PT103380B

PT103380B - Linha de extrusão laboratorial para a produção de filme tubular convencional e biorientado, com comutação simples entre as duas técnicas

Info

Publication number: PT103380B
Application number: PT103380A
Authority: PT
Inventors: Jose Antonio Colaco Gome Covas; Olga Machado De Sousa Carneiro; Helder De Jesus Oliveira Costa; Jose Manuel Da Fonseca Neiva De Oliveira
Original assignee: Univ Do Minho
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2007-09-13
Also published as: US20070243276A1; PT103380A

Abstract

A invenção refere-se a uma linha de extrusão laboratorial, ilustrada na Figura 1, que apresenta a possibilidade de ser utilizada para a produção de filme (monocamada ou com várias camadas) tubular convencional e tubular biorientado, com comutação simples entre as duas técnicas. A linha é constituída por duas extrusoras amovíveis (1 e 2), uma cabeça de extrusão para a produção de filme convencional (3), uma cabeça de extrusão para produção de filme biorientado (4), um sistema de calibração/arrefecimento interno do primário (5), um anel de água para arrefecimento externo do primário (6), quatro conjuntos de rolos de puxo (7 a 10), três anéis de ar para arrefecimento do filme (11a 13), duas unidades de acondicionamento térmico do primário (14 e 15) e uma unidade de enrolamento (16).A utilização de alguns componentes (1, 3, 11, 3, 10 e 16) permite produzir filme tubular convencional, enquanto que outro conjunto de elementos (1, 2, 4, 5, 6, 7, 9, 14, 15, 12, 13, 10 e 16) proporciona a produção de filme tubular biorientado.

Description

Domínio técnico da invenção presente invento refere-se a uma linha de extrusão laboratorial, que apresenta a possibilidade de ser utilizada para a produção de filme (monocamada ou com várias camadas) tubular convencional e tubular biorientado, com comutação simples entre as duas técnicas. A utilização de alquns componentes permite produzir filme tubular convencional, enquanto que outro conjunto de elementos proporciona a produção de filme tubular biorientado.

Esta tecnologia de produção é aplicável a materais plásticos.

Antecedentes da invenção

A produção de filmes em plástico de elevado desempenho, isto é, filmes com especificações exigentes no que respeita a propriedades ópticas, mecânicas e de barreira, exige a adopção de soluções técnicas especificas, como sejam a utilização de materiais avançados, a estrutura multi-camada (por coextrusão) do filme, ou o uso de técnicas de biorientação. As actuais linhas de extrusão procuram integrar algumas destas valências. Numa linha de extrusão de filme convencional, mono ou multi-camada, extrude-se / coextrude-se um tubo relativamente espesso, geralmente de baixo para cima, o qual é estirado axial e circunferencialmente a saida da cabeça de extrusão (ainda fundido, portanto). 0 arrefecimento também se processa na s

mesma localização, sendo promovido por um anel de ar externo (convecção forçada) existente sobre a cabeça de extrusão. Apesar da primeira patente relativa a este processo, desenvolvida para polímeros celulósicos, remontar a 1915 (patente US 1163740), só nas décadas de 1930 e 1940 é que se generalizou a sua utilização a nível industrial, quando aplicada aos principais polímeros termoplásticos. Ao longo das décadas seguintes continuaram a desenvolver-se detalhes construtivos deste tipo de linhas, com o intuito de melhorar as propriedades do filme, tais como, por exemplo, os descritos nos documentos de patente US 3956254 (1976), US 5126096 (1992) e US 5468444 (1995).

Por outro lado, numa linha de filme tubular biorientado (geralmente, multi-camada) extrude-se / coextrude-se

igualmente	um	tubo	relativamente	espesso	(primário)
normalmente	de cima	para	baixo, mas que é	rapidamente
arrefecido	antes	de	ser	estirado	biaxialmente. Para	0
efeito, é	conduzido	a	zona de	biorientaçâo onde	é
reaquecido	abaixo da	temperatura	de fusão,	biorientado

(altura em que é convertido em filme de baixa espessura) e arrefecido por convecção forçada de ar. Esta tecnologia foi patenteada em 1939 (patente US 2176925), para polímeros celulósicos, e foi posteriormente alargada aos principais polímeros termoplásticos nos anos 50 e 60. Mais recentemente tem proporcionado o desenvolvimento de inúmeros filmes técnicos para aplicações especificas, que foram objecto do descrito nos documentos de patente US 4229241 (1980), US 4274900 (1981), US 4532189 (1985), US 5296304 (1994) e US 6106934 (2000), entre outras.

Assim, a principal diferença entre as linhas de extrusão de filme convencional e biorientado reside na temperatura a que se processa a biorientação do polímero, que é substancialmente mais baixa nos chamados filmes biorientados (nos polietilenos, a diferença de temperaturas é de cerca de 70 a 90°C). Neste caso, a deformação biaxial originada pelo estiramento e insuflação simultâneos pode promover um grau de orientação molecular mais elevado (não se manipula um fundido, mas sim um polímero num estado muito deformável, com uma elasticidade muito superior a do fundido, mantido a uma temperatura entre a de transição vítrea e a de fusão, que suporta maiores deformações sem sofrer rotura) e, para além disso, a (oportunidade para) relaxação da orientação é menor, pois o tempo de arrefecimento após biorientação é drasticamente reduzido.

As linhas de extrusão industriais, e em particular as utilizadas na produção de filmes biorientados, exigem grandes investimentos, operam a débitos elevados e, dadas as suas dimensões e complexidade, requerem longos períodos de arranque e estabilização do processo. Consequentemente, o uso deste tipo de equipamentos para realizar estudos experimentais com o objectivo de desenvolver novos produtos, ou optimizar processos, torna-se economicamente proibitivo. Por esse motivo, e para permitir realizar este tipo de estudos, existem no mercado linhas laboratoriais de filme convencional, mas não de filme biorientado. De facto, estão comercialmente disponíveis três tipos de linhas de extrusão de filme tubular: laboratorial para filme convencional, industrial para filme convencional e industrial para filme biorientado. Portanto, ou permitem a produção de filme tubular convencional (numa das duas escalas), ou são linhas industriais para a produção de filme biorientado.

De modo a clarificar a distinção entre as escalas industrial e laboratorial das linhas de extrusão para a produção de filme biorientado, apresentam-se na Tabela 1 algumas dimensões típicas de uma linha de extrusão industrial e as correspondentes do invento.

Tabela 1. Características típicas de uma linha de extrusão industrial para a produção de filme biorientado e correspondentes dimensões do invento.

Característica da linha	Industrial	Laboratorial
Altura (m)	25	3 ;- 5
Diâmetro da fieira (mm)	350	50
Diâmetro do balão (m)	1,60	0, 18
Entre-ferro da fieira	1., 5	'í > χ.·
Débito (kg/h)	250	4
Vel. produção (m/min)	65	8,5

Assim, desenvolveu-se uma linha laboratorial para a produção de filme tubular convencional de uma ou duas camadas e de filme biorientado de três camadas. Esta ferramenta, que apresenta um enorme potencial para a realização de trabalhos de I&DT, apresenta dois aspectos inovadores: i) pode ser operada segundo duas tecnologias distintas, sendo a comutação entre os dois tipos de tecnologias de execução simples e rápida; ii) constitui uma linha laboratorial (pequena escala) para a produção de filme tubular biorientado.

A passagem da escala industrial para a laboratorial (scale down) foi efectuada assumindo como objectivo que o polímero deve ser submetido a histórias termo-mecânicas similares nos dois tipos de equipamentos, de modo a que os filmes produzidos apresentem características e desempenhos também similares. Só assim será relevante proceder a desenvolvimentos a escala laboratorial e fazer depois o

scale up para a escala industrial.

Este desiderato reveste-se de grande dificuldade, uma vez que as poucas regras estabelecidas na extrusão cobrem apenas aspectos particulares do processamento dentro da extrusora e o arrefecimento de extrudidos convencionais. Assim, tornou-se necessário desenvolver uma metodologia simples, mas especifica: para além da necessidade de assegurar que o primário é geometricamente adequado e tem boa qualidade superficial, são determinantes os aspectos ligados ao desenvolvimento da sua morfologia. Consequentemente, parâmetros como a temperatura de extrusão, a temperatura de biorientação, as taxas de arrefecimento do primário e do filme e as razões de estiramento e de insuflação devem permanecer idênticos nos dois tipos de linhas. Os componentes da nova linha laboratorial foram projectados com base neste pressuposto, atendendo às diferenças de débitos de operação dos dois tipos de linhas e dos comprimentos (ou tempos) tipicamente disponíveis para as trocas de calor (arrefecimento do primário, aquecimento do primário e arrefecimento do filme).

Sumário da invenção e vantagens

A linha de extrusão laboratorial para a produção de filme tubular convencional e biorientado, objecto da presente invenção, procura manter os princípios e funcionalidades gerais das linhas de extrusão comerciais de escala industrial, para a produção de filme tubular convencional e filme tubular biorientado, mas a escala laboratorial e com a possibilidade de comutar entre as duas tecnologias. As vantagens desta invenção são as seguintes:

- possibilidade de produzir, a escala laboratorial, filme tubular convencional, ou biorientado;

- comutação rápida entre os dois tipos de tecnologias;

- utilização de pequenas quantidades de matéria-prima para a produção de filmes com as mesmas caracteristicas físicas e mecânicas dos produzidos em equipamento industrial;

redução dos consumos energéticos (curtos tempos de arranque devido a baixa inércia térmica e baixas potências requeridas).

Breve descrição dos desenhos

111 ς ς 11 iHVMumwwMMumWi n.... 11

A linha de extrusão laboratorial para a produção de filme tubular convencional e biorientado está ilustrada na Figura 1. E constituída por duas extrusoras amovíveis e de altura regulável (1 e 2), uma cabeça de extrusão para a produção de filme convencional de uma ou duas camadas (3), uma cabeça de co-extrusão (de três camadas) para a produção de filme biorientado (4) , um sistema de calibração/arrefecimento interno do primário (5), um anel de água para arrefecimento externo do primário (6), quatro conjuntos de rolos de puxo (7 a 10), três anéis de ar para arrefecimento do filme (11 a 13), duas unidades de acondicionamento térmico do primário (14 e 15) e uma unidade de enrolamento (16).

As Figuras 2 e 3 ilustram a montagem da linha para o fabrico de filme convencional e biorientado, respectivamente.

Descrição detalhada da invenção

A linha de extrusão laboratorial, objecto da presente invenção, contém um conjunto de componentes que permitem a comutação entre fabrico de f ilme convencional e biorientado.

Na Figura 2 ilustra-se o percurso do polímero e os componentes envolvidos na produção de filme tubular convencional com duas camadas. Utilizam-se os seguintes componentes: duas extrusoras mono-fuso (1 e 2), montadas num nível inferior para poderem ser acopladas a cabeça de extrusão para filme convencional (3) ; um anel de refrigeração a ar para arrefecimento do balão (filme) à saída da cabeça de extrusão (11) ; um par de rolos de puxo (8) responsável por definir a razão de estiramento a que se sujeita o fundido; um par de rolos de puxo (10) que deverá estar animado de uma velocidade idêntica a do anterior e que garante que o filme se mantenha sob tensão ao longo da linha, sem contudo o estirar; uma unidade de enrolamento (16) que permite recolher o filme produzido.

Para a produção de filme tubular bi-orientado co-extrudido (até três camadas) são utilizados os componentes destacados na Figura 3, que definem a sequência ilustrada para o percurso do polímero. Nesta opção, tornam-se relevantes os seguintes componentes: duas extrusoras mono-fuso (1 e 2), utilizadas num nível superior para poderem ser acopladas a cabeça de co-extrusão de três camadas (4); um sistema de calibração/arrefecimento interno do primário (5); um anel de água para arrefecimento externo do primário (6); um conjunto de rolos de puxo (7) que mantém o primário sob tensão sem o estirar ou o estira ligeiramente; um par de rolos de puxo (9) que deverá estar animado de uma velocidade idêntica a do anterior e que garante que o primário se mantenha sob tensão ao longo da linha, sem contudo o estirar; duas unidades de acondicionamento térmico (14 e 15), que têm por objectivo aquecer o primário até a temperatura de biorientação; dois anéis de ar independentes (12 e 13) para arrefecimento do balão (filme); um conjunto de rolos de puxo (10) , que define o estiramento a que é sujeito o primário; uma unidade de enrolamento (16) que permite recolher o filme produzido.

Claims

1. Linha de extrusão modular laboratorial, para a produção de filme tubular convencional ou biorientado, mono- ou multi-camada, com comutação manual entre as duas técnicas, caracterizada por ser constituída por duas extrusoras amovíveis (1 e 2), uma cabeça de extrusão para a produção de filme convencional (3) , uma cabeça de extrusão para produção de filme biorientado (4) , um sistema de calibraçâo/arrefecimento interno do primário (5), um anel de água para arrefecimento externo do primário (6), quatro conjuntos de rolos de puxo (7 a 10), três anéis de ar para arrefecimento do filme (11 a 13), duas unidades de acondicionamento térmico do primário (14 e 15) e uma unidade de enrolamento (16) , sendo as unidades (Ib (2), (6), (12) e (13) de altura ajustável.

2.

Linha de extrusão modular laboratorial, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por utilizar os componentes (2), (3), (11), (8), (10) e (16) para a produção de filme tubular convencional.

3.

Linha de extrusão modular laboratorial, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por utilizar os componentes Π-) _r (2), (4), (5), _# (7} _# (9), (14), (15), (12), (13), (10) e (16) para a produção de filme tubular biorientado.

4. Linha de extrusão modular laboratorial, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por produzir filmes com débitos inferiores a 5 kg/h.

5. Linha de extrusão modular laboratorial, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por a sua altura ser igual ou inferior a 3,5 m e comprimento total igual ou inferior a 4,4 m.

6. Utilização da linha de extrusão modular laboratorial, de acordo com as reivindicações 1 a 2 e 4 a 5, caracterizada por ser aplicada a produção de filme convencional através do uso das duas extrusoras (1 e 2), da cabeça de extrusão para filme convencional (3), de um anel de ar para arrefecimento (11) , de dois conjuntos de rolos de puxo (8 e 10) e de uma unidade de enrolamento (16), nesta sequência.

7. Utilização da linha de extrusão modular laboratorial, de acordo com as reivindicações 1 e 3 a 5, caracterizada por ser aplicada a produção de filme biorientado através do uso das duas extrusoras (1 e 2), da cabeça de extrusão para filme biorientado (4), do sistema de calibração/arrefecimento interno do primário (5), do anel de água para arrefecimento externo do primário (6), um primeiro conjunto de rolos de puxo (7), de um segundo conjunto de rolos de puxo (9) , das duas unidades de acondicionamento térmico do primário (14 e 15), de dois anéis de ar para arrefecimento do filme (12 e 13), de um terceiro conjunto de rolos de puxo (10) e de uma unidade de enrolamento (16), nesta sequência.