RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 207893 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 370874 (22) Data zgłoszenia: 25.10.2004 (51) Int.Cl. B29C 47/00 (2006.01) B29C 47/28 (2006.01) B29C 47/78 (2006.01) (54) Sposób wytwarzania kompozytów polimerowych w procesie wytłaczania wieloślimakowego i wytłaczarka wieloślimakowa do wytwarzania kompozytów polimerowych (43) Zgłoszenie ogłoszono: 02.05.2006 BUP 09/06 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.02.2011 WUP 02/11 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH I BARWNIKÓW, Toruń, PL (72) Twórca(y) wynalazku: JOACHIM STASIEK, Toruń, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Jan Michalak PL 207893 B1
2 PL 207 893 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób i wytłaczarka wieloślimakowa do wytwarzania kompozytów polimerowych, głównie stosując napełniacze mineralne lub włókniste. Znany jest z polskiego zgłoszenia wynalazku nr 340 796 sposób i urządzenie do wytłaczania tworzyw polimerowych o wysokiej zawartości materiałów obojętnych o zawartości od 35-40% do 70-80% wagowych. Sposób wytłaczania obejmuje podawanie dokładnie odmierzonych ilości tworzyw polimerowych i składników dodatkowych jak kreda, talk, krzemionka itp. podawanych w określonych miejscach wzdłuż cylindra wytłaczarki, a następnie ich ujednorodnienie w procesie wytłaczania oraz bezpośrednie wytłoczenie przez głowicę wytłaczarską, tzn. z pominięciem procesów pośrednich, a mianowicie granulowania. Urządzenie przeznaczone do realizacji tego sposobu składa się z: wytłaczarki przeznaczonej do wytłaczania mieszaniny, w składzie której znajduje się co najmniej jedno tworzywo polimerowe, materiał obojętny oraz jeden lub więcej środków pomocniczych, zbiorników i dozowników masowych (tzw. grawimetrycznych) przeznaczonych do dozowania tworzywa polimerowego i składników dodatkowych. Tworzywo polimerowe i składniki dodatkowe są podawane w odpowiednich miejscach cylindra wytłaczarki przez urządzenia podające. Znana jest także z publikacji Polimery nr 6 z 2003 r. str. 443-454 linia technologiczna do wytłaczania bezpośredniego rur z polipropylenu (PP) napełnianego składnikami mineralnymi w procesie wytłaczania dwuślimakowego współbieżnego. Odpowiednie dozowanie PP i środków pomocniczych oraz dozowanie kredy zapewniał układ dozowników masowych. Stabilne przemieszczanie kompozycji polimerowej do głowicy było możliwe dzięki użyciu pompy zębatej. Badano właściwe zdyspergowanie kredy w PP. Stwierdzono, że rury z PP napełnianego kredą spełniały wymagania stawiane układom przewodowym z tworzyw polimerowych do odprowadzania ścieków wewnątrz konstrukcji budowli. Znana jest również z materiałów konferencyjnych Postępy w Technologii Tworzyw APT 2003" (referat 17) publikacja dotycząca wpływu napełniaczy takich jak: kreda, talk, dolomit, kaolin oraz warunków procesu współbieżnego wytłaczania na właściwości kompozytu. Dla napełniaczy kredowych zwiększenie szybkości obrotowej ślimaków powoduje wzrost udarności kompozytu polipropylenu. Z badania mikrostruktur przełomów kompozytu polipropylenu z kredą wykonanych z użyciem mikroskopu skaningowego wynika, że przy zwiększonej szybkości obrotowej ślimaków w przypadku podawania kredy do układu uplastyczniającego przez podajnik boczny - zauważono istotne zwiększenie adhezji między tworzywem polimerowym, a kredą, gdzie zaobserwowano tutaj pojedyncze przełomy ziaren kredy. Układy uplastyczniające współbieżne stosowane do wytwarzania kompozytów polimerowych o wysokim stopniu napełniania, charakteryzują się oprócz dużej efektywności mieszania, małym rozrzutem czasu przebywania tworzywa w układzie, poza tym umożliwiają kontrolowanie przebiegu procesu mieszania, a tym samym uzyskanie tej samej historii termiczno-mechanicznej poszczególnych cząstek mieszaniny. Istotny wpływ na jakość uzyskiwanego kompozytu polimerowego w postaci granulatu lub wytworu uzyskiwanego w procesie bezpośredniego wytłaczania ma wymieszanie tworzywa polimerowego i składników dodatkowych. Stopień wymieszania kompozytu warunkuje uzyskanie określonych właściwości wytłoczonego wytworu, tj. właściwości mechanicznych, optycznych, tolerancji wykonania i wyglądu itp. Zmniejszenie różnicy składu kompozytu polimerowego następuje wskutek działania naprężenia ścinającego podczas przepływu tworzywa polimerowego w układzie uplastyczniającym. W szczególnym przypadku gdy tworzywo polimerowe w stanie stopionym zachowuje się jak płyn niutonowski, naprężenie ścinające jest wprost proporcjonalne do lepkości dynamicznej tworzywa polimerowego i prędkości ścinania. Lepkość jest natomiast zależna głównie od temperatury, natomiast szybkość ścinania jest zależna od szybkości obrotowej ślimaków oraz wartości szerokości szczeliny i głębokości kanału ślimaków. Zdolność układu uplastyczniającego do rozdrabniania cząstek składników dodatkowych jest korzystna w przypadku modyfikowania tworzywa polimerowego napełniaczami proszkowymi, natomiast w przypadku wzmacniania tworzywa polimerowego napełniaczami włóknistymi intensywne mieszanie ścinające w strefie mieszania ma wpływ negatywny, gdyż znaczne zmniejszenie długości włókien w procesie wytłaczania współbieżnego, obniża właściwości mechaniczne wytworu tj. wytrzymałość na rozrywanie i udarność. Aktualnie stosowane sposoby i urządzenia do wytwarzania kompozytów z tworzyw polimerowych napełnianych nie uwzględniają odpowiedniego doboru niektórych parametrów charakteryzujących sposób i cechy konstrukcyjne elementów urządzeń mających istotny wpływ na jakość wytłacza-
PL 207 893 B1 3 nego wytworu, zwłaszcza na właściwości mechaniczne. Wpływ na właściwości mechaniczne ma uzyskanie odpowiedniego stopnia uplastycznienia tworzywa polimerowego przed miejscem doprowadzenia do cylindra wytłaczarki wieloślimakowej napełniaczy modyfikujących tworzywo polimerowe. Wymagany stopień uplastyczniania uzyskuje się przez odpowiedni dobór warunków wytłaczania oraz konfiguracji ślimaków na odcinku uplastyczniania tworzywa. Temperatura tworzywa na wyjściu ze strefy intensywnego uplastyczniania zależy od ilości ciepła dostarczanego przez zespół nagrzewający stref cylindra na tym odcinku oraz od ilości ciepła wydzielanego w tworzywie w wyniku rozpraszania energii mechanicznej napędu ślimaków. Przebieg tych procesów jest w sposób istotny uzależniony od elementów geometrycznych uzwojenia ślimaków. Celem wynalazku jest eliminacja wspomnianych niedogodności wytwarzania kompozytów za pomocą wytłaczarki wieloślimakowej współbieżnej o budowie segmentowej, korzystnie o dwóch zazębiających się ślimakach, uwzględniając dobór odpowiednich warunków wytłaczania i konfiguracji ślimaków. Sposób wytwarzania kompozytów polimerowych w procesie wytłaczania wieloślimakowego według wynalazku polega na dokładnym podawaniu za pomocą umieszczonych wzdłuż układu uplastyczniającego wytłaczarki wieloślimakowej dozowników masowych tworzyw i składników dodatkowych, gdzie do tworzywa już uplastycznionego wprowadza się składniki dodatkowe, które następnie miesza się z tworzywem, po czym tak ujednorodniony kompozyt przetłacza się do głowicy formującej wytwór. W układzie uplastyczniającym wytłaczarki tworzywo z napełniaczami mineralnymi miesza się przy dużych naprężeniach ścinających występujących podczas przepływu tworzywa w zakresie temperatury (a) uplastycznionego tworzywa korzystnie między temperaturą (t 2 ), w której proces topnienia przebiega z maksymalną szybkością, a temperaturą (t 3 ) zakończenia procesu topnienia tworzywa, przy dużych szybkościach jego ścinania i prowadzeniu tego procesu przy wyższych szybkościach obrotowych ślimaków. Natomiast tworzywo z napełniaczami włóknistymi miesza się przy małych naprężeniach ścinających występujących podczas przepływu tworzywa w zakresie temperatury (b) uplastycznionego tworzywa, korzystnie powyżej temperatury (t 3 ) zakończenia procesu topnienia tworzywa najkorzystniej powyżej temperatury (t 3 ) + (10-20) C, przy małych szybkościach jego ścinania i prowadzeniu procesu mieszania przy niskich szybkościach obrotowych ślimaków. Wytłaczarka wieloślimakowa do wytwarzania kompozytów polimerowych według wynalazku zawiera składający się z cylindra i umieszczanych w nim obrotowo ślimaków układ uplastyczniający, wzdłuż którego umieszczone są dozowniki masowe tworzywa polimerowego i składników dodatkowych. W układzie uplastyczniającym strefa mieszania kompozytu zawiera szereg wąskich kanałów przepływowych korzystnie o szerokości 0,5 1,0 mm jak również szereg szerokich kanałów przepływowych korzystnie o szerokościach 1,0 4,0 mm usytuowanych pomiędzy powierzchniami zewnętrznymi elementów geometrycznych ślimaków, w tym zwłaszcza segmentów ugniatających, a powierzchnią roboczą cylindra. Takie skojarzenie przedstawionych w opisie istoty wynalazku środków technologicznotechnicznych zapewnia uzyskanie odpowiednich właściwości wytworów, zwłaszcza o wysokich właściwościach mechanicznych w wyniku korzystniejszego przebiegu procesów uplastyczniania i wymieszania tworzywa polimerowego ze składnikami dodatkowymi. Na przebieg procesu uplastyczniania tworzywa, a następnie mieszania kompozytu, istotny wpływ mają ściśle ze sobą współzależne wielkości charakteryzujące stan jakim poddawane jest tworzywo, a mianowicie warunki wytłaczania takie jak: temperatura stref grzejnych cylindra, szybkość obrotowa ślimaków, w tym stopień ich wypełniania oraz konfiguracja ślimaków tj. zastosowane rodzaje elementów ugniatających i mieszających. W przypadku stosowania do napełniania tworzywa polimerowego napełniacza mineralnego, gdzie zalecane są bardzo wysokie naprężenia ścinające w kompozycie polimerowym, proces prowadzi się tak, aby temperatura cząstek uplastycznionego tworzywa polimerowego zawierała się w zakresie a" przedstawionym na termogramie DSC to znaczy skaningowej kalorymetrii różnicowej. W związku z tym temperatury stref na odcinku strefy uplastyczniania tworzywa są nastawione korzystnie poniżej temperatury t 3 ". Poza tym zastosowano w strefie uplastyczniania tworzywa polimerowego zestaw elementów ślimaków charakteryzujący się niskim stopniem rozpraszania energii mechanicznej, natomiast zestaw elementów intensywnego mieszania kompozytu polimerowego, charakteryzujący się wysoką intensywnością mieszania zarówno ścinającego jak i rozprowadzającego. W przypadku napełniania tworzywa polimerowego włóknem szklanym gdzie zalecane są znacznie mniejsze naprężenia ścinające w kompozycie polimerowym, tzn. lepkość tworzywa na końcu strefy uplastyczniania powinna być stosunkowo niska, tj. proces uplastyczniania jest tak realizowany
4 PL 207 893 B1 aby temperatura cząstek tworzywa na końcu strefy uplastyczniania tworzywa zawierała się w obszarze b". W związku z tym temperatury stref grzejnych cylindra na długości strefy uplastyczniania tworzywa ślimaków przekraczają wartości temperatury t 3, a zastosowane zestawy elementów intensywnego uplastyczniania tworzywa polimerowego charakteryzują się wysokim stopniem rozpraszania energii mechanicznej napędu ślimaków, natomiast zestaw elementów ścinania i mieszania kompozytu polimerowego charakteryzuje się małą intensywnością mieszania, zwłaszcza ścinającego. Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat fragmentu układu uplastyczniającego wytłaczarki dwuślimakowej współbieżnej, w której mieszany jest, a następnie odgazowywany kompozyt polipropylenu (PP), zaś fig. 2 przedstawia fragment termonogramu zawierający wyniki badania procesu topnienia PP o wskaźniku szybkości płynięcia MFR (230,216) =3,2 g/10 min przeprowadzone metodą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC), gdzie: t 1 - temperatura początku procesu topnienia, t 2 - temperatura, w której proces topnienia przebiega z maksymalną szybkością, t 3 - temperatura zakończenia procesu topnienia; zalecane obszary temperatur kompozytu PP w celu uzyskania: a - dużych naprężeń ścinających, b - małych naprężeń ścinających. Polipropylen (PP) w postaci granulatu wraz z środkami pomocniczymi jak: stabilizatory cieplne, barwniki doprowadza się z nieuwidocznionego na rysunku układu dozowania masowego do strefy zasilania, natomiast modyfikowany węglan wapnia oraz środki ułatwiające mieszalność doprowadza się z układu dozowania z użyciem podajnika umieszczonego z boku cylindra wytłaczarki, w miejscu gdzie PP jest już w stanie uplastycznionym. Ślimaki 3 otrzymują ruch obrotowy w tym samym kierunku od nie przedstawionego na rysunku układu napędowego. Ze strefy zasilania ślimaków, PP wraz z środkami pomocniczymi jest transportowany i uplastyczniany m.in. od ogrzanych segmentów cylindra 2, następnie po wprowadzeniu węglanu wapnia podlega wstępnemu zmieszaniu przez segmenty 6, 7 ugniatające ślimaków 3. W układzie uplastyczniającym 1 wytłaczarki, PP z napełniaczami mineralnymi miesza się przy dużych naprężeniach ścinających występujących podczas przepływu kompozytu PP w zakresie temperatury a uplastycznionego PP korzystnie między temperaturą t 2 o wartości 170 C, w której proces topnienia przebiega z maksymalną szybkością, a temperaturą t 3 o wartości 190 C zakończenia procesu topnienia PP, przy dużych szybkościach jego ścinania, które uzyskuje się w skutek utworzenia w strefie mieszania 5 szeregu wąskich kanałów 11 przepływowych i prowadzeniu tego procesu przy wyższych szybkościach obrotowych ślimaków. Natomiast PP z napełniaczami włóknistymi miesza się przy małych naprężeniach ścinających występujących podczas przepływu PP w zakresie temperatury b uplastycznionego tworzywa korzystnie powyżej temperatury t 3 zakończenia procesu topnienia polimeru, najkorzystniej w temperaturze t 3 + 15 C tj. w temperaturze o wartości 205 C, przy małych szybkościach jego ścinania, które uzyskuje się w wyniku utworzenia w strefie mieszania 5 szeregu szerokich kanałów 12 przepływowych i prowadzeniu procesu mieszania przy niskich szybkościach obrotowych ślimaków. Wytłaczarka dwuślimakowa współbieżna o długości uzwojenia ślimaków 32D wyposażona jest w segmentowy układ uplastyczniający z odgazowaniem 13 próżniowym oraz z nieuwidocznionym na rysunku bocznym układem podawania napełniacza. Każdy ze ślimaków 3 obracających się w tym samym kierunku w cylindrze 2 wytłaczarki dwuślimakowej współbieżnej zbudowany jest z segmentów transportujących dwuzwojowych i ugniatających, zarówno wspomagających transport tworzywa, jak i segmentów dławiących przepływ. Ślimaki 3 podzielone są na podstawowe następujące strefy: zasilania, uplastyczniania polimeru, podawania bocznego napełniacza wraz z odgazowaniem 4 swobodnym, mieszania 5 kompozytu, odgazowania 13 próżniowego i dozowania kompozytu. Uwzględniając korzystny wpływ na rozdrabnianie aglomeratów węglanu wapnia w procesie mieszania 5 ścinającego przebiegającego w strefie mieszania kompozytu nastawione temperatury stref grzejnych segmentów cylindra wytłaczarki na odcinkach (4 24) D wynoszą (170 210) C. W strefie mieszania 5 kompozytu zastosowano zestaw elementów intensyfikujących mieszanie, składających się z segmentów 6 ugniatających dwugarbnych o szerokich tarczach, tj. segmentów ugniatających neutralnych nie wspomagających transportowanie, segmentów 7 ugniatających zarówno wspomagających transportowanie, jak i dławiących 8 przepływ kompozytu. W celu intensyfikacji mieszania rozprowadzającego umieszczono między segmentami
PL 207 893 B1 5 ugniatającymi 7 segment 9 transportujący, natomiast zakończenie strefy 5 mieszania kompozytu stanowi segment 10 transportujący. Strefa mieszania 5 kompozytu zawiera szereg wąskich kanałów 11 przepływowych korzystnie o szerokości 0,7 mm jak również szereg szerokich kanałów 12 przepływowych korzystnie o szerokościach 3,0 mm usytuowanych pomiędzy powierzchniami zewnętrznymi elementów geometrycznych ślimaków 3 w tym zwłaszcza segmentów 6, 7 ugniatających, a powierzchnią roboczą cylindra 2. Konsekwencją procesu odpowiedniego uplastyczniania, na którego istotny wpływ, oprócz konfiguracji segmentów ślimaków mają warunki uplastyczniania, tj. nastawione temperatury stref grzejnych segmentów cylindra wytłaczarki oraz szybkość obrotowa wynosząca > 400 min -1 i z tym uzyskany niski stopień wypełnienia ślimaków, są zachodzące przemiany stanów fizycznych PP, tzn. uzyskany stopień jego uplastycznienia, a w efekcie lepkość uplastycznionego PP, który jest przemieszczany do strefy podawania bocznego z odgazowaniem 4 swobodnym, tj. strefy, do której podawany jest węglan wapnia za pomocą niepokazanego na rysunku układu dozowania masowego z bocznym podajnikiem dwuślimakowym. Uplastyczniony PP wraz z doprowadzonym węglanem wapnia w ilości wagowej 50% w odniesieniu do sumy PP i napełniacza jest przemieszczany przez obracające się ślimaki 3 do strefy mieszania 5 kompozytu. Wskutek umieszczonych na końcu strefy 5 odpowiednich elementów intensyfikujących mieszanie, w tym odpowiednich warunków wytłaczania, zwłaszcza temperatur stref grzejnych cylindra i prędkości obrotowej i istotnego wypełnienia kompozytem kanałów ślimaków 3, uzyskuje się znaczne naprężenia ścinające podczas przepływu kompozytu, a w efekcie intensywne mieszanie ścinające powodujące znaczne rozdrabnianie aglomeratorów węglanu wapnia. Uzyskany odpowiedni stopień ujednolicenia kompozytu umożliwia jego właściwe odgazowanie w strefie odgazowania 13 próżniowego, a więc usunięcie z kompozytu części lotnych. Ujednorodniony i odgazowany kompozyt jest przemieszczany do niepokazanej na rysunku strefy dozowania, która przetłacza kompozyt PP do głowicy formującej wytwór. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wytwarzania kompozytów polimerowych w procesie wytłaczania wieloślimakowego polegający na dokładnym podawaniu za pomocą umieszczonych wzdłuż układu uplastyczniającego wytłaczarki wieloślimakowej dozowników masowych tworzywa polimerowego i składników dodatkowych, gdzie do tworzywa już uplastycznionego wprowadza się składniki dodatkowe, które następnie miesza się z tworzywem, po czym tak ujednorodniony kompozyt przetłacza się do głowicy formującej wytwór, znamienny tym, że w układzie uplastyczniającym (1) wytłaczarki tworzywo polimerowe z napełniaczami mineralnymi miesza się przy dużych naprężeniach ścinających występujących podczas przepływu tworzywa w zakresie temperatury (a) uplastycznionego polimeru, korzystnie między temperaturą (t 2 ), w której proces topnienia przebiega z maksymalną szybkością, a temperaturą (t 3 ) zakończenia procesu topnienia tworzywa, przy dużych szybkościach jego ścinania, przy czym proces mieszania prowadzi się przy wyższych szybkościach obrotowych ślimaków (3), natomiast tworzywo polimerowe z napełniaczami włóknistymi miesza się przy małych naprężeniach ścinających występujących podczas przepływu tworzywa w zakresie temperatury (b) uplastycznionego tworzywa, korzystnie powyżej temperatury (t 3 ) zakończenia procesu topnienia tworzywa polimerowego, najkorzystniej powyżej temperatury (t 3 ) + (10-20) C, przy małych szybkościach jego ścinania, przy czym proces mieszania prowadzi się przy niskich szybkościach obrotowych ślimaków (3). 2. Wytłaczarka wieloślimakowa do wytwarzania kompozytów polimerowych zawierająca składający się z cylindra i umieszczanych w nim obrotowo ślimaków układ uplastyczniający, wzdłuż którego umieszczone są dozowniki masowe polimeru i składników dodatkowych, znamienna tym, że w układzie uplastyczniającym (1) strefa mieszania (5) kompozytu zawiera szereg wąskich kanałów (11) przepływowych korzystnie o szerokości 0,5 1,0 mm jak również szereg szerokich kanałów (12) przepływowych korzystnie o szerokościach 1,0 4,0 mm usytuowanych pomiędzy powierzchniami zewnętrznymi elementów geometrycznych ślimaków (3) w tym zwłaszcza segmentów (6, 7) ugniatających, a powierzchnią roboczą cylindra (2).
6 PL 207 893 B1 Rysunki
PL 207 893 B1 7
8 PL 207 893 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)