ITMI20012825A1

ITMI20012825A1 - Metodo di produzione di un materiale polimerico autolubrificante per elementi di tenuta

Info

Publication number: ITMI20012825A1
Application number: IT2001MI002825A
Authority: IT
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-06-28
Also published as: JP2011026611A; CA2471654A1; CA2471654C; DE60230324D1; WO2003055964A1; AU2002358183A1; EP1461405A1; EP1461405B1; JP2005513256A

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale

La presente invenzione si riferisce ad un metodo di produzione di un materiale polimerico autolubrificante per elementi dì tenuta.

In particolare, la presente invenzione concerne un metodo per produrre un materiale polimerico con microcapsule lubrificanti incluse nella matrice polimerica, idoneo per realizzare elementi di tenuta di compressori alternativi.

Notoriamente, i compressori alternativi sono provvisti di un pistone che viene mosso assialmente all'interno di un cilindro per comprimere un gas. Generalmente, il pistone dei compressori alternativi è provvisto di elementi di tenuta di forma anulare, disposti coassialmente all'asse del pistone e del cilindro, in una sede formata sulla parete laterale del pistone stesso.

Questi anelli di tenuta del pistone, scorrendo lungo la cavità cilindrica, sono soggetti ad usura.

Al fine dì limitarne la velocità di usura si utilizzano specifici materiali non metallici opportunamente dotati di proprietà di tenuta, facilità di maneggevolezza, basso modulo elastico e coefficiente di attrito dinamico.

Materiali non metallici particolarmente idonei come costituenti degli elementi di tenuta sono il polietereterchetone (PEEK), il politetrafluoroetilene (PTFE) ed il polibutadiene stirene (PBS).

Si è però riscontrato che gli elementi di tenuta realizzati con queste resine, tendono, se sottoposti a condizioni di stress prolungato, a deformarsi permanentemente .

In particolare, in condizioni con elevate pressioni e temperature di esercizio, gli elementi di tenuta in resine convenzionali non solo si deteriorano precocemente ma sono anche soggetti a deformazioni permanenti, lungo la linea di taglio, di entità tale da pregiudicare la tenuta della compressione.

Recentemente, per ovviare al verificarsi di questi inconvenienti è stato messo a punto e fatto oggetto dì una copendente domanda di brevetto a nome Nuovo Pignone, un nuovo materiale plastico a base di una matrice polimerica autolubrificante in cui sono disperse microcapsule riempite con un fluido lubrificante .

La matrice polimerica di questo materiale plastico è realizzata in un materiale polimerico resistente all'usura ed alle alte temperature, tipicamente un polichetone lineare aromatico come il PEEK, in cui sono opzionalmente presenti cariche o fibre per aumentarne la resistenza meccanica o la conduttività termica .

I materiali polimerici di base utilizzati in questo nuovo materiale plastico presentano elevati punti di rammollimento e quindi i loro comportamenti sono poco influenzati dalle condizioni di temperatura. Le microcapsule incorporate in questi polimeri di base sono usualmente realizzate o mediante processi di polimerizzazione in situ, che tipicamente usano un guscio in poliossimetilene urea (PMU) o mediante processi di prilling. I gusci delle microcapsule sono generalmente realizzati in materiali con temperatura di rammollimento relativamente bassa. Il lubrificante fluido incorporato nelle microcapsule generalmente ha una bassa capacità termica.

Per evitare che possano bruciare il fluido lubrificante o le capsule, si fa ricorso a basse temperature di lavorazione o a veloci cicli di riscaldamento e raffreddamento.

Le comuni tecnologie di preparazione di questi materiali polimerici non sono però scevre dal presentare inconvenienti, che principalmente si verificano utilizzando basse temperature di lavorazione.

Il verificarsi di questi inconvenienti è principalmente da ricondurre ad una ridotta fusione dei pellets nelle operazioni di stampaggio in compressio-ne.

D'altronde, si è verificato che se durante il processo di realizzazione di questi materiali polimerici si innalzano i valori di temperatura per realizzare pellets fusi o appiccicosi, il polimero si de-forma o brucia.

Utilizzando le comuni tecnologie di produzione per realizzare questo nuovo materiale si verifica la segregazione della matrice polimerica e delle microcapsule contenenti il fluido lubrificante, durante o al termine della fase di stampaggio ad iniezione.

In particolare, nella realizzazione di detto nuovo materiale plastico si è riscontrato che nella fase di stampaggio per iniezione, il problema della segregazione dei due componenti (il polimero e le mi-crocapsule contenenti fluido lubrificante) è principalmente da ascrivere alla bagnabilità e contamina-zione del guscio delle microcapsule.

Attualmente, pertanto, l'utilizzo dei nuovi materiali polimerici autolubrificanti, contenenti microcapsule, può risultare limitato dai problemi che si incontrano nella loro produzione con le tecnologie attualmente disponibili.

Uno degli scopi generali della presente invenzione consiste nell'evitare o nel limitare sostanzialmente il verificarsi degli inconvenienti di tecnica nota riscontrati nella produzione di materiali polimerici che incorporano microcapsule lubrificanti.

Un altro scopo della presente invenzione consiste nel fornire un metodo per realizzare un materiale polimerico contenente microcapsule lubrificanti che sia di semplice realizzazione e comporti bassi costi di realizzazione.

Un ulteriore scopo dell'invenzione consiste nel provvedere un metodo per realizzare materiali polimerici per elementi di tenuta provvisti di mìcrocapsule lubrificanti in cui i rischi di segregazione della fase polimerica e delle microcapsule siano minimizzati.

Si è ora sorprendentemente riscontrato che è possibile realizzare un materiale plastico provvisto di una matrice polimerica con incluse mìcrocapsule lubrificanti, polverizzando un materiale polimerico mediante raffreddamento a temperature criogeniche e miscelando il polimero polverizzato con microcapsule contenenti un fluido lubrificante. Stampando quindi la miscela polimero polverizzato e microcapsule si ottiene un materiale polimerico autolubrificante utilizzabile quale .componente base di elementi di tenuta, quali le fasce elastiche dei pistoni in compressori alternativi.

In vista degli scopi precedentemente esposti e di altri ancora che appariranno più evidenti in seguito, viene quindi fornito, secondo un primo aspetto della presente invenzione, un metodo per la produzione di un materiale polimerico autolubrificante comprendente le fasi di:

- raffreddare un materiale polimerico a temperature criogeniche, preferibilmente utilizzando azoto liquido, per dare un materiale polimerico congelato friabile,

- frantumare detto materiale polimerico friabile in una polvere polimerica ultrafine,

- aggiungere microcapsule contenenti un fluido lubrificante a detta polvere ultrafine per realizzare una miscela polimerica in cui sono disperse le microcapsule lubrificanti,

- stampare detta miscela polimerica, vantaggiosamente mediante stampaggio per compressione o iniezione .

Tra il materiale polimerico utilizzabile nell'ambito della presente invenzione sono ricompresi i polichetoni ed in particolare i polichetoni aromatici, tra i quali.il polietereterchetone (PEEK) è preferito.

Nell'ambito della presente invenzione, con il termine di microcapsule lubrificanti o contenenti un fluido lubrificante si intendono particelle e multiparticelle lubrificanti incapsulate, fluidi omogenei o stratificati lubrificanti incapsulati ed in generale agenti lubrificanti incorporati in microcapsule.

Agenti lubrificanti utilizzabili nel metodo dell'invenzione sono gli oli lubrificanti quali, ad esempio, oli organici, naturali o sintetici.

Oli particolarmente idonei sono gli oli lubrificanti a bassa acidità e resistenti alle elevate temperature.

Secondo una forma di realizzazione preferita, l'olio lubrificante incorporato in dette microcapsule presenta dei valori di viscosità compresi nell'intervallo tra 20-250 cSt, misurati ad una temperatura di circa 40°C.

Le microcapsule utilizzate nell'ambito della presente invenzione possono essere sferiche, simmetriche, o di forma irregolare.

In accordo ad una forma di realizzazione dette microcapsule presentano un diametro medio compreso nell'intervallo tra 5-500 micron, preferibilmente tra 20-260 micron.

Vantaggiosamente dette microcapsule comprendono un guscio in cera o in un materiale polimerico, preferibilmente poliossimetilene urea, PMU in forma abbreviata.

Le microcapsule possono inoltre includere anche additivi per incrementare l'azione lubrificante.

In particolare, possono essere incorporati additivi per migliorare lo scorrimento tra superfici in attrito, quali, ad esempio, microelementi come zinco, boro e loro miscele.

Secondo una forma di realizzazione del metodo dell'invenzione viene prevista la miscelazione del polimero polverizzato con un quantitativo di microcapsule lubrificanti compreso tra 1-30% in peso.

Il fluido lubrificante può essere incorporato in dette microcapsule facendo ricorso a diverse tecnologie di microincapsulazione, tra cui le tecniche di spruzzatura a secco, prilling, coacervazione, di polimerizzazione in situ o con perle soffici di alginato.

Le diverse tecniche di incapsulazione del fluido lubrificante sono utilizzate in funzione delle dimensioni richieste per le particelle lubrificanti ed in funzione dell'utilizzo finale del materiale autolubrificante .

Ad esempio, la tecnologia di spruzzatura a secco consente di incapsulare fluidi lubrificanti in capsule di dimensioni ridotte a 5-30 micron.

Nella tecnica di prilling, con cui sono solitamente realizzate capsule di dimensioni tra 1-100, il fluido lubrificante viene preliminarmente introdotto in una cera fusa o altra matrice polimerica, sottoposta a spruzzatura per dare goccioline che a seguito di raffreddamento solidificano. Le microcapsule così realizzate agiscono come un guscio per il lubrificante di riempimento. Le microcapsule realizzate mediante prilling rilasciano il lubrificante sotto pressione o, se desiderato, a seguito di esposizione ad un valore di temperatura predeterminato, scegliendo polimeri con un opportuno punto di fusione.

Il fluido lubrificante può altresì essere inglobato mediante coacervazione in microcapsule di diametro nell'intervallo tra 25 e ca. 300 micron.

Nella coacervazione semplice le pareti delle capsule sono tipicamente realizzate in gelatina, polivinilacol, metilcellulosa, polivinilpirrolidone, ed altri polimeri.

Nella coacervazione con complesso sono utilizzati sistemi a base di copolimeri di gelatina-acacia come materiali per realizzare la parete delle capsule.

Secondo una forma di realizzazione preferita, le microcapsule sono prodotte mediante tecnica di polimerizzazione in situ che consente di realizzare un guscio polimerico resistente, preferibilmente in copolimero urea-formaldeide (PMU), attorno alla goccia di liquido lubrificante. L'incapsulamento in un guscio di PMU è tipicamente una tecnica di emulsione, in cui il materiale da incapsulare è emulsionato in una soluzione acquosa.

A titolo di esempio è inoltre possibile utilizzare, nell'ambito della realizzazione del metodo della presente invenzione, microcapsule contenenti lubrificante, realizzate con il metodo descritto nel brevetto americano 5,112,541.

Secondo un'altra forma di realizzazione dell'invenzione è possibile utilizzare trattamenti superficiali per migliorare la bagnabilità in prossimità delle superfici delle microcapsule al fine di minimizzare il fenomeno di segregazione che può verificarsi durante la fase di stampaggio per iniezione.

In accordo ad un altro aspetto della presente invenzione viene fornito un metodo per realizzare un intermedio del .processo precedentemente descritto, detto metodo comprendendo le fasi di:

- fornire un materiale polimerico di base,

- raffreddare detto materiale polimerico di base a temperature criogeniche, preferibilmente utilizzando azoto liguido, per ottenere un materiale polimerico friabile,

- polverizzare detto materiale polimerico friabile per ottenere una polvere polimerica ultra fine.

La polvere polimerica ultrafine prodotta è un prodotto intermedio che può essere utilizzato per realizzare materiali polimerici autolubrificanti, mediante tecnica di stampaggio.

Le caratteristiche ed i vantaggi del metodo della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita al disegno schematico allegato nel quale:

in figura 1 sono riportati quattro diagrammi a colonna (1-4) che riassumono i risultati di prove comparative di usura espresse in termini di coefficiente di usura come fattore K (in3⁄4in/ft/lb/hr)xlO<9>; colonna ombreggiata 2 e punteggiata 4) e di coefficiente di frizione, espresso in μ (colonne chiare 1 e 3).

Le colonne .1-4 riportano i dati comparativi relativi al comportamento a seguito di scorrimento di: 1) un polimero denominato Ultem 1000 (colonne 1 e 2), prodotto convenzionale della General Electric e 2) un materiale polimerico a base di Ultem 1000 con incorporate microcapsule nella misura del 10% in peso (colonne 3 e 4), realizzate secondo una realizzazione del metodo dell'invenzione(colonne chiare);

contro acciaio temperato.

Le microcapsule incorporate nella resina Ultem 1000 contengono un olio a bassa viscosità, in accordo ad una forma di realizzazione dell'invenzione.

Le condizioni in cui sono state effettuate le prove di usura i cui risultati sono riassunti nei diagrammi a colonna prevedevano una velocità di scorrimento pari a 300ft/min (1.524m/s), un carico di pressione pari a 200psi (13,8bar) ed una durata dei test pari a 20 ore "Run-in" ed 80 ore "steady state".

Dai risultati delle prove effettuate risulta che la velocità di usura contro acciaio della plastica Ultem 1000 che incorpora le microcapsule, prodotte in accordo con una realizzazione del metodo dell'invenzione, è ridotta di ben tre ordini di grandezza e la frizione è ridotta di un ordine di grandezza, rispetto .alla resina Ultem 1000 di tecnica nota.

Il seguente esempio viene fornito a mero scopo illustrativo della presente invenzione e non deve quindi essere inteso in senso limitativo dell'ambito di protezione, quale risulta definito dalle accluse rivendicazioni .

ESEMPIO 1

Un materiale polimerico in PEEK veniva essiccato in una fornace sotto vuoto, ad una temperatura compresa nell'intervallo tra 65-70°C per un periodo di ca. 8 ore.

Microcapsule contenenti un olio lubrificante, previamente realizzate mediante polimerizzazione in situ, venivano aggiunte alla polvere polimerica in un rapporto pari al 10% in peso.

Si sottoponeva quindi la miscela di polvere polimerica e microcapsule a stampaggio per compressione utilizzando uno stampo chiuso per consentire un riscaldamento ed una pressurizzazione uniforme del materiale polimerico. Il materiale stampato e raffreddato veniva pressurizzato a valori compresi tra 1,5-2,5 t per espellere aria dallo stampo.

Lo stampo utilizzato era posizionato in una pressa preriscaldata. La temperatura della pressa dipendeva dal punto di fusione del polimero termoplastico con carico ridotto (per es. 100 Kg).

Lo stampo raggiungeva circa 1'80-90% della temperatura predeterminata della pressa prima che il carico venisse applicato.

Si applicava un carico con valori compresi tra 250-1500 Kg e con incrementi del tempo e del carico per un periodo totale di ca. 10-15 minuti. Il carico finale veniva mantenuto mentre lo stampo era lasciato raffreddare a temperatura ambiente.

Ing. Barzanò & Zanardo Milano S.p.A.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la produzione di un materiale polimerico autolubrificante comprendente una matrice polimerica con incluse microcapsule contenenti un lubrificante, detto metodo comprendendo le fasi di - raffreddare un materiale polimerico a temperature criogeniche per dare un materiale polimerico congelato friabile, - granulare detto materiale polimerico friabile in una polvere polimerica ultrafine, - aggiungere microcapsule contenenti un fluido lubrificante a detta polvere ultrafine per realizzare una miscela polimerica contenente le microcapsule lubrificanti, stampare detta miscela polimerica con le microcapsule.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la fase di raffreddamento viene realizzata mediante azoto liquido.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detta fase di stampaggio avviene mediante compressione.
4. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1-3, caratterizzato dal fatto che detto materiale polimerico comprende un polichetone.
5. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto polichetone è di tipo aromatico.
6. Metodo secondo la rivendicazione 4 o 5, caratterizzato dal fatto che detto polichetone è PEEK.
7. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1-6, caratterizzato dal fatto che il fluido lubrificante contenuto in dette microcapsule è un olio lubrificante a bassa acidità.
8. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1-7, caratterizzato dal fatto che detto fluido lubrificante è un olio con una viscosità compresa nell'intervallo tra 20-250 cSt, misurata ad una temperatura di 40°C.
9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-8, caratterizzato dal fatto che dette microcapsule presentano un diametro medio compreso tra 5-500 micron.
10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9, caratterizzato dal fatto che dette microcapsule comprendono un guscio in cera o in un materiale polimerico.
11. Metodo secondo la rivendicazione 10, carat-terizzato dal fatto che detto guscio è in poliossimetilene urea.
12. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-11, caratterizzato dal fatto che dette microcapsule comprendono ulteriormente un additivo per diminuire l'attrito.
13. Metodo secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detto additivo è un microelemento scelto dal gruppo consistente in zinco, boro e loro miscele.
14. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-13, caratterizzato dal fatto che dette microcapsule sono aggiunte a detta polvere ultrafine in un quantitativo pari all'1-30% in peso.
15. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-14, caratterizzato dal fatto che dette microcapsule sono preliminarmente preparate mediante polimerizzazione in situ.
16. Metodo per realizzare una polvere polimerica ultrafine comprendente raffreddare un materiale polimerico a temperature criogeniche per ottenere un materiale polimerico friabile e polverizzare detto materiale polimerico friabile sino ad ottenere una polvere polimerica ultra fine.
17. Metodo secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detto raffreddamento a temperature criogeniche viene ottenuto ambiente azoto liguido.
18. Metodo secondo la rivendicazione 16 o 17, caratterizzato dal fatto che detto materiale polimerico è a base di un polichetone aromatico.
19. Metodo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal f3⁄4tto che detto polichetone aromatico è PEEK.