ITMI20012708A1

ITMI20012708A1 - Dispositivo per la granulazione a caldo di polimeri termolastici

Info

Publication number: ITMI20012708A1
Application number: IT2001MI002708A
Authority: IT
Inventors: Alessandro Casalini
Original assignee: Enichem Spa
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-06-20
Also published as: BR0215038A; DE60214424T2; JP2005512850A; CN100460180C; WO2003053650A1; BR0215038B1; MXPA04005873A; AU2002360963A1; EP1455999A1; EP1455999B1; RU2283225C2; US20050123638A1; US7320585B2; ES2271362T3; RU2004117598A; JP4227522B2; CA2469828C; CA2469828A1; DE60214424D1; PL368937A1

Description

Titolo: Dispositivo per la granulazione a caldo di polimeri termoplastici

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per la granulazione a caldo di polimeri termoplastici.

Più in particolare la presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per la granulazione a caldo di polimeri termoplastici, ad esempio polimeri vini laromatici, eventualmente espandibili.

Più in particolare ancora la presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per la granulazione a caldo di poiistirene e poiistirene espandibile.

I dispositivi per la granulazione di polimeri termoplastici, noti in letteratura, generalmente comprendono: una filiera, costituita da un corpo forato riscaldato; una camera di taglio e di raccolta dei granuli che, per i polimeri espandibili, può essere mantenuta sotto pressione; un sistema di taglio costituito essenzialmente da un albero motore rotante, un disco porta-lame supportato sull’albero motore e un dispositivo di posizionamento delle lame contro la faccia esterna della filiera;

un sistema di alimentazione e distribuzione di un fluido termostatato, generalmente acqua, nella camera di taglio per raffreddare e trasportare all'esterno i granuli tagliati. Il materiale termoplastico allo stato fuso è estruso attraverso i fori della filiera, è tagliato mentre esce dalla filiera dalle lame rotanti ed i granuli così ottenuti sono raffreddati e allontanati mediante il fluido termostatato.

Sono noti diversi dispositivi di granulazione a taglio in testa che, tuttavia, nella loro realizzazione pratica non soddisfano completamente le esigenze tecnologiche. Ad esempio, sono noti i dispositivi di granulazione “a taglio secco”, che prevedono la parzializzazione del flusso polimerico uscente dalla filiera mediante l'azione delle lame e la rimozione del granulo così formato per effetto centrifugo, mentre la fase di raffreddamento è prevalentemente ottenuta con un anello di fluido (ad esempio acqua o aria). Questi dispositivi, però, non solo non sono in grado di garantire elevate portate, specialmente in presenza di polimeri ad elevata viscosità, ma non sono adatti a produrre granuli di dimensioni ridotte (microgranuli), per il fatto che l'effetto centrifugo non risulta adeguato alla rimozione dei microgranuli dai coltelli.

Altri dispositivi di granulazione sono quelli noti come dispositivi “a taglio sott’acqua" che garantiscono maggiori portate di quelli a secco ma presentano altri svantaggi come: scambio termico acqua-polimero elevato, con la conseguente necessità di temperature elevate in filiera o dell'acqua di taglio;

possibili fenomeni di cavitazione dietro ai coltelli di taglio se la pressione di lavoro nella camera di taglio non è sufficientemente elevata o se il numero di giri è troppo alto;

procedure di riavviamento, per arresto e ripresa della granulazione a causa di inconvenienti durante il taglio, lunghe ed onerose con conseguente spreco di materiale, inoltre, riavviamenti successivi, multipli non sono possibili senza intervenire nella camera di taglio.

Altro dispositivo noto e descritto nel brevetto inglese 1.062.307 è quello denominato “a taglio spaghetti” realizzato sotto getto d’acqua che, però, ha i seguenti inconvenienti: il granulo tagliato dallo spaghetto è fortemente orientato e, pertanto, la preparazione di un prodotto accettabile mediante la completa eliminazione dei tensionamenti risulta molto difficile;

il granulo viene tagliato a pressione atmosferica ed è raffreddato solo in parte (65-70’C), per cui risulta inadatto per polimeri espandibili perché favorisce la formazione di indesiderate microespansioni. La processabilità e la struttura di tali granuli non sono accettabili;

- il sistema di taglio adottato prepara granuli irregolari in quanto la portata dell’estrusore può variare in funzione di piccole variazioni delle condizioni di funzionamento, della densità del polimero o della portata di agente espandente (pentano), in caso di polimeri espandibili (fatto che influenza pesantemente la viscosità della base). Non si è in grado, infatti, di garantire la regolarità del taglio con, ad esempio, elementi di contrasto abbinati alle lame in grado di opporsi ad ogni brusca azione tendente ad allontanare il tagliente della lama stessa dalla piastra; i canali di alimentazione nella filiera non garantiscono una temperatura uniforme del polimero, portando ad instabilità nell’estrusione. Il polimero a contatto con il metallo è infatti ad una temperatura maggiore di quella del polimero all’interno e, pertanto, ha una fluidità maggiore.

Sono altresì noti dispositivi di granulazione con sistemi di taglio a lame rigide che, tuttavia, oltre a produrre granuli di qualità scadente portano a forti usure sia delle lame che della filiera dato che la lubrificazione tra i due è effettuata da un semplice film di acqua ed è, pertanto, di scarsa efficacia.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo per la granulazione a caldo di polimeri termoplastici espandibili che superi gli inconvenienti che caratterizzano i dispositivi della tecnica nota e che, quindi, sia in grado di garantire elevate e costanti portate di polimero e, cioè, che sia in grado di mantenere fino ai fori di estrusione un flusso termico uniforme in modo da evitare un gradiente di temperatura tra bordo e centro dei condotti di alimentazione del polimero fuso, che permetta di ottenere granuli regolari, di qualsiasi dimensione, con tensionamenti interni facilmente eliminabili, bassa usura delle lame e/o della filiera ed in grado di essere facilmente riavviabile dopo un’interruzione.

La Richiedente ha, ora, trovato che è possibile realizzare lo scopo sopra esposto mediante un dispositivo per la granulazione a caldo di polimeri termoplastici, eventualmente espandibili, che comprende:

a) una filiera, costituita da un corpo cilindrico contenente sulla superficie esterna una pluralità di piastrine, provviste di una pluralità di fori di estrusione, ed una pluralità di condotti di alimentazione del polimero fuso, ricavati dentro il corpo cilindrico in corrispondenza di e collegati alle piastrine forate, rivestiti in materiale ad elevata conducibilità termica;

b) una camera di taglio comprendente una pluralità di ugelli spruzzatori per la creazione di un getto di gocce di un liquido di termostatazione impiegato per il raffreddamento e la rimozione dei granuli tagliati, nebulizzato e spruzzato contro la filiera;

c) un sistema di taglio comprendente una piastra di taglio, vincolata rigidamente ad un albero rotante, supportante una pluralità di coltelli disposti in modo tale che il profilo tagliente del coltello sia radiale rispetto alla superficie della filiera che fronteggia detto sistema di taglio.

Secondo la presente invenzione, la filiera è in grado di garantire elevate portate di polimero allo stato fuso e di convogliare fino all’orlo libero dell’ugello un flusso termico uniforme in modo da evitare il raffreddamento del polimero stesso al centro dell’ugello, viene così garantita una portata uniforme dell’estrusore e, pertanto, una dimensione omogenea dei granuli.

Per ottenere questo risultato, il corpo della filiera viene termostatato e mantenuto ad una temperatura prossima o superiore a quella di rammollimento del polimero. La termostatazione può essere ottenuta con qualsiasi mezzo noto in questo settore, ad esempio mediante resistenze elettriche o mediante circolazione di un fluido caldo in appositi canali ricavati nel corpo della filiera.

I condotti di alimentazione del polimero possono, ad esempio, essere ricavati secondo direzioni parallele fra loro e all’asse della filiera stessa (sostanzialmente coincidente con l’albero di rotazione del sistema di taglio), e sono rivestiti con un metallo avente una conducibilità termica superiore a 40 W/mK, preferibilmente superiore a 100 W/mK. Esempi di tali metalli sono rame, argento,oro.

I condotti di alimentazione trafilano il polimero da granulare attraverso piastrine forate caratterizzate da un numero di fori che varia in funzione della portata che si vuole ottenere. Tale numero può essere maggiore o uguale a l, ad $ esempio compreso fra 4 e 10. Il diametro dei fori dipende dal tipo e dal diametro del granulo da preparare ed è maggiore di 0,2 mm, tipicamente compreso fra 0,2 e 5 mm, preferibilmente fra 0,3 e 1,5 mm, ancora più preferibilmente fra 0,4 e 1 mm.

Secondo una forma d’esecuzione alternativa della presente invenzione, le piastrine possono essere eliminate ed i fori di estrusione ricavati direttamente sulla filiera in corrispondenza di ciascun condotto di alimentazione del polimero fuso.

Qualsiasi polimero termoplastico può essere estruso attraverso la filiera del dispositivo di granulazione oggetto della presente invenzione. Esempi tipici sono le poiiolefine, i (co)polimeri da condensazione come i policarbonati ed i poliesteri, i tecnopolimeri ed i polimeri derivati da monomeri vini1aromatici, ciascuno anche in forma espandibile.

Con il termine “monomero vini1aromatico”, come usato nella presente descrizione e nelle rivendicazioni, si intende essenzialmente un prodotto che risponde alla seguente formula generale:

in cui R è un idrogeno o un gruppo metile, n è zero o un intero compreso fra 1 e 5 e Y è un alogeno, come cloro o bromo, o un radicale alchilico o alcossilico avente da 1 a 4 atomi di carbonio.

Esempi di monomeri vinilaromatici aventi la formula generale identificata sopra sono: stirene, α-rnetilstirene, metiIstirene, etiIstirene, butiIstirene, dimetiIstirene, mono-, di-, tri-, tetra- e penta-clorostirene, bromo-stirene, metossistirene, acetossi -stirene, ecc. Monomeri vinilaromatici preferiti sono stirene e α-metilstirene.

I monomeri vini1aromatici di formula generale (I) possono essere utilizzati da soli o in miscela fino al 50% in peso con altri monomeri copolimerizzabili. Esempi di tali monomeri sono l’acido (met)acrilico, gli esteri alchilici CJ-QJ dell’acido (met)acrilico come metil acrilato, metilmetacrilato, etil acrilato, etilmetacrilato, isopropil acrilato, butil acrilato, le ammidi ed i nitrili dell’acido (met)acrilico come acrilaminide, metacrilammide, acrilonitrile, metacrilonitrile, il butadiene, l'etilene, il divinilbenzene, l'anidride maleica, ecc. Monomeri copolimerizzabili preferiti sono acrilonitrile e meti1metac rilato.

Esempi tipici di poimeri termoplastici che possono essere granulati con il presente dispositivo sono il polistirene (PS), il polistirene antiurto (HIPS), il polietilene (PE), il polipropilene, le relative leghe PS/PE (o HIPS/PE), il SAN, l’ABS, il poiimetilmetacrilato, il policarbonato da BisfenoloA, le relative leghe, i copolimeri stirene-butadiene e, in generale, le gomme termoplastiche.

I polimeri sopra menzionati possono essere estrusi come tali o addizionati con un agente espandente, scelto fra gli idrocarburi alifatici c3-c6, i freon, l’anidride carbonica, l'acqua, l'alcool metilico, isopropilico o una combinazione di tali agenti d’espansione, in quantità compresa fra 1 e 10% in peso.

All’interno della camera di taglio il polimero estruso viene granulato dal sistema di taglio e raffreddato mediante un getto di gocce di un liquido di termostatazione, nebulizzato e spruzzato contro la filiera, in modo da creare una nebbia. Tale liquido è generalmente costituito da acqua, eventualmente additivata con agenti “antisticking", o da glicerina, glicole etilenico, olio minerale, silicone, ecc. o loro miscele, ed è mantenuto ad una temperatura compresa fra 10°C e la temperatura di rammollimento del polimero.

Il liquido di termostatazione viene spruzzato contro la filiera da ugelli spruzzatori disposti, ad esempio, in posizione ortogonale e/o tangenziale alla stessa o solidali con i coltelli. Preferibilmente, gli ugelli spruzzatori sono disposti posteriormente al disco portaicime in modo tale che la superficie proiettata dai coltelli regoli il flusso di gocce sulla filiera mediante la geometria dei coltelli stessi e/o la velocità di rotazione del disco portalame e/o delle gocce spruzzate.

Sul fondo della camera di taglio si raccoglie il liquido di termostatazione ed i granuli tagliati che vengono scaricati ed inviati a successivi trattamenti, eventualmente con l'aggiunta di ulteriore liquido di raffreddamento.

Nel caso di granulazione di polimeri termoplastici espandibili, la camera di taglio è sotto pressione per eliminare i rischi di pre-espansioni dei granuli. Generalmente, si opera con pressioni comprese fra 0,11 e 10 Mpa.

Il sistema di taglio è costituito essenzialmente da una piastra su cui sono vincolati due o più coltelli. Il numero e le dimensioni dei coltelli possono variare in funzione del numero e del diametro dei condotti della filiera o del tipo di polimero da granulare, cioè se si tratta di polimero ad alta o bassa viscosità. Generalmente, si opera con un numero di coltelli maggiore o uguale a 1, preferibilmente compreso fra 2 e 40.

La forma dei coltelli è preferibilmente a scalino perché garantisce un’usura uniforme e tende a piegarsi senza rompersi facilitando notevolmente le operazioni di avviamento e riavviamento multipli. Inoltre, i coltelli a forma di scalino e disposti radialmente hanno lo scopo non solo di tagliare efficacemente il polimero ma anche di parzializzare il flusso di liquido di termostatazione, nebulizzato contro la filiera, che risulta in questo modo intermittente ed uniforme.

I coltelli lavorano a pressione costante grazie alla spinta contro la filiera mantenuta da un sistema di posizionamento dedicato come, ad esempio, quello descritto nella domanda di brevetto europeo 266.673. Il sistema di posizionamento permette di esercitare una pressione ottimale e cioè sufficientemente elevata per garantire un taglio omogeneo dei granuli, evitando la formazione di agglomerati, ma non eccessiva per contenere l’usura dei coltelli e della filiera. In questo modo viene garantita la costanza qualitativa dei granuli come dimensionale e come temperatura (una pressione costante rende molto più uniforme e costante lo scambio termico del polimero fuso con l’ambiente circostante). E’ noto, infatti, che la pressione del polimero in filiera cambia in funzione delle disomogeneità del prodotto in alimentazione sia come peso molecolare che come dispersione di additivi quali antiossidanti, cere, coloranti, cariche inerti, espandenti, ecc.

L’avviamento del dispositivo per la granulazione a caldo di polimeri termoplastici, comprende le seguenti tre fasi: i) pre-raffreddamento della filiera, spruzzando liquido di termostatazione o acqua sulla stessa senza polimero; ii) riscaldamento della filiera per pochi secondi senza liquido di termostatazione per raggiungere la temperatura di lavoro, grazie alla parzializzazione, anche totale, del flusso spruzzato;

iii) avviamento, alimentando contemporaneamente acqua e poiimero.

Le tre fasi possono essere ripetute varie volte senza dover aprire la testa di taglio per ottimizzare la percentuale di fori aperti, fino al 100% dei fori liberi. Questa procedura può essere ripetuta in ogni istante dell’operazione di granulazione.

La marcia del dispositivo di granulazione oggetto della presente invenzione può essere ulteriormente facilitata mediante l'impiego di additivi “antisticking" da dosare nel liquido di termostatazione in modo continuo o discontinuo, prima della formazione del getto di gocce. Questi additivi facilitano il distacco delle perle dai coltelli perché formano uno strato sottilissimo sul metallo impedendo graduali sporcamenti delle lame e garantendo così un taglio perfetto anche per marce prolungate.

Agenti “antisticking" preferiti per la presente invenzione sono i polisilossani come i polidimetilsilossani solubili o emulsionabili in acqua. La quantità di polisilossano da addizionare al liquido di termostatazione prima della nebulizzazione è superiore a 1 ppm, preferibilmente fra 1 e 1000 ppm, ancora più preferibilmente fra 10 e 100 ppm.

Il dispositivo per la granulazione a caldo di polimeri termoplastici, eventualmente espandibili, oggetto della presente invenzione potrà essere meglio compreso facendo riferimento ai disegni delle figure allegate che ne rappresentano una forma di realizzazione esemplificativa e non limitativa ed in cui:

la Figura 1 rappresenta uno schema di una sezione trasversale piana della filiera (1) costituita sostanzialmente dal corpo cilindrico (2) all’interno del quale sono ricavati i condotti (3), rivestiti con un materiale ad alta conduttività termica (4), di alimentazione del polimero fuso (5). I condotti (3) sboccano all’esterno attraverso le piastrine forate (6). Resistenze elettriche (7) tengono in temperatura il corpo cilindrico della filiera;

la Figura 2 rappresenta uno schema di una sezione trasversale piana della camera di taglio (8) associata al corrispondente sistema di taglio (9). La camera di taglio comprende sostanzialmente un contenitore (10), che va a combaciare con la filiera (1), provvisto di uno scarico (11) dal quale si recupera l’insieme (12) dei granuli misti al liquido di termostatazione. il sistema di taglio comprende un disco portalame (13), disposto frontalmente alla filiera (1), fissato rigidamente ad un albero di rotazione (14). Sul disco portaiame sono vincolati i coltelli (15) con il tagliente a scalino (16) disposto radialmente rispetto alla filiera (1). Posteriormente al disco portalame, vincolati nel retro del contenitore (10), sono disposti gli ugelli spruzzatori (17) che, alimentati da una pompa ad alta pressione, non illustrata in Figura, nebulizzano il liquido di termostatazione e lo spruzzano contro la filiera sotto forma di gocce e micro-gocce;

la Figura 3 rappresenta uno schema di una sezione posteriore del disco portalame (13) sul quale sono riportati, solo a scopo esemplificativo, otto coltelli (15) con il tagliente disposto radialmente.

il dispositivo per la granulazione a caldo di polimeri termoplastici, eventualmente espandibili, permette di ottenere i seguenti vantaggi:

raffreddamento ottimale dei granuli grazie al getto di gocce di liquido di termostatazione;

costanza qualitativa dei granuli come dimensionale; costanza qualitativa dei granuli come struttura e processabilità grazie al taglio in pressione;

facilità di avviamento/riavviamento;

completo utilizzo del numero di fori presenti sulla filiera; bassa usura dei coltelli grazie alla loro conformazione a scalino e della pressione costante esercitata dal sistema di posizionamento del sistema di taglio; e

periodi di marcia prolungati, anche con avviamenti più agevoli, grazie all’impiego di additivi “antisticking” iniettati insieme al liquido di termostatazione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per la granulazione a caldo di polimeri termoplastici, eventualmente espandibili, che comprende: a) una filiera, costituita da un corpo cilindrico, contenente sulla superficie esterna una pluralità di piastrine, provviste di una pluralità di fori di estrusione, ed una pluralità di condotti di alimentazione del polimero fuso, ricavati dentro il corpo cilindrico in corrispondenza di e collegati alle piastrine forate, rivestiti in materiale ad elevata conducibilità termica; b) una camera di taglio comprendente una pluralità di ugelli spruzzatori per la creazione di un getto di gocce di un liquido di termostatazione impiegato per il raffreddamento e la rimozione dei granuli tagliati, nebulizzato e spruzzato contro la filiera,; c) un sistema di taglio comprendente una piastra di taglio, vincolata rigidamente ad un albero rotante, supportante una pluralità di coltelli disposti in modo tale che il tagliente del coltello sia radiale rispetto alla superficie della filiera che fronteggia detto sistema di taglio.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il corpo della filiera viene termostatato e mantenuto ad una temperatura prossima o superiore a quella di rammollimento del polimero.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i condotti di alimentazione del polimero fuso sono rivestiti con un metallo avente una conducibilità termica superiore a 40 W/mK.
4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i condotti di alimentazione trafilano il polimero da granulare attraverso piastrine forate con un numero di fori maggiore o uguale a 1.
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui i fori hanno diametro maggiore di 0,2 mm.
6. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui i fori di estrusione sono ricavati direttamente sulla filiera in corrispondenza di ciascun condotto di alimentazione del polimero fuso.
7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il polimero termoplastico è scelto fra il poiistirene (PS), il poiistirene antiurto (HIPS), il polietilene (PE), il polipropilene, le relative leghe PS/PE (o HIPS/PE), il SAN, l'ABS, il poiimetilmetacri1ato, il policarbonato da Bisfenolo-A, le relative leghe, i copolimeri stirene-butadiene e, in generale, le gomme termoplastiche.
8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui i polimeri termoplastici sono estrusi come tali o addizionati con un agente espandente scelto fra gli idrocarburi alifatici C3-C6, i freon, l’anidride carbonica, l’acqua, l'alcool metilico, isopropilico o una combinazione di tali agenti d’espansione,inquantitàcompresafra 1e 10% inpeso.
9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il liquido di termostatazione è scelto fra acqua, eventualmente additivata con agenti “antisticking”, e la glicerina, l'olio minerale o il silicone nebulizzati e spruzzati sottoforma di gocce e micro-gocce contro la filiera da uno o più ugelli spruzzatori.
10.Dispositivo secondo la rivendicazione 9, in cui il liquido di termostatazione è mantenuto ad una temperatura compresa fra 10’C elatemperatura di rammollimento del polimero.
11.Dispositivo secondo la rivendicazione una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui gli ugelli spruzzatori sono disposti in posizione ortogonale e/o tangenziale rispetto allafilierao sono solidaliconicoltelli.
12.Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui gli ugelli spruzzatori sono disposti posteriormentealdisco portaiame.
13.Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui, nel caso di granulazione di polimeri termoplasticiespandibili,la camera ditaglio è a pressione compresafra0,1e 10Mpa.
14.Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,incuiicoltellisonomaggiorio ugualia 1.
15.Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i coltelli sono a scalino, con profilo tagliente radiale rispetto alla filiera.