ITTO20010820A1

ITTO20010820A1 - Dispositivo a porta.

Info

Publication number: ITTO20010820A1
Application number: IT2001TO000820A
Authority: IT
Inventors: Giuseppe Ponzielli
Original assignee: Giuseppe Ponzielli
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2003-02-21
Also published as: US20050063246A1; ES2261713T3; DE60211177D1; EP1419041A1; ITTO20010820A0; ATE324969T1; DE60211177T2; WO2003018288A1; EP1419041B1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto'per Invenzione Industriale

BACKGROUND DELL'INVENZIONE

Campo dell'Invenzione

La presente invenzione si riferisce in generale al processo di composizioni viscose preferibilmente, anche se non esclusivamente, di tipo polimerico allo stato fuso, come sono normalmente i polimeri termoplastici alla temperatura di estrusione, nel campo di temperatura compreso tra circa 150 e 300 ° C.

La funzione peculiare di tale processo è la mescolazione uniforme di vari componenti aggiunti a tali composizioni polimeriche.

In generale una tale mescolazione viene eseguita quando il polimero si trova allo stato plastificato o fuso. Tuttavia quest'operazione non è semplice in quanto agenti di rinforzo, quali ad esempio le cariche di vetro o le fibre di vetro, fragili per natura, tendono a rompersi o addirittura a polverizzarsi quando vengono trattati in fluidi polimerici di elevata viscosità e ciò porta a notevoli limitazioni nella qualità del prodotto finale che si desidera ottenere.

Stato dell'Arte

Sono note numerose tecniche per mescolare efficacemente additivi o cariche assieme a composizioni polimeriche fluide-viscose . In effetti, spesso vengono utilizzati, a tale scopo, estrusori a vite ma il problema è che questi tendono a rompere eccessivamente le cariche fragili. Particolare attenzione meritano gli estrusori a bivite co-rotante che sono universalmente usati per mescolare polimeri termoplastici. Questi mescolatori sono stati sviluppati, negli ultimi decenni, in grado di raggiungere velocità sempre più elevate fino a 1200 RPM, per soddisfare standard di produzione sempre più elevati. Tuttavia, è risaputo che per certe applicazioni queste elevate velocità possono rivelarsi inadatte a raggiungere la qualità richiesta e ciò accade, ad esempio, nei casi in cui la qualità finale del prodotto richieda necessariamente una bassa velocità di mescolazione. Naturalmente non risolve il problema utilizzare tali macchine progettate per funzionare ad alta velocità, a basse velocità, poiché a basse o bassissime velocità di mescolazione spesso non si raggiungono neppure le velocità minime richieste per la plastificazione. Come è noto infatti, agli esperti di estrusione, il processo di fusione richiede una certa quantità minima di calore d'attrito sviluppato dalle viti in rotazione; pertanto quando la velocità di rotazione si trova al di sotto di una certa soglia critica, il calore d'attrito sviluppato non è tale da consentire la fusione 5 del materiale. In altre parole quando si utilizzano estrusori convenzionali nei quali il medesimo rotore svolge entrambe le funzioni di fusione e mescolazione, diventa molto difficile o addirittura impossibile impostare simultaneamente la velocità ottimale per la plastificazione 10 e la velocità ottimale per la mescolazione, per la semplice ragione che queste due velocità ottimali risulteranno diverse tra loro nella maggior parte dei casi. Tuttavia uno speciale processore di mescolazione denominato 'dispositivo a porta', ideale per mescolare composizioni polimeriche 15 viscose all'interno di un estrusore è descritto in EP-A-0 907 492 e EP- A-0907 492 ed è incorporato qui a scopo di riferimento e delimitazione.

OBIETTIVI E DEFINIZIONE SINTETICA DELL'INVENZIONE

Il problema di come ottimizzare la mescolazione di 20 componenti aggiuntivi ad

una composizione polimerica fluido-viscosa, definibile come il problema di controllo della rata di deformazione nel processo di mescolazione, non è stato ancora risolto in modo ottimale se ci si riferisce alle attrezzature e ai 25 metodi utilizzati dalla tecnica convenzionale.

La ricerca che ha portato alla presente invenzione ha indicato che' è indispensabile un efficiente controllo sia degli aspetti distributivi sia degli aspetti dispersivi dei dispositivi di mescolazione se si vuole ottenere una qualità ottimale dei prodotti finali, nel senso generale che, mentre l'effetto distributivo deve essere massimizzato, viceversa l'effetto dispersivo deve essere controllato in un range compreso tra zero e un valore massimo, in funzione dell'applicazione. In altre parole quello che si richiede è un sistema di mescolazione a deformazione controllata qui denominato anche SCM (Strain Controlled Mixing) , dove lo strain o deformazione viene definito come il prodotto dello shear rate o gradiente di taglio moltiplicato per il tempo di taglio.

In definitiva, l'obiettivo della presente invenzione è di superare i limiti imposti dai sistemi di mescolazione convenzionali mediante la realizzazione di un sistema di mescolazione a deformazione controllata.

Si è trovato che un tale obiettivo può essere realizzato grazie ad un dispositivo a porta perfezionato capace di garantire un controllo ottimale delle condizioni di mescolazione in modo da evitare effetti indesiderati in relazione alla qualità dei componenti introdotti come pure in relazione alla qualità della mescolazione. Ulteriori obiettivi sono apparecchiature perfezionate per ottenere un processo a deformazione controllata, metodi di produzione perfezionati e prodotti ottenuti grazie alla mescolazione a deformazione controllata.

Questi obiettivi e ulteriori vantaggi, come illustrato più avanti, saranno ottenuti in base ad una prima realizzazione dell'invenzione per mezzo di un dispositivo a porta adatto a ricevere una composizione viscosa, tipicamente ma non esclusivamente una composizione polimerica fluida, allo scopo di mescolare almeno un componente addizionale, che può essere un filler o qualsiasi altro tipo di additivo convenzionalmente usato nel campo del compounding; il dispositivo a porta secondo l'invenzione comprende una camera allungata formata da un recipiente caratterizzato da una lunghezza e da un diametro e comprendente un primo ingresso per introdurre la composizione viscosa nel dispositivo a porta ed almeno un secondo ingresso per introdurre 1'almeno un additivo e un'uscita a valle dei suddetti primo e secondo ingresso per collegare il dispositivo a porta con un processore, una coppia di rotori allungati adatti alla corotazione all'interno della camera, i rotori allungati aventi ciascuno una prima sezione di filetto a compenetrazione reciproca, perfettamente accoppiati nella camera e adatti a trasportare in pressione la composizione viscosa e 1'almeno un additivo distribuito all'interno della composizione viscosa attraverso la camera in direzione dell'uscita ed una sezione priva di capacità di trasporto a valle di ciascuna di tali sezioni di filetto in grado di migliorare la distribuzione dell'almeno un additivo nella composizione viscosa.

In base ad una seconda realizzazione la presente invenzione fornisce un sistema di mescolazione comprendente un dispositivo a porta così come descritto qui in collegamento operativo con un processore a monte ed un processore a valle.

DEFINIZIONI E REALIZZAZIONI PREFERITE DELL'INVENZIONE Rotori co-rotanti secondo l'invenzione aventi porzioni di filetto a compenetrazione reciproca nella camera sono ben noti e disponibili commercialmente, tipicamente nella forma di elementi modulari da assemblare sugli alberi allungati dei rotori, dotati di opportune rientranze e sporgenze e corrispondenti sporgenze e rientranze. Questi elementi possono essere di trasporto (filetti con vari passi o angoli vite) ovvero di non trasporto o anche di masticazione. Se un elemento di trasporto risulterà effettivamente capace di trasportare dipende essenzialmente dall'angolo della vite che può essere 'positivo' o 'negativo'in relazione all'asse di rotazione. Un elemento di trasporto con angolo vite positivo può anche essere detto, per comodità, elemento di trasporto 'a passo positivo', mentre un elemento di trasporto con angolo vite negativo può anche essere detto, per comodità, elemento di trasporto 'a passo negativo'. In generale un filetto 'positivo' imporrà al materiale un flusso diretto verso l'uscita ("direzione verso valle") mentre un filetto 'negativo' imporrà al materiale un flusso verso l'entrata ("direzione verso monte") Infine gli elementi masticatori sono in generale elementi simili agli elementi convogliatori ad eccezione che per l'angolo della vite che è in questo caso normalmente di 90°. Gli elementi di trasporto possono avere diversi passi (e quindi angoli vite) mentre sia gli elementi di trasporto che gli elementi masticatori possono avere differenti lunghezze assiali. La lunghezza o spessore degli elementi masticatori varia tipicamente tra pochi e parecchi millimetri, ad esempio tra 2 mm e 100 mm, principalmente in funzione del grado di mescolazione dispersiva che si desidera ottenere.

I termini "a valle" e "a monte" vengono qui usati con riferimento alla direzione di flusso di una composizione viscosa che è processata con i dispositivi e i metodi secondo l'invenzione. Ad esempio, un processore di plastificazione (come ad esempio un estrusore), che produce il materiale da alimentare sul dispositivo a porta, è riguardato come "a monte" relativamente al dispositivo a porta, mentre un processore (ad esempio un estrusore di produzione) che riceve il materiale viscoso mescolato ai componenti aggiuntivi, è riguardato come "a valle" del dispositivo a porta. In questo contesto un estrusore può essere definito come un processore a vite a causa della geometria elicoidale dei rotori. Processori che includono due rotori compenetranti possono essere denominati processori bivite e possono essere fatti funzionare in direzione corotante o controrotante come ben noto nell 'arte.

Tuttavia, il termine "processore" come usato qui , non è affatto limitato ai processori del tipo estrusore ma è inteso comprendere, inter alia, qualsiasi dispositivo di trasformazione del materiale in arrivo dal dispositivo a porta in un prodotto, ad esempio in un estruso continuo o discontinuo, ovvero in un granulo ovvero in un tipo di masterbatch. Ulteriori esempi di processore "a valle" in un apparato o impianto secondo l'invenzione, sono apparecchiature di produzione o di controllo come ad esempio pompe a ingranaggi per fluidi o valvole a vite.

Tipicamente i rotori di un processore bivite corotante hanno struttura e dimensioni identiche ma questo non è un elemento critico in sè, bensì elemento preferito per ragioni pratiche, come ad esempio l'economicità e la semplicità. I termini "camera" e "recipiente" si riferiscono a ciò che è definito come "il cilindro", ovverosia il membro esterno o il contenitore di un processore a'vite. Nuovamente, cilindri che si accoppiano perfettamente con i rotori sono disponibili commercialmente da parte di vari produttori. Tali contenitori possono essere forniti e utilizzati con vari tipi di strumenti di controllo della temperatura, come ad esempio apparecchiature di raffreddamento, resistenze elettriche ecc

In base ad una realizzazione preferita, la prima porzione di filetto di trasporto di ciascun rotore è formata da una prima sezione di filetto elicoidale a raschiamento con passo positivo mentre la seconda porzione di filetto di non-trasporto di ciascuno dei rotori compenetranti è formata da una sezione di elementi masticatori o da una seconda sezione di filetti elicoidali a raschiamento caratterizzati da passo negativo.

I termini "mescolare" e "mescole" sono usati come sinonimi di "impastare" e "impasto" e si riferiscono a qualsiasi processo che riduce la disuniformità compositiva di una mescola composta di due o più componenti. La mescolazione è una fase importante del processo dei polimeri, in quanto le proprietà meccaniche, fisiche e chimiche così come pure l'aspetto fisico di questi dipendono generalmente dall'uniformità compositiva del prodotto. Esempi tipici di 'mescolazione' così come utilizzati qui includono sia sistemi solido/liquido, che liquido/liquido e gas/liquido così come ad esempio avviene nel caso di mescolazione di composizioni polimeriche con concentrati di pigmenti, cariche, gas o altri additivi. Di conseguenza, "mescola" come prodotto di una fase di mescolazione è definita qui come lo stato formato dalla composizione di due o più ingredienti, aventi, ma non necessariamente, una proporzione reciproca e che, tuttavia, dopo mescolazione, possono, ma non necessariamente, avere esistenza separata. Generalmente una fase di mescolazione, secondo l'invenzione, è un'operazione che serve a ridurre la disuniformità di un insieme di prodotti.

La dispersione di carbon black o di pigmenti organici, agglomerati o grumi in un fluido viscoso, come ad esempio di polialcheni, quali ad esempio polietilene e polipropilene, è un esempio tipico e importante di operazione di mescolazione solido/liquido secondo l'invenzione, mentre la mescolazione di polimeri allo stato fuso è un esempio di mescolazione liquido/liquido secondo l'invenzione. Infine la mescolazione di Azoto all'interno di una matrice polimerica viscosa di Polietilene a Bassa Densità (LDPE) per ottenere manufatti espansi, è un altro esempio di mescolazione gas/liquido secondo l'invenzione. Tali operazioni sono dominate dalla viscosità del sistema.

Dal contesto è chiaro che composizioni caratterizzate da elevate viscosità, ad esempio nel range fino a 10'000 Pa s o superiori sono considerate come "liquido" ai fini dell'invenzione, dato che tali composizioni sono suscettibili di essere processate con dispositivi di processo del tipo estrusore che includono un adeguato controllo della temperatura per mantenere le condizioni di processabilità di una data composizione. Inoltre , mentre le composizioni polimeriche sono esempi preferiti per l'uso secondo l'invenzione, anche altri tipi di composizioni viscose di sostanze,come ad esempio fanghi e bitumi, possono essere considerate processabili in un dispositivo a porta secondo l'invenzione.

Il termine "composizione polimerica" come usato qui è inteso comprendere sia polimeri sintetici, sia polimeri naturali o semisintetici. Il termine "polimero" è usato come sinonimo di "sostanza macromolecolare" e comprende qualsiasi tipo di polimero, come ad esempio omopolimeri, copolimeri, polimeri graft e qualsiasi lega di polimeri che includa sostanze non polimeriche bensì monomeriche o oligomeriche, come ad esempio vari tipi di plastificanti, cariche, stabilizzanti, e altri additivi usati nel processo. Il termine "plastificante" o "plastificazione" si riferisce alla trasformazione di un materiale normalmente solido in un materiale "rammollito" o "fuso" o altrimenti viscoso. Questo risultato è normalmente ottenuto riscaldando la composizione polimerica ad una temperatura a cui la composizione è capace di scorrere.

In pratica l'obiettivo di mescolare un additivo in una composizione viscosa può essere raggiunto attraverso una serie di operazioni che variano da una mescolazione "puramente distributiva" ad una mescolazione combinata "distributiva-dispersiva" . Qui per "mescolazione distributiva" si intende quella mescolazione dove l'obiettivo principale è di ottimizzare la distribuzione spaziale dei vari componenti. Invece col termine "mescolazione dispersiva" si intende quel tipo di mescolazione nella quale è applicata una determinata energia dì mescolazione, ritenuta necessaria dal punto di vista della qualità del prodotto da ottenere. Ad esempio nel caso di "mescolazione delicata" di sfere di vetro cave, il problema principale da risolvere è una distribuzione ottimale delle sfere di vetro che preservi l'integrità delle sfere stesse ovverossia una mescolazione distributiva delle sfere in cui la pressione di taglio (shear stress) sia ridotta al minimo.

Un altro esempio che evidenzia la necessità di minimizzare la pressione di taglio durante la mescolazione è rappresentato dalla mescolazione di fibre di vetro tagliate all'interno di una matrice polimerica. I filamenti di vetro sono spesso alimentati in piccoli raggruppamenti di migliaia di fibre, rivestite e unite per mezzo di prodotti di 'stabilizzazione e di accoppiamento, come ad esempio i silani. Ad esempio fibre di vetro di tipo c.d. E, tagliate a ciuffi di lunghezza tipica di 3, 4,5, 8 o 15 mm, normalmente offerte dai maggiori produttori di fibre di vetro devono essere assoggettate a pressioni di taglio minime, durante la mescolazione, per evitare la rottura.

Un caso diverso, invece, in cui un adeguato effetto distributivo deve essere combinato ad un elevato effetto dispersivo è quello in cui un pigmento organico, come ad esempio ftalocianina blu, viene mescolata ad elevate concentrazioni ad esempio fino e oltre il 60% in peso in una matrice polimerica, ad esempio LDPE fuso, per la produzione di masterbatch coloranti. In questo caso è desiderabile rompere i grumi di pigmento in particelle di pigmento elementari in un range di dimensioni micrometriche. Una dispersione ottimale delle particelle produce un più intenso effetto colore nel masterbatch ed è essenziale per evitare la formazione di puntinature nel prodotto finale.

In molte applicazioni, il livello distributivo deve comunque essere elevato, mentre l'effetto dispersivo esige una calibrazione fine tra zero e il massimo. A questo punto va ricordato che nella maggior parte delle apparecchiature di mescolazione continue per composizioni polimeriche viscose, come sono i polimeri allo stato fuso, il meccanismo di flusso è del tipo a trascinamento "drag flow" piuttosto che a spostamento positivo "positive displacement flow"; tale flusso è detto anche flusso di taglio in quanto il flusso è indotto dal gradiente di velocità esercitato sui fluidi e non dalla spinta su di essi. Questo concetto è importante dato che la legge generale che governa tali flussi di taglio è la ben nota legge di Newton della viscosità. Naturalmente il flusso di taglio ha luogo appunto negli estrusori bivite corotanti.

Un sistema di mescolazione a deformazione controllata (SCM) così come descritto nell'invenzione, è applicabile a tutti i casi di mescolazione di polimeri, leghe polimeriche, additivazione di fillers e polimeri di rinforzo, produzione di masterbatch di alta qualità con concentrazioni di pigmento elevate e altre applicazioni dove l'arte convenzionale non è in grado di fornire soluzioni ottimali. Un aspetto nuovo ed essenziale di SCM è dato dal fatto che il processo di mescolazione può essere controllato per fornire qualunque tipo di mescolazione dispersiva compresa tra un grado molto tenue ed uno molto spinto di dispersione, in funzione della particolare applicazione, per produrre oggetti finiti o semifiniti o prodotti preliminari come granuli o masterbatch. In contrasto con l'arte preesistente che normalmente esegue nel medesimo estrusore sia la funzione della fusione o plastificazióne sia la funzione della mescolazione, quest'ultima a valle della prima, in un sistema SCM secondo l'invenzione, le funzioni della fusione-plastificazione e della mescolazione sono nettamente separate in quanto la fusione-plastificazione è attuata in un processore a monte, da dove il fuso viene alimentato al dispositivo a porta secondo l'invenzione, mentre la mescolazione ha luogo all'interno del dispositivo a porta in seguito all'aggiunta di altri componenti del prodotto che si intende realizzare.

Una tipica composizione viscosa di interesse secondo l'invenzione avrà preferibilmente una viscosità da circa 50 a circa 10.000 Pa.s con shear rate compresi tra circa 1 e circa 1000 S-1. In questo contesto e con riferimento a qualsiasi valore numerico citato qui, il termine "circa" che precede questi numerali è inteso generalmente comprendere ragionevoli variazioni, positive o negative, fino al 30% del valore indicato.

Poiché la viscosità dipende dalla temperatura e in generale dai parametri di processo, le temperature di processo in un dispositivo a porta, secondo l'invenzione, saranno scelte preferibilmente nel range compreso tra il punto di fusione o di rammollimento, da un lato, e la temperatura di degradazione termica, dall'altro. In pratica, un range preferito di temperature di processo oscilla tra <'>circa 140 °C e circa 320 °C per la maggior parte dei polimeri termoplastici. Va comunque sottolineato, che l'applicazione dell'invenzione non è limitata a composizioni polimeriche plastificate a mezzo calore ma risulta altresì utile per processare composizioni che hanno comportamento viscoso, nel range di viscosità sopraindicato, a temperatura ambiente (25°C).

Un altro importante concetto riferito alla mescolazione è la deformazione di taglio (shear strain), ovverosia la deformazione subita da un fluido sottoposto ad azione di taglio per un certo tempo. Le unità di shear strain possono essere definite qui come il prodotto dello shear rate [s<_1>] moltiplicato per il tempo [s] e appunto perciò sono un valore adimensionale. Un medesimo valore di shear strain può essere composto da un'ampia varietà di coppie shear rate/tempo. Ad esempio 100 unità di shear strain possono essere composte o dalla coppia 20 s<_1 >shear rate e 5 s tempo o viceversa ovvero da una delle infinite coppie di valori il cui prodotto sia sempre 100. Ovviamente non necessariamente gli stessi valori di shear strain hanno il medesimo significato dal punto di vista della mescolazione. Mentre è intuitivo che il ruolo giocato dal tempo è analogo sia per la mescolazione distributiva che per quella dispersiva, in quanto il tempo è strettamente correlato col numero dei passaggi effettuati dalla composizione<' >polimerica nelle zone attive del mixer, tuttavia l'impostazione di uno shear rate ottimale, e cioè della velocità del rotore (per una data geometria) è critica nella mescolazione dispersiva. Un insufficiente tempo di mescolazione così come pure un insufficiente shear rate possono portare ad una qualità inaccettabile nel prodotto finale e analogamente un eccessivo tempo di mescolazione ovvero uno shear rate eccessivo possono portare alla degradazione della composizione polimerica o anche a eccessivi costi di produzione. Pertanto sia il tempo di mescolazione che lo shear rate devono essere accuratamente determinati, per ogni applicazione, al fine di ottenere gli obiettivi di mescolazione ottimali. Questo specifico controllo del tempo di mescolazione e dello shear rate è appunto ciò che è stato qui definito come sistema di mescolazione a deformazione controllata (SCM) .

Un aspetto importante di un dispositivo a porta secondo l'invenzione è la sua capacità di variare lo shear rate semplicemente variando la velocità di rotazione. Tipiche velocità di rotazione di un dispositivo a porta secondo l'invenzione sono comprese tra circa 5 e circa 600 giri al minuto (RPM) e ancora preferibilmente tra circa 5 e circa 300 giri al minuto (RPM).

I tempi di mescolazione in un dispositivo a porta secondo l'invenzione dipenderanno dalla geometria del dispositivo a porta e dalla portata volumetrica della composizione viscosa che viene fatta affluire al dispositivo a porta. Per questo motivo, la qualità o la geometria di un'apparecchiatura a monte, ad esempio di un estrusore di plastificazione, che produce la composizione viscosa può fornire un utile parametro nel contesto di un apparato realizzato in base ad una seconda realizzazione dell'invenzione comprendente un dispositivo a porta come componente aggiuntivo ad un processore a monte idoneo a produrre la composizione viscosa e un processore a valle idoneo a ricevere il prodotto mescolato nel dispositivo a porta e a impartirgli una forma allo scopo di ottenere un prodotto formato.

In base ad una realizzazione preferita dell'invenzione, il dispositivo a porta avrà una lunghezza assiale relativamente corta e un diametro della vite relativamente grande. Tipicamente un dispositivo a porta secondo l'invenzione avrà un rapporto tra la lunghezza della camera allungata e il diametro della camera ( anche chiamato rapporto L/D) compreso tra circa 2 e circa 20.

In questo contesto, il rapporto tra il diametro esterno e il diametro del nocciolo della vite, chiamato anche rapporto D/d, (dove il nocciolo della vite è eguale al diametro esterno della vite ridotto di una lunghezza pari al doppio della profondità del canale), sarà preferibilmente piuttosto elevato in modo da garantire il maggior volume di mixing possibile per una determinata geometria del dispositivo a porta. In pratica il limite critico superiore per un tale rapporto D/d è dato dalla coppia applicabile ai rotori che non dovrebbe mai essere tale da provocare la torsione o la deformazione degli alberi dei rotori, secondo le ben note leggi della meccanica. E' interessante notare che un dispositivo a porta, secondo l'invenzione, sarà caratterizzato da una coppia applicabile ai rotori, in fase di mescolazione, assai inferiore a quella normalmente applicabile ad un estrusore co-rotante bivite convenzionale, a parità di produzione. Ciò perché in quest'ultimo, entrambe le fasi di fusione e mescolazione hanno luogo, mentre nel dispositivo a porta ha luogo esclusivamente la fase di mescolazione. Di conseguenza un rapporto realistico tra la coppia applicabile ai rotori di un dispositivo bivite co-rotante a compenetrazione convenzionale e la coppia applicabile ai rotori di un dispositivo a porta, secondo l'invenzione, sarà compreso, ad esempio, tra 2 e 4. Per i motivi sopradescritti, il rapporto D/d in un dispositivo a porta, secondo l'invenzione, sarà preferibilmente compreso tra circa 1,3 e circa 3 e ancora preferibilmente tra circa 1,4 e circa 2,5.

Ancora, con riguardo ad un apparato che comprende un dispositivo a porta collocato tra un dispositivo a monte idoneo a generare una composizione viscosa, che viene fatta affluire al dispositivo a porta e un processore a valle, a cui perviene tale composizione viscosa adeguatamente mecolata, idoneo a produrre articoli formati, è preferibile che anche il processore a monte sia un estrusore bivite corotante, del tipo, ad esempio, ad alta velocità, ad esempio fino a 1200 RPM, utilizzato con la funzione di fondere o plastificare la composizione polimerica da introdurre nel dispositivo a porta; questo dovrebbe assicurare un'eccellente efficienza di plastificazione in uno spazio relativamente ridotto e con indubbi benefici economici, quando si utilizzano appunto, ad esempio, estrusori ad alta velocità e piccolo diametro.

Ad esempio è stato trovato, durante la sperimentazione dell'invenzione, che un estrusore bivite corotante diametro 40 mm e lungo 10-15 D (cioè 10 - 15 volte il diametro della vite) , installato a monte, utilizzato per produrre l'alimentazione al dispositivo a porta secondo l'invenzione, è tipicamente in grado di plastificare fino a 0,3-0,4 Kg/ora per giro di poliolefine convenzionali, tale da garantire una produzione di circa 360-480 Kg/ora a 1200 RPM.

II dispositivo a porta, secondo l'invenzione, installato a valle del processore di plastificazione bivite corotante, dovrebbe essere progettato per una corrispondente rata di alimentazione (ad esempio 400 Kg/ora), con un diametro che è da 1 a 5 volte più grande all'incirca del diametro del processore a monte (ad esempio diametro 120 mm) e una lunghezza totale compresa tra circa 5 e circa 15 volte il diametro, in funzione dell'applicazione.

Un altro rapporto di interesse pratico a questo riguardo è il rapporto tra la velocità di rotazione del processore a monte (che produce l'alimentazione al dispositivo a porta) e la velocità di rotazione dei rotori del dispositivo a porta. Preferibilmente tale rapporto sarà compreso tra circa 2 e circa 15.

Un dispositivo a porta secondo l'invenzione può essere montato in varie posizioni da quella orizzontale a quella verticale posto che la gravità non influenza in maniera significativa l'azione di trasporto dei rotori. Secondo una realizzazione preferita per molte applicazioni, la camera e i rotori di un dispositivo a porta , secondo l'invenzione, si estendono in direzione essenzialmente verticale, nel senso che il flusso di materiale attraverso il dispositivo a porta ha direzione verso il basso in modo tale che la gravità favorisca piuttosto che opporsi all'azione di trasporto delle prime porzioni di filetto. La disposizione verticale può assicurare importanti vantaggi in molte applicazioni<'>, come ad esempio struttura compatta, un ottimo coefficiente di riempimento indipendentemente dalla velocità dei rotori, un'eccellente capacità di degassare la 5 composizione fusa a monte della zona di mescolazione ecc.

Come brevemente riportato sopra, una seconda realizzazione generale dell'invenzione è rappresentata da un apparato o "impianto" idoneo a processare la corrente fluida di una composizione polimerica viscosa per produrre 10 un estruso formato dalla composizione polimerica; tale apparato comprendente:

almeno un dispositivo a porta come qui descritto;

almeno un processore, ad esempio un estrusore di plastificazione e preferibilmente un estrusore bivite 15 corotante, sistemato in collegamento operativo a monte con il dispositivo a porta (cioè per generare la composizione polimerica plastificata che viene alimentata nel dispositivo a porta e generalmente chiamato qui "processore a monte"); e

20 almeno un processore, ad esempio un estrusore di produzione, collegato ad un apparecchiatura di formatura, ad esempio una calandra o una filiera per estrusione, una testa da filatura, uno stampo a iniezione, uno stampo a compressione ecc. sistemato in collegamento operativo a 25 valle (qui denominato "processore a valle") con il dispositivo a porta.

Preferibilmente il processore a monte è un estrusore bivite corotante a rotori compenetranti, autopulenti, caratterizzato da una camera il cui diametro ha un rapporto con il diametro della camera allungata del dispositivo a porta compreso tra 1:1 e 1:5.

Secondo un'ulteriore realizzazione generale l'invenzione descrive un metodo per la produzione d articoli sagomati, formati da una composizione polimeric contenente almeno un filler normalmente solido; il metod comprende l'utilizzo di un apparato così come descritt sopra, per dare forma alla composizione polimerica viscos contenente il filler allo scopo di ottenere articoli Mentre qualsiasi tipo di filler utilizzato nell'arte è idoneo per il processo secondo l'invenzione, un fille preferito è costituito da particelle solide di materiale relativamente fragile, come ad esempio, minerale di vetro nella forma di fibre di vetro caratterizzate da una lunghezza media di almeno 2 mm, di sfere di vetro cave ecc.

Di conseguenza 1'invenzione consente la produzione di articoli sagomati secondo il metodo qui descritto, per esempio nella forma di pannelli capaci di sopportare carichi comprendenti una composizione polimerica e un filler di rinforzo per ottenere un modulo di elasticità a flessione di almeno 6000 MPa (IO<6 >Pascal) preferibilmente caratterizzato da una superficie antigraffio e antiscivolo. Finalmente, l'invenzione descrive un metodo per processare composizioni polimeriche mediante la distribuzione di un filler di rinforzo al loro interno, comprendente una serie di fasi tra cui, produrre una composizione polimerica plastificata; introdurre la composizione polimerica plastificata in un dispositivo a porta come qui descritto, aggiungere un filler di rinforzo alla composizione polimerica plastificata in un dispositivo a porta, mescolare il filler di rinforzo all'interno della composizione polimerica plastificata, senza provocare sostanziali rotture, mettendo in funzione i rotori allungati e infine scaricare la composizione polimerica plastificata mescolata assieme al filler di rinforzo.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L'invenzione sarà ora descritta in dettaglio con riferimento ai disegni allegati allo scopo di rappresentare vari esempi non limitativi di alcune realizzazioni dell'invenzione. Nei disegni:

La Figura 1 è una vista in sezione diagrammatica di una realizzazione dì un dispositivo a porta secondo 1'invenzione;

Le Figure 1A e 1B sono viste in sezione, diagrammatiche, della sezione di non trasporto dei rotori di un dispositivo a porta come illustrato in Fig. 1;

Le Figure 1C e 1D sono viste in sezione per illustrare la configurazione del rotore mostrato in Fig. 1;

La Figura 2 è una vista laterale, sezionata in parte, di un apparato multicomponente o impianto secondo l'invenzione ; Le Figure 2A, 2B e 2C sono viste diagrammatiche laterali di diverse attrezzature di formazione alla fine dell'estrusore di produzione a valle mostrato in Figura 2.

La Figura 3 è una vista laterale diagrammatica di un altra attrezzatura di formatura che viene collegata alla fine dell'estrusore di produzione a valle di Figura 2;

La Figura 4 è una vista laterale diagrammatica di un'ulteriore attrezzatura di formatura che viene collegata alla fine dell'estrusore di produzione a valle di Figura 2; Le Figure 5 e 6 sono viste prospettiche di prodotti preferiti ottenuti secondo il processo dell'invenzione; e La Figura 7 è una vista diagrammatica dall'alto, parzialmente sezionata, di un apparato multicomponente o impianto secondo l'invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI REALIZZAZIONI PREFERITE II dispositivo a porta 10 mostrato in Fig. 1 è illustrato in una vista diagrammatica e parzialmente sezionata e comprende una camera 11 che è lo spazio interno dì un involucro 15 nella forma di un contenitore o cilindro, per ricevere un paio di rotori allungati 12,14 collegati all'estremità superiore 17 ad un motore (non mostrato in Fig. 1) e avente una prima o superiore sezione di trasporto<' >121,141 e una seconda o inferiore sezione di non trasporto 161,182 spiegata più sotto con maggiori dettagli con riferimento alle Figure 1A e 1B.

Un primo ingresso 112 prossimo all'estremità superiore dell'involucro 15 funge da collegamento per introdurre un polimero plastificato o altri tipi di composizione viscosa in arrivo dal dispositivo a monte (non mostrato in Fig. 1). Un secondo ingresso 111 serve a introdurre un componente aggiuntivo in forma liquida o in forma di particella solida, tipicamente un filler veicolato ad esempio da una tramoggia, equipaggiata o meno dì unità di dosaggio (non mostrato in Fig. 1). L'uscita 11 è sistemata all'estremità inferiore del dispositivo a porta 10 per essere collegata con un processore a valle (non mostrato in Fig. 1).

Le sezioni di non trasporto 161,182 dei rotori 12,14 possono essere formate da un paio di sezioni compenetranti di masticatori 161a,182a come illustrato in Fig. 1A o da un paio di porzioni compenetranti di filetto 161b, 182b con passo inverso o negativo come illustrato in Fig. 1B.

La Fig. 1C illustra alcune dimensioni, in particolare la distanza "a" tra gli assi dei rotori 12,14; la larghezza massima "D" delle sezioni dei filetti; la larghezza minima "d" delle sezioni dei filetti; e la larghezza "h"dell'area di sovrapposizione.

Un apparato o impianto 20 che rappresenta un sistema di mescolazione a deformazione controllata secondo l'invenzione è mostrata diagrammaticamente in Fig. 2 e comprende un dispositivo a porta 210 come descritto sopra, formato da una coppia di rotori 21a, 21b, in un involucro cosi come illustrato in Fig. 1. Il dispositivo a porta 210 è dotato di un condotto di ricircolo opzionale 29, indicato con linea tratteggiata e comprensivo di dispositivi convenzionali per il controllo del flusso (non mostrati) atti a regolare l'intensità del ricircolo, eventuale.

Composizioni plastificate di alimentazione sono prodotte nel processore a monte 201, preferibilmente un estrusore alimentato da un'unità di dosaggio convenzionale 202 che è in collegamento operativo col dispositivo a porta 210 via ingresso 211. Un filler, ad esempio un filler rinforzante o non rinforzante e/o un pigmento o un altro costituente del prodotto destinato ad essere processato da parte del processore a valle 203 è aggiunto da un secondo convogliatore a monte 212 alimentato da un'altra unità di dosaggio 213.

Il dispositivo a porta 210 comprende un motore 28 ed è in collegamento operativo con un processore a valle 203, ad esempio un processore di produzione convenzionale. L'uscita 204 può essere collegata a qualsiasi dispositivo di formatura, ad esempio un gruppo 206 formato da una testa piana e da una calandra come mostrato in Fig. 2A, una testa per filatura 207 come mostrato in Fig. 2B, una testa di formatura 208 come mostrato in Fig. 2C ovvero un altro tipo di dispositivo di formatura noto nell'arte del processo dei polimeri.

Un altro tipo di dispositivo di formazione del prodotto in collegamento con l'estremità 204 dell'estrusore a valle 203 di Fig. 2 è mostrato diagrammaticamente in Fig. 3. Il dispositivo 30 riceve la composizione polimerica plastificata, mescolata nel dispositivo a porta 210 via estrusore a valle 203 per mezzo di un connettore 304 e comprende una pressa a iniezione formata da un cilindro 32 e un pistone alternativo 31 per iniezione in una macchina a iniezione 37 costituita da due piani pressa 34,36 e da uno stampo convenzionale 39. Unità di motorizzazione per il funzionamento del pistone 31 e della macchina da stampaggio 37 sono ovviamente necessarie ma vengono omesse in Fig. 3 per ragioni di semplicità.

Un tipo similare di dispositivo di formazione del prodotto 40 è mostrato diagrammaticamente in Fig. 4 dove, nuovamente, il materiale in uscita dal processore a valle 203 di Fig. 2 è alimentato via connettore 404 in una pressa a iniezione di costruzione similare a quella di Fig. 3, cioè formata da un cilindro 42 e un pistone alternativo 41 per iniezione, sistemato all'interno. La composizione polimerica viene introdotta in una macchina a iniezione 47 costituita da due piani pressa 44, 45 tra i quali è alloggiato lo stampo convenzionale formato dai due semigusci superiore 46 e inferiore 49 che sono fatti muovere alternativamente da mezzi di motorizzazione non mostrati.

Le Fig. 5 e Fig. 6 sono rispettivamente viste prospettiche di un pannello rinforzato con fibre idoneo a portare carichi 50 e 60, rispettivamente formati da una composizione polimerica, ad esempio costituita da polipropilene riciclato contenente un filler di rinforzo, ad esempio fibre di vetro del tipo indicato sopra. Pannelli 50,60 sono formati da un guscio 51,61 che racchiude quattro tunnel paralleli, longitudinali 52, 62. Pannelli di questo tipo sono noti di per sé, ad esempio ex WO 00/31356 e incorporati qui a titolo di referenza. Valori meccanici molto elevati possono essere raggiunti, come ad esempio un modulo elastico a flessione, di almeno 6000 MPa. Preferibilmente, secondo la presente invenzione, le facce superiori sono realizzate in materiale resistente all'usura grazie all'introduzione di piccole sfere di vetro pieno nella composizione polimerica usata per il rivestimento esterno, mentre un carattere antiscivolo viene assicurato grazie alla goffratura che produce, nel caso della faccia esterna 53, un rilievo del tipo a emisfere e nel caso della faccia estèrna 63 un rilievo del tipo a cuspidi trasversali.

Come risulterà evidente dalla spiegazione che precede del sistema SCM secondo l'invenzione, una mescolazione perfezionata del filler di rinforzo, secondo l'invenzione porta ad un miglioramento della qualità del prodotto e/o ad una riduzione dei costi. La Fig. 7 mostra un'ulteriore realizzazione di un apparato 70 per la mescolazione a deformazione controllata, ad esempio per la produzione di masterbatch o di pigmenti concentrati. Il processore a monte 701, preferibilmente un estrusore di plastificazione alimentato da un'unità di dosaggio convenzionale 702, è in collegamento operativo col dispositivo a porta 710 via ingresso 711. Un'unità di dosaggio 71 è utilizzata per introdurre un costituente solido o liquido, ad esempio uno stabilizzante o un pigmento o un altro componente convenzionale di processo nel dispositivo a porta 710. Va notato che, nel caso di introduzione nel dispositivo a porta 710 di un gas, come ad esempio azoto, attraverso un ugello idoneo all'iniezione di gas (non mostrato), quest'ultimo sarà preferibilmente fissato in prossimità della zona inferiore di non trasporto (161, 182), in modo da evitare perdita di gas dalia parte superiore del dispositivo a porta, secondo le tecniche convenzionali ben note nell'arte della produzione di oggetti espansi. Motore e riduttore 77,72 servono al funzionamento del dispositivo a porta 710, il cui prodotto in uscita viene convogliato in un gruppo di testa a spaghetti 703 convenzionale per la successiva granulazione.

ESEMPI

Esempio 1

Polipropilene riciclato veniva plastificato nel processore a monte (diametro vite 45 mm, lunghezza 25 D) di un apparato come mostrato in Fig. 2 e introdotto nel dispositivo a porta (una bivite corotante, a rotori compenetranti, autopulenti, diametro vite 60 mm, lunghezza vite 10D con una porzione terminale di non trasporto come mostrato in Fig. 1B) come composizione polimerica plastificata alle condizioni operative richieste dalla plastificazione. Fibre di vetro tagliate con lunghezza iniziale di circa 8-10 mm erano aggiunte da un'unità di dosaggio nella misura di circa il 30 % in peso della composizione finale che veniva trasferita dal dispositivo a porta al processore a valle e da quest'ultimo in una testa per estrusione e di qui ad un'idonea sezione di calibrazione per la produzione di pannelli strutturali aventi rigidità superiore a 7'000 MPa.

Esempio 2

Polietilene lineare a bassa densità di tipo commerciale (LLDPE) veniva plastificato nel processore a monte di un 'apparato così come mostrato in Figura 2 e come specificato nell'Esempio 1 e introdotto nel dispositivo a porta (con zona terminale di non trasporto come mostrato in Fig. 1A) come composizione polimerica plastificata. Carbonato di calcio micronizzato veniva aggiunto mediante un'unità di dosaggio nella misura del 50% in peso della composizione finale che veniva trasferita dal dispositivo a porta al processore a valle equipaggiato per la produzione di cast film estensibile ad elevata concentrazione di filler.

Il film così ottenuto possedeva un'ottima apparenza ed era in grado di consentire la diffusione controllata del vapore attraverso di esso in funzione del grado di estensione (grado di estensione fino ed oltre 3,5 volte la sua lunghezza rispetto alla lunghezza originale)

Mentre alcune realizzazioni dell'invenzione sono state descritte sopra, va ricordato che numerose varianti diventeranno evidenti per i tecnici del ramo e che l'ambito dell'invenzione va determinato in relazione alle rivendicazioni che seguono.

Esempio 3

Una serie di test sono stati eseguiti con un dispositivo a porta come quello mostrato in Fig. 1 avente un rapporto D/d (rapporto del diametro del cilindro interno rispetto al medesimo valore diminuito del doppio della profondità 'del canale) di 1.72 e una disposizione verticale. Differenti composizioni polimeriche allo stato fuso venivano processate a differenti velocità, tempi di mescolazione e volumi di mescolazione in funzione degli obiettivi specifici da raggiungere. I risultati sono esposti nella Tavola 1.

Lo shear rate effettivo era calcolato per una profondità filetto di 12,5 min mentre lo shear strain comparativo era ottenuto dividendo tutti i valori di shear strain medio per il valore dello shear strain medio N. 1.

Mentre alcune realizzazioni sono state descritte e illustrate sopra in qualche dettaglio, va sottolineato che le suesposte esemplificazioni non hanno carattere limitativo e che pertanto è ovvia la possibilità di modifiche o cambiamenti. Ad esempio, mentre le condizioni operative dì pressione e temperatura non sono state trattate nei dettagli, è di tutta evidenza che la viscosità è un parametro dipendente dalla temperatura ma che tuttavia la temperatura di processo non deve mai essere tale da produrre decomposizione. Inoltre è ben noto che il funzionamento di processori del tipo a vite tende a generare calore dovuto a dissipazione viscosa durante la mescolazione, per cui mezzi di raffreddamento e/o riscaldamento possono essere necessari per ottimizzare il processo secondo l'invenzione. Diversi altri parametri di processo sono ben noti avere importanza pratica e conseguenze commerciali e non sono stati trattati qui per ragione di brevità . Dunque l' ambito dell' invenzione va determinato sulla base delle rivendicazioni che seguono, sussidiate dalla conoscenza propria di coloro che sono esperti nell' arte di processare i polimeri .

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo a porta (10) per ricevere una composizione viscosa e per mescolarvi almeno un componente aggiuntivo, detto dispositivo a porta comprendente: una camera allungata (11) formata da un involucro (15) e avente una lunghezza e un diametro comprendente un primo ingresso (112) per introdurre detta composizione vi- scosa in detto dispositivo a porta, e almeno un secondo ingresso (111) per introdurre detto almeno un com- ponente aggiuntivo, e un'uscita di estremità (119) a valle di detto primo e detto secondo ingres- so che collega detto dispositivo a porta con un processore; una coppia di rotori allungati (12,14) per la corotazione all'interno di detta camera (11); detti rotori allungati ciascuno avente una prima porzione di filetti compenetranti (121;141)strettamente ac- coppiati in detta camera (11) e adattati per trasportare in pressione detta composizione viscosa e detto almeno un componente aggiuntivo ivi di- stribuito attraverso detta camera (11) verso la detta uscita di estremità (119); e almeno una porzione di non trasporto (161;182) a valle di ciascuna di dette prime porzioni (121;141) adattata per migliorare detta distribuzione di detto almeno un additivo in detta composizione viscosa 2. Il dispositivo a porta della rivendicazione 1, dove il rapporto tra detta lunghezza di detta camera allungata e detto diametro (~ D) di detta camera allungata è compreso tra circa 2 e circa 20. 3. Il dispositivo a porta delle rivendicazioni 1 o 2, dove detta prima porzione di filetto di trasporto (121;141) di ciascuno di detti rotori (12;14) è formata da un prima porzione di filetti elicoidali a raschiamento con passo positivo. 4. Il dispositivo a porta di una delle rivendicazioni da 1 - 3, dove detta seconda porzione di non trasporto (161;182) di ciascuno di detti rotori compenetranti (12;14) è formata da una sezione di elementi masticatori (161a;182a). 5. Il dispositivo a porta di una delle rivendicazioni da 1 - 3, dove detta seconda porzione di non-trasporto (161;182) di ciascuno di detti rotori compenetranti (12;14) è formata da una seconda sezione di filetti elicoidali a raschiamento (161b, 182b) aventi un passo negativo. 6. Il dispositivo a porta di una delle rivendicazioni da 1 - 5, dove detta camera allungata (11) formata da detto involucro (15) si sviluppa in una direzione essenzialmente verticale. 7. Un sistema di mescolazione a deformazione controllata comprendente un dispositivo a porta (10) così come rivendicato in una delle rivendicazioni da 1 - 6, in combinazione con un processore a monte e con un processore a valle. 8. Un apparato (20;70) per processare la corrente di una composizione viscosa per produrre un estruso formato da detta composizione viscosa, detto apparato comprendente: almeno un dispositivo a porta (210;710) come definito in una delle rivendicazioni 1 - 6; almeno un processore (201;701) installato in collegamento operativo a monte con detto dispositivo a porta per alimentare detta composizione viscosa in detto dispositivo a porta; e almeno un processore (203;703) installato in collegamento operativo a valle con detto dispositivo a porta per produrre un prodotto sagomato. 9. L'apparato (20;70) della rivendicazione 8, dove detto almeno un processore (203;30;40;703) installato in collegamento operativo a valle con detto dispositivo a porta ha un'apparecchiatura di espulsione (206;207;208; 37;47;703) per sagomare detta composizione viscosa in uscita da detto dispositivo a porta. 10. L'apparato della rivendicazione 8 o 9, dove detto processore (201;701) installato in collegamento operativo a monte con detto dispositivo a porta è un estrusore di plastificazione. 11. L'apparato (20;70) di una delle rivendicazioni 8 - 10, dove detto almeno un processore (201;701) installato in detto collegamento operativo a monte con detto dispositivo a porta è un estrusore bivite corotante a rotori compenetranti, autopulenti, avente una camera con un diametro tale che il rapporto tra detto diametro e il diametro di detta camera allungata (11) di detto dispositivo a porta è compreso tra circa 1:1 e circa 1:5. 12. Un metodo di produzione di articoli sagomati costituiti da una composizione polimerica contenente almeno un filler, comprendente un apparato così come definito in una delle rivendicazioni 9 - 11 per sagomare detta composizione polimerica viscosa contenente detto filler per ottenere detti articoli. 13. Il metodo della rivendicazione 12, dove detto filler è un filler in particelle di rinforzo, come fibre di vetro aventi lunghezza media di almeno 2 mm. 14. Un articolo sagomato ottenuto col metodo di una delle rivendicazioni 12 - 13. 15. L'articolo sagomato della rivendicazione 14, che è un pannello adatto a sostenere carichi (50;60) comprendente detta composizione polimerica e contenente un filler di rinforzo idoneo a ottenere un modulo elastico a flessione di almeno 6000 MPa. 16. L'articolo sagomato della rivendicazione 14 o 15, dove detto pannello adatto a sostenere carichi ha una superficie resistente all'usura e antiscivolo. 17. Un metodo di mescolazione a deformazione controllata di una composizione viscosa con almeno un componente aggiuntivo; comprendente le fasi di: introdurre una corrente di detta composizione viscosa m un dispositivo a porta come definito in una delle rivendicazioni 1 - 7; detto dispositivo a porta avente un effetto distributivo e un effetto dispersivo; aggiungere detto almeno un componente aggiuntivo a detta composizione viscosa in detto dispositivo a porta , e mescolare detto almeno un componente aggiuntivo assieme a detta composizione viscosa facendo funzionare il detto dispositivo a porta in modo da massimizzare gli effetti distributivi e controllare gli effetti dispersivi tra zero e il massimo