ITMI20061936A1 - Impianto migliorato per la produzione di compound polimerico con fibre lunghe - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un impianto per la produzione di compound polimerico contenente fibre lunghe, in particolare per la produzione di semilavorati compositi. Ancora più in particolare, uno degli usi preferiti della presente invenzione, è la produzione mediante pultrusione di pellets polimerici termoplastici o termoindurenti caricati con fibre lunghe organiche e/o inorganiche quali ad esempio: fibre di acciaio inox, di grafite (o carbonio), di vetro e/o aramidiche.

I pellets sono tradizionalmente dei semilavorati di forma approssimativamente cilindrica, di circa 2,5 – 3,5 mm di lunghezza per 2,5 – 3,5 mm di diametro. Essi sono costituiti da una massa polimerica (detta matrice) nella quale sono dispersi spezzoni di fibra (detti chopped strand) orientati in modo casuale. Solitamente la percentuale di fibra è compresa tra il 10% e il 60% in peso, mentre le dimensioni tipiche dei chopped strand sono: lunghezze comprese nell’intervallo 3 ÷ 6 mm e diametri compresi nell’intervallo 10 ÷ 17 µm.

Questo tipo noto di pellets è comunemente ottenuto per estrusione. In particolare, il polimero (tipicamente termoplastico) è reso fluido, ad esso è mescolata la quantità desiderata di fibra sminuzzata in ciuffi e infine la massa di polimero fluido contenente i chopped strand viene estrusa a formare i semilavorati cilindrici di cui sopra.

Questo tipo di pellets viene comunemente utilizzato nell’industria come materia semilavorata per realizzare prodotti polimerici aventi caratteristiche migliorate rispetto a quelle che si otterrebbero con l’uso esclusivo del polimero.

Ad esempio, la presenza di fibre elettricamente conduttive come l’acciaio inox o il carbonio all’interno della matrice polimerica (che è solitamente dielettrica), permette di variare considerevolmente le proprietà elettriche del materiale e quindi del prodotto.

Un altro effetto comunemente ricercato con l’introduzione di fibre nella massa polimerica, è quello di migliorare le caratteristiche meccaniche, ad esempio di rigidezza e/o di resistenza. A questo scopo sono solitamente utilizzate le fibre di vetro, di carbonio e aramidiche.

Si è verificato che, a parità di ogni altra condizione, l’incremento della lunghezza degli spezzoni di fibra, comporta un beneficio di entità inaspettata nel miglioramento delle caratteristiche meccaniche del materiale. Questo tipo di semilavorato, in cui le fibre di rinforzo hanno lunghezza paragonabile o pari a quella del semilavorato stesso, è detto “a fibra lunga”.

Al fine di esemplificare il miglioramento delle caratteristiche di cui sopra si consideri che, facendo riferimento ad una prova di resistenza all’urto condotta secondo la normativa ASTM D256 (Izod con intaglio), provini realizzati con Poliammide 66 rinforzato al 50% con fibre chopped strand tradizionali di vetro fanno registrare una resilienza media di 160 J/m, mentre analoghi provini realizzati con lo stesso polimero (Poliammide 66) rinforzato con “fibre lunghe” di vetro nella stessa percentuale, fanno registrare una resilienza media di rottura di 360 J/m.

La produzione di pellets a fibra lunga riveste dunque, e rivestirà sempre più, un particolare interesse nell’ambito della produzione di semilavorati polimerici.

Un dispositivo di impregnazione e il relativo impianto per la produzione di pellets a fibra lunga sono descritti nella domanda di brevetto internazionale PCT/EP2006/001094 a nome dello stesso richiedente.

Mediante il dispositivo di impregnazione e il relativo impianto di produzione in accordo con la domanda sopra menzionata, si è resa possibile la produzione di pellets a fibra lunga di qualità estremamente elevata.

La società richiedente ha però notato che l’impianto di produzione nel suo complesso, così come descritto nella domanda PCT/EP2006/001094, non è in grado di sostenere lunghi cicli di produzione continuativa.

In particolare, nell’impianto di produzione descritto nella domanda PCT/EP2006/001094 si verifica frequentemente l’otturazione degli ugelli di uscita della camera di impregnazione dai quali fuoriescono le fibre impregnate di polimero. Per questo motivo l’impianto richiede frequenti interventi di manutenzione e pulizia al fine di garantirne la funzionalità.

La necessità di tali interventi incide negativamente sulla produttività complessiva dell’impianto. Infatti, da un lato determina un aumento delle ore di fermo macchina, mentre d’altro lato richiede un notevole dispendio di manodopera.

Lo scopo della presente invenzione è pertanto quello di rendere disponibile un impianto per la produzione di pellets polimerici a fibra lunga che superi almeno parzialmente gli inconvenienti registrati con riferimento alla tecnica nota.

In particolare, compito della presente invenzione è quello di rendere disponibile un impianto per la produzione di pellets polimerici a fibra lunga di ottima qualità che garantisca la possibilità di lunghi cicli di produzione continuativa.

Ancora più in particolare, un altro compito della presente invenzione è quello di rendere disponibile un impianto per la produzione di pellets polimerici a fibra lunga, che necessiti di un numero limitato di ore di fermo macchina per interventi di manutenzione e pulizia.

Tale scopo e tali compiti vengono raggiunti mediante un impianto secondo la rivendicazione 1.

Per meglio comprendere l’invenzione e apprezzarne i vantaggi, si farà di seguito riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 è una vista schematica in pianta di un impianto per la produzione di pellets di tipo noto; la figura 2 è una vista schematica in pianta di un dettaglio dell’impianto di figura 1;

la figura 3 è una vista in pianta, parzialmente in sezione, del particolare indicato con III nelle figure 2 e 6;

la figura 4 è una vista in sezione secondo la linea IV-IV di figura 3;

la figura 5 è una vista ingrandita del particolare indicato con V in figura 4;

la figura 6 è una vista simile a quella di figura 2 di un impianto secondo l’invenzione;

la figura 7 è una vista di un dettaglio dell’impianto secondo l’invenzione.

Nelle figure allegate, con il riferimento 1 è indicato complessivamente un impianto secondo l’invenzione.

Di seguito verrà brevemente descritto l’impianto 1 delle figure da 1 a 5, in sé noto. Una descrizione più dettagliata è disponibile nella domanda PCT/EP2006/001094 a nome dello stesso richiedente.

L’impianto 1 comprende un dispensatore di polimero fluido, solitamente costituito da un estrusore 2. L’estrusore 2 è dotato di una o più tramogge 22 per l’alimentazione del polimero e degli eventuali modificanti. L’estrusore 2 comprende mezzi di riscaldamento (non mostrati) per riscaldare il polimero fino a fonderlo e un sistema (non mostrato) a una o più viti senza fine per la movimentazione del polimero.

All’uscita dell’estrusore 2 è posto un raccordo 3 che mette in comunicazione fluida l’estrusore 2 con un impregnatore 10. L’impregnatore 10 verrà descritto oltre.

Completano schematicamente l’impianto 1 una serie di rocchetti 4, un dispositivo di traino 5, un dispositivo di taglio 6 e un raccoglitore 60.

I rocchetti 4 forniscono i fasci di fibre secche 7 che attraversano l’impregnatore 10 uscendone impregnati di polimero. I fasci impregnati 8, in continuità strutturale con i fasci di fibre secche 7, sono tirati lungo la direzione A mediante il dispositivo di traino 5, così da garantire l’alimentazione della fibra secca 7 all’impregnatore 10.

Questa particolare tecnica di produzione è comunemente detta pultrusione.

In accordo con la forma di realizzazione rappresentata, i fasci impregnati 8 sono poi alimentati al dispositivo di taglio 6 che li riduce alla lunghezza desiderata, ad esempio li taglia in pellets 9. I semilavorati, ad esempio i pellets 9, sono raccolti a valle del dispositivo di taglio 6 nel raccoglitore 60.

Di seguito con l’espressione “a monte” si indicherà una posizione lungo i fasci di fibre relativamente vicina ai rocchetti 4. Al contrario, con l’espressione “a valle” si indicherà una posizione lungo i fasci di fibre relativamente vicina al raccoglitore 60.

L’impregnatore 10 è il cuore funzionale dell’intero impianto 1. Come si può vedere in figura 3, esso comprende una camera di impregnazione 11 avente almeno un ugello d’ingresso 12 e almeno un ugello d’uscita 13. L’ugello d’ingresso 12 è adatto ad essere attraversato dalle fibre secche 7, mentre l’ugello d’uscita 13 è adatto ad essere attraversato dalle fibre impregnate 8.

A seconda delle forme di realizzazione possibili della camera di impregnazione 11, ciascun fascio impregnato 8 può essere prodotto a partire da un diverso numero di fasci di fibre secche 7: ad esempio uno, due o più. In tali casi, sarà presente un ugello di uscita 13 ogni uno, due o più ugelli d’ingresso 12.

All’interno della camera di impregnazione 11 è disposta una pluralità di pioli 14. La disposizione dei pioli 14 è scelta in modo tale da imporre alle fibre un andamento generalmente definibile a linea spezzata o a zig-zag. I tratti rettilinei 71 del percorso delle fibre sono raccordati tra loro da piccoli archi 72 che le fibre compiono per adeguarsi al profilo dei pioli 14.

Almeno un piolo eiettore 15, tra tutti i pioli 14, comprende una zona di eiezione 16 di polimero fluido. La zona di eiezione 16 comprende una pluralità di fori di eiezione 17 posti in collegamento idraulico, tramite condotti 18 e tramite il raccordo 3, con l’estrusore 2. I fori di eiezione 17 hanno preferibilmente direzione radiale rispetto al piolo eiettore 15.

I pioli 14 che non comprendono zone di eiezione hanno diametri compresi tra 5mm e 50mm. Il diametro del piolo eiettore 15 è compreso tra i 10mm e i 200 mm. Il diametro dei fori di eiezione 17 è preferibilmente compreso tra 0,5mm e 2,5 mm.

In figura 4 si vede chiaramente che la zona di eiezione 16 coincide con un arco 72 imposto alla traiettoria della fibra dal piolo eiettore 15. L’eiezione del polimero fluido avviene in una direzione, imposta dall’andamento dei fori di eiezione 17, prossima alla perpendicolare alla fibra.

La direzione radiale dei fori 17 sarebbe esattamente perpendicolare alle fibre se l’arco 72 fosse un arco di cerchio. Nelle forme di realizzazione delle figure 4, però, si è scelto di ricavare la zona di eiezione 16 in una trincea 19 scavata sul profilo del piolo eiettore 15 anziché sul suo profilo originario. La presenza della trincea 19 impone all’arco 72 locale un andamento leggermente diverso da quello circolare, e la direzione dei fori 17, radiale rispetto al piolo 15, si discosta leggermente dalla direzione perpendicolare rispetto alla fibra.

A seconda delle forme di realizzazione, i pioli eiettori 15 possono essere uno (nel caso più semplice), due (come nel caso illustrato), tre o più.

Nella forma di realizzazione rappresentata in figura 3, i fori di eiezione 17 sono disposti in schiere longitudinali rispetto alla direzione A dei fasci di fibre. In particolare, le schiere di fori di eiezione 17 sono sfalsate l’una rispetto all’altra così da ottenere una disposizione complessiva dei fori di eiezione 17 a quinconce.

Inoltre, ancora nella realizzazione di figura 3, il numero di fori di eiezione 17, la larghezza delle zone di eiezione 16 e delle trincee 19 aumentano lungo la direzione A delle fibre. Infatti, come si può notare in figura 3, il piolo eiettore 15 posto a monte ha meno fori di eiezione 17 e zone di eiezione 16 e trincee 19 più strette rispetto al piolo eiettore 15 posto a valle.

La camera di impregnazione 11 comprende preferibilmente anche mezzi di riscaldamento 20 (ad esempio resistenze elettriche) per mantenere fluido il polimero e una sonda 21 (ad esempio una termocoppia) per rilevare la temperatura e comandare i mezzi di riscaldamento 20.

Si riassume rapidamente di seguito il funzionamento dell’impianto 1 di pultrusione.

All’avviamento, i capi dei fasci di fibre secche 7 vengono passati attraverso gli ugelli di entrata 12. La camera di impregnazione 11 viene aperta, ad esempio sollevando la parete superiore, in modo da consentire la corretta disposizione delle fibre secche lungo il percorso di impregnazione. I capi dei fasci vengono poi passati attraverso gli ugelli di uscita 13 e avviati al dispositivo di traino 5.

Vengono poi avviati l’estrusore 2, per fornire polimero fluido all’impregnatore 10, e i mezzi di riscaldamento della camera di impregnazione 11, per far sì che il polimero fuso non si raffreddi.

Quando il polimero inizia a fluire dai pioli eiettori 15, le fibre, preventivamente preriscaldate, vengono messe in trazione mediante il dispositivo di traino 5.

Quando l’impianto 1 di pultrusione è a regime, l’intera camera di impregnazione 11 è piena di polimero fuso e a bagno in esso scorrono i fasci di fibre. La portata di polimero che esce dalla camera di impregnazione 11 trascinato dalle fibre attraverso gli ugelli di uscita 13, deve essere pari alla quantità di polimero che viene alimentato dall’estrusore 2 attraverso le zone di eiezione 16.

I fasci di fibre impregnati 8, passando attraverso gli ugelli di uscita 13, vengono sagomati nel modo desiderato (tipicamente a sezione circolare); una volta all’esterno della camera di impregnazione, si raffreddano così da mantenere la forma conferita loro e da giungere al dispositivo di traino 5 già allo stato solido.

Il dispositivo di traino 5 garantisce l’alimentazione dei fasci di fibra secca 7 all’impregnatore 10 e dei fasci di fibra impregnata 8 al dispositivo di taglio 6. Tale dispositivo di taglio 6 riduce i fasci di fibra impregnata 8 alla lunghezza desiderata, originando i semilavorati a fibra lunga desiderati, ad esempio i pellets 9 a fibra lunga.

L’impianto di tipo noto descritto con riferimento alle figure da 1 a 5, pur permettendo la produzione di semilavorati di ottima qualità, non è però in grado di mantenere il funzionamento descritto sopra per un tempo indefinito. Durante il funzionamento dell’impianto 1 di tipo noto infatti si verifica spesso l’otturazione degli ugelli di uscita 13 da cui fuoriescono i fasci di fibre impregnate 8.

La società richiedente ha immediatamente capito che tale otturazione è causata dalla presenza di fibre rotte nella camera di impregnazione 11 e dall’accumulo di tali fibre rotte negli ugelli di uscita 13.

L’accumulo di fibre rotte determina, nell’ugello 13, una progressiva e talvolta repentina diminuzione della sezione disponibile per il passaggio delle fibre impregnate 8. In tali condizioni, il fascio di fibre è frenato dalla ridotta sezione disponibile dell’ugello 13 e viene pertanto sottoposto ad uno sforzo di trazione inatteso.

Lo sforzo di trazione che nasce nel fascio di fibre, esercitato dal dispositivo di traino 5 posto a valle, può superare il limite di resistenza a trazione del fascio stesso. In tal caso il fascio di fibre si spezza, il ciclo produttivo si interrompe e si rende necessario un intervento di ripristino delle condizioni di funzionamento dell’impianto 1.

La società richiedente ha condotto approfonditi studi per determinare le cause di tale spiacevole fenomeno. A seguito di tali studi si è verificato che la forza generata dalla fuoriuscita del polimero dai fori di eiezione 17, forza pressoché perpendicolare alla direzione di scorrimento delle fibre, è in grado di sollevare e spostare i singoli fasci di fibre. In particolare, un fascio di fibre destinato ad esempio a percorrere la zona di eiezione 16.a può essere sollevato e spostato in una zona di eiezione adiacente e destinata ad un altro fascio di fibre, ad esempio la zona di eiezione 16.b.

Questi spostamenti fanno sì che le fibre si dispongano in direzioni non previste in sede di progetto, con tutte le conseguenze del caso. Ad esempio, tali spostamenti determinano sfregamenti delle fibre sulle pareti laterali delle trincee 19.

Per questo ed altri motivi, durante il funzionamento dell’impianto 1 di tipo noto si verifica la rottura progressiva delle singole fibre del fascio e la conseguente otturazione di uno o più ugelli di uscita 13.

La società richiedente ha dunque scoperto che tale problema può essere risolto mediante un adeguato pretensionamento applicato ai fasci di fibre secche 7 a monte degli ugelli di entrata 12 della camera di impregnazione 11.

L’impianto 1 secondo l’invenzione comprende dunque almeno un impregnatore 10 avente un ugello d’ingresso 12 e un ugello d’uscita 13 attraverso cui sono trascinate le fibre. L’impianto comprende inoltre un pre-tensionatore 41 posto a monte dell’ugello d’ingresso 12 e adatto a indurre uno stato di pretensionamento nelle fibre secche 7.

A tale scopo sono stati provati differenti tipologie di pre-tensionatori. Una prima tipologia, definita statica, è costituita semplicemente da una sequenza di cilindri attraverso cui passano le fibre secche. Una seconda tipologia, definita dinamica, è costituita da rulli in gomma frizionati e contrapposti tra di loro. Per motivi diversi né la prima né la seconda tipologia ha dato risultati soddisfacenti.

Il pre-tensionatore 41 dell’impianto 1 secondo l’invenzione è rappresentato in dettaglio in figura 7. Nell’impianto rappresentato in figura 6, è presente un pre-tensionatore 41 per ciascuno dei fasci di fibre secche 7. La batteria di pretensionatori 41 è indicata con 40.

Il pre-tensionatore 41 comprende due piattelli 42 che definiscono un asse X comune. Almeno uno dei due piattelli 42 è scorrevole lungo tale asse X, rappresentato ad esempio da una barra 43. I piattelli 42 sono inoltre premuti l’uno contro l’altro lungo l’asse X da mezzi elastici, ad esempio una molla 44.

In accordo con una forma di realizzazione preferita, i piattelli 42 sono realizzati in materiale ceramico. Tale materiale consente infatti di ridurre notevolmente i fenomeni di usura dovuti allo scorrimento delle fibre secche 7.

Il fascio di fibre secche 7 è fatto passare tra i due piattelli 42 e subisce così un rallentamento per attrito, introducendo uno stato di pre-tensionamento nelle fibre secche 7 prima che entrino nella camera di impregnazione 11.

Molto importante si è rivelato durante la sperimentazione il precarico della molla 44 e quindi la scelta della molla 44 stessa in base alle specifiche caratteristiche di rigidezza.

Valori di precarico troppo alti generano sfioccatura delle fibre secche 7 e quindi rottura delle stesse in prossimità dei piattelli 42. La conseguenza è ancora una volta la rottura dei fasci di fibre secche 7. Al contrario, valori di precarico troppo bassi rendono inefficace il pre-tensionatore 41 e riportano l’impianto nelle condizioni descritte sopra con riferimento alla tecnica nota.

La forma di realizzazione del pre-tensionatore 41 di figura 7, comprende inoltre mezzi 45 per la regolazione fine del precarico. I mezzi 45 di regolazione fine comprendono nello specifico una ghiera filettata 46 che va in battuta sulla molla 44 e che impegna un filetto ricavato sulla barra 43 disposta lungo l’asse X. La ghiera 46, spostandosi lungo la barra 43, può variare lo stato di precompressione della molla 44 e, quindi, il suo precarico.

E’ chiaro che possono essere previste varianti e/o aggiunte a quanto sopra descritto ed illustrato senza uscire dall’ambito dell’invenzione stessa.

Ovviamente, all’impianto di pultrusione 1 secondo la presente invenzione, un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare ulteriori modifiche e varianti, tutte peraltro contenute nell’ambito di protezione dell’invenzione, quale definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto (1) per la produzione di semilavorati polimerici contenenti fibre lunghe, comprendente: - un impregnatore (10) avente un ugello d’ingresso (12) e un ugello d’uscita (13) attraverso cui sono trascinate le fibre (7, 8), e - un pre-tensionatore (41) posto a monte dell’ugello d’ingresso (12) e adatto a indurre uno stato di pre-tensionamento nelle fibre (7), detto pre-tensionatore (41) comprendendo due piattelli (42) definenti un asse (X) comune, almeno uno di detti piattelli (42) essendo scorrevole lungo tale asse (X), detti piattelli (42) essendo premuti l’uno contro l’altro lungo l’asse (X) da mezzi elastici (44).
2. 2. Impianto (1) secondo la rivendicazione 1 comprendente un pre-tensionatore (41) per ciascun fascio di fibre secche (7) in ingresso in detto impregnatore (10).
3. 3. Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui i piattelli (42) di detto pre-tensionatore (41) sono realizzati in materiale ceramico.
4. 4. Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui l’asse (X) dei piattelli (42) di detto pretensionatore (41) è rappresentato da una barra (43).
5. 5. Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi elastici di detto pre-tensionatore (41) comprendono una molla (44).
6. 6. Impianto (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detta molla è caratterizzata da un precarico.
7. 7. Impianto (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto pre-tensionatore (41) comprende mezzi (45) per la regolazione fine del precarico della molla (44).
8. 8. Impianto (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detti mezzi (45) di regolazione fine comprendono una ghiera (46) filettata che va in battuta sulla molla (44) e che impegna un filetto ricavato su una barra (43) disposta lungo l’asse (X).
9. 9. Impianto (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detta ghiera (46), spostandosi lungo la barra (43), può variare lo stato di precompressione della molla (44).
10. 10. Impianto (1), secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre: - un dispensatore (2) di polimero fluido; - un raccordo (3) adatto a mettere in comunicazione fluida il dispensatore (2) con l’impregnatore (10); - rocchetti (4) adatti a fornire fasci di fibre secche (7); - un dispositivo di traino (5) adatto ad applicare uno sforzo di trazione a fasci di fibre impregnate (8); e - un dispositivo di taglio (6) adatto a tagliare detti fasci di fibre impregnate (8).
11. 11. Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui l’impregnatore (10) comprende inoltre una camera di impregnazione (11); una pluralità di pioli (14, 15) atti ad imporre alle fibre (7, 8) un andamento a linea spezzata, almeno uno dei pioli (15) comprende una zona di eiezione (16) di polimero fluido, detta zona di eiezione (16) comprendendo una pluralità di fori di eiezione (17) in collegamento idraulico con un dispensatore (2) di polimero fluido.
12. 12. Impianto (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui i fori di eiezione (17) sono disposti in schiere longitudinali rispetto alla direzione (A) delle fibre (7, 8).
13. 13. Impianto (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui le schiere di fori di eiezione (17) sono sfalsate l’una rispetto all’altra così da ottenere una disposizione complessiva dei fori di eiezione (17) a quinconce.
14. 14. Impianto (1) secondo la rivendicazione 11, in cui le zone di eiezione (16) sono poste in trincee (19) ricavate su detto piolo eiettore (15).
15. 15. Impianto (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui la larghezza delle trincee (19) aumenta lungo la direzione (A) delle fibre (7, 8).
16. 16. Impianto (1) secondo la rivendicazione 11, in cui il numero di fori di eiezione (17) aumenta lungo la direzione (A) delle fibre (7, 8).
17. 17. Impianto (1) secondo la rivendicazione 11, in cui la larghezza delle zone di eiezione (16) aumenta lungo la direzione (A) delle fibre (7, 8).