PT103101B - Processo de produção de peças plásticas por reacção, injecção e moldagem, e respectiva máquina - Google Patents

Processo de produção de peças plásticas por reacção, injecção e moldagem, e respectiva máquina Download PDF

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Jose Carlos Brito Lopes
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Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO VISA UM PROCESSO E MÁQUINA RIM ONDE HÁ UMA CÂMARA DE MISTURA (1) DE INJECTORES OPOSTOS (2, 3). A EFICIÊNCIA É MAXIMIZADA ATRAVÉS DA OPERAÇÃO EM REGIMES DE ESCOAMENTO COM ELEVADA DINÂMICA DE MISTURA, O QUE É GARANTIDO MEDIANTE A INTRODUÇÃO DE ESQUEMAS PARA: AFERIR O REGIME DE ESCOAMENTO NA CÂMARA DE MISTURA, PELA MEDIÇÃO DINÂMICA DA PRESSÃO A MONTANTE DOS INJECTORES (2, 3), MEDIANTE O EMPREGO DE MEIOS (5), E/OU FORÇAR O ESCOAMENTO A ESTADOS CAÔTICOS ATRAVÉS DA PULSAÇÃO DOS JACTOS OPOSTOS, ATRAVÉS DO EMPREGO DE MEIOS (6). SÃO TAMBÉM PROPOSTAS ALTERAÇÕES DE PROJECTO RELATIVAMENTE ÀS GEOMETRIAS TRADICIONAIS: DA CÂMARA DE MISTURA (1), PREVENDO-SE UMA CÂMARA PRISMÁTICA RECTANGULAR; DOS INJECTORES (2, 3), PREVENDO-SE INJECTORES ALONGADOS; E MESMO DO ESQUEMA DE INJECÇÃO DOS MATERIAIS, MEDIANTE O USO DE UM TERCEIRO INJECTOR (4).

Description

Processo de produção de peças plásticas por reacção, injecção e moldagem, e respectiva máquina
Domínio técnico / aplicações
Esta invenção concerne um processo de produção de peças plásticas por Reacção, Injecção e Moldagem (dito RIM), bem como o correspondente equipamento para fabrico de peças plásticas por moldagem, utilizando reacções de polimerização com cinéticas rápidas (poliuretanos, poliureias, silicone, poliamidas, poliésteres, polímeros vinílicos e acrílicos - ver Macosko e Lee (1978)). Este equipamento mistura os monómeros, catalizadores, iniciadores, solventes e aditivos, que iniciam uma reacção de polimerização e seguidamente são injectados num molde. 0 campo desta invenção é o do aumento do grau e qualidade da mistura das correntes iniciais antes de serem injectadas no molde.
aumento da qualidade e grau da mistura, com as alterações propostas nesta patente, permite alargar o domínio desta técnica aos seguintes campos:
• produção de plásticos de qualidade óptica com aplicações em sectores como a medicina e a indústria automóvel;
• uso de polimerizações em que seja necessário misturar componentes com grandes disparidades de caudais, como o caso dum iniciador e um monómero em polimerizações aniónicas (ver Vuillemin e Nowe (1996) e Vuillemin e Nowe (19 9 9)) .
A aplicação da presente invenção não se restringe a máquinas RIM, abrangendo todo e qualquer tipo de misturador/reactor de jactos que venha a adoptar qualquer uma das soluções técnicas aqui propostas com o objectivo de aumentar o grau e a qualidade da mistura.
Estado da arte processo RIM, tal como utilizado na produção de poliuretanos e outros polímeros, encontra-se largamente difundido, mas os mecanismos subjacentes ao seu funcionamento são mal conhecidos. 0 facto do coração deste processo ser a injecção de dois jactos opostos com velocidades compreendidas entre 10 e 100 m/s, em câmaras cilíndricas com diâmetro típico de 10 mm, apresenta enormes dificuldades à compreensão e conhecimento dos mecanismos de mistura. Em contrapartida, sabe-se que a mistura influencia de forma crítica as propriedades dos polímeros produzidos no processo RIM (Kolodziej, et al. (1982) e Kolodziej, et al. (1986)). No processo RIM em condições de má mistura verifica-se a ocorrência de fenómenos como a existência de pontos húmidos, devido a fracções do monómero não polimerizadas, e heterogeneidade das características físicas do polímero.
Um dos factos conhecidos sobre o processo existência de dois regimes de escoamento distintos na câmara de mistura (Teixeira • Um regime onde a mistura dos dois monómeros injectados inexistente:
separadamente na câmara é praticamente caracterizado pela estacionaridade do escoamento.
• Um regime de escoamento caótico, em que há formação de vórtices, que promovem a mistura dos reagentes e fortes oscilações dos jactos.
Os referidos problemas de mistura neste processo devem-se à operação do reactor em regime de escoamento estacionário, mesmo que apenas durante curtos períodos.
Sobre as condições de operaçao e de projecto que favoreçam a obtenção de regimes de escoamento caótico, o único facto firmemente estabelecido é que para fluidos com viscosidade acima dos mPa.s e razao das energias cinéticas dos
jactos igual a um, a transiçao entre os dois regimes
ocorre a um número de Reynolds crítico, de 120 (Santos
(2003) ) , em que o número de Reynolds é baseado nos
injectores e definido como:
Re =
PVinjd em que p e μ sao a massa volúmica e a viscosidade do fluido, respectivamente, d é injectores e ulnj a velocidade Experimentalmente verificou-se o diâmetro hidráulico dos superficial nos injectores.
que mesmo acima do número de Reynolds crítico o escoamento pode encontrar-se em estado estacionário durante curtos períodos.
Devido ao pouco conhecimento existente sobre os mecanismos de mistura e as condições que os favorecem, o projecto das câmaras de mistura para o processo RIM é baseado essencialmente na experiência do projectista e em abordagens de tentativa/erro. Algumas das tentativas para melhorar a mistura em máquinas RIM baseiam-se no acoplamento de obstáculos na câmara de mistura (ver por exemplo Wallner (1987) e Wallner (1988)). A orientação dos jactos também foi proposta por forma a aumentar a homogeneidade da mistura à saída da câmara de mistura (ver Macosko e Mclntyre (1984), Decker (1993) e Nenncker (1996)) . 0 aumento da turbulência dos jactos foi também proposto por Reilly e Michels (1989), pela introdução de uma placa perfurada à saída dos injectores. Configurações geométricas para sistemas químicos específicos, como, por exemplo, o dos poliuretanos (ver Schulte, et al. (2001)), foram também avançadas.
Um estudo de 10 anos, efectuado na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (Teixeira (2000) e Santos (2003)), aplicando as mais avançadas técnicas para caracterização do escoamento, permitiu o conhecimento da hidrodinâmica neste reactor e da influência dos vários factores. Neste estudo demonstrou-se a capacidade de obtenção de elevada homogeneidade da mistura dos monómeros reactivos neste processo, numa câmara sem obstáculos e de jactos opostos, tendo-se verificado, em particular, que o mecanismo de formaçao de vórtices determina o valor da frequência de oscilação natural dos jactos (ver Santos também verificado que a má mistura neste processo é principalmente devida a condições operatórias.
As conclusões do estudo hidrodinâmico estão subjacentes à presente invenção cujas principais caracteristicas, contudo, só puderam ser ulteriormente determinadas, mediante a busca de meios e procedimentos concretos visando aplicaçao real exequibilidade em ambiente industrial, bem como as simulações ensaios correspondentes.
Tal assim, tanto para as caracteristicas da máquina da invenção, designadamente a nível da configuração geométrica da câmara de mistura e/ou dos injectores, como em termos da operaçao do processo. Em qualquer dos casos, as caracteristicas da invenção visam máquinas ou equipamentos, nomeadamente máquinas RIM, e processos de mistura/reacção de jactos, designadamente processos de Reacção, Mistura e Injecção, que operem garantidamente em regimes de escoamento com elevada eficiência de mistura.
Descrição da invenção
De acordo com a invenção, a abordagem do problema técnico (aumento da eficiência da mistura, em grau e homogeneidade) é feita mediante o recurso à avaliação da pulsação, medindo dinamicamente a pressão, e/ou à introdução artificial de uma pulsação no escoamento - a qual se combina com a pulsação natural do escoamento em regime caótico - medição e/ou introdução essas que ocorrem preferencialmente a montante dos injectores.
Segundo a invenção, para além de concretizações do processo que recorrem individualmente a um desses modos operatórios relacionados, está prevista uma concretização que recorre a ambos em simultâneo, assim como uma outra em que a pulsação introduzida artificialmente é ajustada - em frequência e/ou amplitude - por meios automáticos, em função da medição dinâmica feita da pressão.
Concretizações preferenciais preconizam o uso de transdutores de pressão diferencial, para a medição dinâmica da pressão, e o emprego, para a pulsação introduzida artificialmente, de frequências múltiplas ou sub-múltiplas da frequência natural do escoamento.
Por outro lado, a invenção respeita também a uma máquina ou equipamento para implementação do processo anteriormente descrito, estando previstos, em particular, para além de uma câmara de mistura e reacção provida de pelo menos dois injectores opostos, meios de medição dinâmica da pressão e/ou meios de introdução de determinada frequência e amplitude impostas nos jactos dos injectores, podendo estes ter como entrada os resultados daquela medição, com vista ao ajuste automático do regime do escoamento.
Do mesmo modo, estão também previstas configurações especificas da câmara e/ou dos injectores, quanto a estes seja em termos da correspondente forma, seja do seu número e posicionamento, estando previstas, em particular, concretizações com base em dois injectores opostos associados a um injector suplementar, injector suplementar este que, segundo uma concretização preferencial, é axial em relação à câmara de mistura.
Câmaras prismáticas e injectores rectangulares, assim como câmaras cilíndricas e injectores alongados segundo uma direcção transversal à do eixo da câmara, são exemplos de configurações preferenciais previstas.
Descrição dos desenhos
As figuras anexas, apresentadas a titulo exemplificativo e não limitativo, ilustram a máquina segundo a invenção, bem como o correspondente processo, e, em particular, algumas das suas concretizações preferenciais. Assim temos:
- Figura 1: Esquema duma câmara de mistura duma máquina RIM com: uma câmara de mistura e reacção, com dois injectores opostos, um terceiro injector, um transdutor de pressão e dois dispositivos para pulsação dos jactos.
- Figura 2: Esquema duma câmara de mistura duma máquina RIM com um pistão de limpeza, circuito de recirculação e um terceiro injector com o respectivo circuito de alimentação.
- Figura 3: Câmara de mistura cilíndrica com injectores alongados.
- Figura 4: Câmara de mistura prismática rectangular.
- Figura 5: Pormenor da câmara de mistura cilíndrica na zona dos injectores opostos.
- Figura 6: Algumas geometrias possíveis para injectores alongados.
Descrição detalhada da invenção
Seguidamente, faz-se uma descrição mais detalhada da presente invenção, com base nas citadas figuras, onde os elementos aí expressamente referenciados são:
- câmara de mistura e reacção;
2,3 - injectores opostos;
- terceiro injector;
- transdutor de pressão;
- meios de introdução de pulsação;
- pistão de limpeza;
- circuito de recirculação;
- circuito de alimentação do terceiro injector;
- dimensão, do injector alongado, paralela à direcção do eixo longitudinal da câmara 1;
d2 - dimensão, do injector alongado, transversal à direcção do eixo longitudinal da câmara 1;
r2 - oj/2
A máquina segundo a presente invenção compreende, como se mostra na Figura 1, uma câmara (1) de mistura e reacção, de jactos opostos (2, 3), posicionados a uma distância do topo fechado da câmara aproximadamente igual a metade do diâmetro da câmara. A câmara de mistura e reacção é um canal em que uma das extremidades é fechada por um pistão (7), para limpeza da câmara e paragem do processo, como se mostra na Figura 2, e a outra extremidade é uma saída aberta para um molde (não representado). A invenção contém alterações aos procedimentos normalmente usados neste tipo de processo e às geometrias tradicionais, como a usada, por exemplo, em Wingard e Leidal (1978).
Segundo a invenção, propõe-se um procedimento para controlo do processo a partir da leitura dinâmica da pressão a montante dos injectores, por exemplo com um transdutor de pressão diferencial (5), como esquematizado na Figura 1. Como a formação de vórtices com oscilação dos jactos não ocorre em regime de escoamento estacionário, a leitura dinâmica da pressão permite determinar em que regime se encontra o escoamento no interior da câmara (1).
Propõe-se também a pulsação dos jactos através da indução de uma frequência de oscilação do caudal dos jactos. A indução de oscilações nos jactos permite operar o reactor
garantidamente a regimes de escoamento associados a uma
alta eficiência de mistura
Propõe-se ainda, a título preferencial, a indução de
oscilações dos jactos com frequências múltiplas da
frequência de oscilação natural dos jactos, que forcem a formação de vórtices de menores dimensões, permitindo redução das escalas da mistura.
Os reactores tradicionais de jactos opostos apresentam graves deficiências operatórias para reacções em que as razões de caudais dos reagentes são demasiado dispares, como, por exemplo, no caso das polimerizações aniónicas, em que o monómero é misturado com um iniciador. Com o objectivo de alargar a gama de aplicações destes reactores, propõe-se, segundo a invenção, que: para razões de caudais entre as correntes de alimentação superiores a 10, o reagente com maior caudal, seja injectado em iguais quantidades por cada um dos injectores opostos (2 e 3); e o reagente com menor caudal seja introduzido por um terceiro injector (4) . O terceiro injector deverá estar localizado na região de impacto dos jactos opostos. As Figuras 1 e 2 apresentam um esquema para implementação desta proposta, em que um dos reagentes é dividido pelos dois injectores opostos e o outro injectado no ponto de impacto dos jactos opostos.
De acordo com a invenção, propõe-se também uma alteração à geometria da câmara (1), para uma câmara prismática rectangular, Figura 4, com dois injectores (2, 3) opostos que se prolongam ao longo de toda a largura da face da câmara (1), ou seja, da dimensão cuja direcção é ortogonal à do eixo longitudinal da dita câmara. Para esta geometria a equalização da energia cinética dos jactos opostos faz-se pela razão das aberturas dos injectores, , Figura 6.
Por outro lado, para o caso das câmaras cilíndricas, propõe-se a utilização de injectores (2, 3) alongados na direcção normal ao eixo da câmara de mistura, como se pode ver na Figura 5, em substituição dos tradicionais injectores circulares. Algumas configurações geométricas para injectores (2, 3) alongados são apresentadas na Figura 6.
Os injectores (2,
3) alongados devem estar centrados e alinhados, e ter a mesma dimensão d2 no sentido normal ao eixo da
Figuras e 6 . Para equalizar a energia cinética dos jactos é alterada dimensão do injector com a mesma direcçao do eixo da câmara de mistura, oj.
Inovação e vantagens do invento
Os regimes de escoamento caótico estão associados a fortes oscilações dos jactos, com frequências típicas que dependem da geometria da câmara e do caudal de injecção. As oscilações dos jactos provocam flutuações da pressão nos injectores, pelo que a leitura da pressão a montante dos injectores, e a determinação da frequência das suas oscilações, podem ser usadas para aferir o regime de escoamento em que o reactor se encontra a operar. A aferição do regime de escoamento permite corrigir as condições operatórias do processo, que são a principal causa da ocorrência de regimes de escoamento estacionário na câmara (1) de mistura e reacção, mesmo para números de Reynolds superiores ao número de Reynolds crítico.
A alimentaçao pode também ser pulsada por forma a forçar as oscilações do escoamento garantindo a operaçao do reactor com alta eficiência de mistura, ou seja, em regime de escoamento caótico. A pulsaçao dos promove a eliminação dos períodos jactos também transientes de escoamento estacionário que se observam experimentalmente.
Usando múltiplos da frequência de oscilação natural dos jactos é possível quebrar as estruturas típicas do escoamento reduzindo as escalas da mistura e consequentemente aumentando a homogeneidade da mistura.
Em certas aplicações as razões entre reagentes são demasiado dispares para a utilização deste misturador. A injecção do reagente com maior caudal, igualmente distribuído pelos dois jactos opostos, permite obter um escoamento com uma forte dinâmica de mistura, no seio do qual é injectado o reagente de menor caudal. A injecção é feita no ponto de impacto dos jactos onde a dinâmica do escoamento é mais forte. Este esquema permite uma grande homogeneidade do escoamento pelo que os tamanhos das macromoléculas no final do processo devem apresentar uma distribuição muito estreita, logo um material final com grande homogeneidade de características.
A divisão dum dos reagente pelos injectores opostos, com o balanceamento perfeito das condições em ambos os injectores, permite garantir a operação do reactor em regime caótico a números de Reynolds acima dos 120. Adicionalmente a diferença de pressões entre os injectores opostos é anulada, o que permite: dispensar os restritores de caudal; e operar o processo a baixas pressões.
As câmaras de mistura e reacção prismáticas rectangulares com a configuração proposta na presente invenção, apresentam as seguintes vantagens, quando comparadas com câmaras cilíndricas de injectores circulares:
• Para o mesmo número de Reynolds baseado nos injectores a câmara prismática proposta apresenta menores tempos de passagem do fluido e mais rápido enchimento do molde. A diminuição do tempo de passagem e do tempo de enchimento do molde permite que o grau de conversão do polímero durante o processo seja menor, logo a viscosidade é menor. A operação a mais baixas viscosidades é vantajosa para o enchimento do molde;
• Os injectores rasgados ao longo de toda a largura da face também permitem que uma maior região da câmara de mistura seja ocupada pelo impacto dos jactos opostos, que é o mecanismo que origina toda a dinâmica de mistura nestes reactores (ver Teixeira, 2000);
A configuração proposta para câmara de mistura prismática, apresenta, para mesmo número de
Reynolds baseado nos injectores, números de Reynolds na câmara de mistura mais altos logo expandindo as regiões de mais forte dinâmica do escoamento (ver
Teixeira , 2000 e Santos,
O facto de os injectores nao serem circulares permite que ao serem alterados para equalizaçao da energia cinética dos jactos opostos se mantenha zona de impacto dos j actos ao longo de toda a linha d2 do injector.
Neste escoamento os vórtices têm um eixo de rotaçao perpendicular ao plano definido pelo eixo da câmara de mistura e pelo centro dos injectores. A câmara prismática rectangular tem paredes normais ao eixo de rotaçao dos vórtices, que impede o crescimento dos vórtices pelo mecanismo de vortex stretching. O mecanismo de vortex stretching responsável pela dissipação dos vórtices, pelo que anulaçao deste mecanismo permite que os vórtices se mantenham em evolução na câmara até zonas mais afastadas do ponto de impacto dos jactos.
Como os vórtices sao o principal mecanismo de mistura, a câmara prismática promove o aumento da dinâmica de mistura relativamente às câmaras cilíndricas.
A introdução de injectores alongados em câmaras de mistura cilíndricas pode apresentar algumas das vantagens das câmaras de mistura prismáticas rectangulares relativamente às câmaras cilíndrica de injectores circulares:
• Menores valores de tempo de passagem para o mesmo número de Reynolds baseado nos injectores;
• Maior percentagem do volume da câmara ocupada pela zona de impacto dos jactos;
• Maiores números de Reynolds na câmara de mistura, para o mesmo valor do número de Reynolds baseado nos injectores.
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Claims (19)

1. Processo de produção de peças por Reacção, Injecção e Moldagem, no qual é realizada uma medida de pressão, caracterizado por compreender uma etapa de medição dinâmica da pressão, com avaliação da pulsação, tanto em frequência como em amplitude, a que está sujeito o regime de mistura e reacção, e subsequente determinação do número de Reynolds e regime efectivo de escoamento dentro da câmara de mistura e reação (D ·
2, caracterizado por a medida dinâmica da pressão ser feita com recurso a um transdutor (5) de pressão diferencial, com as tomadas de pressão colocadas a montante dos
2. Processo de acordo com a reivindicação n.° 1, caracterizado por a medida dinâmica da pressão ser feita a montante dos injectores (2,
3).
Processo de acordo com a reivindicação
4. Processo de acordo com a reivindicação n.° 1, caracterizado por ser introduzida artificialmente uma pulsação, com determinada frequência e amplitude impostas nos jactos dos injectores (2, 3).
5. Processo de acordo com a reivindic ;açao n. 0 4, caracterizado por a pulsação introduzida artificialmente ser de frequência múltipla ou
submúltipla da frequência natural.
6. Processo de acordo com as reivindicações 1 e 4, caracterizado por ser introduzida artificialmente uma pulsação nos jactos dos injectores (2, 3) e por ser medida a pulsação em tais jactos, resultante da combinação da pulsação introduzida artificialmente com a pulsação natural directamente resultante do regime de mistura e reacção.
7. Processo de acordo com as reivindicações 1 e 5, caracterizado por ser introduzida artificialmente uma pulsação nos jactos dos injectores (2, 3) e por ser medida a pulsação em tais jactos, resultante da combinação da pulsação introduzida artificialmente com a pulsação natural directamente resultante do regime de mistura e reacção.
8. Processo de acordo com as reivindicações 2 e 4, caracterizado por ser introduzida artificialmente uma pulsação nos jactos dos injectores (2, 3) e por ser medida a pulsação em tais jactos, resultante da combinação da pulsação introduzida artificialmente com a pulsação natural directamente resultante do regime de mistura e reacção.
9. Processo de acordo com as reivindicações 2 e 5, caracterizado por ser introduzida artificialmente uma pulsação nos jactos dos injectores (2, 3) e por ser medida a pulsação em tais jactos, resultante da combinação da pulsação introduzida artificialmente com a pulsação natural directamente resultante do regime de mistura e reacção.
10. Processo de acordo com as reivindicações 3 e 4, caracterizado por ser introduzida artificialmente uma pulsação nos jactos dos injectores (2, 3) e por ser medida a pulsação em tais jactos, resultante da combinação da pulsação introduzida artificialmente com a pulsação natural directamente resultante do regime de mistura e reacção.
11. Processo de acordo com as reivindicações 3 e 5, caracterizado por ser introduzida artificialmente uma pulsação nos jactos dos injectores (2, 3) e por ser medida a pulsação em tais jactos, resultante da combinação da pulsação introduzida artificialmente com a pulsação natural directamente resultante do regime de mistura e reacção.
12. Processo de acordo com qualquer das reivindicações
n.°s 6 a 11, caracterizado por a pulsação introduzida artificialmente ser automaticamente ajustada, em
frequência dinâmica fe e/ou íita da amplitude, em pressão. função da medição 13. Máquina de produção de peças por Reacção, Injecção e Moldagem, dotada de uma câmara (1) de mistura e
menos dois injectores opostos reacçao, provida de pelo avaliaçao amplitude caracterizada da pulsaçao, por tanto que está sujeito compreender meios em frequência como o regime de mistura de em reaçao.
13 a 15, caracterizada por a câmara (1) de mistura e reacção ser cilíndrica, por os injectores opostos (2, 3) serem alongados, tendo a mesma dimensão d2 normal ao eixo da câmara (1), e por a equalização da energia cinética dos jactos opostos ser feita pela regulação e/ou fixação exclusivamente da abertura .
13 a 15, caracterizada por a câmara (1) de mistura e reacção ser prismática rectangular, por os injectores opostos (2, 3) serem rectangulares, estendendo-se por toda a largura da correspondente face do prisma, e por a equalização da energia cinética dos jactos opostos ser feita pela regulação e/ou fixação exclusivamente da abertura όξ .
14 .
Máquina de acordo com a reivindicação 0 13, caracterizada por compreender introdução de uma pulsaçao com uma determinada frequência e amplitude impostas nos jactos dos injectores (2, 3).
15. Máquina de acordo com as reivindicações n.°s 13 e 14, caracterizada por os meios (6) de introdução de uma pulsação artificial, com determinada frequência e amplitude impostas, serem influenciados pelo resultado da medição dinâmica da pressão, feita pelos meios (5).
16. Máquina de acordo com qualquer das reivindicações n.°s
17. Máquina de acordo com qualquer das reivindicações n.°s
18. Máquina de acordo com qualquer das reivindicações n.°s 13 a 17, caracterizada por uma das correntes de alimentação ser injectada por um injector adicional (4) que injecta tal corrente na zona do impacto dos jactos opostos.
19. Máquina de acordo com a reivindicação n.° caracterizada por o injector adicional (4) ser relativamente à câmara (1).
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