MXGT06000017A

MXGT06000017A - Proceso para producir piezas continuas de espuma de poliestireno expandido.

Info

Publication number: MXGT06000017A
Application number: MXGT06000017A
Authority: MX
Inventors: Luz Antonio Aguilera; Hector Plascencia Mora
Original assignee: Univ Guanajuato
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-02-28
Also published as: WO2008026908A1; EP2095927A4; EP2095927A1; US8551374B2; EP2095927B1; US20100244299A1

Abstract

Se proporciona a titulo de proceso innovativo, un nuevo proceso industrial para fabricar piezas de longitud arbitraria de espuma de poliestireno (EPS) con seccion transversal constante, con mezclas de densidades ubicadas por zonas segun los requerimientos de las propiedades mecanicas y termicas para cada aplicacion. Una maquina (aparato) para producir las piezas solidas con mezclas de densidades y un producto de longitud arbitraria de espuma de poliestireno (EPS) con seccion transversal de geometria constante a lo largo de su longitud, con densidades localizadas por zonas definidas por los requerimientos mecanicos y termicos de la aplicacion. La fabricacion de dichos productos se consigue a traves de la union de segmentos pre-cocidos parcialmente que pueden ser de igual o distinta densidad con la posibilidad adicional de unir diferentes densidades tanto en sentido longitudinal como transversal. La invencion puede reducir el proceso tradicional a solo tres pasos lo cual ofrece un gran ahorro en el proceso de produccion, ademas permite fabricar variantes que no contempla el proceso tradicional ampliando la gama de aplicaciones de este tipo de productos.

Description

PROCESO PARA PRODUCIR PIEZAS CONTINUAS DE ESPUMA DE POLIESTIRENO EXPANDIDO DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN Este proceso ha sido diseñado para fabricar piezas continuas de longitud variable de Espuma de Poliestireno (EPS), éstas con una sección transversal de geometría constante longitudinalmente. La pieza se logra mediante la unión de segmentos premoldeados parcialmente, a través del uso de un equipo con dos cámaras, una de pre-cocimiento y otra de cocimiento final, permitiendo unir materiales de igual o distinta densidad tanto en sentido longitudinal como transversal, obteniendo así un nuevo producto con propiedades mecánicas localizadas por zonas dentro de la pieza como: conductividad térmica, resistencia a la flexión, resistencia a la compresión, módulo de elasticidad, etc.

ANTECEDENTES En la técnica actual para fabricar elementos de espuma de poliestireno de sección transversal constante se pueden fabricar elementos con una densidad homogénea y una longitud máxima determinada ésta por el tamaño del molde en los métodos discontinuos, o de longitud variable cuando se producen de forma continua, teniendo una sección transversal constante con igual densidad a lo largo de toda la pieza. Existen tres procesos mediante los cuales se pueden fabricar actualmente cuerpos de sección transversal constante: 1. El moldeo directo con prensa, para el cual se siguen tres etapas, pre-expansión de perlas de poliestireno expansible, estabilización o reposo intermedio de las perlas pre-expandidas, moldeo final con la geometría deseada. Usando este proceso con un molde con la geometría del perfil deseado en este punto termina el proceso, sin embargo, la longitud del producto se ve limitada por las dimensiones de la máquina y por la distancia máxima que pueden separarse los moldes al abrir el equipo, la densidad de las piezas es homogénea en toda la pieza. 2. Corte a partir de bloques, para el cual se siguen seis etapas, pre-expansión de perlas de poliestireno, estabilización o reposo intermedio de las perlas pre-expandidas, moldeo final de bloques, estabilización del bloque, mecanizado de la geometría, disposición final o reciclaje de sobrantes. Usando este proceso se obtienen piezas de dimensiones mayores que usando el moldeo directo en prensa, pero la longitud se ve limitada por la geometría del equipo de corte, además no es posible producir piezas con mezclas de densidades controladas por áreas. Un inconveniente de este proceso es que se generan sobrantes que se tienen que reciclar. 3. Moldeo continuo, que siguen cuatro etapas, pre-expansión de perlas de poliestireno, estabilización o reposo intermedio de las perlas pre-expandidas, moldeo parcial y moldeo final, con variantes entre ellas. En particular existen aplicaciones en la industria de la construcción, aunque no limitadas a este giro industrial, que requieren piezas de sección transversal constante en grandes cantidades. En este tipo de piezas se someten a cargas de flexión de diferente magnitud dentro de la sección transversal. De tal modo que algunas porciones de la sección transversal están cargadas a su límite de resistencia, mientras que otras regiones cargan una pequeña fracción de su límite máximo, por lo cual el material se está sub-utilizando. La metodología de producción desarrollada, la cual se lleva a cabo en cuatro pasos: pre-expansión, reposo intermedio, moldeo parcial y moldeo final, introduciendo materiales de diferentes densidades en la cámara de moldeo parcial, aporta la posibilidad de unir materiales de diferentes granulometrías y densidades en sentido horizontal y transversal aunque podría tener una orientación arbitraria. La ventaja que representa la posibilidad de manejar la ubicación de las densidades es que se pueden controlar las propiedades mecánicas como: conductividad térmica, resistencia a la flexión, resistencia a la compresión, módulo de elasticidad, etc., según se requiera en cada aplicación de tal manera que se reduce la cantidad necesaria de material para producir la pieza, impactando en una reducción de costos. Existen varios equipos patentados (patentes US4695416, US4539167, US3830604, US3674387) que fabrican el moldeo continuo de "bloques" de EPS en forma similar a la presente invención, sin embargo nuestra propuesta tiene diferencias importantes y ventajas con respecto a las existentes. Éstas se resumen en el uso de una mordaza para sujetar los segmentos de material terminado en el extremo de salida del molde para que éstos sirvan como pared del molde durante la fabricación y el cocimiento final del segmento pre-cocido, el uso de dos cámaras de vaporización, una de pre-cocido y otra de cocimiento final de la espuma, así como el manejo de diferentes densidades tanto longitudinalmente como transversalmente, aunque podría tener una orientación arbitraria. El equipo propuesto para fabricar este nuevo tipo de producto, el cual se distingue por tener una sección transversal constante de longitud arbitraria y mezclas de densidades a lo largo del elemento localizadas por zonas se ilustra en la Fig.l.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Se propone un nuevo proceso para fabricar piezas de espuma de poliestireno de longitud arbitraria y con mezcla de densidades localizadas por zonas, el cual consiste de los siguientes pasos: Pre-expansión de la perla de poliestireno expansible a una o varias densidades requeridas (desde 7.5 hasta 60 kg/m3), reposo intermedio independientemente para cada material a cada densidad, en contenedores con mallas que permitan la entrada de aire al interior (desde 3 hasta 10 horas dependiendo de la densidad a condiciones atmosféricas), alimentación simultánea de cada densidad con inyectores independientes en la región deseada dentro de la cámara de pre-cocimiento a una presión mayor que la atmosférica, la cual cuenta con uno o varios divisores que mantienen separadas las regiones según su densidad durante un cocimiento parcial usando vapor de agua saturado con una presión manométrica de 20kPa durante 15 segundos, el elemento pre-cocido es introducido en una cámara de cocimiento final una vez extraído el divisor y se sujeta mediante una mordaza durante el cocimiento final usando vapor de agua saturado con una presión manométrica de lOOkPa durante 15 segundos. De manera simultánea al cocimiento del segmento que se encuentra en la cámara de cocimiento final se repite en la cámara de pre-cocimiento el proceso ya descrito en la etapa de pre-cocimiento, de tal forma que se van uniendo segmentos consecutivos para formar una pieza continua. Los productos que se pueden fabricar mediante este nuevo proceso poseen características que los distinguen de los que se producen con los procesos existentes. Una de las principales ventajas es la posibilidad de manejar la ubicación de las densidades por zonas, lo cual permite controlar las propiedades mecánicas como: Resistencia térmica (la cual se encuentra en un intervalo entre 0.51 - 0.84 m2K/W), resistencia a la flexión (la cual se encuentra en un intervalo entre 70 — 345 kPa), resistencia a la compresión (la cual se encuentra entre 35-173 kPa), módulo de elasticidad (el cual se encuentra entre 1-3 MPa), etc. optimizando el uso de material en cada aplicación y con esto impactando en una reducción significativa del costo. Una máquina para llevar a cabo este proceso se muestra en las figuras 2-8 y está constituida por veintidós componentes principales: 1. Empujador con divisor de densidades, 2. Inyectores de perla, 3. Cámara de precocimiento, 4. Separador 5. Cámara de cocimiento, 6. Mordaza, 7. Puerta frontal, 8. Sistema de enfriamiento, 9. Base con rodillos, 10. Tolvas de alimentación de perla de EPS pre-expandida a diferentes densidades, 11. Válvula de alimentación de vapor de baja presión, 12. Válvula de alimentación de vapor alta presión, 13. Sistema de cierre cámara de cocimiento, 14. Sistema de cierre puerta frontal, 15. Válvula de enfriamiento, 16. Toberas para vapor, 17. Respaldos molde, 18. Molde superior cámara de cocimiento, 19. Molde inferior cámara de cocimiento, 20. Empaque para sello entre moldes, 21 Drenes a la atmósfera y 22. Actuador lineal. El proceso de fabricación del moldeado continuo se lleva a cabo mediante el siguiente procedimiento: Primero: se precalientan ambas cámaras de vapor (3,5) abriendo durante 30 segundos las válvulas (11,12) que operan de forma independiente para alimentar vapor de agua saturado en la cámara de precocimiento a una presión manométrica de 20kPa y en la cámara de cocimiento a 100 kPa, se mantiene abierta la válvula que conecta la cámara de moldeo al sistema de enfriamiento para que fluya el vapor hacia la atmósfera. Segundo: Se cierra la cámara de cocimiento (5) asegurándola con su sistema de cierre (13), se cierra la puerta frontal (7) asegurándola con su sistema de cierre (14), se debe colocar el empujador con el divisor de densidades (1) en la posición retraída. Tercero: Se inyecta la perla de EPS pre-expandida a diferentes densidades almacenada en las tolvas (10), que en este caso son dos (pudiendo ser más), de manera simultánea en la cámara de precocimiento usando inyectores comerciales. Cuarto: Se cierra la válvula de enfriamiento (15), se abre la válvula de vapor de la cámara de precocimiento (11) hasta alcanzar la presión de 20kPa durante 15 segundos y se cierra la válvula (11). Quinto: Se abre la puerta frontal (7) y la cámara de cocimiento (5). Sexto: Se activa el empujador separador (1) para desplazar el segmento precocido hasta la cámara de cocimiento (5), se cierra la cámara de cocimiento (5) y se asegura con sus sistemas de cierre (13) para que presione al material pre-cocido, se regresa el empujador separador (1) a su posición retraída. Séptimo: Se inyecta nuevamente material en la cámara de precocimiento como en el tercer paso (11), se alimenta vapor en la cámara de cocimiento hasta alcanzar 100 kPa manteniéndola durante 5 segundos y simultáneamente en la cámara de precocimiento (11) a la condiciones del cuarto paso. Octavo: Se activa el sistema de enfriamiento (8) y se abre la válvula de enfriamiento (15) durante 45 segundos. Noveno: Se abre la cámara de cocimiento (5), y se repite el proceso desde el sexto paso de tal forma que el material terminado se desplaza sobre la base con rodillos (9). Esto se repite hasta obtener el material de la longitud deseada. Una variante consiste en retirar el separador de densidades instalado en el empujador (1), Fig. 9, lo cual nos permite obtener segmentos de diferente densidad alternados con una longitud mínima del largo de la cámara de precocimiento (3). Algunas ventajas de producir una pieza de EPS de manera continua y con mezclas de densidades son: Se puede producir un elemento de longitud arbitraria usando un molde de dimensiones menores que la pieza final. La mezcla de densidades permite optimizar el uso de material ya que al controlar la densidad de la pieza final por zonas directamente se manipulan las propiedades mecánicas de este material ya que dependen fuertemente de la densidad aparente y así los elementos obtenidos pueden tener propiedades mejoradas de acuerdo a su aplicación. Además con el proceso de la presente invención se reducen los pasos del proceso tradicional para producir piezas de gran tamaño ya que usando este proceso innovativo solo se pre-expande la materia prima, se reposa y se moldea el elemento deseado, en lugar de moldear primero un bloque de dimensiones mayores que la pieza deseada, añejarlo 24 horas, mecanizarlo mediante alambres de corte calientes y reciclar los sobrantes del bloque.

En la figura 2 se muestran una vista superior y una lateral de la máquina para fabricar elementos de EPS en forma continua y con mezcla de densidades controlada por zonas mediante el proceso objeto de esta invención, en donde se muestran los siguientes elementos: I . Empuj ador con divisor de densidades . 2. Inyectores de perla. 3. Cámara de precocimiento. 5. Cámara de cocimiento. 7. Puerta frontal. 8. Sistema de enfriamiento. 9. Base con rodillos. 10. Tolvas de alimentación de perla de EPS pré-expandida a diferentes densidades. II. Válvula de alimentación de vapor de baja presión. 12. Válvula de alimentación de vapor alta presión. 13. Sistema de cierre cámara de cocimiento. 14. Sistema de cierre puerta frontal. 15. Válvula de enfriamiento. En la figura 3 se muestra un corte transversal de la cámara de precocimiento (3), la cual consiste de las siguientes partes: 1. Empujador con divisor de densidades, 2. Inyectores de perla, 3. Cámara de precocimiento, 11. Válvula de alimentación de vapor de baja presión, 16. Toberas para vapor, 17. Respaldos molde. En esta cámara se logra la inyección de perla de poliestireno pre-expandida a diferentes densidades, medíante la inyección simultánea por los inyectores (2), el divisor (4) evita que se mezclen los diferentes materiales. Los respaldos (17) apoyan las paredes del molde sobre la cámara de vapor externa para evitar que se flexione al existir presión interna. El vapor se hace fluir hacia el interior de la cámara a través de las toberas (16) accionando la válvula de alimentación de vapor de baja presión (11). En la figura 4 se muestra un corte de la sección transversal de la cámara de cocimiento (5) y mordaza (6) que consiste de las siguientes partes: (18) Molde superior cámara de cocimiento, (19) Molde inferior cámara de cocimiento, (20) Empaque para sello entre moldes y (21) Drenes a la atmósfera. La cámara de cocimiento (5) se separa en sentido vertical en dos partes: El molde superior cámara de cocimiento (18) y el molde inferior cámara de cocimiento (20), para permitir que el segmento pre-cocido en la cámara de precocimiento (3) con una altura 1.05h pueda introducirse en esta cavidad ya que tiene una altura menor, de 1.02h en el separador (4) y una altura h en la mordaza (6), en donde h es la altura final del producto moldeado, una vez que se introduce el material a cocer se cierra la cámara y se introduce vapor mediante la válvula de alimentación de vapor alta presión (12), y posteriormente se enfría la cámara mediante el sistema de enfriamiento (8). Para evitar fugas de vapor entre los moldes y la entrada de aire durante el enfriamiento se usa el empaque para sello entre moldes (20). En la figura 5 se ilustra las relaciones geométricas que utiliza el proceso mediante un corte longitudinal del las secciones del molde: (3) Cámara de precocimiento, con una altura de la cámara de 1.05h, en donde h es la altura final del producto terminado, esta sección tiene una longitud L, (4) Separador, con una altura de la cámara cerrada igual a 1.02h y con una longitud igual a 0.5 veces L, (5) Cámara de cocimiento, con una altura de la cámara cerrada igual a h y una longitud igual a L, (6) Mordaza, la mordaza forma parte de la cámara de cocimiento ya que al entrar en esta sección un segmento precocido se comprime 0.2 veces h, ejerciendo una fuerza de agarre que evita que el material sea expulsado por la presión de vapor una vez que es abierta la Puerta frontal (7) En la figura 6 se muestra un detalle del sistema de cierre (14) de la puerta frontal (7), el cual consiste en unas cuñas que al cerrar la puerta se extienden usando un actuador lineal fijo a la parte superior de la cámara de cocimiento (5), que las introduce en dos huecos acuñados maquinados en unas orejas que son parte de la puerta frontal (7), restringiendo el movimiento de giro hacia el frente, de tal forma que sella herméticamente la parte frontal del molde de cocimiento durante el primer cocimiento del material. En la figura 7 se muestra un detalle del sistema mecánico que permite abrir y cerrar la cámara de cocimiento y mordaza para permitir el paso de un segmento precocido a la zona del separador y la cámara de cocimiento, permitiendo una abertura mínima de 1.06 veces h, a su vez el sistema asegura la cámara cuando se cierra, para evitar que la presión del vapor la abra.

En la figura 8 se muestra un corte de la sección longitudinal del sistema compuesto por el actuador lineal (22) y el empujador con un divisor de densidades (1), dicho divisor puede no estar presente y las piezas producidas tendrán la distribución de densidades mostrada en la figura 9a, si se mantiene un solo divisor o si se colocan n-divisores se obtienen piezas con las distribuciones de densidades como las mostradas en las figuras 9b y 9c, respectivamente. Algunas ventajas de producir una pieza de EPS de manera continua y con mezclas de densidades son: Se puede producir un elemento de longitud arbitraria usando un molde de dimensiones menores que la pieza final. La mezcla de densidades permite optimizar el uso de material ya que al controlar la densidad de la pieza final por zonas directamente se manipulan las propiedades mecánicas de este material ya que dependen fuertemente de la densidad aparente, de acuerdo al proceso innovativo que se reclama, se reducen los pasos del proceso tradicional para producir piezas de gran tamaño porque usando este proceso solo se pre-expande la materia prima, se reposa y se moldea el elemento deseado, en lugar de moldear primero un bloque de dimensiones mayores que la pieza deseada, añejarlo 24 horas, mecanizarlo mediante alambres de corte calientes y reciclar los sobrantes del bloque.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1. Producto sólido con mezclas de densidades. Figura 2. Vistas lateral y superior del conjunto para producción. Figura 3. Corte sección transversal cámara de precocimiento. Figura 4. Corte sección transversal cámara cocimiento y mordaza. Figura 5. Corte sección longitudinal de cámaras de precocimiento, cocimiento y mordaza.

Figura 6. Detalle puerta frontal. Figura 7. Detalle sistema de cierre cámara cocimiento y mordaza. Figura 8. Detalle del conjunto empujador separador. Figura 9. Esquema de la distribución de densidades obtenida: a) sin divisor, b) con un divisor y c) con n-divisores.

Claims

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas: 1. Un proceso para producir elementos continuos de Espuma de Poliestireno (EPS) que comprende una mezcla de densidades en dirección longitudinal, transversal o arbitraria, en el cual se efectúan las siguientes etapas: pre-expansión de la perla de poliestireno expansible a una o varias densidades requeridas (desde 7.5 hasta 60 kg/m3), reposo intermedio independientemente para cada material a cada densidad, en contenedores con mallas que permitan la entrada de aire al interior (desde 3 hasta 10 horas dependiendo de la densidad a condiciones atmosféricas), ), alimentación simultánea de cada densidad con inyectores independientes en la región deseada dentro de la cámara de pre-cocimiento a una presión mayor que la atmosférica, la cual cuenta con uno o varios divisores que mantienen separadas las regiones según su densidad durante un cocimiento parcial usando vapor de agua saturado con una presión manométrica de 20kPa durante 15 segundos, el elemento pre-cocido es introducido en una cámara de cocimiento final una vez extraído el divisor y se sujeta mediante una mordaza durante el cocimiento final usando vapor de agua saturado con una presión manométrica de lOOkPa durante 15 segundos. De manera simultánea al cocimiento del segmento que se encuentra en la cámara de cocimiento final se repite en la cámara de pre-cocimiento el proceso ya descrito en la etapa de pre-cocimiento, de tal forma que se van uniendo segmentos consecutivos para formar una pieza continua. Una aparato para realizar el proceso de fabricación de espuma de poliestireno como se reivindica en 1, que comprende veintidós componentes principales: 1. Empujador con divisor de densidades, 2. Inyectores de perla, 3. Cámara de precocimiento, 4. Separador 5. Cámara de cocimiento, 6. Mordaza, 7. Puerta frontal, 8. Sistema de enfriamiento, 9. Base con rodillos, 10. Tolvas de alimentación de perla de EPS pre-expandida a diferentes densidades, 11. Válvula de alimentación de vapor de baja presión, 12. Válvula de alimentación de vapor alta presión, 13. Sistema de cierre cámara, de cocimiento, 14. Sistema de cierre puerta frontal, 15. Válvula de enfriamiento, 16. Toberas para vapor, 17. Respaldos molde, 18. Molde superior cámara de cocimiento, 19. Molde inferior cámara de cocimiento, 20. Empaque para sello entre moldes, 21 Drenes a la atmósfera y 22. Actuador lineal. Espuma de poliestireno (EPS) proveniente del proceso reivindicado en 1, caracterizada por poseer diferentes densidades por zonas, lo cual permite controlar las propiedades mecánicas como: Resistencia térmica (la cual se encuentra en un intervalo entre 0.51 - 0.84 m2K/W), resistencia a la flexión (la cual se encuentra en un intervalo entre 70 - 345 kPa), resistencia a la compresión (la cual se encuentra entre 35-173 kPa), módulo de elasticidad (el cual se encuentra entre 1-3 MPa), etc. optimizando el uso de material en cada aplicación y con esto impactando en una reducción significativa del costo.