso.
6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el líquido regulador del termostato se selecciona de entre agua, a la que se añaden opcionalmente agentes antiadherentes y glicerina, aceite mineral o aceite de silicio, nebulizado y atomizado en forma de gotas y microgotas contra la boquilla extrusora por una o más boquillas de atomización.
7. Dispositivo según la reivindicación 6, en el que el líquido regulador del termostato se mantiene a una temperatura comprendida entre 10ºC y el punto de ablandamiento del polímero.
8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las boquillas están dispuestas en una posición ortogonal y/o tangencial con respecto a la boquilla extrusora o están fijadas a las cuchillas.
9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las boquillas están dispuestas detrás del disco portahoja.
10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, en el caso de la granulación de polímeros termoplásticos expandibles, la cámara de corte funciona a una presión comprendida entre 0,1 y 10 MPa.
11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las cuchillas son superiores o igual a 1.
12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las cuchillas están en forma escalonada con un filo cortante que es radial con respecto a la boquilla extrusora.
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