PT1022303E

PT1022303E - Processo e aparelho para produzir espuma de polistireno e blocos e placas produzidos com a referida espuma

Info

Publication number: PT1022303E
Application number: PT80200642T
Authority: PT
Inventors: Jose Luis Pena Sainz; Laura Figueras Nadal
Original assignee: Poliglas Sa
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2001-10-30
Also published as: DE69900101D1; EP1022303B1; CA2347267C; EP1022303A1; ES2156458T3; US6572800B1; CA2347267A1; GR3036228T3; DE69900101T2; AU1866300A; WO2000043444A1; ATE201032T1

Description

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DESCRIÇÃO "PROCESSO E APARELHO PARA PRODUZIR ESPUMA DE POLISTIRENO, E BLOCOS E PLACAS PRODUZIDOS COM A REFERIDA ESPUMA " A invenção refere-se a um processo e a um aparelho para produzir espuma de polistireno bem como blocos e placas (tais como chapas e painéis) produzidos com a referida espuma.

De particular relevância neste domínio técnico são os pedidos de patente GB-A-1.220.053 e GB-A-1.230.992 da Imperial Chemical Industries Limited (ICI). Antes da data do pedido das referidas patentes britânicas, já tinham sido efectuados testes para fazer espuma a partir de resinas sintéticas usando gases inorgânicos substancialmente inertes, especialmente C02. Estes testes não produziram os resultados desejados, pelo menos não para espumas cujas espessuras excedessem alguns mm, principalmente devido à fraca solubilidade do C02 na mistura polimérica ou na matéria em fusão para ser transformada em espuma, o que fez com que se tomasse necessário utilizar pressões elevadas em todo o processo (resultando em custos mais elevados), dando lugar a altas temperaturas, com o resultado de que a temperatura da matéria em fusão na altura da extrusão final para o ar livre (seguidamente, “extrusão final”) é demasiado elevada para permitir que as características da espuma sejam devidamente controladas; além disso, a mistura polimérica pode ser submetida a degradação térmica. Como resultado, obtém-se uma espuma de densidade muito elevada e só se conseguem realizar placas de espuma de qualidade comercial com espessuras na ordem de poucos mm, visto não ser possível incorporar na matéria em fusão a quantidade -2- de C02 necessária para obter espessuras maiores.

Os referidos documentos GB-A-1.220.053 e GB-A-1.230.992 determinaram, pelo fim dos anos 60, a base geral para a produção de espumas de resina sintética específicas, incluindo as de polistireno. Particularmente, no GN-A-1.220.053 é descrito “um processo para a produção de polímeros termoplásticos transformados em espuma no qual a pressão é libertada a partir de uma mistura homogénea, pressurizada, do polímero termoplástico fundido e de um sistema de agente de sopro, compreendendo o referido sistema um primeiro agente de sopro que é completamente miscível com o polímero termoplástico fundido à referida pressão e o qual é um solvente para o referido polímero termoplástico sob as condições de temperatura e pressão da mistura homogénea e um segundo agente de sopro, diferente, que tem uma solubilidade de pelo menos 0,01% em peso no polímero termoplástico e uma temperatura crítica inferior à temperatura da mistura homogénea na altura em que a referida pressão é libertada, tendo o referido primeiro agente de sopro um ponto de ebulição 10°C, ou mais, inferior ao da referida temperatura da mistura" (reivindicação 1). Além disso, é claramente definido que o processo pode ser aplicado à produção de espuma de “polistireno” (página 1, col. 2, linha 53), que “osprimeiro e segundo agentes de sopro são seleccionados de maneira a serem inertes relativamente ao polímero termoplástico sob condições de temperatura e pressão do recipiente de pressão” (página 2, col. 1, linhas 40-44), que “as substâncias mais adequadas para uso como primeiro agente de sopro são líquidos cujos pontos de ebulição a pressão atmosférica sejam superiores a temperatura ambiente” (página 2, col. 2, linhas 69-72), que pode ser usado “etanol” como primeiro agente de sopro * (página 2, col. 2, linha 83), que se descobriu que o “dióxido de carbono ” (página 3, col. 1, linha 17) é uma substância que pode ser usada como segundo agente de sopro, que é preferível usar “uma quantidade do segundo agente de sopro gasoso (C02) tão grande quanto possível”, mas especificando que esta quantidade de -3- l/ΐΛη C02 é usualmente inferior a 10% em peso (página 3, col. 1, linhas 29-34), e sugerindo que, em realidade, a produção de espuma induzida apenas pelo primeiro agente de sopro (por exemplo, etanol) pode dar lugar a um pequeno número de bolhas ou células muito grandes, que prejudicam o valor comercial do produto (página 3, coluna 1, linhas 10-14).

Nos anos que se seguiram à data de apresentação dos referidos pedidos de patente da ICI, a tendência dos fabricantes foi, cada vez mais, para usarem agentes de sopro de halocarboneto (também previstos nas referidas patentes britânicas), quer por si sós quer em várias misturas. Contudo, por razões ambientais, desde 1980 que se fazem tentativas para diminuir o uso de agentes de sopro de halocarboneto e tudo indica uma utilização cada vez maior de C02 como principal agente de sopro. De entre os documentos de patente que reflectem estas tendências, podem ser mencionados os seguintes: WO 93/22371, EP-A-0.318.846, EP-A-0.411.923, EP-A-0.464.581, EP-A-0.597.375, DE 39.43.265 Al, US 5.158.986, US 5.244.927, US 5.250.577 e US 5.269.987, envolvendo algumas delas o uso de etanol como “agente de sopro”.

Aparelhos do tipo geral definido no preâmbulo da presente reivindicação 7 são conhecidos a partir dos pedidos de patente EP-A-0.528.536 e US-A-4.436.679.

Tal como se depreende a partir dos referidos documentos de patente da ICI, seria ideal trabalhar com um só agente de sopro, nomeadamente C02. Contudo, a sua fraca solubilidade no polímero e os outros inconvenientes que atrás referimos fazem com que se tome necessário usar C02 em conjunto com outros agentes diferentes para mitigar estes inconvenientes. Obviamente que, além do C02, qualquer agente capaz de passar do estado líquido para o estado de vapor a uma temperatura ligeiramente inferior à do polímero em fusão na altura da extrusão final terá, inevitavelmente, em maior ou menor proporção, um efeito de produção de espuma e, nesse sentido, esse tipo de agente pode ser qualificado como um “agente de sopro”, tal como referido, por exemplo, nos referidos documentos de patente da ICI quando se referem ao “primeiro agente de sopro”. Contudo, especialmente quando os agentes utilizados em conjunto com C02 são alcoóis inferiores, os efeitos da produção de espuma que (inevitavelmente) daí resultam são geralmente indesejáveis devido ao facto de tenderem a produzir bolhas ou células irregulares entre as quais predominam as de grandes dimensões e/ou abertas, em vez de células com as desejadas características que resultam da utilização do agente de sopro apropriado, i.e. C02. Por esta razão, os agentes que não sejam C02 não serão referidos na presente descrição como “agentes de sopro” mas sim como “agentes de controlo” visto que, mais do que usados para a produção de espuma, são-no para permitir que a produção de espuma, basicamente induzida pelo agente de sopro apropriado (C02), se processe de maneira adequada.

Os presentes inventores confirmaram, através de testes, que o eta-nol actua como um solvente do polistireno, reduzindo consequentemente a viscosidade da matéria em fusão, fazendo com que seja possível trabalhar a pressões inferiores ao longo de toda a linha de produção incluindo a cabeça de extrusão final, enquanto se utiliza a mesma quantidade de C02 incorporada na matéria em fusão. Uma diminuição em viscosidade também resulta numa diminuição quer na fricção interna da matéria em fusão quer na fricção com os componentes mecânicos com os quais entra em contacto e, como resultado, numa diminuição na temperatura da matéria em fusão, o que tem especial importância próximo da matriz da cabeça de extrusão final. Os presentes inventores também confirmaram, através de testes, os efeitos benéficos do etanol, devido ao facto de absorver calor da matéria em fusão quando se dá a produção de espuma.

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Contudo, os testes efectuados pelos presentes inventores, usando etanol como agente de controlo da produção de espuma, principalmente induzida pelo CO2, também revelou os seus inconvenientes os quais, basicamente, consistem no facto de as espumas obtidas usando etanol levarem bastante tempo até atingirem o valor final de algumas das suas propriedades físicas que são consideradas críticas, tais como a sua estabilidade dimensional a temperatura elevada, capacidade de compressão e comportamento perante o fogo ou capacidade de auto-extinção, e de (como já indicado) o etanol tender a induzir a produção de espuma com células grandes e abertas. r E objecto da presente invenção ultrapassar estes inconvenientes.

Os inventores descobriram que, quando se usa etanol como agente de controlo para a produção de espuma induzida por C02, se obtem espuma com as melhores características se se adicionar o mínimo de etanol, apenas o suficiente para conferir à matéria em fusão a viscosidade apropriada para absorver a maior quantidade possível de C02 e para manter a produção de espuma induzida pelo etanol o mais reduzida possível.

Por outro lado, os inventores descobriram que esta redução na quantidade de etanol utilizado acarretava o grande inconveniente de dificultar que se conseguisse a necessária diminuição da temperatura, porque um dos efeitos do etanol é o de provocar o arrefecimento da matéria em fusão. Para evitar este inconveniente, os inventores propõem o uso de um segundo agente de controlo consistindo em H202 que é introduzido na matéria em fusão depois da adição de etanol. O facto de o H202 não dissolver o polistireno e, portanto, não modificar as suas características, tem o efeito de manter ou melhorar as propriedades 6_ [/ϋιη físicas da espuma e de permitir que a espuma seja obtida com maiores espessuras do que quando se usa, como agente de controlo, só etanol para controlar a produção de espuma induzida pelo C02. O uso de uma quantidade muito menor de etanol permite que as referidas propriedades físicas que são consideradas críticas (estabilidade dimensional, capacidade de resistência e de auto-extinção) sejam alcançadas muito mais depressa.

Além disso, os inventores também descobriram que as vantagens da invenção são optimizadas se o polistireno utilizado para formar a mistura polimé-rica for um polistireno tendo um peso molecular inferior a cerca de 150.000, um índice de fluxo de fusão de cerca de 20 g/10 min (ISO 1133H) e uma temperatura de amolecimento VICAT VST B 50 (de acordo com o ISO 306 B 50) acima dos 100°C. A principal razão para usar este polistireno de baixo peso molecular é a de permitir que o processo seja efectuado com uma viscosidade inferior à habitual; isto faz com que seja possível dissolver uma quantidade maior de C02 na matéria em fusão, para diminuir a quantidade de etanol usado e, o que é mais importante, manter a um nível reduzido o aumento de temperatura que é inevitavelmente produzido pela fricção.

Tendo em mente o que atrás foi referido, a invenção proporciona, de acordo com um primeiro aspecto, um processo para produzir espuma de polistireno, em cujo passo inicial do processo é plastificada uma mistura de polistireno com os usuais agentes de nucleação, plastificantes e aditivos a uma pressão e temperatura respectivamente acima de pressão atmosférica e temperatura ambiente para formar uma matéria em fusão, que é rapidamente descomprimida e arrefecida até pressão atmosférica e temperatura ambiente, ao ser extrudida através de uma matriz de extrusão final, em cujo processo um agente de sopro destinado a induzir a desejada produção de espuma e apenas consistindo em C02 seja in-jectado na matéria em fusão de maneira que o referido agente de sopro se dis- -7- solva na matéria em fusão, em cujo processo um primeiro e um segundo agentes de controlo são também injectados na matéria em fusão, destinando-se o primeiro agente de controlo a dissolver e arrefecer a matéria em fusão e consistindo em etanol, enquanto que o segundo agente de controlo se destina apenas a arrefecer a matéria em fusão e consiste em H202, sendo o etanol injectado em quantidade apenas suficiente para conseguir a maior dissolução possível de C02 na matéria em fusão e sendo a quantidade de H202 injectado a necessária para que a produção de espuma induzida por etanol seja minimizada.

De acordo com uma caracterização alternativa , o etanol é injectado na proximidade imediata do ponto de injecção de C02 e o H202 é injectado na corrente descendente a partir desse ponto, quando as injecções do agente de sopro e do etanol já arrefeceram parcialmente a matéria em fusão.

De acordo com outra caracterização alternativa, imediatamente antes da extrusão final, a matéria em fusão a ser extrudida compreende 2,25-5% em peso de C02, 0,3 - 3,0 % em peso de etanol e 0,2 - 1,7 % em peso de H202, sendo o restante polistireno e os habituais agentes de nucleação, plastificantes e aditivos.

De acordo com outra caracterização alternativa, imediatamente antes da extrusão final, a matéria em fusão a ser extrudida compreende 3,0 - 4,0 % em peso de C02, 0,6 - 1,25 % em peso de etanol e 0,25 - 1 % em peso de H202, sendo o restante polistireno e os habituais agentes de nucleação, plastificantes e aditivos.

De acordo com outra caracterização alternativa, os perfis de temperatura e de pressão do processo são mantidos a valores de temperatura decrescente na gama dos 200 a 100°C e a valores de pressão decrescente na gama dos -8- l/Λη 20 a 7,6 Mpa (cerca de 200 a 76 bar), respectivamente, mantendo-se o CO2 a valores sempre inferiores às de condições supercríticas até à extrusão final.

De acordo com outra caracterização alternativa, o polistireno tem um peso molecular inferior a 150.000, um índice de fluxo de fusão de 20 g / 10 min (ISO 1133H) e um VICAT VST B 50 (de acordo com ISO 306 B 50) temperatura de amolecimento acima dos 100°C.

De acordo com outro aspecto, a invenção fornece um aparelho para efectuar o processo atrás definido, que compreende uma amassadeira-extrusora e uma misturadora dinâmica organizada em série, a primeira das quais compreende um sistema para efectuar a plastificação inicial da mistura até ficar em fusão e a injecção de C02 e etanol, sendo a segunda equipada com um dispositivo de refrigeração, e introduz a matéria em fusão numa cabeça de extrusão que transporta a matriz de extrusão final, havendo um sistema para a injecção de H202, entre a amassadeira-extrusora e a misturadora dinâmica, em cujo aparelho estão inseridas uma primeira misturadora estática e uma segunda misturadora estática, respectivamente imediatamente a jusante da amassadeira-extrusora e imediatamente a jusante da misturadora dinâmica, e o sistema para a injecção de H202 está colocado entre a amassadeira-extrusora e a primeira misturadora estática.

De acordo com outra caracterização alternativa, o aparelho compreende, a montante da amassadeira-extrusora, um primeiro tanque para receber C02 a partir de uma fonte exterior, sendo o primeiro tanque mantido sob condições de pressão e temperatura na mesma gama das da fonte exterior, um segundo tanque para C02 no qual este é mantido sob uma pressão de 7 Mpa (cerca de 70 bar) e a temperatura ambiente, e uma bomba de injecção para bombear o C02 a partir do segundo tanque e injectá-lo na amassadeira-extrusora e capaz de aumentar a pressão de C02 de 7 Mpa (cerca de 70 bar) até 30 Mpa (cerca de 300 -9-bar).

De acordo com outra caracterização alternativa , o fluxo de CO2 a partir do primeiro tanque para o segundo tanque é efectuado por meio de outra bomba, a jusante da qual está colocado um dispositivo de aquecimento que aumenta a temperatura do C02 à saída da outra bomba até cerca de temperatura ambiente.

De acordo com outra caracterização alternativa, o fluxo de C02 entre o segundo tanque e a bomba de injecção passa através de um dispositivo de refrigeração que baixa a temperatura do C02 para evitar que aqueça demais durante a operação de bombeamento.

De acordo com outra caracterização alternativa, a bomba de injecção é arrefecida.

De acordo com outra caracterização alternativa, o arrefecimento da bomba de injecção é efectuado pelo arrefecimento da cabeça da bomba.

De acordo com outra caracterização alternativa, o processo é efectuado num aparelho como o que foi definido nos parágrafos imediatamente anteriores e compreende os passos de: a) plastificar até fusão uma mistura de polistireno com agentes de nucleação habituais, plastificantes e aditivos na amassadeira-extrusora, tendo o polistireno um peso molecular inferior a 150.000, um índice de fluxo de fusão de 20 g/10 min (ISO 1133H) e um VICAT VST B 50 (de acordo com o ISO 306 B 50) temperatura de amolecimento acima dos 100°C; - 10-

b) injectar na matéria em fusão na amassadeira-extrusora, por um lado C02 e por outro etanol, a uma pressão de 20 Mpa (cerca de 200 bar); c) transferir a matéria em fusão da amassadeira-extrusora até à primeira misturadora estática e injectar H202 na matéria em fusão entre a amassadeira-extrusora e a primeira misturadora estática; d) homogeneizar a matéria em fusão na primeira misturadora estática; e) transferir a matéria em fusão da primeira misturadora estática para uma misturadora dinâmica na qual a homogeneização é acompanhada por uma diminuição da temperatura e da pressão a que a matéria em fusão é submetida; f) transferir a matéria em fusão da misturadora dinâmica para a segunda misturadora estática, na qual prossegue a diminuição da temperatura e a pressão a que a matéria em fusão é submetida; g) transferir a matéria em fusão da segunda misturadora estática para a cabeça de extrusão final, na qual a temperatura e a pressão são controladas de maneira a manterem-se próximas dos 100°C e 7,6 Mpa (cerca de 76 bar), respectivamente, sendo o C02 mantido sempre sob condições supercríti-cas até à extrusão final; sendo as condições de funcionamento da matriz a que: na altura da extrusão final, a matéria em fusão compreenda 2,25-5 % em peso de C02, 0,3-3,0 % em peso de etanol e 0,2-1,7 % em peso de - 11 -

Η2Ο2, sendo ο restante polistireno e os habituais agentes de nucleação, plastifi cantes e aditivos. os blocos ou placas produzidos, 42 dias depois da sua produção e depois de terem sido submetidos a aquecimento até 70°C durante 2 dias, tenham sofrido um decréscimo em cada uma das suas dimensões lineares (comprimento, largura e espessura) inferior a 5% relativamente às dimensões originais, e o teste para determinar o coeficiente de auto-extinção, efec-tuado nos referidos blocos e placas uma hora depois de terem sido extrudidos, produza uma chama cuja altura seja inferior a 11 cm.

De acordo com outra caracterização alternativa, a invenção produz blocos e placas de espuma usando o processo ou aparelho atrás referido, carac-terizado pelo facto de que, 42 dias após a sua produção e após ter sido submetido a aquecimento a 70°C durante 2 dias, tenham sofrido uma redução em cada uma das suas dimensões lineares (comprimento, largura e espessura) inferior a 5% relativamente às dimensões originais.

De acordo com outra caracterização alternativa dos blocos e placas de acordo com a invenção, o teste para determinar o coeficiente de auto-extinção, efectuado nos referidos blocos e placas uma hora depois de terem sido extrudidos, produz uma chama cuja altura é inferior a 11 cm.

Outros modelos de realização, objectos e vantagens tomar-se-ão visíveis a parir da descrição que se segue depois da sua leitura em conjunto com os desenhos em anexo, nos quais: - 12- A Fig. 1 mostra uma vista muito esquemática de um aparelho em que se desenrola o processo de acordo com a invenção e A Fig. 2 mostra uma vista também esquemática do condicionamento do C02 e da forma de alimentação no mesmo aparelho.

Em primeiro lugar, com referência à Fig. 1, o aparelho compreende uma amassadeira-extrusora 1 e uma misturadora dinâmica 2, dispostas em série ou em tandem. A amassadeira extrusora 1 recebe a carga inicial de polistireno e os habituais agentes de nucleação, plastificantes e aditivos, como indicado esquematicamente, por meio da tremonha de alimentação 3 que alimenta a referida carga inicial ou mistura na amassadeira-extrusora 1, que a plastifica e homogeneíza até fusão (com efeito, a plastificação e a homogeneização da matéria em fusão prosseguem continuamente através do aparelho até imediatamente antes da extrusão final). A estrutura geral da amassadeira-extrusora 1 é a de um aparelho de plastificação convencional e destina-se a funcionar a pressões acima dos 20 Mpa (cerca de 200 bar) e a temperaturas acima dos 225°C. Neste modelo de realização da invenção, a amassadeira-extrusora 1 está ainda equipada com dispositivos de injecção 4 e 5, para C02 e etanol, respectivamente, a temperaturas próximas de temperatura ambiente e a pressões na ordem de 20 Mpa (cerca de 200 bar).

Entre a amassadeira-extrusora 1 e a misturadora dinâmica 2 está instalado um dispositivo 6 para a injecção de H202 a uma temperatura próxima de temperatura ambiente e a uma pressão acima dos 20 Mpa (cerca de 200 bar). A finalidade da misturadora dinâmica 2 é a de manter a matéria em - 13 - fusão nas melhores condições para a sua extrusão final e produção de espuma que terá lugar no orifício de saída da matriz 7, instalado à saída da cabeça de extrusão final 8. Na misturadora dinâmica 2, a diluição da matéria em fusão com etanol e a dissolução de CO2 na matéria em fusão são contínuas. O arrefecimento da matéria em fusão por meio de um dispositivo de refrigeração assistido por um permutador, esquematicamente apresentado pelos passos de arrefecimento 9, 10, 11 e 12, também se dá na referida misturadora dinâmica 2. A cabeça de extrusão final 8 e o sua matriz 7, bem como o transportador 13 para descarregar espuma 14, não fazem parte da invenção e, portanto, devem ser considerados como sendo do tipo convencional.

No modelo de realização apresentado, uma primeira misturadora estática 15 e uma segunda misturadora estática 16, que serve para reforçar a acção de homogeneização da amassadeira-extrusora 1 e da misturadora dinâmica 2, são inseridos imediatamente a jusante da amassadeira-extrusora 1 e imediatamente a jusante da misturadora dinâmica 2, respectivamente.

Neste tipo de aparelho, descobriu-se ser vantajoso usar o acondicionamento de CO2 e as instalações para alimentação da Fig. 2. Estas instalações compreendem um primeiro tanque 20 para receber C02 de uma fonte exterior 21 (sendo 0 primeiro tanque 20 mantido sob condições de pressão e temperatura da mesma ordem das da fonte exterior 21), um segundo tanque 22 para CO2 que é mantido sob uma pressão de cerca de 7 Mpa (cerca de 70 bar), e uma bomba 25 para a injecção de CO2, através do dispositivo 4, para dentro da amassadeira-extrusora 1 e capaz de aumentar a pressão de CO2 de cerca de 7 Mpa (cerca de 70 bar) até cerca de 30 Mpa (cerca de 300 bar).

Preferivelmente, o fluxo de C02 a partir do primeiro tanque 20 até - 14-

Ι/MJ ao segundo tanque 22 é efectuado por meio de outra bomba 23, a jusante da qual está instalado um dispositivo de aquecimento 24 que aumenta a temperatura do CO2 à saída da outra bomba 23 até cerca de temperatura ambiente. O fluxo de C02 entre o segundo tanque 22 e a bomba de injecção 25 passa através de um dispositivo de refrigeração 26 que baixa a temperatura do C02 para evitar o seu sobreaquecimento durante o bombeamento do C02 para a amassadeira-extrusora 1, através do dispositivo 4. A bomba de injecção 25 é arrefecida para passar o refrigerante através da sua cabeça.

EXEMPLOS

Exemplo 1

Efeito do uso de polistireno de baixo peso molecular na produção de espuma induzida por CO?. apenas controlada por etanol

Em todas os Testes 1-6 a seguir indicadOs a espuma de polistireno é produzida por extrusão no aparelho acima descrito. A espuma obtida à saída das bordas da matriz 7 na extrusão final da matéria em fusão tem uma largura de 630 mm e uma espessura de 60 mm.

Numa primeira série de testes (Testes 1 e 2), uma mistura polimé-rica baseada em polistireno convencional de peso molecular (Mw) 200.000, índice de fluxo de fusão (MFI) 7,5 e VICAT 50 N (ISO 306 B 50) temperatura de amolecimento 102°C, é introduzida na amassadeira-extrusora 1 a uma velocidade de fluxo de 400 kg/h. A mistura inclui 0,4% de talco para regular 0 tamanho das células e 2,5% de hexabromociclododecano como agente de resistência ao fogo.

Depois de a mistura polimérica ter sido plastificada até fusão, 3,0 ppc (3,0 partes em peso por cada 100 partes em peso de mistura polimérica) do - 15 - (/Mj agente de sopro C02 e 4,1 ppc de etanol, como único agente de controlo, são in-jectadas na matéria em fusão.

As espumas produzidas são apenas aceitáveis.

Numa segunda série de testes (Testes 3 e 4), o polistireno convencional é substituído por polistireno de peso molecular (Mw) 130.000 (SEC), índice de fluxo de fusão (MFI) 200°C-5kg (ISO 1133H) 23 e VICAT 50 N (ISO 306 B 50) temperatura de amolecimento 101°C.

Notou-se que as pressões na amassadeira-extrusora 1 e na misturadora dinâmica 2 diminuem mas que a pressão na cabeça de extrusão final 8 é mantida, como desejado, acima da pressão crítica de C02.

Comparadas com os Testes 1 e 2, as espumas dos Testes 3 e 4 exibem uma superfície de extrusão regular e lisa em toda a sua extensão que é de melhor qualidade, sem qualquer deterioração das outras características técnicas.

Numa terceira série de testes (Testes 5 e 6), usou-se o mesmo polistireno de baixo peso molecular dos Testes 3 e 4 da segunda série e a quantidade de agente de controlo (etanol) foi reduzida até 3,1 ppc. Tal como pode ser visto no Quadro 1 (Testes 5 e 6), as pressões aumentam e atingem a mesma ordem de grandeza das que se observaram nos Testes 1 e 2. Deveria notar-se que a temperatura de referência da extrusão, tirada na cabeça de extrusão final 8, é da mesma ordem de grandeza.

Nestas novas condições (menos quantidade de agente de controlo), foram obtidas as mesmas boas características da espuma (incluindo uma boa qualidade da superfície de extrusão) como as que se observaram na segunda série - 16-

de testes.

Os resultados obtidos nos testes estão resumidos no Quadro 1.

Quadro 1 C02 EtOh P. P2 P3 Temp. Qualidade TESTE ppc ppc (Mpa) (Mpa) (Mpa) ref. °C superficial Densidade 1 3,0 4,1 15,3 11,6 8,5 109 A 40,2 2 3,0 4,1 14,7 11,5 8,1 107 A 40,0 3 2,8 4,0 11,7 11,3 8,1 111 B 37,4 4 2,9 4,1 12,6 11,5 8,2 112 B 38,6 5 3,2 3,1 14,3 12,7 8,4 109 B 39,9 6 3,2 3,1 13,2 12,7 8,2 108 B 39,2

Pi = pressão na amassadeira-extrusora 1. P2 = pressão na misturadora dinâmica 2. P3 = pressão na cabeça de extrusão final 8.

Temp. ref. = Temperatura de referência da extrusão, tirada na cabeça de extrusão final.

Qualidade superficial: A = Aceitável. Superfície bastante regular, sem buracos. B = Boa. Superfície lisa e regular. A partir dos resultados indicados no Quadro 1, pode deduzir-se que o uso de polistireno de baixo peso molecular produz espumas de melhor qualidade do que as que são obtidas com polistireno convencional, mantendo pessões inferiores (Testes 3 e 4) na amassadeira-extrusora 1 (Pi), sem reduzir as pressões (P3) na cabeça de extrusão final 8, 0 que seria indesejável. - 17-

l/MJ

Exemplo 2

Efeito do uso de TCP? + etanoll e ÍCCb + etanol + lUO^I

Todos os testes 7-13 a seguir indicados foram efectuados sob as mesmas condições descritas no primeiro parágrafo do Exemplo 1 atrás referido. Os produtos testados têm as espessuras indicadas no Quadro 2 que se segue.

Uma primeira série de testes (Testes 7-10) foi efectuada usando polistireno convencional (Testes 7 e 8) e polistireno de baixo peso molecular (Testes 9 e 10) usando etanol como único agente de controlo.

Numa segunda série de testes (Testes 11-13), uma mistura de polistireno de peso molecular (Mw) 130,000 (SEC), índice de fluxo de fusão (MFI) 200°C - 5 kg (ISO 1133 H) 23 e VICAT 50 N (ISO 306 B 50) temperatura de amolecimento 101°C, 0,6% de talco para regular o tamanho das células e 2,5% de hexabromociclododecano como agente à prova de fogo é introduzida na amas-sadeira-extrusora 1 a uma velocidade de fluxo de 450 kg/h.

Depois de a mistura polimérica ter sido plastificada até fusão, são injectadas 3,5 ppc (3,5 partes em peso para cada 100 partes em peso de mistura polimérica) do agente de sopro CO2, de 1 a 1,1 ppc de etanol e de 0,4 a 0,45 ppc de H2O2. A espuma de polistireno extrudido obtida de acordo com os Testes 11-13 exibe uma superfície de extrusão de boa qualidade com uma percentagem de células fechadas superior a 95%. O coeficiente de auto-extinção da espuma assim obtida é muito mais favorável do que nas amostras obtidas usando apenas etanol como agente de controlo (Testes 7-10), como indicado no Quadro 2 que se segue. Igualmente, exibem melhor estabilidade dimensional quando a espuma é - 18- (/ίΛη submetida a altas temperaturas.

Quadro 2 7 8 9 10 11 12 13 Mw PS (1) 200.000 200.000 130.000 130.000 130.000 130.000 130.000 Espessura (mm) 40 50 40 50 50 40 40 ppc C02 3,3 3,3 3,3 3,5 3,5 3,5 3,5 ppc Etanol 4,2 4,2 3,4 3,1 1,0 U 1,0 ppc H202 0 0 0 0 0,45 0,4 0,4 Pi (Mpa) 14,7 15,2 12,3 13,8 14,7 13,9 14,8 P2 (Mpa) 13,4 13,4 10,2 11,3 15,0 11,9 12,0 P3 (Mpa) 8,2 8,2 7,7 8,1 8,8 8,9 8,7 Temp. ref. (°C) 112 112 115 114 112 113 114 Densidade (kg/m1 2 3) 38,2 38,8 41,0 41,2 38,4 36,4 36,8 % Células fechadas (2) 95,7 95,0 96,1 97,5 98,4 96,4 96,6 Estab. Dimens. (3) Ext.. -6,8 -4,9 -6,6 2,0 -3,5 -4,1 -3 Trans. -6,5 -7,0 -6,7 -10,3 -4,9 -2,4 -1,5 Esp. -6,7 -9,5 -3,8 -8,8 -2,3 -0,4 0 Coef. Auto-ext. (4) Altura da chama 16,5 18,0 15,0 15,0 9,0 8,0 10,0 Tempo 17,5 16,0 14,0 14,0 10,5 10,9 10,7 1 = Peso molecular do polistireno 2 = Aparelho de micromerística 3 = Estabilidade dimensional medida após 30 dias; os espécimes de teste são -19-

Uuí submetidos a 70°C durante 2 dias. Ext. = Direcção da extrusão final; Trans. =

Direcção transversal; Esp. = Direcção da espessura (4) = Coeficiente de auto-extinção medido uma hora depois da produção.

No teste para determinar o coeficiente de auto-extinção, foi utilizado o seguinte protocolo: Número e tamanho das amostras de teste: 4 amostras de teste com um tamanho de 90 mm x 190 mm foram cortadas da placa a ser testada. A espessura da amostra de teste é a da placa original até 60 mm. As placas com mais de 60 mm de espessura são cortadas em placas de 60 mm de espessura.

Procedimento de Teste: A amostra de teste é ligada a um suporte. Usa-se um queimador e a altura da sua chama é ajustada até 20 mm. O queimador é deslocado na direcção horizontal até a chama estar a uma distância de 15 mm da face traseira da amostra de teste. Após 15 segundos, o queimador é removido. Segue-se a medição da altura máxima que a chama atinge (na face traseira da amostra de teste) e do tempo que a chama leva a extinguir-se, quer antes quer depois de o queimador ser removido.

Exemplo 3

Efeito da alimentação em excesso de EEO?

Uma mistura de polistireno de baixo peso molecular e aditivos, como no anterior Exemplo 2, é introduzida no aparelho (Testes 11-13). São injectadas 3,5 ppc do agente de sopro, CO2, 1 ppc de etanol, como primeiro agente de controlo, e 1 ppc de H2O2 como segundo agente de controlo. -20-

Depois de o processo ter estabilizado, a quantidade de H202 é aumentada constantemente. Logo que esta quantidade atinge as 3 ppc, o processo começa a destabilizar. A pressão na amassadeira-extrusora 1 começa a apresentar grandes variações, entre 10 e 15 Mpa (cerca de 100 e 150 bar). É então notado que a corrente do motor da misturadora dinâmica 2 também varia. Estas variações indicam que a matéria em fusão não é homogénea porque os agentes de controlo e de sopro não estáo a ser incorporados adequadamente na matéria em fusão.

Depois de adicionar H202 a 3 ppc durante 30 min., começam a surgir buracos na superfície da espuma provocados por bolsas de gás ou de agentes de controlo não misturados. A espuma toma-se, então, instável e a sua largura varia constantemente, e começam a surgir zonas de material duro que solidificou rapidamente, possivelmente também devido às bolsas de gás ou de agente de controlo. A quantidade de H202 é reduzida para 2,5 ppc e, gradualmente, o processo estabiliza.

Exemplo 4

Efeito da omissão de ELO? e da alimentação excessiva de etanol

Uma mistura de polistireno de baixo peso molecular e aditivos, como no anterior Exemplo 3, é introduzida no aparelho. São injectados 3,5 ppc do agente de sopro C02 e 4,5 ppc do agente de controlo etanol.

Esta matéria em fusão é extrudida através das bordas da matriz de -21 - extrusão final 7, produzindo uma espuma de 360 mm. A espessura desta espuma à saída do elemento de medição da matriz, medida com um calibrador de cursor a 3 pontos ao longo da sua largura é, em média, de 51 mm. Quando a espuma atinge o cortador convencionalmente colocado a jusante da matriz 7 (tempo decorrido 15 min.), a espessura é medida outra vez em toda a largura da placa, produzindo um valor médio de 47 mm. Assim, a espessura diminuiu 4 mm. A quantidade de etanol é aumentada até 7 ppc e a de CO2 é reduzida para 2,5 ppc. A espessura é medida mais uma vez à saída do elemento de medição da matriz e, quando a espuma atinge o cortador. Nestas condições, a espessura diminuiu 9 mm. O teste prosseguiu, não se introduzindo mais agente de sopro CO2 e injectando apenas etanol, a 9 ppc. Após 30 min., observa-se uma alteração na \ estrutura da espuma. A primeira vista verifica-se que o tamanho das células é muito maior do que em todos os testes anteriores. A espessura da placa aumentou até 55 mm à saída do elemento de medição da matriz. Contudo, ao atingir o cortador (tempo decorrido 15 min.), a placa tem uma espessura de 26 mm, em média. Assim, a espessura diminuiu 29 mm. Além disso, quando se usa apenas etanol como agente de sopro, as paredes tendem a afundar.

Os especialistas na técnica verificarão que são possíveis muitas modificações e variações na prática da invenção atrás descrita, as quais estão abrangidas pelo âmbito definido pelas reivindicações que se seguem.

Lisboa, 11 de Julho de 2001

Agente Oficial da Propriedade Industriai RUA VtCTOR CORDON, 14 1200 LISBOA

Claims

/ -1- ^ REIVINDICAÇÕES 1. Processo para produzir espuma de polistireno, no passo inicial de cujo processo uma mistura de polistireno, com agentes de nucleação, plastificantes e aditivos habituais, é plastificada a uma pressão e temperatura re-spectivamente acima de pressão atmosférica e temperatura ambiente para formar uma matéria em fusão que é repentinamente descomprimida e arrefecida até pressão atmosférica e temperatura ambiente ao ser extrudida através de uma matriz de extrusão final em cujo processo um agente de sopro destinado a induzir a desejada produção de espuma e consistindo apenas em CO2 é injectado na matéria em fusão de maneira que o referido agente de sopro seja dissolvido na matéria em fusão, caracterizado pelo facto de um primeiro e um segundo agentes de controlo serem também injectados na matéria em fusão, sendo o primeiro agente de controlo destinado a dissolver e arrefecer a matéria em fusão e consistindo em etanol, enquanto o segundo agente de controlo se destina apenas a arrefecer a matéria em fusão e consiste em H2O2, sendo a quantidade de etanol injectada apenas 0 suficiente para conseguir a maior dissolução possível de CO2 na matéria em fusão, e sendo a quantidade de H202 injectado de molde a que a produção de espuma induzida pelo etanol seja minimizada.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o etanol ser injectado na proximidade imediata do ponto de injecção de CO2 e o H202 ser injectado a jusante desse ponto, quando as injecções do agente de sopro e do etanol já arrefeceram parcialmente a matéria em fusão.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de, imediatamente antes da extrusão final, a matéria em fusão a ser extrudida compreender 2,25-5% em peso de CO2, 0,3-3,0% em peso de etanol -2- 1/Uη e 0,2-1,7% em peso de H2O2, sendo o restante polistireno e os habituais agentes de nucleação, plastificantes e aditivos.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de imediatamente antes da extrusão final, a matéria em fusão a ser ex-trudida compreender 3,0-4,0% em peso de C02, 0,6-1,25% em peso de etanol e 0,25-1% em peso de H202, sendo o restante polistireno e os habituais agentes de nucleação, plastificantes e aditivos.
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo facto de os perfis de temperatura e pressão do processo serem mantidos a valores de temperatura decrescentes na gama dos 200 a 100°C e a valores de pressão decrescentes na gama dos 20 a 7,6 Mpa (cerca de 200 a 76 bar), respectivamente, sendo o CO2 mantido sempre sob condições supercríticas até à extrusão final.
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo facto de o polistireno ter um peso molecular inferior a 150.000, um índice de fluxo de fusão de 20 g/10 min (ISO 1133H) e um VICAT VST B 50 (de acordo com o ISO 306 B 50) temperatura de amolecimento acima dos 100°C.
7. Aparelho para efectuar o processo de acordo com as reivindicações precedentes, compreendendo uma amassadeira-extrusora (1) e uma misturadora dinâmica (2) dispostas em série, a primeira das quais compreende meios para efectuar a plastificação inicial da mistura até uma matéria em fusão e a injecção de C02 e etanol, e a segunda das quais está munida com um dispositivo de refrigeração (9-12) e introduz a matéria em fusão na cabeça de extrusão (8) que transporta a matriz de extrusão final (7), havendo meios (6) para a in- -3- (Μη jecção de H2O2 entre a amassadeira-extrusora (1) e a misturadora dinâmica (2), caracterizado pelo facto de uma primeira misturadora estática (15) e uma segunda misturadora estática (16) estarem inseridas respectivamente imediatamente a jusante da amassadeira-extrusora (1) e imediatamente a jusante da mistura dinâmica (2), e o sistema (6) para a injecção de H202 estar colocado entre a amassadeira-extrusora (1) e a primeira misturadora estática (15).
8. Aparelho de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo facto de compreender, a montante da amassadeira-extrusora (1), um primeiro tanque (20) para receber CO2 a partir de uma fonte exterior (21), sendo o primeiro tanque (20) mantido sob condições de pressão e temperatura da mesma gama das da fonte exterior (21), um segundo tanque (22) para C02 no qual este é mantido sob uma pressão de 7 Mpa (cerca de 70 bar) e a temperatura ambiente, e uma bomba de injecção (25) para bombear CO2 a partir do segundo tanque (22) e injectá-lo na amassadeira-extrusora (1) e capaz de aumentar a pressão de C02 de 7 Mpa (cerca de 70 bar) até 30 Mpa (cerca de 300 bar).
9. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de o fluxo de C02 a partir do primeiro tanque (20) para 0 segundo tanque (22) ser efectuado por meio de outra bomba (23), a jusante da qual existe um dispositivo de aquecimento (24) que aumenta a temperatura do CO2 à saída da outra bomba (23) até cerca de temperatura ambiente.
10. Aparelho de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo facto de o fluxo de C02 entre o segundo tanque (22) e a bomba de injecção (25) passar através de um dispositivo de refrigeração (26) que baixa a temperatura de CO2 para evitar o seu sobreaquecimento durante a operação de bombeamento. -4- (/ΙΛ*Ιt
11. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo facto de a bomba de injecção (25) ser arrefecida.
12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo facto de o arrefecimento da bomba de injecção (25) ser efectuado pelo arrefecimento da cabeça da bomba.
13. Processo de acordo com as reivindicações 1-6, efectuado num aparelho de acordo com as reivindicações 7-12, caracterizado pelo facto de compreender os passos de: a) plastificar até fusão uma mistura de polistireno com os habituais agentes de nucleação, plastificantes e aditivos na amassadeira-extrusora (1), tendo o polistireno um peso molecular inferior a 150.000, um índice de fluxo de fusão de 20 g/10 min (ISO 1133H) e um VICAT VST B 50 (de acordo com ISO 306 B 50) temperatura de amolecimento acima dos 100°C; b) injectar na matéria em fusão, na amassadeira-extrusora (1), CO2 por um lado e etanol por outro, a uma pressão de 20 Mpa (cerca de 200 bar); c) transferir a matéria em fusão da amassadeira-extrusora (1) para a primeira misturadora estática (15) e injectar H2O2 na matéria em fusão (através de 6) entre a amassadeira-extrusora (1) e a primeira misturadora estática (15); d) homogeneizar a matéria em fusão na primeira misturadora estática (15); e) transferir a matéria em fusão a partir da primeira misturadora -5- U*H estática (15) para a misturadora dinâmica (2), na qual a homogeneização é acompanhada por um decréscimo na temperatura e na pressão a que a matéria em fusão é submetida; f) transferir a matéria em fusão a partir da misturadora dinâmica (2) para a segunda misturadora estática (16), na qual prossegue a diminuição da temperatura e da pressão a que a matéria em fusão é submetida; g) transferir a matéria em fusão da segunda misturadora estática (16) até à cabeça de extrusão final (8), na qual a temperatura e a pressão são controladas de maneira a se manterem próximas de 100°C e 7,6 Mpa (cerca de 76 bar), respectivamente, mantendo-se o C02 sempre abaixo de condições su-percríticas até à extrusão final; tendo-se como condições de funcionamento que: na altura da extrusão final, a fusão compreende 1,25-5% em peso de C02, 0,3-3,0% em peso de etanol e 0,2-1,7% em peso de H202, sendo o restante polistireno e os habituais agentes de nucleação, plastificantes e aditivos, os blocos ou placas produzidos, 42 dias após a sua produção e após terem sido submetidos a aquecimento a 70°C durante 2 dias, tenham sofrido um decréscimo em cada uma das suas dimensões lineares (comprimento, largura e espessura) inferior a 5% relativamente às dimensões originais, e que o teste para determinar o coeficiente de auto-extinção, efec-tuado nos referidos blocos e placas uma hora depois de terem sido extrudidos, -6- produza uma chama cuja altura seja inferior a 11 cm.
14. Os blocos ou placas produzidos usando o processo ou o aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-13, caracterizado pelo facto de, 42 dias após a sua produção e após terem sido submetidas a aquecimento a 70°C durante 2 dias, sofreram um decréscimo em cada uma das suas dimensões lineares (comprimento, largura e espessura) inferior a 5% relativamente à dimensão original.
15. Blocos e placas de acordo com a reivindicação 14, caracteri-zados pelo facto de o teste para determinar o coeficiente de auto-extinção, efec-tuado nos referidos blocos e placas uma hora depois de terem sido extrudidos, produzir uma chama cuja altura é inferior a 11 cm. Lisboa, 11 de Julho de 2001

LUtS SILVA CARVALHO Agente Oficial da Propriedade Industriai RUA VICTOR CORDON, 14 1200 USBOA