IT202100011258A1 - Formulazione termoplastica e procedimento per la sua produzione. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell?invenzione avente per titolo:

?FORMULAZIONE TERMOPLASTICA E PROCEDIMENTO PER LA SUA

PRODUZIONE.?

Sfondo dell?invenzione

[001] La presente invenzione concerne una formulazione termoplastica contenente una carica, un procedimento per la sua produzione ed i prodotti con essa ottenibili.

[002] In particolare, l'invenzione concerne una formulazione termoplastica che contiene poliolefine ed una carica minerale. Pi? in particolare, la presente invenzione concerne una formulazione termoplastica dove la componente polimerica deriva da formulazione termoplastica vergine, di riciclo o una loro miscela e dove la componente data dalla carica deriva da scarti di lavorazione di materiale lapideo. In particolare, la carica pu? essere una polvere ottenuta dalla lavorazione in cava di granito, marmo o altri materiali lapidei mediante trapanatura, taglio e simili metodi di lavorazione.

Descrizione della tecnica nota.

[003] I polimeri termoplastici vengono generalmente addizionati con cariche inerti, vale a dire cariche di materiali che non reagiscono con il polimero di base e le cui funzioni principali sono quelle di ridurre il costo del prodotto, i tempi di raffreddamento del pezzo stampato e di conferire al polimero caricato caratteristiche tecniche differenti da quelle del polimero iniziale. Esempi di cariche sono il carbonato di calcio, la farina di legno, il talco, le fibre di vetro. La quantit?

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di carica aggiunta varia in funzione della natura della carica e delle caratteristiche meccaniche richieste per il prodotto finale.

[004] Secondo la tecnica nota, i polimeri termoplastici possono essere addizionati anche con cariche pigmentanti in grado di colorare la massa polimerica. La quantit? di questo tipo di cariche aggiunta al polimero lavorato ? molto minore di quella delle cariche sopra discusse ed ? una funzione del colore di partenza del polimero e del colore finale desiderato. Cariche e pigmenti hanno costi diversi che incidono sul costo del prodotto finale.

Scopo dell?invenzione

[005] Uno scopo della presente invenzione ? quello di risolvere i problemi sopra menzionati e fornire prodotti termoplastici caricati che abbiano costi ridotti e che abbiano ridotto impatto ambientale.

[006] Tale scopo viene raggiunto per mezzo della presente invenzione che fornisce una formulazione termoplastica comprendente almeno un polimero termoplastico ed una carica, detta carica comprendendo almeno una polvere minerale di scarto ottenuta dalla lavorazione di materiali lapidei.

[007] In particolare la polvere utilizzata per l?invenzione ? quella ottenibile dai processi di raccolta di polvere per aspirazione.

[008] Nei processi di estrazione nelle cave e nei processi di lavorazione dei blocchi estratti si forma della polvere. La polvere pu? formarsi come risultato di scavi e di esplosioni, oppure pu? essere generata da sorgenti puntuali in particolare da processi di perforazione e taglio ma anche da fasi di frantumazione e vagliatura. Le tecniche di controllo della emissione di polveri, in particolare da fonti puntuali in cave di estrazione di blocchi di materiale lapideo, come granito e marmo, includono sistemi di aspirazione che rimuovono la polvere e la filtrano dal flusso d'aria prima che esso venga rilasciato nell'atmosfera, la polvere filtrata viene poi alloggiata in sacchi o altri contenitori.

[009] La polvere cos? raccolta deve poi essere smaltita secondo le norme locali, con i conseguenti costi che derivano da questa ulteriore fase.

[010] La richiedente ha sorprendentemente scoperto che la polvere di scarto della lavorazione di materiali lapidei che deriva dai processi di aspirazione, in particolare da lavorazioni di taglio e perforazione, pu? essere utilizzata come carica per basi polimeriche termoplastiche senza dover essere sottoposta a ulteriori trattamenti o lavorazioni. Si ? infatti constatato che il particolare scarto di granulometria fine (polveri), derivante dalle operazioni di taglio e perforazione dei blocchi e raccolto da un sistema di aspirazione delle polveri pu? essere miscelato con un polimero e non richiede necessariamente ulteriore elaborazione dopo la raccolta.

[011] Si ? inoltre sorprendentemente constatato che almeno nel caso di polveri di granito l?utilizzazione di polveri come sopra definite si traduce in un effetto estetico unico, riproducendo nel prodotto finale una texture e un aspetto che richiamano, per alcuni aspetti, la pietra naturale.

[012] L?invenzione concerne inoltre un articolo ottenuto con la detta formulazione termoplastica e un procedimento per produrre la formulazione della presente invenzione.

[013] Secondo un aspetto dell?invenzione la quantit? di polvere nella formulazione e di conseguenza nell?articolo ? compresa nell?intervallo tra 15% e 80% in peso sulla formulazione polimerica ed ? preferibilmente almeno il 40% in peso, preferibilmente compresa tra 45% e 70% in peso, pi? preferibilmente tra 45% e 60% in peso sul peso totale della formulazione polimerica.

[014] Le particelle di polvere adatte per la presente invenzione hanno dimensioni micrometriche e sono presenti in un ampio intervallo di dimensioni cosicch? la polvere comprende particelle fini e particelle pi? grossolane. Le particelle pi? grandi hanno dimensioni dell?ordine di qualche centinaio di microns, ad esempio nell?intervallo tra 100 e 900 ?m, particelle con dimensioni maggiori di 900 ?m possono essere presenti in quantit? ridotte ed in genere non superiori al 5-6% in volume.

[015] Secondo un aspetto dell?invenzione almeno il 90% in volume, preferibilmente almeno il 95% in volume delle particelle della polvere da miscelare con il polimero ha dimensioni comprese tra 2 ?m e 350 ?m. Generalmente la polvere presenta un valore Dv(50) compreso nell?intervallo tra 45?m e 60?m; il valore Dv(90) ? preferibilmente compreso nell?intervallo tra 180?m e 350?m.

[016] Polveri di materiale lapideo adatti per la presente invenzione sono polveri di granito, di marmo, quarziti, ardesie, basalti, rocce calcaree, tufi e loro miscele. Secondo una realizzazione dell?invenzione la polvere comprende particelle con colorazioni diverse tra loro, vale a dire una prima percentuale di particelle ha una prima colorazione ed una seconda percentuale di particelle ha una colorazione differente. Vantaggiosamente, la prima percentuale di particelle ha colore e granulometria media diversa da colore e granulometria media della seconda percentuale di particelle.

[017] Una polvere di materiale lapideo preferita ? la polvere di granito. Si ? infatti constatato che quando la miscela di polimero e polvere di granito viene sottoposta a un processo di estrusione, il materiale risultante presenta una tonalit? di colore pi? intenso rispetto a quello ottenibile con un semplice miscelazione di resina e polvere di granito.

[018] Un ulteriore vantaggio dell?uso di polvere di granito ? nel fatto che quando la quantit? di polvere aggiunta ? di almeno il 40% in peso, ad esempio circa 45%-60% in peso, sulla base polimerica, il prodotto finale, ad esempio una lastra, presenta una pluralit? di agglomerati di particelle di polvere, agglomerati che hanno dimensioni visibili ad occhio nudo sulla superficie dell?articolo cos? ottenuto.

[019] In altre parole, si ? constatato che durante la fase di miscelazione con il polimero fuso, le polveri selezionate possono modificare alcune loro caratteristiche (sfumature di colore), che possono essere sfruttate per ottenere particolari effetti estetici. Si ? inoltre constatato che le particelle dell?invenzione, alla fine della fase di miscelazione (compounding) impartiscono al prodotto finito un particolare aspetto e texturing.

[020] Senza voler fornire una completa e vincolante spiegazione del fenomeno osservato, le indagini e le analisi effettuate dalla richiedente mostrano che le particelle con dimensioni maggiori tendono a formare degli agglomerati dove le particelle hanno generalmente dimensioni sopra i 100 ?m. Gli agglomerati cos? formati durante il processo di miscelazione carica-polimero presentano dimensioni tipicamente superiori ai 300 microns (?m) che sono visibili ad occhio nudo.

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[021] Polimeri adatti per l?uso nell?invenzione sono polimeri scelti fra poliolefine, poliammidi, poliesteri, poliuretani termoplastici, polimeri stirenici, copolimeri ABS e miscele di due o pi? polimeri compatibili. Polimeri preferiti sono quelli poliolefinici, in particolare polipropilene e polietilene. Vantaggiosamente i polimeri utilizzati sono polimeri riciclati.

[022] Secondo un aspetto preferenziale dell?invenzione il polimero usato per la formulazione ? un polimero di materiale plastico riciclato. Va notato come la combinazione di un materiale termoplastico riciclato con uno scarto generato nella lavorazione di materiali lapidei (e.g. granito) generi in modo sorprendente un manufatto con caratteristiche estetiche e meccaniche ottimali.

[023] Ed infatti, da un lato la superficie di un articolo, ad esempio una lastra, o un prodotto stampato con altre tecniche, come ad esempio un contenitore ottenuto per rotomoulding, presenta i sopra citati agglomerati visibili di particelle che impartiscono il desiderato effetto estetico, dall?altro lato il prodotto ottenuto presenta ottime propriet? meccaniche anche a elevate quantit? di carica e pu? quindi essere utilizzato in una variet? di usi finali dove il prodotto viene sottoposto a sollecitazioni meccaniche, quali ad esempio mobili da giardino.

[024] Come sopra accennato, il procedimento per la produzione di una formulazione o di un articolo secondo l?invenzione prevede di miscelare almeno una polvere di materiale lapideo con uno o pi? polimeri termoplastici portati ad uno stato fuso durante tale miscelazione. La polvere ha dimensioni micrometriche, come sopra discusso. Secondo un aspetto preferenziale dell?invenzione la miscelazione viene effettuata in un estrusore, quale ad esempio un estrusore bivite.

[025] Secondo un aspetto dell?invenzione, una carica pigmentante viene aggiunta a detto polimero. La miscela finale pu? infatti contenere coloranti, anche naturali, per realizzare colori tailor-made del prodotto.

[026] In una realizzazione, la carica pigmentante viene aggiunta ad una miscela che contiene una quantit? di polvere sufficiente a produrre i richiesti agglomerati di particelle di polvere; vantaggiosamente il colorante o pigmento aggiunto viene scelto in modo da impartire alla base polimerica una colorazione diversa dalla

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colorazione naturale di almeno parte dei detti agglomerati in modo da evidenziarne la presenza.

[027] Il materiale, ovvero la formulazione, ottenuto ? tipicamente in forma di granuli o pellet e pu? essere ulteriormente lavorato (processi da fuso/melt processing) per le fasi di formatura di un articolo o prodotto finale con tecniche note di per s?, quali ad esempio stampaggio ad iniezione, rotomoulding, estrusione di profili, etcetera. Il materiale risulta essere ambientalmente sostenibile in quanto utilizza polimeri preferibilmente riciclati e permette di valorizzazione di uno scarto di lavorazione e cio? le polveri di materiale lapideo, costituendo cos? un perfetto esempio di prodotto ?circolare?.

[028] La formulazione trovata pu? essere adattata a qualsiasi materiale lapideo disponibile su scala globale, ma utilizzando il materiale accessibile nella moltitudine di realt? locali. Questo offre il vantaggio di un approvvigionamento costante a distanze di trasporto ridotte aumentandone le caratteristiche di sostenibilit? ambientale.

Descrizione delle figure

[029] L?invenzione verr? ora discussa pi? in dettaglio con riferimento al seguente esempio di produzione ed alle seguenti figure, dove:

- la fig. 1 e la fig. 2 sono i grafici di analisi granulometriche di due campioni di polveri secondo l?invenzione;

- la fig.3 e la fig.4 sono due fotografie SEM di una sezione di un prodotto secondo l?invenzione;

- la fig. 5 ? una fotografia della superficie esterna, visibile, di una lastra ottenuta con la formulazione dell?invenzione e

- la fig. 6 ? una fotografia della superficie esterna, visibile, di una lastra della formulazione di cui alla fig.5, additivata con pigmento bianco.

Descrizione di realizzazioni dell?invenzione

[030] Le figure 1 e 2 mostrano la distribuzione granulometrica di due campioni di polvere di granito che costituiscono uno scarto industriale della lavorazione del granito. Le polveri sono state analizzate secondo la norma ISO 13320:2020. Come sopra accennato le polveri sono ottenute raccogliendo per aspirazione le polveri

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generate da processi di trapanatura o perforazione e di taglio. La polvere aspirata viene filtrata in modo noto di per s? nella tecnica e la polvere cos? raccolta pu? essere utilizzata nel procedimento secondo l?invenzione senza dover subire ulteriori lavorazioni.

[031] Contrariamente alla tecnica nota, la polvere utilizzata secondo la presente invenzione ha dimensione micrometrica. In altre parole, la percentuale di particelle con dimensioni inferiori ad un micron ? trascurabile. In una realizzazione, almeno il 90% in volume delle particelle della polvere da miscelare con il polimero ha dimensioni comprese tra 2 ?m e 350 ?m. Possono essere presenti quantit? ridotte di particelle con dimensioni intorno ai 1000 micron.

[032] La polvere adatta per la presente invenzione presenta un valore Dv(50) compreso nell?intervallo tra 45?m e 60?m; il valore Dv(90) ? preferibilmente compreso nell?intervallo tra 180?m e 350?m. Altri valori granulometrici della polvere per la presente invenzione sono almeno uno tra un Dv(10) compreso nell?intervallo tra 5?m e 9?m, un Dv[4;3] compreso nell?intervallo tra 60?m e 250?m e un Dv[3;2] compreso nell?intervallo tra 14?m e 18?m. I valori qui discussi sono stati rilevati eseguendo analisi secondo la norma ISO 13320:2020.

[033] Le fig.3 e 4 mostrano immagini SEM della sezione ottenuta per frattura fragile (a freddo) di un provino in forma di lastra ottenuto per stampaggio ad iniezione di granuli di formulazione secondo l?invenzione. Le foto mostrano agglomerati di particelle che hanno dimensioni sopra i 100-130 microns. In particolare, in fig.3 le due particelle affiancate hanno una dimensione maggiore (indicata con la linea obliqua che attraversa la particella) di circa 224?m e 390?m, rispettivamente. La larghezza totale della due particelle misurata orizzontalmente rispetto alla figura ? di circa 500?m.

[034] Con il termine ?agglomerato? si vuole qui intendere una pluralit? di particelle disposte l?una attigua all?altra e/o tangenti o quasi-tangenti in almeno un punto; generalmente tra due particelle agglomerate ? comunque presente del materiale plastico.

[035] Analogamente, in fig.4 le tre particelle affiancate formano un agglomerato con una dimensione massima (in direzione obliqua) misurabile in circa 350 ?m. In altre

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parole, si ? constatato che le particelle con dimensioni maggiori tendono a formare degli agglomerati nel polimero nel quale sono disperse. Gli agglomerati cos? formati durante il processo di miscelazione della polvere (filler) nel polimero presentano dimensioni tipicamente superiori ai 300 microns (?m) che costituiscono insiemi di particelle visibili ad occhio nudo. L?effetto di agglomerazione aumenta all?aumentare della carica di polvere di carica presente nella formulazione; preferibilmente la polvere ? presente per almeno il 40% in peso sul peso finale, ad esempio in un intervallo 40% - 80% in peso. Un intervallo preferenziale per la quantit? di carica ? 45% - 60% in peso.

[036] La fig.5 ? una vista della superficie esterna di una lastra 10x10 cm ottenuta per stampaggio ad iniezione di granuli di formulazione termoplastica secondo l?invenzione. Si pu? apprezzare la presenza di agglomerati di particelle chiare ed agglomerati di particelle molto scure su un fondo reso grigio scuro da altre diverse particelle. Infatti, la presenza di particelle di polvere aventi colorazione differente ? un aspetto vantaggioso della presente invenzione. La polvere di granito, che contiene naturalmente particelle con colorazioni diverse tra loro, ? una carica preferita secondo la presente invenzione.

[037] Cariche colorate e pigmenti posso essere aggiunte, singolarmente o in miscela, alla formulazione termoplastica per variare il colore di fondo della formulazione. Ad esempio, del biossido di titanio pu? essere aggiunto per ottenere un fondo chiaro o bianco nel quale risaltano agglomerati di particelle di colore scuro, come visibile in fig. 6. A sua volta, una formulazione sbiancata con titanio biossido pu? essere ulteriormente colorata con pigmenti per ottenere il colore o la sfumatura desiderata. E? particolarmente sorprendente che degli agglomerati siano visibili comunque anche in presenza di pigmenti.

[038] ESEMPIO 1 ? Produzione della formulazione

Un polipropilene riciclato avente melt flow rate (MFR) di 12.0-17.0 g/10min (ISO 1133) ? stato caricato al 47% in peso con polvere di granito grigio proveniente da una cava sita in Canton Ticino (CH); la polvere di granito utilizzata aveva una distribuzione granulometrica come mostrato in fig.1.

Polvere di granito e polipropilene sono stati alimentati ad un estrusore bivite riscaldato secondo un profilo di temperatura tra 190?C e 220?C ed il prodotto finale ? stato granulato. Le superfici dei granuli presentano un fondo grigio e agglomerati chiari di particelle.

[039] ESEMPIO 2 ? produzione di un articolo

I granuli ottenuti nell?esempio 1 sono stati usati per produrre lastre quadrate di dimensioni 100 x 100 mm e spessore 3mm mediante stampaggio a iniezione. La superficie della lastra cos? ottenuta mostrava un fondo grigio ed una pluralit? di agglomerati chiari e di agglomerati pi? scuri del fondo, come visibile in fig.5. Il materiale della lastra di formulazione secondo l?invenzione cos? ottenuta presenta ottime caratteristiche meccaniche. Il materiale ? stato sottoposto a test di flessione secondo la norma ISO 178; la mediana dei valori di sollecitazione massima ? stata pari a 25.62 N/mm<2>. Lo stesso materiale sottoposto a test di trazione secondo lo standard ISO 527 ha dato un valore mediano di carico massimo a rottura di 609.4 N e un modulo elastico mediano di 1747.27 N/mm<2>.

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Claims (15)

RIVENDICAZIONI

1. Formulazione termoplastica comprendente almeno un polimero termoplastico ed una carica, detta carica comprendendo almeno una polvere minerale di scarto ottenuta dalla lavorazione di materiali lapidei, preferibilmente dalla lavorazione di granito.

2. Formulazione termoplastica secondo la rivendicazione 1, in cui la quantit? di detta polvere ? compresa nell?intervallo tra 15 e 80% in peso sulla formulazione polimerica, preferibilmente tra 40 e 70% in peso, detta polvere essendo preferibilmente ottenuta da processi di raccolta di polvere per aspirazione durante la lavorazione di detti materiali lapidei.

3. Formulazione termoplastica secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui almeno il 90% in volume, preferibilmente almeno il 95% in volume delle particelle di detta polvere ha dimensioni comprese tra 2 ?m e 350 ?m misurato secondo ISO13320:2020.

4. Formulazione termoplastica secondo una rivendicazione da 1 a 3, in cui detta polvere presenta un valore Dv(50) compreso nell?intervallo tra 45?m e 60?m misurato secondo ISO13320:2020

5. Formulazione termoplastica secondo delle rivendicazioni precedenti, in cui detta polvere presenta inoltre almeno una delle seguenti caratteristiche: un valore Dv(90) delle dette particelle compreso nell?intervallo tra 180?m e 350?m e un valore Dv[4;3] compreso nell?intervallo tra 60?m a 200?m, misurato secondo ISO13320:2020.

6. Formulazione termoplastica secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui detta polvere comprende pluralit? di particelle di colore diverso.

7. Formulazione termoplastica secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto polimero termoplastico ? scelto fra poliolefine, poliammidi, poliesteri, poliuretani termoplastici, polimeri stirenici, copolimeri ABS e miscele di due o pi? di detti polimeri quando compatibili, preferibilmente detto polimero essendo un polimero poliolefinico riciclato.

8. Articolo stampato comprendente una formulazione termoplastica secondo una delle precedenti rivendicazioni.

9. Articolo secondo la rivendicazione 7, in cui la quantit? di polvere ? almeno il 40%, preferibilmente almeno il 45% in peso del peso del materiale termoplastico.

10. Articolo secondo la rivendicazione 7 od 8, in cui parte della detta polvere si presenta almeno sulla superficie dell?articolo come agglomerati di due o pi? particelle, almeno parte di dette particelle avendo dimensioni pari ad almeno 100?m, detti agglomerati avendo dimensioni totali tali da essere visibili ad occhio nudo.

11. Procedimento per la produzione di una formulazione secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6 o di un articolo secondo una delle rivendicazioni da 8 a 10, caratterizzato dal fatto di miscelare almeno una polvere di materiale lapideo con uno o pi? polimeri termoplastici detti polimeri essendo portati ad uno stato fuso durante tale miscelazione.

12. Procedimento secondo la rivendicazione 11, in cui detto almeno un polimero e detta polvere sono miscelati in un estrusore preferibilmente per produrre un granulato.

13. Procedimento secondo la rivendicazione 11 o 12 in cui la quantit? di polvere utilizzata ? pari ad almeno il 40% in peso preferibilmente tra 45% e 60% in peso sulla base polimerica della detta formulazione, per produrre uno o pi? agglomerati di particelle sulla superficie del prodotto estruso.

14. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 11 a 13, in cui una carica pigmentante viene aggiunta a detto polimero.

15. Procedimento secondo la rivendicazione 13 e 14, in cui detta carica pigmentante impartisce a detto polimero una colorazione diversa dalla colorazione di detti agglomerati.

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