ITUA20164096A1

ITUA20164096A1 - Vite per estrusore di materiali polimerici, estrusore di materiali polimerici comprendente detta vite e metodo per realizzare prodotti polimerici estrusi

Info

Publication number: ITUA20164096A1
Application number: ITUA2016A004096A
Authority: IT
Inventors: Giuseppe Ponzielli
Original assignee: Nexxus Channel S R L
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2017-12-03
Also published as: WO2017208193A1; EP3463801A1

Description

“VITE PER ESTRUSORE DI MATERIALI POLIMERICI, ESTRUSORE DI MATERIALI POLIMERICI COMPRENDENTE DETTA VITE E METODO PER REALIZZARE PRODOTTI POLIMERICI ESTRUSI”

La presente invenzione è relativa ad una vite per estrusore di materiali polimerici, ad un estrusore di materiali polimerici comprendente detta vite e ad un metodo per realizzare prodotti polimerici estrusi.

Attualmente, gli estrusori monovite di materiali polimerici di tipo noto non sono in grado di disperdere in modo ottimale una sostanza solida o liquida in una matrice polimerica.

La geometria della vite degli estrusori monovite di tipo noto, infatti, non si presta a realizzare una soddisfacente dispersione di sostanze liquide o solide in una matrice polimerica in quanto non genera significative componenti elongazionali di flusso che sono alla base del mescolamento dispersivo.

Al fine di introdurre componenti elongazionali di flusso, sono stati realizzati estrusori a vite caratterizzati da flussi del materiale in direzione circonferenziale, cioè normali ai filetti di trasporto della vite, in cui la sezione circonferenziale di flusso è gradualmente convergente lungo la direzione circonferenziale. In questo modo vengono impresse significative accelerazioni al liquido trasportato.

Le sezioni delle viti in cui il filetto è configurato per generare anche un flusso circonferenziale sono definite del tipo a “shearing flight”.

Alcuni esempi di estrusori di questo tipo sono descritti nei documenti US 5356208, US 6136246.

Questa tipologia di estrusori si contrappone alla tipologia cosiddetta a “scraping flight”.

Convenzionalmente, col termine “shearing” si intende il taglio idrodinamico. Tale definizione, pertanto, sottolinea la velocità e lo sforzo di taglio subito circonferenzialmente dal materiale attraverso lo spazio che viene progettato appositamente tra il filetto e la parete interna del cilindro dell’estrusore.

Col termine “scraping”, invece, si intende che lo spazio tra il filetto e la parete interna del cilindro dell’estrusore è quasi nullo, cioè appena sufficiente a impedire l’usura adesiva (grippaggio). In sostanza, in questa tipologia di estrusori il filetto è a tenuta scorrevole.

E’ evidente che negli estrusori con filetti di tipo “scraping” si desidera esaltare la funzione pompante assiale azzerando le “perdite” circonferenziali, mentre negli estrusori con filetti di tipo “shearing” si desidera esaltare la funzione dispersiva circonferenziale, mettendo in secondo piano la funzione pompante assiale.

E’ chiaro, quindi, che un estrusore monovite avrà sempre, o quasi sempre, un flusso di materiale in direzione assiale e potrà facoltativamente essere dotato anche di un flusso in direzione circonferenziale a seconda delle esigenze di processo.

Tuttavia, il flusso circonferenziale determina un incurvamento repentino del materiale durante il tragitto circonferenziale in prossimità del filetto. Tale incurvamento può dare origine, talvolta, a rotture indesiderate del materiale. Ciò accade tipicamente, ad esempio, nel caso di dispersione in materiale polimerico di fibre fragili, come le fibre di vetro e di carbonio.

In generale, la tecnica dispersiva mediante flussi circonferenziali ha molte limitazioni.

Innanzitutto, la lunghezza massima del percorso che può fare il materiale lungo la coordinata circonferenziale è limitata dal diametro del rotore.

Inoltre, come è noto, le storie idrodinamiche di flusso assiale e circonferenziale non si sovrappongono. Per capire questo concetto, bisogna premettere che, in funzione delle esigenze dispersive, che variano da un’applicazione all’altra, il processo di dispersione può prevedere che il liquido da disperdere percorra una o più volte la traiettoria circonferenziale della vite. Se il materiale non percorre mai la traiettoria circonferenziale, la dispersione circonferenziale è nulla. Se il materiale percorre la traiettoria circonferenziale una volta sola, si ha un livello dispersivo minimo. Se il materiale percorre la traiettoria circonferenziale due volte, il livello di dispersione incrementa, e così via.

Attualmente, è fisicamente impossibile controllare il numero dei passaggi del materiale in direzione circonferenziale. Consideriamo, ad esempio, due determinate particelle liquide A e B che viaggiano assieme in un estrusore del tipo a “shearing flights”. Dette particelle A e B usciranno una e una sola volta dall’estrusore (flusso assiale), ma non è né evidente né controllabile se e quante volte dette particelle hanno effettato un percorso circonferenziale.

Supponiamo ad esempio che, in un caso particolare, la particella A non abbia mai percorso la traiettoria circonferenziale e la particella B l’abbia percorsa tre volte. Se ad esempio il processo dispersivo dei materiali A e B richiede come minimo due passaggi circonferenziali, A non avrebbe subito la dispersione minima richiesta mentre B ne avrebbe subito una eccessiva.

Studi di ricerca (Z.Tadmor,I.Manas-Zloczower, Adv. Plast. Technol., 3, 213,1983) hanno sviluppato un modello statistico denominato NPD (Number of Passages Distribution function), il quale ha formulato i criteri per determinare le portate medie circonferenziali necessarie per avere il numero dei passaggi circonferenziali desiderati.

Ad esempio, per soddisfare la probabilità statistica che il 99% del materiale abbia effettuato un percorso circonferenziale almeno una volta, si richiede che la portata circonferenziale sia 4,6 volte maggiore della portata assiale di espulsione. Se invece i passaggi circonferenziali devono essere almeno due, allora la portata circonferenziale deve essere molto maggiore di 4,6 volte la portata assiale di espulsione, e così via.

Tali soluzioni presentano molteplici svantaggi.

Anzitutto si richiede l’impiego di estrusori molto lunghi in modo da garantire il numero di passaggi circonferenziali richiesto dalle esigenze applicative.

Se si tiene conto che in molti casi il rapporto tra portata circonferenziale e portata di espulsione deve essere superiore a 6, si può capire quanto più lungo debba essere l’estrusore rispetto al caso in cui il rapporto sia uguale a 1. Ciò comporta, inoltre, automaticamente un aumento indesiderato del tempo di permanenza del materiale all’interno dell’estrusore con rischi concreti di degradazione termica.

Oltretutto, viti ed estrusori di questo tipo sono molto costosi a causa della lunghezza e delle coppie di torsione che vanno applicate sull’albero della vite e che, come noto, sono proporzionali al volume di liquido processato.

Infine, la distribuzione statistica della qualità dispersiva tende ad essere molto ampia.

È pertanto un obiettivo della presente invenzione quello di realizzare una vite di estrusione ed un estrusore che siano privi degli inconvenienti qui evidenziati dell’arte nota; in particolare, è uno scopo del trovato quello di realizzare una vite per un estrusione di materiali polimerici ed un estrusore di materiali polimerici che superino gli inconvenienti sopra evidenziati in modo semplice ed economico, sia dal punto di vista funzionale, sia dal punto di vista costruttivo.

In accordo con tali scopi, la presente invenzione è relativa ad una vite per estrusione e ad un estrusore come rivendicato nelle rispettive rivendicazioni 1 e 15.

È un ulteriore scopo del trovato quello di fornire un metodo per realizzare prodotti polimerici estrusi che sia in grado di fornire materiali polimerici estrusi che abbiano un livello di dispersione desiderato e controllabile.

In accordo con tali scopi, la presente invenzione è relativa ad un metodo per realizzare prodotti polimerici estrusi come rivendicato nella rivendicazione 18.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:

– la figura 1 è una vista schematica laterale, con parti in sezione e parti asportate per chiarezza, di un estrusore monovite in accordo alla presente invenzione;

– la figura 2 è una vista schematica laterale, con parti in sezione e parti asportate per chiarezza, di una vite per estrusore secondo la presente invenzione;

– la figura 3 è uno sviluppo planare della superficie della vite di figura 2 a 360°;

– la figura 4 è un dettaglio della vite della figura 2; – la figura 5 è un dettaglio della vite della figura 2 in accordo ad una prima variante;

– la figura 6 è un dettaglio della vite della figura 2 in accordo ad una seconda variante;

– la figura 7 è un dettaglio della vite della figura 2 in accordo ad una terza variante;

– la figura 8 è una vista schematica laterale, con parti in sezione e parti asportate per chiarezza, di un estrusore monovite in accordo ad una variante della presente invenzione.

In figura 1 è indicato con il numero di riferimento 1 un estrusore in accordo con la presente invenzione, il quale è configurato per processare uno o più materiali polimerici in modo da realizzare un prodotto polimerico estruso lungo una direzione di avanzamento E.

Per semplicità il materiale polimerico processato ed il prodotto polimerico ottenuto non sono visibili nelle figure allegate.

Col termine materiale polimerico s‘intendono tutti i materiali polimerici termoplastici sia in condizione completamente fusa sia in condizione semifusa o pastosa.

Ad esempio, alcuni materiali polimerici processabili dall’estrusore 1 secondo la presente invenzione sono: poliolefine (LDPE, LLDPE, HDPE, PP, etc.), polistirolo, ABS, poliammidi (ad esempio 6, 66, 11, 12, etc.), PTFE, PBT, PEEK.

Un altro esempio di materiali processabili sono alcuni liquidi o paste viscose di natura alimentare, come ad esempio il cioccolato, oppure prodotti cosmetici, come le creme.

Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato, l’estrusore 1 è un estrusore monovite configurato per fondere materiale polimerico e per disperdere in detto materiale fuso additivi liquidi, solidi o fibrosi (melt compounding). Resta inteso che l’estrusore 1 possa anche essere impiegato per processi di estrusione che non prevedono l’utilizzo di additivi (pure melting).

L’estrusore 1 si estende lungo un asse longitudinale A e comprende essenzialmente un cilindro di estrusione 2, una vite 3, mezzi per l’attuazione di un moto rotatorio della vite 3 (non illustrati per semplicità nelle figure allegate), uno o più ingressi 4 configurati per alimentare il materiale polimerico al cilindro 2, ed una uscita 5.

L’estrusore 1 comprende inoltre dispositivi ausiliari (non mostrati per semplicità nelle figure allegate) quali resistenze elettriche, strumenti di controllo della temperatura e della pressione, mezzi di regolazione del moto rotatorio, etc.

Il cilindro 2 è coassiale all’asse A ed è cavo. In dettaglio, il cilindro 2 è provvisto di una superficie interna 6a e di una superficie esterna 6b. La superficie interna 6a è conformata in modo da definire una sede di alloggiamento 8.

La vite 3 è alloggiata all’interno della sede di alloggiamento 8 e comprende un nocciolo 10 centrato sull’asse longitudinale A.

La vite 3 comprende inoltre un filetto 12, avvolto ad elica attorno alla superficie esterna 7 del nocciolo 10.

In dettaglio, il filetto 12 si protende dalla superficie esterna 7 del nocciolo 10 ed è provvisto di due fianchi laterali 14.

La porzione di superficie esterna 7 compresa tra i fianchi laterali 14 del filetto 12 definisce un fondo 15.

La vite 3 presenta un diametro esterno D, misurato sulla cresta del filetto 12 (visibile in figura 2).

Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato il diametro esterno D della vite 3 è di circa 80 mm.

Il diametro esterno D della vite 3 è preferibilmente di poco inferiore al diametro della sede di alloggiamento 8 per svolgere la funzione di tenuta circonferenziale ed evitare al tempo stesso il contatto tra il filetto 12 ed il cilindro 2 che potrebbe causare usura adesiva.

In altre parole, il filetto 12 è dimensionato in modo da effettuare una tenuta scorrevole all’interno della sede di alloggiamento 8.

Il filetto 12 è, pertanto, del tipo “scraping”.

Preferibilmente, la differenza tra il diametro della sede di alloggiamento 8 e il diametro esterno D della vite 3 è compresa tra circa 1/1000 del diametro esterno D e 20/1000 del diametro esterno D.

Oltretutto, l’esigua differenza tra il diametro della sede di alloggiamento 8 e il diametro esterno D della vite 3 favorisce il trasporto assiale di tutto il materiale polimerico da parte del filetto 12 ed impedisce, per quanto possibile, che il materiale polimerico attraversi lo spazio compreso tra la cresta del filetto 12 e la superficie interna 6a del cilindro di estrusione 2, lungo una traiettoria circonferenziale.

Tipicamente, se il filetto 12 è a tenuta scorrevole, la portata di materiale polimerico che attraversa lo spazio compreso tra la cresta del filetto 12 e la superficie interna 6a del cilindro di estrusione 2 è inferiore all’1% della portata assiale di espulsione dell’estrusore (delivery flow rate).

In sostanza, il fondo 15, i fianchi laterali 14 e la superficie interna 6a del cilindro di estrusione 2 definiscono un canale di trasporto 17 del materiale polimerico.

La distanza assiale tra i fianchi laterali 14 (includendo anche lo spessore assiale di un filetto) definisce il passo P del filetto 12.

La distanza tra i fianchi laterali 14, intesa come la distanza normale ai fianchi stessi, definisce la larghezza W del canale di trasporto 17.

Il passo P del filetto 12, in sostanza, è la proiezione della larghezza W del canale di trasporto 17 lungo la coordinata assiale.

La distanza misurata lungo una direzione radiale tra il fondo 15 e la superficie interna 7 del cilindro di estrusione 2 definisce l’altezza H del canale di trasporto 17.

La sezione di flusso, intesa come la sezione disponibile del canale di trasporto 17 per il passaggio del flusso di materiale, è determinabile mediante il prodotto tra altezza H e larghezza W.

Detta sezione di flusso è sostanzialmente definita dalla relazione (P cos α - w )H

dove α è l’angolo vite, cioè l’angolo compreso tra la coordinata parallela al filetto 12 e un piano perpendicolare all’asse A al cilindro 2, w è la spessore assiale del filetto 12, Pcosθbcoincide con la larghezza W.

Con riferimento alla figura 2, il filetto 12 comprende almeno un primo tratto 20 avente un primo verso di avvolgimento dell’elica ed almeno un secondo tratto 21 avente un secondo verso di avvolgimento dell’elica opposto al primo verso.

Il primo verso di avvolgimento è tale da ottenere, in uso, un avanzamento assiale nella direzione di avanzamento E del materiale polimerico disposto nel canale di trasporto 17 verso l’uscita 5 dell’estrusore 1 quando la vite 3 viene azionata.

Il secondo verso di avvolgimento è tale da ottenere, in uso, un avanzamento assiale nella direzione opposta alla direzione di avanzamento E del materiale polimerico disposto nel canale di trasporto 17 quando la vite 3 viene azionata.

In altre parole, il primo verso di avvolgimento è tale da ottenere un avanzamento del materiale verso l’uscita 5, mentre il secondo verso è tale da ottenere un ritorno del materiale verso l’ingresso 4.

Nell'esempio non limitativo qui descritto, la vite 3 viene posta in rotazione antioraria osservando la vite 3 da un punto di osservazione O (figura 1 e figura 2).

Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato il primo tratto 20 ed il secondo tratto 21 del filetto 12 sono adiacenti.

In particolare, il primo tratto 20 ed il secondo tratto 21 sono preferibilmente identici ad eccezione del verso di avvolgimento che è opposto.

In altre parole, il primo tratto 20 del filetto 12 ha un primo angolo di inclinazione α1 ed il secondo tratto ha un secondo angolo di inclinazione α2 sostanzialmente identico in valore assoluto al primo angolo di inclinazione α1 ed avente segno opposto.

Per angolo di inclinazione si intende l’angolo vite, e cioè l’angolo compreso tra la coordinata parallela al filetto 12 e un piano perpendicolare all’asse A.

Preferibilmente, l’angolo di inclinazione α1 del primo tratto 20 e l’angolo di inclinazione α2 del secondo tratto 21 sono compresi tra 5° e 65° circa.

Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato, il primo tratto 20 del filetto 12 ha inoltre un passo P1 identico al passo P2 del secondo tratto 21 del filetto 12.

Il passaggio dal primo verso di avvolgimento del primo tratto 20 al secondo verso di avvolgimento del secondo tratto avviene in corrispondenza di una sezione del canale di trasporto 17 detta prima sezione di inversione S1.

In uso, la rotazione della vite 3 determina un flusso di avanzamento del materiale polimerico lungo il primo tratto 20 ed un contemporaneo flusso di ritorno del materiale polimerico lungo il secondo tratto 21. Tali flussi contrapposti si incontrano sostanzialmente nella prima sezione di inversione S1.

Qualunque sia la geometria del primo tratto 20 e del secondo tratto 21, in corrispondenza della prima sezione di inversione S1 si ha un picco di pressione Pmax determinato dalla dinamica di pressurizzazione di drag flow, cioè di flusso tra due piatti paralleli o non paralleli, con un piatto in movimento e l’altro stazionario.

La sezione di inversione S1 può essere dimensionata a seconda della finalità applicative dell’estrusore 1 in modo da avere un profilo della pressione desiderato.

Picchi di pressione più elevati sono utili, ad esempio, per scaricare stress idrodinamici su materiali polimerici incompatibili.

Picchi di pressione meno elevati sono utili ad esempio nel caso di dispersioni di fibre fragili nel materiale polimerico. Fibre fragili, come ad esempio quelle in carbonio, se sottoposte a stress idrodinamici eccessivi e a pressioni troppo elevate rischiano di rompersi.

Con riferimento alla figura 4, preferibilmente il canale di trasporto 17 è conformato in modo tale che la sezione di flusso sia decrescente lungo almeno una prima porzione 25 del primo tratto 20, che sia crescente lungo almeno una seconda porzione 26 del secondo tratto 21 e che si abbia una sezione di flusso minima in corrispondenza della sezione di inversione S1.

In questo modo si ha una graduale diminuzione della sezione di flusso lungo la prima porzione 25 ed un graduale aumento della sezione di flusso lungo la seconda porzione 26.

Preferibilmente, la sezione di flusso del canale di trasporto 17 lungo la prima sezione 25 e la sezione di flusso lungo la seconda porzione 26 sono simmetriche rispetto alla sezione di inversione S1.

In questo modo, la geometria della sezione di flusso all’inizio della prima sezione 25 è identica alla geometria della sezione di flusso alla fine della seconda sezione 26,.

La prima porzione 25 del primo tratto 20 definisce una prima camera di dispersione 28 del canale di trasporto 17 mentre la seconda porzione 26 del secondo tratto 21 definisce una seconda camera di dispersione 29 del canale di trasporto 17.

La prima camera di dispersione 28 e la seconda camera di dispersione 29 definiscono una zona di dispersione 30.

La zona di dispersione 30 ha una lunghezza assiale determinata in base alle esigenze.

Zone di dispersione 30 più ampie possono ad esempio essere utili per sottoporre il materiale a tempi di permanenza all’interno della zona di dispersione 30 più lunghi, zone di dispersione 30 più corte possono ad esempio essere utili per sottoporre il materiale a tempi di permanenza all’interno della zona di dispersione 30 più brevi.

La lunghezza assiale della zona di dispersione 30 può variare da un minimo pari a circa 1/10 del diametro esterno D della vite 3 ad un massimo pari a 10 volte il diametro esterno D della vite 3.

Secondo una prima forma di attuazione illustrata in figura 3, il canale di trasporto 17 presenta un’altezza H decrescente lungo la prima porzione 25 del primo tratto 20, ed una altezza H crescente lungo la seconda porzione 26 del secondo tratto 21. In corrispondenza della prima sezione di inversione S1 l’altezza del canale di trasporto 17 è minima Hmin.

In altre parole, la vite 3 presenta un fondo 15, il quale ha un’altezza radiale crescente lungo almeno la prima porzione 25 del primo tratto 20, una altezza radiale decrescente lungo almeno la seconda porzione 26 del secondo tratto 21 e altezza radiale massima in corrispondenza della sezione di inversione S.

Le variazioni dell’altezza H lungo la prima porzione 25 del primo tratto 20 e lungo la seconda porzione 26 del secondo tratto 21 sono identiche e a gradiente dH/dz identico ma di segno opposto.

Preferibilmente, l’altezza H iniziale della prima porzione 25 e della seconda porzione 26 può tipicamente essere compresa tra un valore di circa 1 mm e un valore di circa 1/3 del diametro esterno D della vite 3. Il valore iniziale di H dipende dalle caratteristiche della vite 3 ed è definito dal limite meccanico oltre il quale il nocciolo 10 della vite 3 rischia di rompersi.

Preferibilmente, l’altezza H della prima porzione 25 e della seconda porzione 26 può diminuire fino ad un valore minimo, compreso tra circa 0.1 mm e circa 1/4 del diametro esterno D della vite 3. Tale valore minimo terrà conto della portata minima desiderata alla velocità di rotazione della vite 3 impiegata.

Preferibilmente, il passo della prima camera di dispersione 28 è costante ed il passo della seconda camera di dispersione 29 è costante.

Preferibilmente, il passo della prima camera di dispersione 28 è identico al passo della seconda camera di dispersione 29.

Preferibilmente, il passo del canale di trasporto 17 in corrispondenza della prima sezione di inversione S1 è uguale al passo della prima camera di dispersione 28.

Come indicato nel diagramma dell’andamento della pressione, la pressione raggiunge un picco massimo Pmax in corrispondenza della sezione di inversione S1.

Una variante non illustrata prevede che la variazione della sezione di flusso possa essere realizzata mediante la sola variazione del passo della prima camera di dispersione e della seconda camera di dispersione. Con tale soluzione, tuttavia, non è possibile raggiungere i gradienti di pressione ottenibili mediante la variazione dell’altezza della prima camera di dispersione e della seconda camera di dispersione.

La variazione del passo può essere combinata con la variazione dell’altezza della prima camera di dispersione e della seconda camera di dispersione per incrementare il gradiente di pressione a cui è sottoposto il materiale.

In figura 5 è illustrata una ulteriore variante della presente invenzione in cui la prima camera di dispersione 28 ha un’altezza H avente un andamento decrescente e successivamente costante, mentre la seconda camera di dispersione 29 ha un’altezza H avente un andamento costante e successivamente crescente.

Il dimensionamento dei tratti ad altezza costante consentono una regolazione della pressione nella sezione di inversione S1. Più aumenta la lunghezza del tratto ad altezza costante H e più aumenta la pressione Pmax.

Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato, l’altezza H della prima camera di dispersione 28 e l’altezza H della seconda camera di dispersione 29 sono simmetriche rispetto alla sezione di inversione S1.

Come indicato nel diagramma dell’andamento della pressione, la pressione raggiunge un picco massimo Pmax in corrispondenza dei tratti ad altezza costante in prossimità della sezione di inversione S1.

In figura 6 e in figura 7 sono illustrate due ulteriori varianti della presente invenzione in cui l’altezza H della prima camera di dispersione 28 e l’altezza H della seconda camera di dispersione 29 non sono simmetriche rispetto alla sezione di inversione S1.

In particolare, in figura 6 è illustrata una variante in cui la prima camera di dispersione 28 ha un’altezza H avente un andamento decrescente e successivamente costante per un tratto e1, mentre la seconda camera di dispersione 29 ha un’altezza H avente un andamento costante per un tratto e2 e successivamente crescente.

In figura 6 il tratto e1 è maggiore del tratto e2 mentre l’altezza H lungo il tratto e1 è uguale all’altezza H lungo il tratto e2.

In figura 7 è illustrata una variante in cui la prima camera di dispersione 28 ha un’altezza H avente un andamento decrescente mentre la seconda camera di dispersione 29 ha un’altezza H costante e pari all’altezza minima raggiunta nella prima camera di dispersione 28. Quest’ultima configurazione si può applicare, ad esempio, per impedire accelerazioni indesiderate del materiale semifuso-pastoso nel tratto terminale di una sezione di plastificazione che spesso sono causa di rotture e avanzamenti disomogenei con conseguenti pulsazioni di portata in uscita dall’estrusore 1 e disuniformità qualitative. In questo caso applicativo, la seconda camera di dispersione 29 ad altezza costante costituisce un efficace freno per il materiale avanzato.

Resta inteso che il canale di trasporto 17 può essere conformato in modo tale che la propria sezione di passaggio sia definita in modo da ottenere combinazioni di profili di velocità e pressioni particolarmente indicate a soddisfare le esigenze di mescolamento dispersivo desiderate.

Preferibilmente, il volume della prima camera di dispersione 28 è identico al volume della seconda camera di dispersione 29.

Con riferimento alla figura 1, il filetto 12 della vite 3 comprende almeno un ulteriore primo tratto 40 avente il primo verso di avvolgimento dell’elica ed un ulteriore secondo tratto 41 avente il secondo verso di avvolgimento dell’elica opposto al primo verso.

Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato l’ulteriore primo tratto 40 e l’ulteriore secondo tratto 41 sono adiacenti e sono rispettivamente identici al primo tratto 20 e al secondo tratto 21.

Anche in questo caso, il passaggio dal primo verso di avvolgimento dell’ulteriore primo tratto 40 al secondo verso di avvolgimento dell’ulteriore secondo tratto 41 avviene in corrispondenza di una sezione del canale di trasporto 17 detta seconda sezione di inversione S2.

Analogamente a quanto descritto in precedenza per il primo tratto 20 ed il secondo tratto 21 il canale di trasporto 17 è conformato in modo tale che la sezione di flusso passaggio sia minima in corrispondenza della seconda sezione di inversione S2.

Preferibilmente l’ulteriore primo tratto 40 è disposto a valle del secondo tratto 21 lungo la direzione di avanzamento E della vite 3.

Nell'esempio non limitativo qui descritto ed illustrato tra il secondo tratto 21 e l’ulteriore primo tratto 40 è disposta una porzione divisoria 43 del filetto 12.

La porzione divisoria 43 è definita da un tratto del filetto 12 avvolto a spirale nel primo verso di avvolgimento.

La porzione divisoria 43 è configurata in modo da favorire il trasporto verso l’uscita 5 ed è pertanto dimensionata e conformata in modo da generare un gradiente di pressione positivo (+dP/dz) adeguato nel canale di trasporto 17 definito dal filetto 12.

La lunghezza della porzione divisoria 43 può essere regolata in modo tale da determinare uno sfasamento desiderato tra il canale di avanzamento 17 in corrispondenza della prima sezione di inversione S1 e il canale di avanzamento in corrispondenza della seconda sezione di inversione S2. In questo modo vengono bilanciate le spinte a flessione che si scaricano sulla vite 3 in corrispondenza della prima sezione di inversione S1 e della seconda sezione di inversione S2. I picchi di pressione raggiunti nelle sezioni di inversione possono raggiungere anche valori dell’ordine di centinaia di bar con conseguenti spinte a flessione molto consistenti.

Nell’esempio illustrato in figura 1 lo sfasamento tra il canale di avanzamento 17 in corrispondenza della prima sezione di inversione S1 e il canale di avanzamento in corrispondenza della seconda sezione di inversione S2 è di 180°.

Una variante non illustrata prevede che la vite 3 comprenda una pluralità di zone di dispersione che si susseguono lungo la vite, tutte comprendenti un rispettivo primo tratto ed un rispettivo secondo tratto del filetto aventi verso di avvolgimento opposto.

Preferibilmente, tra una zona di dispersione e l’altra è previsto un tratto della vite conformato in modo da favorire il trasporto del materiale verso l’uscita. In altre parole, tra una zona di dispersione e l’altra è prevista almeno una porzione divisoria dimensionata e conformata in modo da generare un gradiente di pressione positivo (+dP/dz) adeguato nel canale di trasporto 17 definito dal filetto 12.

In figura 1 a monte della zona di dispersione 30 lungo la direzione di avanzamento E, il filetto 12 comprende un tratto di trasporto 50, il quale ha il verso di avvolgimento del primo tratto 20.

Il tratto di trasporto 50 è dimensionato e conformato in modo da generare un gradiente di pressione positivo (+dP/dz) adeguato nel canale di trasporto 17 definito dal filetto 12.

In uso, una quantità di materiale termoplastico solido viene alimentato attraverso l’ingresso 4, preferibilmente mediante una tramoggia 51, alla sede di alloggiamento 8 in cui ruota la vite 3.

Nel tratto di trasporto 50, il materiale viene almeno in parte fuso per effetto dell’attrito che si genera tra il cilindro di estrusione 2 ed il materiale.

Una volta fuso, in tutto o in parte, il materiale procede lungo il canale di avanzamento 17 e riempie la prima camera di dispersione 28 generando un profilo di pressione che va da un valore minimo ad un picco massimo in prossimità della prima sezione di inversione S1. Il materiale procederà a riempire anche la seconda camera di dispersione 29 finché questa non sarà totalmente piena.

Durante la fase di riempimento della prima camera di dispersione 28 e della seconda camera di dispersione 29 il flusso di materiale è tipicamente un flusso transitorio di accumulo. In particolare, durante la fase di riempimento della prima camera di dispersione 28 e della seconda camera di dispersione 29 la portata di accumulo è maggiore di zero, mentre la portata in uscita dalla seconda camera di dispersione 29 è zero.

Per portata di accumulo si intende la portata di materiale che si accumula nella prima camera di dispersione 28 e nella seconda camera di dispersione 29.

A causa del passo invertito, la prima camera di dispersione 28 e la seconda camera di dispersione 29 devono riempirsi prima di consentire il flusso a valle.

In questa situazione la portata in uscita dalla seconda camera di dispersione 29 è sostanzialmente nulla.

Non appena la prima camera di dispersione 28 e la seconda camera di dispersione 29 risulteranno essere piene, si verifica una situazione in cui la portata di accumulo diventa nulla, mentre la portata in uscita dalla seconda camera di dispersione 29 sarà uguale alla portata di arrivo nella prima camera di dispersione 28.

Una volta piene, per effetto di un gradiente di pressione a monte superiore di quello a valle (+dP/dz)>(– dP/dz), o comunque per effetto di un’azione di trasporto svolta da un tratto di vite convenzionale, il materiale può proseguire a valle pur rimanendo le due sezioni costantemente piene di materiale e in pressione.

In sostanza, nella fase di riempimento la portata di accumulo Pa è maggiore di zero ed è uguale alla portata di ingresso Pi nella prima camera di dispersione 28 mentre la portata in uscita Pu dalla seconda camera di dispersione 29 è nulla. Diremo pertanto che in questa fase Pi=Pa e Pu=0.

Una volta raggiunta la fase di regime (riempimento della prima camera di dispersione 28 e della seconda camera di dispersione 29), la portata di accumulo Pa è nulla e la portata in uscita Pu dalla seconda camera di dispersione 29 coincide con la portata in ingresso Pi alla prima camera di dispersione 28. Diremo pertanto che in questa seconda fase, a regime, Pa=0 e Pu=Pi

Questa struttura consente, una volta raggiunta la fase di regime, un controllo del tempo di permanenza del materiale all’interno della prima camera di dispersione 28 e della seconda camera di dispersione 29.

Semplicemente variando la portata in ingresso alla prima camera di dispersione 28 è possibile regolare il tempo di permanenza grazie alla seguente equazione:

tempo di permanenza = (volume prima camera di dispersione 28 volume seconda camera di dispersione 29) / portata volumetrica in ingresso.

Grazie alla possibilità di regolare il tempo di permanenza e la velocità della vite 3 (la quale influisce direttamente su velocità e sforzi di taglio), oltre alla geometria delle camere di dispersione, è possibile impostare un processo ottimale di dispersione e mescolamento che tenga conto della natura dei polimeri mescolati, delle cariche incorporate e delle caratteristiche desiderate del materiale estruso.

Nella prima camera di dispersione 28 e nella seconda camera di dispersione 29 così configurate si generano, nel canale di avanzamento 17, flussi sia paralleli al filetto 12 (taglio ed elongazionali) sia trasversali al filetto 12 stesso (ricircolazione trasversale). Questi flussi assicurano un mescolamento sia distributivo che dispersivo ottimale.

In figura 8 è illustrato un estrusore 100 in accordo con una variante della presente invenzione comprendente un ingresso 55 per l’alimentazione di liquido polimerico ed un ulteriore ingresso 56 (rappresentato in tratteggio) per l’alimentazione di cariche solide o liquide.

Le cariche solide possono essere ad esempio micro polveri o nano polveri, oppure elementi tipicamente allungati come fibre di vetro, di carbonio, aramidiche o naturali, o anche granuli o scaglie o polveri di materiale termoplastico. Le cariche liquide sono ad esempio i monomeri o i polimeri in forma liquida, e in generale gli additivi in forma liquida.

L’estrusore 100 non ha pertanto una sezione in cui avviene la fusione del polimero, ma è alimentato direttamente con polimero allo stato liquido da un fonte esterna (non illustrata). La fonte esterna di liquido polimerico può essere ad esempio un estrusore a vite, o un qualsiasi altro dispositivo di fusione per trascinamentoattrito (ad esempio PCT/IB2014/060667 a nome della richiedente).

La separazione dell’apparato di fusione dall’apparato di mescolamento consente una regolazione più flessibile della velocità della vite 3 dell’estrusore 100 secondo la presente invenzione rispetto al caso in cui la liquefazione del polimero solido è effettuata nella stessa vite in cui sono realizzate le zone di dispersione.

L’estrusore 100 comprende inoltre anche un camino di sfiato 57, il quale contribuisce all’eliminazione delle sostanze volatili generate durante il processo di estrusione.

Nell’estrusore 1 e nell’estrusore 100 l’uscita 5 è disposta lungo l’asse A.

Una variante non illustrata prevede che l’uscita dell’estrusore sia ortogonale all’asse A. In questo caso entrambe le estremità della vite sono supportate da idonei gruppi di cuscinetti radiali e/o assiali.

Vantaggiosamente, grazie alla vite 3 secondo la presente invenzione è possibile avere estrusori in cui il tempo di permanenza all’interno della zona di dispersione è controllabile.

Vantaggiosamente, la soluzione proposta consente un controllo preciso e prevedibile del numero di passaggi del materiale attraverso le zone di dispersione 30, corrispondenti al numero delle zone di dispersione 30 disposte in serie.

Per cui tutto il materiale subisce la medesima deformazione complessiva di taglio-allungamento. Questo aspetto ha rilevanti conseguenze in tema di garanzia e certificazione della qualità del materiale in uscita dall’estrusore.

Grazie all’estrusore 1, 100 e alla vite 3 secondo la presente invenzione è possibile migliorare la qualità dei materiali in uscita dall’estrusore anche nel caso di applicazioni di tipo “pure melting”. L’estrusore secondo la presente invenzione, infatti fornisce, in uscita, materiale in cui sono sostanzialmente assenti difetti normalmente noti come “fish eyes” o “black specks” dovuti a cause varie, quali ad esempio contaminanti, punti di imperfetta polimerizzazione etc.

La vite 3 e l’estrusore monovite 1, 100 secondo la presente invenzione sono inoltre vantaggiosamente a basso costo e presentano eccezionali capacità di dispersione di almeno due materiali (ad esempio un materiale polimerico ed un additivo solido o liquido o di due liquidi polimerici).

Il controllo dei tempi di permanenza del materiale consente di impostare processi in cui il tempo di permanenza e la sua distribuzione statistica sono critici, come, ad esempio, nel mescolamento reattivo (“reactive compounding”).

Infine la possibilità di un controllo praticamente assoluto dei tempi di permanenza del materiale nell’estrusore consente di ottimizzare il consumo specifico di energia, ad esempio in termini di kWh/Kg. Si ritiene che il risparmio energetico possa raggiunge e superare il 50% del consumo che si avrebbe per analoga qualità dispersiva ottenibile con tecnologie convenzionali.

La vite 3 secondo la presente invenzione può essere montata anche su estrusori già esistenti.

Risulta infine evidente che alla vite, all’estrusore e al metodo qui descritti possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall’ambito delle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Una vite per un estrusore di materiale polimerico; la vite (3) comprendendo: un nocciolo (10) estendentesi lungo un asse longitudinale (A), un filetto (12) avvolto ad elica attorno alla superficie esterna (7) del nocciolo (10); il filetto (12) presentando almeno un primo tratto (20; 40) avente un primo verso di avvolgimento dell’elica ed almeno un secondo tratto (21; 41) avente un secondo verso di avvolgimento dell’elica opposto al primo verso di avvolgimento dell’elica; il primo verso di avvolgimento dell’elica essendo tale da ottenere, in uso, un avanzamento del materiale polimerico verso un’uscita (5) in una direzione di avanzamento (E).
2. La vite secondo la rivendicazione 1, in cui il primo tratto (20; 40) ed il secondo tratto (21; 41) sono adiacenti.
3. La vite secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il primo tratto (20; 40) ha un primo angolo di inclinazione (α1), preferibilmente compreso tra 5° e 65° circa.
4. La vite secondo la rivendicazione 3, in cui il secondo tratto (21; 41) presenta un secondo angolo di inclinazione (α2) sostanzialmente identico, in valore assoluto, al primo angolo di inclinazione (α1) del primo tratto (20; 40).
5. La vite secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il filetto (12) è definito da due fianchi laterali (14) i quali si protendono dalla superficie esterna (7) del nocciolo (10); la porzione di superficie esterna (7) compresa tra fianchi laterali definisce un fondo (15).
6. La vite secondo la rivendicazione 5, in cui il fondo (15) ha una altezza radiale massima in corrispondenza di una sezione di inversione (S1; S2) in cui avviene il passaggio dal primo verso di avvolgimento del primo tratto (20; 40) al secondo verso di avvolgimento del secondo tratto (21; 41).
7. La vite secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui il fondo (15) ha un’altezza radiale crescente lungo almeno una prima porzione (26) del primo tratto (20; 40) ed una altezza radiale decrescente lungo almeno una seconda porzione (26) del secondo tratto (21; 41).
8. La vite secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui il fondo (15) ha un’altezza radiale crescente e successivamente costante lungo almeno una prima porzione (26) del primo tratto (20; 40) ed un’altezza radiale costante e successivamente decrescente lungo almeno una seconda porzione (26) del secondo tratto (21; 41).
9. La vite secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui il fondo (15) ha una altezza radiale crescente lungo almeno una prima porzione (26) del primo tratto (20; 40) e successivamente una altezza radiale costante lungo almeno una seconda porzione (26) del secondo tratto (21; 41).
10. La vite secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il filetto (12) comprende almeno un ulteriore primo tratto (40; 20) avente un primo verso di avvolgimento dell’elica ed almeno un ulteriore secondo tratto (41; 21) avente un secondo verso di avvolgimento dell’elica opposto al primo verso
11. La vite secondo la rivendicazione 10, in cui l’ulteriore primo tratto (40; 20) e l’ulteriore secondo tratto (41; 21) sono sostanzialmente identici rispettivamente al primo tratto (20; 40) e al secondo tratto (21; 41).
12. La vite secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui l’ulteriore primo tratto (40; 20) e l’ulteriore secondo tratto sono adiacenti(41; 21).
13. La vite secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 12, in cui il filetto (12) comprende una porzione divisoria (43) tra il secondo tratto (21; 41) e l’ulteriore primo tratto (40; 20).
14. La vite secondo la rivendicazione 13, in cui la porzione divisoria (43) del filetto (12) ha il primo verso di avvolgimento.
15. Estrusore di materiale polimerico comprendente un cilindro di estrusione (2) cavo e definente una sede di alloggiamento (8) ed una vite (3) alloggiata nella sede di alloggiamento (8) ed avente le caratteristiche rivendicate in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.
16. Estrusore secondo la rivendicazione 15, in cui il filetto (12) è conformato in modo da realizzare una tenuta scorrevole nella sede di alloggiamento (8) del cilindro di estrusione (2).
17. Estrusore secondo la rivendicazione 15 o 16, in cui la differenza tra il diametro della sede di alloggiamento (8) e il diametro esterno (D) della vite (3) è compresa tra circa 1/1000 del diametro esterno (D) e 20/1000 del diametro esterno (D).
18. Metodo per realizzare prodotti polimerici estrusi comprendente le fasi di: alimentare materiale polimerico ad un canale di avanzamento (17) di un estrusore (1; 100); avanzare un primo flusso di materiale polimerico all’interno del canale di avanzamento (17) in una prima direzione di avanzamento (E); avanzare contemporaneamente un secondo flusso di materiale polimerico all’interno del canale di avanzamento (17) in una seconda direzione opposta a detta prima direzione di avanzamento (E).
19. Metodo secondo la rivendicazione 18, comprendente la fase di ridurre al minimo la sezione di passaggio del canale di avanzamento (17) sostanzialmente in corrispondenza di una sezione di inversione (S1; S2) in cui il primo flusso ed il secondo flusso si incontrano.
20. Metodo secondo la rivendicazione 19, in cui la fase di ridurre al minimo la sezione di passaggio comprende ridurre gradualmente l’altezza del canale di avanzamento (17) per almeno una prima porzione (25) a monte della sezione di inversione (S1; S2) e aumentare gradualmente l’altezza del canale di avanzamento (17) per almeno una seconda porzione (26) a valle della sezione di inversione (S1; S2).
21. Metodo secondo la rivendicazione 19, in cui la fase di ridurre al minimo la sezione di passaggio comprende ridurre gradualmente l’altezza del canale di avanzamento (17) e mantenerla successivamente costante per almeno una prima porzione (25) a monte della sezione di inversione (S1; S2) e mantenere l’altezza radiale costante e successivamente decrescente per almeno una seconda porzione (26) a valle della sezione di inversione (S1; S2).
22. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 18 a 21, comprendente la fase di regolare la portata del primo flusso.