ES2712982T3 - Dispositivo para polimerizar lactamas en moldes - Google Patents

Abstract

Un dispositivo (100, 300, 400) para polimerizar lactamas en moldes, que comprende: una tolva (110, 310, 410) para almacenar lactama sólida (120, 320, 420) y un medio de alimentación de lactama que comprende un tornillo plastificador (131, 331, 431) para simultáneamente fundir la lactama y conducirla de forma dosificada hacia una cámara de mezcla (160, 360, 460). El dispositivo comprende además: un medio de dosificación (140, 340, 440) para alimentar un iniciador líquido; un medio de dosificación (150, 350, 450) para alimentar un activador líquido. La cámara mezcladora (160, 360, 460) está configurada para recibir de forma dosificada la lactama, el iniciador y el activador desde dichos medios de alimentación y de dosificación. La cámara de mezcla presenta tres entradas independientes para recibir, de manera independiente, la lactama, el iniciador y el activador, para permitir que fluyan al interior de la cámara de mezcla (160, 360, 460) poniéndose en contacto entre sí por primera vez en el instante anterior a la entrada a un molde (170, 370, 470) situado junto a la cámara y dispuesto para que se produzca en él la reacción de polimerización.

Description

DESCRIPCION

Dispositivo para polimerizar lactamas en moldes

Campo tecnico

La presente invencion se refiere a tecnicas usadas en la industria quimica para polimerizar lactamas y, mas particularmente, se refiere a un sistema para polimerizar lactamas en moldes.

Antecedentes de la invencion

La polimerizacion de lactamas en moldes ha sido usada y estudiada durante decadas. Los ultimos esfuerzos para mejorar la tecnica de polimerizacion de lactamas se han centrado en modificar el sistema catalitico (formado por activador e iniciador) para llevar a cabo la polimerizacion de manera controlada y selectiva. No obstante, el modo en el que se mezclan los ingredientes basicos y se introducen en el molde no se ha modificado y, todavia, es basicamente de la siguiente forma: Se preparan dos premezclas independientes, de las cuales la primera comprende una mezcla del activador y una fraccion de la lactama, y la segunda comprende el iniciador y la fraccion restante de la lactama. Posteriormente, se combinan ambas premezclas para llevar a cabo la polimerizacion. Un ejemplo de esta forma de polimerizacion puede encontrarse en la patente estadounidense US 3.505.448.

La tecnica anterior permite producir piezas seriadas de una composicion, pero no resulta apropiada para la fabrication continua de piezas no seriadas, por ejemplo, con tamanos y/o geometrias individuales, caracteristicas o composiciones diferentes.

Basado siempre en este sistema de premezclas de la lactama con el iniciador y de la lactama con el activador, existen diferentes sistemas para dosificar las premezclas. Una posible tecnica se basa en usar bombas de engranajes, tal y como se describe, por ejemplo, en la patente estadounidense US 4.404.360-A. En el documento US 4.404.360-A se usan un par de tanques para las premezclas. Una tecnica alternativa se basa en usar un par de extrusoras para las premezclas y dosificacion de estas, tal y como se describe en la solicitud de patente estadounidense US 2012/0.313.290-A1. El documento US 2012/0.313.290-A1 describe un proceso para la production de piezas termoplasticas reforzadas con fibra y una maquina de moldeo mediante inyeccion. La maquina tiene un primer husillo de extrusion para licuar y mezclar un precursor polimerico y un activador, y un segundo husillo de extrusion para licuar y mezclar un precursor polimerico y un catalizador. En una camara se mezclan los contenidos previamente licuados en los husillos de extrusion, para despues ser vertidos en un molde, donde se produce la polimerizacion.

La solicitud de patente europea EP2.338.665-A1 describe un procedimiento y un dispositivo para polimerizar lactamas en moldes, en el que la lactama, el activador y el iniciador se introducen y dosifican de forma independiente en un cabezal mezclador que suministra a un molde. El procedimiento descrito para polimerizar lactamas puede estar catalizado por un gran grupo de iniciadores y activadores, siendo algunos de ellos solidos. Algunos iniciadores y activadores se deben fundir y mantener a temperaturas elevadas durante todo el procedimiento. El dispositivo descrito para moldear lactamas es versatil para un gran grupo de iniciadores y activadores. Dicha versatilidad hace que el uso del dispositivo resulte complicado, ya que se requieren medios de calentamiento en todos y cada uno de los elementos de dosificacion del circuito a traves de los cuales pasa cada uno de esos materiales (iniciadores y activadores). Los tres componentes (lactama, activador e iniciador) del procedimiento de polimerizacion se dosifican por separado. Esto conduce a dos de las ventajas del procedimiento descrito: (1) se garantiza la estabilidad en el tiempo y (2) se permite una dosificacion (en %) diferente de cada componente para cada tipo de piezas fabricadas. La solicitud de patente internacional WO 2011/006648 A1 divulga un dispositivo para producir moldes de plastico, en el que la lactama se introduce y dosifica desde un extrusor hacia una herramienta de moldeo, de forma independiente del iniciador y/o activador. Una valvula antirretorno hace que la introduction de la lactama en la herramienta de moldeo sea discontinua. Asi mismo, no se minimiza el riesgo de que la lactama se exponga a la degradation por calor y humedad, y la mezcla de los tres componentes no se optimiza, pues no se almacena lactama solida.

No obstante, se ha observado que la fusion y la dosificacion del activador y del iniciador a temperaturas elevadas resultan complicadas. Ademas, se deben anadir ambos materiales a la mezcla en porcentajes muy especificos, lo que complica su correcta dosificacion por medio de las bombas con engranaje convencionales. Ademas, debido a que los iniciadores y los activadores solidos deben fundirse a temperaturas mas elevadas que la temperatura ambiente, y a que su estado fundido presenta viscosidades que dependen de la temperatura, se debe mantener su temperatura de forma constante y precisa durante todo el procedimiento de dosificacion.

Los diferentes elementos del dispositivo descritos en el documento EP 2.338.665-A1 se calientan cada uno de manera independiente del resto, por medio de sistemas de calentamiento individuales, ya sean sistemas electricos basados en resistencias o ya sea por medio de un fluido de transferencia termica. No obstante, el calentamiento individual de esos elementos crea un area fria en el elemento de conexion (por medio de valvulas, tuercas o cualesquiera otros elementos de conexion), entre estos elementos. Por ejemplo, la caprolactama se vuelve solida a una temperatura por debajo de 70 °C, y estos puntos frios pueden producir enfriamiento y solidificacion posterior del monomero, produciendo de este modo la obstruccion de los sistemas de dosificacion.

Por otro lado, tambien la fusion de la lactama en un deposito presurizado a temperaturas superiores a 70 °C conlleva un tiempo extremadamente largo cuando las cantidades de solido de lactama a fundir son grandes (de mas de 1 kg). En un proceso de fabricacion en continuo se prefiere fundir la totalidad de la lactama necesaria para la fabricacion de la serie de piezas prevista para una jornada laboral, por lo que la cantidad de lactama que debe fundirse suele ser muy superior a 1 kg (entre 1 y 1000 kg), de modo que este tiempo resulta demasiado largo. Ademas, el tiempo en el que la lactama permanece en estado fundido suele ser de al menos 8 horas, lo que incrementa la posibilidad de absorcion de humedad y posible degradacion termica. El consumo electrico que supone mantener a una temperatura mayor de 70 °C el deposito de lactama tambien puede resultar excesivo.

En resumen, se necesita un dispositivo que permita solucionar de manera eficaz los problemas mencionados anteriormente de los procedimientos convencionales para polimerizar lactamas en moldes.

Descripcion de la invencion

El objetivo de la presente invencion es proporcionar un dispositivo para polimerizar lactamas en moldes, en el que los tres componentes de la reaccion de polimerizacion (lactama, iniciador y activador) se introducen y se dosifican, de manera independiente unos de otros, en un molde a traves de una camara de mezcla situada en la entrada del molde. El iniciador y el activador son liquidos a temperatura ambiente. Ademas, la lactama necesaria para cada pieza se funde en el instante inmediatamente anterior o justo antes de ser introducida en el molde mediante un husillo plastificador.

De acuerdo con la presente invencion, se proporciona un dispositivo para polimerizar lactamas en moldes, que comprende: una tolva para almacenar lactama solida; un medio de introduccion de lactama para recibir la lactama solida desde la tolva, en donde dicho medio de suministro comprende un husillo plastificador para fundir la lactama y, simultaneamente, conducir la lactama fundida de forma dosificada hacia una camara de mezcla. El dispositivo esta caracterizado por que cuando se usa, dicho husillo plastificador funde una fraccion de la lactama solida colocada en la tolva, al final del husillo plastificador, ya sea por medio de un sistema de extrusion o por medio de un sistema de inyeccion, y dosifica la lactama fundida en la camara de mezcla de forma continua, comprendiendo ademas el dispositivo: un primer medio de dosificacion, para introducir un iniciador liquido, siendo dicho iniciador liquido y estable a temperatura ambiente; un segundo medio de dosificacion, para introducir un activador liquido, siendo dicho activador liquido y estable a temperatura ambiente; en donde dicha camara de mezcla esta configurada para recibir de forma dosificada la lactama, el iniciador y el activador desde, respectivamente, dicho medio de suministro de lactama, dicho primer medio de dosificacion y dicho segundo medio de dosificacion, presentando dicha camara de mezcla tres entradas independientes para recibir, de manera independiente, la lactama, el iniciador y el activador, para asi permitir que dicha lactama, iniciador y activador fluyan respectivamente hacia el interior de la camara de mezcla, poniendose en contacto entre si por primera vez en el instante inmediatamente anterior a que entre en un molde situado junto a la camara y dispuesto para que se produzca en el la reaccion de polimerizacion. En otras palabras, la lactama, el iniciador y el activador fluyen al interior de la camara de mezcla para inmediatamente despues acceder al mencionado molde.

Preferentemente, el primer medio de dosificacion para suministrar al iniciador comprende un impulsor de jeringuilla, unido a la primera entrada de la camara de mezcla, y el segundo medio de dosificacion para introducir el activador comprende un impulsor de jeringuilla unido a la segunda entrada de la camara de mezcla.

Preferentemente, el medio de suministro de lactama comprende medios para controlar la dosificacion de lactama que accede a la camara de mezcla mediante el control del giro del husillo plastificador. El husillo plastificador esta preferentemente rodeado de medios de calentamiento.

El medio de suministro de lactama puede ser una extrusora configurada para fundir la lactama en el husillo plastificador y conducirla hacia la camara de mezcla.

Preferentemente, el dispositivo comprende ademas una boquilla dispuesta entre la camara de mezcla y el molde, estando la boquilla configurada para recibir la mezcla formada por la lactama, el iniciador y el activador de forma dosificada y para hacer llegar dicha mezcla al molde.

En una posible realizacion, la extrusora esta inclinada con respecto a la horizontal un angulo que varia entre 10 y 35 grados.

La camara de mezcla comprende preferentemente un sistema de bombeo, configurado para bombear la dosis de mezcla de lactama, iniciador y activador de una forma sustancialmente continua. Este sistema de bombeo es preferentemente una bomba de piston.

En una realizacion del dispositivo, que comprende una extrusora, la camara de mezcla esta configurada de forma que a su salida, el iniciador y el activador salen por la parte central de la seccion de la camara, mientras que el flujo de lactama sale por la parte del perimetro, de forma que es en la boquilla donde los tres componentes entran en contacto por primera vez.

El medio de introduccion de lactama tambien puede ser una inyectora, configurada para fundir la lactama en dicho husillo plastificador, conducirla hacia dicha camara de mezcla de forma dosificada y mediante el mismo husillo plastificador, utilizado como embolo, empujar la mezcla de lactama, iniciador y catalizador a traves de una boquilla hacia el molde.

Las ventajas adicionales y las caracteristicas de la invencion resultaran evidentes a partir de la siguiente descripcion y a partir de las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripcion de los dibujos

La Figura 1 es un diagrama esquematico que representa un dispositivo de acuerdo con una primera realizacion de la presente invencion.

La Figura 2 muestra la seccion de salida del cabezal mezclador de acuerdo con la primera realizacion de la presente invencion.

La Figura 3 es un diagrama esquematico que representa un dispositivo de acuerdo con una segunda realizacion de la presente invencion.

La Figura 4 es un diagrama esquematico que representa un dispositivo de acuerdo con una tercera realizacion de la presente invencion.

Descripcion de una realizacion de la invencion

El procedimiento para polimerizar lactamas de la presente invencion comprende: introducir en un molde, a traves de una camara de mezcla, una lactama, un activador y un iniciador, en donde el activador y el iniciador estan en estado liquido a temperatura ambiente. La lactama, el iniciador y el activador se introducen de forma independiente en la camara de mezcla.

La lactama puede seleccionarse, por ejemplo, de entre el grupo que comprende p-lactama, Y-lactama, 5-lactama, £-lactama y laurolactama, etc.

El iniciador pueden ser isocianatos y sus derivados, asi como tambien acil-lactamas, ureas y carboimidas, con la condition de que sean liquidos a temperatura ambiente.

El activador pueden ser lactamatos de metales alcalinos, tales como sales de sodio o magnesio, hidratos, hidroxidos y aminas de metal u otros compuestos organometalicos, con la condicion de que sean liquidos a temperatura ambiente.

El control de las propiedades mecanicas del material moldeado se logra actuando sobre la concentration del sistema catalitico (activador e iniciador), sobre la lactama y/o la combination de varias lactamas, y sobre las condiciones de procesado y postprocesado.

El control de todos los componentes, ya sea electrico o neumatico, esta centralizado en un medio de control, por ejemplo, una cabina electrica, en la que se ha instalado un software de control especifico para controlar este proceso. Este medio de control no se ilustra en las figuras.

Un problema solucionado por cualquiera de las implementaciones de la invencion esta relacionado con la dificultad para fundir y dosificar tanto el iniciador como el activador a temperaturas elevadas. Ambos materiales se deben anadir a la mezcla en porcentajes especificos (por ejemplo, dentro de intervalos de 0,5-2 % en peso con respecto al peso de lactama), lo que hace dificil su correcta dosificacion mediante medios de bombeo con engranaje. Ademas, como ya se ha explicado, los iniciadores y activadores solidos se deben fundir a temperaturas mayores que la temperatura ambiente. Ademas, cuando se funden, estos iniciadores y activadores presentan viscosidades que dependen de la temperatura. Como consecuencia de ello, la temperatura de estos materiales debe ser constante y precisa en el curso de todo el procedimiento de dosificacion.

De este modo, se usan sistemas cataliticos (iniciadores y activadores) que son liquidos y estables a temperatura ambiente. Esto permite simplificar el procedimiento de polimerizacion y el moldeo de lactamas y simplificar el dispositivo usado para ello en comparacion con el descrito en el estado de la tecnica. Esta simplification implica una reduction importante del numero de elementos que forman el dispositivo, principalmente elementos termicos, asi como del numero de contenedores y tuberias de dosificacion.

Un segundo problema solucionado por cualquiera de las variantes descritas en la invencion esta relacionado con la capacidad de fusion de la lactama en el interior de un sistema de dosificacion mediante el husillo plastificador. Este husillo plastificador, ya sea mediante un sistema de extrusion o de inyeccion, realiza la fusion de una fraccion de lactama solida situada en una tolva en el extremo del husillo y la dosifica de forma continua a la camara de mezcla. En otras palabras, el husillo plastificador funde la lactama solida a medida que esta accede al sistema de extrusion o de inyeccion y la conduce fundida hacia una camara de mezcla. Ambas cosas, fusion y conduccion, se realizan de forma simultanea o sustancialmente simultanea. Esto permite fundir unicamente la cantidad de lactama necesaria para cada pieza en el instante inmediatamente anterior a ser introducida a la camara de mezcla. Esta fusion se realiza en tiempos muy cortos debido a que es una cantidad relativamente pequena. Con este procedimiento de fusion/dosificacion, la lactama tiene menos riesgo de sufrir degradacion termica o por humedad y el consumo energetico del dispositivo es menor que en los metodos de fusion descritos en el estado de la tecnica.

Ademas, el dispositivo reivindicado, basado en elementos mas simples, permite una dosificacion mas exacta de cada componente, gracias al medio de control basado en un software que calcula de manera automatica los parametros de funcionamiento del dispositivo (velocidades y tiempos de funcionamiento de los sistemas de dosificacion) en funcion del volumen final de la pieza objeto de fabricacion y de los porcentajes de lactama, iniciador y activador que se usan.

Primera realizacion de la invencion

Haciendo referencia a la figura 1, se muestra un diagrama esquematico que muestra un dispositivo para polimerizar lactamas en moldes, de acuerdo con una primera realizacion de la invencion. El sistema 100 comprende una tolva 110 para almacenar la lactama solida l2o a temperatura ambiente. Preferentemente, la tolva 110 mantiene la lactama bajo una atmosfera seca tal como, por ejemplo, una atmosfera de nitrogeno. Desde la tolva 110 y mediante un medio de suministro, la lactama se dosifica en un molde 170 a traves de una camara de mezcla 160, que se describe con mas detalle a continuacion.

En la figura 1, el medio de suministro es una extrusora 130. En esta extrusora 130, debido a la accion de empuje generada por la accion giratoria de un husillo plastificador 131, que gira concentricamente en una camara interna a temperaturas controladas, la lactama se funde y fluye de forma continua. El husillo plastificador 131 esta rodeado de medios de calentamiento 132, tales como resistencias electricas. La lactama fundida tiene una temperatura de entre 70 y 155 °C. Preferentemente, su temperatura esta comprendida entre 135 y 145 °C, ambos inclusive.

La lactama fundida es forzada a pasar a traves de una boquilla, situada en el extremo de la extrusora, como resultado del empuje ejercido por dicho husillo plastificador. La extrusora 130 esta controlada por medio de un motor, no ilustrado, que es capaz de regular la velocidad de giro (control de flujo) y detenerse una vez ha dosificado la cantidad de lactama necesaria hacia la camara de mezcla 160 y que cuando sea suficiente para llenar el molde 170. Gracias a la accion del husillo plastificador 131, la lactama necesaria para cada pieza se funde en el instante anterior a ser introducida en el molde 170.

La lactama fundida penetra en la camara de mezcla 160 al mismo tiempo que el iniciador y el activador, que se colocan en dos dispositivos de dosificacion independientes 140 y 150. El iniciador y el activador penetran en la camara de mezcla 160 a traves de dos tuberias independientes, que pasan a traves de la camara 160 hasta que se alcanza el exterior, donde se encuentra colocada una boquilla 161. Los tres materiales (lactama, iniciador y activador) fluyen a lo largo de tuberias independientes en el interior de la camara de mezcla 160 hasta que alcanzan la salida de la camara. Es en la entrada de la boquilla 161 donde los tres componentes (lactama, iniciador y activador) entran en contacto por primera vez, mezclandose los tres componentes cuando pasan a traves de ella y saliendo fuera para depositarse en un molde 170. Es decir, los tres componentes que conforman la mezcla no entran en contacto entre si hasta instantes antes de acceder al molde. Concretamente, la lactama, el iniciador y el activador entran en contacto entre si por primera vez al abandonar la camara 160 y acceder a la boquilla 161 que permite el paso para alcanzar el molde 170. Esto implica que los tres componentes estan mezclados en el interior del dispositivo (concretamente, en la boquilla 161 que da acceso al molde 170) solamente durante el tiempo que tarda la mezcla en atravesarlo, sin detenerse, en funcion del caudal que se haya definido.

Por otra parte, el iniciador y el activador se colocan en los respectivos dispositivos de dosificacion 140 y 150, que son independientes uno de otro y capaces de dosificarlos a temperatura ambiente. En una realizacion preferida, estos dispositivos de dosificacion 140 150 son bombas de piston (embolo), tales como impulsores de jeringuilla ubicados cerca de la camara de mezcla 160, como se muestra en la figura 1. Estos dispositivos de dosificacion 140 150 se detallan despues de la tercera realizacion de la invencion, ya que las tres implementaciones son muy similares.

La camara de mezcla 160 es tri-componente, es decir, tiene tres entradas independientes y una sola salida. Preferentemente, la camara de mezcla 160 se atempera por medio de resistencias planas con el fin de evitar la solidificacion de la lactama y de mantener la temperatura de la mezcla (temperatura de colado) bajo control.

La proporcion de activador y de iniciador que accede a la camara de mezcla 160 se controla fijando los caudales de los medios de dosificacion de embolo respectivos 140 150. La proporcion de lactama que accede a la camara de mezcla 160 se controla fijando el caudal o flujo (velocidad de giro) del husillo plastificador 131. De esta forma, la relacion entre los tres caudales coincide con la relacion de mezcla requerida para la correcta polimerizacion.

Preferentemente, la camara de mezcla 160 esta hecha de acero inoxidable. Tambien preferentemente, tanto la lactama como el sistema catalitico (activador e iniciador) se introducen por la parte superior, en paralelo al eje longitudinal del cabezal. Las tuberias que se encuentran en contacto unicamente con el activador e iniciador pasan a traves de dos orificios en la parte superior. Esto se ilustra esquematicamente en la figura 2.

Se pretende que la camara tri-componente conduzca los flujos de los tres materiales, lactama, activador e iniciador hasta la boquilla sin que entren en contacto entre si. El objetivo es que el sistema catalitico (iniciador y activador) atraviese la camara por la parte central de la camara de mezcla, mientras que el flujo de lactama se distribuya por la parte de perimetro, como se muestra en la figura 2 (lactama 162, iniciador 163 y activador 164). Los materiales entran en contacto unos con otros unicamente cuando se encuentran fuera de la presente pieza y comienzan a penetrar en la boquilla.

Los tres componentes (lactama, iniciador y activador) se mezclan dentro de la boquilla 161, que se encuentra ubicada en la salida de la camara de mezcla 160. La boquilla 161 facilita el acceso del flujo en el molde 170 que se ha calentado previamente (a aproximadamente 165-180 °C), en donde se produce la reaccion de polimerizacion. El procedimiento de moldeo se lleva a cabo a baja presion (de 0 a 3 bares) de acuerdo con el volumen, geometria de la pieza a obtener y del tiempo de llenado esperado; la temperatura precisa del molde depende de la velocidad de reaccion esperada y del porcentaje de activador e iniciador usados.

Segunda realizacion de la invencion

Haciendo referencia a la figura 3, se muestra un diagrama esquematico que representa un dispositivo para polimerizar lactamas en moldes, de acuerdo con una segunda realizacion de la invencion. El sistema 300 comprende una tolva de lactama 310 para almacenar la lactama solida 320 a temperatura ambiente. Preferentemente, la tolva 310 mantiene la lactama bajo una atmosfera seca, tal como, por ejemplo, una atmosfera de nitrogeno. Desde la tolva 310 y a traves de un medio de suministro, la lactama se dosifica en un molde 370 a traves de una camara de mezcla 360, tal y como se describe a continuacion.

La lactama se lleva hacia la camara 360 a traves de un medio de suministro. De hecho, la camara 360 se situa en el extremo del medio de suministro. En la figura 3, el medio de suministro es una inyectora 330. Como en la primera realizacion, la lactama solida 320 se introduce desde la tolva 310 hacia el extremo opuesto de la inyectora 330. En esta, debido a la accion de empuje generada por la accion giratoria de un husillo plastificador 331, que gira concentricamente en una camara interna a temperaturas controladas, la lactama se funde y fluye de forma continua. El husillo plastificador 331 esta rodeado de medios de calentamiento 332, tales como resistencias. La lactama fundida tiene una temperatura de entre 70 y 155 °C. Preferentemente, su temperatura esta comprendida entre los 135 y 145 °C, ambos inclusive. A diferencia de la extrusora 130 de la realizacion anterior, la inyectora 330 comprende en el extremo del husillo 331 un sistema de inyeccion, que mediante un embolo (formado por el propio husillo 331) que ejerce un movimiento de presion y que introduce la lactama en el molde, una vez mezclada con el iniciador y el catalizador. Es decir, por cada golpe de presion del husillo/embolo 331, una cantidad concreta de mezcla de lactama y sistema catalitico accede al molde 370 a traves de la boquilla 361 situada a la salida de la camara 360 de la inyectora. Al mismo tiempo que la lactama fundida accede a la camara 360, acceden tambien los otros dos componentes, es decir, iniciador y activador, a traves de los dispositivos de dosificacion 340350, que son similares a los de la primera realizacion. Gracias a la accion del husillo plastificador 331, la lactama necesaria para cada pieza se funde en el instante anterior a ser introducida en el molde 370 a traves de la boquilla 361.

Como en la primera realizacion, se pretende que los flujos de los tres materiales, lactama, activador e iniciador, se mantengan de forma separada e independiente hasta el instante inmediatamente anterior a que entren en el molde 370. En esta segunda realizacion, los tres componentes entran en contacto unicamente en la camara 360, desde donde son inyectados al molde 370 debido a la presion ejercida por el husillo o embolo 331. Es decir, los tres componentes que conforman la mezcla no entran en contacto entre si hasta instantes antes de acceder al molde. Concretamente, la lactama, el iniciador y el activador entran en contacto entre si por primera vez en la camara 360, que esta separada del molde 370 solo por la boquilla 361. Esto implica que los tres componentes se mezclan en el interior del dispositivo solamente durante el tiempo que tarda la mezcla en atravesarlo, sin detenerse, en funcion del caudal que se haya definido.

La lactama fundida penetra en la camara 360 al mismo tiempo que el iniciador y el activador, que acceden a la camara 360 a traves de dos dispositivos de dosificacion independientes 340350 (preferentemente, la dosificacion se lleva a cabo por medio de un piston a temperatura ambiente). La camara 360 descarga su contenido, a traves de la boquilla 361, en el molde 370. La camara 360 se encuentra atemperada por medio del mismo sistema de resistencias 332 que calienta el husillo 331, con el fin de evitar la solidificacion de la lactama y de mantener la temperatura de la mezcla (temperatura de colada) bajo control.

La proporcion de activador y de iniciador que accede a la camara 360 se controla fijando los caudales de los medios de dosificacion de embolo respectivos 340, 350. De la misma forma que en la primera realizacion, la proporcion de lactama que accede a la camara de mezcla 360 se controla fijando el caudal o flujo (velocidad de giro) del husillo plastificador. De esta forma, la relacion entre los tres caudales coincide con la relacion de mezcla requerida para la correcta polimerizacion.

Por otra parte, el iniciador y el activador se colocan en los respectivos dispositivos de dosificacion 340, 350, que son independientes uno de otro. En una realizacion preferida, estos dispositivos de dosificacion 340350 son bombas de piston (embolo), tales como impulsores de jeringuilla ubicados cerca de la camara 360, como se muestra en la figura 3. Estos dispositivos de dosificacion 340350 se detallan despues de la tercera realizacion de la invencion, ya que dichas tres implementaciones son similares entre si.

El molde 370 se precalienta (a aproximadamente 165-180 °C), y en el se produce la reaccion de polimerizacion. El procedimiento de moldeo se lleva a cabo a baja presion (de 0 a 3 bares) de acuerdo con el volumen, geometria de la pieza a obtener y tiempo de llenado esperado; la temperatura precisa del molde depende de la velocidad de reaccion esperada y del porcentaje de activador e iniciador usados.

Tercera realizacion de la invencion

Haciendo referencia a la figura 4, se muestra un diagrama esquematico que representa un dispositivo para polimerizar lactamas en moldes, de acuerdo con una tercera realizacion de la invencion. El sistema 400 comprende una tolva de lactama 410 para almacenar la lactama solida 420 a temperatura ambiente. Preferentemente, la tolva 410 mantiene la lactama bajo una atmosfera seca, tal como, por ejemplo, una atmosfera de nitrogeno. Desde la tolva 410, a traves de un medio de suministro, la lactama se dosifica en un molde 470 a traves de una camara 460, que se describe con mas detalle a continuacion.

La lactama se lleva hacia la camara 460 a traves de un medio de suministro. En la figura 4, el medio de suministro es una extrusora 430. La lactama 420 se introduce desde la tolva 410 hacia el extremo de la extrusora 430. En la extrusora, debido a la accion de empuje generada por la accion giratoria de un husillo plastificador 431, que gira concentricamente en una camara interna a temperaturas controladas, la lactama se funde y fluye de forma continua. El husillo plastificador 431 esta rodeado de medios de calentamiento 432, tales como resistencias electricas. La lactama fundida tiene una temperatura comprendida entre los 70 y 155 °C. Preferentemente, su temperatura es de entre 135 y 145 °C, ambas inclusive. La lactama fundida es forzada a pasar a traves de una boquilla por medio del empuje ejercido por dicho husillo plastificador. La extrusora 430 esta preferentemente inclinada, con respecto a la horizontal, a un angulo a. En una realizacion preferente, este angulo a varia entre 10 y 35 grados. La inclinacion favorece, frente a la posicion totalmente horizontal, que la lactama fundida no retroceda hacia la parte trasera de la extrusora al moverse en el husillo plastificador 431.

La lactama fundida penetra en la camara de mezcla 460 de forma continua. Simultaneamente, a la camara 460 acceden el iniciador y el activador, que se colocan en dos dispositivos de dosificacion independientes 440, 450 (preferentemente dosificados por medio de un piston a temperatura ambiente). El iniciador y el activador penetran en la camara de mezcla 460 a traves de dos tuberias independientes. Gracias a la accion del husillo plastificador 431, la lactama necesaria para cada pieza se funde en el instante anterior a ser introducida en el molde 470 a traves de la boquilla 461.

Por otra parte, el iniciador y el activador se colocan en sus respectivos dispositivos de dosificacion 440, 450, que son independientes el uno del otro. En una realizacion preferida, estos dispositivos de dosificacion 440, 450 son bombas de piston (embolos), tales como impulsores de jeringuilla ubicados cerca de la camara de mezcla 460, como se muestra en la figura 4. Estos dispositivos de dosificacion 440, 450 se detallan despues de la tercera realizacion de la invencion, ya que son similares entre si en dichas tres implementaciones.

La camara de mezcla 460 esta complementada con un sistema de bombeo 462. En una realizacion particular, el sistema de bombeo es una bomba de piston 462. Preferentemente, el sistema de bombeo tambien comprende un motor. La dosificacion de la bomba 462 esta controlada por medio del motor.

Asi, una vez introducida una pequena porcion (por ejemplo, varios miligramos,) de los tres materiales en la camara de mezcla 460, la bomba 462 ejerce un empuje o golpe de presion hacia la boquilla 461, situada en conexion con el molde 470. A modo de ejemplo, la bomba 462 produce varios empujes por segundo. De esta forma, el bombeo y, por tanto, la introduccion pensada de la mezcla en el molde es cuasi continua o sustancialmente continua. La capacidad de la camara de mezcla 460, junto con el numero de empujes que la bomba 462 ejerza y junto con la velocidad a la que la bomba 462 ejerza esos empujes (empujes/segundo o vueltas/segundo) definen tanto el caudal de entrada de la mezcla de lactama, iniciador y activador, como la cantidad de mezcla necesaria para llenar el molde 470.

De esta manera, los tres materiales (lactama, iniciador y catalizador) entran en contacto por primera vez, de la misma forma que ocurre en las realizaciones 1 y 2, en el instante inmediatamente anterior a ser introducidas en el molde. Ademas, la introduccion desde la camara 460 hacia el molde 470 es sustancialmente continua debido a la accion de dosificacion de la bomba 462. Es decir, los tres componentes que conforman la mezcla no entran en contacto entre si hasta instantes antes de acceder al molde. Concretamente, la lactama, el iniciador y el activador entran en contacto entre si por primera vez en la camara 460 que esta separada del molde 470 solo por la boquilla 461. Esto implica que los tres componentes se mezclan en el interior del dispositivo solamente durante el tiempo que tarda la mezcla en atravesarlo, sin detenerse, en funcion del caudal que se haya definido.

En una realizacion particular, la camara de mezcla 460 puede estar atemperada mediante, por ejemplo, resistencias electricas, con el fin de evitar la solidificacion de la lactama y de mantener la temperatura de la mezcla (temperatura de colada) bajo control.

La proporcion de activador y de iniciador que accede a la camara de mezcla 460 se controla fijando los caudales de los medios de dosificacion de embolo respectivos 440, 450. La proporcion de lactama que accede a la camara de mezcla 460 se controla, igual que en las realizaciones anteriores, fijando el caudal o flujo (velocidad de giro) del husillo plastificador. De esta forma, la relacion entre los tres caudales coincide con la relacion de mezcla requerida para la correcta polimerizacion.

La mezcla que sale de la camara 460 atraviesa la boquilla 461 y se va depositando de forma continua en el molde 470 precalentado (a aproximadamente 165-180 °C), en donde se produce la reaccion de polimerizacion. El procedimiento de moldeo se lleva a cabo a baja presion (de 0 a 3 bares) de acuerdo con el volumen, geometria de la pieza a obtener y tiempo de llenado esperado; la temperatura precisa del molde depende de la velocidad de reaccion esperada y del porcentaje de activador e iniciador usados.

A continuacion, se detallan los dispositivos de dosificacion 140, 150, 340, 350, 440, 450, que son similares en las tres realizaciones de la invencion: Los impulsores de jeringuilla estan formados por un motor que hace rotar un eje en cuya parte final se encuentra fijado el embolo (piston) de la jeringuilla. En cada realizacion, se usan dos impulsores de jeringuilla, uno por componente (iniciador y activador). Los dispositivos de dosificacion 140, 150, 340, 350, 440, 450 se encuentran a temperatura ambiente. Por medio del control del avance del piston, se controlan el caudal y el volumen de las dosificaciones. Con el fin de unir las jeringuillas a las camaras 160, 360 o 460 (segun la realizacion), se usan mangueras flexibles, por ejemplo, fabricadas con silicona. Aparte de permitir el control preciso de la dosificacion, los impulsores de jeringuilla se recomiendan debido a que las partes de estos dosificadores, que entran en contacto con el activador o el iniciador (por ejemplo, jeringuillas de plastico y mangueras de silicona) son desechables. Esto soluciona el problema de la limpieza de los mismos. De este modo, el control de la dosificacion es independiente y resulta posible modificar facilmente la proporcion entre estos componentes.

Los materiales usados en los elementos de dosificacion del sistema catalitico (activador e iniciador) son preferentemente desechables, ya que el sistema catalitico necesita condiciones optimas de limpieza y la limpieza de esos elementos resulta complicada.

El control de dosificacion exacto se logra por medio de un eje unido a un motor con un dispositivo de medicion. Por tanto, se regula el caudal por medio de la velocidad de giro del motor y se regula el volumen de dosificacion por medio del dispositivo de medicion basado en el numero de vueltas.

A continuacion, se describe un procedimiento para moldear poliamida 6 a escala industrial usando el dispositivo de la tercera realizacion de la invencion:

a) Preparacion de los materiales: se debe garantizar que el porcentaje de humedad de los componentes de reaccion es menor que 0,04 %.

b) Se calientan los moldes a la temperatura de moldeo.

c) Encendido del equipo: se enciende la maquina con el interruptor principal y se programan las temperaturas de las zonas a calentar. Estas areas son: la zona de resistencias de la extrusora y la zona de calentamiento de la camara de mezcla.

d) Se introduce la caprolactama en la tolva. La cantidad que deben introducirse es una funcion de la capacidad de la tolva. Debido a que el material de mantiene en estado solido y protegido de la humedad dentro de la tolva, no hay posibilidad de degradacion y se puede usar esta tolva para almacenar la lactama.

e) Programacion de las velocidades de giro de la extrusora y calibracion para verificar el flujo de lactama obtenido.

f) Carga del sistema catalitico: de acuerdo con la proporcion de mezcla que se quiera utilizar, se cargan las jeringuillas y se conectan a las correspondientes tuberias de silicona. Finalmente, se colocan en el correspondiente impulsor de jeringuilla introduciendo las tuberias en la camara de mezcla.

g) Verification de la calibracion del sistema catalitico: para hacer esto, se programa de manera independiente un caudal en cada impulsor y se recoge la cantidad, que se pesara en un recipiente con tara calculada.

h) Cebado de los impulsores: se lleva a cabo un cebado de los impulsores de manera que el activador y el iniciador llenen completamente la tuberia de silicona.

i) Inyeccion del material en el interior del molde: se programa el peso de la pieza a obtener y el porcentaje de sistema catalitico. El software calcula de manera automatica los parametros de la bomba de piston en funcion de estos dos factores (peso de pieza y porcentaje de sistema catalitico). Se conecta la boquilla al molde y se comienza la inyeccion. Tras llenar el molde, la boquilla se desconecta y se dejan reaccionar.

j) Limpieza de boquilla: inmediatamente despues de desconectar el molde, se limpia la boquilla para retirar todas las trazas de caprolactama/iniciador/activador.

k) Desmoldado de la pieza: una vez que se solidifica el material, se lleva a cabo el enfriamiento de la pieza, despues de lo cual se desmolda.

l) Repeticion de inyecciones: si se van a llevar a cabo varias inyecciones consecutivas cuando haya concluido la etapa j), se puede volver a la etapa h) y llevar a cabo inyecciones en el interior de diferentes moldes. Estas coladas pueden presentar un peso diferente y porcentaje de sistema catalitico diferente modificando unicamente la proporcion de mezcla y el peso de la parte en el programa de software.

Ejemplos de funcionamiento del dispositivo de la figura 4

Ejemplo 1

Si se pretende moldear una pieza de poliamida 6 de 1,03 kg en 10 segundos (tiempo de llenado del molde) en la que la relacion de mezcla es: 100 partes de lactama (en particular, caprolactama), 2 partes de iniciador y 1 parte de activador, el procedimiento se describe a continuacion.

Se parte de una tolva 410 que contiene caprolactama suficiente y se llenan los impulsores de jeringuilla 440, 450 respectivamente con el iniciador y el activador. Se programan las resistencias 432 a 145 °C y la resistencia de la camara 460 se programa a 115 °C.

Se activan los tres sistemas de dosificacion (caprolactama, iniciador y activador). La extrusora 430 dosifica y funde la caprolactama simultaneamente desde la tolva 410 a traves del husillo plastificador 461, y la lleva hasta la camara de mezcla 460 con un flujo constante y continuo de 100 g/s durante 10 segundos.

Al mismo tiempo/en paralelo, los impulsores de jeringuilla 440, 450 dosifican el activador y el iniciador a traves de las tuberias de silicona hasta la camara de mezcla 460, con un caudal constante y continuo de 2 g/s de iniciador y 1 g/s de activador.

Los tres flujos de caprolactama, iniciador y activador se encuentran en contacto unos con otros por primera vez al entrar en la pequena cavidad de mezcla 460. Para obtener una mezcla homogenea y que se mantiene constante, la bomba de piston 462 empuja la mezcla a traves de la boquilla 461 a una velocidad de 20 empujes/s. La boquilla 461 se encuentra conectada al molde 470 calentado a 170 °C, que se llena de forma continua y en los mismos 10 segundos durante los cuales tiene lugar la dosificacion de los tres componentes. Una vez dosificados los 1,03 kg de mezcla en los 10 s programados, los medios de dosificacion (extrusora 430 y dosificadores de jeringuillas 440, 450) se detienen. Cuando ya ha tenido lugar la reaccion dentro del molde, la mezcla se vuelve solida y la pieza de poliamida 6 se extrae del molde.

Ejemplo 2

Una vez que ha concluido el procedimiento descrito en el ejemplo 1, y sin necesidad de apagar la maquina, limpiarla o introducir materia prima nueva (caprolactama, iniciador o activador), se fabrica una segunda pieza de poliamida 6, que tiene un peso de 205 g, en 4 segundos (tiempo de llenado del molde) en donde la proporcion de mezcla es: 100 partes de caprolactama, 1,5 partes de iniciador y 1 parte de activador.

Se activan los tres sistemas de dosificacion (caprolactama, iniciador y activador). La extrusora 430 dosifica y funde la caprolactama simultaneamente desde la tolva 410 y a traves del husillo plastificador 461, y la lleva hasta la camara de mezcla 460 con un caudal constante y continuo de 50 g/s durante 4 segundos.

Al mismo tiempo/en paralelo, los impulsores de jeringuillas dosifican el activador y el iniciador a traves de tuberias de silicona hasta la camara de mezcla 460, con un caudal continuo y constante de 0,75 g/s de iniciador y 1 g/s de activador.

Como en el ejemplo 1, los tres flujos de caprolactama, iniciador y activador entran en contacto entre ellos por primera vez al entrar en la pequena cavidad de mezcla 460. Para obtener una mezcla homogenea y que se mantiene constante, la bomba de piston 462 empuja la mezcla a traves de la boquilla 461 a una velocidad de 17 empujes/s. La boquilla 461 se conecta al molde 470 calentado a 165 °C, que se llena de forma continua y en los mismos 4 segundos durante los cuales tiene lugar la dosificacion de los tres componentes. Una vez dosificados los 205 g de mezcla en los 4 s programados, los medios de dosificacion (extrusora 430 y dosificadores de jeringuillas 440, 450) se detienen. Cuando tiene lugar la reaccion en el interior del molde, la mezcla se vuelve solida y la pieza de poliamida se extrae del molde.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo (100, 400) para polimerizar lactamas en moldes, que comprende:

una tolva (110, 410) para almacenar lactama solida (120, 420);

un medio de suministro de lactama (130, 430) para recibir la lactama solida (120, 420) desde la tolva (110, 410), en donde dicho medio de suministro comprende un husillo plastificador (131, 431) para fundir la lactama y simultaneamente conducir la lactama fundida de forma dosificada hacia una camara de mezcla (160, 460); estando el dispositivo caracterizado por que al usar el dispositivo (100, 400), dicho husillo plastificador (131, 431), bien por medio de un sistema de extrusion o bien por medio de un sistema de inyeccion, funde una fraccion de la lactama solida colocada en la tolva, en el extremo del husillo plastificador, y dosifica de forma continua la lactama fundida hacia la camara de mezcla (160, 460),

comprendiendo ademas el dispositivo:

un primer medio de dosificacion (140, 440) para introducir un iniciador liquido, siendo dicho iniciador liquido y estable a temperatura ambiente; un segundo medio de dosificacion (150, 450) para introducir un activador liquido, siendo dicho activador liquido y estable a temperatura ambiente;

en donde dicha camara de mezcla (160, 460) esta configurada para recibir de forma dosificada la lactama, el iniciador y el activador desde, respectivamente, dicho medio de suministro de lactama (130, 430), dicho primer medio de dosificacion (140, 440) y dicho segundo medio de dosificacion (150, 450), presentando dicha camara de mezcla (160,460) tres entradas independientes para recibir, de manera independiente, la lactama, el iniciador y el activador, para asi permitir que dichos lactama, iniciador y activador fluyan respectivamente al interior de la camara de mezcla (160, 460) poniendose en contacto entre si por primera vez en el instante inmediatamente anterior a que entre un molde (170, 470) situado junto a la camara y dispuesto para que se produzca en el interior del molde la reaccion de polimerizacion.

2. El dispositivo (100, 400) de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el primer medio de dosificacion (140, 440) para introducir el iniciador comprende un impulsor de jeringuilla unido a la primera entrada de la camara de mezcla (160, 460) y el segundo medio de dosificacion (150, 450) para introducir el activador comprende un impulsor de jeringuilla unido a la segunda entrada de la camara de mezcla (160, 460).

3. El dispositivo (100, 400) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en donde dicho medio de suministro de lactama (130, 430) comprende medios para controlar la dosificacion de lactama que accede a la camara de mezcla (160, 460) mediante el control del giro del husillo plastificador (131,431).

4. El dispositivo (100, 400) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho husillo plastificador (131,431) esta rodeado de medios de calentamiento (132, 432).

5. El dispositivo (100, 400) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio de suministro de lactama es una extrusora (130, 430) configurada para fundir la lactama en dicho husillo plastificador (131,431) y conducirla hacia dicha camara de mezcla (160, 460).

6. El dispositivo (100, 400) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas una boquilla (161,461) dispuesta entre la camara de mezcla (160, 460) y el molde (170, 470), estando dicha boquilla configurada para recibir de forma dosificada la mezcla formada por la lactama, el iniciador y el activador y para hacer llegar dicha mezcla al molde (170, 470).

7. El dispositivo (400) de la reivindicacion 5, en donde dicha extrusora (430) esta inclinada con respecto a la horizontal un angulo que varia entre 10 y 35 grados.

8. El dispositivo (400) de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en donde la camara de mezcla (460) comprende un sistema de bombeo (462) configurado para bombear de una forma sustancialmente continua la dosis de mezcla de lactama, iniciador y activador.

9. El dispositivo (400) de la reivindicacion 8, en donde dicho sistema de bombeo (462) es una bomba de piston.

10. El dispositivo (100) de acuerdo con la reivindicacion 6, en donde la camara de mezcla (160) esta configurada de forma que a su salida, el iniciador y el activador salen por la parte central de la seccion de dicha camara mientras que el flujo de lactama lo hace a traves de la parte del perimetro, de forma que es en la boquilla (161) donde los tres componentes entran en contacto por primera vez.