PT1397248E

PT1397248E - ''tubo protegido em matéria plástica e processo de produção do referido tubo''

Info

Publication number: PT1397248E
Application number: PT02735308T
Authority: PT
Inventors: Claude Dehennau; Pierre Matz
Original assignee: Strumann Werner Egeplast
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2007-09-21
Also published as: EE200300532A; PL367021A1; NO20034769D0; BE1014146A3; EP1397248A1; NO20034769L; EA200301186A1; ATE365105T1; JP2004531677A; PL206954B1; DK1397248T3; DE60220791D1; WO2002087874A1; ES2289106T3; EP1397248B1; NO334518B1; BR0209223A; EA004977B1; US20040213935A1; JP4246999B2

Description

DESCRIÇÃO

"TUBO PROTEGIDO EM MATÉRIA PLÁSTICA E PROCESSO DE PRODUÇÃO DO REFERIDO TUBO" A presente invenção refere-se a um processo de produção de um tubo multicamada em matéria plástica protegido da deterioração das suas propriedades durante a sua utilização e sua manipulação.

Os tubos que devem resistir a solicitações mecânicas importantes, tais como os tubos de grandes diâmetros e/ou os tubos submetidos a alta pressão interna podem ser produzidos de maneira económica em ferro fundido maleável. Os tubos em matéria plástica são, no entanto, preferidos num certo número de casos em relação ao ferro fundido devido à sua muito maior ligeireza e à sua assinalável resistência à corrosão.

Para resistir tão bem como o ferro fundido às fortes solicitações mecânicas, os tubos em matérias plásticas tradicionais devem ter uma espessura de parede mais elevada, o que agrava o custo e os torna menos competitivos em relação aos tubos em ferro fundido maleável. A patente US 5474822 descreve um tubo multicamada no qual uma camada interna em matéria plástica não orientada é protegida por duas camadas de matéria plástica igualmente não orientada, sendo a referida estrutura multicamada obtida por coextrusâo. 1

Por outro lado, os tubos em matéria plástica apresentam, frequentemente, uma fraca resistência à fluência sob tensão prolongada. É, no entanto, muito importante, no caso de certos tipos de utilizações, que a resistência destes tubos, por exemplo, a resistência à ruptura, não se degrade no inicio de um longo periodo de utilização que se pode prolongar, por vezes, ao longo de várias dezenas de anos.

Para resolver este problema, foram propostas várias soluções. Uma primeira solução consistiu na produção de tubos cuja matéria plástica é biorientada nas direcções paralela e perpendicular ao eixo do tubo. A operação de biorientação não pode, no entanto, ser efectuada senão sobre o tubo previamente formado por extrusão, o que torna o processo descontínuo e agrava o custo. Por outro lado, a manutenção da biorientação da matéria na altura da colocação dos acessórios de ligação, necessita a observância de precauções particulares que implicam a utilização de numerosos acessórios especiais. Além disso, o reforço obtido segundo esta técnica é sobretudo eficaz no sentido longitudinal e não resolve, se não muito parcialmente, o problema da resistência aos esforços radicais que representam as tensões máximas em certas aplicações, por exemplo, o transporte de fluidos sob pressão. Até ao presente, as tentativas efectuadas para tornar o processo da biorietanção contínuo não deram completamente os seus frutos, devido às restrições tecnológicas e de sobrecusto importantes que induzem, tendo em vista o ganho de resistência ainda insuficiente que se obtém.

Uma outra solução foi a de colocar reforços nos tubos em matéria plástica, como por exemplo, o enrolamento, em contínuo, de fibras (de vidro, por exemplo) impregnadas por uma resina termoplástica ou termoendurecível ("COFITS"). Todavia, esta 2 solução não está também isenta de defeitos, dado que estes enrolamentos são geralmente frágeis e aumentam fortemente a densidade do tubo reforçado resultante, assim como o seu custo. Por outro lado, a eficácia destes reforços não permanece sempre estável ao longo do tempo e a reciclagem do tubo em fim de vida é frequentemente difícil devido ao entrelaçamento no polímero do tubo de matérias estranhas difíceis de separar.

Conhece-se a patente US-A-4093004 que divulga o princípio do reforço dos mandris com diversas matérias (cartão, papel, borracha, madeira ou matéria plástica) por meio de faixas de poliolefina orientada. 0 tubo reforçado obtido não apresenta, no entanto, uma resistência suficiente em ambientes que compreendem solventes orgânicos, tais como os que se encontram, por exemplo, nas composições adesivas utilizadas para tornar os tubos solidários com os acessórios de ligação. Além disto, a permanência do tubo a alta temperatura é prejudicial à conservação da orientação das faixas de reforço e, por consequência , à persistência da boa resistência mecânica do tubo.

Em matéria de tubos possuindo, pelo menos, uma camada de protecção/reforço em matéria plástica orientada, conhecem-se também os documentos WO 92/01885 e US 5520223. O documento WO 92/01885 descreve o facto de reforçar os tubos com o auxílio de enrolamentos de faixas orientadas e de proteger estes enrolamentos por meio de um revestimento directamente coextrudido sobre estes enrolamentos. O documento US 5520223 descreve um tubo metálico possuindo um revestimento interno à base de polímero orientado. 3 A invenção tem como objectivo resolver os problemas colocados pelos sistemas de reforço conhecidos acima evocados, mantendo o custo de produção dentro de limites aceitáveis e concorrenciais com os tubos em ferro fundido maleáveis.

Para este efeito, a invenção refere-se a um processo para a produção de um tubo multicamada em matéria plástica, protegido da deterioração das suas propriedades durante a sua utilização e a sua manipulação, caracterizado por: a) se aplicar uma primeira camada de protecção sobre um mandril tubular à base de uma composição polimérica por enrolamento de, pelo menos, uma espessura de faixas de composição polimérica não orientada compatível com a composição polimérica da matéria plástica subjacente; b) se aplicar em seguida por sobre-extrusão uma segunda camada de protecção compreendendo uma composição polimérica não orientada, formando uma camada de acabamento externo, sendo o referido mandril: - quer compreendendo uma composição polimérica de estrutura biorientada - quer compreendendo uma composição polimérica de estrutura não orientada fornecido na superfície com uma camada de reforço constituído por, pelo menos, duas espessuras de faixas de reforço compreendendo uma composição polimérica orientada. A invenção refere-se a um processo para a produção de um tubo multicamada, ou seja, de um tubo formado por um mandril tubular recoberto com, pelo menos, as camadas de protecção, das 4 quais a camada mais exterior forma uma camada superficial continua. 0 mandril tubular é um objecto oco em forma de tubo. É constituído, pelo menos parcialmente, por uma composição polimérica.

Por composição polimérica; entende-se designar toda a matéria que compreenda, pelo menos, uma matéria plástica à base de polímero em resina sintética.

Todos os tipos de matéria plástica podem ser convenientes. Matérias plásticas convenientes pertencem à categoria das matérias termoplásticas.

Por matéria termoplástica, designa-se qualquer polímero termoplástico, compreendendo os elastómeros termoplásticos, assim como as suas misturas. Designa-se pelo termo "polímero" tanto os homopolímeros como os copolímeros (especialmente binários ou ternários) . Exemplos de tais copolímeros são, de modo não limitativo: os copolímeros de distribuição aleatória, os copolímeros de bloco e os copolímeros enxertados.

Todo o tipo de polímero ou de copolímero termoplástico cuja temperatura de fusão seja inferior à temperatura de decomposição é adequado. As matérias termoplásticas sintéticas que apresentam uma zona de fusão que se estenda até, pelo menos, 10 graus Celsius, são particularmente bem adequadas. Como exemplo de tais matérias, encontram-se aquelas que apresentam uma polidispersão da sua massa molecular. 5 utilizar podem-se

Em particular, podem-se utilizar poliolefinas, poli(halogenetos de vinilo), poliésteres termoplásticos, policetonas, poliamidas e os seus copolímeros. Uma mistura de polímeros ou de copolimeros pode ser também utilizada, do mesmo modo que uma mistura de matérias poliméricas com cargas inorgânicas, orgânicas e/ou naturais como, por exemplo, mas não de forma limitativa: o carbono, os sais e outros derivados inorgânicos, as fibras de vidro, as fibras minerais naturais ou as fibras poliméricas. É igualmente possível utilizar estruturas multicamada constituídas por camadas empilhadas e solidárias compreendendo, pelo menos, um dos polímeros ou copolímeros descritos supra.

Os polímeros frequentemente empregues são o poli(cloreto de vinilo)e o polietileno de alta densidade. Excelentes resultados foram obtidos com o poli(cloreto de vinilo).

Por tubo "protegido da deterioração" entende-se designar um tubo cuja capacidade de resistência às condições ambientais é aumentada pelo envolvimento do tubo por meio de, pelo menos, uma camada de matéria especialmente adaptada a resistir nestas condições.

Como exemplo das condições ambientais que podem ser nefastas à manutenção das propriedades dos tubos não protegidos, podem-se citar a alta temperatura e a presença de solventes orgânicos.

As camadas de protecção são, precisamente, as camadas especiais supra citadas que aumentam a capacidade de resistência do tubo às condições do seu ambiente. 6

As camadas de protecção compreendem, cada uma, uma composição polimérica de estrutura não orientada, ou seja, uma composição que não compreende, como polímero, senão aqueles cujas cadeias de moléculas não apresentam nenhuma orientação particular.

Segundo a invenção, a primeira camada de protecção é compatível com a composição polimérica da matéria plástica subjacente. Pelo termo "compatível" entende-se designar uma camada de protecção cuja composição polimérica que a compõe é inerte, do ponto de vista químico, relativamente a matéria plástica subjacente e cuja composição física é tal que, no estado fundido, ela se pode misturar facilmente com esta matéria plástica subjacente sem dar lugar a fenómenos de segregação. A compatibilidade pode também implicar uma adesão fácil de uma camada à outra.

Exemplos de composições poliméricas que são adequadas para a primeira camada de protecção são as que compreendem poli(halogenetos de vinilo) e poliolefinas. 0 poli(cloreto de vinilo) deu excelentes resultados. A segunda camada de protecção é uma camada de acabamento, ou seja, uma camada exterior que fixa as dimensões externas do tubo assim como a natureza e o estado da sua superfície. A segunda camada de protecção pode ter uma composição idêntica ou diferente da primeira camada. Em particular, esta pode ser constituída do mesmo material polimérico que o da primeira camada. 0 poli(cloreto de vinilo) deu igualmente bons resultados na composição desta segunda camada de protecção. 7

Segundo uma primeira forma de realização do tubo de acordo com a invenção, o mandril compreende uma composição polimérica de estrutura biorientada.

Por estrutura biorientada entende-se designar uma estrutura polimérica em que, pelo menos, 20% em peso das cadeias moleculares dos polímeros que intervêm na sua composição estão dispostos segundo duas direcções distintas. De um modo preferido, as duas direcções são perpendiculares. Podem-se escolher para polímeros, cujas cadeias são orientadas qualquer tipo de polímero termoplástico que se preste facilmente à orientação das suas cadeias de moléculas. Exemplos de tais polímeros são as poliolefinas, os poli(halogenetos de vinilo), as poliamidas assim como os seus copolímeros.

Quando o mandril não compreende composição polimérica orientada, uma segunda variante interessante do tubo segundo a invenção é aquela em que uma camada de reforço que é constituída por, pelo menos, duas espessuras de faixas de reforço compreendendo uma composição polimérica orientada está situada entre o mandril e a primeira camada de protecção. Segundo esta segunda variante da invenção, é o carácter orientado da composição polimérica das faixas de reforço que confere ao tubo um reforço eficaz.

Por tubo reforçado, entende-se designar um tubo cujas propriedades mecânicas intrínsecas da composição da matéria base que o constitui são modificadas pela presença de uma composição de matéria adicional diferente desta matéria base e que confere, através da sua presença, um suplemento de resistência mecânica. A composição de matéria base é uma composição polimérica que representa, pelo menos, 40% em peso do peso total do tubo reforçado. A composição polimérica base é a que se encontra no mandril. A composição de matéria adicional é materializada pela composição da camada de reforço. 0 vocábulo "composição polimérica orientada" significa, neste caso, que a composição polimérica compreende, pelo menos, um polímero orientado. A camada de reforço pode compreender uma única composição polimérica orientada. Alternativamente, esta pode também compreender uma mistura de várias composições poliméricas e, eventualmente, aditivos não poliméricos em que, pelo menos, um dos polímeros está orientado. 0 polímero pode ser qualquer polímero termoplástico susceptível de poder ser apresentado com faixas sob forma orientada, ou seja, possuindo, pelo menos, 20% em peso das cadeias moleculares que o compõem dispostas segundo uma mesma direcção. De um modo preferido, a direcção da orientação é a do comprimento da faixa. Pode-se escolher para polímero orientado qualquer tipo de polímero termoplástico que se preste bem à orientação das suas cadeias de polímeros. Geralmente, utiliza-se um polímero orientado cuja natureza é a mesma que a dos polímeros que servem correntemente para a produção de tubos que devem resistir à pressão. Exemplos interessantes de tais polímeros no caso de um mandril em polietileno de alta densidade (HDPE) são, de modo não limitativo, as resinas de HDPE multimodais e as resinas reticuláveis.

As duas espessuras de faixas de reforço são enroladas à volta do mandril de tal maneira que a segunda espessura cubra totalmente a primeira à volta do mandril. 9

Quando o tubo é reforçado com faixas orientadas, uma alternativa vantajosa à segunda variante descrita acima consiste em que a primeira espessura das faixas da camada de reforço seja colada sobre o mandril, isto é, solidarizada com este por intermédio de um adesivo de natureza usual adaptada. É também particularmente interessante que diferentes espessuras da camada de reforço sejam, além disso, coladas umas sobre as outras, a fim de assegurar ao conjunto do tubo uma coesão máxima.

Em todos os casos expostos supra, o tubo comporta uma primeira camada de protecção formada com, pelo menos, uma espessura de faixas não orientadas enroladas à volta do tubo.

Em todas as variantes de tubo aqui descritas atrás, uma forma de realização interessante é aquela na qual a primeira camada de protecção está colada na composição polimérica subjacente. A aplicação da segunda camada de protecção por sobre-extrusão pode fazer-se segundo qualquer técnica de sobre- extrusão bem conhecida, em particular, segundo as técnicas de sobre-extrusão utilizadas na indústria da produção de tubos em matéria plástica. Um exemplo destas técnicas é a utilização de uma fieira oca em forma de anel, no centro da qual se faz passar o tubo que permite a deposição regular e continua de uma quantidade controlada de composição polimérica na periferia do tubo.

Uma variante interessante do processo de acordo com a invenção, que permite a obtenção de um tubo protegido e 10 reforçado face a solicitações mecânicas, consiste em efectuar as operações seguintes: a) aplica-se primeiro sobre um mandril compreendendo uma composição polimérica de estrutura não orientada uma camada de reforço constituída por, pelo menos, duas espessuras de faixas compreendendo uma composição polimérica orientada, por enrolamento das faixas de maneira tal que as faixas de uma espessura particular formem com aquelas de espessura adjacente um ângulo semelhante e de sinal oposto em relação à direcção do tubo; b) aplica-se em seguida a primeira camada de protecção; c) aplica-se em último lugar a camada de acabamento externa.

Nesta definição, o vocábulo "ângulo semelhante" significa um ângulo, pelo menos, igual ao mesmo ângulo menos 5 graus de ângulo. 0 vocábulo "ângulo semelhante" compreende, também, um ângulo no máximo igual ao mesmo ângulo mais 5 graus de ângulo. De um modo preferido, este vocábulo significa um ângulo pelo menos igual ao mesmo ângulo menos 2 graus de ângulo. De um modo preferido também, este compreende um ângulo no máximo igual ao mesmo ângulo mais 2 graus de ângulo. A aplicação destas duas camadas de protecção faz-se da mesma maneira que a explicitada mais acima para a produção do tubo não reforçado.

Na variante do processo de produção de um tubo protegido e reforçado é, para além disso, particularmente interessante pré-encolar as faixas de reforço. Neste caso pode-se, com vantagem, utilizar um adesivo de polímero termicamente activável 11 após a aplicação, efectuando-se as operações seguintes, pela ordem: a) pré-encolam-se as faixas da camada de reforço através de um adesivo de polímero termicamente activável; b) aplicam-se estas faixas de reforço por enrolamento à volta do mandril; c) aplica-se a primeira camada de protecção; d) activa-se o adesivo da camada de reforço por irradiação do tubo em formação através de radiação infravermelha e) aplica-se a camada de acabamento externa. A operação de pré-encolamento pode-se efectuar imediatamente antes da aplicação de faixas de reforço, ou ainda em tempos diferidos, num outro momento antes da produção do tubo. Do mesmo modo, esta pode ser aplicada numa face das faixas, ou sobre as duas. De um modo preferido, ela é aplicada numa das faces.

Esta técnica permite, com vantagem, aplicar as faixas de reforço sem as aquecer previamente e dosear, em seguida, facilmente, o fluxo de calor irradiado pela radiação infravermelha através da primeira camada de protecção a fim de não destruir a orientação da composição polimérica das faixas de reforço.

Como variante, pode-se igualmente activar o adesivo das faixas de reforço em várias etapas distintas, após cada aplicação de uma espessura de faixas por irradiações sucessivas do tubo em vias de formação através da radiação infravermelha. 12 É também possível activar este adesivo em várias etapas distintas após a aplicação de um grupo de várias espessuras sucessivas de faixas de reforço.

Pelo menos uma das camadas de protecção pode também, como variante, ser colada à estrutura subjacente por meio de um adesivo. Este adesivo pode, por exemplo, ser activável por irradiação de infravermelhos. 0 exemplo que se segue é dado tendo em vista ilustrar a invenção, sem pretender limitar de alguma maneira o seu âmbito.

Prepara-se uma faixa de poli(cloreto de vinilo) (PVC) orientada de 360 mm de largura por estiragem de um filme de 400 mm de PVC não orientado SOLVIN® 266RC, segundo uma taxa de 400% por meio de uma calandra de laboratório. Esta faixa apresentou, após estiragem, uma espessura de 400 ym, um módulo elástico de 5 GPa e uma tensão de ruptura de 175 MPa.

Em seguida encolou-se esta faixa sobre uma só das faces com o auxílio de um adesivo de polímero hidrossolúvel activável por calor, da marca LUPHEN® D200A. A faixa encolada foi enrolada à volta de um tubo POLVA® em PVC de 50 mm de diâmetro exterior e com uma razão de diâmetro exterior/espessura da parede de 34, de qualidade corrente do ponto de vista da sua resistência à pressão (pressão admissível nominal de 0,75 MPa). O enrolamento foi efectuado em duas camadas cruzadas segundo um ângulo de 55° em relação ao eixo do tubo. Em seguida aqueceu-se a superfície exterior das faixas enroladas sobre o tubo a 75 °C, durante 5 segundos. 13 0 tubo obtido foi em seguida recoberto com uma nova camada de PVC SOLVIN® 266RC previamente aditivado sob a forma de uma faixa não orientada de 400 pm de espessura cobrindo-o totalmente e previamente revestido com o adesivo LUPHEN® D200A. Os aditivos compreendem uma mistura estabilizante de estanho, do tipo carboxilato (3% em peso em relação ao PVC), um produto que facilita a utilização (1% em peso de poli (metacrilato de metilo)) e um lubrificante (1% em peso) composto de uma mistura de estearato de Ca, parafina e cera de polietileno oxidado. O adesivo foi então activado nas mesmas condições que as descritas mais acima para as faixas orientadas. 0 tubo obtido foi, em seguida, recoberto com uma camada de acabamento em PVC SOLVIN® 266RC (qualidade habitualmente empregue para tubos com 300 pm de espessura), ao qual se juntaram os mesmos aditivos que foram descritos mais atrás, por passagem através de uma fieira anelar, em seguida num dispositivo de calibração e num recipiente de arrefecimento cheio de água à temperatura ambiente.

As medições de pressão de rebentamento segundo a norma ISO 9080 efectuadas com um tubo de referência em PVC POLVA®, não protegido nem reforçado e, por consequência, não conforme a invenção, assim como com tubos reforçados e protegidos segundo a invenção, deram os resultados seguintes: 14

Tipo de tubo Espessura, mm Pressão de rebentamento, 0,1 MPa (bar) POLVA® 3,7 85 POLVA® protegido 3,2 100 e reforçado POLVA® protegido 3,8 120 e reforçado

Verifica-se que os tubos segundo a invenção apresentam uma resistência ao rebentamento claramente melhorada em relação a um tubo não reforçado. É mesmo possível economizar cerca de 25% em peso de matéria em relação a um tubo clássico, ganhando apesar disso 15% de resistência ao rebentamento (tubo POLVA® reforçado e protegido de 3,2 mm de espessura) . 15

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Processo para a produção de um tubo multicamada em matéria plástica, protegido da deterioração das suas propriedades durante a sua utilização e sua manipulação, caracterizado por: a) se aplicar uma primeira camada de protecção sobre um mandril tubular à base de uma composição polimérica por enrolamento de, pelo menos, uma espessura de faixas de composição polimérica não orientada compatível com a composição polimérica da matéria plástica subjacente; b) se aplicar, em seguida, por sobre-extrusão uma segunda camada de protecção compreendendo uma composição polimérica não orientada, formando uma camada de acabamento externo, sendo o referido mandril: - quer compreendendo uma composição polimérica de estrutura biorientada - quer compreendendo uma composição polimérica de estrutura não orientada fornecido na superfície com uma camada de reforço constituído por, pelo menos, duas espessuras de faixas de reforço compreendendo uma composição polimérica orientada.
2. Processo segundo a reivindicação anterior para a produção de um tubo reforçado face a solicitações mecânicas, caracterizado por: 1 a) se aplicar primeiro sobre um mandril à base de uma composição polimérica não orientada uma camada de reforço constituída por, pelo menos, duas espessuras de faixas compreendendo uma composição polimérica orientada, por enrolamento das faixas de maneira tal que as faixas de uma espessura particular formem com aquelas de espessura adjacente um ângulo semelhante e de sinal oposto em relação à direcção do tubo; b) se aplicar em seguida a primeira camada de protecção; c) se aplicar em último lugar a camada de acabamento externa.
3. Processo segundo a reivindicação anterior, caracterizado por a primeira espessura da camada de reforço estar colada no mandril.
4. Processo segundo a reivindicação anterior, caracterizado por se efectuarem, por esta ordem, as operações seguintes: a) pré-encolam-se as faixas da camada de reforço numa das suas faces através de um adesivo de polímero termicamente activável; b) aplicam-se estas faixas de reforço por enrolamento à volta do mandril; c) aplica-se a primeira camada de protecção; d) activa-se o adesivo da camada de reforço por irradiação do tubo em formação através de radiação infravermelha; e) aplica-se a camada de acabamento externa.
5. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por se efectuarem, por esta ordem, as operações seguintes: 2 a) pré-encolam-se as faixas da camada de reforço através de um adesivo de polímero termicamente activável; b) aplicam-se estas faixas de reforço por enrolamento à volta do mandril de cada uma das espessuras de faixas sucessivas enquanto se activa ao mesmo tempo o adesivo pré-encolado em várias etapas distintas, após cada aplicação de uma espessura de faixas ou de um grupo de várias espessuras sucessivas destas faixas, por irradiações sucessivas do tubo em formação através de radiação infravermelha; c) aplica-se a primeira camada de protecção; d) aplica-se a camada de acabamento externa.
6. Processo segundo qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a primeira camada de protecção ser colada sobre a composição polimérica subjacente. 3