ITAN20100220A1 - Composizione di carica per processi di trasformazione di polimeri - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

COMPOSIZIONE DI CARICA PER PROCESSI DI

TRASFORMAZIONE DI POLIMERI

La presente invenzione si riferisce ai processi di trasformazione dei polimeri termoplastici e concerne in particolare una composizione di carica da additivare ai polimeri termoplastici nel processo di trasformazione.

Nella pratica della trasformazione dei polimeri sopraddetti, per produrre articoli e manufatti in materia plastica, tutte le tecnologie attualmente impiegate hanno in comune l'obiettivo di ricercare le migliori condizioni di compromesso tra due esigenze antitetiche, rappresentate dall'ottenimento della massima omogeneità dei materiali allo stato fuso e, contemporaneamente, della massima produttività del processo.

Infatti, l'omogeneità dei materiali allo stato fuso ha un ruolo importante per la qualità delle prestazioni del materiale in termini di caratteristiche chimiche, meccaniche, termiche, elettriche e fisiche e, conseguentemente, l'omogeneità à ̈ in relazione anche con le caratteristiche qualitative di articoli e manufatti fabbricati con i materiali suddetti.

La produttività del processo à ̈ inerente invece con la ricerca della riduzione dei costi di produzione, principalmente mediante una riduzione dei tempi di ciclo. Tuttavia, la riduzione dei tempi di ciclo contrasta con le condizioni necessarie per l'ottenimento della qualità dei termoplastici e dei prodotti formati con questi.

Infatti, come la messa in pratica dei processi di stampaggio ad iniezione, soffiaggio ed estrusione ha ampiamente provato, risulta assai difficile ridurre il tempo di ciclo oltre un certo limite senza contemporaneamente variare anche i parametri di processo che presiedono al raffreddamento del materiale fuso all'interno di stampi e/o matrici e che regolano la conseguente solidificazione e/o cristallizzazione dei materiali termoplastici polimerici.

Una cristallizzazione non corretta od irregolare à ̈ causa di un decadimento delle prestazioni chimiche, meccaniche, termiche ed elettriche del materiale ed anche causa della produzione di deformazioni e difetti del prodotto finale, che spesso sono responsabili di pregiudicarne intollerabilmente le qualità estetiche e/o funzionali.

Le sostanze attualmente note e poste in commercio quali cariche destinate ad additivare i materiali termoplastici, in vista del conseguimento dei risultati sopra richiamati, non hanno dimostrato una grande efficacia nell'ottenimento di un'elevata produttività accompagnata da una contestuale elevata qualità dei materiali termoplastici e dei manufatti con essi prodotti. Ne consegue che i prodotti di qualità elevata implicano elevati costi di processo, mentre i prodotti di basso costo sono accompagnati da qualità altrettanto basse.

Primario scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello si ovviare a tali inconvenienti permettendo di ottenere - per tutti i processi di trasformazione dei materiali termoplastici polimerici, amorfi, cristallini e/o semicristallini e, rispetto alla tecnica nota - un aumento della produttività nei prodotti di alta qualità; senza compromettere né le caratteristiche chimiche, fisiche e termiche dei materiali originali, né le caratteristiche estetiche e funzionali dei prodotti con essi fabbricati.

Nell'ambito di tale scopo un obiettivo del trovato à ̈ quello di consentire di processare qualsiasi tipo di polimero termoplastico a temperature di fusione significativamente più basse di quelle attualmente impiegate nei corrispondenti processi di stampaggio ad iniezione, estrusione e soffiaggio. Un altro obiettivo à ̈ quello di ottenere, nei suddetti materiali termoplastici, e .durante la fase di raffreddamento o cristallizzazione all'interno degli stampi o matrici, un aumento dello spessore della cosiddetta "pelle fredda" che, a parità di ogni altra condizione à ̈ in grado di ridurre l'entità delle deformazioni e le difettosità dovute al ritiro del materiale durante il raffreddamento.

Un obiettivo ulteriore à ̈ quello di consentire una riduzione della percentuale di "master" colore necessario per colorare i materiali polimeri.

Un altro obiettivo ancora à ̈ quello di ridurre la percentuale degli altri additivi "master" utilizzati ad esempio per rendere ignifughi i polimeri, senza per questo pregiudicarne in alcun modo il grado di autoestinguenza.

Un ulteriore obiettivo à ̈ quello di consentire di amalgamare materiali termoplastici eterogenei tra loro, e/o contenenti eventualmente anche materiali estranei alla propria natura, quali ed esempio cellulosa, carta o altri materiali diversi, purché non di natura metallica.

Un altro obiettivo à ̈ quello di ampliare la scelta dei tipi di polimeri impiegabili per produrre manufatti batteriologicamente sterili, oppure manufatti elettricamente conduttori.

Un altro, ulteriore, obiettivo del trovato à ̈ quello di conseguire tali risultati con la manipolazione e l'impiego nei processi di trasformazione dei polimeri e dei materiali termoplastici di prodotti non tossici, idonei al contatto alimentare, e di uso facile e sicuro.

In accordo con l’invenzione tali scopi ed obiettivi sono raggiunti da una carica minerale formulata conformemente alla definizione della rivendicazione 1, e/o di una qualunque delle restanti altre rivendicazioni. Le caratteristiche tecniche del trovato, secondo i suddetti scopi, sono chiaramente riscontrabili dal contenuto delle rivendicazioni sotto riportate, ed i vantaggi dello stesso risulteranno maggiormente evidenti nella descrizione dettagliata che segue, fatta con riferimento ai disegni allegati, che ne rappresentano una forma di realizzazione puramente esemplificativa e non limitativa, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ un primo schema di principio, esplicativo della formulazione della carica conforme all'invenzione;

- la figura à ̈ un secondo schema di principio, esplicativo di una ulteriore formulazione della carica conforme all'invenzione;

- le figure 3 e 4 sono sezioni comparative di manufatti ottenuti in condizioni di processo identiche, fatto salvo l'impiego nel manufatto di figura 4 di una composizione di carica conforme all'invenzione.

Con riferimento alle figure degli uniti disegni, in figura 1 Ã ̈ mostrato uno schema a blocchi relativo alla formatura di una composizione di carica per processi di trasformazione di polimeri termoplastici.

La composizione di carica essenzialmente comprende una miscela C minerale formata da un primo componente rappresentato da silicato di alluminio amorfo, indicato con A, e da un secondo componente, indicato con B, rappresentato da idrossido di magnesio.

I componenti A e B della miscela sono entrambi allo stato di polvere. La dimensione delle loro particelle costitutive à ̈ compresa tra 3 e 100 micron. Una dimensione delle particelle tra 5 e 50 micron à ̈ da considerarsi preferenziale.

I componenti polverulenti A e B partecipano alla formazione della miscela ciascuno con rapporto percentuale compreso tra il 40% ed il 50% del peso totale della miscela. Preferibilmente il silicato di alluminio amorfo (componente A) e l'idrossido di magnesio (componente B) sono presenti, ciascuno nella misura del 50% del peso totale della composizione di carica. Quest'ultima quantificazione ponderale si à ̈ dimostrata particolarmente efficace per il raggiungimento della maggior parte dei vantaggi della presente invenzione che saranno meglio indicati nel seguito della presente descrizione.

La composizione di carica può essere utilizzata tal quale nei processi di trasformazione dei materiali termoplastici. Tuttavia, secondo un'altra forma di impiego, la composizione può comprendere (come mostrato in figura 2) anche un agente veicolante a base polimerica, in formato macinato-triturato, che rende più agevole l'impiego della composizione di carica soprattutto nei processi di stampaggio ad iniezione, di estrusione e/o di soffiaggio.

In detta figura 2 si nota che un componente D - rappresentativo del 100% della composizione di carica - viene unito all'agente veicolante, indicato con E, per formare una composizione di carica, finale, indicata con F.

Il dosaggio ponderale dei componenti della miscela F Ã ̈ ottenuto preferibilmente unendo tra loro il 25% in peso del componente D ed il 75% in peso del componente E. In tal modo si ottiene che l'agente veicolante E trasporta la miscela minerale D nel rapporto ponderale, ottimale del 50% dei rispettivi componenti A e B.

Il veicolante E può essere ottenuto sotto varie forme di attuazione. Infatti, può essere costituito da una resina poliolefinica, ad esempio a base di polietilene, di polipropilene, o di loro combinazioni e/o miscele.

In alternativa, il veicolante E può essere attuato da un base polimerica formata da una miscela di resina di etilen-vinil-acetato e di polietilene; oppure da una miscela di cera, od anche da una miscela di resine di etilenvinile-acetato.

Una ulteriore possibilità di scelta del veicolante più adatto può essere fornita anche dallo stesso materiale termoplastico destinatario della composizione di carica. Infatti, il veicolante E può essere costituito anche dallo stesso tipo di materiale termoplastico che à ̈ destinato poi a ricevere la composizione di carica quale additivo per il proprio processo di trasformazione.

La composizione di carica secondo il trovato ha evidenziato la sorprendente capacità di creare un effetto tissotropico nel polimero fuso quando esso si trovi all'interno degli apparati di plastificazione degli impianti di trasformazione dei polimeri e dei materiali termoplastici.

Tale effetto tissotropico, diminuendo le resistenze meccaniche tra il polimero fuso e gli organi meccanici dei convenzionali apparati di plastificazione (vite di plastificazione e pareti del cilindro di plastificazione) consente di poter avere un polimero perfettamente fuso a temperature di processo di circa 30/40 °C in meno rispetto alle temperature standar d.

Il poter disporre di un polimero perfettamente fuso a temperature più basse di 30/40 °C consente di ottenere significativi vant aggi per tutti i vari tipi di processo di trasformazione dei polimeri e materiali termoplastici.

Infatti, se ad esempio si prende in considerazione la tecnica dello stampaggio ad iniezione, e/o la tecnica della formatura di manufatti plastici mediante soffiaggio, à ̈ immediato comprendere che se il polimero perviene all'interno della cavità di formatura ad una temperatura più bassa, la cristallizzazione e la solidificazione del polimero avvengono in tempi più brevi e, quindi, in cicli di trasformazione più rapidi.

Una sperimentazione della composizione di carica condotta per lo stampaggio ad iniezione di vari tipi di materiali ha evidenziato riduzioni dei tempi di ciclo considerevoli, ovvero significativi incrementi di produzione rispetto alla tecnica nota. Alcune risultanze di prova - meramente indicative e non limitative - hanno mostrato ad esempio che sul HDPE sono ottenibili incrementi di produzione dell'ordine del 25% rispetto allo stesso materiale trasformato nelle condizioni standard.

Sul materiale ABS si à ̈ rilevato un incremento di produzione dell'ordine del 40%. Un materiale composto dal 50% di polipropilene omopolimero e dal 50% di polipropilene copolimero, additivato con la composizione di carica conforme all'invenzione, ha evidenziato un incremento di produzione dei processi di trasformazione, a parità di ogni altra condizione, dell'ordine del 20%. L'incremento di produzione ottenibile su un materiale PA6 con il 15% di fibra di vetro, una volta additivato con la composizione di carica secondo l'invenzione, raggiunge il 40%. Incrementi di produzione dell'ordine del 30% sono ottenibili: per il PA66; per il polipropilene con 40% di carbonato di calcio; così come pure per il polistirolo. Il PBT con 10% di fibra di vetro à ̈ suscettibile di incrementi di produzione dell'ordine del 60%.

Anche il processo di estrusione consegue dei rilevanti benefici dalla disponibilità di un polimero che risulti perfettamente fuso ad una temperatura più bassa di quella convenzionale. Infatti à ̈ possibile aumentare la velocità di rotazione della vite di plastificazione, e quindi la produttività del ciclo, con un più ampio margine di sicurezza rispetto al limite della velocità di rotazione in corrispondenza del quale si determinerebbe il surriscaldamento ed il degrado termico del polimero.

Un altro vantaggio di processo direttamente conseguibile dall'effetto tissotropico prodotto dalla composizione secondo l'invenzione à ̈ rappresentato dalla possibilità di utilizzare compound di materiali eterogenei tra loro, e perfino chimicamente incompatibili. E' possibile infatti amalgamare ad esempio: PVC con PE, PET con PS, PET con PP, PET con ABS, PET con PA, PS con PE, PS con PP etc. materiali, questi, forniti sia allo stato puro sia inquinati dalla eventuale presenza di materiali estranei come carta, materiali contenenti cellulosa in varie percentuali, e/od anche contenenti prodotti eterogenei e non termoplastici, purché non metallici.

Un ulteriore vantaggio,derivabile dal fatto di poter processare polimeri a temperature di 30/40 °C in meno rispetto alla tempe ratura standard dei processi convenzionali, à ̈ rappresentato dalla possibilità di utilizzare additivi battericidi anche in quelle famiglie di polimeri altrimenti escluse alla possibilità di sterilizzazione.

Infatti, poiché à ̈ noto che gli additivi battericidi hanno una soglia di resistenza termica non superiore ai 240/260°C, tutti quei mate riali che attualmente richiedono temperature di processo superiori a quelle tollerabili dai batterici (ad esempio dal Triclosan) sono esclusi dalla possibilità di sterilizzazione. Ebbene, l'effetto tissotropico determinato dalla composizione di carica conforme all'invenzione consente di abbassare le temperature di processo e di allargare quindi l'accesso all'impiego di additivi battericidi anche a quei materiali termoplastici per i quali tale campo di impiego à ̈ attualmente interdetto a causa delle temperature di fusione raggiunte dai processi convenzionali.

Considerazioni analoghe possono farsi anche per certi additivi attualmente usati per rendere i polimeri conduttivi.

Un additivo di tal tipo à ̈ rappresentato notoriamente dalla polianilina (e o materiali simili) che, però sfortunatamente ha una temperatura massima di stabilità termica di circa 230 °C. Tale limite non permette di rendere elettricamente conduttivi i materiali termoplastici che processano a temperature superiori. Ebbene, l'impiego della composizione conforme all'invenzione consente di mantenere la temperatura di processo al di sotto della temperatura limite tollerabile dalla polianilina e materiali simili anche per quei materiali [ad esempio ABS, PS, POM ecc.] che attualmente sono insuscettibili di divenire elettricamente conduttori a causa delle superiori temperature di processo raggiunte dai metodi di trasformazione convenzionali.

Un ulteriore vantaggio conseguito dall'invenzione concerne il problema della fluidità del polipropilene. E' noto, infatti che i perossidi organici presentano la proprietà di reagire con la molecola del polipropilene spezzandone le catene polimeriche. In tal modo si riduce il peso molecolare e, conseguentemente si aumenta la fluidità. L'abbassamento della viscosità genera un innalzamento del valore del "Melt Flow Index", dando una maggiore estrudibilità e filatura del prodotto. I perossidi reticolano però a 180°C, quindi - nell'ambito della tecnica nota - detti perossidi sono utilizzabili con successo solamente per additivare polimeri che hanno una temperatura di processo inferiore alla temperatura di reticolazione dei perossidi medesimi.

L'additivazione dei polimeri con la composizione di carica conforme al trovato, abbassando la temperatura di processo di 30/40 °C, consente di impiegare tali perossidi anche in polimeri attualmente esclusi da tale possibilità di fluidificazione.

Per quanto concerne i manufatti il trovato consente di conseguire il vantaggio di favorire la omogeneizzazione delle varie miscele dei polimeri in modo da ottenere spessori privi di indesiderate cavità interne, con ritiri superficiali più ridotti e con uno spessore della pelle fredda più elevato. Le figure 3 e 4 poste a confronto mettono bene in evidenza questo aspetto tramite il confronto tra l'oggetto di figura 3 ottenuto con un processo convenzionale e l'oggetto di figura 4 ottenuto invece con impiego della composizione di carica secondo l'invenzione.

Un altro, non meno importante vantaggio del trovato à ̈ quello di consentire processi di trasformazione dei materiali termoplastici più economici in quanto richiedenti un fabbisogno energetico più basso, legato alle minori temperature di processo.

Ultimo, ma non meno importante vantaggio del trovato conseguente all'abbassamento delle temperature di processo, à ̈ anche quello di ridurre lo stress termico e l'usura della struttura meccanica delle presse. Tale risultato, di per sé apprezzabile in generale, risulta ancor più significativo nelle presse per iniezione di pezzi di piccole dimensioni che, avendo masse proprie molto contenute (dell'ordine dei 100/200 kg), sono particolarmente sensibili ad usura e stress di tipo termico.

Il trovato così concepito à ̈ suscettibile di evidente applicazione industriale; può essere altresì oggetto di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; tutti i dettagli possono essere sostituiti, inoltre, da elementi tecnicamente equivalenti.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Composizione di carica per processi di trasformazione di polimeri termoplastici caratterizzata dal fatto di comprendere una miscela minerale che include silicato di alluminio (A) amorfo ed idrossido di magnesio (B) entrambi allo stato di polvere, detta miscela essendo atta ad essere additivata al polimero.
2. 2. Composizione di carica, secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto silicato di alluminio (A) amorfo e detto idrossido di magnesio (B) sono presenti nella miscela, ciascuno, con rapporto ponderale compreso tra il 40% ed il 50% del peso totale.
3. 3. Composizione di carica, secondo le rivendicazioni 1 o 2, caratterizzata dal fatto di comprendere un agente veicolante, a base polimerica, in formato macinato-triturato.
4. 4. Composizione di carica secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto agente veicolante à ̈ presente in rapporto ponderale sostanzialmente pari al 75% del peso totale della miscela, il restante 25% del peso totale essendo a carico della miscela minerale.
5. 5. Composizione, secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto agente veicolante include una miscela di resina poliolefinica comprendente polietilene o polipropilene presi indifferentemente in formulazione singola o in combinazione tra loro.
6. 6. Composizione, secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto agente veicolante include una miscela di resina di etilen-vinil acetato e di polietilene.
7. 7. Composizione, secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto agente veicolante include una miscela di cera.
8. 8. Composizione, secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto agente veicolante include una miscela di resina di etilen-vinile acetato.
9. 9. Composizione, secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto agente veicolante include un polimero della stessa famiglia dei termoplastici destinatari di additivazione con la composizione di carica medesima.
10. 10. Composizione, secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta miscela minerale comprende polveri aventi particelle di dimensioni comprese da 3 a 100 micron.
11. 11. Composizione, secondo la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che dette polveri hanno dimensioni di particelle comprese preferibilmente tra 5 e 20 micron.
12. 12. Uso della composizione come descritta in una qualunque delle precedenti rivendicazioni, nella additivazione dei polimeri termoplastici con almeno un agente antibatterico.
13. 13. Uso della composizione come descritta in una qualunque delle precedenti rivendicazioni, nella additivazione dei polimeri termoplastici con almeno un agente conduttivo.
14. 14. Uso della composizione come descritta in una qualunque delle precedenti rivendicazioni, nella additivazione dei polimeri termoplastici con almeno un agente fluidificante.