PT90950B

PT90950B - Processo e dispositivo para a preparacao de microesferas termoplasticas expandidas

Info

Publication number: PT90950B
Application number: PT90950A
Authority: PT
Inventors: Jorgen Petersen; Lars-Olov Svedberg
Original assignee: Casco Nobel Ab
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1989-06-22
Publication date: 1994-06-30
Also published as: DK173520B1; EP0348372B1; NO892604D0; AU620879B2; DE68913235D1; ES2050844T3; JPH0256240A; DE68913235T2; AU3670789A; ATE101823T1; US5484815A; KR100196539B1; FI893040A0; EP0348372A3; PT90950A; US5585119A; NO892604L; FI893040A; CA1329685C; FI95354B

Description

O presente invento refere-se a umprocesode produção de microesferas termoplásticas expandidas, mais particularmente a um processo de produção de microesferas termoplásticas expari didas sem formação de aglomerado, e a um aparelho para expandir as ditas microesferas.

A produção e o uso de microesferas termoplásticas expari didas é descrito em, inter alia, a especificação de patente U.S. 3 615 972. Os invólucros termoplásticos das esferas podem consistir em, por exemplo, polímeros ou copolímeros que tenham sido polimerizados a partir de monómeros tais como cloreto de vinilo, cloreto de vinilideno, acrilonitrilo, metilmetacrilato, ou estireno, ou misturas dos mesmos. 0 tamanho de partícula, das esferas não expandidas, e, assim, das esferas expandidas, pode variar dentro de largos limites e é seleccionado com base nas propriedades desejadas para o produto final. Como exem pios de tamanhos de partícula de esferas não expandidas, pode ser feita menção de 1 yun a 1 mm, preferivelmente de 2 yun a 0,5 mm, e especialmente de 5 yun a 50 ^m. Quando da expansão, o diâmetro das microesferas aumenta de um factor de 2 a 5. As esferas não expandidas contêm agentes de sopro de líquido volátil que são gasificados quando do fornecimento de calor. Quando o calor é fornecido, o invólucro do polímero amolece e as esferas expandem-se quando o agente de sopro é gasificado. Os agentes de sopro podem sonsistir de freons tais como triclorofluormetano, hidrocarbonetos tais como n-pentano, iso-pentano, neopen. tano, butano, iso-butano ou outros agentes de sopro convencionalmente empregues em microesferas do tipo aqui referido. 0 agente de sopro constitui preferivelmente 5-30 $ em peso do peso da microesfera. Um exemplo de um apropriado e comercialmente disponível produto para microesfera é Expancel(R)que tem um invólucro termoplástico de copolímero de acrilonitrilo/cloreto de vinilideno e isobutano como agente de sopro.

As microesferas termoplásticas expandíveis da US 3 615 972 são produzidas numa suspensão aquosa. A água do processo é re

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movida por, por exemplo, sedimentação, centrifugação ou filtra ção, ou por alguma outra técnica conveniente. As microesferas são obtidas na forma de um bolo húmido tendo um conteúdo de s<5 lidos secos de cerca de 65$. As microesferas não expandidas podem ser usadas como tal para em expansão local, isto é as e£ feras são misturadas com diferentes tipos de materiais que são então aquecidos para fazer expandir as microesferas. Exemplos de aplicações comerciais, deste tipo, são o papel, o cartão e a tinta de impressão.

As microesferas termoplásticas têm também aplicação, quando a temperatura não é aumentada durante o processo, ou a temperatura não é suficientemente alta para fazer expandir as microesferas. Para estas aplicações utilizam-se microesferas pré-expandidas que podem ser secas ou húmidas. Exemplos de aplicações comerciais para este tipo de microesferas é o polié_s ter para esferas secas e a tinta para as esferas húmidas.

São conhecidos processos para a produção tanto de micro> esferas expandidas húmidas como secas. A US 4 397 799 descreve um processo de secagem e expansão de microesferas, atomizando uma dispersão das esferas num líquido inerte por um gás inerte quente. A EP 112 807 descreve um processo para expansão de mi croesferas expandíveis, no qual uma pasta fluída de esferas não expandidas num líquido inerte é introduzida numa zona de pres são e expandida ao entrar em contacto com vapor de água. As esferas são então obrigadas a deixar a zona de pressão sofrendo uma considerável queda de pressão. Os factores importantes destes processos são o projecto do equipamento de expansão, as condições de processo, tais como temperatura, tempo, e a concentração de esferas dentro da pasta fluida. Sem adaptação sa tisfatória destes factores, é obtido um produto expandido que contém grandes quantidades de aglomerados, isto é, esferas expandidas cimentadas. Uma quantidade mínima de aglomerados (<1$) não pode ser evitada, porque as microesferas colam-se à parede do equipamento de expansão e subsequentemente tornam-se soltas, resultando em pequenos aglomerados. Uma quantidade mínima de aglomerados pode ser tolerada, mas é indesejada.

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A formação de aglomerado tem sido suposta depender inteiramente do carácter termoplástico das microesferas. Se a expansão ocorre a uma temperatura mais elevada que o normal, são obtidos um maior número de aglomerados. Um aumento de um ou dois graus é suficiente para causar dificuldades. A expansão de uma qualidade de microesferas tendo uma elevada tempera tura de transição para vidro requer uma temperatura de expansão maior, tendo como resultado um maior número de aglomerados ou uma maior tendência para aglomeração.

presente invento, tal como é descrito nas reivindica ções anexas, proporciona agora uma solução tecnicamente simples para a produção de microesferas termoplásticas expandidas tendo um conteúdo muito baixo de aglomerados. 0 invento é baseado na descoberta de que microesferas não expandidas que têm sido secas, para um certo conteúdo de sólidos secos, podem ser aquecidas de uma forma simples e expandidas em microesferas i£ teiramente livres, sem aglomerados. Contrariamente ao que podia ser esperado, verificou-3e que as esferas, embora sejam em termoplástico, não se colam conjuntamente se tiverem um conteú. do de sólidos seco excedendo 9Q% em peso antes da expansão.

Tem igualmente sido descoberto que as microesferas que têm sido secas para um conteúdo de sólidos secos excedendo 98% em pe_ so e então são de novo humedecidas, podem ainda ser expandidas sem se colarem umas às outras. 0 processo de secagem modifica as características da superfície das microesferas, isto é a tendência para se colarem conjuntamente tem sido removida.

Para se obterem microesferas livres de aglomerados, é importante que o processo de secagem seja levado a cabo de um modo satisfatório. As microesferas secas à temperatura ambien_ te e não sujeitas a qualquer espécie de trabalho formam uma massa granulosa cimentada semelhante a betão. Se esta massa é expandida, é obtido grande número de aglomerados, mas não microesferas expandidas livres. A secagem deve por conseguinte ser levada a cabo concorrentemente com trabalho mecânico ou ou tra forma de agitação.

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-50 presente invento obvia a necessidade de equipamento de expansão dispendioso e complicado descrito nas patentes anteriores. Para levar a efeito o processo do presente invento, as microesferas não expandidas secas podem ser expandidas numa cabina de aquecimento convencional com ventoinha e dispositivo de exaustão. As esferas podem ser colocadas em taças ou em ta buleiros. Esta técnica de expansão é tão simples que pode ser levada a cabo pelos utilizadores das microesferas expandidas. Isto significa que um utilizador pode proceder a partir de esferas expandidas, mais secas baratas e manejáveis, em vez de a partir de esferas expandidas que ele tinha de usar até agora e que são desvantajosas uma vez que são mais caras e têm volume várias vezes maior e, além disso, aumentam muito mais os proble_ mas de poeiras.

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E, com certeza, também possível usar um tipo diferente de equipamento de expansão para a expansão das microesferas se_ cas. Pode aqui ser feita menção à expansão por aquecimento por IV (infravermelhos), aquecimento por calor de radiação, por contacto com ar quente, ou por meio de microondas ou vapor de água. Além disso, um extrusor de parafuso aquecido,é um equipamento de expansão possível.

E especialmente preferido o aparelho de expansão descrito nas reivindicações. Ele compreende uma correia transpor tadora, um dispositivo para aquecimento por IV, um dispositivo para dosagem das microesferas não expandidas, e um dispositivo para recolha das esferas expandidas. Um tal equipamento de expansão é mais simples e menos dispendioso do que a técnica industrial anterior compreendendo, por exemplo , a secagem por pulverização. Verificou-se surpreendentemente, que este equipamento de expansão produz muito pouca poeira. A disposição das esferas expandidas na correia constitui uma ligação frouxa, sendo por isso evitada a poeira. Aparentemente assemelham -se a pequenos pedaços ou flocos de cereais. Depois de recolhi dos, contudo, as esferas têm características de livre fluxo, como as microesferas secas por pulverização. Em comparação com o processo de secagem por pulverização, no qual as esferas expandidas são frequentemente depositadas nas superfícies

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quentes, por exemplo, na câmara de secagem, tubagem e filtro, o equipamento de expansão do presente invento traz a vantagem de o seu transportador de correia não ter partes quentes, com excepção da correia. 0 ar que transporta as esferas expandidas a partir da correia é bastante misturado com ar à temperatura ambiente, por isso as esferas, quando deixam a correia, têm usualmente uma temperatura não excedendo os 3O2C.

As microesferas, inicialmente não expandidas e húmidas, devem ser secas sob a acção de qualquer forma de agitação, por exemplo, por trabalho mecânico ou por meio de um fluxo de ar, tal como num leito fluidizado. As esferas húmidas podem ser secas por exemplo sob agitação num misturador tipo Morton. Outros misturadores concebíveis são os misturadores planetários, misturadores de lâminas em Z, misturadores de hélice e dispersores. 0 conteúdo de sólidos secos a que é obtida expan. são sem aglomeração deve exceder 93% em peso, de preferência 99% em peso.

As microesferas apropriadas para serem usadas no processo de acordo com o presente invento podem ser produzidas a partir de, por exemplo, poliestireno ou copolímero de estireno e de até 40% em peso (baseado em estireno) de monómeros etilenicamen_ te insaturados copolimerizados, especialmente acrilonitrilo. Outros polímeros apropriados são copolímeros de cloreto de vinilideno e de até 40% em peso (baseado em cloreto de vinilideno) de acrilonitrilo ou cloreto de vinilo. Os copolímeros pre. feridos são 0-80% em peso de cloreto de vinilideno, 0-75% em peso de acrilonitrilo, e 0-70% em peso de metacrilato de metilo, e especialmente preferidos são 0-55% em peso de cloreto de vinilideno, 40-75% em peso de acrilonitrilo, e 0-50% em peso metacrilato de metilo. Contudo, o invento não é, de algum modo, restringido a estes, visto que o processo de acordo com o inven to pode ser usado com todos os tipos de microesferas termopláss ticas. Um tamanho de partículas conveniente para as microesf£ ras, está dentro da gama de 3-100 y*un, preferivelmente de 5-50 yixn.

As microesferas não expandidas secas podem, se desejado,

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-7ser misturadas com diferentes espécies de materiais de enchimento. Como materiais de enchimento apropriados podem ser men cionadas os que são capazes de resistir à temperatura de expan são das microesferas. E preferido usar materiais de enchimento inorgânicos tais como, por exemplo, talco, gesso, caulino e dolomito. 0 aparelho de expansão preferido será agora descrito com referência aos desenhos anexos nos quais:

a Eig 1 é uma vista lateral esquemática do aparelho de acordo com o invento; e a Eig 2 é uma vista lateral do dispositivo doseador.

aparelho compreende uma correia transportadora (A), um dispositivo (B) de aquecimento por IV, um dispositivo doseador (C) para as esferas não expandidas secas, e um dispositivo de recolha (D) para as esferas não expandidas. 0 transportador de correia compreende uma correia sem fim 1, correndo em torno.de dois roletes. A correia deve ser feita de teflon que tem excelentes caracteristicas de libertação e excelente resijs tência à temperatura. Para evitar que a correia seja carregada com electricidade estática, é recomendado o tratamento anti. -estático. Se for usado um pigmento preto electricamente condutor para o tratamento anti-estático, é obtida a vantagem adi. cional que a correia preta absorve o calor, o que significa uma expansão mais uniforme. Opcionalmente, a correia anti-estática pode ser suplementada com um condutor 2 de electricidade estática. 0 transportador de correia pode também ser proporcionado com uma placa de deslizamento 3 debaixo do cursor superior da correia transportadora. A placa de deslizamento tem duas funções. Com correias finas, funciona como um suporte para alisar a correia. As correias finas têm tendência para engrenar desigualmente a armação do transportador de correia A placa de deslizamento pode ser formada com um vão de alguma extensão e segura apenas numa extremidade, pelo que ela engrenará elasticamente e esticará a correia. A placa de deslizamento é segura a uma extremidade por meio de dois parafusos na armação do transportador de correia. A placa de deslizamento

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-8também confere à correia uma temperatura mais uniforme.

O dispositivo de aquecimento por IV (B) está localizado por cima da correia 1 e compreende um conveniente número de lâmpadas de IV para ondas curtas IV 4. As lâmpadas são montadas num suporte amovível. Para evitar o sobreaquecimento, o su porte pode ser arrefecido por ar 5. A potência da lâmpada pode ser controlada. Há duas possibilidades de controlar a temperatura. A potência da lâmpada IV pode ser controlada, ou a distância entre as lâmpadas e a correia pode ser alterada. A maneira mais fácil é controlar a potência e usar uma distância z

fixa entre as lâmpadas e a correia. E também possível montarlâmpadas de IV adicionais, se isto for necessário, para manter uma temperatura suficientemente alta. Estas lâmpadas adicionais podem ser montadas numa secção da correia onde não haja microesferas 6. A temperatura de expansão pode ser cerca de ÍOO^C, ou mais elevada, mas medições exactas não são necessárias. Por outro lado, a temperatura do ar que envolve as esfe, ras não deve exceder 25OSC, e uma temperatura conveniente do ar pode variar entre 80 e 2002C, preferivelmente entre 100^ e 15O2C.

As microesferas são doseadas para cima da correia, por meio de um dispositivo doseador (C) que pode ter a forma de um parafuso doseador 7 combinado com um alimentador vibratório 8 tendo dois vibradores mecânicos. 0 alimentador vibratório pode também ser munido com um componente de chapa metálica posicionada transversalmente ll perpendicular ao fundo para distribui, ção uniforme das esferas sobre a correia. Para promover, adici^ onalmente, a distribuição uniforme das microesferas para cima da correia, pode ser usada uma tela de crivagem que deve ser co locada depois do alimentador vibratório e assim as esferas cai. rão do alimentador através da tela de crivagem para cima da cor reia. 0 dispositivo doseador pode também consistir somente de um parafuso alongado 11; ver Pig 2. 0 parafuso é montado por cima da correia·, e o seu invólucro tem uma ranhura alongada longitudinalmente 12 através da qual as esferas são doseadas.

A extremidade livre do parafuso é aberta para descarregar qual.

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-9quer excesso de esferas. 0 dispositivo de recolha (D) é na for ma de um funil de recolha 9 ligado com os transportadores por vácuo 10.

Para operar o aparelho, arranca-se com o transportador de correia e lâmpadas de IV. A correia é aquecida pelas lâmpa das antes de se arrancar com o dispositivo doseador e transpor tadores por vácuo. As microesferas não expandidas secas são doseadas na quantidade desejada,para cima da correia e por isso forma-se uma camada uniforme de esferas sobre a correia.

As microesferas são então transportadas pela correia de uma ex tremidade da correia transportadora para a outra onde são recolhidas pelo funil de recolha e aspiradas pelos transportadores por vácuo. Quando as microesferas são transportadas pela correia de uma extremidade da correia transportadora para a outra, passarão pelas lâmpadas de IV para serem aquecidas e expandidas. Os transportadores por vácuo transportam as microesferas expandidas soltas e acabadas, para um recipiente de recolha conveniente 11. A velocidade da correia, a potência das lâmpadas de IV, e a qualidade doseada de microesferas são parâmetros que devem ser controlados, o que é facilmente feito pelo operador da instalação para cada instalação separada e para os vários tipos de microesferas para lhes conferir a desejada densidade.

Exemplo

Para ilustrar a importância do conteúdo de sólidos secos, para se obter esferas expandidas sem aglomerados, foram realizados vários testes em que esferas com conteúdos de sólidos secos variados, foram expandidos. Os invólucros das esferas apresentavam-se com -55% em peso de cloreto de vinilideno, 45% em peso de acrilonitrilo, e 5% em peso de metacrilato de metilo e isobutano como agente de sopro. A quantidade de aglomera dos foi medida como a quantidade de resíduos de crivagem depois da crivagem da amostra expandida. Quanto maior for o resíduo de crivagem depois da crivagem, maior é a quantidade de aglomerados. 0 resíduo de crivagem foi determinado por crivagem

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húmido numa tela de 100 As amostras tinham 3ido secas num misturador tipo Norton e expandidas numa cabina de aquecimento, em tabuleiros ou folha de alumínio. A densidade do material expandido foi medida num Picnómetro Beckman. Os resultados do teste são mostrados na Tabela em baixo.

-10TABELA 1

Conteúdo de sólidos secos %	Temp. Exp. SC	Tempo Exp. min.	Densid. d/1.19	Resíd. Crivagem %(100 y>)
99,8	124	6	42,4	-₇- 0,06
99,8	124	7	28,4	0,08
99,8	127	6	24,0	0,32
99,8	127	6	34,7	0,05
99,2	129	6	39,0	0,39
98,8	130	5	34,7	0,96
98,8	129	5	38,8	0,82
98,0	127	6	34,0	2,12
98,0	126	6	39,3	2,12
97,2	127	6	23,6	1,16
97,1	127	6	30,3	1,07
96,5	127	6	32,6	1,17
93,6	127	6	22,8	1,78
92,8	127	6	31,9	1,07
90,0	127	7	22,1	1,32
87,0	127	7	22,2	2,1
75,6	128	7	26,4	12,5

Como é evidente a partir da Tabela, o resíduo de crivagem e portanto a quantidade de aglomerados, é marcadamente menor para as esferas tendo um conteúdo de sólidos secos excedendo 9876 que para esferas tendo um conteúdo de sólidos secos de 98% e menos.

Para mostrar que microesferas que foram secas para um conteúdo de sólidos secos excedendo 98%, podem ser expandidas

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-11sem aumento de quantidades de aglomerado, mesmo que tenham absorvido humidade, foram realizados os seguintes testes. Micro esferas secas para um conteúdo de sólidos secos de 99,1$ foram armazenadas em ambiente húmido (100$ de humidade relativa).

As amostras foram tiradas com intervalos diferentes, o conteúdo de humidade foi determinado, e as amostras expandidas. Cs resultados são mostrados na Tabela 2. Foram usados dois tipos diferentes de microesferas. 0 resultado acima da linha tracejada na Tabela refere-se a microesferas tendo uma composição de invólucro com 55$ em peso de cloreto de vinilideno, 45$ em peso de acrilonitrilo, e 5$ em peso de metacrilato de metilo.

Os resultados abaixo da linha tracejada referem-se a esferas te£ do um invólucro com 25$ em peso de cloreto de vinilideno, 75$ em peso de acrilonitrilo e 50$ em peso de metacrilato de metilo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1 - Processo de produção de microesferas termoplásticas, expandidas por aquecimento, caracterizado por antes de ser efe£ tuado o aquecimento, as microesferas não expandidas serem secas sob agitação, para um conteúdo de sólidos seco excedendo 98$ em peso.
2 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterí zado por as microesferas serem secas para um conteúdo de sólidos seco excedendo 99$ em peso.
3 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as microesferas secas serem humedecidas de novo e em seguida expandidas por aquecimento.
4 - Aparelho para expandir microesferas não expandidas seca3, caracterizado por compreender uma correia transportadora (A) tendo uma correia sem-fim (1) para transportar as micr£ esferas, um dispositivo (B) para aquecimento por IV, compreender várias lâmpadas de infravermelhos (4), estando localizado por cima da correia (1), um dispositivo doseador (c) para as microesferas não expandidas secas, estando o dito doseador localizado numa extremidade da correia transportadora e em associação com a correia (1), e um dispositivo de recolha (D) para as microesferas, localizado na outra extremidade da correia transportadora e em associação com a dita correia (1).
5 - Aparelho de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a correia (1) ser uma correia em material resiliente e resistente ao calor.
6 - Aparelho de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a dita correia ter sido submetida a tratamento anti_ -estático.
7 - Aparelho de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a dita correia ser preta.
8 - Aparelho de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a correia transportadora compreender uma placa de

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-13deslizamento (3) debaixo da correia (1) no percurso superior da correia transportadora.
9 - Aparelho de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o dispositivo doseador (C) compreender um parafuso doseador (7) e um alimentador vibratório (8).
10 - Aparelho de acordo com a reivindicação 9, caracte rizado por o alimentador vibratório (8) compreender um elemento de chapa metálica posicionado transversalmente (13) perpendicular ao fundo do alimentador.
11 - Aparelho de acordo com a reivindicação 4, caracte rizado por o dispositivo doseador (C) compreender um parafuso doseador alongado (11), a sua extremidade livre ser aberta, e o invólucro do parafuso ter uma ranhura alongada longitudinal (12) para descarregar as microesferas.
12 - Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracte rizado por o dispositivo de recolha (D) compreender um funil d recolha (9) ligado a transportadores de vácuo (10).