ES2566746T3 - Gránulo de polímero termoplástico y/o termoestable, coloreado y/o que contiene aditivos, y el proceso relativo al teñido y/o a la adición de aditivos y un proceso - Google Patents

Abstract

Un gránulo, copo o polvo de un polímero termoplástico y/o termoendurecible, coloreado y/o que contiene aditivos, que consiste en un núcleo de polímero termoplástico y/o termoendurecible neutro y una capa de superficie de un agente colorante y/o aditivo, en donde los agentes colorantes se dispersan en una matriz de bajo punto de fusión, con una alta viscosidad, y con un punto de fusión que varía de 50 a 150 ºC, y en todo caso menor que el punto de fusión del polímero termoplástico y/o termoendurecible a teñir y/o aditivar, caracterizado porque dicho gránulo, copo o polvo también prevé una capa protectora adicional aplicada externamente a la capa de agente colorante y/o de aditivo, consistiendo dicha capa protectora en una resina secuestrante y/o resina filmógena de sellado, en donde la resina filmógena se selecciona de cualquier resina con un punto de fusión menor que el punto de reblandecimiento y/o que el punto de curado del polímero a colorear y/o aditivar.

Description

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b1) añadir una cantidad pre-establecida de resina secuestrante en la forma de polvo fino y/o de resina filmógena de sellado en emulsión, dispersión acuosa o en disolución; b2) efectuar la completa evaporación del agua o del disolvente y efectuar la distribución y/o coalescencia de la resina de sellado y fundir o reblandecer parcialmente la resina secuestrante en forma de polvo, calentar adicionalmente a una temperatura que varía desde el punto de fusión de la resina secuestrante y el punto de fusión del polímero a teñir, y mezclar; b3) descargar el material así obtenido, posiblemente frio, y envasarlo.

Las fases a) y b) se llevan a cabo con mezcla rotacional, a una velocidad de 100 a 1.800 revoluciones por minuto, correspondiente a una velocidad lineal de aproximadamente 2 a 37 m/s, durante un tiempo que varía de 1 a 30 minutos.

Las fases a) y b) se llevan a cabo preferiblemente a una velocidad de 300 a 1.200 revoluciones por minuto, durante un tiempo que varía de 1 a 15 minutos.

El dispositivo para efectuar el proceso incluye una mezcladora de alta velocidad, que comprende un contenedor y varias palas de mezcla, una bomba de anillo líquido, opcionalmente, un emisor de microondas, un pulverizador de múltiples boquillas, una o más tolvas de dosificación, y un sistema de microprocesador para controlar las fases del proceso.

En particular, la mezcladora de alta velocidad del tipo turbo-mezcladora vertical tiene las paredes y el fondo reguladas por un termostato por medio de una camisa, y las palas están reguladas por un termostato. Todas las superficies están pulidas a un grado de tipo espejo.

La potencia instalada es igual a 0,6 kw por kg de capacidad. El número de etapas (es decir, el número de pares de palas) varía de 2 a 6. En particular, su forma es tal que garantiza una circulación óptima del producto, incluso a una baja velocidad, y una distribución de la cizalla que minimiza la contribución proporcionada por la parte inferior de la mezcladora, es decir, por la interacción entre el producto, la pala inferior y el fondo, estando levantado el par inferior de palas del fondo en 5 a 50 mm, con carretes de teflón complementarios para evitar la formación de zonas de estancamiento.

La bomba de anillo líquido crea un vacío forzado en el interior del contenedor, necesario para un secado eficaz, de hasta 0,05 bares.

El emisor de microondas Magnetrón, equipado con guías de ondas y controles de microprocesador, permite la producción de un campo de microondas confinado dentro del contenedor, que calienta el polímero gracias al agua metida o adsorbida sobre la superficie, u otras sustancias que ya están presentes en el polímero y/o metidas antes de la mezcla. Estas sustancias se caracterizan por ser fácilmente dispersables y por tener un elevado coeficiente de absorción de microondas.

Los pulverizadores y las tolvas de dosificación permiten la inserción de líquidos y sólidos en las diferentes fases del proceso, y todo el sistema está controlado mediante una unidad de control por medio de un microprocesador. Alternativamente, uno o más pulverizadores pueden actuar como sopladores de aire que, junto con la bomba de anillo líquido, permiten la eliminación del condensado y del polímero en polvo, posiblemente, formado por la fricción durante la fase de calentamiento.

La principal ventaja del proceso según la presente invención consiste en el hecho de que dicho proceso se puede usar para la coloración y/o la adición de aditivo de muchos polímeros termoplásticos y/o termoestables, con un considerable ahorro en términos de energía y tiempo, además de una maquinaria adecuada para todos los polímeros y a un bajo costo, y con una alta productividad, pero extremadamente competitivo en la producción de lotes pequeños, ya que no hay caídas de procesamiento.

Este proceso también permite que se mantengan las características óptico-mecánicas del polímero, ya que no se funde ni se somete el polímero a estrés termo-mecánico.

El polímero en forma de gránulos, copos o polvo se calienta en pocos minutos a una temperatura que varía de 70 a 150 ºC, por la fricción de alta velocidad en el interior de una turbo-mezcladora con una geometría adecuada.

En particular, se ha estudiado un perfil de pala, que es adecuado para mantener una óptima transferencia de calor por fricción y una alta circulación del material también con un bajo número de revoluciones, distribuir el componente de cizalla con el fin de causar el calentamiento de la mezcla sin poner en peligro las capas superficiales de los gránulos, y minimizar la contribución proporcionada por la parte inferior de la mezcladora, es decir, por la interacción entre el producto, la pala inferior y el fondo, produciendo, como ya se ha especificado, mediante un dispositivo en donde el par inferior de palas está elevado desde el fondo de 5 a 50 mm, con carretes de teflón suplementarios, para evitar la formación de zonas de estancamiento.

Por otra parte, como resultado de la particular geometría del contenedor y de las palas, el dispositivo no requiere limpieza alguna en particular entre un cambio de color y otro, llegando a ser de auto-limpieza.

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En el dispositivo, se han modificado las palas de dos maneras:

a) Los extremos de la pala inferior tienen dos protuberancias con un marcado ángulo: estas partes permiten que haya un mayor empuje del producto hacia arriba, favoreciendo la circulación del producto.

b) En las turbo-mezcladoras tradicionales, la cizalla es extremadamente importante, es decir, la capacidad de triturar los coágulos de material, de cargas inorgánicas y/o de tintes, tales como el dióxido de titanio puro, donde la cizalla se define como sigue:

Cizalla = Velocidad de pala / Distancia de la pala al fondo.

Es evidente que cuanto menor sea la distancia al fondo, mayor será la cizalla. En las turbo-mezcladoras tradicionales la pala inferior se coloca a una distancia que varía de 2 a 10 mm del fondo, específicamente para triturar cualquier tipo de aglomerado.

En el dispositivo, una configuración de las palas tal como la usada en las turbo-mezcladoras tradicionales produce dos efectos no deseados: el primer efecto no deseado es la producción de una gran cantidad de polvo, por la molienda del producto, especialmente si se usa en la forma granular, y el segundo efecto no deseado es la destrucción de la capa color y de la capa protectora de resina que posiblemente se introduce para sellar el color. La alta cizalla crea un efecto de delaminación sobre la película del revestimiento de color y de la capa protectora haciendo que el revestimiento se llegue a desprender y forme pequeños aglomerados de aproximadamente 0,5 mm, separados del polímero a teñir y/o aditivar.

En el dispositivo, la pala inferior se coloca a una distancia de 5 a 50 mm del fondo, a una distancia que varía en función de las dimensiones de los gránulos, metiendo uno o más pasadores o carretes y/o aletas, también hechos de teflón, para mantener la mezcla del producto en el fondo que de otro modo tendería a acumularse. Luego se añaden varios pasos de palas superiores para compensar la pérdida de la transferencia de calor.

En consecuencia, esta configuración permite que el calor se transfiera al polímero por la fricción de las palas sobre el gránulo y por la fricción entre gránulo y gránulos, minimizando la contribución de cizalla del fondo que tendería a destruir las capas de tinte y/o de aditivo y posiblemente a la resina de sellado y/o a la resina secuestrante.

En caso necesario, se activa el calentamiento simultáneo o alternativamente con la ayuda, o preferentemente, de irradiación de microondas. De esta manera, es posible explotar el agua adsorbida en el polímero, o añadida en pequeñas cantidades sobre la superficie, u otras sustancias de absorción de microondas, para calentar rápidamente el polímero. La mezcla simultánea garantiza una distribución óptima del calor.

La aplicación de un vacío forzado durante o al final de la fase de calentamiento permite un excelente secado del polímero, en unos pocos minutos.

En particular se aplica una depresión que varía de 0 a -0,95 bares.

Se ha observado que el calentamiento por fricción de alta velocidad simultáneamente con la aplicación de un vacío forzado, es extremadamente eficaz. El impacto de las palas en cada gránulo individual, de hecho, tiende a empujar el agua hacia el exterior, donde una presión de vapor muy baja hace que se evapore rápidamente también a temperaturas mucho menores de 100 ºC.

Una vez que se ha alcanzado la temperatura de reblandecimiento de la mezcla del tinte y/o de los aditivos, preferiblemente pero no consistente de forma exclusiva en tintes y/o aditivos pre-dispersos en mezclas de ceras o ésteres de ácidos grasos, se mete dicha mezcla dentro de la mezcladora, donde, debido a la fricción, se distribuye en unos pocos minutos, “se extiende”, sobre la superficie de cada gránulo, copo o partícula de polvo individual, cubriéndolo por completo; además los componentes de teñido y/o los aditivos individuales se mezclan íntimamente dotando al gránulo de una apariencia coloreada de forma uniforme en el deseado color y/o de aditivo de forma uniforme.

Los gránulos, copos o partículas de polvo individuales del polímero termoplástico y/o termoendurecible se revisten de ese modo de una película o capa de tinte y/o de aditivo que forma una "piel" alrededor de cada elemento individual.

Por lo tanto, la mezcla obtenida se colorea y/o aditiva de forma uniforme. Sin embargo, en algunos casos, particularmente en medios de transporte neumáticos, cuando se usan altas cantidades de tinte y/o aditivo, la mezcla puede no ser de flujo libre con calor y/o de liberación del tinte.

En este caso, se deposita una película de protección de resina filmógena de sellado y/o resina secuestrante sobre la superficie del gránulo o copo o polvo, finamente distribuida sobre la superficie de la resina a ser coloreada, siendo la resina preferiblemente compatible con el polímero en los porcentajes de uso o de la misma naturaleza polimérica que el polímero coloreado y/o aditivado.

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En particular, se efectuó la coloración de una cierta cantidad de gránulos de ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno), como polímero termoplástico, según una muestra de prueba de color azul. Se prepararon y pesaron las cantidades exactas de polímero y de tinte, precisamente 98 kg de ABS y 2 kg de mezcla de tinte. Por lo tanto, la mezcla total consiste en un 98 % en peso de ABS y un 2 % en peso de mezcla de tinte, a fin de reproducir el tono exacto del color deseado.

Luego se metieron los gránulos de ABS en la mezcladora; se encendió la mezcladora y se estableció la velocidad a un valor tal que permitiera la máxima absorción de energía posible, es decir a aproximadamente 0,5 kw/kg. La velocidad de rotación depende de las dimensiones de la mezcladora, normalmente la velocidad lineal periférica de las palas es de 20 m/s.

Las paredes, el fondo, la tapa y las palas estaban reguladas con termostato por medio de un circuito adecuado a 90 ºC. Como se deseaba un gránulo coloreado listo para el uso y, como el ABS es un polímero higroscópico, se aplicó un vacío de -0,8 bares. El polímero alcanzó una temperatura de 80 ºC en aproximadamente 5 minutos.

La aplicación simultánea de vacío y calentamiento por fricción permitió la extracción completa del agua. El porcentaje de agua absorbida, por tanto, pasó de un 0,3 % a un valor de 0,0 % revelado por medio del método termogravimétrico de la norma ASTM D6980-04 ASTM "Test method for determination of moisture in plastics by loss in weight"). El agua se extrajo de la bomba de vacío, ya que no era capaz de condensar el interior del aparato.

Una vez que se hubo alcanzado una temperatura de 80 ºC, se introdujo la mezcla del tinte en la mezcladora: de ese modo se fundió la mezcla y se distribuyó de forma uniforme sobre la superficie de los gránulos de ABS; además como resultado de la alta afinidad de la mezcla de tintes con el polímero a colorear y del tratamiento tipo espejo de la mezcladora, no se observaron depósitos de tinte en las paredes de esta última.

La mezcla se dejó bajo calentamiento durante 3 minutos adicionales hasta que se alcanzó una temperatura de 100 ºC; luego se añadió una cantidad igual a 0,4 kg de polvo de LLDPE, que se distribuyó de forma uniforme sobre la superficie de los gránulos ya provistos con la capa de superficie de color azul; luego se redujo la velocidad a la mitad: como resultado de la fricción adicional, se elevó la temperatura a 110 ºC. El polvo de LLDPE en consecuencia se fundió, creando una capa de revestimiento irregular que protege la piel del tinte, que se distribuye de manera más uniforme gracias a su naturaleza "grasa". Luego se descargó el producto, se enfrió y posteriormente se envasó.

Ejemplo 2

En el ejemplo 2, se tiñó un copo de policarbonato en bruto y usado, con un color rojo transparente.

Se prepararon y pesaron la cantidad exacta de polímero y de tinte, precisamente 99,8 kg de PC usado y 0,2 kg de mezcla de tinte. Por lo tanto, la mezcla total consiste en 99,8 % en peso de PC usado y 0,2 % en peso de mezcla de tinte, a fin de reproducir el tono exacto del color deseado.

Luego se metieron los copos de PC en la mezcladora; se encendió la mezcladora y se estableció la velocidad a un valor tal que permitiera la máxima absorción de energía posible, es decir a aproximadamente 0,5 kw/kg. La velocidad de rotación depende de las dimensiones de la mezcladora, normalmente la velocidad lineal periférica de las palas es de 20 m/s.

Las paredes, el fondo, la tapa y las palas estaban reguladas con un termostato por medio de un circuito adecuado a 90 ºC. Como se deseaba un gránulo coloreado listo para el uso y como el PC es un polímero higroscópico, se aplicó un vacío de -0,8 bares. El polímero alcanzó una temperatura de 120 ºC en aproximadamente 8 minutos.

La aplicación simultánea de vacío y calentamiento por fricción permitió la extracción completa del agua. Por lo tanto, el porcentaje de agua absorbida pasó de un 0,3 % a un valor de 0,0 % revelado por medio del método termogravimétrico de la norma ASTM D6980-04 ASTM "Test method for determination of moisture in plastics by loss in weight"). El agua se extrajo de la bomba de vacío, ya que no era capaz de condensar el interior del aparato.

Una vez que se hubo alcanzado una temperatura de 120 ºC, se introdujo la mezcla de tintes en la mezcladora: de ese modo se fundió la mezcla y se distribuyó uniformemente sobre la superficie de los copos; además como resultado de la alta afinidad de la mezcla de tintes con el polímero a colorear y del tratamiento tipo espejo de la mezcladora, no se observaron depósitos de tinte en las paredes de esta última. Además, la particular rugosidad de la superficie de los copos en bruto permitió una mejor retención del color: la coloración de la superficie del copo era menos uniforme, pero la retención del color en la superficie era más firme. Se continuó con la mezcla durante aproximadamente 1 minuto. Luego se descargó el producto, se enfrió y posteriormente se envasó.

En este caso, debido a la rugosidad del soporte y también a la modesta cantidad de tinte añadida, no fue necesario aplicar una capa protectora de resina. El producto resulta ser limpio y de flujo libre sólo con la termofijación.

Las características y ventajas adicionales de la presente invención también se harán más evidentes a partir de la siguiente descripción ilustrativa y no limitante a la que se refiere las figuras adjuntas, en las que:

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