ITMI20100977A1 - Processo per estrudere pet in scaglie senza degradazione e relativo estrusore - Google Patents

Description

Descrizione dell’ invenzione avente per titolo:

“PROCESSO PER ESTRUDERE PET IN SCAGLIE SENZA DEGRADAZIONE E RELATIVO ESTRUSORE”

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un processo per estrudere PoliEtilene Tereftalato (PET) in scaglie in presenza di un flusso di gas inerte in controcorrente in cui si ha una ridotta degradazione del polimero, e il relativo estrusore in grado di attuare tale processo.

Il PET è una resina termoplastica della famiglia dei poliesteri molto utilizzata nel settore degli imballaggi, in particolare nella produzione di bottiglie. Detto PET viene ottenuto dalla polimerizzazione del monomero ottenuto dalla reazione tra acido tereftalico (TPA) e glicole etilenico: poiché dopo tale processo il polimero risulta avere una viscosità intrinseca (I.V.) pari a 0, 5-0,6 dl/g e scarse proprietà di resistenza meccanica, di barriera ai gas, si è soliti sottoporre i granuli di PET ad una reazione di post-condensazione allo stato solido (SSP), ad una temperatura compresa tra 200°C e 230°C, al fine di raggiungere una viscosità intrinseca (e quindi un peso molecolare) tale da poter essere utilizzato per bottiglie o contenitori, in particolare almeno pari a 0,78 dl/g.

Nella produzione di bottiglie o contenitori attualmente si utilizza anche PET riciclato poiché la produzione di bottiglie da PET riciclato richiede il 40-60% di energia in meno rispetto al PET vergine: le bottiglie usate vengono lavate, selezionate e macinate e successivamente le scaglie macinate vengono trasformate, mediante estrusione (rigranulazione), in granuli destinati ad essere impiegati per produrre pezzi stampati o termoformati.

Essendo un materiale igroscopico, il PET deve essere necessariamente sottoposto a lavorazioni in assenza di umidità/acqua per evitare che l'acqua residua inneschi reazioni di idrolisi che depolimerizzano il PET riducendo di molto la sua viscosità intrinseca (I.V.), ossia il suo peso molecolare e conseguentemente le sue prestazioni.

Per contenere tale fenomeno vengono utilizzati, in alcuni casi, essiccatori a monte degli estrusori al fine di avere un contenuto di acqua residua nelle scaglie inferiore a 50 ppm (0,005%), operando con un ciclo d'essiccamento di circa 6 ore a 160°C e aria molto secca. Tale operazione pur contenendo l’idrolisi e la diminuzione di viscosità nell’ordine di 0,03 dl/g, risulta tuttavia molto costosa in termini energetici e di tempi produttivi.

Per superare tale problema, si è iniziato ad usare estrusori bivite, tra cui anche estrusori bivite per materiale umido con punti di degassaggio sottovuoto che non necessitano di deumidificatori a monte come quello descritto, ad esempio, in EP 1226922: l’estrusore bivite corotante prevede l’impiego di due punti di degassaggio simultaneo (sottovuoto leggero e vuoto più spinto) posizionati sulla zona del solido e sulla zona del fuso, opportunamente distanziati tra loro, con una zona di tenuta intermedia tra le differenti zone di degassaggio.

Tuttavia estrudere scaglie macinate con un contenuto di umidità intorno ai 5000 ppm, valore tipico di scaglie all’aria, anche in presenza di un vuoto residuo intorno ai 30 mbar, comporta una diminuzione di I.V. pari a circa 0,1 dg/1, come osservato dalla Richiedente, che può essere accettabile per alcune lavorazioni, quali la filatura o estrusione di lastre da termoformatura, ma non nel caso della produzione di granuli destinati alla produzione di bottiglie in PET.

Scopo della presente invenzione è quello di trovare un processo per ottenere granuli di PET, sia da materiale vergine che da materiale recuperato al 100%, in grado di superare gli inconvenienti che la tecnica nota lamenta, in particolare che mostri una ridotta caduta di viscosità intrinseca nel processo, che non richieda elevate quantità di energia per l’essiccamento pur garantendo una idrolisi molto contenuta del polimero.

Altro scopo della presente invenzione è quello di fornire una macchina in grado di attuare un tale processo, che sia pratica, di facile realizzazione, e capace di produrre granuli di polietilentereftalato in estrusione, partendo da scaglie di bottiglia, con ridotta o nulla perdita di viscosità.

Questi scopi sono raggiunti in accordo all 'invenzione con le caratteristiche elencate nell’annesse rivendicazioni indipendenti 1 e 9.

Realizzazioni vantaggiose dell 'invenzione appaiono dalle rivendicazioni dipendenti.

Il processo della presente invenzione prevede Γ introduzione di gas inerte in controcorrente rispetto al flusso del materiale da estrudere all’ interno di un estrusore, preferibilmente bivite, in particolare almeno in prossimità della testa dell’estrusore (i.e. all’uscita dei granuli estrusi). In aggiunta, detto processo prevede almeno un degassaggio, di tipo leggero o più spinto, in almeno una zona dell’estrusore. Preferibilmente il processo e l’estrusore della presente invenzione prevede un degassaggio di tipo leggero in prossimità della testa e un degassaggio più spinto in prossimità dell’ingresso (alimentazione) delle scaglie.

Come è noto, l'estrusore è una macchina che permette di ottenere degli estrusi di materie plastiche, ossia delle forme di sezione costante prestabilita dalla forma della trafila e di lunghezza determinata solo dall'intervallo di taglio.

In particolare gli estrusori bivite sono molto utilizzati per il riciclaggio delle materie plastiche. Detti estrusori bivite sono costituiti da due viti compenetranti che nel cilindro hanno una forma simile in sezione a un doppio cerchio parzialmente sovrapposto: esse possono ruotare in senso concorde (estrusore bivite corotante) o discorde (estrusore bivite controrotante). I materiali alimentati agli estrusori bivite possono essere sia granuli che polveri o scaglie .

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione appariranno più chiare dalla descrizione dettagliata che segue, riferita ad una sua forma puramente esemplificativa e quindi non limitativa di realizzazione illustrata nei disegni annessi, in cui:

la Fig. 1 è una vista in sezione longitudinale illustrante schematicamente Festrusore bivite in accordo all’ invenzione;

la Fig. 2 è una vista schematica in sezione trasversale che illustra le due viti co-rotanti dell’estrusore bivite in accordo all’invenzione;

le Figg. 3a e 3b sono viste schematiche rispettivamente laterale e frontale di uno degli elementi di masticazione montati su ciascuna vite;

la Fig. 4 è una vista schematica in sezione trasversale rispetto all’estrusore di un condotto di ingresso di gas inerte in accordo all’invenzione;

la Fig. 5 illustra l’andamento della pressione di testa in funzione del numero di giri della bivite in quattro condizioni di estrusione differenti;

la Fig. 6 illustra la relazione tra i valori della pressione in testa all’estrusore e la I.V, del fuso.

Il processo e l’estrusore che formano oggetto della presente invenzione verranno ora descritti in dettaglio con riferimento alle figure allegate che sono solo illustrative e non limitative ai fini della presente invenzione.

Nell’estrusore bivite co-rotante, indicato con il riferimento numerico 1 in figura 1 e posizionato sopra un telaio di supporto, vengono caricate le scaglie di PET (non illustrate in figura) alimentate in forma solida tramite una tramoggia 2 nella bocca 3 dell’estrusore 1 nella prima zona B.

In prossimità della bocca 3 di ingresso all’estrusore non viene effettuato alcun tipo di degassaggio e detta bocca 3 di carico risulta essere aperta all’aria.

A partire da detta bocca 3 e procedendo attraverso la lunghezza dell’estrusore 1, dette scaglie vengono macinate, compresse e plastificate per mezzo di una coppia di viti 4, posta all’ interno dell’estrusore, la quale è formata da due viti 4a, 4b (fig.2) che ruotano nello stesso senso. La co-rotazione di dette viti 4a, 4b fa sì che il materiale avanzi lungo l'estrusore e, grazie anche alla presenza di particolari miscelatori o elementi di masticazione 5a, 5b, 5c, favorisce l’asportazione di sostanze volatili per mezzo di gas inerti.

Ad una distanza prefissata dalla bocca di ingresso 3, è posizionata sull’estrusore 1 una prima apertura collegata ad un primo condotto 6 in comunicazione con un sistema di vuoto: attraverso detto condotto 6 viene aspirata l’umidità rilasciata dal polimero fuso che transita nella zona C.

Analogamente, è prevista nell’estrusore una seconda apertura collegata ad un secondo condotto 7, anch’esso in comunicazione con il sistema di vuoto, atto ad aspirare ulteriormente rumidità del polimero fuso presente alPintemo dell’estrusore 1 nella zona F distale rispetto alla zona B di carico scaglie.

E’ preferibile che nella zona C la pressione residua sia minore rispetto alla pressione residua che si ha nella zona F che risulta essere più vicina alla testa dell’estrusore. Un esempio di pressioni residue efficaci per la rimozione dell’umidità sono: 30 mbar in prossimità della zona F relativa al condotto 7, e 5 mbar nella zona C relativa al condotto 6.

Generalmente l’estrusore 1 viene riempito solo parzialmente con il materiale al fine di lasciare, al di sopra della bivite 4, una zona libera atta al passaggio dell’umidità e dei gas aspirati attraverso i condotti 6 e 7.

La distanza tra i condotti di aspirazione 6 e 7 non è vincolante ai fini della presente invenzione. Ad esempio può essere pari a 12D nel caso di estrusori con rapporto lunghezza/diametro pari a circa 48D, dove D è il diametro nominale delle viti 4a, 4b.

Le differenti zone B, C, F, citate sopra, nonché la zona G adiacente alla testa dell’estrusore, sono atte a garantire la fusione, l’omogeneizzazione, e la stabilizzazione della pressione e della temperatura del materiale, per garantire la costanza della portata. Tali zone sono separate tra loro dagli elementi di masticazione 5a, 5b, 5c, posti su ciascuna delle viti 4a, 4b.

Come illustrato nelle figure 3a, 3b, detti elementi di masticazione 5a, 5b,5c possono essere formati da un gruppo di elementi Il a punta smussata, adiacenti tra loro e posti sulle viti 4a e 4b. Le suddette punte sono adiacenti e inclinate una rispetto all’altra, in maniera tale che ciascuna abbia il profilo sfalsato rispetto, all’altra.

L’estrusore 1 può essere raffreddato secondo l’arte nota, ad esempio utilizzando olio per scambio termico oppure acqua o altro fluido generalmente utilizzato negli scambi termici.

Detto estrusore 1 è caratterizzato dal prevedere inoltre, in prossimità della zona G adiacente alla testa 10, almeno un condotto verticale 8 per Γ introduzione di un gas inerte 9 direttamente all’ interno del cilindro dell’estrusore 1 e in controcorrente rispetto al movimento del polimero fuso verso la testa 10 inertizzando quindi la camera di estrusione nella zona G.

Il gas inerte 9 che entra nell’estrusore è leggermente in pressione, ad esempio 1,5 bar relativi, tale da permettere l’avanzamento di detto gas in controcorrente al fuso. Inoltre detto gas è generalmente a temperatura ambiente anche se ciò non è vincolante ai fini della presente invenzione. Come gas inerte si possono impiegare azoto, argon, e simili, preferibilmente azoto.

In riferimento al condotto 8 di ingresso del gas inerte 9, esso è generalmente collegato ad una tubazione 12 (illustrata in fig. 4 parzialmente interrotta) relativa alle Utilities dell’impianto, che può montare opzionalmente un flussostato oppure un regolatore di portata o pressione.

Inoltre detto condotto 8 può essere anche collegato ad una valvola manuale 13, ad esempio del tipo a spillo, per chiudere l’ingresso del gas all’estrusore 1, oppure ad un gruppo di regolazione della pressione o ad una valvola di sicurezza. Alla fine del condotto 8 può essere montato un ugello 14, anche se ciò non è vincolante ai fini della presente invenzione.

Un secondo condotto 8 con relativa valvola o regolatore descritti sopra, può essere presente anche in altri punti dell’estrusore 1 al fine di aumentare il contatto del fuso con detto gas, a seconda dell’entità della portata e lunghezza di detto estrusore 1.

La Richiedente ha osservato che quando il PET in scaglie viene estruso in presenza di un flusso controcorrente di gas inerte, la pressione del fuso in entrata alla filiera aumenta, fenomeno che generalmente accade quando la viscosità intrinseca, e conseguentemente il peso molecolare, è maggiore.

Ciò risulta sorprendente poiché di norma quando il PET viene processato in aria, o anche sottovuoto, si nota una diminuzione di momento torcente (torque), dovuta alla degradazione idrolitica e termo-meccanica, anche nel caso di scaglie secche e di pressioni residue molto basse. A tale proposito si vedano gli esempi qui di seguito riportati.

In pratica con il presente processo di estrusione e il relativo estrusore è possibile aumentare la viscosità intrinseca del PET durante l’estrusione stessa senza dover ricorrere a pre- o post-trattamenti come accade invece neH’arte nota, risultando quindi in un notevole vantaggio tecnico nonché in un risparmio di costi.

E’ da intendersi che l’estrusore in accordo alla presente invenzione può essere utilizzato per estrudere anche altri polimeri igroscopici che subiscono o possono subire fenomeni di degradazione idrolitica e/o termo-meccanica durante Γ estrusione.

Alla presente forma di realizzazione dell’invenzione possono essere apportate numerose variazioni e modifiche di dettaglio alla portata di un tecnico del ramo, rientranti comunque nell’ambito dell’invenzione espresso dalle rivendicazioni annesse.

Seguono alcuni esempi illustrativi ma non limitativi della presente invenzione.

ESEMPI

Esempio 1

Quattro campioni di PET in scaglie aventi un’umidità pari a circa 5.000 ppm e derivanti da un unico lotto, sono stati estrusi con e senza ingresso di gas inerte e in condizioni di degassaggio differenti, utilizzando un estrusore bivite avente un rapporto L/D di circa 48, dotato di due ingressi per gas inerte controcorrente al fuso e di un condotto di aspirazione per il degassaggio, e di filiera ad 8 fori. La portata in massa nell’estrusore era di 45 kg/h e la temperatura del fuso (meli) di 251 °C.

Durante le quattro estrusioni si è misurata la pressione relativa del meli in testa in funzione della velocità delle viti riportando poi tali dati su un grafico pressione/nr. di giri come illustrato in fig. 5.

In detto grafico sono riportate quattro curve relative ai quattro processi di estrusione in differenti condizioni:

Curva D

processo con vuoto spinto (p resìdua<3⁄4>5 mbar) e gas inerte secco iniettato sia ad inizio cilindro che nella seconda parte del cilindro

Curva C

processo con vuoto spinto (p residua<3⁄4>5 mbar) e gas inerte secco iniettato solo nella seconda parte del cilindro

Curva B

processo con vuoto spinto (p residua<3⁄4>5 mbar) senza iniezione di gas inerte Curva A

processo con vuoto medio (p residua<3⁄4>30 mbar) senza iniezione

di gas inerte

Come si nota dal grafico di figura 5, a parità di numero di giri della bivite si osserva che Γ immissione di gas inerte durante l’estrusione fa aumentare la pressione in testa all’estrusore: ciò in genere è associato ad un aumento di viscosità intrinseca del polimero.

Inoltre è da notare che il solo degassaggio sottovuoto in accordo all’arte nota, non permette di raggiungere elevate pressioni di testa e quindi elevate viscosità intrinseche, anche in caso di degassaggio in vuoto spinto (curve A, B, in confronto con C e D).

In figura 6 viene riportata la relazione tra i valori della pressione relativa del fuso in testa all’estrusore e la I.V. del fuso in uscita dall’estrusore: i punti di questa curva sono stati ottenuti prendendo i risultati di tutte le prove, semplicemente correlando le due grandezze, indipendentemente dalle condizioni (degassaggio, con o senza iniezione del gas) con cui i valori sono stati rilevati durante le quattro prove precedenti, fermo restando che tutte le prove sono state condotte con lo stesso macchinario, alla stessa portata ed alla stessa temperatura di fuso delle quattro prove precedenti.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Estrusore (1) a vite per polietilentereftalato (PET) umido, preferibilmente in scaglie, comprendente una prima zona (B) di carico, una seconda zona (C;F) di trasporto del PET fuso, una terza zona (G) di uscita di granuli di PET e dotato di almeno una bocca con relativo condotto di degassaggio (6;7) caratterizzato dal fatto di prevedere almeno un ingresso (8) di gas inerte che fluisce in controcorrente al trasporto del fuso, detto ingresso (8) essendo preferibilmente posizionato in detta terza zona (G) di uscita granuli.
2. 2. Estrusore (1) secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere due viti (4a, 4b) co-rotanti.
3. 3. Estrusore (1) secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre elementi di miscelazione (5a;5b;5c) atti alla miscelazione del fuso.
4. 4. Estrusore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui le bocche con relativo condotto di degassaggio (6;7) sono due.
5. 5. Estrusore (1) secondo la rivendicazione 4 in cui le due bocche di aspirazione sono posizionate in prossimità della zona (C;F) di trasporto di PET fuso.
6. 6. Estrusore (1) secondo la rivendicazioni 4 e/o 5 in cui il degassaggio nei condotti di degassaggio (6;7) è condotto a pressioni residue differenti, preferibilmente a pressione residua crescente a partire dall’ ingresso delle scaglie verso l’uscita dei granuli.
7. 7. Estrusore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente inoltre un secondo ingresso (8) di gas inerte, detto secondo ingresso (8) essendo preferibilmente posizionato in prossimità della zona (B) di carico del PET.
8. 8. Estrusore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui ciascun ingresso (8) di gas inerte è dotato di ugello (14) e/o di valvola (13) di regolazione flusso.
9. 9. Processo di estrusione di polimeri igroscopici, in particolare polietilentereftalato (PET) umido, in un estrusore come definito in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti 1-8 comprendente una fase flussaggio di un gas inerte (9), in controcorrente all’avanzamento del polimero, per mezzo di un condotto (8) di ingresso in detto estrusore (1), detta fase essendo preferibilmente effettuata in combinazione con almeno un degassaggio in una zona di trasporto (C;F) del polimero fuso.
10. 10. Processo secondo la rivendicazione 9 in cui il degassaggio è effettuato in almeno due punti differenti della zona di trasporto del polimero fuso, preferibilmente PET, e con due differenti pressioni residue, preferibilmente pressioni residue crescenti a partire dall’ ingresso delle scaglie verso l’uscita dei granuli.
11. 11. Processo secondo la rivendicazione 9 e/o 10 in cui il flussaggio in controcorrente del gas inerte (9) è effettuato in almeno due punti differenti dell’estrusore (1), preferibilmente in una zona (G) di uscita di granuli del polimero, preferibilmente PET, e in una zona (B) di carico.