ES2273261T3 - Procedimiento para la produccion continua de perfiles macizos, huecos o abiertos. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de fabricación de perfiles macizos, huecos o abiertos, en particular los que presentan unas aristas vivas, a base de poliestireno que comprende las etapas siguientes: * Dosificación de polímeros que comprenden poliestireno y opcionalmente otros aditivos adyuvantes. * Plastificación de los componentes en una extrusora a fin de obtener una mezcla homogénea. * Inyección de un gas a presión a través de una puerta de inyección, * Malaxado y puesta a presión de dicha mezcla homogénea y del gas hasta una disolución completa del gas para obtener una mezcla en una sola fase, * Enfriado progresivo de dicha mezcla en una sola fase a fin de mantener la presión necesaria para la solidificación del gas hasta una temperatura superior a 135ºC. * Paso de dicha mezcla en una sola fase de mezcla a una herramienta de conformado a fin de formar una espuma, * Paso de la espuma así formada a través de un sistema de calibrado opcionalmente controlado en temperatura, * Estirado motorizado de la espumacalibrada, caracterizado porque la concentración del gas es de 0, 2 a 0, 4% en peso con respecto a los polímeros que comprenden poliestireno.

Description

Procedimiento para la producción continua de perfiles macizos, huecos o abiertos.

La presente invención se refiere a un procedimiento según el preámbulo de la reivindicación 1.

Desde hace numerosos años se fabrican unos perfiles de poliestireno que tiene una densidad superior a 400 kg/m^{3} para una utilización en la decoración interior o exterior de las habitaciones. Estos perfiles de formas diversas tiene un aspecto decorativo marcado y son a menudo utilizados para reemplazar o imitar unas declaraciones de techos de estucado. Pueden además, gracias a su densidad elevada, soportar impactos, lo que permite su utilización a nivel de circulación de las personas y objetos móviles que pueden entrechocarlos. No absorbiendo el poliestireno casi nada de agua, se puede utilizar en dichos perfiles a nivel del suelo, como plintos (o zócalos).

A fin de poder realizar unos perfiles con unas decoraciones complejas de buena calidad y que tienen un aspecto de superficie aceptable, es necesario que los perfiles tengan una estructura regular, es decir unas células finas y uniformes. Si las células son irregulares, son visibles defectos de superficie y los perfiles no son comercializables.

A pesar de numerosos esfuerzos, no ha sido posible producir dichos perfiles de poliestireno que tienen una densidad inferior a 400 kg/m^{3}. En efecto, desde que se prueba fabricar unos perfiles que tienen una densidad inferior a este valor, se obtienen unas estructuras que no son bastante regulares para obtener perfiles que no presenten defectos de superficie molestos.

El documento US nº 5.753.717 describe un procedimiento de extrusión de espuma de poliestireno con la ayuda de CO_{2}, que tiene una resistencia mecánica mejorada, obtenida alcanzando una temperatura a la salida de la hilera inferior a una temperatura crítica. Para conseguir enfriar la mezcla polímero +CO_{2} por debajo de esa temperatura crítica, el inventor subraya la necesidad de inyectar conjuntamente una mayor proporción de agente de espumado. La densidad baja en consecuencia, teniendo el gas un efecto de reducción de la viscosidad por plastificación, lo que disminuye los rozamientos viscosos y el calor generado por estos rozamientos. Los productos obtenidos descritos están en forma de hojas, destinadas a ser termoconformadas, que poseen un tamaño de células particularmente fino (<25 \mum) y un espesor de paredes celulares de 1 a 2 \mum. La densidad de la espuma es inferior a 4 lbs/ft^{3} [64
kg/m^{3}].

El documento US nº 5.753.717 subraya por otra parte que no ha sido posible previamente obtener unas espumas de poliestireno que tengan densidades elevadas ET un tamaño de células muy finas: disminuyendo la proporción de agente hinchante, la densidad aumenta pero las células resultan gruesas y grandes. El documento US nº 5.753.717 precisa también que los procedimientos anteriores convencionales solo permiten obtener unas hojas de espuma que tienen unas células más bien grandes y gruesas, trabajando a temperaturas de hilera de por lo menos 140ºC y hasta 155ºC.

El documento US 2002/0169224 describe un procedimiento continuo de preparación de espuma que presenta unos tamaños de células reducidos y/o uniformes formando una mezcla uniforme de polímero y de agente de espumado, reduciendo la temperatura de la mezcla a la salida y a una presión suficiente para mantener el agente espumante en solución y pasando la mezcla a continuación por un orificio de salida a fin de expandirla. La temperatura de extrusión es igual o inferior a 30ºC por encima de la temperatura de transición vítrea del polímero y la cantidad de CO_{2} utilizada es de por lo menos 4,4% en peso del polímero. Los tamaños de las células reivindicadas se sitúan entre 2 y 200 \mum y las densidades entre 100 y 300 kg/m^{3}.

El objetivo de la presente invención es proponer un nuevo procedimiento de fabricación para unos perfiles que comprenden una espuma de poliestireno que tiene una densidad comprendida entre 200 kg/m^{3} y 350 kg/m^{3}, que tiene unas células finas, de 25 a 100 \mum, y de tamaño homogéneo.

El objetivo se alcanza por un procedimiento de fabricación según la reivindicación 1.

Este procedimiento permite realizar espumas a base de poliestireno que tienen una densidad comprendida entre 200 kg/m^{3} y 350 kg/m^{3} presentando al mismo tiempo un aspecto de superficie lisa y sin defectos aparentes.

Gracias al control, a la eficacia y a la homogeneidad del enfriado realizados, el procedimiento permite aumentar la productividad de perfiles y la calidad de las células es muy uniforme.

Unas espumas que tienen una densidad comprendida entre 200 kg/m^{3} y 350 kg/m^{3}, que tienen unas células finas, de 25 a 100 \mum, y de tamaño homogéneo, pueden obtenerse, de forma sorprendente, por el procedimiento desarrollado en el marco de la presente invención, incluso con temperaturas óptimas de espumado superiores a
135ºC.

En el caso de la presente invención, dado que las densidades previstas son mucho más elevadas que las previstas en el documento US nº 5.753.717, el espesor de las paredes celulares será forzosamente mayor. Pero la obtención de células suficientemente finas para asegurar a las espumas de la presente invención una calidad de superficie adecuada resulta indispensable, y parecía difícil incluso irrealizable según el documento US nº 5.753.717. El análisis de las posibles causas de estos problemas ha conducido a considerar no solamente la potencia de enfriado utilizar, la temperatura alcanzar en la hilera si no también la homogeneidad de esta temperatura en una sección perpendicular al flujo. Cuanto más elevadas son las densidades que se desea realizar, mayor es la potencia de enfriado a proporcionar, pero sobre todo es más difícil de reducir la diferencia de temperatura entre el centro del flujo y los bordes. Esto conduce entonces a que el centro del flujo, demasiado caliente, tendrá una masquesidad más baja, ofreciendo menos resistencia a la expansión de las burbujas de gas, aumentando así el tamaño medio de las células de la espuma, en detrimento de su apariencia y de su calidad.

La temperatura óptima a la cual la espuma alcanza la calidad más favorable (densidad-tamaño celular) es también crucial, el sistema de enfriado debe para ello ser suficientemente potente, sin embargo progresivo y bien contro-
lado.

Según un primer modo de realización ventajoso, el polímero utilizado se elige en el grupo constituido por el poliestireno, el acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), el estireno-butadieno-estireno (SBS), estireno-etileno-butadieno-estireno (SEBS) o sus mezclas.

Se pueden también utilizar varias clases de poliestirenos, que difieren en viscosidad y por tanto en masa molecular, solos en mezcla con otros copolímeros de estireno o de un monomerodieno. Unos copolímeros adecuados son por ejemplo el acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), el estireno-butadieno-estirneo (SBS), el estireno-etileno-butadieno-estireno (SEBS) o sus mezclas.

Es también posible modificar un parte o toda la superficie del perfil de espuma primaria solidificado añadiéndole una capa suplementaria de material por coextrusión. Este materia coextruida puede estar en estado espumado o compacto.

El gas de espumado preferentemente utilizado es el CO_{2}.

Otras particulares y características de la invención resaltarán de la descripción detallada de algunos modos de realización ventajosos presentados a continuación, a título de ilustración.

1. Procedimiento de fabricación 1.1 Dosificación de los componentes

Los componentes de la formulación son dosificados individualmente por una estación de dosificación de tipo volumétrico o gravimétríco, para realizar precisamente la composición deseada. Las materias primas están preferentemente en forma de granulados regulares, que tienen si es posible el mismo tamaño y la misma forma de un componente al otro. Se preferirá también que la densidad aparente esté en una horquilla estrecha entre los diversos componentes, a fin de no provocar un desmezclado precoz.

1.2 Extrusora

Los componentes así dosificados o conducidos hacia la alimentación de una extrusora plastificadora. Esta extrusora comprende preferentemente dos tornillos, que pueden ser co- o contrarrotativos, autolimpiantes o no. El cilindro comprende varias zonas de calentamiento. La primera parte del cilindro es calentada a alta temperatura, a fin de plastificar los componentes sólidos dosificados en la alimentación, malaxándolos al mismo tiempo para homogeneizar el conjunto. En el punto más favorable desde el punto de vista de la viscosidad y de la presión en el cilindro, se inyecta un gas a presión a través de una puerta de inyección perforada en el cilindro. El gas será mantenido en su fase condensada, en particular un estado supercrítico en el caso del CO_{2} (ver punto 2.2.). La mezcla de los componentes y del gas son malaxados y presurizados al fin de obtener una buena homogeneidad y una disolución óptima del gas en la mezcla fundida para obtener una sola fase. Las zonas del cilindro son a continuación precisamente más frías a fin de mantener la presión necesaria para la solubilización del gas.

1.3 Enfriado

Puede realizarse según dos disposiciones:

i)

Intercambiador de calor "dinámico" por el empleo de una configuración de tornillos largos: la primera parte del cilindro que ha servido para la plastificación y para la homogeneización de los componentes sólidos con el gas descrito en el punto b) anterior, la segunda parte del tornillo, cuyas zonas son enfriadas por circulación de un fluido portador de calor, permite el enfriado de la mezcla monofásica. El diseño del tornillo de esta última parte está específicamente adaptado para generar el menor calor posible por cizalladura, lo que incrementa la capacidad potencial de enfriado y por tanto beneficia la productividad. El diseño de la sección de enfriado del tornillo estará adaptada para llegar a la entrada de la hilera a la temperatura óptima, cuya homogeneidad en una sección recta perpendicular al flujo, permite obtener la cooperación ventajosa de densidad y tamaño celular reivindicada.

\newpage

ii)

Intercambiador de calor "estático": la mezcla homogénea de los componentes plastificados + el gas dejan el cilindro de la extrusora para pasar a través del intercambiador de calor, recorrido por un fluido portador de calor, cuyo concepto de permitir una regulación de la temperatura de mezcla a la décima de grado aproximadamente, lo que permite alcanzar con la progresividad y la precisión deseada a la temperatura óptima de espumado en la hilera. El intercambiador debe además están ideado para aplanar el perfil de temperatura en una sección recta perpendicular al flujo, a fin de hacer el perfil de temperatura a la salida de este intercambiador lo más plano posible. La adición de un intercambiador de estático después del cilindro de la extrusora permite además incrementar el caudal permisible.

1.4 Homogeneización

La mezcla enfriada es eventualmente de nuevo homogeneizada, por paso por un mezclador estático que dividirá el flujo en varios "canales" que sean cruzados y redistribuidos, a fin de hacer el perfil de la temperatura de una sección perpendicular del flujo lo más plano posible.

1.5 Relajación

Se puede eventualmente añadir una sección de relajación del flujo, colocando un tubo vacío en una distancia adecuada. Esto permite a las tensiones internas debidas a la cizalladura, así como a los defectos "memoria" viscoelásticos relajarse y asegurar un flujo más regular del fluido.

1.6 Hilera de espumado

La mezcla homogénea en composición y en temperatura, monofásica de los componentes plastificados y del gas pasará ahora a la herramienta de conformado, constituida por una hilera que guía el flujo hacia la forma de espumado deseada. La pérdida de carga que sufre la mezcla después de la salida del cilindro disminuye sin cesar la presión de la mezcla; en un momento esta presión cae por debajo del umbral crítico en el que el gas, previamente solubilizado, sobresaturará la mezcla y unas burbujas de gas tendrán entonces origen, formando una segunda fase discreta. Idealmente, la zona de formación de estas burbujas primarias no debe pasar demasiado pronto, so pena de ocasionar un preespumado que da una espuma deformada e inestable, con una superficie poco atractiva. Los medios de acción sobre el punto donde se produce esta etapa crítica de desmezclado son múltiples: viscosidad de los componentes, temperatura de la herramienta, proporción de gas, forma de la herramienta, caudal de la extrusora... todos estos parámetros deben ser optimizados para cada perfil de espuma a realizar.

1.7 Conformado

La espuma sale a la atmósfera, a alta temperatura, y se expande libremente. La viscosidad de las paredes celulares aumenta con el enfriado y la emigración del gas de las células, hasta fijar la estructura celular. Pero este proceso toma tiempo, y la forma de la espuma no es estable inmediatamente. Para controlar las dimensiones de la espuma, se la hace pasar a través de un sistema de calibrado, por un estirado motorizado al final de la línea de extrusión. Los calibradores, eventualmente controlados en temperatura para un control más eficaz de la forma, sobretodo al principio cuando la espuma está más caliente, imponen progresivamente a la base espumada su forma definitiva.

1.8 Coextrusión en línea (opcional)

Es posible modificar una parte o toda la superficie del perfil de espuma primaria solificado añadiéndole una capa suplementaria de material por coextrusión. Esta capa secundaria, que debe ser compatible con la primera para asegurar una buena cohesión, puede tener por función un reforzado de las propiedades mecánicas, un efecto decorativo, .... La capa secundaria puede ser compacta o bien espumada.

1.9 Ornamentación en línea (opcional)

Es posible imprimir unos motivos decorativos sobre una porción elegida del perfil, por ejemplo por medio de un rodillo calefactor presionado contra la espuma previamente calentada localmente, o por un sistema de prensa que avanza con el perfil, o cualquier otro procedimiento conocido por experto en la materia.

1.10 Estirado y corte

La espuma es por tanto estirada por una estiradora motorizada, simple o doble según el número de perfiles obstruidos en paralelo. El perfil es entonces cortado a la longitud por una sierra, que asegura un corte muy perpendicular.

1.11 Ornamentación fuera de línea (opcional)

Es posible imprimir unos motivos decorativos sobre una porción elegida del perfil recortado, por ejemplo por medio de un rodillo calefactor presionado contra la espuma previamente recalentada localmente, o por un sistema de prensa que avanza con el perfil, o cualquier otro procedimiento conocido por el experto en la materia.

2. Materias primas 2.1 Polímeros

El poliestireno es utilizado como resina de base. La viscosidad del poliestireno será adaptada en función del perfil de espuma, la presión necesaria para la obtención de una buena calidad, el caudal de extrusión deseable. Varias clases de poliestireno, que difieren en viscosidad y por tanto en masa molecular, que tienen índices de flujo ("Melt Flow Rate" MFR), según ASTM D1238, medida a 200ºC y carga de 5,0 kg de 1 a 25 g/10 minutos, pueden ser utilizadas solas o en mezcla. Se pueden también añadir unos copolímeros de estireno y de un monómero dieno, que posean una mejor resistencia al impacto y una mejor elasticidad. Por ejemplo: Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS), Estireno-Butadieno-Estireno (SBS), Estireno-Etileno-Butadieno-Estireno (SEBS), que tienen también unos índices de flujo ("Melt Flow Rate" MFR) variables, adaptados según la espuma a obtener.

Se puede también añadir material reciclado, compatible con el conjunto de los componentes, por ejemplo unos desechos de perfiles espumados previamente triturados, desgasificados y densificados.

En el caso de una capa coextruída sobre la espuma de base, los materiales se elegirán según que sean capaces de formar una unión cohesiva suficiente con la espuma de base. Puede tratarse termoplásticos, de termoendurecibles.

2.2 Gas

El gas utilizado es preferentemente el CO_{2}. Almacenado en un depósito a presión y temperatura tales que se encuentre en estado líquido. No es preciso en ningún caso sobrepasar 31.1ºC, más allá el CO_{2} resulta supercrítico y tiene por tanto una densidad directamente más baja que el líquido, lo que hace su bombeo delicado. El CO_{2} es bombeado en unos conductos enfriados muy por debajo de la temperatura crítica, a fin de mantener el estado líquido, hasta el dispositivo de regulación del caudal de inyección. Se trata de un caudalímetro que funciona según el efecto Coriolis, que permite unir la masa del gas dosificada por unidad de tiempo a una diferencia de velocidad de vibración inducida por el paso del fluido por un conducto en vibración. Funcionando este caudalímetro sólo para los líquidos, es por tanto primordial que el CO_{2} permanezca en este estado. El CO_{2} líquido es entonces llevado al cilindro de la extrusora a través de un poro de inyección, provisto de una válvula anti retorno.

2.3 Aditivos a. Agente nucleante

Las células de la espuma son regularizadas gracias al empleo de un compuesto que favorecerá una repartición homogénea de las células y en la espuma. Puede tratarse de productos pasivos, que no reaccionen en químicamente, tales como el talco, el carbonato de calcio, la sílice,... Se pueden emplear también unos productos llamados "activos" que se descompondrán bajo la acción del calor, desprendiendo una fase gaseosa. La reacción favorece la nucleación homogénea, la presencia de campos de gas finamente dividido también. Las combinaciones de ácido cítrico y de bicarbonato de sodio, la azodicarbonamida, el OBSH,... son bien conocidos.

b. Aditivos de ayuda al proceso

Se trata de compuestos que facilitan la extrusión de la mezcla de poliestireno, por un efecto de lubrificación interna o externa. Se trata generalmente de una molécula que tiene un bajo peso molecular. Entre los productos conocidos, se citarán los ésteres con C_{4}-C_{20} monoalcoholes, las amidas de ácido graso, las ceras de polietileno, las ceras de polietileno oxidado, las ceras estirénicas, los alcoholes C_{1}-C_{4}, los compuestos siliconados, etc. Estos compuestos pueden ser o bien añadidos a la mezcla desde la entrada de la extrusora, en forma de mezcla maestra a base de poliestireno, o bien inyectados en forma líquida en la extrusora, o bien también inyectados con regularidad y precisión en el punto adecuado de la herramienta de extrusión a través de un anillo repartidor, a fin de tapizar exclusivamente y regularmente el canal de flujo de la hilera para constituir una película que tiene un coeficiente de fricción muy bajo.

c. Pigmentos

Se puede colorear uniformemente a la masa de espuma por la utilización de pigmentos añadidos a la alimentación de la extrusora. Es también posible obtener un "efecto madera" utilizando unas asociaciones de pigmentos de colores que tienen viscosidades muy diferentes, por ejemplo combinar una mezcla maestra de color claro sobre la base de un polímero de alta viscosidad con mezcla maestra de color oscuro sobre la base de un polímero de baja viscosidad.

d. Otros aditivos

Se citan también, de forma no exhaustiva:

\bullet

Antifuego (halógenos [clórados, bromados, fluorados,...] o no [hidróxidos, fosfatos, grafito expandible...];

\bullet

AntiUV;

\bullet

Antioxidantes;

\bullet

Cargas minerales diversas;

\bullet

Fibras de refuerzo (vidrio, celulosa,...)

\bullet

Aditivos que actúan sobre la viscosidad en estado fundido (copolímeros acrílicos de alto peso molecular).

3. Ejemplos de realizaciones

Los ejemplos que siguen ilustran las condiciones de obtención y los aspectos morfológicos de las espumas representativos de la invención. Se han agrupado en una tabla los parámetros clave de extrusión, dimensión de los perfiles y cantidad de calor extraído cuando tiene lugar el enfriado.

El polímero utilizado es un poliestireno cristal, MFI = 15. Un agente nucleante, del tipo ácido cítrico + bicarbonato de sodio ha sido añadido para regular el tamaño de las células. El gas de espumado es 100% CO_{2}.

Cuando se utiliza un intercambiador de calor (ejemplos nº 1 a 5), se calcula cantidad de calor extraído para llegar a la temperatura óptima en la hilera. En ausencia de intercambiador (ejemplo nº 6), que no tiene acceso a la temperatura de la masa en el cilindro antes de la sección de enfriado, no es posible evaluar esta cantidad de calor. Sin embargo, se anota la temperatura óptima de extrusión.

1

Se constata que las cantidades de calor son lógicas en función de las densidades, dimensiones y caudales de extrusión. Los ejemplos 2 y 3 ilustran sin embargo que las temperaturas óptimas de extrusión en la hilera son también función de la complejidad de las formas: a pesar de sus volúmenes similares, la forma del ejemplo 3 es mucho más tortuosa que la del ejemplo 2, incrementando los rozamientos, pero el procedimiento es en cada caso suficientemente adaptativo y flexible para permitir obtener unas espumas que tienen una estructura de células regular y fina.

Claims (10)

1. Procedimiento de fabricación de perfiles macizos, huecos o abiertos, en particular los que presentan unas aristas vivas, a base de poliestireno que comprende las etapas siguientes:

\bullet

Dosificación de polímeros que comprenden poliestireno y opcionalmente otros aditivos adyuvantes.

\bullet

Plastificación de los componentes en una extrusora a fin de obtener una mezcla homogénea.

\bullet

Inyección de un gas a presión a través de una puerta de inyección,

\bullet

Malaxado y puesta a presión de dicha mezcla homogénea y del gas hasta una disolución completa del gas para obtener una mezcla en una sola fase,

\bullet

Enfriado progresivo de dicha mezcla en una sola fase a fin de mantener la presión necesaria para la solidificación del gas hasta una temperatura superior a 135ºC.

\bullet

Paso de dicha mezcla en una sola fase de mezcla a una herramienta de conformado a fin de formar una espuma,

\bullet

Paso de la espuma así formada a través de un sistema de calibrado opcionalmente controlado en temperatura,

\bullet

Estirado motorizado de la espuma calibrada, caracterizado porque la concentración del gas es de 0,2 a 0,4% en peso con respecto a los polímeros que comprenden poliestireno.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el enfriado progresivo hasta la temperatura de espumado es regulado de manera que asegure un perfil de temperatura homogéneo en una sección recta perpendicular al flujo.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el polímero utilizado se elige en el grupo constituido por el poliestireno, el acrilonitrilo-butadieno-estireno, el estireno-butadieno-estireno, el estireno-etileno-butadieno-estireno o sus mezclas.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque se utilizan varias clases de poliestirenos, que difieren en viscosidad, solos o en mezcla con unos copolímeros de estireno y de un monómero dieno.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque los copolímeros se eligen en el grupo constituido por el acrilonitrilo-butadieno-estileno, el estireno-butadieno-estileno, el estireno-etileno-butadieno-estileno o sus mezclas.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una parte o toda la superficie del perfil de espuma solidificada es modificada añadiéndole una capa suplementaria de material por coextrusión.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el material coextruido está en estado espumado o compacto.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas de espumado utilizado es el CO_{2}.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se añaden unos compuestos que facilitan la extrusión de la mezcla de poliestireno elegidos en el grupo constituido por unos ésteres con C_{4}-C_{20} monoalcoholes, unas amidas de ácido graso, unas ceras de polietileno, unas ceras de polietileno oxidado, unas ceras estirénicas, unos alcoholes con C_{1}-C_{4}, unos compuestos siliconados y sus mezclas.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque los compuestos que facilitan la extrusión de la mezcla de poliestireno son inyectados con regularidad y precisión en el punto adecuado de la herramienta de extrusión a través de un anillo repartidor, a fin de tapizar exclusivamente y regularmente el canal de flujo de la hilera.