ES2905928T3 - Aparato y método para inyectar una formulación fluida a un material polimérico fundido - Google Patents

Aparato y método para inyectar una formulación fluida a un material polimérico fundido Download PDF

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Abstract

Aparato para inyectar una formulación fluida a un material polimérico fundido, comprendiendo el aparato una primera bomba (4) de cavidad progresiva (pcp) y una segunda pcp (8) dispuestas en serie en una trayectoria de fluido aguas arriba de una salida (17) del aparato, en el que el aparato incluye una interfaz de usuario mediante la cual un usuario puede introducir información del proceso seleccionada de entre el rendimiento del aparato de procesamiento en estado fundido, la presión del punto de inyección y la LDR (relación de dilución).

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato y método para inyectar una formulación fluida a un material polimérico fundido
La presente invención se refiere a la incorporación de aditivos a materiales poliméricos, por ejemplo, poliésteres, tal como en la producción de fibras de poliéster.
Se conoce la incorporación de aditivos (por ejemplo, colorantes, estabilizantes, deslustrantes, agentes antiestáticos, abrillantadores ópticos, coadyuvantes de procesamiento, etc.) en la postproducción de fibras mediante tinción en baño o tinción por centrifugación. Sin embargo, de manera desventajosa, esto requiere grandes volúmenes de formulaciones de aditivos líquidos para permitir que el aditivo penetre en la fibra; el proceso puede requerir mucho tiempo; y la fibra debe secarse después del proceso de permeación. Además, el proceso de tinción por centrifugación usa recursos hídricos considerables y se ha asociado con problemas ambientales, incluyendo la contaminación de los cursos de agua.
Se conoce también el uso de una mezcla maestra que contiene aditivos para introducir los aditivos en un polímero. Por ejemplo, los gránulos de la mezcla maestra y los gránulos del polímero pueden introducirse en una extrusora a través de su boca de alimentación y los dos componentes se procesan conjuntamente por fusión. Sin embargo, de manera desventajosa, la limpieza de la extrusora requiere mucho tiempo, ya que debe limpiarse toda la longitud de la extrusora, por ejemplo, entre cambios de color; y la dosificación y la manejabilidad de la mezcla maestra en gránulos sólidos pueden representar un desafío. Además, algunas propiedades de los materiales, por ejemplo, la fibra hilada, realizada usando mezclas maestras, pueden verse afectadas negativamente.
Un método preferido para incorporar aditivos es la incorporación de una formulación líquida a un polímero fundido. La formulación incluye de manera adecuada un vehículo en el que el aditivo se dispersa antes de la inyección a la masa fundida.
Se conoce el uso de bombas de engranajes para inyectar formulaciones líquidas a una masa fundida de polímero. Por ejemplo, el documento US7278776 divulga un aparato y un método para inyectar un tinte líquido a un polímero fundido. El aparato para inyectar el tinte incluye un depósito para contener un tinte líquido, en el que el depósito está conectado a una fuente de presión de gas para generar un colchón de gas que actúa sobre el tinte en el depósito de manera que el tinte sea administrado a una entrada de una bomba de alimentación bajo presión constante. La bomba de alimentación, que es una bomba de engranajes, está conectada a una línea de alimentación de tinte entre el depósito y una entrada de una bomba dosificadora que es también una bomba de engranajes. La bomba dosificadora tiene una entrada conectada al depósito a través de la línea de alimentación de tinte y una salida para la conexión a un componente transportador de masa fundida, en el que la bomba dosificadora está configurada para añadir cantidades medidas de tinte desde el depósito a una masa fundida de polímero en el componente transportador de masa fundida, por ejemplo, una extrusora.
El documento WO2014/207472 divulga un aparato para inyectar una formulación fluida a un material polimérico fundido que usa también una bomba de engranajes.
De manera desventajosa, se ha encontrado que las bombas de engranajes son susceptibles a altos niveles de desgaste cuando se bombean formulaciones líquidas que incluyen partículas abrasivas, tales como dióxido de titanio. Una bomba de engranajes desgastada, en general, no puede restaurarse de manera rentable (por ejemplo, la rectificación de las piezas desgastadas es costosa), por lo tanto, puede reemplazarse después de haberse desgastado hasta el punto de que su funcionamiento pasa a ser insatisfactorio. El problema del desgaste de las bombas de engranajes puede abordarse, hasta cierto punto, moliendo dichas partículas abrasivas hasta tamaños de partículas muy pequeños antes de su incorporación a las formulaciones líquidas. Sin embargo, esto requiere mucho tiempo y es costoso; y algunos pigmentos, tales como los destinados a impartir un efecto metálico o nacarado, deben mantenerse con tamaños de partícula relativamente grandes. Además, en la práctica, se ha encontrado que es difícil conseguir un rendimiento satisfactorio a largo plazo usando bombas de engranajes, particularmente cuando deben inyectarse cantidades dosificadas de manera precisa de formulaciones líquidas a un material polimérico fundido a alta presión. Una razón de esto se debe al hecho de que las bombas de engranajes se basan en tolerancias muy estrictas para conseguir un sello mecánico entre los componentes metálicos y, de esta manera, para generar presión. Sin embargo, los materiales de viscosidad muy baja no pueden presurizarse adecuadamente si las tolerancias se amplían para aceptar partículas de pigmento más grandes. Además, la acción de una bomba de engranajes permite que una cantidad de líquido 'se deslice' de nuevo sobre los engranajes cuando hay una diferencia de presión entre la salida y la entrada. Puede acomodarse una pequeña cantidad de 'deslizamiento', pero cizallará de manera desventajosa el líquido y causará un calentamiento localizado. El calentamiento por cizallamiento reduce la viscosidad de la mayoría de las formulaciones de aditivos y causa que el nivel de 'deslizamiento' aumente adicionalmente, lo que significa que deben implementarse medidas para combatir la acumulación de calor en la bomba (por ejemplo, refrigeración con aire o con líquido). Los niveles crecientes de 'deslizamiento’ resultan en un desgaste acelerado de la bomba de engranajes, lo que significa que se requieren más rotaciones de la bomba para el mismo volumen de desplazamiento y las partículas son forzadas, de manera desventajosa, de nuevo a través de los espacios libres. Además, algunos constituyentes sólidos pueden aglomerarse en grumos o se comprimen en grumos más grandes cuando se someten a presiones mecánicas asociadas con la acción de una bomba de engranajes, conduciendo a problemas cuando las formulaciones líquidas que incluyen dichos grumos se inyectan a una masa fundida de polímero.
Un objeto de la presente invención es abordar los problemas descritos anteriormente.
Según un primer aspecto de la invención, se proporciona un aparato para inyectar una formulación fluida a un material polimérico fundido, siendo el aparato tal como se describe en la reivindicación 1.
Preferiblemente, dicha primera pcp está aguas arriba de dicha segunda pcp. Preferiblemente, hay provisto un primer conducto entre dicha primera pcp y dicha segunda pcp. Dicho primer conducto puede tener un diámetro interior menor de 25 mm; y dicho diámetro interior puede ser de al menos 1 mm.
Dicha primera pcp está dispuesta preferiblemente para alimentar (por ejemplo, alimentación por inundación) una formulación líquida a una entrada de la segunda pcp (de manera adecuada, a través de dicho primer conducto) a una presión que es mayor que la presión atmosférica. De manera adecuada, la presión es mayor de 100 KPa (1 bar), preferiblemente mayor de 200 KPa (2 bar), más preferiblemente mayor de 250 KPa (2,5 bar). De manera adecuada, la presión es menor de 1.000 KPa (10 bar), preferiblemente menor de 500 KPa (5 bar). El uso de dicha presión para introducir la formulación líquida a la segunda pcp permite que la segunda pcp incorpore varias características ventajosas, tal como se describe a continuación.
Dicha segunda pcp incluye de manera adecuada un cuerpo de bomba que incluye una entrada a través de la cual puede introducirse la formulación líquida a la segunda pcp, de manera adecuada bajo presión desde dicha primera pcp. El cuerpo de la bomba incluye un volumen interior relativamente pequeño; el volumen interior se define de manera adecuada como el volumen del cuerpo de la bomba (aguas arriba de un conjunto de rotor y estator de la segunda pcp) que puede contener una formulación líquida introducida a la segunda pcp a través de su entrada. El volumen interior de la segunda pcp puede ser menor de 200 ml, preferiblemente menor de 150 ml, más preferiblemente menor de 120 ml. El volumen interior puede ser de al menos 30 ml o de al menos 60 ml. Un volumen interior relativamente pequeño puede ser ventajoso, tal como se describe más adelante.
La longitud del volumen interior puede ser menor de 250 mm, preferiblemente menor de 200 mm y la anchura puede ser menor de 75 mm, preferiblemente menor de 50 mm. Preferiblemente, la longitud del volumen interior está comprendida en el intervalo de 75 mm a 200 mm y la anchura está comprendida en el intervalo de 15 mm a 60 mm.
De manera adecuada, el cuerpo de la bomba incluye un eje de enlace conectado de manera operativa entre un conjunto rotor/estator de la segunda pcp y un motor de la pcp. El eje de enlace está dispuesto de manera adecuada para absorber el par y las cargas axiales. Puede tener una anchura (por ejemplo, diámetro máximo) menor de 25 mm, por ejemplo, menor de 17 mm. Su anchura (por ejemplo, diámetro máximo) puede ser de al menos 5 mm. La anchura (por ejemplo, diámetro máximo) puede estar comprendida en el intervalo de 5 a 25 mm. Dicho eje de enlace puede tener una longitud menor de 250 mm, por ejemplo, menor de 180 mm. De manera adecuada, el eje de enlace tiene la longitud mínima posible para transmitir de manera eficaz el par de accionamiento al rotor del conjunto rotor/estator, teniendo en cuenta el hecho de que el rotor describe una trayectoria excéntrica con relación al eje de accionamiento. Un acortamiento del eje de enlace puede resultar eficaz para reducir el volumen interior de la segunda pcp. El eje de enlace puede tener una longitud de al menos 20 mm. La longitud puede estar comprendida en el intervalo de 20 a 200mm. El eje de enlace se posiciona de manera adecuada entre las paredes del cuerpo de la bomba que definen el volumen interior de la pcp que puede contener una formulación líquida. De manera adecuada, el eje de enlace tiene una anchura máxima (o diámetro cuando el eje de enlace tiene una sección transversal circular, tal como es preferible) medida perpendicularmente a su eje de rotación de "p" mm. La distancia entre dichas paredes del cuerpo de la bomba (medida en la misma línea perpendicular al eje de rotación del eje de enlace) es de "q" mm. De manera adecuada, la relación p/q es de al menos 0,4, preferiblemente de al menos 0,5, más preferiblemente de al menos 0,55. De manera adecuada, es menor de 0,9 o menor de 0,8. En una realización preferida, la anchura del eje de enlace (dimensión "p") está comprendida en el intervalo de 80 a 180 mm. El espacio libre a ambos lados del eje de enlace puede ser menor de 12 mm, por ejemplo, 10 mm o menor; y puede ser de al menos 1 mm.
El eje de enlace está dispuesto de manera adecuada para permitir que el rotor del conjunto rotor/estator gire excéntricamente. Una o más juntas, por ejemplo, juntas universales, pueden estar asociadas con el eje de enlace, por ejemplo, para conectar el mismo a un conjunto rotor/estator. El eje de enlace y las juntas están diseñados preferiblemente con el fin de reducir el volumen interior de la segunda pcp y mantener la distancia "q" más preferible a lo largo la longitud del cuerpo de la bomba pcp.
El volumen interior minimizado del cuerpo de la bomba y una forma lisa y consistente a lo largo de la longitud del eje de enlace pueden servir para mejorar la capacidad de enjuagar la segunda pcp con una formulación fluida posterior. La capacidad de enjuagar y, por lo tanto, de funcionar con múltiples formulaciones líquidas usando una segunda pcp puede servir para reducir significativamente el coste de inyectar múltiples formulaciones fluidas usando el aparato para la inyección.
La segunda pcp puede enjuagarse in situ en el aparato o puede retirarse a un aparato de enjuago separado para acondicionar la misma antes de su posterior uso.
La segunda pcp puede enjuagarse alimentando una segunda formulación fluida a través de la bomba. El material descargado desde la segunda pcp puede recogerse para su eliminación hasta que la formulación fluida haya realizado una transición suficiente a la segunda formulación fluida. De manera alternativa, durante la transición desde una primera formulación fluida a la segunda formulación fluida, el fluido de transición puede continuar siendo suministrado al material polimérico fundido y el producto final resultante puede supervisarse hasta el tiempo en el que la transición de la formulación fluida está completada y las características del producto fabricado son consistentes.
De manera alternativa, la segunda pcp puede retirarse desde el aparato y el material polimérico fundido puede eliminarse de la misma. En este caso, la segunda pcp puede retirarse desde el aparato junto con una línea de suministro aguas abajo y con un conjunto de válvula dispuesto en una posición de inyección al material polimérico fundido. La segunda pcp limpia resultante y las partes asociadas devueltas de esta manera pueden cebarse posteriormente con una nueva formulación fluida preparada para su introducción inmediata al material polimérico fundido.
Dicho cuerpo de bomba de dicha segunda pcp puede incluir un dispositivo (Q) de supervisión de presión (por ejemplo, un transductor de presión) para supervisar la presión de la formulación líquida en el interior del cuerpo de bomba. El dispositivo (Q) puede extenderse a través de una pared del cuerpo de la bomba, por ejemplo, en el interior de un orificio 38 mostrado en la Figura 2.
Dicha segunda pcp incluye de manera adecuada un conjunto rotor/estator. Preferiblemente, dicho cuerpo de bomba puede asegurarse de manera liberable a dicho conjunto rotor/estator.
Dicho conjunto rotor/estator incluye de manera adecuada múltiples cavidades superpuestas. De manera adecuada, incluye un estator elastomérico, por ejemplo, un estator de caucho (por ejemplo, caucho de nitrilo). Puede incluir un rotor de metal, por ejemplo, de acero (por ejemplo, inoxidable o cromado). Las cavidades de la pcp pueden tener un volumen comprendido en el intervalo de 0,05 ml a 1,2 ml, por ejemplo, en el intervalo de 0,06 ml a 0,9 ml. De manera adecuada, durante el uso, típicamente se descarga una cavidad completa por cada revolución de la bomba.
Dicho conjunto rotor/estator puede incluir al menos 10 o al menos 20 cavidades. Puede incluir 60 o más cavidades. De manera adecuada, incluye menos de 96 o menos de 60 cavidades. Los volúmenes de todas las cavidades son preferiblemente sustancialmente idénticos.
Dicho conjunto rotor/estator puede tener una longitud menor de 1.000 mm, preferiblemente menor de 800 mm. La longitud puede ser de al menos 100 mm, de manera adecuada de al menos 400 mm. Puede tener una anchura (medida entre las paredes más exteriores del conjunto) menor de 100 mm, por ejemplo, menor de 65 mm. La anchura puede ser de al menos 20 mm.
Dicha segunda pcp está dispuesta de manera adecuada para aumentar la presión en al menos 10.000 KPa (100 bar), más preferiblemente en al menos 15.000 KPa (150 bar), especialmente en al menos 19.000 KPa (190 bar).
Dicho aparato incluye de manera adecuada un dispositivo (R) de supervisión de presión (por ejemplo, un transductor de presión) para supervisar la presión de la formulación líquida aguas abajo del conjunto rotor/estator de la segunda pcp. De manera adecuada, el aparato está dispuesto de manera que la información de presión desde el dispositivo (R) pueda ser comunicada a una unidad de procesamiento.
Dicho aparato incluye preferiblemente (pero no esencialmente) un dispositivo (S) de supervisión de presión (por ejemplo, un transductor de presión) para supervisar la presión de la formulación líquida aguas arriba de dicha segunda pcp, por ejemplo, para supervisar la presión de la formulación líquida inmediatamente antes de la entrada de la formulación líquida a la segunda pcp. De manera adecuada, el aparato está dispuesto de manera que la información de presión desde el dispositivo (S) pueda ser comunicada a una unidad de procesamiento o a dicha unidad de procesamiento.
Dicho aparato incluye preferiblemente una válvula aguas abajo de la segunda pcp.
Dicha primera pcp puede incluir de 2 a 20 cavidades, preferiblemente de 4 a 12 cavidades, más preferiblemente de 6 a 8 cavidades. Las cavidades pueden tener volúmenes comprendidos en el intervalo de 0,05 ml a 1,2 ml, por ejemplo, en el intervalo de 0,06 ml a 0,9 ml. Dicha primera pcp incluye de manera adecuada un conjunto rotor/estator que incluye un estator elastomérico, por ejemplo, un estator de caucho (por ejemplo, caucho de nitrilo). Puede incluir un rotor de metal, por ejemplo, de acero (por ejemplo, inoxidable o cromado).
La relación del número de cavidades del conjunto rotor/estator de la segunda pcp dividido por el número de cavidades de la primera pcp puede ser de al menos 6, preferiblemente de al menos 8. Puede ser menor de 20 o menor de 15.
Preferiblemente, dicha primera pcp se proporciona aguas arriba de la segunda pcp y un depósito está de manera adecuada aguas arriba de la primera pcp, estando el depósito conectado de manera adecuada a la primera pcp a través de un segundo conducto, que puede tener un diámetro interior comprendido en el intervalo de 4 a 20 mm. El segundo conducto proporciona preferiblemente una conexión fluida ininterrumpida entre dicho depósito y la primera pcp. El primer conducto descrito se extiende de manera adecuada entre la primera pcp y la segunda pcp para el paso de la formulación fluida desde la primera pcp a la segunda pcp.
El depósito está dispuesto preferiblemente para suministrar la formulación fluida a la entrada de la primera pcp a una presión menor de 1.200 KPa (1,2 bar). Preferiblemente, dicho depósito está abierto a la presión atmosférica. Preferiblemente, dicho depósito no está presurizado por separado. De manera adecuada, el aparato está dispuesto de manera que la presión en la entrada de la primera pcp esté definida por la carga estática de fluido en el depósito y la presión atmosférica y no se proporcionan medios adicionales para presurizar el depósito. Preferiblemente, el depósito y la primera pcp están dispuestos para una succión inundada de la primera bomba, con fluido desde el depósito, es decir, el fluido desde el depósito se "vierte" efectivamente a la primera pcp.
El depósito puede tener un volumen comprendido en el intervalo de 1 a 50 litros, preferiblemente de 1 a 20 litros, más preferiblemente de 1 a 10 litros. Con el fin de cambiar la identidad (por ejemplo, el color) de una formulación fluida inyectada por el aparato, la primera pcp y el depósito (incluyendo la formulación fluida contenida en el mismo) pueden desacoplarse y retirarse desde las otras partes del aparato. Para permitir que esto sea realizado por una persona, el depósito tiene de manera adecuada el volumen preferido descrito.
Dicho aparato incluye preferiblemente un recipiente de almacenamiento para la formulación fluida, en el que dicho recipiente de almacenamiento está dispuesto para suministrar la formulación fluida a dicho depósito. Dicho recipiente de almacenamiento puede ser suministrado por un fabricante de la formulación líquida. Puede tener un volumen de al menos 10 litros, preferiblemente de al menos 20 litros. El volumen puede ser menor de 100 litros. El volumen del recipiente de almacenamiento es preferiblemente igual o más preferiblemente mayor que el volumen del depósito.
El depósito puede contener una formulación fluida que tiene cualquier característica de la formulación fluida descrita a continuación.
El recipiente de almacenamiento puede contener una formulación fluida que tiene cualquier característica de la formulación fluida descrita a continuación.
El depósito y el recipiente de almacenamiento contienen preferiblemente la misma formulación fluida.
El aparato puede estar dispuesto para controlar dicha primera pcp, por ejemplo, la velocidad de la misma, en función de la cantidad de formulación fluida que se desea inyectar al material polimérico fundido. De manera adecuada, la función de la primera pcp es dosificar la formulación líquida según los parámetros establecidos en una unidad de procesamiento o en dicha unidad de procesamiento.
El aparato puede estar dispuesto para controlar dicha segunda pcp, por ejemplo, la velocidad de la misma, automáticamente en función de la presión evaluada, por ejemplo, mediante dicho dispositivo (S) de supervisión de presión. De manera adecuada, la función de la segunda pcp es aumentar la presión de la formulación líquida de manera que la formulación líquida pueda inyectarse al material polimérico fundido. De manera adecuada, la presión en la entrada de la segunda pcp, tal como es evaluada por el dispositivo (S) de supervisión de presión, se mantiene en un punto de ajuste consistente y predeterminado, a través de una unidad de procesamiento o dicha unidad de procesamiento.
Dicha primera pcp y dicha segunda pcp pueden funcionar preferiblemente de manera independiente. Preferiblemente, la velocidad de la primera pcp puede ajustar independientemente de la velocidad de la segunda pcp; y preferiblemente la velocidad de la segunda pcp puede ajustarse independientemente de la velocidad de la primera pcp.
Entre dicho depósito y dicha salida del aparato a través del cual la formulación fluida puede administrarse a un material polimérico fundido, dicho aparato incluye preferiblemente sólo dos bombas, dicha primera pcp y dicha segunda pcp.
De manera adecuada, dicha salida de dicho aparato puede ser para la conexión a un aparato de procesamiento en estado fundido, de manera adecuada de manera que la formulación fluida pueda introducirse, por ejemplo, inyectarse, a una corriente de material fundido producida por dicho aparato de procesamiento en estado fundido. Dicho aparato puede incluir una válvula, aguas abajo de la segunda pcp, para controlar el flujo de formulación fluida a la corriente de material fundido. La válvula puede ser controlada por una unidad de procesamiento, por ejemplo, dicha unidad de procesamiento que recibe información desde dichos sensores de presión primero y segundo.
Preferiblemente, dicho aparato para la inyección se proporciona en combinación con un aparato de procesamiento en estado fundido, de manera adecuada para definir un conjunto, en el que dicha salida del aparato de inyección está en comunicación de fluido con una entrada a través de la cual la formulación fluida puede introducirse a una corriente en estado fundido producida por dicho aparato de procesamiento en estado fundido.
En la combinación que comprende un aparato de inyección y dicho aparato de procesamiento en estado fundido, se proporciona preferiblemente (pero no esencialmente) un dispositivo (T) de supervisión de presión para supervisar la presión de la corriente en estado fundido, de manera adecuada adyacente a la posición de inyección de la formulación fluida a la corriente en estado fundido. La información relativa a dicha presión está dispuesta de manera adecuada para ser comunicada a dicho aparato de inyección, por ejemplo, a una unidad de procesamiento o dicha unidad de procesamiento del mismo.
En una realización, el aparato de inyección puede estar dispuesto para realizar un seguimiento de la presión de la corriente en estado fundido con la que está vinculado hidráulicamente. La válvula que controla la inyección de la formulación líquida es abierta de manera adecuada por una unidad de procesamiento o dicha unidad de procesamiento cuando la presión evaluada por el dispositivo (R) de supervisión de presión alcanza un nivel de presión predeterminado. Esta puede ser igual o ligeramente mayor que la presión del polímero evaluada por el dispositivo (T) de supervisión de presión. Una vez abierta la válvula, la corriente de polímero y el sistema de inyección de formulación líquida están vinculados hidráulicamente y la presión supervisada por los dispositivos (R) y (T) permanecerá estrechamente vinculada; y de manera adecuada, el sistema de inyección realizará automáticamente un seguimiento de la presión de la corriente de polímero. La unidad de procesamiento o dicha unidad de procesamiento modulará de manera adecuada la velocidad de la segunda pcp para que el dispositivo (S) de supervisión de presión mantenga una evaluación de presión consistente.
En otra realización, el aparato de inyección puede estar dispuesto para abrir la válvula que controla la formulación líquida a una presión establecida directamente en una unidad de procesamiento o dicha unidad de procesamiento. Una vez abierta la válvula, la corriente de polímero y el sistema de inyección de formulación líquida están vinculados hidráulicamente y la presión supervisada por los dispositivos (R) y (T) permanecerá estrechamente vinculada. La unidad de procesamiento o dicha unidad de procesamiento modulará de manera adecuada la velocidad de la segunda pcp para que el dispositivo (S) mantenga una evaluación de presión consistente.
El aparato de inyección, por ejemplo, una unidad de procesamiento o dicha unidad de procesamiento del mismo, puede recibir una retroalimentación periódica acerca de la presión de la corriente en estado fundido y el aparato, por ejemplo, una unidad de procesamiento o dicha unidad de procesamiento, está programado de manera adecuada para supervisar la presión de inyección, comparar con la presión de fusión de polímero evaluada o los límites de intervalo de presión programados y proporcionar retroalimentación al operador, de manera correspondiente. Una desviación significativa entre la presión de la formulación líquida y la presión de la corriente en estado fundido (supervisada o programada) puede usarse como un indicador de un funcionamiento incorrecto y activa una alarma del sistema o una parada del sistema de inyección controlado.
En dicha combinación que comprende un aparato de inyección y dicho aparato de procesamiento en estado fundido, se proporciona adecuadamente un medio de mezclado para facilitar el mezclado de la formulación líquida y el material polimérico. Los medios de mezclado pueden proporcionarse usando mezcladores estáticos o dinámicos. Los mezcladores dinámicos son los preferidos en aplicaciones en las que se añaden formulaciones líquidas a la fase fundida del polímero, es decir, en las que deben mezclarse pequeñas cantidades de fluido de baja viscosidad con grandes volúmenes de fluido de alta viscosidad. Los mezcladores de transferencia de cavidad son especialmente preferidos debido a las altas fuerzas de mezclado distributivo que se aplican a lo largo del mezclador, permitiendo que el proceso de alto cizallamiento requerido se aplique de manera controlable. Aguas abajo del punto de contacto de la formulación líquida y el material polimérico, puede haber unos medios de hilado para hilar el material polimérico para definir fibras.
Una unidad de procesamiento o dicha unidad de procesamiento de dicho aparato de inyección está dispuesta de manera adecuada para hacer funcionar dicha primera pcp de manera que la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la primera pcp sea menor de 8 bar, por ejemplo, menor de 5 bar o menor de 3 bar. En este caso, la primera pcp puede disponerse para no aumentar significativamente la presión de la formulación fluida durante el uso. La función principal de la primera pcp puede ser la de dosificar la formulación. La segunda pcp puede hacerse funcionar, de manera adecuada bajo el control de dicha unidad de procesamiento, para aumentar significativamente la presión de la formulación fluida durante el uso. De esta manera, la unidad de procesamiento de dicho aparato está dispuesta de manera adecuada para hacer funcionar dicha segunda pcp de manera que la diferencia de presión entre su entrada y su salida sea mayor de 10.000 KPa o mayor de 15.000 KPa. La unidad de procesamiento puede controlar también la dosificación por parte de la primera pcp manteniendo la presión inmediatamente aguas abajo de la primera pcp sustancialmente constante.
Tal como se ha descrito, el aparato incluye de manera adecuada una unidad de procesamiento para controlar y/o supervisar la primera pcp y la segunda pcp. La unidad de procesamiento está dispuesta de manera adecuada para recibir información desde los dispositivos (S) y (R) de supervisión de presión, de manera adecuada tal como se ha descrito anteriormente, para supervisar la presión en la entrada y la salida de la segunda pcp. Dicha unidad de procesamiento puede estar dispuesta para recibir información desde el aparato de procesamiento en estado fundido con el que el aparato de inyección está asociado de manera adecuada. Por ejemplo, la información acerca de la presión de la corriente en estado fundido se comunica de manera adecuada a la unidad de procesamiento. La información acerca del caudal de la corriente en estado fundido puede comunicarse también a la unidad de procesamiento. La información acerca del estado de una válvula aguas abajo de la segunda pcp puede comunicarse a la unidad de procesamiento.
En dicho aparato, dicha segunda pcp puede montarse en una posición erguida, por ejemplo, verticalmente. Dicha primera pcp puede montarse en una posición erguida, por ejemplo, verticalmente.
Dichas pcps primera y segunda pueden montarse en un vehículo. El vehículo puede estar dispuesto para soportar un depósito que contiene una formulación líquida. Preferiblemente, el vehículo soporta un depósito que contiene una formulación líquida. El vehículo puede estar dispuesto para trasladarse a una posición en la que va a usarse, por ejemplo, una posición adyacente a un aparato de procesamiento en estado fundido. El vehículo puede incluir ruedas o rodillos (por ejemplo, al menos tres, preferiblemente al menos cuatro ruedas o rodillos). El vehículo puede incluir una estructura de soporte en la que están montadas las pcps primera y segunda (preferiblemente de manera que las pcps sean desmontables). La primera pcp puede extenderse hacia arriba (es decir, el eje alargado de la pcp se extiende hacia arriba), por ejemplo, sustancialmente vertical hacia arriba desde la estructura de soporte. Dicha segunda pcp puede extenderse hacia arriba (es decir, el eje alargado de la pcp se extiende hacia arriba, por ejemplo, verticalmente hacia arriba) desde la estructura de soporte. Una unidad de procesamiento, dispuesta de manera adecuada para controlar el funcionamiento de las pcps primera y segunda, es preferiblemente un componente del vehículo y/o está fijada con relación a la estructura de soporte. Preferiblemente, el vehículo tiene una altura menor de 1,8 m. La huella del vehículo puede ser menor de 2 m2 o menor de 1 m2; y puede ser de al menos 0,2 m2. De esta manera, se apreciará que, en virtud del diseño de varios componentes del aparato, puede configurarse una disposición relativamente compacta en un vehículo, de manera que el vehículo pueda ser ensamblado y/o desplazado fácilmente por un único operador a la ubicación donde pueda ser usado.
El aparato descrito puede modificarse fácilmente para una inyección en un material polimérico fundido, a presiones más altas o más bajas; o niveles de aditivos más altos o más bajos; o tasas de procesamiento de polímero más altas o más bajas. Para ello, el aparato puede incluir dos de dichas segundas pcps o puede incluir una segunda pcp (denominada segunda pcp (A)) y un conjunto rotor/estator separado dispuesto para ser intercambiado con el conjunto rotor/estator de la segunda pcp (A). Entonces, el aparato está dispuesto de manera adecuada para definir dos segundas pcps diferentes. Una segunda pcp puede disponerse para aumentar la presión en una cantidad menor que en la otra segunda pcp. Una segunda pcp puede incluir menos cavidades (por ejemplo, al menos 6 o al menos 12 cavidades menos) que la otra segunda pcp.
De manera ventajosa, cuando el aparato comprende un vehículo en el que la pcp está montada tal como se describe, el vehículo puede disponerse de manera que dicha segunda pcp y otra segunda pcp puedan montarse de manera intercambiable en el vehículo. Con la provisión de unos medios para intercambiar dos segundas pcps (o componentes de las mismas), puede mejorarse la versatilidad del aparato. Por ejemplo, puede facilitar el cambio de identidad (por ejemplo, color) de las formulaciones líquidas inyectadas usando el aparato, de una manera rápida, sin necesidad de una limpieza completa del aparato. Una segunda pcp extraída puede ser almacenada, por ejemplo, que contiene todavía formulación líquida, después de haber sido intercambiada tal como se ha descrito.
En algunas realizaciones, el aparato puede incluir dos de dichas primeras pcps que son intercambiables; por ejemplo, en el vehículo. Una vez más, esto puede facilitar el cambio de identidad de una formulación líquida inyectada usando el aparato. Una primera pcp extraída puede ser almacenada, por ejemplo, que contiene todavía formulación líquida, después de haber sido intercambiada tal como se ha descrito.
Según un segundo aspecto de la invención, se proporciona un método para inyectar una formulación fluida a un material polimérico fundido, tal como se describe en la reivindicación 13. El aparato puede tener cualquier característica del aparato del primer aspecto.
En la etapa (ii), dicha segunda pcp puede hacerse funcionar para aumentar la presión de la formulación en al menos 10.000 KPa (100 bar), preferiblemente en al menos 15.000 KPa (150 bar), más preferiblemente en al menos 19.000 KPa (190 bar).
En la etapa (iii), dicha formulación puede inyectarse a una presión de al menos 10.000 KPa (100 bar), preferiblemente al menos 15.000 KPa (150 bar), más preferiblemente al menos 19.000 KPa (190 bar).
Preferiblemente, el método comprende que dicha primera pcp dosifique la formulación líquida. Es decir, puede controlar el volumen por unidad de tiempo de la formulación que sale desde la primera pcp, de manera que un volumen predeterminado por unidad de tiempo de la formulación salga desde la primera pcp y/o entre a la segunda pcp. Dicha primera pcp se hace funcionar de manera adecuada para aumentar la presión de la formulación líquida en menos de 800 KPa (8 bar), menos de 500 KPa (5 bar) o menos de 300 KPa (3 bar).
Preferiblemente, el método comprende introducir una formulación líquida a dicha segunda pcp a una presión superior a la presión ambiental. La formulación puede introducirse a la segunda pcp a una presión de al menos 150 KPa (1,5 bar), preferiblemente al menos 200 KPa (2,0 bar), más preferiblemente al menos 250 KPa (2,5 bar). Puede introducirse a una presión menor de 1.000 KPa (10 bar), preferiblemente menor de 500 KPa (5 bar). Preferiblemente, durante al menos el 90% (preferiblemente al menos el 99%) del tiempo durante el cual dicha formulación se inyecta al material polimérico fundido, la presión de introducción de la formulación líquida a la segunda pcp está a una presión comprendida en el intervalo de 150 KPa (1,5 bar) a 1.000 KPa (10 bar), más preferiblemente en el intervalo de 150 KPa (1,5 bar) a 500 KPa (5 bar).
Preferiblemente, el método comprende mantener la presión de la formulación líquida en una posición entre las pcps primera y segunda sustancialmente constante durante al menos 5 minutos, preferiblemente al menos 30 minutos, más preferiblemente durante sustancialmente todo el período de tiempo durante el cual la formulación líquida es inyectada al material polimérico fundido, de manera adecuada para dosificar con precisión la formulación.
Preferiblemente, el método comprende, en la etapa (iii), mantener la velocidad de inyección de dicha formulación al material polimérico fundido durante un período de al menos 5 minutos o preferiblemente durante al menos 30 minutos. La velocidad de inyección puede ser de al menos 0,5 ml/minuto; puede ser menor de 400 ml/minuto.
El método puede comprender hacer funcionar la primera pcp a una velocidad de rotación de 5-100 rpm, preferiblemente de 10-50 rpm.
El método puede comprender hacer funcionar la segunda pcp a una velocidad de rotación de al menos 5 rpm. La velocidad puede ser de al menos 200 rpm y, preferiblemente, es menor de 1.000 rpm. La relación de la velocidad de la segunda pcp dividida por la velocidad de la primera pcp puede ser de al menos 3, y puede ser menor de 100 o menor de 80.
De manera ventajosa, el método puede usarse para dosificar formulaciones relativamente viscosas que tienen altas cargas de partículas relativamente grandes.
A menos que se indique lo contrario, la viscosidad descrita en el presente documento puede medirse usando un viscosímetro Brookfield a 20 rpm y 23°C.
Dicha formulación fluida puede tener una viscosidad de al menos 5.000 cP, de manera adecuada de al menos 10.000 cP, preferiblemente de al menos 15.000 cP. La viscosidad puede ser menor de 45.000 cP, preferiblemente menor de 40.000 cP, más preferiblemente menor de 35.000 cP.
Dicha formulación fluida puede incluir al menos el 20% en peso, de manera adecuada al menos el 30% en peso, preferiblemente al menos el 40% en peso, más preferiblemente al menos el 50% en peso, especialmente al menos el 60% en peso, de sólidos. Dichos sólidos pueden comprender material en partículas, por ejemplo, pigmentos y/o tintes sólidos. Dicha formulación fluida puede incluir el 85% en peso o menos de sólidos del tipo descrito. Dicha formulación fluida incluye de manera adecuada del 15 al 70% en peso, preferiblemente del 15 al 50% en peso de fluido, por ejemplo, líquido. Dichos sólidos se proporcionan de manera adecuada como una dispersión en un fluido, que es de manera adecuada un vehículo. De esta manera, los sólidos pueden ser generalmente insolubles en el vehículo. La capacidad de usar formulaciones altamente cargadas (y, por consiguiente, niveles de vehículo relativamente bajos) puede ser ventajosa para minimizar cualquier efecto perjudicial asociado con la incorporación de vehículo al material polimérico.
Dichos sólidos pueden disponerse para ajustar una propiedad de un material plástico al que pueden suministrarse mediante el aparato. Dichos sólidos pueden comprender cualquier material que se desee introducir en un material plástico y pueden seleccionarse de entre colorantes, filtros UV, absorbentes de oxígeno, agentes antimicrobianos, captadores de acetaldehído, aditivos de recalentamiento, antioxidantes, estabilizadores de luz, blanqueadores ópticos, estabilizadores de procesamiento y retardantes de llama Los colorantes pueden comprender pigmentos o tintes.
Preferiblemente, dichos sólidos comprenden colorantes insolubles (es decir, insolubles en el vehículo), por ejemplo, pigmentos o tintes insolubles.
De manera adecuada, dicho vehículo es un líquido en STP. Dicha formulación fluida es preferiblemente un líquido en STP. Preferiblemente, dicho vehículo tiene un punto de ebullición (a presión atmosférica de 760 mmHg) superior a 300°C, preferentemente superior a 350°C, más preferentemente superior a 500°C. El punto de ebullición puede ser inferior a 1.150°C o inferior a 1.000°C. El punto de fusión del vehículo puede ser inferior a 0°C o inferior a -10°C.
Preferiblemente, dicho vehículo es un vehículo líquido. Los vehículos líquidos ilustrativos incluyen, pero no se limitan a: aceites minerales, ésteres de ácidos grasos C9-C22, ésteres de ácidos grasos C9-C22 etoxilados, alcoholes etoxilados y plastificantes. Los plastificantes pueden ser, por ejemplo, sebacatos y azelatos, tales como sebacato de dibutilo, ésteres tales como benzoato de bencilo, adipatos tales como adipato de dioctilo, citratos tales como citrato de trietilo, resinas epoxi, ésteres de fosfato tales como fosfato de 2-etilhexildifenilo, ftalatos tales como ftalato de dioctilo y plastificantes tales como parafinas cloradas.
Los tamaños de las partículas en dicha formulación fluida pueden evaluarse usando microscopía óptica. De manera adecuada, menos del 5%, menos del 1% o menos del 0,1% del número de partículas en la formulación fluida tienen un tamaño máximo de partícula mayor de 250 pm o mayor de 150 pm. Al menos el 10% del número de partículas en la formulación fluida puede tener un tamaño de partícula máximo mayor de 10 pm, mayor de 20 pm, mayor de 30 pm o mayor de 40 pm.
La formulación fluida puede incluir partículas que tienen un diámetro medio de partícula de 5 pm o mayor. El diámetro medio de partícula puede ser de 100 pm o menor. Tal como se usa en el presente documento, un tamaño d50 de partícula es el diámetro medio, en el que el 50% del volumen está compuesto por partículas más grandes que el valor d50 indicado y el 50% del volumen está compuesto por partículas más pequeñas que el valor d50 indicado. Tal como se usa en el presente documento, el tamaño medio de partícula es el mismo que el tamaño d50 de partícula. En el texto anterior, los tamaños y/o el diámetro medio de partícula pueden evaluarse mediante difracción láser, por ejemplo, usando un analizador de tamaño de partícula láser Horiba LA950.
De manera ventajosa, el método puede usarse para inyectar formulaciones fluidas que incluyen aditivos relativamente grandes y/o relativamente abrasivos. Por ejemplo, la formulación fluida puede incluir un material laminar o similar a una placa, por ejemplo, un pigmento laminar o similar a una placa. El aditivo puede ser un material de efecto seleccionado para proporcionar un brillo perlado o nacarado o un efecto de granito, mármol, holográfico o similar a un brillo. El aditivo puede comprender un óxido metálico. El aditivo puede seleccionarse de entre pigmentos de mica revestidos con óxido metálico o pigmentos de escamas metálicas (por ejemplo, seleccionados de entre pigmentos de escamas de aluminio, escamas de hierro, escamas de acero inoxidable, pigmentos de bronce dorado y pigmentos de zinc).
De manera adecuada, dicha formulación se inyecta a una velocidad de 1 a 1.500 ml/minuto, preferiblemente a una velocidad de 3 a 750 ml/minuto, más preferiblemente a una velocidad de 10 a 500 ml/minuto.
El método puede comprender la selección por parte de un operador de un parámetro relacionado con la cantidad de dicha formulación fluida a ser dosificada a dicho material polimérico y la introducción de información relacionada con dicho parámetro a una unidad de procesamiento que controla el funcionamiento del aparato para inyectar dicha formulación a dicho material polimérico fundido según dicho parámetro. Dicho parámetro puede estar relacionado con una tasa de dosis deseada de dicha formulación fluida a dicho material polimérico. El método puede comprender la selección por parte de un operador de una presión de entrada de la formulación líquida a la segunda pcp.
Preferiblemente, después del contacto entre dicha formulación y dicho material polimérico, la mezcla incluye menos del 15% en peso (por ejemplo, menos del 10% en peso) de material derivado a partir de dicha formulación y más del 85% en peso (por ejemplo, más del 90% en peso) de material polimérico fundido con el que se pone en contacto la formulación en el método.
Preferiblemente, la formulación se selecciona y se inyecta a una velocidad que introduce menos del 15% en peso, más preferiblemente menos del 10% en peso o menos del 8% en peso del vehículo al material polimérico fundido. Es decir, después del contacto entre la formulación y el material polimérico fundido, la cantidad de vehículo en la mezcla es preferiblemente menor del 15% en peso, menor del 10% en peso o menor del 8% en peso. Preferiblemente, después del contacto entre la formulación y el material polimérico fundido, la suma de las cantidades de todos los líquidos introducidos al material polimérico a través de dicha formulación es menor del 15% en peso, menor del 10% en peso o menor del 8% en peso, en base al peso total de la mezcla que comprende dicha formulación y dicho material polimérico fundido después de dicho contacto.
Dicho material polimérico puede seleccionarse de entre poliésteres (especialmente PET), policarbonatos y poliolefinas. Dicho material polimérico es preferiblemente un poliéster, más preferiblemente PET.
Aguas abajo del contacto entre dicha formulación y dicho material polimérico, la mezcla puede usarse para formar láminas o fibras; u otros artículos en procesos de moldeo por extrusión o por soplado.
El método del segundo aspecto puede comprender seleccionar una segunda pcp de entre al menos dos opciones. De esta manera, pueden proporcionarse dos segundas pcps opcionales; o puede proporcionarse una segunda pcp (denominada segunda pcp (A) y un aparato para convertir dicha segunda pcp (A) en una segunda pcp diferente, por ejemplo, una segunda pcp capaz de generar una presión más alta o más baja (por ejemplo, al tener más o menos cavidades) en comparación con la pcp (A). La segunda pcp (A) puede disponerse para convertirse en una segunda pcp diferente reemplazando el conjunto rotor/estator de la segunda pcp (A) con un conjunto rotor/estator alternativo que tiene más o menos cavidades que el conjunto rotor/estator reemplazado.
El método del segundo aspecto puede comprender, antes de la etapa (ii), seleccionar un aparato que comprende un vehículo en el que están montadas las pcps primera y segunda y mover el vehículo desde una primera posición hacia una segunda posición separada de la primera posición, en el que dicha segunda posición es adyacente a un aparato de procesamiento en estado fundido que debe contener el material polimérico fundido en el que debe inyectarse dicha formulación en la etapa (iii).
En una realización, se proporciona el uso de un aparato del primer aspecto para inyectar una formulación fluida al material polimérico fundido.
El material polimérico fundido puede hilarse en fibra, por ejemplo, que tiene una longitud mayor de 10 m.
El uso puede implicar inyectar una formulación fluida en un material polimérico fundido, tal como se ha descrito en el segundo aspecto.
A continuación, las realizaciones de la invención se describirán, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 es una representación esquemática de un aparato para inyectar una formulación líquida al polímero fundido;
La Figura 2 es una sección transversal a través de una bomba de cavidad progresiva (pcp) que está dispuesta para aumentar la presión de la formulación líquida antes de la inyección al polímero fundido; y
La Figura 3 es una sección transversal a través de una pcp alternativa a la de la Figura 2;
La Figura 4 es una vista frontal de un carro que transporta el aparato, parcialmente en sección transversal.
En las figuras, las partes iguales o similares se indican con los mismos números de referencia.
Un aparato de inyección para inyectar una formulación líquida a un polímero fundido, a alta presión, se muestra en la Figura 1. El aparato incluye un depósito 2 que contiene la formulación líquida a temperatura y presión ambiente y está dispuesto para alimentar por inundación el cuerpo 26 de bomba de una primera bomba 4 de cavidad progresiva (pcp). La primera pcp 4 es accionada por un motor 6 y está dispuesta para dosificar de manera precisa la formulación líquida a una segunda pcp 8 que está aguas abajo de la primera pcp, y es accionada por un motor 10 y está dispuesta para aumentar la presión de la formulación líquida en 200 bar o más. Un transductor 12 de presión está posicionado en una línea de flujo entre las pcps 4, 8 primera y segunda.
Adyacente a una salida de la segunda pcp 8 se proporciona un segundo transductor 13 de presión que está dispuesto para supervisar la presión del fluido que sale de la segunda pcp 8.
Aguas abajo de la bomba 8 hay una válvula 14 de suministro, controlada por un actuador 16 y dispuesta para controlar el paso de la formulación líquida, a través de su salida 17, a una corriente 75 de polímero fundido presurizado que está presente en el interior de una extrusora 77 provista aguas abajo de la salida 17. La extrusora incluye un transductor 79 de presión asociado para supervisar la presión de la corriente de polímero.
Durante el uso, el aparato se controla de manera que la primera pcp actúe como una bomba dosificadora. Se acciona para suministrar de manera precisa una corriente continua de la formulación líquida y según el rendimiento en tiempo real del polímero en la extrusora 77, para suministrar de esta manera de manera precisa la formulación líquida, incluyendo aditivos relevantes, al polímero, antes de que el polímero sea extruido en productos tales como productos laminados, productos de perfil y filamentos textiles.
La presión dentro de la corriente de polímero fundido presurizado en el interior de la extrusora será significativamente mayor que la presión que puede suministrar la primera pcp 4. De esta manera, cuando el aparato se hace funcionar inicialmente, la válvula 14 de suministro se cierra y, por lo tanto, aísla el aparato de la corriente de polímero fundido presurizado. La primera pcp 4 se hace funcionar para dosificar la formulación líquida contra la entrada 22 (mostrada más claramente en la Figura 2) de la segunda pcp 8, siendo la presión entre las bombas 4, 8 primera y segunda supervisada por un transductor 12 de presión. Se permite que la presión aumente en el transductor 12 de presión hasta que se consigue una presión preestablecida. Esta presión preestablecida es relativamente baja y se selecciona de manera que coincida con la capacidad de presión de descarga preferida de la bomba 4. Típicamente, es de 2 a 3 bar.
Una vez que se alcanza la presión preestablecida, la segunda pcp 8 es accionada por el motor 10 para transportar la formulación líquida lejos del transductor 12 de presión/entrada 22, mientras se mantiene la presión preestablecida medida por el transductor 12 de presión. La velocidad del motor 10 se ajusta de manera continua usando un control de bucle proporcional-integral-derivativo (P.I.D.) para mantener la presión preestablecida en el transductor 12 de la manera más precisa posible, ya que se observa que el mantenimiento de una presión de descarga constante y controlada de manera activa de la primera bomba 4 optimiza la precisión de dosificación de la bomba 4.
A medida que la bomba 8 transporta la formulación líquida lejos de la bomba 4, se genera una presión contra la válvula 14 cerrada. La presión es supervisada por el segundo transductor 13 de presión. La válvula 14 permanece cerrada hasta que la presión en el transductor 13 sea igual o ligeramente mayor que la presión de la corriente de polímero fundido en la extrusora 77. La presión del polímero fundido puede evaluarse mediante un transductor 79 de presión adicional posicionado cerca de la salida 17. De manera alternativa, la presión del polímero puede conocerse para un conjunto determinado de condiciones de procesamiento del polímero y, a continuación, puede programarse en el aparato de inyección.
Una vez que la presión de la formulación líquida en el transductor 13 alcanza un nivel adecuado (es decir, igual o mayor que la presión de la corriente de polímero fundido), el actuador 16 se opera para abrir la válvula 14 de suministro, permitiendo de esta manera que la formulación líquida fluya a la corriente de polímero fundido. Por consiguiente, la presión de la formulación líquida en el transductor 13 se igualará inmediatamente con la presión de la corriente de polímero fundido en la extrusora 77 en la posición de inyección. Durante este tiempo, la velocidad de rotación de la bomba 8 se modulará según sea necesario para mantener la presión preestablecida en el transductor 12.
Mediante el uso de un control de bucle P.I.D. para mantener la presión en el transductor 12, el aparato de inyección puede ajustarse automática y rápidamente a los cambios en la corriente de polímero fundido en la extrusora 77.
La bomba 8 puede deslizarse ligeramente a alta presión (por ejemplo, cuando se aproxima a 200 bar), por lo que la velocidad de rotación de la bomba puede variarse independientemente de la tasa de suministro. Además, la presión de la corriente de polímero fundido puede fluctuar durante una ejecución. Para mantener el suministro de un volumen constante de formulación líquida a la corriente de polímero fundido, puede ser necesario que la bomba 8 sea controlada para aumentar o disminuir su velocidad. Además, la capacidad de procesamiento de la corriente de polímero fundido también puede cambiar, en cuyo caso la bomba 4 dosificadora será controlada para ajustar su velocidad de funcionamiento de manera correspondiente y la bomba 8 se ajustará según sea necesario para mantener la presión en el transductor 12.
A continuación, se proporcionan detalles adicionales acerca de las partes del aparato.
El depósito 2 que contiene la formulación líquida a ser inyectada al polímero puede comprender un recipiente de plástico, por ejemplo, un recipiente de tipo bolsa-en-una-caja, que tiene un volumen comprendido en el intervalo de 2,5 a 15 litros. De manera adecuada, no está presurizado, si no que está abierto a la atmósfera y está dispuesto para alimentar líquido por gravedad al cuerpo 26 de bomba de la pcp 4.
La pcp 4 puede ser una pcp de peso relativamente ligero, que tiene una capacidad de descarga de presión de 2 o 3 bar. Preferiblemente, incluye 4 o 6 o más cavidades de volúmenes sustancialmente idénticos, en el que el volumen de las cavidades es de 0,08 ml, 0,24 ml, 0,8 ml o 2,6 ml. Tal como se ha descrito anteriormente, actúa como una bomba dosificadora en el aparato de inyección controlando, a través del controlador PID, la presión generada (supervisada por el transductor 12) y/o su velocidad. La presión de la formulación líquida es aumentada solo en una cantidad relativamente pequeña por la bomba 4 (por ejemplo, a aproximadamente 2 a 3 bar). Sin embargo, es ventajoso que la presión sea aumentada por la bomba 4 y que la presión de la formulación líquida en la entrada a la bomba 8 sea unos pocos bares mayor que la presión ambiental, ya que esto permite que la bomba 8 sea proporcionada en una forma más compacta, tal como se describe más adelante.
La bomba 8 se muestra detalladamente en la Figura 2. Comprende un cuerpo 30 de bomba, un conjunto 32 rotor/estator y un extremo 34 de descarga. Cada componente se describe más detalladamente a continuación.
De manera ventajosa, el cuerpo 30 de bomba se modifica en comparación con las pcps conocidas de uso general. El cuerpo 30 incluye una carcasa 36 con una sección transversal interior circular que incluye una entrada 22 para recibir la formulación líquida que ha sido dosificada por la bomba 4. La carcasa 36 incluye también un orificio 38 que puede recibir un transductor de presión (no mostrado) para supervisar la presión de la formulación líquida en el cuerpo de la bomba. Este transductor de presión reemplaza de manera adecuada al transductor 12 mostrado en la Figura 1. Que el transductor esté montado en el cuerpo de la bomba significa que el transductor se extrae junto con la bomba 8 cuando se cambia (por ejemplo, como parte de un cambio de color), lo que facilita un cambio rápido y limpio de la bomba 8.
La carcasa 36 está construida de manera que se minimice su volumen 42 interior (que puede contener la formulación líquida introducida a la carcasa a través de la entrada 22). En una realización preferida, la capacidad total de la carcasa para contener la formulación líquida es sólo de aproximadamente 100 ml. Cabe señalar que la "capacidad total" es igual a la cantidad total de formulación líquida que puede contener la carcasa, teniendo en cuenta el hecho de que la carcasa incluye cuerpos sólidos (por ejemplo, un eje de enlace, acoplamientos y juntas, tal como se describe en el presente documento) que reducen el volumen disponible para contener formulación líquida. Es ventajoso minimizar la capacidad total, por diversas razones. Una razón está asociada con la reducción de la cantidad de formulación líquida que puede desperdiciarse en el caso de que sea necesario o deseable limpiar la carcasa 36, por ejemplo, cuando una formulación líquida alternativa debe ser suministrada por el aparato de inyección. Otra razón puede estar asociada con una preferencia por minimizar el volumen de formulación líquida no usada. Por ejemplo, el cuerpo 30 que contiene la formulación líquida puede desacoplarse de las otras partes del aparato de inyección y puede reemplazarse con un cuerpo 30 alternativo que contiene (o que se usa con) una formulación líquida alternativa. A continuación, el cuerpo 30 desacoplado puede almacenarse para su uso posterior. Es deseable minimizar el volumen de formulación líquida almacenada desde una perspectiva de costes, para minimizar una formulación no usada y/o una formulación que puede necesitar ser purgada desde el cuerpo 30 de bomba y ser desechada si se almacena durante un tiempo superior a su vida útil máxima. De esta manera, la minimización de la capacidad volumétrica del cuerpo 30 reduce el tiempo necesario para purgar completamente el sistema y, por consiguiente, reduce el tiempo de configuración del sistema. Además, la minimización de la capacidad total permite el uso de menos material en la construcción de la carcasa, lo que conduce a una carcasa más ligera, más compacta y más económica. Se usa un sello 64 dinámico para cerrar el volumen 42 interior del cuerpo 30, permitiendo que el eje 52 de accionamiento gire libremente mientras se previene que el líquido presurizado se escape a través del conjunto 54 de cojinete. Se ha observado que el lavado del cuerpo 30 se mejora de manera ventajosa colocando la entrada 22 tan cerca como sea posible del sello 64 dinámico. La colocación de la entrada 22 en el extremo más opuesto del volumen 42 interior desde un conducto 62, que permite que la formulación líquida pase desde el volumen 42 interior de la carcasa 36 al interior del conjunto 32 rotor/estator, garantiza que el flujo de líquido en el cuerpo 30 sea, en la medida de lo posible, en una dirección a través del cuerpo de la bomba. Esto propicia que la formulación líquida saliente sea empujada de manera preferente en la dirección correcta con una dependencia reducida del flujo turbulento en el volumen 42 interior para transportar la formulación líquida hacia el rotor/estator 32.
De manera ventajosa, el extremo 34 de descarga del conjunto 8 de bomba está diseñado también para reducir el volumen interior por muchas de las mismas razones que para el cuerpo 30 de bomba. El extremo 34 de descarga incluye un orificio 66 que puede recibir un transductor de presión (no mostrado) para supervisar la presión de la formulación líquida en la posición de descarga. Este transductor de presión puede reemplazar al transductor 13 mostrado en la Figura 1. Que el transductor esté montado en el extremo de descarga significa que el transductor se extrae junto con la bomba 8 cuando se cambia (por ejemplo, como parte de un cambio de color), lo que facilita un cambio rápido y limpio de la bomba 8. El líquido se descarga desde la bomba 8 a través de una salida 68.
Un eje 40 de enlace está dispuesto en el interior de la carcasa 36 del cuerpo 30 y está dispuesto para conectar un motor 10 (mostrado en la Figura 1 pero no en la Figura 2) a un rotor del conjunto 32 rotor/estator. El eje 40 de enlace está dispuesto en el interior de la carcasa de manera que se minimice la distancia (representada como "x" entre las flechas en la Figura 2) entre la superficie 44 de sección transversal circular exterior del eje 40 y la superficie 46 de sección transversal circular orientada hacia el interior de la carcasa 36, mientras se garantiza también suficiente espacio libre entre el eje 40 de enlace y la superficie 46. Típicamente, la distancia x puede ser menor de 10 mm.
Otra ventaja asociada con la minimización de la distancia x es evidente cuando la formulación líquida suministrada por el aparato se diluye por cizallamiento, tal como se prefiere. Durante el uso, el eje 40 de enlace giratorio actúa hasta cierto punto como un elemento de mezclado y, por consiguiente, hay una tendencia a que la formulación líquida adyacente al eje giratorio se diluya por cizallamiento y pase de manera preferente al interior del conjunto 32 rotor/estator; mientras que es posible que la formulación líquida radialmente más alejada del eje no se diluya por cizallamiento y puede ser más viscosa, estando la formulación más viscosa potencialmente adyacente a la superficie 46. Sin embargo, al minimizar la distancia x puede minimizarse el riesgo de que la formulación líquida tenga viscosidades significativamente diferentes radialmente a través de la carcasa 36. Además, la disposición descrita puede permitir de manera ventajosa que sustancialmente toda la formulación líquida en la carcasa 36 se mantenga turbulenta por la rotación del eje 40. Los efectos indicados anteriormente pueden facilitar el intercambio de la formulación líquida en la carcasa 36 y un paso suave y consistente de la formulación líquida al interior del conjunto 32 rotor/estator. Además, la disposición de la carcasa de manera que la formulación líquida se mantenga turbulenta puede permitir que la carcasa sea lavada in situ, por ejemplo, durante un cambio de color, sin dejar grumos de producto en ninguna esquina muerta de la carcasa.
Además, en conexión con un deseo de minimizar la capacidad total de la carcasa, el eje de enlace es tan corto como sea posible. Por ejemplo, el eje del enlace puede tener una longitud de aproximadamente 90 mm y un diámetro máximo de aproximadamente 14 mm.
En un extremo, el eje 40 de enlace está conectado de manera operativa, a través de un acoplamiento y una junta 50, a un eje 52 de accionamiento que está soportado por el conjunto 54 de cojinete y que está dispuesto para ser accionado por un motor 10. En su otro extremo, el eje 40 de enlace está conectado de manera operativa, a través de un acoplamiento y una junta 58, al estator 60 del conjunto 32 rotor/estator.
El espacio libre entre las juntas 50, 58 y la superficie 46 de la carcasa 36 (distancia "y" en la Figura 2) también se minimiza, mientras se permite la rotación excéntrica del rotor de la bomba con relación al eje accionado. La distancia y puede ser de aproximadamente 3,15 mm.
La Figura 3 muestra una versión de la bomba 8 en la que el eje 40 de enlace tiene un diámetro aumentado, en comparación con el de la Figura 2. Además, unas pinzas 51 de cocodrilo elásticas rodean el eje. Esta disposición alternativa minimiza adicionalmente el volumen interior del cuerpo 30 de bomba. Además, el espacio libre uniforme entre el conjunto de eje y la superficie interior del cuerpo 46 sirve para reducir los puntos de "obstrucción" y mejora adicionalmente el comportamiento de lavado del cuerpo de la bomba.
La minimización del volumen 42 interior de la carcasa 36 se hace posible presurizando la formulación líquida introducida al interior de la carcasa 36 mediante la bomba 2. El presente solicitante ha descubierto que no es posible reducir suficientemente el volumen 42 interior de una pcp convencional si una bomba 8 se alimenta por inundación a presión ambiente. Se ha descubierto que se requiere una pcp de mayor volumen interior, para un funcionamiento eficiente y consistente, si dicha pcp se alimenta por inundación.
El cuerpo 30 de bomba está dispuesto para el paso de la formulación líquida desde la carcasa 36 al interior del conjunto 32 rotor/estator, a través de la abertura 62.
El conjunto 32 incluye múltiples cavidades superpuestas dispuestas para generar una presión de descarga requerida, por ejemplo, de hasta 200 bar o superior. De manera adecuada, las cavidades de la pcp pueden tener volúmenes de aproximadamente 0,08 ml, 0,25 ml o 0,85 ml. De manera adecuada, es posible generar de 3 a 4,5 bar por cada cavidad completa. Puede seleccionarse un conjunto 32 que tiene 36 o 48 cavidades completas de volumen sustancialmente idéntico, teniendo este último una capacidad de aumento de presión de aproximadamente 200 bar. Mediante el uso de cavidades relativamente pequeñas, puede optimizarse el potencial de aumento de presión de la pcp mientras se minimiza el tamaño total, particularmente la longitud, de la pcp. Una pcp del tipo descrito con 36 cavidades completas de aproximadamente un volumen de 0,24 ml puede tener una longitud, entre un extremo del volumen 42 interior de la carcasa 36 y la salida 68 en el extremo 34 de descarga (distancia "z" en la Figura 2), de aproximadamente 460 mm; y la longitud de una pcp con 48 cavidades completas de aproximadamente un volumen de 0,8 ml puede ser de aproximadamente 836 mm. En este caso, la longitud del conjunto 32 rotor/estator sería de aproximadamente 365 mm y 687 mm respectivamente.
De manera ventajosa, los conjuntos 32 rotor/estator pueden fijarse, de manera liberable, al cuerpo 30 de bomba y el cuerpo 30 de bomba puede hacerse funcionar con conjuntos 32 de diferentes geometrías, por ejemplo, que tienen las diferentes longitudes y las capacidades descritas.
En vista de la disposición compacta del aparato de inyección descrito en las Figuras 1 a 3, todo el aparato puede montarse en un carro 80, tal como se muestra en la Figura 3. Con referencia a la figura, el carro 80 incluye una base 82 que está soportada sobre ruedas 84. Las pcps 4 y 8 respectivas están montadas en posiciones verticales en la base y conectadas a través de tuberías (no mostradas). Los motores 6, 8, los transductores 12, 13 de presión, la válvula 14, el actuador 16 y la salida 17 no se muestran en la Figura 4; sin embargo, todos están asociados con y/o fijados al carro 80. El depósito 2 está también montado en el carro y está dispuesto para suministrar la formulación líquida al extremo inferior de la pcp 4. Durante el uso, la formulación pasa desde el extremo superior de la pcp 4 al extremo inferior de la pcp 8. Sale de la pcp 8 a través de la boquilla 34 de descarga a la que está conectada una tubería (no mostrada) para dirigir la formulación líquida al interior del polímero fundido presente en una extrusora (no mostrada).
El carro incluye un ordenador y una pantalla 86 y una luz 88 de advertencia dispuesta para parpadear en el caso de un mal funcionamiento o un error durante el funcionamiento del aparato de inyección.
El carro puede colocarse con ruedas en una extrusora donde se desea inyectar una formulación líquida que minimice los costes de preparación y el tiempo asociado con la inyección de formulaciones líquidas al interior de materiales poliméricos.
El carro está dispuesto para una fácil extracción/reemplazo de los diversos componentes. Por ejemplo, el depósito 2 puede montarse/desmontarse fácilmente y puede conectarse a la pcp 4. De manera similar, las pcps 4 y 8 pueden extraerse y reemplazarse fácilmente, según sea necesario. Por ejemplo, la pcp 8 puede reemplazarse por una pcp que tiene más o menos etapas, mediante un reemplazo completo de la pcp o solo mediante un reemplazo del conjunto rotor/estator de la pcp. Además, el funcionamiento del aparato de inyección, la manipulación del carro 80, el montaje/desmontaje del depósito 2 y la extracción/reemplazo de las pcps 4, 8 pueden ser realizados de manera ventajosa por un solo operador, sin ayuda.
El aparato descrito puede ser capaz de dosificar de manera precisa formulaciones que tienen una viscosidad comprendida en el intervalo de 5.000-35.000 cp, a la temperatura de funcionamiento de la formulación que contiene partículas (por ejemplo, pigmentos) que tienen tamaños de partícula mayores de 200 gm, con cargas de partículas de hasta el 85% en peso (por ejemplo, en el caso de pigmentos inorgánicos) o de hasta el 65% en peso (por ejemplo, en el caso de pigmentos y tintes orgánicos).
Se observa que el aparato descrito puede usarse para dosificar de manera precisa formulaciones líquidas, a alta presión, a un polímero en una extrusora, con un desgaste relativamente bajo en las dos pcps.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Aparato para inyectar una formulación fluida a un material polimérico fundido, comprendiendo el aparato una primera bomba (4) de cavidad progresiva (pcp) y una segunda pcp (8) dispuestas en serie en una trayectoria de fluido aguas arriba de una salida (17) del aparato, en el que el aparato incluye una interfaz de usuario mediante la cual un usuario puede introducir información del proceso seleccionada de entre el rendimiento del aparato de procesamiento en estado fundido, la presión del punto de inyección y la LDR (relación de dilución).
2. Aparato según la reivindicación 1, en el que dicha primera pcp (4) está dispuesta para alimentar una formulación líquida a una entrada de la segunda pcp (8) a una presión que es mayor que la presión atmosférica y que es preferiblemente menor de 500 KPa (5 bar).
3. Aparato según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicha segunda pcp (8) incluye un cuerpo (30) de bomba que tiene un volumen interior que consiste en el volumen del cuerpo de bomba aguas arriba de un conjunto de rotor y estator de la segunda pcp que puede contener una formulación líquida introducida a la segunda pcp a través de su entrada, siendo dicho volumen de bomba menor de 200 ml; y/o
en el que la longitud del volumen interior es menor de 250 mm y la anchura es menor de 75 mm; y/o
en el que el cuerpo de (30) bomba incluye un eje (40) de enlace conectado de manera operativa entre un conjunto (32) rotor/estator de la segunda pcp y un motor (10) de la pcp, en el que dicho eje de enlace tiene una anchura menor de 25 mm; y preferiblemente tiene una longitud menor de 250 mm; y,
opcionalmente, en el que el eje de enlace se posiciona entre las paredes del cuerpo de bomba que definen el volumen interior de la pcp que puede contener una formulación líquida y el eje de enlace tiene una anchura máxima medida perpendicular a su eje de rotación de "p" mm y la distancia entre dichas paredes del cuerpo de bomba medida en la misma línea perpendicular al eje de rotación del eje de enlace es "q" mm, en el que la relación de p/q es de al menos 0,4 y es menor de 0,9.
4. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las cavidades de la primera pcp (4) y/o de la segunda pcp (8) tienen un volumen comprendido en el intervalo de 0,05 ml a 1,2 ml.
5. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha segunda pcp (8) incluye un conjunto rotor/estator que incluye al menos 10 cavidades y/o que tiene una longitud menor de 1.000 mm y/o que tiene una longitud de al menos 100 mm; y/o
en el que dicha segunda pcp (8) está dispuesta para aumentar la presión en al menos 10.000 KPa (100 bar), preferiblemente en al menos 19.000 KPa (190 bar).
6. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho aparato incluye un dispositivo (R) de supervisión de presión para supervisar la presión de la formulación líquida aguas abajo de un conjunto rotor/estator de la segunda pcp (8); y un dispositivo (Q) de supervisión de presión para supervisar la presión de la formulación líquida aguas arriba de dicha segunda pcp; y/o
en el que se proporciona un depósito (2) aguas arriba de dicha primera pcp (4) y entre dicho depósito y dicha salida (17) del aparato a través del cual la formulación fluida puede suministrarse a un material polimérico fundido, dicho aparato incluye solo dos bombas; y/o
en el que una unidad de procesamiento o la unidad de procesamiento del aparato está dispuesta para controlar la dosificación por parte de la primera pcp (4) manteniendo la presión inmediatamente aguas abajo de la primera pcp sustancialmente constante.
7. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la relación del número de cavidades de un conjunto rotor/estator de la segunda pcp (8) dividido por el número de cavidades de un conjunto rotor/estator de la primera pcp (4) es de al menos 2, preferiblemente de al menos 6.
8. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha primera pcp (4) se proporciona aguas arriba de la segunda pcp (8) y un depósito (2) está aguas arriba de la primera pcp, estando el depósito conectado a la primera pcp a través de un conducto, y un recipiente de almacenamiento está dispuesto para suministrar la formulación líquida a dicho depósito; y, opcionalmente, en el que el depósito está dispuesto para suministrar una formulación fluida a la entrada de la primera pcp a una presión menor de 1.200 KPa (1,2 bar).
9. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho aparato se proporciona en combinación con un aparato de procesamiento en estado fundido, en el que dicha salida del aparato de inyección está en comunicación de fluido con una entrada a través de la cual la formulación fluida puede ser introducida a una corriente en estado fundido producida por dicho aparato (77) de procesamiento en estado fundido.
10. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una unidad de procesamiento de dicho aparato está dispuesta para hacer funcionar dicha primera pcp (4) de manera que la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la primera pcp sea menor de 8 bar; y la unidad de procesamiento de dicho aparato está dispuesta para hacer funcionar dicha segunda pcp (8) de manera que la diferencia de presión entre su entrada y su salida sea mayor de 10.000 KPa.
11. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, en dicho aparato, dicha segunda pcp (8) está montada en una posición erguida y preferiblemente dicha primera pcp (4) está montada en una posición erguida; y/o
en el que dichas pcps primera y segunda están montadas en un vehículo que tiene una huella menor de 1 m2.
12. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el aparato incluye dos de dichas segundas pcps o incluye una segunda pcp y un conjunto rotor/estator separado dispuesto para ser intercambiado con el conjunto rotor/estator de dicha segunda pcp; y/o
en el que el aparato incluye dos de dichas primeras pcps que son intercambiables.
13. Método para inyectar una formulación fluida en un material polimérico fundido, comprendiendo el método:
(i) seleccionar un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores;
(ii) hacer funcionar la segunda pcp (8) para aumentar la presión de la formulación que pasa entre el depósito (2) y dicha salida (17); e
(iii) inyectar dicha formulación a un material polimérico fundido aguas abajo de dicha salida.
14. Método según la reivindicación 13, en el que en la etapa (ii), dicha segunda pcp (8) se hace funcionar para aumentar la presión de la formulación en al menos 10.000 KPa (100 bar) y/o, en la etapa (iii), dicha formulación se inyecta a una presión de al menos 10.000 KPa (100 bar); en el que:
opcionalmente, el método comprende la dosificación de la formulación líquida por parte de dicha primera pcp (4); opcionalmente, dicha primera pcp se hace funcionar para aumentar la presión de la formulación líquida en menos de 800 KPa (8 bar) y/o para introducir la formulación líquida a dicha segunda pcp a una presión superior a la presión ambiental;
opcionalmente, el método comprende la selección por parte de un operador de un parámetro relacionado con la cantidad de dicha formulación fluida a ser dosificada a dicho material polimérico y la introducción de información relacionada con dicho parámetro a una unidad de procesamiento que controla el funcionamiento del aparato para inyectar dicha formulación a dicho material polimérico fundido según dicho parámetro.
15. Método según la reivindicación 13 o la reivindicación 14, en el que dicha formulación fluida tiene una viscosidad de al menos 5,000 cP; y/o incluye al menos el 20% en peso, preferiblemente al menos el 60% en peso, de sólidos.
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