ITMI991795A1 - Procedimento e dispositivo per la produzione di una schiuma poliuretanica espansa - Google Patents

Description

DESCRIZIONE PER BREVETTO DI INVENZIONE

Avente titolo:

PROCEDIMENTO E DISPOSITIVO PER LA PRODUZIONE DI UNA SCHIUMA POLIURETANICA ESPANSA

SFONDO DELL'INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce alla produzione sia di schiume poliuretaniche flessibili, che rigide, del tipo o a celle aperte o chiuse, che vengono preespanse o frotizzate mediante un agente di preespansione inerte fortemente solubile sotto pressione nella miscela poliuretanica, ad esempio anidride carbonica (C02). Più in particolare l'invenzione è diretta ad un procedimento e ad un dispositivo per l'erogazione di una miscela poliuretanica pre-espansa mediante C02, nella produzione in continuo di schiume poliuretaniche in blocchi .

Nella produzione di schiume poliuretaniche espanse, sia di tipo flessibile che rigido, sono stati proposti vari procedimenti, compreso l'impiego della nota tecnologia del "frothìng" o della pre-espansione, secondo cui un agente di espansione basso-bollente, chimicamente non reattivo, in particolare anidride carbonica, viene disciolto nella miscela poliuretanica o in uno dei suoi componenti chimici, ad una pressione pari o superiore alla pressione di equilibrio, atta a mantenere la C02 disciolta nella miscela liquida, fino alla erogazione.

L'uso di biossido di carbonio aggiunto alla formulazione, quale agente di espansione nella produzione di schiume poliuretaniche pre-espanse, è stato da lungo tempo proposto in numerosi documenti anteriori ad esempio in US-A-3.184.419 (MERRIMAN) del 1965 ed EP-A-089796 (ICI) del 1982, al fine di ovviare a certi problemi di natura ambientale e di carattere economico che si presentavano con i normali agenti di espansione chimici, quali i fluorocarboni o i clorofluorocarboni, oppure C02 da reazione chimica con acqua di uno dei due componenti.

Nella produzione di schiuma poliuretaniche preespanse mediante C02, sorgevano inoltre problemi di natura tecnica che risultavano di difficile soluzione. In particolare durante la fase di erogazione della miscela in fase di pre-espansione, risultava difficile avere un adeguato controllo della pressione ed un graduale rilascio della C02 in forma gassosa nella miscela poliuretanica che frotizzava; le schiume ottenute presentavano in generale numerosi difetti, quali cavità o grosse bolle, ovvero una struttura cellulare irregolare che rendeva la schiuma prodotta inaccettabile dal punto di vista commerciale .

Al fine di trovare una soluzione industrialmente valida a questo annoso problema, con il brevetto europeo EP-A 0645 226 è stato proposto uno speciale dispositivo di erogazione mediante il quale risulta possibile distribuire, in modo controllato, una miscela poliuretanica frotizzata mentre viene depositata su un supporto mobile sottostante.

In particolare, in tale brevetto europeo viene proposto l'uso di un dispositivo di erogazione alimentato con una miscela poliuretanica liquida contenente una certa percentuale di anidride carbonica, con una elevata quantità di gas di nucleazione, in cui la C02 è stata preventivamente disciolta in uno dei componenti chimici, o nella stessa miscela, sotto pressione elevata, ad esempio ad una pressione compresa tra 5 e 20 bar sufficiente a mantenere l'anidride carbonica disciolta nella miscela liquida, evitando la formazione di bolle di gas fino al momento della erogazione.

Tale dispositivo sostanzialmente comprende una camera di equalizzazione della pressione provvista di una zona di caduta della pressione che si apre verso una cavità di frotizzazione. La zona di1caduta della pressione è definita da una feritoia allungata, delimitata da pareti lisce che si estendono nella direzione del flusso della miscela, o da una pluralità di fori che suddividono il flusso principale in una pluralità di flussi singoli. Mediante una zona di caduta della pressione così conformata, si ottiene una graduale riduzione della pressione ed un rilascio controllato della C02 in forma gassosa all'uscita della feritoia o dei fori, direttamente nella miscela poliuretanica che pre-espande e che fluisce in una cavità di frotizzazione.

Dispositivi di questo genere hanno praticamente dimostrato di operare in modo appropriato e di consentire la produzione di schiume pre-espanse, di buona qualità, aventi una struttura cellulare regolare sostanzialmente priva di grosse bolle o di cavità.

Tuttavia con i procedimenti e le apparecchiature precedentemente proposti, al fine di ottenere un buon inizio della fase di frotizzazione, risulta necessario introdurre nella miscela poliuretanica liquida grandi quantità di gas di nucleazione non solubile, ad esempio azoto, quale agente di nucleazione, ad esempio 70-90 litri/min. che deve essere opportunamente disperso nella miscela per formare una grande quantità di nucleidi gassosi, finemente divisi, costituenti i "germi" attorno ai quali si aggregheranno le microscopiche bolle di C02 rilasciate nella miscela, per causare una buona frotizzazione.

L'uso di grandi quantità di gas di nucleazione comporta tuttavia altri problemi che possono essere parzialmente risolti mediante un compromesso tra quantità di gas di nucleazione disperso nella miscela poliuretanica, e qualità o caratteristiche della schiuma poliuretanica ottenuta.

Infatti, un eventuale eccesso di gas di nucleazione può portare ad:una fase di frotizzazione incontrollabile, con violenta fuoriuscita della C02 e conseguente formazione di una struttura cellulare irregolare. Inoltre, nella produzione di schiume poliuretaniche espanse, un eccesso o difetto di gas insolubile di nucleazione, può portare a difetti di cellulazione, cioè alla formazione di una struttura cellulare irregolare e disomogenea con formazione di grosse bolle e di cavità. Con i dispositivi e i procedimenti convenzionali, risulta dunque difficile regolare nella giusta misura la quantità di aria di nucleazione dispersa nella miscela poliuretanica liquida.

Esiste pertanto l'esigenza di migliorare ulteriormente questa tecnologia, rendendola nel contempo adatta a molteplici applicazioni.

SCOPI DELL'INVENZIONE

Scopo principale della presente invenzione è di fornire un procedimento ed un dispositivo per la produzione di schiuma poliuretanica sia flessibile che rigida, a partire da una miscela poliuretanica pre-espansa mediante la tecnica del frothing, tali da ovviare agli inconvenienti precedentemente riferiti.

In particolare, uno scopo della presente invenzione è di fornire un procedimento per la produzione di una schiuma poliuretanica frotizzata con C02 quale agente di espansione, tale da consentire una sostanziale riduzione del contenuto di gas di nucleazione disperso nella miscela liquida, ovviando in questo modo ai noti problemi di difettosa cellulazione.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è di fornire un procedimento come sopra riferito, che consenta altresì un miglior controllo della fase di frotizzazìone.

Un ulteriore scopo ancora dell'invenzione è di fornire un'apparecchiatura per l'attuazione del procedimento sopra riferito, che sia di costruzione semplificata, e che consenta un controllo delle fasi di nucleazione e di frotizzazione operando a livello microscopico, direttamente sui filetti fluidi che percorrono un meato di una zona di caduta della pressione, contrariamente alle apparecchiature di tipo noto dove il controllo avviene operando nell'ambito di dimensioni notevolmente superiori, in una cavità di frotizzazione posta al termine di una zona di caduta della pressione, come ad esempio illustrato nel precedente brevetto europeo EP-A-0645226, dopo che l'energia cinetica del flusso uscente dal meato è stata quasi totalmente smorzata, come mostrato nella figura 9 dei disegni allegati.

Non ultimo scopo della presente invenzione è di fornire un procedimento ed un dispositivo per la produzione di una schiuma poliuretanica frotizzata, come riferito, mediante un'apparecchiatura adatta per la fabbricazione in -continuo di schiume poliuretaniche in blocchi .

BREVE DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

Secondo un primo aspetto dell'invenzione, si è quindi fornito un procedimento per la produzione di una schiuma poliuretanica espansa, secondo cui almeno un primo ed un secondo componente poliuretanico liquido, chimicamente reattivi, quale un poliolo ed un isocianato, con un agente di espansione basso-bollente quale C02, vengono miscelati sotto pressione per mantenere la C02 disciolta nella miscela liquida risultante, ed in cui la miscela risultante viene erogata facendola fluire attraverso una zona di caduta della pressione atta a consentire un rilascio della C02 in forma gassosa nella miscela liquida per la sua frotizzazione, caratterizzato dalle fasi di:

- causare un graduale rilascio della pressione nella miscela liquida risultante mentre fluisce in uno stato laminare lungo un primo tratto di un meato ristretto che si prolunga nella direzione del flusso;

- generare successivamente una turbolenza localizzata nel flusso della miscela e, conseguentemente

- causare una nucleazione ed una pre-espansione direttamente nello stesso flusso della miscela mentre scorre lungo un tratto terminale del meato.

Secondo un aspetto particolare dell'invenzione, le condizioni di turbolenza localizzata nel flusso della miscela poliuretanica che percorre il meato, in prossimità dell'estremità di uscita del meato della zona di caduta della pressione, sono generate causando brusche variazioni di direzione nel flusso della miscela, dopo un tratto lineare del meato di caduta della pressione, ad esempio conformando il tratto terminale del meato con uno o più tratti disposti ad angolo, ad esempio conformati a "Z", o fornendo una pluralità di fini dentature sulle superfici laterali contrapposte dello stesso meato, per creare ripetute deviazioni dei filetti fluidi ed una condizione di microturbolenza localizzata, che a sua volta genera un diffuso effetto di nucleazione della miscela liquida ed un graduale rilascio della stessa C02 in forma gassosa mentre la miscela frotizzante fluisce verso l'uscita del meato della zona di caduta della pressione, per essere erogata su un supporto mobile o in una zona sottostante.

Secondo un altro aspetto dell'invenzione, si è fornito un dispositivo per l'erogazione di una miscela poliuretanica pre-espansa, per la produzione di schiume poliuretaniche mediante il procedimento precedentemente riferito, il quale può essere sotto forma di una barra allungata, che si estende ad esempio in una direzione trasversale per parte'o per l'intera larghezza di un substrato in movimento, sul quale la miscela poliuretanica in fase frotizzante viene continuamente depositata, ad esempio per la produzione in contìnuo dì schiume poliuretaniche in blocchi, ovvero può assumere altre forme idonee per un diverso impiego, ad esempio una forma circolare.

Preferibilmente il dispositivo comprende una camera di distribuzione nella quale viene alimentata una miscela poliuretanica liquida contenente una percentuale di C02 disciolta sotto pressione, nonché comprende una zona di caduta della pressione sotto forma di un meato o di una stretta feritoia, allungata, che si estende nella direzione del flusso della miscela, e che comprende un tratto finale per la generazione di turbolenze localizzate direttamente nel flusso laminare della miscela in prossimità dell'apertura di uscita o di erogazione della miscela in pre-espansione.

Il tratto finale del meato per la generazione della turbolenza localizzata, e per la frotizzazione, può comprendere un percorso ad angolo, ad esempio a forma di "Z", atto a causare una o più brusche variazioni di direzione dei filetti fluidi, tra loro ravvicinate, ovvero formato con dentature contrapposte o sfalsate atte a creare successivi allargamenti e restringimenti nel percorso del fluido, ovvero successive variazioni di direzione rispetto all'asse longitudinale dello stesso meato .

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Queste ed ulteriori caratteristiche dell'invenzione, nonché alcune forme di realizzazione esemplificative, verranno maggiormente illustrate qui di seguito con riferimento ai disegni allegati, in cui:

Fig. 1 è una vista prospettica di parte di un impianto per la produzione in continuo di schiume poliuretaniche espanse, atta ad illustrare il procedimento ed una prima forma di realizzazione del dispositivo di erogazione secondo l'invenzione;

Fig. 2 è una sezione trasversale ingrandita del dispositivo erogatore di figura 1;

Fig. 3 è un particolare fortemente ingrandito del dispositivo di figura 2;

Fig. 4 è un particolare ingrandito corrispondente a quello di figura 3, per una seconda forma di realizzazione;

Fig. 5 è un particolare ingrandito corrispondente a quello di figura 3, per una terza forma di realizzazione;

Fig. 6 è una sezione trasversale di una ulteriore forma di realizzazione del dispositivo erogatore secondo 1'invenzione;

Fig. 7 è una sezione trasversale ingrandita secondo la linea 7-7 di fig. 6, per una prima forma dentata del meato di caduta della pressione;

Fig. 8 è una sezione simile a quella di fig. 7 per una seconda forma dentata del meato di caduta della pressione;

Fig. 9 mostra uno schema di flusso simulato, per un dispositivo di erogazione di tipo noto.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE

l' invenzione verrà ora descritta in maggior dettaglio con riferimento ai disegni allegati, in cui sono rappresentate alcune forme di realizzazione preferenziali .

Come già riferito, il metodo e il dispositivo secondo la presente invenzione sono utili per la produzione di schiume poliuretaniche sia flessibili, che rigide, del tipo a celle aperte o a celle chiuse, particolarmente ma non esclusivamente nella produzione in continuo di schiume in blocchi.

Una schiuma poliuretanica viene tipicamente prodotta facendo reagire vari componenti liquidi chimicamente reattivi, quali un poliolo, un isocianato organico, ed acqua, unitamente ad un emulsionante, un gas di nucleazìone non solubile, ad esempio aria o azoto, un catalizzatore ed un agente di espansione, la natura rigida o flessibile della schiuma dipendendo in generale dalla formulazione della miscela, in modo di per sé noto. Ai fini della presente invenzione, per componenti poliuretanici liquidi si intende un qualsiasi poliolo, un qualsiasi isocianato (TDI - MDI) o loro derivati, utilizzando formulazioni standard generalmente note, ovvero appositamente previste per la produzione di schiume poliuretaniche rigide o flessibili in generale.

La presente invenzione parte dalla constatazione, ottenuta attraverso numerose prove sperimentali, a differenza dei procedimenti convenzionali comunemente noti, che è possibile ridurre notevolmente il contenuto di gas di nucleazione disperso nella miscela liquida, e quindi ridurre sostanzialmente il sorgere di difetti di cellulazione, ottenendo nel contempo una frotizzazione controllata della miscela poliuretanica erogata, agendo direttamente sulle condizioni di flusso della miscela prima della sua erogazione. In particolare si è scoperto che le condizioni del flusso possono essere vantaggiosamente modificate mentre scorre lungo una zona di caduta della pressione, comprendente un meato ristretto che si estende nella stessa direzione del flusso, avente un primo tratto allungato percorso dal fluido con regime sostanzialmente laminare, dove avviene un graduale rilascio di gran parte della pressione nella miscela poliuretanica che lo percorre, sostanzialmente senza alcun sviluppo di gas di C02, seguito da un breve tratto di generazione di uno stato di turbolenza localizzato, avente lunghezza estremamente ridotta rispetto al primo tratto, Di un ordine di grandezza paragonabile alla larghezza dello stesso meato, o di poco superiore, posto in prossimità dell'uscita di erogazione della miscela, nel quale avviene una diffusa nucleazione per effetto meccanico o idraulico, nonché un graduale rilascio della C02 in forma gassosa che da inizio ad una pre-espansione o frotizzazione controllata, direttamente nel flusso della miscela poliuretanica mentre percorre il tratto finale del meato.

Con riferimento alle figure da 1 a 4 si descrìverà ora in maggior dettaglio il procedimento ed una prima forma di realizzazione preferenziale del dispositivo secondo l'invenzione.

In figura 1 sono stati indicati schematicamente gli elementi essenziali di una apparecchiature per la produzione in continuo di schiuma poliuretanica in blocchi, in modo di per sé noto ad esempio come descritto nel precedente brevetto europeo EP-A 0645 226 depositato il 11.07.1994 a nome della Società Olandese FOAMING TECHNOLOGIES CARDIO BV, che costituisce parte integrante della presente descrizione.

Con 10 è stato pertanto indicato un dispositivo di erogazione di una miscela poliuretanica frotizzata, sotto forma di una barra lineare che si prolunga trasversalmente per parte o per l'intera larghezza di un substrato mobile 11, sul quale la miscela poliuretanica frotizzata 12 viene continuamente depositata e fatta avanzare a velocità prefissata lungo una zona di polimerizzazione per la formazione in continuo di blocchi di schiuma espansa.

Il dispositivo di erogazione 10, tramite un condotto 13 è collegato ad un miscelatore 14 ad esempio del tipo a bassa pressione, in cui vengono alimentati i componenti poliuretanici A e B da miscelare, unitamente ai vari additivi ed ad una percentuale prefissata di anidride carbonica preventivamente disciolta in uno dei due componenti, ovvero direttamente alimentata nello stesso dispositivo di miscelazione.

Data l'elevata capacità dell'anidride carbonica ad entrare in soluzione nei componenti o nella stessa miscela poliuretanica, il contenuto di C02 disciolto, in percentuale sul totale della miscela, risulta in generale variabile compatibilmente con il grado di espansione richiesto per la schiuma poliuretanica e con le volute caratteristiche di densità della schiuma prodotta.

In generale il contenuto di C02 può essere compreso tra l'l% e il 10% circa, o superiore, sul totale della miscela, mentre la sua dissoluzione può essere ottenuta iniettandola direttamente nel flusso di uno dei componenti poliuretanici, come ad esempio indicato con C per il componente A, pre-miscelandola in miscelatore statico prima che avvenga la definitiva miscelazione con l'altro dei componenti, nel miscelatore 14.

Al fine di mantenere la C02 disciolta nella miscela poliuretanica senza formazione di gas, durante la miscelazione è necessario operare con una pressione pari o preferibilmente superiore a quella del vapore saturo della quantità di C02 nella miscela, ad esempio operando ad una pressione compresa tra 5 e 20 bar circa, in funzione della percentuale di C02 disciolta.

Analogamente, la quantità d'acqua usata quale agente di espansione addizionale, per la generazione

dell'anidride carbonica chimica necessaria per completare l'espansione della schiuma, può essere compresa tra

0% e 5% circa sul peso della miscela reattiva, ovvero

può risultare maggiore in funzione delle necessità di

impiego.

Analogamente, secondo un aspetto della presente invenzione, la quantità di gas di nucleazione disperso

nella miscela liquida reattiva o in uno dei componenti,

può essere mantenuta comparativamente bassa, ad esempio * di 1/10 o di un 1/5 inferiore alla quantità di gas di

nucleazione normalmente impiegata con i metodi convenzionali, al limite nulla, riducendo in questo modo i rischi e gli inconvenienti legati a possibili difetti di

cellulazione della schiuma prodotta.

Una forma di realizzazione preferenziale del dispositivo di erogazione 10 ed il suo modo di operare secondo l'invenzione, verrà ora descritta in dettaglio con riferimento alle figure da 2 a 4.

Come mostrato nella sezione ingrandita di figura 2,

il dispositivo di erogazione 10 è sostanzialmente costituito da due barre affiancate 10A e 10B, ciascuna formata con una larga cava longitudinale definente una camera tubolare 15 collegata al condotto 13 (fig. 1) di alimentazione della miscela poliuretanica liquida formatasi nel miscelatore 14.

La camera tubolare 15 costituisce una sorta di camera di equalizzazione della pressione e di distribuzione della miscela, che si apre verso una zona di caduta della pressione sostanzialmente costituita da un meato o da un passaggio ristretto delimitato da pareti laterali strettamente ravvicinate, che si prolungano per l'intera lunghezza della camera 15, e che si estendono nella direzione del flusso della miscela che lo percorre.

Come mostrato in figura 2 e nel dettaglio ingrandito di figura 3, il meato 16 in prossimità della sua estremità 16' di uscita della miscela, termina con una zona conformata a *Z", tale da causare condizioni di turbolenza localizzata mediante una o più brusche deviazioni del flusso della stessa miscela che percorre il tratto 16' del meato, come più avanti spiegato.

Come mostrato nelle figure 2 e 3, il meato 16 nella direzione del flusso, presenta un primo tratto rettilineo 16A di lunghezza comparativamente elevata rispetto al tratto finale 16', delimitato da pareti laterali piane strettamente ravvicinate, nel quale si stabiliscono condizioni di flusso laminare tali da causare una graduale riduzione della pressione nella miscela, pari o superiore al 90% della pressione esistente nella camera 15; in molti casi la caduta di pressione lungo il tratto 16A del meato può risultare prossima o solo di qualche percento inferiore alla differenza di pressione esistente tra la camera 15 e l'estremità 16' dello stesso meato.

A titolo puramente indicativo, nella produzione di schiume poliuretaniche flessibili, la parte 16A del meato percorsa dal flusso laminare della miscela, può presentare una larghezza SI compresa tra 0,1 e 0,8 mm, preferibilmente tra 0,2 e 0,5 mm, mentre la lunghezza complessiva LI orientativamente può essere compresa tra 1 e 30 mm circa, per portate Q normalmente comprese tra 50 e 500 lt/min. e con viscosità p compresa tra 100 e 1000 Cpoise; preferibilmente nel caso dell'esempio sopra riferito, LI può essere compreso tra 15 e 25 mm, anche se non si escludono valori superiori o inferiori a quelli precisati, in funzione della pressione da generare nella camera 15, ovvero all'interno del dispositivo miscelatore 14, nonché in funzione della portata e della viscosità della miscela poliuretanica liquida.

Il tratto finale 16' del meato 16 risulta conformato in modo tale da causare la generazione di condizioni di turbolenza atte a dare inizio ad una intensa nucleazione e ad una fase di pre-espansione o di frotizzazione mediante un graduale rilascio della C02 in forma gassosa nella miscela poliuretanica mentre fluisce e fuoriesce dal meato, come è mostrato nel particolare ingrandito di figura 3.

Come si vede da questa figura, l'estremità inferiore del primo tratto rettilineo 16A del meato, nel quale la miscela scorre con flusso laminare, termina in un secondo tratto trasversale 16B, detto anche tratto intermedio, avente una lunghezza estremamente limitata; il tratto intermedio 16B è disposto ad angolo rispetto al precedente, per generare una brusca deviazione locale del flusso e conseguentemente il sorgere di una turbolenza localizzata nello stesso flusso, a cui segue un terzo tratto 16C di uscita della miscela, disposto ad esempio parallelamente al tratto 16A in modo da causare, con il tratto intermedio 16B, una seconda brusca variazione di direzione del flusso della miscela, ed un secondo punto di generazione di turbolenza localizzata che segue a breve distanza il precedente.

Nel caso mostrato, i tre tratti 16A, 16B e 16C del meato definiscono un percorso a *Z" in cui tratti contigui del meato formano un angolo di 90° tra loro; tuttavia tale angolo può essere superiore o inferiore a 90°, ad esempio compreso tra 70° e 120°, con il tratto intermedio inclinato verso il tratto finale 16C o in direzione opposta.

Come precedentemente riferito, la larghezza "S" del meato può essere compresa tra 0,1 e 0,8 mm circa nel tratto 16A, preferibilmente tra 0,3 e 0,5, o superiore nei restanti due tratti. Da prove fatte si è constatato che modificando le larghezze e le lunghezze dei tratti 16A, 16B e 16C del meato, più in generale la loro reciproca disposizione e conformazione, si può influenzare positivamente lo stato di flusso e modificare le caratteristiche della miscela poliuretanica pre-espansa che fuoriesce dal dispositivo di erogazione, in particolare il grado di nucleazione e di pre-espansione della miscela stessa, nonché le caratteristiche della schiuma finale ottenuta.

In linea generale i tre tratti 16A, 16B e 16C del meato 16 possono presentare uno stesso spessore; tuttavia è preferibile che i tratti finali 16B e 16C, nei quali avviene la nucleazione e la fase di pre-espansione della miscela, il cui volume tende notevolmente ad aumentare in rapporto alla miscela liquida, abbiano dimensioni del meato crescenti.

A titolo puramente esemplificativo, indicando con SI, S2 ed S3 gli spessori del meato nei tratti 16A, 16B e rispettivamente 16C; indicando con LI la lunghezza totale del meato 16, con L2 la distanza tra gli assi longitudinali dei tratti 16A e 16C, in figura 3, vale a dire la distanza minima esistente tra i due punti di variazione della direzione del flusso; inducando altresì con Q la portata e con p la viscosità, risultati soddisfacenti sono stati ottenuti quando tali parametri rientravano nei seguenti campi di valore:

In generale è consigliabile che la distanza esistente tra due deviazioni successive e due successivi punti di generazione di turbolenza localizzata, sia tale da evitare che il flusso tenda a riassumere una condizione laminare, o sostanzialmente tale.

I principi generali del procedimento secondo l'invenzione ed il modo di operare del dispositivo illustrato, vengono ora descritti con riferimento alle figure 3 e 4.

I componenti poliuretanici chimicamente reattivi quali un poliolo A ed un isocianato B, in uno dei quali è stata premiscelata una certa percentuale di anidride carbonica, vengono miscelati nel miscelatore 14 unitamente ai componenti ausiliari, ad una pressione nel miscelatore 14 sufficiente a mantenere la C02 disciolta nella miscela liquida; la miscela risultante viene quindi alimentata alla camera 15 del dispositivo di erogazione 10 per essere distribuita lungo la zona 16 di caduta della pressione e su un substrato 11 sottostante, sotto forma di una miscela frotizzata.

Più precisamente, la miscela poliuretanica contenuta nella camera di distribuzione 15 ad una pressione sempre superiore a quella di equilibrio della C02 disciolta nella miscela, ad una temperatura di lavoro prossima a quella ambiente, ad esempio ad una temperatura compresa tra 18 e 30°C, fluisce lungo il primo tratto 16A del meato dove avviene una graduale riduzione della pressione, mantenendo un flusso con regime sostanzialmente laminare.

Nel primo tratto 16A del meato non si sviluppa dunque alcun effetto di nucleazione, né alcuna smiscelazione della C02, in quanto la pressione esistente è ancora elevata ed ostacola lo sviluppo delle bolle di gas nella miscela che fluisce verso l'uscita del meato.

Tuttavia verso la fine del tratto lineare 16A, dove la miscela liquida ha una velocità relativamente bassa compresa tra 3 e 10 m/sec calcolata sul liquido, quando cioè gran parte della pressione nella miscela è stata ridotta orientativamente del 90-95% della pressione esistente nella camera di distribuzione 15, a causa del maggior scorrimento relativo tra i filetti fluidi in prossimità delle pareti del meato, rispetto alla parte centrale dove lo scorrimento fra filetti fluidi è notevolmente più basso, lungo le stese pareti del meato iniziano a svilupparsi le prime microbolle di C02 gassosa che consentiranno ad originare un intenso effetto di nucleazione e di frotizzazione della miscela poliuretanica nei successivi tratti di meato 16B e 16C.

Partendo proprio da questa fase in cui si verifica un effetto di smiscelazione differenziata del gas nella sezione trasversale del meato, si provoca un primo brusco cambio dì direzione lungo il tratto intermedio 16B, seguito da un secondo brusco cambio di direzione nel tratto finale 16C.

Questi bruschi cambi di direzione nel flusso della miscela, creano elevate turbolenze localizzate che accentuano la smiscelazione del gas di C02 in tutto il flusso, in quanto la pressione ora è sufficientemente bassa per permettere lo sviluppo delle bolle di gas.

Secondo l'invenzione dunque, il primo tratto di meato 16A genera il salto di pressione necessario per regolare la transizione della miscela dalla zona pressurizzata costituita dalla camera 15, al tratto finale 16B, 16C dello stesso meato, per stabilizzare le condizioni di solubilità della C02 a monte del dispositivo di erogazione, mantenendo condizioni di flusso laminare; successivamente, lungo il tratto finale 16B, 16C, avviene un intenso sviluppo di microbolle di C02 sia lungo le pareti periferiche del meato che nell'intero flusso della miscela a causa delle turbolenze localizzate generate dalle brusche variazioni di direzione, oltre che per l'aumentata velocità della miscela stessa mentre preespande e fluisce verso l'uscita di erogazione.

In pratica nel tratto intermedio 16B del meato si verifica un intenso effetto di nucleazione con formazione di microbolle di C02 nell'intero flusso della miscela, ed un incipiente effetto di pre-espansione o di frotizzazione, che aumenterà nel tratto finale 16C fino all'uscita del meato stesso.

E' stata fatta un'analisi delle perdite di carico nel meato, lungo il percorso del flusso, calcolando l'energia cinetica specifica Ec in corrispondenza di ciascuna sezione dove avviene il cambio di direzione del flusso .

L'energia cinetica specifica posseduta dal liquido in corrispondenza della sezione del meato in cui avviene un cambiamento di direzione, è data dalla seguente formula :

dove ho è la larghezza massima del meato, p la viscosità, e V (h) la velocità del fluido in corrispondenza della sezione di meato considerata.

Indicato con k = 0,3 il coefficiente di perdita per un cambiamento di direzione di 90°, la pressione dissipata e conseguentemente l'energia fornita alla miscela in corrispondenza di ciascun cambio di direzione, a sua volta è data dalla formula:

Attraverso numerose prove effettuate variando le dimensioni dei vari tratti di meato, nell'ambito dei valori precedentemente riferiti, si è constatato che una buona frotizzazione si otteneva quando la dissipazione di energia, o il salto di pressione nel tratto finale del meato, in corrispondenza di ciascun cambio di direzione, era compreso fra 0,02 e 1 bar circa, preferibilmente tra 0,1 e 0,5 bar, dipendendo l'effetto finale di frotizzazione anche dalla distanza tra due cambi di direzione successivi.

Infatti, poiché ogni cambio di direzione genera un regime turbolento localizzato, che tenderebbe a smorzarsi rapidamente se non venisse adeguatamente mantenuto, rendendo inefficace o riducendo sostanzialmente l'effetto di smiscelazione del gas, si è constatato che buone condizioni di nucleazione e di pre-espansione della miscela si ottenevano quando la lunghezza tra due cambi di direzione successivi, è compresa tra ho e 3ho.

I dati sperimentali ottenuti hanno confermato questa ipotesi.

Al di sotto e al di sopra dei valori precedentemente riferiti, il salto di pressione in corrispondenza delle deviazioni del flusso della miscela, produceva una pre-espansione o frotizzazione giudicata non buona, per difetto o rispettivamente per eccesso di energia fornita.

La figura 4 dei disegni mostra una seconda forma di realizzazione del tratto finale del meato, atta a causare più cambi di direzione del flusso e la generazione graduale di turbolenze localizzate secondo la presente invenzione.

Nel caso di figura 4 il tratto finale 16D del meato è formato con una fine dentatura 17 e 18 sulle pareti opposte del meato, ad esempio con denti di forma triangolare che si prolungano per l'intera lunghezza della barra 10.

Nel caso di figura 4 le dentature 17 e 18 sono tra loro contrapposte, generando un percorso costituito da una successione di tratti divergenti e di tratti convergenti atti a creare continue deviazioni su entrambi i lati con generazioni localizzate di turbolenza.

Il numero delle dentature 17, 18, può variare da caso a caso; buoni risultati sono stati ottenuti utilizzando un numero di dentature compreso tra 1 e 5 denti.

La figura 5 dei disegni mostra un'alternativa per quanto concerne la disposizione dei denti 17 e 18 sulle due pareti del meato, rispetto alla soluzione di figura 4 .

Mentre nel caso di figura 4 le due dentature sono tra loro contrapposte, nel caso di figura 5 la dentatura di una parete del meato è sfalsata, ad esempio di mezzo passo, rispetto alla dentatura sulla parete opposta in modo da fornire un percorso a serpentino 16E che si estende nella direzione generale del primo tratto di meato 16A, tale da fornire ripetute variazioni di direzione del flusso, ed una graduale dissipazione di energia causata da un susseguirsi di microturbolenze localizzate .

In entrambi i casi di figure 4 e 5 le dentature 17 e 18 presentano una sezione trasversale di forma triangolare, con un angolo al vertice che può essere compreso tra 70° e 120° preferibilmente tra 85° e 105°; inoltre il passo tra dentature deve essere particolarmente piccolo, di un ordine di grandezza paragonabile alla larghezza minima del meato esistente tra denti contrapposti, ad esempio uguale o pari a 2 o 3 volte la dimensione in larghezza dello stesso meato.

La figura 6 mostra schematicamente un'ulteriore variante particolarmente adatta per meati di forma circolare. In questa figura con 20 si è indicato il corpo cavo del dispositivo di erogazione, avente un'entrata 21 per la miscela poliuretanica liquida che sbocca in una camera di distribuzione 22 di forma conica, che si allarga verso un meato circolare formato tra il corpo esterno 20 ed un nucleo interno 23 di diametro leggermente minore.

Tra il nucleo cilindrico 23 e la superficie cilindrica interna del corpo 20 si viene a formare un meato circolare, avente un profilo ad esempio del tipo mostrato in figura 3, comprendente un primo tratto 24A che si estende nella direzione del flusso della miscela, coassialmente allo stesso dispositivo, un tratto intermedio 24B disposto a 90° rispetto al precedente, ed un terzo tratto di uscita 24C a 90° rispetto al precedente, che si apre verso la cavità di un diffusore 25.

Anche nel caso di figura 6, come per il caso di figura 3, il tratto di meato 24A può presentare pareti laterali lisce, mostrate in figura 7. Diversamente, in tutti i casi, il primo tratto di meato nel quale si stabiliscono condizioni di flusso laminare, può essere costituito da una pluralità di fori e/o di cave longitudinali 24Ar, come mostrato in figura 8, che si estendono sempre nella direzione del flusso e che presentano lunghezza e diametro compresi nei campi di valori precedentemente riferiti.

Anche nel caso di figura 6, in alternativa alla forma a " Z" del profilo del meato nel tratto finale, è possibile usare il profilo dentato di figure 4 e 5 o altro profilo idoneo a creare condizioni di turbolenza localizzate mediante brusche variazioni di direzione del flusso di miscela poliuretanica, per generare un processo di nucleazione e di frotizzazione mediante rilascio di C02 gassosa nello stesso flusso di miscela che scorre nel tratto finale del meato.

La figura 9 dei disegni mostra infine la distribuzione del flusso di una miscela poliuretanica che percorre uno stretto meato 26, avente una larghezza SI di 0,25 non, che sbocca in una cavità 27 avente una parete frontale 28 distante 3 mm dall'uscita del meato 26, vale a dire di un ordine di grandezza 12 volte superiore a quella della larghezza SI dello stesso meato.

Il grafico di figura 9 è stato ottenuto mediante una simulazione al computer, utilizzando il programma di simulazione "Fluent 4.42" della FLUENT INC. La figura 9 mostra con tutta evidenza come l'energia del flusso che fuoriesce dal meato 26, si esaurisca in un brevissimo tratto dell'ordine di 1 mm circa, cioè pari a 3 o 4 volte la larghezza del meato o minore, lontano dalla parete frontale 28, pur considerata la piccola distanza esistente tra questa parete e l'uscita dello stesso meato. Ciò conferma che cambi di direzione localizzati del flusso, in modo conforme alla presente invenzione, devono preferibilmente avvenire quando il flusso presenta uno stato di turbolenza sufficientemente elevato.

Da quanto detto e mostrato si sarà compreso che si è fornito un procedimento ed un dispositivo di erogazione di una miscela poliuretanica pre-espansa, o frotizzata mediante C02 disciolta sotto pressione nella stessa miscela poliuretanica, particolarmente adatti per la produzione di schiume poliuretaniche espanse, sia di tipo flessibile che rigido, ad esempio mediante apparecchiature o impianti di tipo continuo; tuttavìa non si escludono altre applicazioni possibili del procedimento e del dispositivo secondo la presente invenzione.

Claims (33)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione di una schiuma poliuretanica espansa secondo cui almeno un primo ed un secondo componente poliuretanico liquido, chimicamente reattivi, quale un polioìo ed un isocianato, con un agente di espansione basso-bollente quale C02, vengono miscelati sotto pressione per mantenere la C02 disciolta nella miscela liquida risultante, ed in cui la miscela risultante viene erogata facendola fluire attraverso una zona di caduta della pressione comprendente un meato ristretto per il rilascio della C02 in forma gassosa nella miscela liquida per la sua frotizzazione, caratterizzato dalle fasi di: - causare un graduale rilascio della pressione nella miscela liquida risultante mentre fluisce in uno stato laminare lungo un primo tratto di un meato ristretto che si prolunga nella direzione del flusso; - generare successivamente una turbolenza localizzata nel flusso della miscela e, conseguentemente - causare una nucleazione ed una pre-espansione direttamente nello stesso flusso della miscela mentre scorre lungo un tratto terminale del meato.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di generare una turbolenza localizzata nella miscela mediante una brusca deviazione del flusso.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di generare una turbolenza localizzata nella miscela mediante successive brusche variazioni di direzione del flusso.
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di generare una turbolenza localizzata e di causare una nucleazione ed una pre-espansione della miscela, mediante almeno una brusca deviazione del flusso, lungo un tratto finale ed in prossimità dell'uscita del meato definente la zona di caduta della pressione .
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di causare brusche deviazioni angolari del flusso, comprese tra 70° e 120°.
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che l'angolo di'deviazione del flusso è compreso preferibilmente tra 85° e 105°.
7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di generare una turbolenza localizzata facendo fluire la miscela lungo un tratto terminale del meato conformato a "Z".
8. 8. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di generare una turbolenza localizzata facendo fluire la miscela lungo un tratto terminale del meato delimitato da pareti laterali dentate.
9. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 7 o la rivendicazione B, caratterizzato dal fatto di causare una caduta di pressione compresa tra 0,02 e 1 bar nel tratto terminale del meato.
10. 10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detta caduta di pressione è preferibilmente compresa tra 0,1 e 0,5 bar.
11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di causare una suddivisione del flusso della miscela, in una pluralità di flussi singoli lungo detto primo tratto del meato.
12. 12. Procedimento secondo al rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di generare una turbolenza ed una pre-espansione mentre la miscela poliuretanica fluisce in un meato lineare.
13. 13. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di generare una turbolenza localizzata ed una pre-espansione mentre la miscela poliuretanica fluisce in un meato circolare.
14. 14. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in particolare per la produzione di schiume poliuretaniche flessibili .
15. 15. Procedimento secondo la rivendicazione 14 in particolare per la produzione continua di schiume poliuTetaniche flessibili in blocchi.
16. 16. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in particolare per la produzione di schiume poliuretaniche rigide.
17. 17. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di generare una turbolenza localizzata ed una pre-espansione facendo fluire la miscela poliuretanica lungo tratti di meato aventi tra loro larghezze crescenti.
18. 18. Dispositivo per l'erogazione di una miscela poliuretanica contenente C02 disciolta sotto pressione, nella produzione di schiume poliuretaniche rigide e flessibili comprendente una camera di distribuzione della miscela verso una zona di caduta della pressione definita da un meato che si estende nella direzione del flusso, caratterizzato dal fatto che detto meato comprende un prime tratto lineare di riduzione della pressione, ed un secondo tratto terminale conformato per causare brusche deviazioni angolari di direzione del flusso della miscela che lo percorre.
19. 19. Dispositivo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che l'angolo di deviazione della direzione del flusso è compreso tra 70° e 120°, preferibilmente tra 85° e 105°.
20. 20. Dispositivo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detto tratto terminale del meato è delimitato da pareti laterali lisce, conformate a *Z".
21. 21. Dispositivo secondo la rivendicazione 20, caratterizzato dal fatto che la lunghezza del meato tra due variazioni di direzione contigue del flusso, è compresa tra 1 e 4 volte lo spessore del meato.
22. 22. Dispositivo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detto tratto terminale del meato è delimitato da pareti laterali dentate.
23. 23. Dispositivo "secondo al rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto che le dentature su una parete sono contrapposte alle dentature dell'altra parete del meato .
24. 24. Dispositivo secondo la rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto che le dentature su una parete sono sfalsate rispetto alle dentature sull'altra parete del meato.
25. 25. Dispositivo secondo la rivendicazione 22 caratterizzato dal fatto che le dentature presentano un numero di denti compreso tra 1 e 5.
26. 26. Dispositivo secondo la rivendicazione 25, caratterizzato dal fatto che i denti presentano una sezione trasversale di forma triangolare.
27. 27. Dispositivo secondo la rivendicazione 26, caratterizzato dal fatto che l'angolo al vertice dei denti è compreso tra 75° e 120°, preferibilmente tra 85° e 105°.
28. 28. Dispositivo secondo la rivendicazione 26, caratterizzato dal fatto che il passo tra i denti è compreso tra 1 e 4 volte la larghezza minima del meato.
29. 29. Dispositivo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detto meato presenta una forma lineare.
30. 30. Dispositivo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detto meato presenta una forma circolare.
31. 31. Dispositivo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detta prima parte del meato è delimitata da pareti laterali lisce.
32. 32. Dispositivo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detta prima parte del meato comprende una pluralità di fori di suddivisione del flusso .
33. 33. Un'apparecchiatura per la produzione di schiume poliuretaniche espanse a partire da componenti chimici liquidi, reattivi, comprendenti un poliolo ed un isocianato che vengono miscelati con C02 ad una pressione sufficiente a mantenere la stessa C02 disciolta nella miscela liquida risultante, detta apparecchiatura comprendendo : - un dispositivo di miscelazione; - un dispositivo di erogazione della miscela in condizione frotizzata collegato al dispositivo di miscelazione; - detto dispositivo di erogazione a sua volta comprendendo una camera di distribuzione della miscela verso una zona di caduta della pressione definita da un meato che si estende nella direzione del flusso, caratterizzato dal fatto che detto meato comprende un primo tratto lineare di riduzione della pressione, ed un secondo tratto terminale definente un percorso conformato per causare brusche variazioni di direzione del flusso delle miscele che lo percorre.