WO2015082728A1 - Dispositivo para polimerizar lactamas en moldes - Google Patents

Dispositivo para polimerizar lactamas en moldes Download PDF

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WO2015082728A1
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lactam
initiator
activator
mixing chamber
mold
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PCT/ES2013/070838
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Amaia De La Calle Lizarazu
Cristina Elizetxea Ezeiza
Sonia GARCÍA ARRIETA
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Fundación Tecnalia Research & Innovation
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Definitions

  • the present invention relates to techniques used in the chemical industry to polymerize lactams and, more particularly, relates to a system for polymerizing lactams in molds.
  • US2012 / 0313290-A1 describes a process for the production of fiber reinforced thermoplastic parts and an injection molding machine.
  • the machine has a first screw of extrusion for liquefying and mixing a polymeric precursor and an activator, and a second extrusion screw for liquefying and mixing a polymeric precursor and a catalyst.
  • a first screw of extrusion for liquefying and mixing a polymeric precursor and an activator
  • a second extrusion screw for liquefying and mixing a polymeric precursor and a catalyst.
  • the previously liquefied contents in the extrusion screws are mixed, and then poured into a mold, where polymerization occurs.
  • European patent application EP2338665-A1 describes a procedure and a device for polymerizing lactams in molds, in which the lactam, the activator and the initiator are fed and dosed independently in a mixing head that feeds a mold.
  • the procedure described for polymerizing lactams can be catalyzed by a large group of initiators and activators, some of them being solid. Some initiators and activators must be melted and maintained at elevated temperatures throughout the procedure.
  • the device described for molding lactams is versatile for a large group of initiators and activators. Said versatility makes the use of the device complicated, since heating means are required in each and every one of the dosing elements of the circuit through which each of these materials (initiators and activators) passes.
  • the three components (lactam, activator and initiator) of the polymerization process are dosed separately. This leads to two of the advantages of the described procedure: (1) stability over time is guaranteed and (2) a different dosage (in%) of each component is allowed for each type of workpiece.
  • the different elements of the device described in EP2338665-A1 are each heated independently of the rest, by means of systems of individual heating, either resistance based electrical systems or by means of thermal fluids.
  • the individual heating of these elements causes a cold area in the connection element (by means of valves, nuts or any other connection elements) between each of the elements.
  • the caprolactam becomes solid at a temperature below 70 e C, and these cold spots can produce cooling and subsequent solidification of the monomer, thereby causing the obstruction of the dosing systems.
  • the fusion of lactam in a pressurized reservoir at temperatures above 70 e C takes an extremely long time when the amounts of lactam solid to be melted are large (greater than 1 kg).
  • the amount of lactam to be melted is usually much greater than 1 kg (between 1 and 1000kg) so this time is too long.
  • the time in which the lactam remains in the molten state is usually at least 8 hours, which increases the possibility of moisture absorption and possible thermal degradation.
  • the electrical consumption of maintenance at a temperature higher than 70 e C of the lactam tank may also be excessive.
  • the initiator and activator are liquid at room temperature.
  • the lactam necessary for each piece is cast in the previous instant or immediately before being introduced into the mold by means of a plasticizer screw.
  • a device for polymerizing lactams in molds comprising: a hopper for storing solid lactam; a lactam feeding medium configured to receive solid lactam from the hopper, wherein said feeding means comprises a plasticizer screw configured to simultaneously melt the lactam and drive the molten lactam in a dosed manner into a mixing chamber.
  • the device further comprises: a first dosing means for feeding a liquid initiator; a second dosing means for feeding a liquid activator; where the mixing chamber is configured to receive the lactam, the initiator and the activator in a dosed manner from, respectively, the lactam feeding medium, the first dosing medium and the second dosing medium, the mixing chamber presenting three independent inputs to receive, independently, the lactam, the initiator and the activator, to allow said lactam, initiator and activator to flow respectively into the mixing chamber by contacting each other for the first time in the instant prior to the entrance to a mold located next to the chamber and arranged so that the polymerization reaction occurs in it.
  • the lactam, the initiator and the activator flow into the mixing chamber and then immediately access the said mold.
  • the first dosing means for feeding the initiator comprises a syringe impeller connected to the first inlet of the mixing chamber and the second dosing means for feeding the activator comprises a syringe impeller connected to the second inlet of the mixing chamber .
  • the lactam feeding medium comprises means for controlling the dosage of lactam that accesses the mixing chamber by controlling the rotation of the plasticizer screw.
  • the plasticizer screw is preferably surrounded by heating means.
  • the lactam feeding medium is an extruder configured to melt the lactam into the plasticizer screw and lead it into the mixing chamber.
  • the device further comprises a nozzle arranged between the mixing chamber and the mold, the nozzle being configured to receive the mixture formed by the lactam, the initiator and the activator in dosed form and to deliver the mixture to the mold.
  • the extruder is inclined with respect to the horizontal an angle that varies between 10 and 35 degrees.
  • the mixing chamber preferably comprises a pumping system configured to pump the dose of lactam, initiator and activator mixture in a substantially continuous manner.
  • This pumping system is preferably a piston pump.
  • the mixing chamber is configured so that at its exit, the initiator and the activator exit through the central part of the chamber section while the lactam flow is done by the part of the perimeter, so that it is in the nozzle where the three components come into contact for the first time.
  • the lactam feeding medium is an injector configured to melt the lactam into the plasticizer screw, lead it into the mixing chamber in a dosed manner and by means of the same plasticizer screw used as a plunger, push the lactam mixture, initiator and catalyst through a nozzle towards the mold.
  • Figure 1 is a schematic diagram showing a device according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows the output section of the mixing head, according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing a device according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing a device according to a third embodiment of the present invention.
  • understand and its variants (such as “understanding”, “understand”, etc.) should not be construed as excluding, that is, they do not exclude the possibility that what is described includes other elements, steps, etc.
  • the term “approximately” and the terms of its family should be understood as indicative values very close to those accompanying the aforementioned term. That is to say, a deviation should be accepted within the acceptable limits from an exact value, since the person skilled in the art will understand that said deviation from the indicated values is inevitable due to inaccuracies in the measurement, etc. The same applies to the terms “around” and “substantially.”
  • the process for polymerizing lactams of the present invention comprises: feeding a mold through a mixing chamber, a lactam, an activator and an initiator, in which the activator and the initiator are liquid at room temperature. Lactam, the initiator and the activator are fed independently to the mixing chamber. Lactam may be selected, for example, from the group comprising ⁇ -lactam, ⁇ -lactam, ⁇ -lactam, ⁇ -lactam and laurolactam, etc.
  • the initiator can be isocyanates and their derivatives, as well as acyl lactams, ureas and carboimides, with the proviso that they are liquid at room temperature.
  • the activator may be alkali metal lactamates such as sodium or magnesium metal salts, hydrates, hydroxides and amines of metal or other organometallic compounds, with the proviso that they are liquid at room temperature.
  • the control of the mechanical properties of the molded material is achieved by acting on the concentration of the catalytic system (activator and initiator), on the lactam and / or the combination of several lactams, and the conditions of processing and postprocessing.
  • the control of all components, whether electric or pneumatic, is centralized in a control means, for example an electric cabin, in which a specific control software has been installed for this process. This control means is not illustrated in the figures.
  • a problem solved by any of the implementations of the invention is related to the difficulty in melting and dosing both the initiator and the activator at elevated temperatures. Both materials must be added to the mixture in specific percentages (for example, within 0.5-2% intervals by weight with respect to the weight of lactam), which makes its correct dosage difficult by means of pumping means with gear.
  • solid initiators and activators must be melted at temperatures greater than room temperature. In addition, when melted, these initiators and activators have viscosities that depend on temperature. As a result, the The temperature of these materials must be constant and precise in the course of the entire dosing procedure.
  • catalytic systems initiators and activators
  • This simplification implies a significant reduction in the number of elements that make up the device, mainly thermal elements, the number of containers and dosing pipes.
  • a second problem solved by any of the variants described in the invention is related to the ability of fusion of the lactam inside a dosing system by means of a plasticizer screw.
  • This plasticizer screw either by means of an extrusion or injection system, fuses a solid lactam fraction located in a hopper at the end of the screw and continuously doses it into the mixing chamber.
  • the plasticizer screw melts the solid lactam as it accesses the extrusion or injection system and conducts it molten into a mixing chamber. Both things - fusion and conduction - are carried out simultaneously or substantially simultaneously. This allows to melt only the amount of lactam needed for each piece in the instant before being introduced into the mixing chamber.
  • lactam has a lower risk of thermal or moisture degradation and the energy consumption of the device is lower than in the methods of melting in deposit described in the state of the art.
  • the new devices based on simpler elements, allow a more accurate dosage of each component, thanks to the software-based control means that automatically calculates the device's operating parameters (system speeds and operating times Dosage) from the final volume of the part being manufactured and the percentages of lactam, initiator and activator used.
  • the software-based control means that automatically calculates the device's operating parameters (system speeds and operating times Dosage) from the final volume of the part being manufactured and the percentages of lactam, initiator and activator used.
  • System 100 comprises a hopper 1 10 for storing solid lactam 120 at room temperature.
  • hopper 1 10 maintains lactam under a dry atmosphere such as, for example, a nitrogen atmosphere.
  • the lactam is dosed to a mold 170 through a mixing chamber 160, which is described in more detail below.
  • the feeding means is an extruder 130.
  • this extruder 130 due to the thrust action generated by the rotating action of a plasticizer screw 131, which rotates concentrically in an internal chamber at controlled temperatures, the lactam is melts and flows continuously.
  • the plasticizer screw 131 is surrounded by heating means 132, such as electrical resistors.
  • Molten lactam has a temperature between 70 and 155 e C. Preferably, its temperature is between 135 and 145 e C, both inclusive.
  • the molten lactam is forced to pass through a nozzle - located at the end of the extruder by means of the thrust of said plasticizer screw.
  • the extruder 130 is controlled by means of a motor, not illustrated, which is capable of regulating the turning speed (flow control) and stopping once the necessary lactam has been dosed into the mixing chamber 160 and sufficient to fill the mold 170 Thanks to the action of plasticizer screw 131, the lactam necessary for each piece is cast in the instant before it is introduced into the mold 170.
  • the molten lactam penetrates the mixing chamber 160 at the same time as the initiator and the activator, which are placed in two independent dosing devices 140 and 150.
  • the initiator and the activator penetrate the mixing chamber 160 through two pipes independent, which pass through the chamber 160 until the outside is reached, where a nozzle 161 is placed.
  • the Three materials (lactam, initiator and activator) flow along independent pipes inside the mixing chamber 160 until the chamber outlet is reached. It is at the entrance of the nozzle 161 where the three components (lactam, initiator and activator) come into contact for the first time, the three components being mixed when they pass through it and leaving outside to be deposited in a mold 170.
  • the three components that make up the mixture do not come into contact with each other until moments before accessing the mold.
  • the lactam, the initiator and the activator come into contact with each other for the first time when leaving the chamber 160 and accessing the nozzle 161 that allows the passage to the mold 170.
  • the three components are mixed inside the device (specifically, in the nozzle 161 which gives access to the mold 170) only during the time it takes for the mixture to pass through it, without stopping, depending on the flow that has been defined.
  • the initiator and the activator are placed in the respective dosing devices 140 and 150, which are independent of each other and capable of dosing at room temperature.
  • these dosing devices 140 150 are piston pumps (plunger), such as syringe impellers located near the mixing chamber 160, as shown in Figure 1.
  • piston pumps such as syringe impellers located near the mixing chamber 160, as shown in Figure 1.
  • These dosing devices 140 150 are detailed after the third embodiment of the invention, since they are similar in all three implementations.
  • the mixing chamber 160 is tri-component, that is, it has three independent inputs and only one output.
  • the mixing chamber 160 is tempered by means of flat resistances, in order to avoid solidification of the lactam and keep the temperature of the mixture (pouring temperature) under control.
  • the proportion of activator and initiator accessing the mixing chamber 160 is controlled by setting the flow rates of the respective plunger dosing means 140 150.
  • the proportion of lactam accessing the mixing chamber 160 is controlled by setting the flow rate or flow rate. (speed of rotation) of plasticizer screw 131. In this way, the relationship between the three flows coincides with the mixing ratio required for the correct polymerization.
  • the mixing chamber 160 is made of stainless steel.
  • both the lactam and the catalytic system (activator and initiator) are introduced from the top, parallel to the longitudinal axis of the head.
  • the pipes that are in contact only with the activator and initiator are passed through two holes in the upper part.
  • This is schematically illustrated in Figure 2. It is intended that the tri-component chamber conducts the flows of the three materials, lactam, activator and initiator to the nozzle without coming into contact.
  • the objective is for the catalytic system (initiator and activator) to pass through the chamber through the central part of the mixing chamber, while the lactam flow is distributed along the perimeter part, as shown in Figure 2 (lactam 162, initiator 163 and activator 164).
  • the materials come into contact with each other only when they are outside the present part and begin to penetrate the nozzle.
  • the three components (lactam, initiator and activator) are mixed inside the nozzle 161, which is located at the outlet of the mixing chamber 160.
  • the nozzle 161 facilitates the flow access to the pre-heated mold 170 (at approximately 165 - 180 e C), in which the polymerization reaction occurs.
  • the molding process is carried out at low pressure (from 0 to 3 bars) according to the volume, geometry of the piece to be obtained and the expected filling time; The precise temperature of the mold depends on the expected reaction rate and the percentage of activator and initiator used.
  • System 300 comprises a lactam hopper 310 for storing solid lactam 320 at room temperature.
  • hopper 310 keeps the lactam under a dry atmosphere such as, for example, a nitrogen atmosphere
  • the lactam is dosed to a mold 370 through a chamber 360 as described below. Lactam is taken to the 360 chamber through a feeding medium.
  • the camera 360 is located at the end of the feeding means.
  • the feeding means is an injector 330.
  • the solid lactam 320 is fed from the hopper 310 to the opposite end of the injector 330.
  • a plasticizer screw 331 which rotates concentrically in an internal chamber at controlled temperatures, the lactam melts and flows continuously.
  • the plasticizer screw 331 is surrounded by heating means 332, such as resistors.
  • Molten lactam has a temperature between 70 and 155 e C. Preferably, its temperature is between 135 and 145 e C, both inclusive.
  • the injector 330 comprises at the end of the screw 331 a piston injection system (formed by the screw itself 331) that exerts a pressure movement and introduces the lactam, once mixed with the initiator and the catalyst, in the mold. That is, for each pressure stroke of the screw / piston 331, a specific amount of mixture of lactam and catalytic system accesses the mold 370 through the nozzle 361 located at the outlet of the injector chamber 360. At the same time that the molten lactam accesses the chamber 360, the other two components, that is to say, initiator and activator, also access through the metering devices 340 350, which are similar to those of the first embodiment. Thanks to the action of the plasticizer screw 331, the lactam necessary for each piece is cast in the instant before being introduced into the mold 370 through the nozzle 361.
  • the flows of the three materials - lactam, activator and initiator - be maintained separately and independently until the instant prior to entry into the mold 370.
  • the three components enter contact only in the chamber 360 from where they are injected into the mold 370 due to the pressure of the screw or piston 331. That is, the three components that make up the mixture do not come into contact with each other until moments before accessing the mold.
  • the lactam, the initiator and the activator come into contact with each other for the first time in the chamber 360 which is separated from the mold 370 only by the nozzle 361. This implies that the three components are mixed inside the device only during the time it takes for the mixture to pass through it, without stopping, depending on the flow that has been defined.
  • the molten lactam penetrates the chamber 360 at the same time as the initiator and the activator, which access the chamber 360 through two independent dosing devices 340 350 (preferably dosing by means of a piston at room temperature).
  • the chamber 360 discharges its contents through the nozzle 361 in the mold 370.
  • the chamber 360 is tempered by means of the same resistance system 332 that heats the screw 331, in order to avoid the solidification of the lactam and to maintain the temperature of the mixture (pouring temperature) under control.
  • the proportion of activator and initiator accessing the chamber 360 is controlled by setting the flow rates of the respective piston dosing means 340 350.
  • the proportion of lactam that accesses the mixing chamber 360 is controlled by setting the flow rate (flow rate) of the plasticizer screw. In this way, the ratio between the three flows coincides with the mixing ratio required for the correct polymerization.
  • the initiator and the activator are placed in the respective dosing devices 340 350, which are independent of each other.
  • these dosing devices 340 350 are piston pumps (plunger), such as syringe impellers located near the chamber 360, as shown in Figure 3.
  • These dosing devices 340 350 are detailed after the third embodiment of the invention, since they are similar in said three implementations.
  • the mold 370 is pre-heated (at approximately 165-180 e C), and in it the polymerization reaction occurs.
  • the molding process is carried out at low pressure (from 0 to 3 bar) according to the volume, geometry of the piece to be obtained and expected filling time; The precise temperature of the mold depends on the expected reaction rate and the percentage of activator and initiator used.
  • System 400 comprises a lactam hopper 410 for storing solid lactam 420 at room temperature.
  • hopper 410 keeps the lactam under a dry atmosphere such as, for example, a nitrogen atmosphere.
  • lactam is dosed to a mold 470 through a chamber 460, which is described in more detail below. Lactam is taken to chamber 460 through a feeding medium.
  • the feeding means is an extruder 430.
  • the lactam 420 is fed from the hopper 410 towards the end of the extruder 430.
  • the lactam melts and flows continuously.
  • the plasticizer screw 431 is surrounded by heating means 432, such as electrical resistors.
  • Molten lactam has a temperature between 70 and 155 e C. Preferably, its temperature is between 135 and 145 e C, both inclusive. Molten lactam is forced to pass through a nozzle by means of the thrust of said screw.
  • the extruder 430 is preferably inclined with respect to the horizontal an angle a. In a preferred embodiment, this angle ⁇ varies between 10 and 35 degrees.
  • the inclination favors, in front of the completely horizontal position, that the molten lactam does not recede towards the rear of the extruder when moving in the plasticizer screw 431.
  • the molten lactam penetrates the mixing chamber 460 continuously.
  • the chamber 460 is accessed by the initiator and the activator, which are placed in two independent dosing devices 440 450 (preferably dosing by means of a piston at room temperature).
  • the initiator and the activator They penetrate the mixing chamber 460 through two independent pipes. Thanks to the action of the plasticizer screw 431, the lactam necessary for each piece is cast in the instant before being introduced into the mold 470 through the nozzle 461.
  • the initiator and the activator are placed in the respective dosing devices 440 450, which are independent of each other.
  • these dosing devices 440 450 are piston pumps (plunger), such as syringe impellers located near the mixing chamber 460, as shown in Figure 4.
  • These dosing devices 440 450 are detailed below. of the third embodiment of the invention, since they are similar in said three implementations.
  • the mixing chamber 460 is complemented with a pumping system 462.
  • the pumping system is a piston pump 462.
  • the pumping system also comprises a motor.
  • the dosage of pump 462 is controlled by means of the motor.
  • the pump 462 exerts a thrust or pressure stroke towards the nozzle 461 located in connection with the mold 470.
  • A several thrusts are produced by the pump 462 per second.
  • the capacity of the mixing chamber 460, together with the number of thrusts that the pump 462 exerts and together with the speed at which the pump 462 exerts those thrusts (thrusts / second or turns / second) define both the input flow rate of the mixture of lactam, initiator and activator as the amount of mixture to fill the mold 470.
  • the three materials come into contact for the first time, in the same way as in embodiments 1 and 2, in the instant before being introduced into the mold.
  • the feeding from the chamber 460 to the mold 470 is substantially continuous due to the action of Dosage of the pump 462. That is, the three components that make up the mixture do not come into contact with each other until moments before accessing the mold.
  • the lactam, the initiator and the activator come into contact with each other for the first time in the chamber 460 which is separated from the mold 470 only by the nozzle 461. This implies that the three components are mixed inside the device only during the time it takes for the mixture to pass through it, without stopping, depending on the flow that has been defined.
  • chamber 460 may be tempered by, for example, electrical resistors, in order to avoid solidification of the lactam and to keep the temperature of the mixture (pouring temperature) under control.
  • the proportion of activator and initiator accessing the mixing chamber 460 is controlled by setting the flow rates of the respective piston dosing means 440 450.
  • the proportion of lactam accessing the mixing chamber 460 is controlled, as in the case of previous embodiments, setting the flow rate (flow rate) of plasticizer screw. In this way, the relationship between the three flows coincides with the mixing ratio required for the correct polymerization.
  • the mixture leaving the chamber 460 passes through the nozzle 461 and is continuously deposited in the pre-heated mold 470 (at approximately 165-180 e C), in which the polymerization reaction occurs.
  • the molding process is carried out at low pressure (from 0 to 3 bars) according to the volume, geometry of the piece to be obtained and the expected filling time; The precise temperature of the mold depends on the expected reaction rate and the percentage of activator and initiator used.
  • the dosing devices 140 150 340 350 440 450 which are similar in the three embodiments of the invention, are detailed below:
  • the syringe impellers are formed by a motor that rotates an axis in whose final part the piston is fixed ( piston) of the syringe. In each embodiment, two syringe impellers are used, one per component (initiator and activator).
  • the dosing devices 140 150 340 350 440 450 are at room temperature. By controlling the advance of the piston, the flow and volume of the dosages In order to attach the syringes to the 160 360 or 460 chambers (according to the embodiment), flexible hoses are used, for example made of silicone.
  • the syringe impellers are recommended because the parts of these dosers which are in contact with the activator or the initiator (for example plastic syringes and silicone hoses) are disposable . This solves the problem of cleaning them. In this way, the dosage control is independent and it is possible to modify the ratio between these components easily.
  • the materials used in the dosing elements in the catalytic system are preferably disposable, since the catalytic system needs optimal cleaning conditions and the cleaning of those elements is complicated.
  • the exact dosage control is achieved by means of an axis attached to a motor with an encoder.
  • the flow rate is regulated by means of the motor rotation speed and the dosing volume is regulated by means of the encoder based on the number of turns.
  • a process for molding polyamide 6 on an industrial scale using the device of the third embodiment of the invention is described: a) Preparation of the materials: it must be ensured that the moisture percentage of the reaction components is less than 0, 04% b) The molds are heated to the molding temperature. c) Switching on the equipment: the machine is switched on with the main switch and the temperatures of the zones to be heated are programmed. These are: the resistance zone of the extruder and the heating zone of the mixing chamber. d) The caprolactam is introduced into the hopper. The quantity to be introduced is a function of the capacity of the hopper.
  • Primers of the impellers primers of the impellers are carried out so that the activator and the initiator completely fill the silicone tubing.
  • Injection of the material inside the mold the weight of the piece to be obtained and the% of catalytic system are programmed. The software automatically calculates the piston pump parameters based on these two factors (part weight and% of catalytic system).
  • the nozzle is connected to the mold and the injection is started. After filling the mold, the nozzle is disconnected and allowed to react.
  • Cleaning the nozzle immediately after disconnecting the mold, the nozzle is cleaned to remove all traces of the caprolactam / initiator / activator mixture.
  • Unmolding of the piece once the material solidifies, the cooling of the piece is carried out, after which it is unmold.
  • stage h) can be returned and injections can be carried out inside different molds. These washes may have weight different and% of different catalyst system, modifying only the mixing ratio and the weight of the part in the program.
  • the three dosing systems (caprolactam, initiator and activator) are activated.
  • the extruder 430 doses and melts the caprolactam simultaneously from the hopper 410 through the plasticizer screw 461, and takes it to the mixing chamber 460 with a constant and continuous flow of 100 g / s for 10 seconds.
  • the syringe impellers 440 450 dose the activator and the initiator through the silicone pipes to the mixing chamber 460, with a constant and continuous flow of 2g / s of initiator and 1 g / s of activator.
  • the three flows of caprolactam, initiator and activator are in contact with each other for the first time upon entering the small mixing cavity 460.
  • the piston pump 462 pushes the mixture through of the nozzle 461 at a speed of 20 thrusts.
  • the nozzle 461 is connected to the mold 470 heated to 170 e C, which is filled continuously and in the same 10 seconds during which the dosing of the three components takes place.
  • the dosing means exittruder 430 and dispensers of syringes 440 450
  • Example 1 Once the procedure described in Example 1 has been completed, and without having to turn off the machine, clean it or introduce new raw material (caprolactam, initiator or activator), a second piece of polyamide 6 is manufactured, which has a weight of 205 g, in 4 seconds (mold filling time) in which the mixing ratio is: 100 parts of caprolactam, 1.5 parts of initiator and 1 part of activator.
  • the three dosing systems (caprolactam, initiator and activator) are activated.
  • the extruder 430 doses and melts the caprolactam simultaneously from the hopper 410 through the plasticizer screw 461, and takes it to the mixing chamber 460 with a constant and continuous flow of 50 g / s for 4 seconds.
  • the syringe impellers dose the activator and the initiator through silicone pipes to the mixing chamber 460, with a continuous and constant flow of 0.75 g / s of initiator and 1 g / s of activator.
  • the three flows of caprolactam, initiator and activator are in contact with each other for the first time when entering the small mixing cavity 460.
  • the piston pump 462 pushes mixing through the nozzle 461 at a speed of 17 thrusts / s
  • the nozzle 461 is connected to the mold 470 heated to 165 e C, which is filled continuously and in the same 4 seconds during which the dosing takes place of the three components.
  • the dosing means (430 extruder and 440 450 syringe dispensers) stop. Once the reaction takes place inside the mold, the mixture becomes solid and the polyamide piece is removed from the mold.
  • the invention is not limited to the specific embodiments that have been described but also covers, for example, the variants that can be made by the average person skilled in the art (for example, in terms of the choice of materials, dimensions , components, configuration, etc.), within what follows from the claims.

Abstract

Un dispositivo (100, 300, 400) para polimerizar lactamas en moldes, que comprende: una tolva (110, 310, 410) para almacenar lactama sólida (120, 320, 420) y un medio de alimentación de lactama que comprende un tornillo plastificador (131, 331, 431) para simultáneamente fundir la lactama y conducirla de forma dosificada hacia una cámara de mezcla (160, 360, 460). El dispositivo comprende además: un medio de dosificación (140, 340, 440) para alimentar un iniciador líquido; un medio de dosificación (150, 350, 450) para alimentar un activador líquido. La cámara mezcladora (160, 360, 460) está configurada para recibir de forma dosificada la lactama, el iniciador y el activador desde dichos medios de alimentación y de dosificación. La cámara de mezcla presenta tres entradas independientes para recibir, de manera independiente, la lactama, el iniciador y el activador, para permitir que fluyan al interior de la cámara de mezcla (160, 360, 460) poniéndose en contacto entre sí por primera vez en el instante anterior a la entrada a un molde (170, 370, 470) situado junto a la cámara y dispuesto para que se produzca en él la reacción de polimerización.

Description

DISPOSITIVO PARA POLIMERIZAR LACTAMAS EN MOLDES CAMPO TÉCNICO
La presente invención se refiere a técnicas usadas en la industria química para polimerizar lactamas y, más particularmente, se refiere a un sistema para polimerizar lactamas en moldes.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La polimerización de lactamas en moldes ha sido usada y estudiada durante décadas. Los últimos esfuerzos para mejorar la técnica de polimerización de lactamas se han centrado en modificar el sistema catalítico (formado por activador e iniciador) para llevar a cabo la polimerización de manera controlada y selectiva. No obstante, el modo en el que se mezclan los ingredientes básicos y se alimentan al molde no se ha modificado y, todavía, es básicamente de la siguiente forma: Se preparan dos pre- mezclas independientes, de las cuales la primera comprende una mezcla del activador y una fracción de la lactama, y la segunda comprende el iniciador y la fracción restante de la lactama. Posteriormente, se combinan ambas pre-mezclas para llevar a cabo la polimerización. Un ejemplo de esta forma de polimerización puede encontrarse en la patente estadounidense US3505448.
La técnica anterior permite producir piezas seriadas de una composición, pero no resulta apropiada en la fabricación continua de piezas no seriadas, por ejemplo con tamaños y/o geometrías individuales, características o composiciones diferentes. Basado siempre en este sistema de pre-mezclas de la lactama con el iniciador y la lactama con el activador, existen diferentes sistemas para dosificar las pre-mezclas. Una posible técnica se basa en usar bombas de engranajes, tal y como se describe por ejemplo en la patente estadounidense US4404360-A. En US4404360-A se usan un par de tanques para las pre-mezclas. Una técnica alternativa se basa en usar un par de extrusoras para las premezclas y dosificación de éstas, tal y como se describe en la solicitud de patente US2012/0313290-A1 . US2012/0313290-A1 describe un proceso para la producción de piezas termoplásticas reforzadas con fibra y una máquina de moldeo mediante inyección. La máquina tiene un primer tornillo de extrusión para licuar y mezclar un precursor polimérico y un activador, y un segundo tornillo de extrusión para licuar y mezclar un precursor polimérico y un catalizador. En una cámara se mezclan los contenidos previamente licuados en los tornillos de extrusión, para después ser vertidos en un molde, donde se produce la polimerización.
La solicitud de patente europea EP2338665-A1 describe un procedimiento y un dispositivo para polimerizar lactamas en moldes, en el que la lactama, el activador y el iniciador se alimentan y dosifican de forma independiente en un cabezal mezclador que alimenta un molde. El procedimiento descrito para polimerizar lactamas puede estar catalizado por un gran grupo de iniciadores y activadores, siendo algunos de ellos sólidos. Algunos iniciadores y activadores se deben fundir y mantener a temperaturas elevadas durante todo el procedimiento. El dispositivo descrito para moldear lactamas es versátil para un gran grupo de iniciadores y activadores. Dicha versatilidad hace que el uso del dispositivo resulte complicado, ya que se requieren medios de calentamiento en todos y cada uno de los elementos de dosificación del circuito a través de los cuales pasa cada uno de esos materiales (iniciadores y activadores). Los tres componentes (lactama, activador e iniciador) del procedimiento de polimerización se dosifican por separado. Esto conduce a dos de las ventajas del procedimiento descrito: (1 ) se garantiza la estabilidad en el tiempo y (2) se permite una dosificación (en %) diferente de cada componente para cada tipo de piezas objeto de fabricación.
No obstante, se ha observado que la fusión y la dosificación del activador y del iniciador a temperaturas elevadas resultan complicadas. Además, se deben añadir ambos materiales a la mezcla en porcentajes muy específicos, lo que complica su correcta dosificación por medio de las bombas con engranaje convencionales. Además, debido a que los iniciadores y los activadores sólidos deben ser fundidos a temperaturas más elevadas que temperatura ambiente, y su estado fundido presenta viscosidades que dependen de la temperatura, se debe mantener su temperatura de forma constante y precisa durante todo el procedimiento de dosificación.
Los diferentes elementos del dispositivo descrito en el documento EP2338665-A1 se calientan cada uno de manera independiente del resto, por medio de sistemas de calentamiento individuales, ya sean sistemas eléctricos basados en resistencias o ya sea por medio de fluidos térmicos. No obstante, el calentamiento individual de esos elementos provoca un área fría en el elemento de conexión (por medio de válvulas, tuercas o cualesquiera otros elementos de conexión) entre cada uno de los elementos. Por ejemplo, la caprolactama se vuelve sólida a una temperatura por debajo de 70eC, y estos puntos fríos pueden producir enfriamiento y solidificación posterior del monómero, produciendo de este modo la obstrucción de los sistemas de dosificación.
Por otro lado, también la fusión de la lactama en un depósito presurizado a temperaturas superiores a 70eC conlleva un tiempo extremadamente largo cuando las cantidades de sólido de lactama a fundir son grandes (mayores de 1 kg). En un proceso de fabricación en continuo se prefiere fundir la totalidad de la lactama necesaria para la fabricación de la serie de piezas prevista en una jornada laboral, por lo que la cantidad de lactama a fundir suele ser muy superior a 1 kg (entre 1 y 1000kg) por lo que este tiempo resulta demasiado largo. Además, el tiempo en el que la lactama permanece en estado fundido suele ser de al menos 8 horas, lo que incrementa la posibilidad de absorción de humedad y posible degradación térmica. El consumo eléctrico del mantenimiento a temperatura mayor de 70eC del depósito de lactama también puede resultar excesivo.
En suma, se necesita un dispositivo que permita solucionar de manera eficaz, los problemas mencionados anteriormente de los procedimientos convencionales para polimerizar lactamas en moldes. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Es un objeto de la presente invención proporcionar un dispositivo para polimerizar lactamas en moldes, en el que los tres componentes de la reacción de polimerización (lactama, iniciador y activador) se alimentan y se dosifican a un molde a través de una cámara de mezcla situada en la entrada del molde, de manera independiente unos de otros. El iniciador y el activador son líquidos a temperatura ambiente. Además, la lactama necesaria para cada pieza es fundida en el instante anterior o inmediatamente antes de ser introducida en el molde mediante un tornillo plastificador. De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un dispositivo para polimerizar lactamas en moldes, que comprende: una tolva para almacenar lactama sólida; un medio de alimentación de lactama configurado para recibir la lactama sólida desde la tolva, donde dicho medio de alimentación comprende un tornillo plastificador configurado para simultáneamente fundir la lactama y conducir la lactama fundida de forma dosificada hacia una cámara de mezcla. El dispositivo comprende además: un primer medio de dosificación para alimentar un iniciador líquido; un segundo medio de dosificación para alimentar un activador líquido; donde la cámara mezcladora está configurada para recibir de forma dosificada la lactama, el iniciador y el activador desde, respectivamente, el medio de alimentación de lactama, el primer medio de dosificación y el segundo medio de dosificación, presentando la cámara de mezcla tres entradas independientes para recibir, de manera independiente, la lactama, el iniciador y el activador, para permitir que dichos lactama, iniciador y activador fluyan respectivamente al interior de la cámara de mezcla poniéndose en contacto entre sí por primera vez en el instante anterior a la entrada a un molde situado junto a la cámara y dispuesto para que se produzca en él la reacción de polimerización. En otras palabras, la lactama, el iniciador y el activador fluyen al interior de la cámara de mezcla para inmediatamente después acceder al mencionado molde.
Preferentemente, el primer medio de dosificación para alimentar el iniciador comprende un impulsor de jeringuilla unido a la primera entrada de la cámara mezcladora y el segundo medio de dosificación para alimentar el activador comprende un impulsor de jeringuilla unido a la segunda entrada de la cámara de mezcla.
Preferentemente, el medio de alimentación de lactama comprende medios para controlar la dosificación de lactama que accede a la cámara de mezcla mediante el control del giro del tornillo plastificador. El tornillo plastificador está preferentemente rodeado de medios de calentamiento.
En una posible realización, el medio de alimentación de lactama es una extrusora configurada para fundir la lactama en el tornillo plastificador y conducirla hacia la cámara de mezcla. Preferentemente, el dispositivo comprende además una boquilla dispuesta entre la cámara de mezcla y el molde, estando la boquilla configurada para recibir la mezcla formada por la lactama, el iniciador y el activador de forma dosificada y para hacer llegar la mezcla al molde. En una posible realización, la extrusora está inclinada con respecto a la horizontal un ángulo que varía entre 10 y 35 grados.
La cámara de mezcla comprende preferentemente un sistema de bombeo configurado para bombear la dosis de mezcla de lactama, iniciador y activador de una forma sustancialmente continua. Este sistema de bombeo es preferentemente una bomba de pistón.
En otra posible realización del dispositivo que comprende una extrusora, la cámara de mezcla está configurada de forma que a su salida, el iniciador y el activador salen por la parte central de la sección de la cámara mientras que el flujo de lactama lo hace por la parte del perímetro, de forma que es en la boquilla donde los tres componentes entran en contacto por primera vez.
En otra posible realización, el medio de alimentación de lactama es una inyectora configurada para fundir la lactama en el tornillo plastificador, conducirla hacia la cámara de mezcla de forma dosificada y mediante el mismo tornillo plastificador utilizado como émbolo, empujar la mezcla de lactama, iniciador y catalizador a través de una boquilla hacia el molde. Ventajas adicionales y características de la invención resultarán evidentes a partir de la descripción detallada que sigue y se destacarán de manera particular en las reivindicaciones adjuntas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de la descripción, un juego de figuras en el que con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La Figura 1 es un diagrama esquemático que muestra un dispositivo de acuerdo con una primera realización de la presente invención.
La Figura 2 muestra la sección de salida del cabezal mezclador, de acuerdo con la primera realización de la presente invención.
La Figura 3 es un diagrama esquemático que muestra un dispositivo de acuerdo con una segunda realización de la presente invención.
La Figura 4 es un diagrama esquemático que muestra un dispositivo de acuerdo con una tercera realización de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DE UN MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
En este texto, la palabra "comprende" y sus variantes (como "comprendiendo", "comprender", etc.) no deben interpretarse de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos etc.
En el contexto de la presente invención, el término "aproximadamente" y los términos de su familia (tales como "aproximado", etc.) deberían entenderse como valores indicativos muy próximos a los que acompañan al término anteriormente mencionado. Es decir, se debería aceptar una desviación dentro de los límites aceptables a partir de un valor exacto, ya que la persona experta en la técnica comprenderá que dicha desviación a partir de los valores indicados resulta inevitable debido a las imprecisiones de la medición, etc. Lo mismo resulta aplicable a los términos "alrededor" y "sustancialmente".
No debe interpretarse la siguiente descripción en sentido limitante sino que se proporciona únicamente con el fin de describir los amplios principios de la invención. A modo de ejemplo, se describirán las siguientes realizaciones de la invención, haciendo referencia a los dibujos anteriormente mencionados que muestran los aparatos, elementos y resultados de acuerdo con la invención.
El procedimiento para polimerizar lactamas de la presente invención comprende: alimentar, a un molde a través de una cámara de mezcla, una lactama, un activador y un iniciador, en el que el activador y el iniciador son líquidos a temperatura ambiente. La lactama, el iniciador y el activador se alimentan de forma independiente a la cámara de mezcla. La lactama puede estar seleccionada, por ejemplo, entre el grupo que comprende β- lactama, γ-lactama, δ-lactama, ε-lactama y laurolactama, etc.
El iniciador puede ser isocianatos y sus derivados, así como también acil-lactamas, ureas y carboimidas, con la condición de que sean líquidos a temperatura ambiente.
El activador puede ser lactamatos de metales alcalinos tales como sales de metales de sodio o magnesio, hidratos, hidróxidos y aminas de metal u otros compuestos organometálicos, con la condición de que sean líquidos a temperatura ambiente. El control de las propiedades mecánicas del material moldeado se logra actuando sobre la concentración del sistema catalítico (activador e iniciador), sobre la lactama y/o la combinación de varias lactamas, y las condiciones de procesado y postprocesado. El control de todos los componentes, ya sea eléctrico o neumático, está centralizado en un medio de control, por ejemplo una cabina eléctrica, en la que ha sido instalado un software de control específico para este proceso. Este medio de control no se ilustra en las figuras. Un problema solucionado por cualquiera de las implementaciones de la invención está relacionado con la dificultad para fundir y dosificar tanto el iniciador como el activador a temperaturas elevadas. Ambos materiales se deben añadir a la mezcla en porcentajes específicos (por ejemplo, dentro de intervalos de 0,5-2% en peso con respecto al peso de lactama), lo que hace difícil su correcta dosificación mediante medios de bombeo con engranaje. Además, como ya se ha explicado, los iniciadores y activadores sólidos se deben fundir a temperaturas mayores que la temperatura ambiente. Además, cuando se funden, estos iniciadores y activadores presentan viscosidades que dependen de la temperatura. Como consecuencia de ello, la temperatura de estos materiales debe ser constante y precisa en el curso de todo el procedimiento de dosificación.
De este modo, se usan sistemas catalíticos (iniciadores y activadores) que son líquidos y estables a temperatura ambiente. Esto permite simplificar el procedimiento de polimerización y el moldeo de lactamas y simplificar el dispositivo usado para ello en comparación con el descrito en el estado del arte. Esta simplificación implica una reducción importante en el número de elementos que forman el dispositivo, principalmente elementos térmicos, el número de contenedores y tuberías de dosificación.
Un segundo problema solucionado por cualquiera de las variantes descritas en la invención está relacionado con la capacidad de fusión de la lactama en el interior de un sistema de dosificación mediante tornillo plastificador. Este tornillo plastificador, ya sea mediante un sistema de extrusión o de inyección, realiza la fusión de una fracción de lactama sólida situada en una tolva en el extremo del tornillo y la dosifica de forma continua a la cámara de mezcla. En otras palabras, el tornillo plastificador funde la lactama sólida a medida que ésta accede al sistema de extrusión o de inyección y la conduce fundida hacia una cámara de mezcla. Ambas cosas -fusión y conducción- se realizan de forma simultánea o sustancialmente simultánea. Esto permite fundir únicamente la cantidad de lactama necesaria para cada pieza en el instante anterior a ser introducida a la cámara de mezcla. Esta fusión se realiza en tiempos muy cortos debido a que es una cantidad relativamente pequeña. Con este procedimiento de fusión/dosificación, la lactama tiene menos riesgo de sufrir degradación térmica o por humedad y el consumo energético del dispositivo es menor que en los métodos de fusión en depósito descritos en el estado del arte.
Además, los nuevos dispositivos, basados en elementos más simples, permiten una dosificación más exacta de cada componente, gracias al medio de control basado en un software que calcula de manera automática los parámetros de funcionamiento del dispositivo (velocidades y tiempos de funcionamiento de los sistemas de dosificación) a partir del volumen final de la pieza objeto de fabricación y de los porcentajes de lactama, iniciador y activador que se usan. PRIMERA REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Haciendo referencia a la figura 1 , se muestra un diagrama esquemático que muestra un dispositivo para polimerizar lactamas en moldes, de acuerdo con una primera realización de la invención. El sistema 100 comprende una tolva 1 10 para almacenar la lactama sólida 120 a temperatura ambiente. Preferentemente, la tolva 1 10 mantiene la lactama bajo una atmósfera seca tal como, por ejemplo, una atmósfera de nitrógeno. Desde la tolva 1 10 y mediante un medio de alimentación, la lactama es dosificada a un molde 170 a través de una cámara de mezcla 160, que se describe con más detalle a continuación.
En la figura 1 , el medio de alimentación es una extrusora 130. En esta extrusora 130, debido a la acción de empuje generado por la acción giratoria de un tornillo plastificador 131 , que gira concéntricamente en una cámara interna a temperaturas controladas, la lactama se funde y fluye de forma continua. El tornillo plastificador 131 está rodeado de medios de calentamiento 132, tales como resistencias eléctricas. La lactama fundida tiene una temperatura de entre 70 y 155 eC. Preferentemente, su temperatura es de entre 135 y 145 eC, ambos inclusive.
La lactama fundida es forzada a pasar a través de una boquilla -situada en el extremo de la extrusora por medio del empuje de dicho tornillo plastificador. La extrusora 130 está controlada por medio de un motor, no ilustrado, que es capaz de regular la velocidad de giro (control de flujo) y detenerse una vez ha dosificado la lactama necesaria hacia la cámara de mezcla 160 y suficiente para llenar el molde 170. Gracias a la acción del tornillo plastificador 131 , la lactama necesaria para cada pieza es fundida en el instante anterior a ser introducida en el molde 170.
La lactama fundida penetra en la cámara de mezcla 160 al mismo tiempo que el iniciador y el activador, que se colocan en dos dispositivos de dosificación independientes 140 y 150. El iniciador y el activador penetran en la cámara de mezcla 160 a través de dos tuberías independientes, que pasan a través de la cámara 160 hasta que se alcanza el exterior, donde se encuentra colocada una boquilla 161 . Los tres materiales (lactama, iniciador y activador) fluyen a lo largo de tuberías independientes en el interior de la cámara de mezcla 160 hasta que se alcanza la salida de la cámara. Es en la entrada de la boquilla 161 donde los tres componentes (lactama, iniciador y activador) entran en contacto por primera vez, mezclándose los tres componentes cuando pasan a través de ella y saliendo fuera para depositarse en un molde 170. Es decir, los tres componentes que conforman la mezcla no entran en contacto entre sí hasta instantes antes de acceder al molde. Concretamente, la lactama, el iniciador y el activador entran en contacto entre sí por primera vez al abandonar la cámara 160 y acceder a la boquilla 161 que permite el paso al molde 170. Esto implica que los tres componentes están mezclados en el interior del dispositivo (concretamente, en la boquilla 161 que da acceso al molde 170) solamente durante el tiempo que tarda la mezcla en atravesarlo, sin detenerse, en función del caudal que se haya definido. Por otra parte, el iniciador y el activador se colocan en los respectivos dispositivos de dosificación 140 y 150, que son independientes uno de otro y capaces de dosificar a temperatura ambiente. En una realización preferida, estos dispositivos de dosificación 140 150 son bombas de pistón (émbolo), tales como impulsores de jeringuilla ubicados cerca de la cámara de mezcla 160, como se muestra en la figura 1 . Estos dispositivos de dosificación 140 150 se detallan después de la tercera realización de la invención, ya que son similares en las tres implementaciones.
La cámara de mezcla 160 es tri-componente, es decir, tiene tres entradas independientes y una sola salida. Preferentemente, la cámara de mezcla 160 se encuentra atemperada por medio de resistencias planas, con el fin de evitar la solidificación de la lactama y de mantener la temperatura de la mezcla (temperatura de colada) bajo control.
La proporción de activador y de iniciador que accede a la cámara de mezcla 160 se controla fijando los caudales de los medios de dosificación de émbolo respectivos 140 150. La proporción de lactama que accede a la cámara de mezcla 160 se controla fijando el caudal o flujo (velocidad de giro) del tornillo plastificador 131 . De esta forma, la relación entre los tres caudales coincide con la relación de mezcla requerida para la correcta polimerización.
Preferentemente, la cámara de mezcla 160 está hecha de acero inoxidable. También preferentemente, tanto la lactama como el sistema catalítico (activador e iniciador) se introducen por la parte superior, en paralelo al eje longitudinal del cabezal. Las tuberías que se encuentran en contacto únicamente con el activador e iniciador se pasan a través de dos orificios en la parte superior. Esto se ilustra esquemáticamente en la figura 2. Se pretende que la cámara tri-componente conduzca los flujos de los tres materiales, lactama, activador e iniciador hasta la boquilla sin que entren en contacto. El objetivo es que el sistema catalítico (iniciador y activador) atraviese la cámara por la parte central de la cámara de mezcla, mientras que el flujo de lactama se distribuya por la parte de perímetro, como se muestra en la figura 2 (lactama 162, iniciador 163 y activador 164). Los materiales entran en contacto unos con otros únicamente cuando se encuentran fuera de la presente pieza y comienzan a penetrar en la boquilla.
Los tres componentes (lactama, iniciador y activador) se mezclan dentro de la boquilla 161 , que se encuentra ubicada en la salida de la cámara de mezcla 160. La boquilla 161 facilita el acceso del flujo al molde 170 pre-calentado (a aproximadamente 165- 180 eC), en el que se produce la reacción de polimerización. El procedimiento de moldeo se lleva a cabo a baja presión (de 0 a 3 bares) de acuerdo con el volumen, geometría de la pieza a obtener y tiempo de llenado esperado; la temperatura precisa del molde depende de la velocidad de reacción esperada y del porcentaje de activador e iniciador usados.
SEGUNDA REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Haciendo referencia a la figura 3, se muestra un diagrama esquemático que representa un dispositivo para polimerizar lactamas en moldes, de acuerdo con una segunda realización de la invención. El sistema 300 comprende una tolva de lactama 310 para almacenar la lactama sólida 320 a temperatura ambiente. Preferentemente, la tolva 310 mantiene la lactama bajo una atmósfera seca tal como, por ejemplo, una atmósfera de nitrógeno. Desde la tolva 310, a través de un medio de alimentación, la lactama es dosificada a un molde 370 a través de una cámara 360 tal y como se describe a continuación. La lactama es llevada a la cámara 360 a través de un medio de alimentación. De hecho, la cámara 360 se sitúa en el extremo del medio de alimentación. En la figura 3, el medio de alimentación es una inyectora 330. Como en la primera realización, la lactama sólida 320 es alimentada desde la tolva 310 hacia el extremo opuesto de la inyectora 330. En ésta, debido a la acción de empuje generado por la acción giratoria de un tornillo plastificador 331 , que gira concéntricamente en una cámara interna a temperaturas controladas, la lactama se funde y fluye de forma continua. El tornillo plastificador 331 está rodeado de medios de calentamiento 332, tales como resistencias. La lactama fundida tiene una temperatura de entre 70 y 155 eC. Preferentemente, su temperatura es de entre 135 y 145 eC, ambos inclusive. A diferencia de la extrusora 130 de la realización anterior, la inyectora 330 comprende en el extremo del tornillo 331 un sistema de inyección mediante émbolo (formado por el propio tornillo 331 ) que ejerce un movimiento de presión y que introduce la lactama, una vez mezclada con el iniciador y el catalizador, en el molde. Es decir, por cada golpe de presión del tornillo/émbolo 331 , una cantidad concreta de mezcla de lactama y sistema catalítico accede al molde 370 a través de la boquilla 361 situada a la salida de la cámara 360 de la inyectora. Al mismo tiempo que la lactama fundida accede a la cámara 360, acceden también los otros dos componentes, es decir, iniciador y activador, a través de los dispositivos de dosificación 340 350, que son similares a los de la primera realización. Gracias a la acción del tornillo plastificador 331 , la lactama necesaria para cada pieza es fundida en el instante anterior a ser introducida en el molde 370 a través de la boquilla 361 .
Como en la primera realización, se pretende que los flujos de los tres materiales - lactama, activador e iniciador- se mantengan de forma separada e independiente hasta el instante anterior a la entrada en el molde 370. En esta segunda realización los tres componentes entran en contacto únicamente en la cámara 360 de donde son inyectados al molde 370 debido a la presión del tornillo o émbolo 331 . Es decir, los tres componentes que conforman la mezcla no entran en contacto entre sí hasta instantes antes de acceder al molde. Concretamente, la lactama, el iniciador y el activador entran en contacto entre sí por primera vez en la cámara 360 que se separa del molde 370 solo por la boquilla 361 . Esto implica que los tres componentes están mezclados en el interior del dispositivo solamente durante el tiempo que tarda la mezcla en atravesarlo, sin detenerse, en función del caudal que se haya definido.
La lactama fundida penetra en la cámara 360 al mismo tiempo que el iniciador y el activador, que acceden a la cámara 360 a través de dos dispositivos de dosificación independientes 340 350 (preferentemente dosificación por medio de un pistón a temperatura ambiente). La cámara 360 descarga su contenido a través de la boquilla 361 en el molde 370. La cámara 360 se encuentra atemperada por medio del mismo sistema de resistencias 332 que calienta el tornillo 331 , con el fin de evitar la solidificación de la lactama y de mantener la temperatura de la mezcla (temperatura de colada) bajo control.
La proporción de activador y de iniciador que accede a la cámara 360 se controla fijando los caudales de los medios de dosificación de émbolo respectivos 340 350. De la misma forma que en la primera realización, la proporción de lactama que accede a la cámara de mezcla 360 se controla fijando el caudal o flujo (velocidad de giro) del tornillo plastificador, De esta forma, la relación entre los tres caudales coincide con la relación de mezcla requerida para la correcta polimerización.
Por otra parte, el iniciador y el activador se colocan en los respectivos dispositivos de dosificación 340 350, que son independientes uno de otro. En una realización preferida, estos dispositivos de dosificación 340 350 son bombas de pistón (émbolo), tales como impulsores de jeringuilla ubicados cerca de la cámara 360, como se muestra en la figura 3. Estos dispositivos de dosificación 340 350 se detallan después de la tercera realización de la invención, ya que son similares en dichas tres implementaciones.
El molde 370 está pre-calentado (a aproximadamente 165-180 eC), y en él se produce la reacción de polimerización. El procedimiento de moldeo se lleva a cabo a baja presión (de 0 a 3 bares) de acuerdo con el volumen, geometría de la pieza a obtener y tiempo de llenado esperado; la temperatura precisa del molde depende de la velocidad de reacción esperada y del porcentaje de activador e iniciador usados.
TERCERA REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Haciendo referencia a la figura 4, se muestra un diagrama esquemático que muestra un dispositivo para polimerizar lactamas en moldes, de acuerdo con una tercera realización de la invención. El sistema 400 comprende una tolva de lactama 410 para almacenar la lactama sólida 420 a temperatura ambiente. Preferentemente, la tolva 410 mantiene la lactama bajo una atmósfera seca tal como, por ejemplo, una atmósfera de nitrógeno. Desde la tolva 410, a través de un medio de alimentación, la lactama es dosificada a un molde 470 a través de una cámara 460, que se describe con más detalle a continuación. La lactama es llevada a la cámara 460 a través de un medio de alimentación. En la figura 4, el medio de alimentación es una extrusora 430. La lactama 420 es alimentada desde la tolva 410 hacia el extremo de la extrusora 430. En ésta, debido a la acción de empuje generado por la acción giratoria de un tornillo plastificador 431 , que gira concéntricamente en una cámara interna a temperaturas controladas, la lactama se funde y fluye de forma continua. El tornillo plastificador 431 está rodeado de medios de calentamiento 432, tales como resistencias eléctricas. La lactama fundida tiene una temperatura de entre 70 y 155 eC. Preferentemente, su temperatura es de entre 135 y 145 eC, ambos inclusive. La lactama fundida es forzada a pasar a través de una boquilla por medio del empuje de dicho tornillo. La extrusora 430 está preferentemente inclinada con respecto a la horizontal un ángulo a. En una realización preferente, este ángulo α varía entre 10 y 35 grados. La inclinación favorece, frente a la posición totalmente horizontal, que la lactama fundida no retroceda hacia la parte trasera de la extrusora al moverse en el tornillo plastificador 431 . La lactama fundida penetra en la cámara de mezcla 460 de forma continua. Simultáneamente, a la cámara 460 acceden el iniciador y el activador, que se colocan en dos dispositivos de dosificación independientes 440 450 (preferentemente dosificación por medio de un pistón a temperatura ambiente). El iniciador y el activador penetran en la cámara de mezcla 460 a través de dos tuberías independientes. Gracias a la acción del tornillo plastificador 431 , la lactama necesaria para cada pieza es fundida en el instante anterior a ser introducida en el molde 470 a través de la boquilla 461 .
Por otra parte, el iniciador y el activador se colocan en los respectivos dispositivos de dosificación 440 450, que son independientes uno de otro. En una realización preferida, estos dispositivos de dosificación 440 450 son bombas de pistón (émbolo), tales como impulsores de jeringuilla ubicados cerca de la cámara de mezcla 460, como se muestra en la figura 4. Estos dispositivos de dosificación 440 450 se detallan después de la tercera realización de la invención, ya que son similares en dichas tres implementaciones.
La cámara de mezcla 460 está complementada con un sistema de bombeo 462. En una realización particular, el sistema de bombeo es una bomba de pistón 462. Preferentemente, el sistema de bombeo también comprende un motor. La dosificación de la bomba 462 está controlada por medio del motor.
Así, una vez introducidos una pequeña porción (por ejemplo, varios miligramos,) de los tres materiales en la cámara de mezcla 460, la bomba 462 ejerce un empuje o golpe de presión hacia la boquilla 461 situada en conexión con el molde 470. A modo de ejemplo, se producen varios empujes por parte de la bomba 462 por segundo. De esta forma, el bombeo y por tanto la alimentación de mezcla hacia el molde es quasi- continua o sustancialmente continua. La capacidad de la cámara de mezcla 460, junto con el número de empujes que la bomba 462 ejerza y junto con la velocidad en la cual la bomba 462 ejerza esos empujes (empujes/segundo o vueltas/segundo) definen tanto el caudal de entrada de la mezcla de lactama, iniciador y activador como la cantidad de mezcla para llenar el molde 470. De esta manera, los tres materiales (lactama, iniciador y catalizador) entran en contacto por primera vez, de la misma forma que ocurre en las realizaciones 1 y 2, en el instante anterior a ser introducidas en el molde. Además, la alimentación desde la cámara 460 hacia el molde 470 es sustancialmente continua debido a la acción de dosificación de la bomba 462. Es decir, los tres componentes que conforman la mezcla no entran en contacto entre sí hasta instantes antes de acceder al molde. Concretamente, la lactama, el iniciador y el activador entran en contacto entre sí por primera vez en la cámara 460 que se separa del molde 470 solo por la boquilla 461 . Esto implica que los tres componentes están mezclados en el interior del dispositivo solamente durante el tiempo que tarda la mezcla en atravesarlo, sin detenerse, en función del caudal que se haya definido.
En una realización particular, la cámara 460 puede estar atemperada mediante, por ejemplo resistencias eléctricas, con el fin de evitar la solidificación de la lactama y de mantener la temperatura de la mezcla (temperatura de colada) bajo control.
La proporción de activador y de iniciador que accede a la cámara de mezcla 460 se controla fijando los caudales de los medios de dosificación de émbolo respectivos 440 450. La proporción de lactama que accede a la cámara de mezcla 460 se controla, igual que en las realizaciones anteriores, fijando el caudal o flujo (velocidad de giro) de tornillo plastificador. De esta forma, la relación entre los tres caudales coincide con la relación de mezcla requerida para la correcta polimerización. La mezcla que sale de la cámara 460 atraviesa la boquilla 461 y se va depositando de forma continua en el molde 470 pre-calentado (a aproximadamente 165-180 eC), en el que se produce la reacción de polimerización. El procedimiento de moldeo se lleva a cabo a baja presión (de 0 a 3 bares) de acuerdo con el volumen, geometría de la pieza a obtener y tiempo de llenado esperado; la temperatura precisa del molde depende de la velocidad de reacción esperada y del porcentaje de activador e iniciador usados.
A continuación se detallan los dispositivos de dosificación 140 150 340 350 440 450, que son similares en las tres realizaciones de la invención: Los impulsores de jeringuilla están formados por un motor que hace rotar un eje en cuya parte final se encuentra fijado el émbolo (pistón) de la jeringuilla. En cada realización, se usan dos impulsores de jeringuilla, uno por componente (iniciador y activador). Los dispositivos de dosificación 140 150 340 350 440 450 se encuentran a temperatura ambiente. Por medio del control del avance del pistón, se controlan el caudal y el volumen de las dosificaciones. Con el fin de unir las jeringuillas a las cámaras 160 360 o 460 (según la realización), se usan mangueras flexibles, por ejemplo fabricadas en silicona. Aparte de permitir el control preciso de la dosificación, los impulsores de jeringuilla, se recomiendan debido a que las partes de estos dosificadores las cuales se encuentran en contacto con el activador o el iniciador (por ejemplo jeringuillas de plástico y mangueras de silicona) son desechables. Esto soluciona el problema de la limpieza de los mismos. De este modo, el control de la dosificación es independiente y resulta posible modificar la proporción entre estos componentes fácilmente. Los materiales usados en los elementos de dosificación en el sistema catalítico (activador e iniciador) son preferentemente desechables, ya que el sistema catalítico necesita condiciones óptimas de limpieza y la limpieza de esos elementos resulta complicada. El control de dosificación exacto se logra por medio de un eje unido a un motor con un codificador. Por tanto, se regula el caudal por medio de la velocidad de giro del motor y se regula el volumen de dosificación por medio del codificador basado en el número de vueltas. A continuación, se describe un procedimiento para moldear poliamida 6 a escala industrial usando el dispositivo de la tercera realización de la invención: a) Preparación de los materiales: se debe garantizar que el porcentaje de humedad de los componentes de reacción es menor que 0,04%. b) Se calientan los moldes a la temperatura de moldeo. c) Encendido del equipo: se enciende la máquina con el interruptor principal y se programan las temperaturas de las zonas a calentar. Estas son: la zona de resistencias de la extrusora y la zona de calentamiento de la cámara de mezcla. d) Se introduce la caprolactama en la tolva. La cantidad a introducir es función de la capacidad de la tolva. Debido a que el material de mantiene en estado sólido y protegido de la humedad dentro de la tolva, no hay posibilidad de degradación y se puede usar esta tolva como almacenamiento de la lactama. e) Programación de las velocidades de giro de la extrusora y calibración para verificar el caudal de lactama obtenido. f) Carga de sistema catalítico: de acuerdo con la proporción de mezcla que se quiera utilizar, se cargan las jeringuillas y se conectan a las correspondientes tuberías de silicona. Finalmente, se colocan en el correspondiente impulsor de jeringuilla introduciendo las tuberías en la cámara de mezcla. g) Verificación de la calibración del sistema catalítico: para hacer esto, se programa de manera independiente un caudal en cada impulsor y se recoge la cantidad en un recipiente con tara calculada que se pesará. h) Cebado de los impulsores: se lleva a cabo un cebado de los impulsores de manera que el activador y el iniciador llenen completamente la tubería de silicona. i) Inyección del material en el interior del molde: se programa el peso de la pieza a obtener y el % de sistema catalítico. El software calcula de manera automática los parámetros de la bomba de pistón en función de estos dos factores (peso de pieza y % de sistema catalítico) Se conecta la boquilla al molde y se comienza la inyección. Tras llenar el molde, se desconecta la boquilla y se deja reaccionar. j) Limpieza de boquilla: inmediatamente después de desconectar el molde, se limpia la boquilla para retirar todas la trazas de la mezcla caprolactama/iniciador/activador. k) Desmoldado de la pieza: una vez que se solidifica el material, se lleva a cabo el enfriamiento de la pieza, después de lo cual se desmolda.
I) Inyección de repetición: si se van a llevar a cabo varias inyecciones consecutivas, una vez que haya concluido la etapa j) se puede volver a la etapa h) y llevar a cabo inyecciones en el interior de diferentes moldes. Estas coladas pueden presentar peso diferente y % de sistema catalítico diferente, modificando únicamente la proporción de mezcla y el peso de la parte en el programa.
EJEMPLOS DE FUNCIONAMIENTO DEL DISPOSITIVO DE LA FIGURA 4
Ejemplo 1
Si se pretende moldear una pieza de poliamida 6 de 1 ,03 kg en 10 segundos (tiempo de llenado del molde) en la que la relación de mezcla es: 100 partes de lactama (en particular, caprolactama), 2 partes de iniciador y 1 parte de activador, el procedimiento se describe a continuación.
Se parte de una tolva 410 que contiene caprolactama suficiente y se llenan los impulsores de jeringuilla 440 450 respectivamente con iniciador y activador. Se programan las resistencias 432 a 145 eC y la resistencia de la cámara 460 a 1 15 eC.
Se activan los tres sistemas de dosificación (caprolactama, iniciador y activador). La extrusora 430 dosifica y funde la caprolactama simultáneamente desde la tolva 410 a través del tornillo plastificador 461 , y la lleva hasta la cámara mezcladora 460 con un caudal constante y continuo de 100 g/s durante 10 segundos.
Al mismo tiempo/en paralelo, los impulsores de jeringuilla 440 450 dosifican el activador y el iniciador a través de las tuberías de silicona hasta la cámara de mezcla 460, con un caudal constante y continuo de 2g/s de iniciador y 1 g/s de activador.
Los tres flujos de caprolactama, iniciador y activador se encuentran en contacto unos con otros por primera vez al entrar en la pequeña cavidad de mezcla 460. Para obtener una mezcla homogénea y que se mantiene constante, la bomba de pistón 462 empuja la mezcla a través de la boquilla 461 a una velocidad de 20 empujes/s. La boquilla 461 se encuentra conectada al molde 470 calentado a 170 eC, que se llena de forma continua y en los mismos 10 segundos durante los cuales tiene lugar la dosificación de los tres componentes. Una vez dosificados los 1 ,03kg de mezcla en los 10s programados, los medios de dosificación (extrusora 430 y dosificadores de jeringuillas 440 450) se detienen. Una vez que ha tenido lugar la reacción dentro del molde, la mezcla se vuelve sólida y la pieza de poliamida 6 es extraída fuera del molde. Ejemplo 2
Una vez que ha concluido el procedimiento descrito en el ejemplo 1 , y sin necesidad de apagar la máquina, limpiarla o introducir materia prima nueva (caprolactama, iniciador o activador), se fabrica una segunda pieza de poliamida 6, que tiene un peso de 205 g, en 4 segundos (tiempo de llenado del molde) en la cual la proporción de mezcla es: 100 partes de caprolactama, 1 ,5 partes de iniciador y 1 parte de activador.
Se activan los tres sistemas de dosificación (caprolactama, iniciador y activador). La extrusora 430 dosifica y funde la caprolactama simultáneamente desde la tolva 410 a través del tornillo plastificador 461 , y la lleva hasta la cámara mezcladora 460 con un caudal constante y continuo de 50 g/s durante 4 segundos.
Al mismo tiempo/en paralelo, los impulsores de jeringuillas dosifican el activador y el iniciador a través de tuberías de silicona hasta la cámara de mezcla 460, con un caudal continuo y constante de 0,75 g/s de iniciador y 1 g/s de activador.
Como en el ejemplo 1 , los tres flujos de caprolactama, iniciador y activador se encuentran en contacto entre ellos por primera vez al entrar en la pequeña cavidad de mezcla 460. Para obtener una mezcla homogénea y que se mantiene constante la bomba de pistón 462 empuja la mezcla a través de la boquilla 461 a una velocidad de 17empujes/s La boquilla 461 se encuentra conectada con el molde 470 calentado a 165 eC, que se llena de forma continua y en los mismos 4 segundos durante los cuales tiene lugar la dosificación de los tres componentes. Una vez dosificados los 205g de mezcla en los 4s programados, los medios de dosificación (extrusora 430 y dosificadores de jeringuillas 440 450) se detienen. Una vez que tiene lugar la reacción en el interior del molde, la mezcla se vuelve sólida y la pieza de poliamida es extraída del molde. Por otra parte, la invención no está limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . - Un dispositivo (100, 300, 400) para polimerizar lactamas en moldes, que comprende: una tolva (1 10, 310, 410) para almacenar lactama sólida (120, 320, 420);
un medio de alimentación de lactama (130, 330, 430) configurado para recibir la lactama sólida (120, 320, 420) desde la tolva (1 10, 310, 410), donde dicho medio de alimentación comprende un tornillo plastificador (131 , 331 , 431 ) configurado para simultáneamente fundir la lactama y conducir la lactama fundida de forma dosificada hacia una cámara de mezcla (160, 360, 460); estando el dispositivo caracterizado por que comprende además: un primer medio de dosificación (140, 340, 440) para alimentar un iniciador líquido; un segundo medio de dosificación (150, 350, 450) para alimentar un activador líquido; donde dicha cámara mezcladora (160, 360, 460) está configurada para recibir de forma dosificada la lactama, el iniciador y el activador desde, respectivamente, dicho medio de alimentación de lactama (130, 330, 430), dicho primer medio de dosificación (140, 340, 440) y dicho segundo medio de dosificación (150, 350, 450), presentando dicha cámara de mezcla (160, 360,460) tres entradas independientes para recibir, de manera independiente, la lactama, el iniciador y el activador, para permitir que dichos lactama, iniciador y activador fluyan respectivamente al interior de la cámara de mezcla (160, 360, 460) poniéndose en contacto entre sí por primera vez en el instante anterior a la entrada a un molde (170, 370, 470) situado junto a la cámara y dispuesto para que se produzca en él la reacción de polimerización.
2. - El dispositivo (100, 300, 400) de la reivindicación 1 , donde el primer medio de dosificación (140, 340, 440) para alimentar el iniciador comprende un impulsor de jeringuilla unido a la primera entrada de la cámara mezcladora (160, 360, 460) y el segundo medio de dosificación (150, 350, 450) para alimentar el activador comprende un impulsor de jeringuilla unido a la segunda entrada de la cámara de mezcla (160, 360, 460).
3. - El dispositivo (100, 300, 400) de cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde dicho medio de alimentación de lactama (130, 330, 430) comprende medios para controlar la dosificación de lactama que accede a la cámara de mezcla (160, 360, 460) mediante el control del giro del tornillo plastificador (131 , 331 , 431 ).
4. - El dispositivo (100, 300, 400) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho tornillo plastificador (131 , 331 , 431 ) está rodeado de medios de calentamiento (132, 332, 432).
5. - El dispositivo (100, 400) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el medio de alimentación de lactama es una extrusora (130, 430) configurada para fundir la lactama en dicho tornillo plastificador (131 , 431 ) y conducirla hacia dicha cámara de mezcla (160, 460).
6. - El dispositivo (100, 400) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una boquilla (161 , 461 ) dispuesta entre la cámara de mezcla (160, 460) y el molde (170, 470), estando dicha boquilla configurada para recibir la mezcla formada por la lactama, el iniciador y el activador de forma dosificada y para hacer llegar dicha mezcla al molde (170, 470).
7. - El dispositivo (400) de la reivindicación 5, donde dicha extrusora (430) está inclinada con respecto a la horizontal un ángulo que varía entre 10 y 35 grados.
8. - El dispositivo (400) de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, donde la cámara de mezcla (460) comprende un sistema de bombeo (462) configurado para bombear la dosis de mezcla de lactama, iniciador y activador de una forma sustancialmente continua.
9.- El dispositivo (400) de la reivindicación 8, donde dicho sistema de bombeo (462) es una bomba de pistón.
10. - El dispositivo (100) de la reivindicación 6, en el que la cámara de mezcla (160) está configurada de forma que a su salida, el iniciador y el activador salen por la parte central de la sección de dicha cámara mientras que el flujo de lactama lo hace por la parte del perímetro, de forma que es en la boquilla (161 ) donde los tres componentes entran en contacto por primera vez.
1 1 . - El dispositivo (300) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el medio de alimentación de lactama es una inyectora (330) configurada para fundir la lactama en dicho tornillo plastificador (331 ), conducirla hacia dicha cámara de mezcla (360) de forma dosificada y mediante el mismo tornillo plastificador (331 ) utilizado como émbolo, empujar la mezcla de lactama, iniciador y catalizador a través de una boquilla (361 ) hacia el molde (370).
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