ES2843475T3 - Método y aparato para generar productos aptos para formación - Google Patents

Abstract

Un método de procesado de un material apto para procesado formado por al menos una primera parte de un primer material termoplástico y una segunda parte de un segundo material termoplástico diferente del primer material termoplástico, siendo el primer material termoplástico receptor frente a radiación de microondas y siendo el segundo material termoplástico sustancialmente no receptor frente a radiación de microondas, constituyendo dicho material apto para procesado un producto intermedio, que incluye las etapas de: aplicar energía térmica al material apto para procesado para calentar de manera diferencial dichas partes primera y segunda, en el que el calentamiento diferencial se proporciona por medio de radiación de microondas, en la que dicha etapa de calentamiento diferencial provoca que la viscosidad de dicha primera parte se vea reducida para permitir que dicha primera parte fluya, mientras que la viscosidad de dicha segunda parte se mantiene sustancialmente sin modificación o se ve reducida en menor medida que la primera parte por medio de dicha etapa de calentamiento diferencial, y en el que la reducción de viscosidad de la primera parte es suficiente para permitir que todo el material apto para procesado fluya; y formar o conformar dichas partes primera y segunda de dicho material apto para procesado para generar, de este 15 modo, un producto.

Description

DESCRIPCIÓN

Método y aparato para generar productos aptos para formación

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método de procesado de material, un sistema de procesado de material y un material apto para procesado. Las realizaciones preferidas se refieren a un método y un aparato para generar productos aptos para formación tales como productos poliméricos y materiales termoplásticos que, en las realizaciones preferidas, pueden proporcionar una fabricación más eficaz de materiales de producto por medio de un proceso de calentamiento selectivo a través del espesor usando radiación electromagnética.

Antecedentes de la invención

El documento US 6346210 B1 divulga un método de conformación de materiales poliméricos basado en susceptor. El documento US 5139407 divulga un aparato para reducir el tiempo de ciclado en molde de compresión de material termoplástico.

La definición ampliamente aceptada de termoplástico es un material susceptible de reblandecimiento o fusión cuando se calienta y de endurecimiento posterior cuando se enfría. Los materiales termoplásticos se usan ampliamente para formar productos en casi todos los sectores industriales y casi todos los productos de consumo. El procesado de polímeros termoplásticos típicamente implica tomar pellas termoplásticas y fundir/reblandecer mediante la aplicación de energía térmica seguido de re-conformación y enfriamiento. Esta etapa principal del proceso de conversión puede tener como resultado la formación de productos que se encuentren listos para su comercialización, por ejemplo, en un proceso de moldeo por inyección. No obstante, la etapa principal también puede tener como resultado la generación de un "producto intermedio", tal como un parisón o lámina, para su uso en un proceso de conversión de etapa secundaria; en caso de que el parisón sea para uso en moldeo por soplado y en caso de que la lámina sea para uso en termoformación. Esta etapa secundaria del proceso de conversión utiliza una característica inherente importante de los materiales termoplásticos, es decir; también implica calentamiento, re-conformación y enfriamiento del material para formar productos. La capacidad de los materiales termoplásticos para experimentar muchos ciclos de calentamiento, re-conformación y enfriamiento los convierte en ideales para etapas terciarias y sucesivas. También permite el reciclaje de los materiales al final de la vida del producto principal a través de etapas de procesado similares.

Desde el punto de vista de fabricación y termodinámico, las dos subetapas críticas en la conversión de los materiales termoplásticos en productos son calentamiento y enfriamiento. Esto se debe al hecho de que una u otra de las etapas de calentamiento o enfriamiento determinan la velocidad, es decir, determinan la velocidad de producción, en casi todos los procesos de conversión. El motivo para ello son dos propiedades típicas adicionales de los termoplásticos, ya que típicamente son conductores pobres de energía térmica (es decir, aislantes), con conductividades térmicas que varían típicamente dentro del intervalo de 0,1 a 0,6 W.m-1.k-1 y que, por definición durante la subetapa de re­ conformación, no se manipulan de forma sencilla, es decir, requieren tiempo para el enfriamiento y solidificación, típicamente referido como su temperatura de desmoldado.

En los procesos convencionales de conversión termoplástica, típicamente se transfiere calor a los materiales termoplásticos por medio de calentamiento por radiación o contacto. La energía radiante, comúnmente denominada infrarrojo, tiene una longitud de onda dentro del intervalo de 1 a 10 micrómetros y penetra los materiales absorbentes hasta una profundidad de aproximadamente 1 a 2 micrómetros antes de que la mitad de la energía disponible se haya disipado en forma de calor. El proceso de transferencia térmica desde la fuente térmica y dentro del material termoplástico es a través de conducción en el caso de un material sólido y una combinación de mezcla de conducción, convección y mecánica en el caso de materiales fundidos. Similarmente, el calentamiento por contacto se basa en conducción (o una combinación de conducción, convención y mezcla) desde la superficie de contacto caliente para calentar el "volumen" del material.

Esto tiene como resultado un intervalo de tiempo considerable en la transferencia de calor desde las superficies externas del material hasta el centro de su volumen con el fin de elevar la temperatura del volumen completo hasta un nivel apropiado para que tenga lugar el procesado. Esto resulta especialmente desventajoso en situaciones en las que el material a calentar exhibe una relación elevada de volumen con respecto a área superficial, por ejemplo, en una lámina gruesa. Una limitación principal con respecto al flujo-térmico convencional es la temperatura máxima superficial permitida de la pieza de trabajo. A medida que se calienta el material desde la parte exterior al interior, puede haber degradación de la superficie del material.

Además, el tiempo considerable que tarda el calentamiento del material polimérico en el equipo convencional conduce a la fusión del material a lo largo de todo el volumen.

Algunas de las técnicas de procesado conocidas implican lo siguiente:

a) Termoformación de lámina gruesa. La técnica tradicional de calentamiento requiere que la lámina se retire periódicamente de la fuente térmica y se permita la "inmersión", es decir se permita que la energía térmica alcance una distribución más uniforme, con el fin de evitar que el material, en la superficie externa, se sobrecaliente y se degrade.

b) Moldeo por soplado. Esta técnica de calentamiento tiende a calentar partes del material polimérico en las cuales no se desea la deformación por globos. Por consiguiente, dichos sistemas típicamente requieren el empleo de un mecanismo de enfriamiento elaborado, tal como chorro de aire frío, para mantener las áreas del parisón fuera del enfriamiento del molde. Además, con dichos sistemas convencionales de calentamiento, no resulta práctico calentar diferentes secciones del volumen polimérico hasta diferentes temperaturas. Esto puede resultar ventajoso, por ejemplo, cuando se desea crear diferentes propiedades físicas dentro del propio producto moldeado por soplado (tal como áreas múltiples de diámetro, espesor de pared variable o múltiples áreas que consisten en materiales diferentes a calentar a diferentes temperaturas);

c) Extrusión. En este caso, generalmente, se requieren máquinas grandes, costosas y complicadas para calentar los polímeros de forma homogénea. Dichas máquinas usan una combinación de mezcla, normalmente por medio de dispositivos tales como un tornillo rotatorio (que genera elevadas fuerzas de cizalladura) y conducción térmica simultánea a través de las superficies internas calientes de los elementos del extrusor. Estos procesos son ineficaces y el tiempo de procesado de los polímeros dentro del recipiente del extrusor y la cabeza es bastante prolongado. Los tiempos de procesado prolongados pueden tener un efecto significativo de degradación de los polímeros que se usan y, a su vez, de las propiedades físicas del producto sometido a extrusión. Existen también problemas presentes en el enfriamiento de los productos poliméricos sometidos a extrusión, incluyendo la longitud requerida del baño de enfriamiento, la necesidad de disponer de dispositivos de soplado para secar la fracción sometida a extrusión tras el enfriamiento en un baño de enfriamiento y la necesidad de enfriar rápidamente los polímeros calientes en la fracción sometida a extrusión para minimizar los efectos del tiempo de calentamiento prolongado del material polimérico que se somete a extrusión.

El procesado, a través de diversos medios, de los materiales plásticos auto-reforzados (como ejemplo de fibra o cinta de polipropileno altamente orientado con una matriz copolimérica de polipropileno o polipropileno/polietileno (no orientado)), donde la aplicación de calor para permitir la formación y/o la unión de la(s) capa(s) del material puede conducir a la reversión del polímero orientado y la pérdida de las propiedades mecánicas (en particular cerca de las superficies, como se ha comentado con anterioridad). La única alternativa en la actualidad consiste en someter el volumen completo de material a una cantidad menor de calor durante un período de tiempo considerablemente más prolongado para "sumergir térmicamente" (es decir, proporcionar tiempo para permitir la redistribución del calor) el material a una temperatura por encima del punto de reblandecimiento/fusión de una capa externa (co)polimérica, pero manteniendo ésta por debajo del punto de cambio de fase de refuerzo del material para minimizar la reversión de la orientación molecular y la posterior pérdida de rendimiento.

Existe un número de ecuaciones empíricas y fundamentales o leyes que resultan aplicables a la tasa de transferencia térmica en dicho sistema; tal como la ley de enfriamiento de Newton y la Ley de Conducción de Fourier. La tasa de transferencia térmica (RHT) asociada a un proceso de transferencia térmica por conducción generalmente se puede describir por medio de la relación: RHT = f(A, Ct, Delta T), donde A es el área disponible para la transferencia térmica, Ct es la conductividad térmica del material, y Delta T es la fuerza de accionamiento de la temperatura disponible, que disminuye con el tiempo a medida que aumenta la temperatura del material que se calienta. Como se ha comentado previamente la conductividad térmica, Ct, de los termoplásticos no modificados es inherentemente baja, impidiendo de este modo la transferencia térmica en un sistema convencional de calentamiento radiante o por contacto. Además, el proceso de conducción térmica tiene como resultado la fusión del material en todo su volumen completo, lo cual conduce a un gradiente de temperatura indeseable, altamente dependiente de la distribución de espesor o la geometría de la pieza que se calienta, tal como una lámina. A modo de contraste, las microondas tienen una longitud de onda de aproximadamente 12,2 cm, que es grande en comparación con la longitud de onda del infrarrojo. Las microondas pueden penetrar hasta una profundidad mucho mayor, típicamente varios centímetros, en los materiales absorbentes, en comparación con la energía radiante o los infrarrojos, antes de que se disipe la energía disponible en forma de calor. En los materiales que absorben microondas, la energía de microondas se usa para calentar el material "volumétricamente" como consecuencia de la penetración de las microondas a través del material. No obstante, si el material no es buen absorbente de microondas, es esencialmente "transparente" a la energía de microondas.

Las microondas pueden penetrar los materiales absorbentes hasta varios centímetros antes de que la energía disponible se disipe en forma de calor. Las ventajas del calentamiento por microondas incluyen: calentamiento rápido, volumétrico, energéticamente eficaz e instantáneo; calentamiento controlable; calentamiento no superficial, sin contacto (se eliminan los riesgos de degradación polimérica). La tecnología de microondas se ha aplicado durante muchos años tanto al procesado de alimentos como al secado (eliminación de agua) de diversos materiales. Más recientemente, el desarrollo de microondas ha permitido la aplicación industrial de microondas en muchos campos alternativos tales como:

a) curado y vulcanizado de plásticos y caucho;

b) reciclaje por microondas de neumáticos y arena de fundición;

c) medición de humedad basada en microondas y secado para el procesado polimérico;

e) procesado asistido por microondas de fracciones de pozos de perforación para la recuperación y reutilización de petróleo; y

e) calentamiento por microondas combinado y técnicas de lecho fluidizado para la industria alimentaria.

Se puede calentar un número de materiales por medio de absorción de microondas. Esto se puede lograr por medio de un mecanismo de calentamiento dipolar e implica el movimiento estimulado de dipolos permanentes y/o cargas, ya que pretenden oscilar en afinidad con la onda electromagnética oscilante que se mueve a través del material. De este modo, se calienta el material por medio de agitación molecular y transferencia de calor viscosa posterior hasta los átomos y moléculas vecinas. Otros materiales se calientan a través de calentamiento óhmico (resistencia), a medida que el campo eléctrico de la onda electromagnética estimula el flujo de corriente dentro del material. Otros mecanismos de calentamiento por microondas incluyen mecanismos de calentamiento magnético y de Maxwell-Wagner y se describen en Meredith "Industrial Microwave Heating", A.C. Metaxas y R.J. Meredith IEE, Mayo 1983 (ISBN 0-90604­ 889-3). El grado al cual se calienta el material en presencia de un campo de microondas viene definido por su factor de pérdida dieléctrica (conocido también como tangente de pérdida o permisividad dieléctrica compleja), en efecto, una medida de la fuerza de interacción entre el material y la onda electromagnética. Este calentamiento es un efecto volumétrico o en volumen.

También se pueden usar agentes absorbentes como aditivos en material plástico para convertir el material en apto para calentamiento por medio de radiación electromagnética (normalmente microondas). Otros agentes, añadidos a los materiales poliméricos para modificar o mejorar determinadas propiedades, también confieren aptitud de calentamiento del polímero. Un absorbente común de microondas usado como aditivo es negro de carbono. El negro de carbono se ha incorporado a neumáticos de caucho para mejorar el desgaste del neumático. Este material se calienta a través de calentamiento óhmico (resistencia).

También se pueden usar agentes absorbentes como aditivos en material plástico para convertir el material en apto para calentamiento por medio de radiación electromagnética (receptor), normalmente microondas. Estos incluyen zeolitas, polvo de talco, ZnCl2, nailon, cobre y otros polvos metálicos, óxido ferroso, óxido manganeso, materiales cerámicos y óxidos (por ejemplo, Co2O3, MnO2, SiC, Al2O3, NaTiO3, MgTiO4 etc.). Un absorbedor común de microondas usado como aditivo es negro de carbono. El negro de carbono se ha incorporado a neumáticos de caucho para mejorar el desgaste del neumático. Este material se calienta en un campo de microondas a través de calentamiento óhmico (resistencia) y se ha usado para facilitar el curado y el vulcanizado del caucho sometido a extrusión. A DC la resistencia del material se aproxima a infinito. No obstante, la capacitancia de dispersión producida por el polímero (que actúa como dieléctrico entre las partículas de negro de carbono intercaladas en el material) tiene una baja reactancia. A frecuencia elevada, la resistencia eficaz del material, por tanto, es bastante baja, lo que permite que la corriente fluya entre estos elementos capacitivos, dando como resultado un calentamiento I2R del material. Otros agentes, añadidos a los materiales poliméricos para modificar o mejorar determinadas propiedades, también confieren "aptitud de calentamiento" mejorada al polímero.

Una alternativa más deseable consiste en diseñar el polímero para que sea receptor mediante la incorporación de grupos polares (tales como CO) en la cadena polimérica. La principal limitación de los polímeros receptores modificados está en su diseño y síntesis, es decir, la incorporación de especies receptoras apropiadas (CO, ECO, EVA) a la matriz polimérica, para lograr una elevada pérdida dieléctrica sin detrimento de las propiedades físicas, químicas y mecánicas o el coste.

En conclusión, generalmente, los materiales poliméricos son débilmente absorbentes, presentan pobre conductividad térmica y resultan vulnerables a los puntos calientes ya que el factor de pérdida dieléctrica y la absorción aumentan con la temperatura ("inestabilidad térmica"). La ausencia de materiales ha impedido el desarrollo de dichos materiales en el procesado polimérico. Normalmente, los aditivos tienen pronunciados efectos visuales, físicos o químicos que pueden resultar indeseables. Además, cuando se usan aditivos como agentes de sensibilización, se debe lograr una distribución uniforme para evitar los "puntos calientes" que puedan dar lugar a resultados irregulares y daño al polímero. Como se ha comentado previamente, la mayoría de los plásticos (mercancías) absorben de forma débil. Para calentar rápidamente dichos materiales, los microondas se confinan de manera óptima dentro de una cavidad metálica (reflectante), permitiendo la creación de una onda permanente a intensidades de campo eléctrico elevadas. No obstante, el patrón de campo en las cavidades "multimodales" grandes (tamaño >86 mm) es una onda permanente y, con ello, existen puntos calientes no uniformes que provocan un calentamiento no uniforme del material. Los hornos de cavidad multimodal usan agitadores modales y ajustables para modificar el patrón de campo y obtener un calentamiento más uniforme a costa de la eficiencia; esto no puede proporcionar el nivel de uniformidad necesario para el procesado polimérico. Quedan pequeñas desviaciones en la densidad energética y éstas se amplifican dentro del polímero debido a la combinación de inestabilidad térmica y conductividad térmica pobre de estos materiales, lo que evita la redistribución de calor. El resultado son puntos de fusión locales y degradación.

Los sistemas de "secado" reticulados amplios usan un aplicador de tipo meandro a través del cual pasa el material. Esto es una guía de ondas de cámara individual larga con forma de zigzag. Se coloca un magnetrón en un extremo de la cámara y se inyecta energía de microondas. Ésta se alimenta a través de la cámara, perdiendo aproximadamente un 20% de su energía con cada paso a través del zigzag. Se coloca una carga de agua en el otro extremo de la cámara para absorber cualquier energía que quede. Para permitir la carga de trabajo a través del campo-E en el punto correcto, se corta una rendija a través de la cara amplia de cada paso del aplicador en el plano del zigzag. Para consumir incluso una cantidad relativamente modesta de potencia, el aplicador debe realizar varios pasos de la carga de trabajo. Las intensidades de campo generadas por dicho sistema son también relativamente bajas, típicamente 30 veces más pequeñas que en un sistema resonante con alimentación similar. El tipo meandro del sistema no se puede modificar para operar como sistema resonante, debido a las longitudes grandes de la guía de ondas que entran en juego. Con el fin de mejorar la uniformidad, los pasos se disponen de manera que las ondas generadas estén fuera de fase de un paso al siguiente, no obstante, una pérdida de un 20% de un paso a otro significa que la aplicación de energía todavía no es uniforme. También, las inestabilidades en el rendimiento del generador de microondas más las reflexiones negras provocadas por la rendija, la carga de trabajo y los pliegues distorsionan el patrón de campo, dando como resultado la falta de uniformidad. Este tipo de sistema se adapta bien a aplicaciones de secado, ya que se proporciona receptividad por parte del elemento a eliminar (humedad). Una vez que se ha eliminado la humedad, el material está seco y, de este modo, es no receptor, evitando la inestabilidad térmica, el sobrecalentamiento o la combustión del mismo. La energía de microondas aplicada puede ser no uniforme y requerir el control limitado. De este modo, dichos sistemas fallan a la hora de proporcionar uniformidad, eficiencia energética e intensidades de campo eléctrico elevadas, necesarias para la presente aplicación.

Se ha usado energía de microondas, por ejemplo, para secar estructuras planas tales como tejidos húmedos. El agua es sensible a microondas (en particular a una frecuencia de 2,456 GHz) y se evapora si se expone a una energía de microondas suficiente durante un período de tiempo suficiente. No obstante, los tejidos son típicamente transparentes a las microondas, dando como resultado de este modo que las microondas se focalicen en el agua, que es esencialmente el único componente sensible a microondas del material. La energía de microondas también se ha usado para calentar otros materiales, tal como en las siguientes referencias.

El documento US-A-5.519.196 divulga un revestimiento polimérico que contiene óxido de hierro, carbonato cálcico, agua, silicato de aluminio, etilenglicol y líquidos minerales, que se usa como capa interna en un recipiente para alimentos. La capa de revestimiento se puede calentar por medio de energía de microondas, provocando de este modo que el alimento del recipiente se tueste o dore.

El documento US-A-5.070.223 divulga materiales sensibles a microondas y su uso como depósitos térmicos en juguetes. Los materiales sensibles a microondas divulgados incluyen ferrita y aleaciones de ferrita, carbono, poliésteres, aluminio y sales metálicas.

El documento US-A-5.338.611 divulga una tira polimérica que contiene negro de carbono usada para unir sustratos termoplásticos.

El documento WO-A-2004/048463 divulga composiciones poliméricas que se pueden calentar de forma rápida bajo la influencia de radiación electromagnética, y aplicaciones y métodos de procesado relacionados.

Por ejemplo, se sabe en la técnica que las microondas se pueden aplicar en el calentamiento y procesado de un tubo polimérico para posterior moldeo por soplado de un producto médico, como se describe en el documento US-A-2003/183972, titulado "Method and apparatus for extruding polymers employing microwave energy". Se divulga un aparato de extrusión de polímeros que utiliza energía de microondas para calentar el material de partida polimérico dentro de la punta del dispositivo de extrusión y la unidad de boquilla antes de la formación del producto sometido a extrusión. Este método emplea energía de microondas por todo el volumen del material que calienta todo el material. Ejemplos adicionales usan microondas para convertir en adhesiva una capa de unión de polímero y, de este modo, soldar dos artículos de polímero de manera conjunta (documento US-A-4795665) o formar un sellado (documento US-A-4600614).

El documento EP-B-1115770 divulga un sistema adhesivo para formar juntas pegadas reversibles, en las que se añade un grupo molecular a un material para mejorar la receptividad del material frente a la energía de microondas. Se describe un método en el que las juntas normalmente irreversibles se hacen reversibles mediante la adición de un componente receptor de microondas al material de matriz a nivel molecular (por ejemplo, por medio de copolimerización). Un ejemplo de trabajo de esto es un adhesivo de poliuretano de curado por humedad basado en diisocianato de difenilmetano y poliéterpoliol. A esto, se añaden las especies receptoras, en este caso el complejo de bromuro de litio/triamino-etilamina. El receptor se mezcla con los componentes adhesivos antes del moldeo a un 3% en masa. En el caso de la presente divulgación, el componente receptor de microondas está diseñado para provocar una reacción química de modo que el adhesivo se vea debilitado (por medio de escisión de la cadena molecular) para el desmontaje de las piezas.

Una limitación clave al uso de microondas para el calentamiento de materiales poliméricos es la baja receptividad de microondas de muchos polímeros útiles. La baja receptividad de microondas de los polímeros requiere, de este modo, bien potencias elevadas o bien tiempos de irradiación prolongados para el calentamiento de dichos sistemas poliméricos. En los polímeros diseñados específicamente para absorción de microondas, con frecuencia existe una compensación entre sus propiedades de microondas, térmicas y mecánicas, es decir, las propiedades mecánicas y térmicas con frecuencia son menores de lo deseado.

Sumario de la invención

La presente invención pretende proporcionar un método mejorado y un sistema para la generación de productos aptos para formación tales como polímeros y materiales termoplásticos y un material apto para formación.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un método procesado de un material como se especifica en la reivindicación 1.

Los métodos mostrados en la presente memoria proporcionan el calentamiento de únicamente una parte del material objeto de procesado para formar un producto. Como resultado de ello, la cantidad de energía necesaria a aportar al material objeto de procesado es menor y el tiempo requerido para producir el producto, incluyendo el tiempo necesario para enfriar el producto tras la formación o conformación, se reduce sustancialmente, en comparación con los sistemas de la técnica anterior. Los ensayos iniciales por parte de los inventores han mostrado reducciones considerables de los tiempos de producción, con ahorros considerables de coste y energía.

El calentamiento diferencial de las partes primera y segunda del material puede ser mediante las propiedades de los materiales que forman las partes primera y segunda y/o el calentamiento controlado del material, como se explica a continuación.

En una realización, el material está formado por al menos unas capas primera y segunda, comprendiendo cada capa una o ambas de dichas partes primera y segunda de material.

En otra realización, las partes primera y segunda están formadas por un primer y segundo materiales granulares. Ventajosamente, la etapa de calentar de manera diferencial dicha primera parte provoca la fusión de dicha primera parte.

En algunas realizaciones, el método incluye la etapa de proporcionar el calentamiento de dicha segunda parte por medio de transferencia térmica por conducción o convección a partir de dicha primera parte. El calentamiento por conducción o convección puede provocar la fusión de la segunda parte.

La etapa de calentamiento diferencial puede aplicar energía térmica a sustancialmente la totalidad del material. Se puede proporcionar por medio de energía electromagnética, por ejemplo, por medio de radiación de microondas. Una realización incluye al menos una de:

a) distribuir dicha energía electromagnética de manera sustancialmente uniforme por todo el citado material; o b) direccionar dicha energía electromagnética hacia regiones seleccionadas del material para calentar esas regiones. La primera parte del material puede estar distribuida de manera sustancialmente uniforme por todo el material o se puede ubicar localmente para lograr un perfil de temperatura variable en el material.

La etapa de calentamiento de la primera parte del material, preferentemente, permite que todo el material se mezcle, transfiera, sea conformado, sea sometido a estampación, se inyecte o sea sometido a extrusión para formar un producto.

En una realización, el método se pone en práctica sobre un monómero, oligómero o polímero de bajo peso molecular. Preferentemente, el material incluye una o más de:

una fase de material apto para calentamiento por medio de radiación electromagnética, siendo dicha fase la primera parte;

dos o más fases aptas para calentamiento por medio de radiación electromagnética con diferente alcance, siendo dichas fases o incluyendo las partes primera y segunda.

El material puede ser o puede incluir un material en forma de capas, granular, líquido o un gel.

Las partes pueden ser capas diferentes, componentes granulares diferentes, líquidos diferentes o geles. El material puede ser un polímero cristalino, semicristalino o amorfo.

En una realización, el material se procesa por medio de una técnica de procesado en masa fundida que preferentemente incluye al menos uno de: moldeo por inyección, extrusión, moldeo por extrusión-soplado, moldeo por transferencia o moldeo por inyección-expansión.

La etapa de calentamiento diferencial puede incluir el suministro de calentamiento dirigido al material. Dicho calentamiento dirigido se puede proporcionar orientando la energía térmica sobre las partes del material objeto de procesado. Se puede proporcionar un conjunto de antena orientable.

Ventajosamente, la segunda parte actúa como sumidero térmico para absorber la energía térmica procedente de dicha primera parte tras dicha etapa de calentamiento diferencial. Esto tiene la ventaja significativa de contribuir a la reducción de temperatura de la parte calentada del material y, con ello, a la reducción del tiempo de procesado.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema de procesado de material como se especifica en la reivindicación 16.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un material apto para procesado como se especifica en la reivindicación 24.

Las realizaciones preferidas aprovechan la receptividad relativa de los diferentes materiales y a través de su combinación en diversas geometrías y proporciones para llevar a cabo:

a) calentamiento selectivo;

b) la capacidad para variar la densidad energética y la ubicación.

Se aprecia que el término "calentado" y la expresión "no calentado" son términos y expresiones relativas y puede existir una escala móvil de calentamiento. También se aprecia que se pretende que el término calor haga referencia a un aumento de temperatura.

Aunque las técnicas de moldeo de la técnica anterior hayan calentado por completo el material que es preciso hacer fluir, los inventores han descubierto que, en muchos casos, resulta necesario fundir o reblandecer únicamente una proporción del material. Con tal de que esta proporción sea suficiente para que el volumen de material sea capaz de fluir y, con ello, permita la transferencia del material de formación a un molde o a través de una boquilla para formar el material y conferir la forma del producto final. Las proporciones relativas de material calentado frente a no calentado vienen dictadas por el proceso al cual se aplica la invención y el requisito de rendimiento del producto formado. Por ejemplo, ésta puede ser tan pequeña como un 5% calentado y un 95% no calentado para un producto moldeado por compresión altamente reforzado o, por el contrario, un 95% calentado y un 5% calentado en un producto termoconformado no reforzado.

Mediante la selección de materiales que no son receptores de radiación electromagnética (microondas), y aquellos que son receptores, bien en su estado natural o a través de la adición de ciertos aditivos de pos-procesado, y la combinación de dos materiales de forma conjunta de modo alguno, existe la posibilidad de aplicar energía térmica a únicamente aquellas partes del componente que sean "receptoras" (a la energía de microondas). Esto aporta un número de oportunidades, no sólo desde menores requisitos energéticos, y tiempo de ciclado total, sino también en términos de procesado y rendimiento físico y químico de los materiales/productos.

Los inventores han previsto que múltiples estructuras se puedan beneficiar del procesado por medio de procesado de calentamiento selectivo, y éstas pueden variar desde partículas no receptoras altamente distribuidas rodeadas por otros materiales de matriz receptora, hasta regiones predefinidas y altamente ordenadas de materiales con grado de receptividad variable frente a la energía de microondas.

De este modo, en una de las realizaciones preferidas, el material bruto retiene una parte en estado no fundido o no reblandecido durante la etapa de calentamiento. No obstante, la proporción o parte del material bruto que permanece más sólida o más dura es ventajosamente de una forma o tamaño que permite que la totalidad del material bruto fluya de manera sustancialmente uniforme una vez que la parte apta para calentamiento se ha fundido o reblandecido.

Preferentemente, el calentamiento se proporciona por medio de energía electromagnética, que puede ser radiación de microondas.

Ventajosamente, la frecuencia y/o longitud de onda de la radiación electromagnética se escoge para interaccionar más intensamente con la parte de material objeto de calentamiento. En una realización, la energía electromagnética se dirige únicamente hacia las regiones seleccionadas del material para calentar preferentemente esas zonas. Extrapolando estos conceptos, los inventores han previsto un método y un sistema que proporciona el uso controlado de radiación electromagnética variable dirigida o controlada con el fin de calentar un material e inducir un patrón de temperatura deseado dentro del mismo. A su vez, esto permite la dilatación controlada del material durante las operaciones del proceso tales como moldeo por soplado, termoformación y similares, para formar piezas tridimensionales. Cuando partes predeterminadas del material se dilatan en diferente grado como consecuencia del estado térmico alcanzado, el diseño de la pieza puede aprovechar el espesor óptimo de todas las partes de la pieza, el cual se puede predeterminar para optimizar el uso del material. Por ejemplo, actualmente cuando se hace referencia a piezas de extracción profunda, normalmente el material comienza como una lámina gruesa para permitir que la formación de paredes de extracción profunda de la pieza final alcance un determinado espesor mínimo. En dicho proceso convencional, el material se calienta de manera uniforme, dando como resultado una "capacidad de dilatación" igual de la membrana y, por tanto, al mismo tiempo que las paredes reducen significativamente su espesor durante la operación, la base de la pieza permanece gruesa. Como resultado de ello, el material en efecto se malgasta. Mediante la inducción de una temperatura elevada en la base de dicha pieza con respecto a las paredes durante la operación de formación, como se muestra en la presente memoria, se soluciona o reduce sustancialmente este problema de malgasto.

Preferentemente, la densidad de energía electromagnética, la atmósfera y la temperatura se controlan para optimizar el procesado del polímero.

Ventajosamente, la exposición de la fase de absorción electromagnética se ve afectada a temperaturas elevadas.

La parte del material calentada permite, de manera ventajosa, que todo el material se mezcle, transfiera, sea conformado, sea estampado, se inyecte o sea sometido a extrusión para formar un producto; el material se comporta de manera que fluye de modo generalmente uniforme.

Preferentemente, el método se lleva a la práctica en un monómero, oligómero o polímero de bajo peso molecular. La etapa de calentamiento puede inducir una polimerización in-situ del monómero o polímero de bajo peso molecular.

En la realización preferida, el material incluye uno o más de los siguientes:

a) una o más fases de material eficazmente transparente frente a la radiación electromagnética y, por tanto, sustancialmente no apto para calentamiento; y

b) una o más fases de material apto para calentamiento por medio de radiación electromagnética o dos o más fases aptas para calentamiento por medio de radiación electromagnética en diferente grado.

La fase o fases aptas para calentamiento pueden ser de la misma naturaleza polimérica que una fase no apta para calentamiento, pero modificadas para que sean absorbentes. El material apto para calentamiento puede ser un material polimérico natural o sintético en su totalidad o en parte. En una realización, el material es negro de carbono.

Preferentemente, el material está en forma de polvo, gránulos, pellas o astillas no uniformes, líquido o gel. El material puede ser un polímero cristalino, semicristalino o amorfo. En algunas realizaciones, el material incluye uno o más de colorantes, materiales de relleno de refuerzo o expansión, y aditivos funcionales. Los aditivos funcionales pueden incluir retardantes de llama, materiales de relleno, coadyuvantes de procesado, nano-materiales de relleno o nanocomposites y similares.

Preferentemente, se usa una técnica de procesado en masa fundida para procesar el material, que puede ser moldeo por inyección, extrusión, moldeo por soplado-extrusión o moldeo por transferencia y moldeo por expansión e inyección.

La invención también se amplía a un sistema de procesado de producto que incluye medios para proporcionar calentamiento selectivo a un material objeto de procesado.

Los inventores han descubierto que haciendo uso de la propiedad de que algunos materiales experimentan calentamiento de forma sencilla por microondas (en particular aquellos que exhiben un momento dipolar permanente) y alguno no (un fenómeno conocido como calentamiento selectivo), es posible mejorar de forma sustancial la fabricación de materiales termoplásticos y otros materiales transferidos. Las realizaciones preferidas de la presente invención pretenden mejorar la eficiencia de dichos métodos conocidos en la técnica y pueden también proporcionar el calentamiento selectivo de únicamente esa región o proporción del material necesaria para dar lugar a la forma del producto final.

De este modo, las realizaciones preferidas van destinadas al concepto de una conversión más eficaz de materiales usando radiación electromagnética, mediante calentamiento selectivo de una proporción del volumen del material termoplástico, siendo esa proporción suficiente para convertir al material en apto para procesado a través de cualquier medio seleccionado, por ejemplo, cualquier técnica de formación (y enfriamiento) posterior (aguas abajo). Se pretende que la expresión "apto para procesado" haga referencia a la provisión de un estado fundido o reblandecimiento suficientes de una proporción del material termoplástico con el fin de que el plástico en volumen se pueda bien mezclar, transferir, conformar, someter a estampación, inyectar, someter a extrusión, y similares, para formar un producto. El calentamiento del material (denominado en la presente memoria "sustrato" se logra por medio de exposición del mismo a energía electromagnética (especialmente microondas), presentando este tipo de radiación la capacidad de penetrar a través del volumen completo del sustrato y de ser absorbida preferentemente en regiones en las que las condiciones sean favorables.

Mediante la aplicación de radiación electromagnética (por ejemplo, microondas), se puede generar calor de manera muy local en una región predeterminada del volumen o pieza de este modo. La cantidad de energía aplicada de este modo se puede controlar con precisión y se puede concentrar, ya que otras regiones constan de material no absorbente, transparente frente a la radiación usada (por ejemplo, polipropileno no tratado y polietileno son transparentes a la radiación de microondas). De este modo, se puede reducir la energía usada, se pueden acortar los tiempos de ciclado y se pueden adaptar y optimizar las propiedades mecánicas y otras del material final, con respecto a diversos requisitos y aplicaciones.

Las realizaciones preferidas diseñan a propósito el material y/o la técnica de calentamiento, para que existan sitios dentro del material que sean bien favorables o bien no favorables en cuanto a la absorción de energía electromagnética. Los sitios que son de absorción favorable se calientan de forma rápida y sencilla bajo el efecto de la energía electromagnética, mientras que los sitios que no son de absorción lo hacen en un grado mucho menor. En otras palabras, únicamente una proporción especificada del volumen del sustrato se ve afectada de forma intensa por la energía electromagnética, con respecto a otras regiones o partes. De este modo, se podría describir el efecto logrado como la producción de "puntos calientes" dentro del material objeto de procesado. No obstante, en los sistemas de calentamiento convencionales, los puntos calientes también pueden surgir de manera indeseada debido a la distribución no homogénea de la densidad energética. Los inventores prevén que la aplicación de energía uniforme, controlada y de alta intensidad (usando el modo individual) se puede aprovechar para solucionar la formación de puntos calientes y permitir el calentamiento de áreas selectivas de manera fiable y predecible.

Esta absorción selectiva proporciona el aumento de un número de características. Principalmente, la energía electromagnética interacciona únicamente con determinadas regiones específicas del sustrato y éstas aumentan de temperatura cuando está presente la energía electromagnética. El calentamiento de las regiones no afectadas dentro del material únicamente sucede después de la acción de conducción térmica y otros de los citados mecanismos: Realmente a medida que se calienta un volumen menor de material bruto (y a través de un medio más rápido y más eficaz), el material se puede convertir a un estado apto para procesado en un tiempo más rápido y/o potencialmente usando menos energía. Además, el material contiene menos energía térmica que la que normalmente estaría presente en el material bruto completo que se ha calentado. De este modo, existen ahorros energéticos considerables. También tienen lugar ahorros considerables de tiempo para el proceso de conversión. Se reduce el ciclo de calentamiento, no solo debido a que el mecanismo de calentamiento por microondas tiene lugar de forma rápida por todo el volumen (al contrario que el método normal más lento de conducción térmica), sino también debido a que se calienta menos material. El ciclo de enfriamiento también se reduce ya que, tras el procesado, las regiones de material no calentadas actúan como sumideros térmicos de manera eficaz para extraer calor fuera de las regiones calentadas circundantes, mejorando de forma significativa la tasa de enfriamiento global del material bruto.

Las realizaciones preferidas se pueden usar para el calentamiento selectivo/por microondas de los materiales poliméricos termoplásticos. Con respecto al procesado polimérico, esta tecnología ofrece muchas ventajas para diseñadores y procesadores, que incluyen:

a) calentamiento selectivo (absorción energética selectiva):

de una mezcla polimérica específica dentro del volumen, de las regiones específicas de material bruto (por ejemplo, moldeo por soplado u operaciones de formación a vacío),

del material de muestra y no de otros elementos del aparato de procesado tales como el equipo auxiliar o utillaje, alternativamente, del utillaje y el equipo auxiliar para las técnicas de procesado tales como moldeo rotativo;

b) calentamiento rápido a través del espesor (penetración energética);

c) tiempos de ciclado de calentamiento/enfriamiento drásticamente reducidos (alta velocidad);

d) alta eficiencia energética;

e) otras ventajas ambientales - menores emisiones (es un proceso seco y sin generación de vapores) y mayor potencial de reciclaje (permitiendo un uso más amplio de componentes de material individual auto-reforzado);

f) conservación de propiedades en piezas auto-reforzadas (reduce el riesgo de reversión);

g) mayor productividad;

h) mejor calidad y resistencia de la pieza;

j) minimización de la degradación térmica debida a un menor tiempo de residencia en el proceso térmico y, por tanto, se pueden reducir los aditivos de estabilización térmica en la formulación polimérica.

j) distribución óptima de material, en particular calentamiento variable controlado o dirigido a través del espesor.

Por consiguiente, las consideraciones de la presente memoria pueden proporcionar procesos y materiales poliméricos que faciliten el calentamiento rápido y volumétrico del polímero que usa la energía de microondas. Adicionalmente, pueden proporcionar procesos y materiales poliméricos que tengan la capacidad de calentar o fundir únicamente una parte del material polimérico, suficiente para convertir el material bruto en apto para fluencia, facilitando la conformación o el procesado posterior del polímero.

Sumario de los dibujos

Las realizaciones de la presente invención se describen a continuación, a modo únicamente de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es un diagrama esquemático de una realización de la estructura de material destinada a proporcionar el calentamiento selectivo del material;

La Figura 2 es un diagrama esquemático de un ejemplo específico de la realización de la estructura mostrada en la Figura 1;

La Figura 3 es un gráfico que muestra la reducción del tiempo de ciclado que se puede lograr por medio de un método o sistema de calentamiento selectivo como se muestra en la presente memoria;

La Figura 4 muestra un gráfico de una realización de calentamiento selectivo;

Las Figuras 5a a 5e muestran el efecto de calentamiento sobre una matriz;

La Figura 6 muestra un ejemplo de una realización de horno de calentamiento ajustable para aplicar energía térmica dirigida a un material que se encuentra en el interior del mismo;

La Figura 7 es un gráfico que muestra el efecto de una antena móvil y orientable.

La Figura 8 es un gráfico de una superposición deseada de espectros de absorción con un pico de frecuencia de microondas; y

La Figura 9 muestra una realización práctica de formación de un producto por medio de los conceptos mostrados en la presente memoria.

Descripción de las realizaciones preferidas

Las consideraciones de la presente memoria proporcionan un método y un sistema para calentar selectivamente partes de un material antes del procesado. Esto se puede lograr incluyendo en el material componentes que sean sensibles a la radiación térmica y otros componentes que no sean sensibles o dirigiendo la energía térmica únicamente a partes del material objeto de procesado. Dicho calentamiento selectivo reduce el tiempo y la energía necesarios para conferir al material la condición de fluencia o, de otro modo, la condición de aptitud de procesado y reducir el tiempo de enfriamiento.

Las realizaciones preferidas se pueden llevar a la práctica en diversas escalas (dimensiones). El principio que subyace a una realización de la estructura apta para procesado se ilustra esquemáticamente en la Figura 1.

La realización aprovecha la capacidad de los polímeros y otros materiales para absorber, o no, a frecuencias concretas y el potencial de técnicas de microondas de longitud de onda de intervalo estrecho (distribución) (es decir, la capacidad para "ajustar" o "desajustar" a frecuencias específicas, comentada con detalle a continuación).

En una realización del concepto de calentamiento selectivo, se pueden incorporar uno o más polímeros sensibles a microondas como capa discreta (o varias capas) en una estructura de capas múltiples, de tal manera que esta capa (o capas) se puedan calentar preferentemente antes de la fabricación posterior. En la presente realización, el material objeto de procesado constituye, de este modo, diversas capas que tienen al menos dos receptividades diferentes frente a la energía térmica. T ras la aplicación de energía de microondas, posteriormente se conduce la energía térmica desde las capas receptoras (absorbentes) hasta las capas adyacentes de polímero (no modificado) que sean esencialmente "transparentes" frente a la energía de microondas, permitiendo de este modo que la totalidad de la estructura polimérica alcance la temperatura de fabricación requerida de manera más rápida que en un sistema de calentamiento convencional. Un ejemplo específico de la presente realización es una estructura de capas múltiples de tres capas (A/B/A) en la que las capas A son esencialmente transparentes frente a la energía de microondas, mientras que la capa B es sensible frente a la energía de microondas. Dicha estructura se puede calentar por medio de energía de microondas de tal manera que la capa B se calienta preferentemente, conduciéndose a continuación la energía térmica sobre las capas A.

Esta estructura se puede mostrar, por ejemplo, como estructura AB o ABA (véase Figura 1), donde A es un receptor y B es un no receptor. Esta estructura se podría crear de forma común usando un proceso de coextrusión para crear una lámina con este corte transversal, que potencialmente separa la lámina para crear un número de bandas que se podrían tejer posteriormente si fuese necesario. Una alternativa a esto es el enfoque de coextrusión usando revestimiento de fibras, de manera similar, para crear una fibra circular apropiada para tricotado.

En el ejemplo particular mostrado en la Figura 2, las capas externas 12, 14 del polímero se calientan de forma selectiva en comparación con las capas internas 16, 18, 20. También se proporcionan en la presente realización capas 22, 24, 26, 28 intersticiales receptoras de cabecera. Éstas podrían ser del mismo material y forma que las capas externas 12, 14, pero se prevé que también puedan ser otros materiales/estructuras. También podrían diferir en cuanto los materiales y/o estructuras que incluyen unas y otras, para proporcionar diferentes características de moldeo según se desee, en una aplicación cualquiera.

En el ejemplo de la Figura 2, las capas externas 12, 14 pueden ser de un copolímero de polipropileno/polietileno y, preferentemente, la estructura incluye materiales orientados tales como polipropileno auto-reforzado. En el presente ejemplo, las capas internas 16, 18, 20 podrían ser de polipropileno orientado, ventajosamente, en forma de fibras.

En un ejemplo, cuando se desea la conservación de las propiedades físicas, los inventores han identificado el uso de calentamiento selectivo para limitar y/o controlar la reversión de la fase orientada. Esto permite tiempos de ciclado más rápidos y/o el procesado de secciones de componente más gruesas.

El concepto engloba la capacidad del procesado por microondas para fabricar piezas a partir de dichos materiales al tiempo que se conservan las propiedades del material auto-reforzado. Esto se podría lograr formando los revestimientos copolimericos 12, 22, 24, 26, 28, 14 sobre la superficie de las capas 16, 18, 20 poliméricas nucleares orientadas que absorben microondas. Esto permite su calentamiento rápido, durante la etapa de procesado. No obstante, las realizaciones preferidas van más allá de esto, ya que los inventores prevén la conversión del material en apto para procesado por medio de flujo en masa fundida y no simplemente como una ruta para unir las capas de forma conjunta y adhesiva. Ejemplos adicionales de materiales incluyen:

a) un polímero receptor;

b) un polímero receptor/no receptor (2 polímeros diferentes) o puede incluir dos o más fases del mismo polímero;

c) un polímero receptor/sustancia no polimérica no receptora (por ejemplo, GFNailon);

d) un polímero no receptor/receptor no polimérico.

El término "receptor" y la expresión "no receptor" son similares y están relacionados con un número de factores, incluyendo la frecuencia de la energía electromagnética aplicada. Por tanto, la receptividad relativa puede inferir dos o más fases de material que sean ambas receptoras, pero en diferente medida. Además, el uso de la expresión "polímero receptor" incluye no receptor con la adición de especies receptoras por medio de mezcla, formación de compuestos, injertado u otras técnicas de aditivo.

Se aprecia que el carácter receptor de un material se puede modificar, con frecuencia de manera significativa, debido a su temperatura y, con ello, la receptividad relativa de la fase de material depende en gran medida de su temperatura. Se podría usar este efecto para inducir la dualidad de receptividad con el fin de lograr el calentamiento selectivo del material plástico, especialmente cuando se desea una fase de material individual.

Como se ha comentado anteriormente, los ejemplos de polímeros receptores son polianilina y nailon. Un ejemplo de polímero no receptor es polipropileno (por "no receptor" los inventores entienden menos receptor, es decir que no es apto para calentamiento de forma sencilla por medio de microondas en la realización preferida).

La pérdida dieléctrica eficaz e" proporciona una medición de la aptitud de los materiales para calentamiento por microondas y es responsable de la pérdida total de energía en el material debida a relajación dieléctrica (eficazmente una carga móvil, o corriente) dentro del material. Cuanto mayor sea la pérdida dieléctrica, más se calienta el material. La constante dieléctrica relativa viene indicada por e’ (constante dieléctrica real e = ece) donde e⁰ es la constante dieléctrica del espacio libre. La tangente de pérdida, tan 5 = e”/e’, es eficazmente una medida de la pérdida dieléctrica e”, pero normalizada a la constante dieléctrica de los materiales.

Tabla 1. Propiedades dieléctricas a 0,1, 1 y 3 GHz para diversos polímeros. De Industrial Microwave Heating; A.S.

Metaxas & R.J. Meredith; 1983. Los datos en negrita son los más importantes.

Otro ejemplo usa los mismos principios comentados anteriormente, pero para monómeros/oligómeros/polímeros de bajo peso molecular y usa energía de microondas para inducir la polimerización in-situ de un monómero o polímero LMW. Por ejemplo, la formación/moldeo de un material no polimerizado o parcialmente polimerizado puede hacer uso de energía de microondas para completar la polimerización, el curado u otras reacciones químicas.

Un ejemplo de la combinación de polímero receptor/polímero no receptor sería, de este modo, polianilina/polipropileno. Un ejemplo de la combinación de polímero receptor/polímero no receptor sería nylon relleno de vidrio.

En "Microwawe Welding of Thermoplastics, R J Wise y I D Froment, 2001", los autores comentan el uso de aditivos de absorción de microondas dentro de una matriz termoplástica para permitir que las piezas termoplásticas no receptoras se suelden de manera conjunta usando radiación de microondas. Para dichas aplicaciones de soldadura, éstas normalmente se emplean dentro de una matriz receptora (en este caso polianilina) para producir un implante receptor de microondas para facilitar la unión de los componentes del material no receptor, tal como polietileno, en presencia de un campo de microondas. Se ha mezclado negro de carbono con caucho no curado antes de la irradiación con radiación electromagnética con el fin de acelerar el curado (vulcanizado). Esto es un ejemplo de una matriz no receptora y una combinación de activo receptor, es decir, un polímero no receptor/receptor no polimérico (en la que la sustancia no polimérica absorbe la energía electromagnética).

Típicamente, estos emplean una frecuencia de radiación de 2450MHz.

Los aditivos usados en la técnica para aumentar la receptividad de materiales pueden exhibir una respuesta de banda bastante estrecha frente la energía electromagnética. Esto proporciona una mejor oportunidad para ajustar y/o desajustar selectivamente a partir de una fase receptora particular (fase que contiene un grado de aditivo receptor de banda estrecha).

El calentamiento selectivo permite en las realizaciones preferidas menores tiempos de ciclado durante la acción del enfriamiento interno. El enfriamiento interno engloba la aplicación de un calentamiento selectivo a una matriz de material receptor que contiene regiones de material(es) no receptor(es). Esto podría resultar ventajoso en el caso de muchos procesos de conversión polimérica, por ejemplo, extrusión, moldeo por soplado, moldeo por inyección y por compresión.

Por ejemplo, en caso de nailon relleno de vidrio (siendo el vidrio la fase no receptora y el nailon la matriz polimérica receptora), se calienta el nailon por medio de radiación electromagnética a través de una banda amplia de frecuencias o específicamente a 2450 MHz, al tiempo que la fase de vidrio, eficazmente transparente a la radiación, permanece sin calentamiento (a pesar de los efectos comunes de transferencia térmica entre el polímero y las fases no poliméricas). Convencionalmente, tanto el polímero como el vidrio se calientan, ya que el mecanismo de calentamiento por conducción térmica no discrimina entre las dos fases. La anulación de absorción de energía por parte de la fase de vidrio, mediante el uso de calentamiento electromagnético de alta frecuencia (por ejemplo, microondas) proporciona, por tanto, un ahorro del coste energético total de la operación. Además, se puede usar energía de microondas para calentar el material receptor de manera rápida y selectivamente para calentar el material receptor. La captación rápida de energía de microondas por parte de la fase de absorción, con respecto al proceso de conducción térmica normal, acorta la duración de la etapa de calentamiento.

Una vez que el material de matriz tiene suficiente energía térmica para fluir/formar, la formación rápida irá seguida de un período de enfriamiento durante el cual los dos materiales alcanzan el equilibrio térmico rápido. El enfoque proporciona un menor aporte de energía térmica neta al material objeto de procesado, con el fin de lograr el flujo, en comparación con los métodos tradicionales. Por tanto, esto reduce la energía térmica necesaria a eliminar del material y el sistema de procesado circundante durante la fase de enfriamiento antes de que se pueda retirar la pieza producida del sistema.

Por ejemplo, en caso de moldeo por inyección de nailon relleno de vidrio, en el punto de inyección crítico, se funde suficiente material bruto para permitir el flujo viscoso, al tiempo que la fase no receptora (vidrio) permanece sólida, o altamente viscosa, y por debajo de la temperatura del material de matriz polimérica fundida, pero, no obstante, se puede formar y, en algunos casos, puede fluir con la fase fundida. A continuación, se inyecta el material bruto de forma rápida en un molde cuyo enfriamiento puntual hasta solidificación da comienzo con posterioridad. En este caso, la fase no receptora (en el presente ejemplo el vidrio) está a una temperatura considerablemente más baja que su matriz fundida circundante (el nailon) y actúa como sumidero térmico para extraer calor fuera de la matriz. Esto conduce a un equilibrio rápido de la temperatura del material bruto, lo que tiene como resultado un tiempo de enfriamiento significativamente reducido y una reducción significativa del tiempo de ciclado total, en comparación con las técnicas del estado del arte que calientan la totalidad del material bruto objeto de procesado. Los inventores han apreciado que, en caso de materiales altamente rellenos de vidrio, el procesado todavía resulta posible a fracciones volumétricas elevadas de sólidos y está asociado a una viscosidad aparente elevada. Por tanto, consideran que la eficacia del enfoque mostrado en la presente memoria tiene un buen fundamento.

Se prevé que dicho proceso funcionaría para un número de combinaciones de material y receptor. Dicha combinación podría ser un material que incluye partículas de polímero, presentando cada partícula un núcleo de fase no receptora transparente a la energía electromagnética con una cubierta externa de fase receptora alrededor de la partícula.

La Figura 3 muestra un gráfico de temperatura frente a tiempo que demuestra la ventaja, en términos de tiempo de ciclado, que resulta posible con los métodos y sistemas mostrados en la presente memoria. La temperatura es la de aquellas regiones que son receptoras con respecto a la energía de calentamiento.

Las consideraciones de la presente memoria no se limitan al polímero, la naturaleza de la fase receptora, el factor de forma de la partícula (geometría) o el peso en porcentaje de los ejemplos mostrados en la presente memoria.

Se pueden usar, por ejemplo, para mejorar los procesos de la técnica anterior divulgados en las publicaciones precedentes comentadas con anterioridad en la introducción de la presente memoria descriptiva, en particular en conexión con las adiciones necesarias al aparato de moldeo divulgado en estos documentos (en la realización preferida mediante la provisión de una etapa de calentamiento por microondas).

Esta oportunidad introduce el concepto de lo que los inventores han denominado calentamiento selectivo. Se sabe que los materiales poliméricos termoplásticos fluyen todavía de forma suficiente para el moldeo y la formación de los mismos, al tiempo que contienen un elevado contenido de sólidos dentro de la masa fundida viscosa, por ejemplo, el moldeo por inyección de nailon relleno de vidrio, donde el contenido de vidrio puede estar en exceso de un 50% en peso (por ejemplo, Ticona Celstran PA66-GF60-0104P10/11 y DuPont Zytel 75LG60HSL BK031). Esta situación demuestra la formación de un material sólido en forma de partículas dentro de un material de matriz fundida en la que el material se calienta de forma suficiente para permitir el flujo viscoso. En este caso, la totalidad del material (material de relleno de vidrio y matriz polimérica) se calienta a la misma temperatura antes del moldeo, de manera que ofrece una ventaja mínima en cuanto a tiempo de ciclado reducido a través de la necesidad de extraer menos calor. En caso de calentamiento selectivo, los inventores proponen calentar únicamente la parte del material que físicamente se requiere para permitir que éste se pueda moldear o deformar (fluya) para dar lugar a la nueva forma. Esto sería similar al calentamiento de únicamente el polímero, y no del vidrio, en el polímero relleno de vidrio del ejemplo anterior, y esto es el desafío que se logra por medio del calentamiento selectivo.

Mediante la selección de materiales que no sean receptores frente a la radiación electromagnética (microondas), y aquellos que sean receptores, bien en su estado natural o a través de la adición de ciertos aditivos de pos-procesado, y la combinación de dos materiales de forma conjunta de modo alguno, existe la posibilidad de aplicar energía térmica a únicamente aquellas partes del componente que sean "receptoras" (a la energía de microondas).

Esto aporta un número de oportunidades, no sólo desde menores requisitos energéticos, y tiempo de ciclado total, sino también en términos de procesado y rendimiento físico y químico de los materiales/productos.

Estructuras de material que aprovechan el calentamiento selectivo

Múltiples estructuras se podrían aprovechar del procesado por medio de un proceso de calentamiento selectivo, y estas pueden variar de partículas no receptoras altamente distribuidas rodeadas por otros materiales de matriz receptora, hasta regiones predefinidas y altamente ordenadas de materiales con grado variable de receptividad frente a la energía de microondas.

Una aplicación particular está basada en la oportunidad de materiales poliméricos auto-reforzados. Estos materiales aprovechan la capacidad de ciertos materiales poliméricos (tales como polipropileno (PP) para exhibir niveles variables de cristalinidad, y además propiedades físicas) sujeta al procesado del material al que se ha hecho referencia con anterioridad. Una forma habitual de aumentar la cristalinidad, y las propiedades físicas del material (comúnmente en forma de lámina), consiste en estirarlo, de forma que el alargamiento provoque la orientación de la estructura molecular amorfa y niveles más elevados de cristalinidad, lo cual se traduce en un rendimiento físico mejorado en la dirección de extracción. La cristalinidad se invierte simplemente permitiendo el calentamiento de las moléculas por encima de una determinada temperatura del material (Tg), que se encuentra por debajo de su temperatura de fusión. Esta propiedad se usa en forma de lámina polimérica, ya sea con orientación individual o biaxial, para proporcionar propiedades mejoradas. Una aplicación del uso del presente enfoque son las bolsas de polímero con resistencia mejorada habitualmente usadas en supermercados.

Se sabe que se pueden colocar capas múltiples de este material orientado en diferentes ejes de alineación, ya sea en forma de almacenamiento simple o en forma tejida o tricotada, por ejemplo, para lograr un intervalo de características físicas mejoradas (por ejemplo, los materiales de curva BP). Estos materiales se someten posteriormente a presión y temperatura durante un período de tiempo tal que el material se calienta de forma suficiente para provocar una unión entre las capas (soldando las capas poliméricas a las capas adyacentes), pero afortunadamente no de manera que la temperatura del material expuesta provoque la reversión del material orientado hasta su estado amorfo de rendimiento físico menor.

Debido a que los materiales basados en "inmersión" térmica dirigida del exterior al interior, con frecuencia, están limitados a un número pequeño de capas, de únicamente unos pocos milímetros de espesor, ya que el tiempo en el que el material queda expuesto a temperaturas que destruyen la orientación se encuentra limitado por el tiempo necesario para lograr una temperatura suficientemente elevada, con el fin de crear la unión entre esas capas en el centro del espesor del material. Desafortunadamente, en muchas ocasiones puede tener lugar la destrucción de la estructura cristalina, y una solución consiste en usar un copolímero (que se funde a una temperatura ligeramente más baja (del orden de 20 grados C)) en forma de "adhesivo" entre las capas.

Se puede apreciar que, en el presente ejemplo, resulta ideal un método de calentamiento a través del espesor completo al mismo tiempo, y calentamiento de únicamente aquellas áreas que crean la interfaz de unión entre las capas.

Esto funcionaría únicamente en el caso del enfoque copolimérico anterior (debido a las diferentes temperaturas de fusión), pero mediante la creación de una estructura que usa el mismo polímero, pero en la que uno es un receptor, y el otro es un no receptor, esto puede lograr el calentamiento simultáneo a través del espesor.

Mediante la estructuración correcta de la relación de materiales (relación de receptor con respecto a no receptor) se puede apreciar que la energía térmica aplicada se puede controlar de manera precisa, de forma que sea suficiente para calentar las capas receptoras de material que se unen entre sí, al tiempo que se restringe esto a una carga térmica total suficientemente baja, que cuando la temperatura dentro de las capas receptoras comienza a equilibrarse con los alrededores (la parte no receptora cristalina), la carga térmica resultante no es suficientemente elevada para estar por encima del punto en el que tiene lugar una reversión significativa desde el estado cristalino hasta el amorfo. La Figura 4 muestra el flujo térmico que se mueve hasta el equilibrio desde el calentamiento selectivo inicial (t=1) o la capa receptora que usa energía de microondas.

La carga térmica requerida se puede calcular como función de:

Carga térmica = masa de capa receptora x capacidad térmica específica x diferencia de temperatura

Los niveles de adhesión entre capas en el producto final serían una función de la temperatura, tiempo y presión aplicados, no obstante, la carga máxima requerida se podría calcular usando la diferencia de temperatura entre la temperatura del material ambiente y Tm, la temperatura de fusión.

Esta estructura se puede mostrar, por ejemplo, como estructura AB o ABA (véase Figura 1), donde A es un receptor y B es un no receptor. Esta estructura se podría crear de forma común usando un proceso de coextrusión para crear una lámina con este corte transversal, que potencialmente separe la lámina para crear un número de bandas que se podrían tejer posteriormente si fuese necesario. Una alternativa a esto es el enfoque de coextrusión usando revestimiento de fibras, de manera similar, para crear una fibra circular apropiada para tricotado.

La estructura de la Figura 2 muestra una aplicación potencial, que usa el mismo polímero que los materiales de receptor y no receptor, aunque otros ejemplos de combinación incluyen:

Polímero receptor solo

Polímero receptor/polímero no receptor (2 polímeros diferentes) o puede incluir dos o más fases del mismo polímero

Polímero receptor/sustancia no polimérica no receptora (nailon relleno de vidrio)

Polímero no receptor/receptor no polimérico (calentar la sustancia no polimérica)

Receptor y no receptor son términos y expresiones relativos y están relacionados con la frecuencia del campo energético aplicado. Además, el uso de la expresión polímero receptor incluye no receptor con la adición de especies receptoras por medio de mezcla, formación de compuestos, injertado u otras técnicas de aditivo.

Los métodos mostrados en la presente memoria se pueden usar en la fabricación de una gran diversidad de artículos poliméricos, incluyendo sin limitación películas, espumas, perfiles, pellas sometidas a formación de compuestos, fibras, materiales textiles tejidos y no tejidos, piezas moldeadas, composites, laminados, o cualquier otra cosa física que contenga o esté formada por uno o más materiales poliméricos.

Los métodos pueden aumentar significativamente la velocidad y, con ello, reducir el coste de producción de dichos artículos.

Las consideraciones de la presente memoria también engloban la posibilidad, como adición o como alternativa a las realizaciones anteriormente descritas, de direccionar la energía térmica a un material objeto de calentamiento para, de este modo, calentar únicamente una parte del material.

Concepto de enfriamiento interno

Habiendo establecido que mientras resulta muy sencillo introducir más calor del necesario (y la mayoría de los procesos de conversión de termoplásticos poliméricos lo hacen), junto con el aporte energético malgastado, problema energético adicional para un enfriamiento rápido posterior del artículo moldeado/conformado y por tanto un mayor tiempo de ciclado, es posible alcanzar una carga térmica máxima necesaria para procesar el material, que se encuentra por debajo de las técnicas de procesado de termoplásticos convencionales donde el volumen total del material polimérico aumenta habitualmente hasta una temperatura similar con el fin de facilitar la formación. El ejemplo anterior demuestra esto para materiales autoreforzados que habitualmente se procesan por medio de técnicas de formación por presión/termoformación/formación a vacío.

Una ventaja de aplicar menos energía térmica con el fin de procesar un polímero termoplástico concreto es que requiere menos energía térmica a eliminar, después de la formación, con el fin de que el producto sea retirado del molde, por ejemplo, al valor de temperatura máxima de desmoldado del material o a un valor por debajo de la misma (con frecuencia denominada temperatura de distorsión térmica). Debido a que normalmente el tiempo de enfriamiento es una función de la carga de energía térmica aplicada, la conductividad térmica del material polimérico que se enfría, y la temperatura del utillaje de molde adyacente, se puede apreciar que un aporte reducido de energía térmica puede tener como resultado ahorros significativos de tiempo de ciclado. Se debería apreciar que el calentamiento únicamente de los materiales receptores tiene el efecto de creación de "sumideros térmicos" internos. Mientras esto inicialmente supone una restricción de la flexibilidad de la ventana de procesado, igualmente proporciona un mecanismo de enfriamiento interno rápido y potencial para la pieza moldeada, lo que reduce de forma potencialmente significativa el tiempo de ciclado. Los inventores han denominado a esto enfriamiento interno de efecto refrigerante rápido. Figura 3. Muestra las ventajas potenciales de tiempo de ciclado/enfriamiento a partir del aprovechamiento del enfriamiento interno.

Una dificultad de las técnicas de procesado en masa fundida es que requieren la creación de una masa fundida homogénea, con temperatura suficiente para que el material viscoso en masa fundida fluya bajo presión. Estas técnicas habitualmente usan calentamiento resistivo eléctrico, y mientras que el calentamiento por microondas de material polimérico se ha usado durante años, por ejemplo, aplicado al moldeo por compresión e inyección, éste se ha basado en el calentamiento de material termoplástico a través de su volumen, creando de este modo una carga térmica suficiente para generar una carga térmica homogénea. Se hace referencia a las Figuras 5a a 5e.

A través de la explicación anterior, de nailon relleno de vidrio, se puede apreciar que es posible procesar materiales poliméricos altamente cargados con componentes no fusibles sólidos (a temperaturas de procesado de polímero). Por tanto, podría resultar particularmente ventajoso, en términos de tiempo de ciclado, posibilitar la formación de componentes a partir de materiales en los que únicamente se calienta una parte del material, con tal de que el material conserve un flujo fundido suficiente para permitir el procesado. El enfoque de calentamiento selectivo es una forma de lograrlo, a través del uso, por ejemplo, de un "material de relleno" no receptor/polímero receptor, donde el "material de relleno" podría ser un material polimérico o un material no polimérico.

Se requiere la solución de dos elementos opuestos con el fin de utilizar esta técnica de manera satisfactoria; lograr un calentamiento rápido y el posterior procesado de material bruto calentado de forma selectiva y local, y lograr una viscosidad suficientemente baja para permitir el procesado del material por medio de técnicas convencionales de formación por presión, tales como moldeo por inyección.

Se sabe que el calentamiento rápido a través de todo el material se puede lograr mediante el uso de un equipo de procesado por microondas. Tan pronto como la temperatura del material comienza a aumentar, también comienza a producirse la pérdida de temperatura en los alrededores (el "material de relleno" no receptor). De este modo, se puede apreciar que existe una ventana de tiempo en la que procesar (inyectar) este material en un molde con el fin de lograr un proceso de moldeo satisfactorio, si la energía se mantiene en un mínimo, y por debajo de la asociada al calentamiento del material bruto completo. Esto es una función de la tasa de calentamiento de los materiales receptores, la difusividad térmica de los materiales separados representados dentro del volumen, y el tamaño de gránulo del receptor (dimensiones de la corriente de alimentación de la materia prima receptora). A partir de este aspecto, cuando mayor sea el tamaño de gránulo, más prolongado es el tiempo para que la carga térmica se equilibre hasta el centro de un componente concreto dentro del volumen, y mayor es la ventana de tiempo de procesado.

No obstante, al contrario, un mayor tamaño de gránulo afecta negativamente a la capacidad del material bruto para exhibir un flujo viscoso. Al tiempo que se sabe que las partículas de tamaño grande procesadas convencionalmente podrían ser del orden de 1 mm (nailon largo reforzado con fibra de vidrio), los intentos para incorporar materiales termoestables reciclados han mostrado que es posible incorporar partículas de caucho termoestable más grandes a un tamaño de 2,5 mm de diámetro, y todavía lograr ciclos de moldeo por inyección satisfactorios cuando se procesan estas "partículas no fusibles" en una matriz de polipropileno termoplástico normal. Al mismo tiempo, debido a su naturaleza termoestable, estos materiales serían "sólidos", se aprecia que se vuelven más elásticos a temperaturas de moldeo de PP normales.

En este caso, se puede apreciar que es posible obtener la ventana de operación para el tamaño máximo de partícula y, con ello, la ventana de tiempo en la cual se calienta y procesa el material.

Se puede usar MathCAD ™ para desarrollar una forma de partícula y geometría incorporando regiones de polímero receptor y no receptor para proporcionar un efecto de enfriamiento interno. En una realización, el moldeo por inyección de tubos o piezas de automoción de gran tamaño (gruesas) usando, por ejemplo, polipropileno, sería un gránulo de polipropileno de fase dual para moldeo por inyección. Las fracciones volumétricas de las regiones relativas dependen de la aplicación. La modelización tendría en cuenta tanto el comportamiento térmico al microscopio como el equilibrio de la pella, así como también el comportamiento de enfriamiento macroscópico del material una vez inyectado en el molde. Es posible establecer una ventana de tiempo finita y práctica de manera que la fase receptora suficiente se funda, para provocar el flujo del material bruto en el interior del molde y conservar una proporción suficiente de fase no receptora en forma sólida con el fin de posibilitar la ventaja del enfriamiento interno durante el proceso de enfriamiento. Para los fines del modelo de microscopio, es posible suponer una lámina de plástico de espesor igual al diámetro de la pella, sumergida en un medio a una temperatura que representa la temperatura de fluidez. La modelización MathCAD proporciona información sobre la distribución teórica de temperatura a profundidad variable a través del espesor de la pella/pieza. Para un pella de moldeo típica, suponiendo una fracción volumétrica de fase de matriz receptora dentro de la región de un 5 a un 40% y un ciclo de inyección de hasta 10 segundos, se puede apreciar que una proporción significativa del diámetro original (en algunos casos más de un 50%) se conserva en forma de núcleo sólido tras la llegada al molde. Para los fines del modelo de microscopio, es posible suponer una lámina de plástico de espesor igual al espesor de la pieza final, sumergida en un sumidero térmico infinito a temperatura ambiente. En el ejemplo anterior, esto se traduce en una reducción del tiempo de ciclado de un 20% a un 60% en la etapa de enfriamiento para un espesor de pieza final de 2 mm a 25 mm. Estos números suponen un modelo de pella polimérica de capa doble. Resulta interesante considerar los ahorros potenciales para piezas de sección de pared muy gruesa con tiempos de ciclado convencionales de hasta 45 minutos.

La temperatura media del material bruto completo se puede calcular a través de la regla de mezclas, ecuación (1);

T media para el volumen = T núcleo frío x Vf núcleo frio T núcleo caliente x Vf núcleo caliente T matriz x Vfmatriz

donde Vf representa la fracción volumétrica presente y T representa la temperatura.

Resulta interesante evaluar los ahorros de tiempo de ciclado potencialmente muy significativos, en particular con los componentes de pared gruesa, para demostrar el potencial de la presente tecnología.

El pretratamiento de materiales no receptores para revestirlos con la lámina "ABA" o la estructura de fibras "AB" identificadas anteriormente a través, por ejemplo, de coextrusión, puede resultar ventajoso para lograr una mayor homogeneidad, y un tamaño de partícula más uniforme dentro del molde resultante.

Esta técnica podría resultar ventajosa cuando se hace referencia a muchos procesos de conversión en masa fundida polimérica, por ejemplo, extrusión, moldeo por soplado, moldeo por inyección o moldeo por compresión.

Equipamiento

Esto se puede lograr por medio de soluciones de equipamiento particulares, incluyendo tecnologías de calentamiento por microondas para la conversión de polímeros. Los ejemplos incluyen dispositivos de calentamiento de cavidad gemelar de campo eléctrico uniforme para estructuras planas como se describe en Meredith “Industrial Microwave Heating”, A.C Metaxas y R.J. Meredith IEE, Mayo 1983 (ISBN 0-90604-889-3), página 170, y sistemas alternativos tales como cavidades resonantes multimodales de gran tamaño con antena de rejilla móvil, se prevén aplicadores específicamente diseñados para técnicas de procesado de conversión de polímeros tales como moldeo por inyección, moldeo por compresión, moldeo por soplado, pultrusión y extrusión. Dichos aplicadores incluyen, por ejemplo, un aplicador de modo individual (para establecer un patrón de campo intenso y bien definido en la región de material objeto de procesado, útil para geometrías planas tales como una lámina), aplicadores multimodales tales como la cavidad gemelar y cuerno (para geometrías planas) y otros aplicadores tales como aplicador helicoidal (para geometrías circulares, tales como en moldeo por inyección) para aplicar energía a través de una sección de material. Los inventores prevén el uso de pulsos de corta y larga duración para mejorar la uniformidad del calentamiento. No obstante, mientras que los pulsos para lograr mayor uniformidad permiten el enfriamiento de los puntos calientes durante el período fuera de funcionamiento de manera que no se supere la temperatura máxima permitida, no se usan ampliamente debido a que reducen el aporte medio de potencia y, con ello, se amplía el período de calentamiento.

Cada ejemplo de equipo de calentamiento selectivo utiliza uno o más generadores de microondas para producir una microonda que tiene una frecuencia específica, y opcionalmente; circulador(es) (para proteger cada magnetrón frente a las retro-reflexiones), guía(s) de ondas (para transportar la energía a la cavidad), aplicador(es), siendo cada uno de forma típica una cavidad metálica, para contener la energía de microondas y la(s) carga(s) de trabajo y establecer un patrón de campo preferido, matriz(es) o antena(s) para introducir las microondas; elementos de ajuste (tales como dispositivos de ajuste E-H) para garantizar un acoplamiento suficiente de la energía entre el generador y la cavidad de procesado de material.

Opcionalmente, se pueden usar dispositivos de protección (formados a partir de materiales reflectantes de microondas tales como metales) para la protección de áreas de material frente a la energía de microondas.

Equipamiento de termoformación

Por ejemplo, para permitir la tecnología de calentamiento por microondas para la termoformación, los inventores prevén una solución de equipo de microondas que comprende uno o más sistemas de modo individual de calentamiento de cavidad altamente resonante. La Figura 7.35 detalla un sistema simple, Meredith “Industrial Microwave Heating”, A.C Metaxas y R.J. Meredith IEE, Mayo 1983 (ISBN 0-90604-889-3). Las cavidades tanto multimodal como de modo individual actúan para contener la energía y, dadas las dimensiones apropiadas dependientes de la longitud de onda del microondas usado, permiten la creación de una onda estacionaria resonante de microondas. Para cavidades multimodales, el patrón de campo se caracteriza por un máximo periódico (regiones de alta intensidad de campo) y mínimo (nodos, regiones de baja intensidad de campo). Una cavidad modular individual, si se diseña correctamente, tiene el potencial de mantener la resonancia y, a su vez, permitir una elevada intensidad de campo eléctrico a través de la carga de trabajo del material cuando dicha carga de trabajo se ubica en el máximo del patrón de campo. Un sistema de calentamiento que usa dicha cavidad tiene la posibilidad de calentar débilmente los polímeros absorbentes (o polímeros no absorbentes con aditivos de absorción de microondas) de manera rápida y uniforme.

Es probable que este equipo de calentamiento de cavidad modular individual incluya la combinación de los siguientes componentes de microondas existentes:

1) Generador de microondas (fuente - para incluir el suministro de potencia y el iniciador) - para generar y emitir la energía de microondas. Los iniciadores incluyen, sin limitación, magnetrones, quilstrones, girotrones y emisores en estado sólido.

2) Circulador - Para evitar la retro reflexión al generador. Se introducen circuladores en los circuitos de microondas como medida de precaución, para evitar el daño al generador de microondas, donde está presente una pérdida baja o ausencia de carga de trabajo en el aplicador. Los inventores prevén que esto sería necesario debido a la naturaleza percibida de pérdida baja de los materiales poliméricos.

3) Guía de ondas - Para contener y guiar la energía de microondas desde el generador hasta el aplicador. Debido a las bandas distinguidas industriales, diseñadas para el calentamiento industrial por microondas, y las consideraciones comerciales en cuanto a coste, los inventores esperan que el presente sistema opere a una frecuencia de 2,45 GHz y preferentemente usan una guía de ondas WG9A.

4) Aplicador de cuerno - Para dispersar la energía procedente de la guía de ondas en el interior de la cavidad y evitar la excitación de los modos ortogonales - Los cuernos se usan ampliamente en los medidores de humedad de tipo atenuación para enviar y recibir la señal electromagnética a través de una muestra dieléctrica húmeda. Dichos cuernos, con frecuencia, se usan en aplicadores para el procesado de materiales que usan energía de microondas. Dicho dispositivo sería ideal para evitar la excitación de modos ortogonales cuando se transfiere energía desde la guía de ondas (de dimensiones físicas específicas) a una cavidad modular individual (normalmente de dimensiones diferentes).

4a) Cavidad resonante modular individual - En la industria, existe un amplio número de usos de las estructuras resonantes modulares individuales de alto orden en aplicaciones de baja potencia tales como filtros y contadores de frecuencia. Básicamente, consiste en un receptáculo metálico (cavidad) donde la energía de microondas sometida a iniciación, en una polarización requerida, produce reflexiones múltiples, dando lugar a un patrón de onda estacionaria confinado en una dirección (o modo). Estas estructuras representan volúmenes grandes de energía almacenada y, generalmente, se caracterizan por una elevada absorción de la energía incidente por parte de los materiales dieléctricos colocados en el interior. La elevada ganancia y las densidades energéticas ofrecidas por dichas cavidades resultan extremadamente ventajosas para el calentamiento débil de materiales poliméricos absorbentes (baja pérdida dieléctrica).

4b) Rendijas de alimentación - situadas en la cara tanto frontal como trasera de la cavidad para permitir la alimentación de las muestras planas (láminas) a través de la cavidad. Con frecuencia, dichas rendijas se usan en los sistemas de calentamiento por microondas para permitir el paso de las estructuras planas a través de la zona de calentamiento dentro de la cavidad.

5) Cebadores de microondas para minimizar la fuga de microondas a partir de la rendija. Estos pueden ser cargas de agua o cebadores de tetón de cuarto de onda, como se detalla en la página 287 de Meredith “Industrial Microwave Heating”, A.C Metaxas y R.J. Meredith IEE, Mayo 1983' (ISBN 0-90604-889-3). La función propia de dicho aplicador requiere que el cuerno y la carga (material) coincidan de forma apropiada con la guía de ondas de salida que actúa para transferir la potencia al material. Esto optimiza la cavidad cargada en cuanto a resonancia a una frecuencia predeterminadas, dada una gama de materiales.

5a) Iris de coincidencia u otros elementos de ajuste que incluyen, sin limitación, un dispositivo de ajuste de 3 o 4 tetones, elementos de ajuste automático o un dispositivo de ajuste EH (T-mágica) - Normalmente ubicados en la guía de ondas para hacer coincidir de forma apropiada la microonda con el cuero y la carga (material).

5b) Pistón "de cortocircuito" móvil inferior - Para permitir el ajuste fino, los inventores prevén el uso de un pistón de cortocircuito. Se puede disponer este dispositivo adicional para permitir una fuga mínima de microondas en la posición de la rendija. Se conoce dicho componente en la técnica como un componente para manipular y modificar la coincidencia de impedancia del circuito de microondas y, con ello, garantizar un buen acoplamiento de la energía en el interior del material de carga de trabajo.

Cada cavidad resonante opera en un modo específico para proporcionar un patrón de campo particular, siendo este patrón de campo uniforme en la dirección transversal con respecto a la axial (la dirección en que las muestras se alimentan a través de la cavidad). La energía de microondas se alimenta en el interior de la guía de ondas desde el generador, pasa a través de un circulador y, posteriormente, de manera preferentemente, a través de un elemento de ajuste grueso tal como un iris de coincidencia. Puede penetrar en la cavidad por medio de un aplicador de cuerno o un componente similar. En la parte inferior de la cavidad, la energía, del modo más simple, es reflejada por la cara superior del pistón de cortocircuito móvil y, para una longitud de cavidad y frecuencia de radiación de microondas concretas, se establece una onda estacionaria dentro de la cavidad entre el pistón y la placa de iris. Esta onda estacionaria permite establecer intensidades de campo eléctrico muy elevadas dentro de la cavidad. Cualquier energía que salga de la cavidad a través del iris y cualquier energía que sea retro reflejada por el iris tendría impedida la interacción con el magnetrón por medio del circulador.

Una cuestión clave a la hora de establecer la resonancia en presencia de carga de trabajo variable (materiales) son las variaciones posteriores de longitud eléctrica de la cavidad debido a la presencia del material (con constante dieléctrica relativa mayor de 1), que actúa comprimiendo la onda dentro del material. La longitud de cavidad variable (en la dirección de la onda estacionaria) permitida por el pistón móvil inferior permitiría el ajuste fino de la cavidad en cuanto a tamaños de muestra y propiedades dieléctricas variables durante el procesado. Además, la posición de este pistón de cortocircuito resulta relevante para la cantidad de fuga de energía de microondas que escapa de la cavidad, laterales de las rendijas, en la posición de la carga de trabajo. Para minimizar la fuga, los inventores prevén cebadores de microondas incorporados en las rendijas de la cavidad, con el fin de evitar la fuga de microondas a través de estas rendijas. Además, el presente diseño permitiría minimizar además la fuga. Mediante el ajuste del pistón inferior de forma que la corriente de pared en ese punto de la "rendija" sea nula, se minimiza la fuga lateral. El sistema se ajusta a la frecuencia de magnetrón por medio de la posición de la placa de iris, con respecto al magnetrón, la posición de la muestra y posición de pistón inferior.

Con respecto al ajuste grueso, se puede optimizar la apertura de cualquier iris para permitir la coincidencia del sistema con la gama de material esperada objeto de calentamiento. Moviendo el pistón de cortocircuito hacia arriba o abajo, se puede mantener la longitud eléctrica de la cavidad, lo que permite resonancia para una gama de materiales.

Como se ha comentado anteriormente, el patrón de campo creado es eficazmente uniforme en la dirección transversal con respecto a la axial (la dirección de alimentación de las muestras en la cavidad). Esto se manifiesta en forma de banda uniforme de calentamiento a través de la muestra. Moviendo la muestra (tal como una lámina) a través de las rendijas de la cavidad, el material pasa a través de la cavidad de calentamiento y se calienta. La tasa de calentamiento y la temperatura final de la muestra que se mueve se pueden variar, modificando la velocidad de paso de la muestra y/o variando la intensidad de campo eléctrico dentro de la cavidad. Esto permite una distribución de temperatura final uniforme a través de la muestra, tanto en la dirección axial como en la dirección perpendicular a este eje, a la temperatura final seleccionada.

Un sistema preferido incluye sensores y sondas (que incluyen, sin limitación, pirómetros de infrarrojos y cámaras) para controlar la temperatura superficial de la muestra en tiempo real tanto dentro como en la parte externa de la cavidad en la(s) región(es) de la(s) zona(s) de calentamiento. Estos datos se podrían usar por medio de un sistema de control para equilibrar la velocidad de tránsito y el aporte de potencia de microondas en tiempo real, con el fin de obtener una temperatura final deseada de la pieza cuando abandona la cavidad.

Un sistema de calentamiento industrial no necesariamente requiere cada uno de estos componentes, pero los principios de operación siguen siendo los mismos. El sistema incluye algún(algunos) componente(s) para el ajuste fino y sensor(es) para leer la temperatura de muestra y alimentar esta información de nuevo a un sistema de control que permita el ajuste de variables tales como potencia, ajuste y velocidad de tránsito. Aunque el presente sistema no constituye un diseño específico de proceso final para el procesado optimizado de piezas, el diseño de la cavidad resonante empleado se puede denominar dispositivo de calentamiento de primera generación en la plataforma tecnológica para termoformación, la primera etapa en el desarrollo del equipo para permitir el calentamiento por microondas de láminas de polímero gruesas de gran tamaño para termoformación a gran escala.

Para termoformación y formación a vacío, la realización preferida implica una configuración de unidades de calentamiento de microondas de célula individual para crear un sistema de calentamiento industrial. La configuración más simple es una matriz lineal de unidades de calentamiento. En este caso, cada unidad, que es una célula de calentamiento (por ejemplo, de 3" (4,5 cm) de anchura), se sitúa a continuación de la unidad adyacente en una línea, estando cada una acoplada estrechamente con la otra de forma mecánica. La separación entre las cavidades adyacentes es relativamente pequeña y está diseñada de forma que se aprecie un aumento de temperatura más o menos uniforme a través de toda la lámina durante el procesado - es decir, sin discontinuidad de temperatura de una célula a la siguiente, a menos que resulte deseable. Estas unidades, con alimentación individual (preferentemente), establecen un campo de microondas de alta intensidad uniforme a través de la lámina polimérica y calientan rápidamente dicha lámina a medida que se mueve lentamente a través de la matriz, hasta la temperatura requerida para formar la pieza y reducir el tiempo de ciclado total del proceso de calentamiento antes de la operación de formación.

La densidad de energía electromagnética es un parámetro de primer orden que afecta a la tasa de rendimiento. Se ajusta la temperatura ambiente dentro del horno para minimizar el enfriamiento convencional a partir de las superficies de la carga de trabajo. Para evitar dicho enfriamiento de la carga de trabajo, el aplicador se puede calentar usando agua caliente o aceite. La temperatura ambiente del aire en el aplicador también aumenta, eliminando parte de los efectos de enfriamiento superficial y transferencia de calor para "enfriar" las superficies del equipo. También se pueden emplear túneles de exposición cortos para garantizar la minimización de pérdida de calor procedente del material a través del aplicador de microondas.

Calentamiento dirigido

Los citados dispositivos de calentamiento modular individual se pueden usar potencialmente para proporcionar un calentamiento variable, controlado y dirigido dentro del material. Dicho sistema usa uno o más dispositivos de calentamiento, software de control de proceso y algoritmos asociados para calcular el perfil controlado de temperatura variable y permitir la extracción variable de la lámina polimérica necesaria para suministrar la pieza ideal. En la práctica, se varía la potencia de cada célula dentro del sistema propuesto y la lámina se mueve con respecto a la matriz para crear un patrón de calentamiento pixelado.

Los inventores han apreciado que la resolución de dicho sistema está limitada a aproximadamente la mitad de la longitud de onda de las microondas usadas. Se puede obtener una mejor resolución a través de técnicas tales como driselado (controlando con precaución el movimiento de la lámina y solapando los píxeles a medida que se varía la potencia de la célula). Se puede obtener una mejor resolución a través del uso de aplicadores alternativos incluyendo el borde de una cuchilla, dispositivos de calentamiento de rendija estrecha, guía(s) de ondas rellena(s) de dieléctrico con movimiento de la carga de trabajo desde la parte superior del(de los) mismo(s) o aplicador(es) cerámico(s).

Otra realización incluye:

1) antena(s)/emisión(es) móvil(es) - físicamente desplazados con respecto a la carga de trabajo, que cuando se acoplan con una cavidad móvil, permiten la configuración de una onda estacionaria móvil a través del material objeto de calentamiento;

2) una o más antenas/emisores direccionales, diseñados para producir un patrón de calentamiento predecible y deseable en el campo lejano y, más preferentemente, en el campo cercano para dirigir la energía hacia la carga de trabajo y lograr el calentamiento dirigido;

3) un sistema que comprende un molde transparente a microondas ubicado dentro de una cavidad reflectante a microondas;

4) un sistema basado en uno o más de los anteriores pero que usa paredes absorbentes y/o paredes irregulares o inclinadas para amortiguar o perturbar los harmónicos de la cavidad resonante y simplificar o manipular el patrón de campo dentro de la cavidad;

5) un sistema que combina una o más de las características anteriores.

Calentamiento dirigido

Actualmente, los emisores de estado sólido están bien desarrollados para constituir una alternativa a la(s) antena(s). También se puede aplicar tecnología de microondas de frecuencia variable a los sistemas previstos en la presente memoria, que proporcionan en particular la posibilidad de ajustar la frecuencia de la energía, bien para coincidir o para evitar una banda de absorción particular de material polimérico o no polimérico; es decir, para no producir el calentamiento de especies "desajustadas". Esto se puede usar, por ejemplo, para desajustar grupos de amida dentro de un polímero de nailon. El equipo de procesado se puede diseñar para adaptar no solo cada proceso genérico de conversión polimérica, sino también para calentar determinadas familias de materiales. De este modo, es posible diseñar cavidades y antena(s) que se adapten a una gama de polímeros y materiales con diferentes características de absorción. Algunos ejemplos específicos se proporcionan a continuación.

La Figura 6 muestra un ejemplo de un dispositivo basado en microondas que se puede operar para aplicar una energía de calentamiento por microondas dirigida y ajustable a un material que se encuentra en el interior del mismo. En el dispositivo 30, se pueden formar diversas geometrías de componente dentro del molde transparente 32, es decir un molde que sea transparente o que absorba microondas ubicadas dentro de una cavidad de microondas reflectante o de absorción formada por la pared de cavidad 34. El puerto y la fuente 36 de energía de calentamiento de microondas es capaz de dirigir la energía de microondas a partes específicas del material (por ejemplo, un polímero) dentro del molde 32. Se puede incluir un espacio 38 libre de molde.

Dentro del molde 32 se pueden proporcionar características tales como paredes, antenas y similares, que tengan características de absorción específicas para proporcionar efectos de calentamiento diferentes dentro del molde 32 y, con ello, sobre cualquier material del interior del mismo. Además, el dispositivo 30 puede lograr un gradiente de temperatura controlado a través del material del interior mediante la manipulación de la distribución de densidad energética de microondas dentro de la cavidad del molde 32, por ejemplo, por medio de: paredes móviles, piezas, o antena(s) dentro de la cavidad 32, manipulación de la señal(es) de entrada. En algunas aplicaciones, el factor de pérdida dieléctrica y/o reflectancia de las paredes y cualquier combinación de estos se puede ajustar para lograr los perfiles de calentamiento y/o temperatura controlada. Los perfiles de calentamiento se pueden generar usando un equipo capaz de proporcionar un campo eléctrico uniforme junto con la adición selectiva de receptor dentro de la estructura polimérica. Estas adiciones pueden ser graduales para proporciones diferentes niveles de receptividad y, por tanto, diferenciales en el perfil final calentado.

La antena o antenas se pueden explorar o se pueden mover con respecto al material, para proporcionar un patrón de calentamiento aplicado sobre la superficie del material. Esto se puede conseguir usando un aplicador con rendijas capaz de aceptar el material, de manera que una sección del aplicador se ubique por encima del material y otra por debajo. En este caso, el material se mueve a continuación hacia abajo y hacia adelante entre las secciones del aplicador para proporcionar un movimiento en 2 dimensiones. Alternativamente, para lograr el mismo efecto global, el material objeto de calentamiento se puede mover con respecto al emisor en 2 dimensiones, manteniendo la configuración descrita con anterioridad.

Otra realización proporciona el acondicionamiento térmico para el procesado de polímero. Este concepto engloba un número de técnicas para permitir, por ejemplo, el calentamiento selectivo y el calentamiento a través del espesor, que permita, por ejemplo, en el caso de termoformación, el procesado de láminas más gruesas con menor tiempo de ciclado. Un ejemplo utiliza una o más antenas capaces de mover el patrón total de campo de microondas con respecto a la muestra de material calentada. Esto se puede lograr a través del movimiento de la antena o antenas, u orientando electrónicamente las microondas emitidas. La orientación se puede lograr por medio de métodos electrónicos, ópticos (elementos de reflexión y enfoque) y otros métodos tales como métodos magnéticos y de plasma. La orientación electrónica se conoce bien en la industria de radares y comunicaciones y esencialmente se basa en el uso de interferencias para combinar dos o más ondas de salida procedentes de emisores para crear uno o más lóbulos concentrados de potencia dirigida hacia afuera desde la matriz de antenas. Variando la fase electrónica de las dos ondas de salida, es posible modificar la dirección del lóbulo emitido. Actualmente, la tecnología de microondas de antena focalizada (direccional) se usa para comunicaciones y radares (detección). Como tal, dichos emisores están diseñados para funcionar en espacio libre y desde un punto de vista de calentamiento, se pueden ver afectados por una baja potencia. Se aprecia que el calentamiento puede resultar lento y las eficiencias pobres para el calentamiento de materiales de absorción débil usando la presente técnica (ya que en la presente memoria los inventores usan un haz focalizado no atrapado que no aprovecha la resonancia y se pierde una vez que ha pasado a través del material). No obstante, una combinación de la presente tecnología como la usada en las matrices de estado sólido de radar de alta potencia, acoplada con ópticas adaptativas inteligentes (elementos de enfoque reflectantes) puede ser capaz de lograr las potencias necesarias. También se aprecia que se obtiene(n) un(unos) lóbulo(s) de interferencia bien definido(s) en el "campo lejano" (muchos metros a partir de la matriz/antena emisora). Es posible que los sistemas de calentamiento se puedan diseñar para funcionar en la región de campo próximo (< 4 m), en la que el patrón de interferencias de microondas es muy complejo. También es posible que las ópticas se puedan usar para dirigir un haz de energía de microondas desde una rejilla/antena de matriz o aplicador de cuerno hasta una parte del material, un "punto". Este punto se puede mover de forma deliberada sobre el material de forma controlada para proporcionar el calentamiento dirigido deseado. Dichos componentes ópticos pueden incluir uno o más reflectores de plato parabólicos para focalizar el haz amplio. El haz se puede convertir en direccional variando la forma y dirección del plato reflectante o sus elementos.

Otra realización proporciona una(s) antena(s) o matriz(es) que se pueden orientar de forma electrónica. En caso de "orientación de matriz", la energía se mueve sobre el componente de forma deseada por medio de desplazamiento de fase de la señal con respecto a diversos componentes de la matriz emisora (elementos de la antena). La presente realización se puede usar junto con el concepto de cavidad/antena(s) móvil(es). Los inventores también reconocen que los emisores de estado sólido se encuentran actualmente bien desarrollados para constituir una alternativa a las antenas. No obstante, las potencias se encuentran actualmente limitadas. Los inventores esperan que la presente limitación se solucione con desarrollos tecnológicos futuros.

Cuando se hace referencia a calentamiento dirigido, las cavidades metálicas pueden suponer un impedimento, ya que afectan al patrón de onda interno (debido a su preferencia por soportar determinados patrones de onda). No obstante, en estos sistemas, casi se hace necesaria la contención de microondas para garantizar la seguridad (y mejorar la eficiencia energética). Los inventores prevén el uso de una cámara "activa" para capturar la energía y 1) formar resonancia, a pesar de las diversas direcciones de haz o 2) evitar patrones de campo resonantes a través del uso de paredes absorbentes de amortiguación (como en la cámara anecoica), preferentemente formadas por materiales absorbentes con topografía superficial tal que se produzca la inhibición de las ondas estacionarias, o para absorber la energía de microondas y esta energía pase al material a través de conducción térmica.

En caso de un sistema que proporciona una cavidad/antena(s) móvil(es), la(s) cavidad(s) y/o la(s) antena(s) se mueve(n) físicamente con respecto al material de componente. El presente concepto puede implicar el movimiento simultáneo de una parte del componente del equipo que actúa como pared interna del horno, permitiendo el establecimiento de una onda estacionaria móvil dentro de la cavidad para recoger las ventajas del calentamiento de cavidad resonante, al tiempo que se evitan los problemas comentados anteriormente o el sobre calentamiento de cualquier parte específica del material que se calienta de este modo de forma selectiva. La aplicación de intensidad elevada uniforme se puede cuadricular a lo largo de la superficie del material. Además, la potencia de la fuente se puede variar simultáneamente con respecto a la posición del material para proporcionar un calentamiento selectivo controlado y variable con el fin de establecer un perfil variable de temperatura dentro del material.

La Figura 7 muestra en forma gráfica el movimiento de una onda estacionaria a través del movimiento u orientación de la antena y el uso de una pared móvil.

Un diseño más avanzado incorpora una antena de estado sólido o una matriz de antenas orientables controladas de forma deliberada para abordar regiones del componente de materia prima con el fin de posibilitar versiones más inteligentes de procesos tales como área de extracción de espesor de pared controlable para termoformación. También se puede usar el direccionamiento de manera más sofisticada para abordar regiones del material polimérico antes de la operación, tal como moldeo por soplado o termoformación de formas tridimensionales, proporcionando de este modo un ahorro en el uso de materias primas.

Una realización que usa amortiguación de resonancia engloba una o más de las técnicas anteriores, pero usa paredes absorbentes y/o paredes inclinadas o irregulares para amortiguar o perturbar los harmónicos de la cavidad resonante y simplificar o manipular el campo de intensidad dentro de la cavidad, como se ha descrito con anterioridad.

Una realización de procesado de microondas de frecuencia variable (VFMP) engloba la manipulación del perfil de densidad energética a través del componente y la posibilidad de ajustar la frecuencia de energía, bien para coincidir o evitar una banda de absorción de un material polimérico o no polimérico particular. Por ejemplo, se pueden "desajustar" especies que se no se pretendan calentar, por ejemplo, los grupos amida dentro de un polímero de nailon. El concepto engloba el diseño del equipo para adaptar no solo cada proceso de conversión de polímero genérico, sino también para calentar una determinada familia de materiales. En este caso, las cavidades de la antena pueden estar diseñadas para adaptarse a determinadas combinaciones poliméricas e "ignorar" otras.

La Figura 8 muestra un gráfico de una superposición deseada de realización de espectros de absorción con pico de frecuencia de microondas preferido para esta configuración.

Se pueden usar los procesos apropiados para todas las realizaciones comentadas anteriormente, para hacer coincidir la carga de trabajo (geometría de material, propiedades absorbentes y similares) con la cavidad (aplicador), aumentando el volumen de material dentro de la cavidad con el fin de amortiguar cualesquiera puntos calientes excesivos que puedan surgir del confinamiento del campo de microondas dentro del horno y para anticipar el uso de pulsos de dirección de corta y larga duración con el fin de mejorar la uniformidad de calentamiento.

Otra realización engloba la aplicación de tecnologías de calentamiento por microondas tales como un aplicador de cavidad gemelar, para la conversión de polímeros. Preferentemente, los aplicadores están diseñados de manera específica para técnicas de procesado de conversión de polímeros tales como moldeo por inyección, moldeo por compresión, moldeo por soplado, pultrusión y extrusión. Dichos aplicadores pueden incluir: un aplicador modular individual (para geometrías planas, por ejemplo), aplicadores multimodales tales como la cavidad gemelar y cuerno (para geometrías planas) y otros aplicadores tales como un aplicador helicoidal (para geometría circulares).

Es preferible proporcionar una herramienta de software para predecir diversas microondas de polímero y el comportamiento térmico procedente de su estructura química y el contenido de material de relleno del receptor de microondas. Esta capacidad científica se puede crear a partir de simulaciones de modelización que incluyen el uso de dispositivos de resolución de campo electromagnético (Comsol FEMLAB, matLAB FEM y multifísica) validados por datos de caracterización de materiales. Dicho software puede permitir el diseño de estructuras químicas con el fin de convertir el material en receptor a frecuencias determinadas (o intervalos).

Realización práctica

En una realización, mostrada en la Figura 9, la energía electromagnética se dirige hacia únicamente regiones seleccionadas del material para calentar esas regiones de forma preferida. El método y el sistema pueden proporcionar el uso controlado de radiación electromagnética variable controlada o dirigida con el fin de calentar un material e inducir un patrón de temperatura deseado dentro del mismo. A su vez, esto permite la dilatación controlada del material durante las operaciones del proceso tales como moldeo por soplado, termoformación y similares, para formar piezas tridimensionales. Cuando partes predeterminadas del material se dilatan en diferente grado como consecuencia del estado térmico alcanzado, el diseño de la pieza puede aprovechar el espesor óptimo de todas las partes de la pieza, el cual se puede predeterminar para optimizar el uso del material.

Por ejemplo, actualmente cuando se hace referencia a piezas de extracción profunda, normalmente el material comienza como una lámina gruesa para permitir que la formación de paredes de extracción profunda de la pieza final alcance un determinado espesor mínimo (Figura 9). En dicho proceso convencional, el material se calienta de manera uniforme, dando como resultado una "capacidad de estiramiento" igual de la membrana y, por tanto, al mismo tiempo que las paredes reducen significativamente su espesor durante la operación, la base de la pieza permanece gruesa.

Como resultado de ello, el material en efecto se malgasta. Mediante la inducción de una temperatura elevada en la base de dicha pieza con respecto a las paredes durante la operación de formación, como se muestra en la presente memoria, se soluciona o reduce sustancialmente este problema de malgasto (Figura 9).

Claims (29)

1. REIVINDICACIONES

   1 Un método de procesado de un material apto para procesado formado por al menos una primera parte de un primer material termoplástico y una segunda parte de un segundo material termoplástico diferente del primer material termoplástico, siendo el primer material termoplástico receptor frente a radiación de microondas y siendo el segundo material termoplástico sustancialmente no receptor frente a radiación de microondas, constituyendo dicho material apto para procesado un producto intermedio, que incluye las etapas de:

   aplicar energía térmica al material apto para procesado para calentar de manera diferencial dichas partes primera y segunda, en el que el calentamiento diferencial se proporciona por medio de radiación de microondas, en la que dicha etapa de calentamiento diferencial provoca que la viscosidad de dicha primera parte se vea reducida para permitir que dicha primera parte fluya, mientras que la viscosidad de dicha segunda parte se mantiene sustancialmente sin modificación o se ve reducida en menor medida que la primera parte por medio de dicha etapa de calentamiento diferencial, y en el que la reducción de viscosidad de la primera parte es suficiente para permitir que todo el material apto para procesado fluya; y

   formar o conformar dichas partes primera y segunda de dicho material apto para procesado para generar, de este modo, un producto.
2. 2. - Un método de acuerdo con la reivindicación 1 que incluye uno o más de:

   formar o conformar dichas partes primera y segunda por medio de un proceso de flujo en masa fundida;

   formar o conformar dicho material apto para procesado por medio de deformación plástica de dichas partes primera y segunda; y

   formar o conformar dicho material apto para procesado mediante la aplicación de al menos uno de cizalladura y estiramiento al material apto para procesado.
3. 3. - Un método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que dicho material apto para procesado está formado por al menos capas primera y segunda, comprendiendo cada capa una o ambas de dichas partes primera y segunda de material apto para procesado; o en el que dichas partes primera y segunda están formadas por materiales granulares primero y segundo, en el que dichos elementos granulares primero y segundo se mezclan de manera conjunta.
4. 4. - Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que dicha etapa de calentamiento diferencial de dicha primera parte provoca la fusión de dicha primera parte.
5. 5. - Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que incluye la etapa de proporcionar el calentamiento de dicha segunda parte por medio de transferencia térmica por conducción o convección a partir de dicha primera parte.
6. 6. - Un método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicho calentamiento por conducción o convección provoca la fusión de dicha segunda parte.
7. 7. - Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que dicha segunda parte actúa como sumidero térmico para absorber energía térmica procedente de dicha primera parte tras dicha etapa de calentamiento diferencial.
8. 8. - Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que dicha etapa de calentamiento diferencial calienta dicha primera parte hasta por encima de su punto de fusión y mantiene dicha segunda parte sustancialmente por debajo de su punto de fusión.
9. 9. - Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que incluye al menos uno de:

   a) distribuir la energía de microondas de forma sustancialmente uniforme a través de dicho material apto para procesado; o

   b) direccionar la energía electromagnética hacia regiones seleccionadas del material apto para procesado para calentar esas regiones.
10. 10. - Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que incluye la etapa de controlar al menos uno de: densidad de energía electromagnética, presión y temperatura del material apto para procesado durante el procesado.
11. 11. - Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que dicha primera parte es al menos una de: distribuida de forma sustancialmente uniforme por todo el material apto para procesado; y

    localmente ubicada para lograr un perfil de temperatura variable en el material apto para procesado.
12. 12. - Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que la etapa de calentamiento de dicha primera parte permite que todo el material apto para procesado se mezcle, transfiera, sea conformado, sea sometido a estampación, se inyecte o sea sometido a extrusión para formar un producto.
13. 13. - Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el material apto para procesado se procesa por medio de una técnica de procesado en masa fundida que incluye al menos uno de: moldeo por inyección, extrusión, moldeo por extrusión-soplado, moldeo por transferencia o moldeo por inyección-expansión.
14. 14. - Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el método se pone en práctica sobre un polímero de bajo peso molecular, oligómero o monómero; en el que la etapa de calentamiento induce polimerización in-situ o reacción química del monómero o polímero de bajo peso molecular.
15. 15. - Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el material apto para calentamiento es o incluye al menos uno de: un material polimérico natural o sintético, negro de carbono, una ferrita, un óxido metálico, zeolitas, polvo de talco, ZnCl2, nailon, cobre y otros polvos metálicos, óxido ferroso, óxido de manganeso, materiales cerámicos y óxidos.
16. 16. - Un sistema de procesado de material para procesar un producto intermedio, que incluye:

    un receptáculo de material que alberga un producto intermedio;

    un producto intermedio que comprende una primera parte de un primer material termoplástico y una segunda parte de un segundo material termoplástico diferente del primer material termoplástico, siendo el primer material termoplástico receptor a radiación de microondas y siendo el segundo material termoplástico sustancialmente no receptor a radiación de microondas, de manera que la aplicación de radiación de microondas al producto intermedio provoca que la viscosidad de dicha primera parte se vea reducida para permitir que dicha primera parte fluya al tiempo que la viscosidad de dicha segunda parte no se vea modificada de forma sustancial o se vea reducida en menor medida que la primera parte por dicha radiación de microondas, siendo la reducción de viscosidad de la primera parte suficiente para permitir que todo el producto intermedio fluya;

    una estación de calentamiento que incluye un emisor de radiación de microondas configurado para conferir calor por medio de radiación de microondas de manera diferente a dichas partes primera y segunda de dicho producto intermedio; y

    una estación de formación o conformación de material que se puede operar para formar o conformar dichas partes primera y segunda para generar, de este modo, un producto.
17. 17. - Un sistema de procesado de material de acuerdo con la reivindicación 16, en el que dicha estación de formación o conformación de material se puede operar de forma adicional para llevar a cabo uno o más de los siguientes procesos:

    formar o conformar dichas partes primera y segunda por medio de flujo en masa fundida de dicho material; formar o conformar dicho material por medio de deformación plástica de dichas partes primera y segunda; y formar o conforma dicho material mediante aplicación de al menos uno de cizalladura y estiramiento del material.
18. 18. - Un sistema de procesado de material de acuerdo con la reivindicación 16 o 17, que incluye un mezclador para mezclar las partes granulares primera y segunda de material objeto de procesado.
19. 19. - Un sistema de procesado de material de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 16 o 18, en el que dicha estación de calentamiento se puede operar para proporcionar al menos uno de:

    a) distribución de energía de microondas de forma sustancialmente uniforme a través de dicho material; y b) direccionamiento de la energía de microondas hacia regiones seleccionadas del material para calentar esas regiones.
20. 20. - Un sistema de procesado de material de acuerdo con la reivindicación 19, en el que dicha estación de calentamiento incluye un generador de haz de energía de orientable que se puede operar para orientar la energía de microondas a partes del material objeto de procesado.
21. 21. - Un sistema de procesado de material de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20, que incluye un controlador que se puede operar para controlar al menos uno de: densidad de energía electromagnética de dicha estación de calentamiento, la presión y la temperatura del material en dicha estación de formación o conformación.
22. 22. - Un sistema de procesado de material de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 21, en el que dicha estación de formación o conformación proporciona a todo el material al menos uno de: mezcla, transferencia, conformación, estampación, inyección o extrusión para formar un producto.
23. 23. - Un sistema de procesado de material de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 22, en el que dicha estación de formación o conformación se puede operar para llevar a cabo al menos uno de: moldeo por inyección, extrusión, moldeo por extrusión-soplado, moldeo por transferencia y moldeo por inyección-expansión.
24. 24. - Un material bruto apto para procesado, que incluye una primera parte de un primer material termoplástico y una segunda parte de un segundo material termoplástico diferente del primer material termoplástico, siendo el primer material termoplástico receptor de radiación de microondas y siendo el segundo material termoplástico sustancialmente no receptor de radiación de microondas de manera que la aplicación de radiación de microondas al material apto para procesado provoca que la viscosidad de dicha primera parte se vea reducida para permitir que dicha primera parte fluya al tiempo que la viscosidad de dicha segunda parte no se vea modificada sustancialmente o se vea reducida en menor medida que la primera parte por dicha radiación de microondas, siendo la reducción de viscosidad de la primera parte suficiente para permitir que todo el material apto para procesado fluya; en el que las partes primera y segunda son susceptibles de formación o conformación de manera conjunta para generar un producto.
25. 25. - Un material apto para procesado de acuerdo con la reivindicación 24, en el que dichas partes primera y segunda son susceptibles de formación o conformación de manera conjunta por uno o más de: un proceso de flujo en masa fundida, deformación plástica y aplicación de al menos uno de cizalladura o estiramiento al mismo.
26. 26.- Un material apto para procesado de acuerdo con la reivindicación 24 o 25, en el que al menos una de las partes primera y segunda incluye un componente de refuerzo.
27. 27. - Un material apto para procesado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 24 a 26, en el que dicha primera parte es una de:

    distribuida de forma sustancialmente uniforme por todo el material apto para procesado; y

    localmente ubicada para lograr un perfil de temperatura variable en el material apto para procesado.
28. 28. - Un material apto para procesado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 24 a 27, en el que el material incluye un polímero de bajo peso molecular, oligómero, monómero, material polimérico natural o sintético, negro de carbono, una ferrita u óxido metálico, zeolitas, polvo de talco, ZnCl2, nailon, cobre y otros polvos metálicos, óxido ferroso, óxido de manganeso, materiales cerámicos y óxidos.
29. 29.- Un material apto para procesado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 24 a 28, en el que el material es o incluye un material en forma de capas, material granular, líquido o gel y en el que dichas partes primera y segunda son capas diferentes, componentes granulares diferentes, líquidos diferentes o geles diferentes.