Espuma de polímero termoplástico extruida de alta resistencia.

Un proceso de extrusión de espuma, comprendiendo el proceso preparar,

a una presión de mezclado, una mezcla de polímero espumable que comprende un polímero termoplástico y un agente de soplado, enfriar la mezcla de polímero espumable y extruirla en una dirección de extrusión a través de un troquel de espumación a una presión del troquel y sacarla del troquel de espumación a través de una abertura del troquel a un caudal en una atmósfera de presión suficientemente baja para permitir que la mezcla de polímero espumable se expanda en una espuma de polímero mientras se desplaza en la dirección de extrusión a una velocidad de extrusión, estando caracterizado adicionalmente el proceso de extrusión de espuma por que:

a. la presión del troquel es al menos 90 bares menor que la presión de mezclado;

b. todas las dimensiones de la sección transversal de la abertura del troquel son de al menos 2,5 milímetros y el área de la sección transversal de la abertura del troquel es de al menos 700 milímetros cuadrados;

c. el caudal de la mezcla de polímero espumable a través de la abertura del troquel es mayor que 500 kilogramos por hora;

d. la mezcla de polímero espumable se expande entre los elementos restantes situados inmediatamente después del troquel de espumación;

e. un dispositivo situado después de los elementos de restricción que restringen la velocidad de extrusión de la espuma de polímero respecto a su velocidad de extrusión no restringida;

y en el que la espuma de polímero está caracterizada por que tiene una matriz continua de polímero termoplástico que define celdas en su interior, un volumen de huecos del 96 por ciento en volumen o menos basado en el volumen total de espuma de polímero, una razón dimensional del tamaño de celda en la dimensión del espesor de la espuma de polímero a su dimensión de anchura y longitud que es mayor que uno, y un espesor de 50 milímetros o más, un módulo de compresión y módulo de tracción en la dimensión del espesor que es mayor que 35 mega pascales y un módulo de cizalladura promedio entre sus dimensiones de espesor/anchura y espesor/longitud que es mayor que dieciséis mega pascales.

Espuma de polímero termoplástico extruida de alta resistencia Antecedentes de la invención Campo de la invención La presente invención se refiere a espuma de polímero termoplástico extruida que tiene alta resistencia y espesor y a un proceso para preparar tal espuma de polímero.

Descripción de la técnica relacionada Las espumas de polímero estructurales de alta resistencia son valiosas en aplicaciones exigentes tales como cascos de embarcaciones y palas de molinos de viento. Las espumas de polímero son deseables para tales aplicaciones debido a su combinación de peso relativamente ligero pero aún de alta resistencia, así como su capacidad para cortarlas, conformarlas y moldearlas a las formas y tamaños deseados. El documento US-A-2004/0001946 describe espumas de celda cerrada de alta resistencia, útiles como materiales núcleo en materiales compuestos, que comprenden un laminado de múltiples hebras de espuma, cada una de las cuales representa una pluralidad de celdas o volúmenes discretos encerrados por una estructura superficial o camisa. El documento WO-A-2010/101747 describe un proceso de fabricación para preparar espumas de polímero extruidas de alta resistencia que comprenden celdas que tienen una relación de aspecto máxima, es decir, el diámetro más grande dividido por el diámetro más pequeño, de menos de 1, 5.

A pesar de su valor, hay disponibles opciones comercialmente limitadas para espumas de polímero estructurales de alta resistencia y las que están disponibles tienden a ser caras y crear retos en cuanto a su eliminación. La espuma de cloruro de polivinilo (PVC) reticulada ha sido una opción desde hace mucho tiempo en este mercado y está disponible con nombres comerciales tales como la espuma estructural Airex (Airex es una marca comercial de 3A Composites GmbH) . La espuma de PVC reticulada proporciona resistencia y peso deseables, pero tiene problemas de eliminación. Una reticulación extensiva impide que la espuma se pueda reciclar por fusión y reintroducción en un proceso de espumación. La espuma de PVC estructural reticulada podría reprocesarse en algún grado moliéndola y usándola en cantidades limitadas como material de relleno en algunos procesos, pero no es posible reciclarla reintroduciéndola en un proceso como material fundido.

También está disponible en el mercado una espuma de copolímero de estireno-acrilonitrilo (SAN) como una espuma de polímero estructural de alta resistencia. Los ejemplos de espuma estructural de SAN incluyen espumas estructurales de la marca Corecelda (Corecelda es una marca comercial de Gurit Limited Corporation) . La espuma estructural de SAN ofrece una alternativa a la espuma de PVC reticulada para aplicaciones de alta resistencia, tales como palas de molinos de viento, y ofrece la ventaja de propiedades de tracción mejoradas debido a una menor reticulación que la alternativa de PVC. Sin embargo, preparar una espuma estructural de SAN es un proceso multietapa que consume tiempo, y que es relativamente caro de hacer funcionar. Los procesos de preparación de una espuma estructural de SAN generalmente son procesos discontinuos que requieren formar una muestra inicial de mezcla de polímero de SAN que contiene un agente de soplado, verter la mezcla en moldes metálicos y dejar que esta cure parcialmente bajo alto calor y presión para producir una masa gomosa (una "ameba" o "embrión") que se desmoldea y después se coloca en un segundo molde y se calienta de nuevo en una cámara de expansión que controla la dimensión en la que la masa gomosa se puede expandir para formar una espuma final que tiene dimensiones de celda anisotrópicas, (véase, por ejemplo: Sara Black, Getting to the Core of Composite Laminates, COMPOSITES TECHNOLOGY, octubre de 2003 (disponible en Internet en la dirección www. compositesworld.com/articles/getting-to-the-core-of-composite-laminates) y la publicación PCT WO 2009/127803 A2) . Las dimensiones de celda anisotrópicas y la densidad relativamente alta (bajo volumen de huecos) de la espuma resultante dan como resultado propiedades de rigidez y resistencia que son deseables para una espuma de polímero estructural.

Sería deseable identificar un proceso de extrusión continuo para preparar espuma de polímero estructural para hacer al proceso de producción más eficiente y menos caro. Sería deseable adicionalmente que tal proceso produjera espuma de polímero termoplástico que pudiera reciclarse. El uso de una espuma estructural en aplicaciones de aerogenerador o turbina eólica para producir energía ecológica compromete el aspecto ecológico del dispositivo si el material de las palas no puede reciclarse y debe desecharse en vertederos.

En particular, sería especialmente deseable identificar un proceso de extrusión continuo para extruir directamente una espuma estructural termoplástica de polímero que tenga un espesor de al menos 50 milímetros, una densidad de al menos 45 kilogramos por metro cúbico y un volumen de huecos del 96 por ciento en volumen o menor, un módulo de cizalladura promedio entre las dimensiones de espesor/longitud (xz) y espesor/anchura (xy) que sea mayor que 16 mega pascales (MPa) , un módulo de tracción en la dimensión del espesor (x) que sea mayor que 35 MPa y un módulo de compresión en la dimensión del espesor (x) que sea mayor que 35 MPa como una única plancha. Es de particular interés un proceso tal que produzca una espuma de polímero que puede reciclarse por fusión e introducirse de nuevo en un proceso de extrusión de espuma.

Breve sumario de la invención La presente invención proporciona un proceso de extrusión continuo para preparar espuma de polímero estructural. El proceso es particularmente útil para preparar espuma de polímero estructural termoplástica extruida que puede reciclarse. El proceso puede producir directamente espuma de polímero termoplástico que tiene un espesor de al menos 50 milímetros, una densidad de al menos 45 kilogramos por metro cúbico y un volumen de huecos del 96 por ciento en volumen o menor (basado en el volumen de espuma total) , un módulo de cizalladura promedio entre las dimensiones de espesor/longitud (xz) y espesor/anchura (xy) que sea mayor que 16 mega pascales (MPa) , un módulo de tracción en la dimensión del espesor (x) que sea mayor que 35 MPa y un módulo de compresión en la dimensión del espesor (x) que sea mayor que 35 MPa como una única plancha extruida.

Parte de la dificultad que supera la presente invención es descubrir una manera de extruir espuma termoplástica que tenga un espesor de al menos 50 milímetros mientras mantiene un volumen de huecos del 96 por ciento en volumen o menor y adicionalmente mientras consigue las propiedades de módulo deseadas. Conseguir una espuma extruida con tal espesor típicamente requiere una expansión extensiva con un agente de soplado, dando como resultado un volumen de huecos bastante mayor del 96 por ciento en volumen. Además, las propiedades de módulo necesarias requieren tamaños de celda anisotrópica que tenga tamaños de celda mayores en la dimensión del espesor de la espuma que en cualquier dimensión ortogonal a la dimensión del espesor de la espuma. El proceso de la presente invención consigue inesperada y sorprendentemente tanto estos logros -espesor de al menos 50 milímetros con un volumen de huecos del 96 por ciento en volumen o menor y anisotropía en el tamaño de celda suficiente para conseguir los valores de módulo deseados -en un proceso de extrusión continuo mediante métodos específicos de control de la expansión de una mezcla espumable extruida en espuma de polímero. La presente invención resulta del descubrimiento de que estas propiedades y características deseadas se pueden conseguir con los parámetros del proceso de extrusión de la presente invención.

En un primer aspecto, la presente invención es un proceso de extrusión de espuma, comprendiendo el proceso preparar, a una presión de mezclado, una mezcla de polímero espumable que comprende un polímero termoplástico y un agente de soplado, enfriar la mezcla de polímero espumable y extruirla en una dirección de extrusión a través de un troquel de espumación a una presión del troquel y sacarla del troquel de espumación a través de una abertura del troquel a un caudal en una atmósfera de presión suficientemente baja para permitir que la mezcla de polímero espumable se expanda en una espuma de polímero mientras se desplaza en la dirección de extrusión a una velocidad de extrusión, estando caracterizado adicionalmente el proceso de extrusión de espuma por que: (a) la presión del troquel es al menos 90 bares menor que la presión de mezclado; (b) todas las dimensiones de la sección transversal de la abertura del troquel son de al menos 2, 5 milímetros y el área de la sección... [Seguir leyendo]

1. Un proceso de extrusión de espuma, comprendiendo el proceso preparar, a una presión de mezclado, una mezcla de polímero espumable que comprende un polímero termoplástico y un agente de soplado, enfriar la mezcla de polímero espumable y extruirla en una dirección de extrusión a través de un troquel de espumación a una presión del troquel y sacarla del troquel de espumación a través de una abertura del troquel a un caudal en una atmósfera de presión suficientemente baja para permitir que la mezcla de polímero espumable se expanda en una espuma de polímero mientras se desplaza en la dirección de extrusión a una velocidad de extrusión, estando caracterizado adicionalmente el proceso de extrusión de espuma por que:

a. la presión del troquel es al menos 90 bares menor que la presión de mezclado;

b. todas las dimensiones de la sección transversal de la abertura del troquel son de al menos 2, 5 milímetros y el área de la sección transversal de la abertura del troquel es de al menos 700 milímetros cuadrados;

c. el caudal de la mezcla de polímero espumable a través de la abertura del troquel es mayor que 500 kilogramos por hora;

d. la mezcla de polímero espumable se expande entre los elementos restantes situados inmediatamente después del troquel de espumación;

e. un dispositivo situado después de los elementos de restricción que restringen la velocidad de extrusión de la espuma de polímero respecto a su velocidad de extrusión no restringida;

y en el que la espuma de polímero está caracterizada por que tiene una matriz continua de polímero termoplástico que define celdas en su interior, un volumen de huecos del 96 por ciento en volumen o menos basado en el volumen total de espuma de polímero, una razón dimensional del tamaño de celda en la dimensión del espesor de la espuma de polímero a su dimensión de anchura y longitud que es mayor que uno, y un espesor de 50 milímetros o más, un módulo de compresión y módulo de tracción en la dimensión del espesor que es mayor que 35 mega pascales y un módulo de cizalladura promedio entre sus dimensiones de espesor/anchura y espesor/longitud que es mayor que dieciséis mega pascales.

2. El proceso de la reivindicación 1, caracterizado adicionalmente por que la diferencia de temperatura entre el troquel y la mezcla de polímero espumable dentro del troquel es menos de seis grados centígrados.

3. El proceso de la reivindicación 1, caracterizado adicionalmente por que la diferencia de presión entre la presión de mezclado y la presión del troquel es de al menos 100 bares.

4. El proceso de la reivindicación 1, caracterizado adicionalmente por que la mezcla de polímero espumable comprende un agente de soplado seleccionado de dióxido de carbono, isómeros de butano, y 1, 1, 1, 2tetrafluoroetano.

5. El proceso de la reivindicación 4, caracterizado adicionalmente por que la mezcla de polímero espumable comprende al menos 0, 08 moles de agente de soplado por cien gramos de polímero termoplástico.

6. El proceso de la reivindicación 1, caracterizado adicionalmente por que la mezcla de polímero espumable comprende poliestireno.

7. El proceso de la reivindicación 6, caracterizado adicionalmente por que el poliestireno tiene un peso molecular promedio ponderal de 140.000 gramos por mol o mayor.

8. El proceso de la reivindicación 6, caracterizado adicionalmente por que la mezcla de polímero espumable comprende dióxido de carbono a una concentración en un intervalo de 0, 5 a 5 por ciento en peso basado en el polímero termoplástico en la mezcla de polímero espumable y el troquel de espumación está a una temperatura en un intervalo entre 105 y 120 grados centígrados.

9. Una espuma de polímero termoplástico extruida que comprende una matriz continua de polímero termoplástico que define celdas en su interior y caracterizada por que tiene un volumen de huecos del 96 por ciento o menor basado en el volumen total de espuma de polímero, una razón dimensional del tamaño de celda en la dimensión del espesor de la espuma de polímero a cualquier dimensión ortogonal de la espuma de polímero que es mayor que uno; un espesor de 50 milímetros o mayor; un módulo de compresión y un módulo de tracción en la dimensión del espesor que es mayor que 35 mega pascales y un módulo de cizalladura promedio entre las dimensiones de espesor/anchura y espesor/longitud que es mayor que 16 mega pascales.

10. La espuma de polímero termoplástico extruida de la reivindicación 9, caracterizada adicionalmente por que la matriz de polímero termoplástico comprende al menos un 90 por ciento en peso de homopolímero de poliestireno basado en el peso total de la matriz de polímero termoplástico.

11. La espuma de polímero termoplástico extruida de la reivindicación 9, caracterizada adicionalmente por que tiene

una concentración de aditivo de reticulación residual y unido que es menos del cinco por ciento en peso basado en el peso total de polímero termoplástico.

12. La espuma de polímero termoplástico extruida de la reivindicación 9, caracterizada adicionalmente por que tiene al menos una espuma de polímero adicional laminada a la misma.