Schemi generali di processo
La maggior parte dei prodotti poliuretanici viene sintetizzata attraverso processi monostadio.
Garantita una certa precisione nel dosaggio dei reagenti, la sintesi procede mantenendo le caratteristiche del prodotto all'interno di specifiche piuttosto restrittive.
I processi monostadio sono realizzati in impianti dotati, in generale, dai seguenti elementi costitutivi:
La grande varietà di prodotti poliuretanici implica l'esistenza di diverse tecnologie di sintesi e lavorazione che possono essere suddivise in due categorie principali:
La schiumatura e la sintesi in reattori.
Gli impianti di schiumatura, utilizzati per la produzione di espansi di vario genere, differiscono a seconda delle condizioni operative (impianti a bassa pressione: 3 - 40 bar; ad alta pressione: 100 - 200 bar) oppure in base al prodotto ottenuto (impianti batch per la produzione di manufatti stampati, impianti in continuo per ottenere espansi in blocchi di grandi dimensioni).
Gli impianti di schiumatura sono costituiti dai serbatoi di servizio (serbatoi di macchina) e dal sistema di pompe e di componentistica che consente il prelievo e il controllo della portata di materie prime da inviare alle teste di schiumatura nelle quali avviene il miscelamento isocianati-polioli e l'inizio della reazione che continua negli stampi (impianti batch) o sul nastro trasportatore (impianti in continuo).
Serbatoi ausiliari
Dai serbatoi di stoccaggio, i due reagenti (isocianato e poliolo) vengono inviati tramite pompe ai rispettivi serbatoi ausiliari che sono parte integrante della macchina schiumatrice.
Essi sono caratterizzati da volumi tra i 20 e i 500 litri, a seconda delle dimensioni dell'impianto; qui le materie prime vengono preparate per la reazione per quanto riguarda i parametri operativi di temperatura e pressione.
I serbatoi di reparto devono essere dotati di sistemi di scambio termico efficienti in quanto la temperatura deve poter essere controllata strettamente al fine di evitare sensibili variazioni di viscosità; i serbatoi vengono mantenuti in leggera sovrappressione (1,5 - 3 bar) tramite aria compressa deumidificata o gas inerte.
Nelle macchine schiumatrici a bassa pressione, accanto ai serbatoi ausiliari per i due reagenti, vi è un serbatoio per il dosaggio del solvente di lavaggio alle teste di schiumatura.
Pompe
Dai serbatoi ausiliari le materie prime vengono inviate alle teste di miscelazione tramite pompe dosatrici che devono garantire grande precisione per assicurare la stechiometria della reazione.
Le pompe si differenziano per impianti ad alta o a bassa pressione: nel primo caso si utilizzano pompe a pistone radiali, assiali oppure con pistoni connessi in serie, nel secondo, invece, vengono utilizzate pompe ad ingranaggi ed, occasionalmente, pompe a pistone.
Durante il funzionamento dell'impianto, le pompe mantengono in continuo la circolazione dei due reagenti tra i serbatoi ausiliari e le teste di miscelazione dove, terminata la colata, i fluidi vengono deviati verso i rispettivi serbatoi.
Teste di miscelazione
Le teste miscelatrici si differenziano a seconda della pressione dell'impianto in cui sono impiegate.
In impianti a bassa pressione, le materie prime (isocianato e poliolo) entrano parallelamente dall'alto della camera di miscelazione, dove subiscono una omogeneizzazione piuttosto energica da parte di un agitatore, normalmente funzionante a velocità variabile: questo favorisce l'intimo contatto tra i reagenti e la formazione del prodotto che viene infine colato all'uscita della camera.
Dopo ogni colata, la testa a bassa pressione deve essere ripulita dai residui poliuretanici: questa operazione richiede un lavaggio con solvente opportuno, che viene inviato alla testa da un serbatoio compreso nella macchina schiumatrice.
Durante questa operazione, attraverso una valvola a tre vie, viene interrotto l'afflusso dei reagenti alla camera di miscelazione, da qui vengono ricircolati verso i due serbatoi ausiliari.
I vari modelli presenti sul mercato differiscono essenzialmente per la forma dell'agitatore, che varia a seconda della viscosità che il prodotto raggiunge nella camera di miscelazione.
Schiumatura in continuo
Con questa tecnica si producono blocchi di poliuretano espanso di grandi dimensioni mediante schiumatura su nastro trasportatore in movimento.
Le colate di poliuretano in lastre assumono dimensioni approssimative di 220 cm di larghezza e 120 cm di altezza, mentre la lunghezza varia in un ampio intervallo a seconda della velocità del nastro trasportatore e della colata.
Normalmente alle lastre viene impartita una forma a parallelepipedo al fine di minimizzare le perdite di materiale durante le successive operazioni di taglio, per la realizzazione di manufatti di vario tipo.
Nella massa colata si raggiungono temperature attorno ai 160°C a causa della reazione esotermica che si svolge: il processo di schiumatura può considerarsi completato dopo circa 3 min.
Al raffreddamento del prodotto contribuiscono l'aria in uscita dal getto e l'agente rigonfiante che evapora durante la reazione.
Schiumatura in batch
Più spesso la schiumatura in batch impiega le macchine schiumatrici descritte in precedenza dirigendone la colata all'interno di stampi chiusi; lo stampo chiuso, oltre ovviamente a dover ricalcare la specifica forma del prodotto desiderato, deve facilitare il deflusso della sostanza affinché sia garantito il riempimento dello stampo stesso ed essere dotato di un sistema di controllo della temperatura per la buona precisione della reazione chimica.
Rispetto allo stampo chiuso, la testa di miscelazione può essere di tipo mobile o solidale con lo stampo stesso; la tecnologia che prevede la rapida iniezione della miscela di reagenti in uno stampo chiuso attraverso una testa di miscelazione solidale con lo stampo, viene denominata tecnologia RIM (Reaction Injection Molding).
In generale, nella tecnica RIM vengono utilizzate teste di miscelazione autopulenti ad alta pressione e una singola macchina schiumatrice è in grado di alimentare più teste di miscelazione, (si arriva fino a 12 teste) ognuna asservita ad uno stampo.
La maggior parte dei prodotti poliuretanici viene sintetizzata attraverso processi monostadio.
Garantita una certa precisione nel dosaggio dei reagenti, la sintesi procede mantenendo le caratteristiche del prodotto all'interno di specifiche piuttosto restrittive.
In un processo monostadio è importante controllare accuratamente il dosaggio dei reagenti per assicurare la stechiometria della reazione, soprattutto quando l'isocianato deve reagire con composti contenenti atomi di idrogeno a diversa reattività.
Il corretto dosaggio può essere ostacolato dalle caratteristiche fisiche dei reagenti alla temperatura operativa: infatti, per temperature comprese tra 20°C e 50°C, i reagenti spesso presentano elevata viscosità. La reazione procede rapidamente ed arriva a compimento, a seconda del catalizzatore impiegato, in un intervallo variabile tra 0,5 e 30 minuti; bisogna ricordare che, nonostante il breve tempo richiesto per il completamento della reazione, il prodotto presenta le caratteristiche specifiche soltanto dopo 24 - 48 ore. In questi processi (schiumature) le portate in gioco sono relativamente modeste; la durata del processo di iniezione dipende dal volume del prodotto da realizzare. |
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I processi monostadio sono realizzati in impianti dotati, in generale, dai seguenti elementi costitutivi:
- Una attrezzatura o macchina per la preparazione e il condizionamento in termini di temperatura e pressione dei reagenti;
- Un sistema di miscelamento e controllo dei dosaggi (mixer) e di iniezione;
- Un sistema di movimentazione per i manufatti e/o le teste di miscelazione;
- Un sistema di aspirazione e collettamento di effluenti gassosi e/o aerosol generati nel corso del processo.
La grande varietà di prodotti poliuretanici implica l'esistenza di diverse tecnologie di sintesi e lavorazione che possono essere suddivise in due categorie principali:
La schiumatura e la sintesi in reattori.
- Nel primo caso, rientra la produzione di tutti quei prodotti che sono stati classificati come "schiume", ma che presentano caratteristiche e qualità molto diverse tra loro:
questa classificazione comprende prodotti che vanno dal materiale espanso a struttura cellulare (cuscini per automobili, materiali schiumosi per coibentazione, insonorizzazione, ecc.), fino al materiale compatto impiegato per usi strutturali (componentistica auto come paraurti, copriruote, ecc.). Le tecniche di produzione, di conseguenza, pur basandosi tutte sullo stesso principio (processo monostadio), presentano soluzioni impiantistiche diverse a seconda del prodotto desiderato. - La sintesi in reattori, impiegata generalmente in processi più o meno complessi, trova impiego nella realizzazione di tutti i restanti prodotti poliuretanici: elastomeri, vernici, adesivi e fibre.
Gli impianti di schiumatura, utilizzati per la produzione di espansi di vario genere, differiscono a seconda delle condizioni operative (impianti a bassa pressione: 3 - 40 bar; ad alta pressione: 100 - 200 bar) oppure in base al prodotto ottenuto (impianti batch per la produzione di manufatti stampati, impianti in continuo per ottenere espansi in blocchi di grandi dimensioni).
Gli impianti di schiumatura sono costituiti dai serbatoi di servizio (serbatoi di macchina) e dal sistema di pompe e di componentistica che consente il prelievo e il controllo della portata di materie prime da inviare alle teste di schiumatura nelle quali avviene il miscelamento isocianati-polioli e l'inizio della reazione che continua negli stampi (impianti batch) o sul nastro trasportatore (impianti in continuo).
Serbatoi ausiliari
Dai serbatoi di stoccaggio, i due reagenti (isocianato e poliolo) vengono inviati tramite pompe ai rispettivi serbatoi ausiliari che sono parte integrante della macchina schiumatrice.
Essi sono caratterizzati da volumi tra i 20 e i 500 litri, a seconda delle dimensioni dell'impianto; qui le materie prime vengono preparate per la reazione per quanto riguarda i parametri operativi di temperatura e pressione.
I serbatoi di reparto devono essere dotati di sistemi di scambio termico efficienti in quanto la temperatura deve poter essere controllata strettamente al fine di evitare sensibili variazioni di viscosità; i serbatoi vengono mantenuti in leggera sovrappressione (1,5 - 3 bar) tramite aria compressa deumidificata o gas inerte.
Nelle macchine schiumatrici a bassa pressione, accanto ai serbatoi ausiliari per i due reagenti, vi è un serbatoio per il dosaggio del solvente di lavaggio alle teste di schiumatura.
Pompe
Dai serbatoi ausiliari le materie prime vengono inviate alle teste di miscelazione tramite pompe dosatrici che devono garantire grande precisione per assicurare la stechiometria della reazione.
Le pompe si differenziano per impianti ad alta o a bassa pressione: nel primo caso si utilizzano pompe a pistone radiali, assiali oppure con pistoni connessi in serie, nel secondo, invece, vengono utilizzate pompe ad ingranaggi ed, occasionalmente, pompe a pistone.
Durante il funzionamento dell'impianto, le pompe mantengono in continuo la circolazione dei due reagenti tra i serbatoi ausiliari e le teste di miscelazione dove, terminata la colata, i fluidi vengono deviati verso i rispettivi serbatoi.
Teste di miscelazione
Le teste miscelatrici si differenziano a seconda della pressione dell'impianto in cui sono impiegate.
In impianti a bassa pressione, le materie prime (isocianato e poliolo) entrano parallelamente dall'alto della camera di miscelazione, dove subiscono una omogeneizzazione piuttosto energica da parte di un agitatore, normalmente funzionante a velocità variabile: questo favorisce l'intimo contatto tra i reagenti e la formazione del prodotto che viene infine colato all'uscita della camera.
Dopo ogni colata, la testa a bassa pressione deve essere ripulita dai residui poliuretanici: questa operazione richiede un lavaggio con solvente opportuno, che viene inviato alla testa da un serbatoio compreso nella macchina schiumatrice.
Durante questa operazione, attraverso una valvola a tre vie, viene interrotto l'afflusso dei reagenti alla camera di miscelazione, da qui vengono ricircolati verso i due serbatoi ausiliari.
I vari modelli presenti sul mercato differiscono essenzialmente per la forma dell'agitatore, che varia a seconda della viscosità che il prodotto raggiunge nella camera di miscelazione.
Schiumatura in continuo
Con questa tecnica si producono blocchi di poliuretano espanso di grandi dimensioni mediante schiumatura su nastro trasportatore in movimento.
Le colate di poliuretano in lastre assumono dimensioni approssimative di 220 cm di larghezza e 120 cm di altezza, mentre la lunghezza varia in un ampio intervallo a seconda della velocità del nastro trasportatore e della colata.
Normalmente alle lastre viene impartita una forma a parallelepipedo al fine di minimizzare le perdite di materiale durante le successive operazioni di taglio, per la realizzazione di manufatti di vario tipo.
Nella massa colata si raggiungono temperature attorno ai 160°C a causa della reazione esotermica che si svolge: il processo di schiumatura può considerarsi completato dopo circa 3 min.
Al raffreddamento del prodotto contribuiscono l'aria in uscita dal getto e l'agente rigonfiante che evapora durante la reazione.
Schiumatura in batch
In alternativa alla schiumatura in continuo, si possono produrre blocchi rettangolari di poliuretano mediante colata della miscela di reazione in stampi metallici o di legno aperti e successiva apposizione di copertura sulla superficie superiore. Normalmente gli stampi sono costituiti da alluminio rivestito da resine epossidiche; la superficie dello stampo deve essere trattata con prodotti a base di cera o di silicone al fine di impedire l'adesione della schiuma alle pareti. Gli stampi devono resistere ad una pressione interna (di circa 2 - 3 bar) dovuta all'espansione della schiuma. Caricata la miscela di partenza, a seconda delle condizioni operative (temperatura, spessore delle pareti dello stampo), il prodotto può essere estratto dopo circa 6-10 min. |
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Più spesso la schiumatura in batch impiega le macchine schiumatrici descritte in precedenza dirigendone la colata all'interno di stampi chiusi; lo stampo chiuso, oltre ovviamente a dover ricalcare la specifica forma del prodotto desiderato, deve facilitare il deflusso della sostanza affinché sia garantito il riempimento dello stampo stesso ed essere dotato di un sistema di controllo della temperatura per la buona precisione della reazione chimica.
Rispetto allo stampo chiuso, la testa di miscelazione può essere di tipo mobile o solidale con lo stampo stesso; la tecnologia che prevede la rapida iniezione della miscela di reagenti in uno stampo chiuso attraverso una testa di miscelazione solidale con lo stampo, viene denominata tecnologia RIM (Reaction Injection Molding).
In generale, nella tecnica RIM vengono utilizzate teste di miscelazione autopulenti ad alta pressione e una singola macchina schiumatrice è in grado di alimentare più teste di miscelazione, (si arriva fino a 12 teste) ognuna asservita ad uno stampo.
Schema semplificato di un impianto di schiumatura batch
- Scambiatori di calore
- Pompe
- Valvole a tre vie
- Testa di miscelazione e colata
