Estrusione plastica - Plastic extrusion
L'estrusione di materie plastiche è un processo di produzione ad alto volume in cui la plastica grezza viene fusa e formata in un profilo continuo. L'estrusione produce articoli come tubi/tubi, guarnizioni di tenuta , recinzioni, ringhiere per ponti , telai di finestre , pellicole e teli di plastica , rivestimenti termoplastici e isolamento di cavi.
Questo processo inizia con l'alimentazione di materiale plastico (pellet, granuli, scaglie o polveri) da una tramoggia nella canna dell'estrusore. Il materiale viene progressivamente fuso dall'energia meccanica generata dalle viti girevoli e dai riscaldatori disposti lungo la canna. Il polimero fuso viene quindi forzato in uno stampo, che modella il polimero in una forma che si indurisce durante il raffreddamento.
Storia
I primi precursori del moderno estrusore furono sviluppati all'inizio del XIX secolo. Nel 1820, Thomas Hancock inventò un "masticatore" di gomma progettato per recuperare gli scarti di gomma lavorati e nel 1836 Edwin Chaffee sviluppò una macchina a due rulli per mescolare gli additivi nella gomma . La prima estrusione termoplastica fu nel 1935 da Paul Troester e sua moglie Ashley Gershoff ad Amburgo , in Germania. Poco dopo, Roberto Colombo di LMP sviluppò i primi estrusori bivite in Italia.
Processi
Nell'estrusione della plastica, la materia prima composta è comunemente sotto forma di nurdles (piccole perline, spesso chiamate resina) che vengono alimentate per gravità da una tramoggia montata in alto nel cilindro dell'estrusore. Vengono spesso utilizzati additivi come coloranti e inibitori UV (in forma liquida o in pellet) che possono essere miscelati nella resina prima di arrivare alla tramoggia. Il processo ha molto in comune con lo stampaggio a iniezione della plastica dal punto di vista della tecnologia dell'estrusore, sebbene differisca dal fatto che di solito è un processo continuo. Mentre la pultrusione può offrire molti profili simili in lunghezze continue, solitamente con rinforzo aggiunto, ciò si ottiene estraendo il prodotto finito da uno stampo invece di estrudere il polimero fuso attraverso uno stampo.
Il materiale entra attraverso la gola di alimentazione (un'apertura vicino alla parte posteriore della canna) ed entra in contatto con la vite. La vite rotante (che normalmente gira ad es. a 120 giri/min) spinge le perline di plastica in avanti nella canna riscaldata. La temperatura di estrusione desiderata raramente è uguale alla temperatura impostata della canna a causa del riscaldamento viscoso e di altri effetti. Nella maggior parte dei processi, viene impostato un profilo di riscaldamento per la canna in cui tre o più zone di riscaldamento indipendenti controllate dal PID aumentano gradualmente la temperatura della canna dalla parte posteriore (dove entra la plastica) alla parte anteriore. Ciò consente alle perle di plastica di fondersi gradualmente mentre vengono spinte attraverso la canna e riduce il rischio di surriscaldamento che può causare la degradazione del polimero .
Il calore extra è fornito dall'intensa pressione e dall'attrito che si verificano all'interno della canna. Infatti, se una linea di estrusione esegue determinati materiali abbastanza velocemente, i riscaldatori possono essere spenti e la temperatura del fuso può essere mantenuta solo dalla pressione e dall'attrito all'interno del cilindro. Nella maggior parte degli estrusori, sono presenti ventole di raffreddamento per mantenere la temperatura al di sotto di un valore impostato se viene generato troppo calore. Se il raffreddamento ad aria forzata si rivela insufficiente, vengono utilizzate camicie di raffreddamento integrate.
Nella parte anteriore della canna, la plastica fusa lascia la vite e viaggia attraverso un setaccio per rimuovere eventuali contaminanti nella massa fusa. Gli schermi sono rinforzati da una piastra di rottura (un disco di metallo spesso con molti fori praticati attraverso di esso) poiché la pressione a questo punto può superare 5.000 psi (34 MPa ). L'assieme pacco griglia/piastra rompigetto serve anche a creare contropressione nella canna. La contropressione è necessaria per la fusione uniforme e la corretta miscelazione del polimero e la quantità di pressione generata può essere "modificata" variando la composizione del pacchetto di schermi (il numero di schermi, la dimensione della trama del filo e altri parametri). Questa combinazione di piastre rompigetto e set di schermi elimina anche la "memoria di rotazione" della plastica fusa e crea invece una "memoria longitudinale".
Dopo aver attraversato la piastra del demolitore, la plastica fusa entra nello stampo. Lo stampo è ciò che conferisce al prodotto finale il suo profilo e deve essere progettato in modo che la plastica fusa scorra uniformemente da un profilo cilindrico, alla forma del profilo del prodotto. Il flusso irregolare in questa fase può produrre un prodotto con sollecitazioni residue indesiderate in determinati punti del profilo che possono causare deformazioni durante il raffreddamento. È possibile creare un'ampia varietà di forme, limitate a profili continui.
Il prodotto deve ora essere raffreddato e questo di solito si ottiene tirando l'estruso attraverso un bagno d'acqua. Le materie plastiche sono ottimi isolanti termici e sono quindi difficili da raffreddare rapidamente. Rispetto all'acciaio , la plastica allontana il calore 2000 volte più lentamente. In una linea di estrusione di tubi o tubi, un bagno d'acqua sigillato viene azionato da un vuoto attentamente controllato per evitare che il tubo o il tubo appena formato e ancora fuso crolli. Per prodotti come i fogli di plastica, il raffreddamento si ottiene facendo passare una serie di rulli di raffreddamento. Per film e lamiere molto sottili, il raffreddamento ad aria può essere efficace come fase di raffreddamento iniziale, come nell'estrusione di film in bolla.
Gli estrusori di plastica sono anche ampiamente utilizzati per ritrattare rifiuti di plastica riciclata o altre materie prime dopo la pulizia, lo smistamento e/o la miscelazione. Questo materiale viene comunemente estruso in filamenti adatti per essere sminuzzati nel brodo di perline o pellet da utilizzare come precursore per ulteriori lavorazioni.
Design a vite
Ci sono cinque possibili zone in una vite termoplastica. Poiché la terminologia non è standardizzata nel settore, a queste zone possono fare riferimento nomi diversi. Diversi tipi di polimero avranno diversi design delle viti, alcuni dei quali non incorporano tutte le possibili zone.
La maggior parte delle viti ha queste tre zone:
- Zona di alimentazione (chiamata anche zona di trasporto solidi): questa zona alimenta la resina nell'estrusore e la profondità del canale è solitamente la stessa in tutta la zona.
- Zona di fusione (chiamata anche zona di transizione o compressione): la maggior parte del polimero viene fusa in questa sezione e la profondità del canale diventa progressivamente più piccola.
- Zona di dosaggio (chiamata anche zona di trasporto del fuso): questa zona fonde le ultime particelle e le mescola ad una temperatura e composizione uniformi. Come la zona di alimentazione, la profondità del canale è costante in tutta questa zona.
Inoltre, una vite con sfiato (a due stadi) ha:
- Zona di decompressione. In questa zona, a circa due terzi della vite, il canale diventa improvvisamente più profondo, il che allevia la pressione e consente l'aspirazione di eventuali gas intrappolati (umidità, aria, solventi o reagenti) mediante il vuoto.
- Seconda zona di misurazione. Questa zona è simile alla prima zona di misurazione, ma con una maggiore profondità del canale. Serve a ripressurizzare il fuso per farlo passare attraverso la resistenza degli schermi e dello stampo.
Spesso la lunghezza della vite è riferita al suo diametro come rapporto L:D. Ad esempio, una vite da 6 pollici (150 mm) di diametro a 24:1 sarà lunga 144 pollici (12 piedi) e a 32:1 sarà lunga 192 pollici (16 piedi). Un rapporto L:D di 25:1 è comune, ma alcune macchine arrivano fino a 40:1 per una maggiore miscelazione e una maggiore produzione con lo stesso diametro della vite. Le viti a due stadi (ventilate) sono in genere 36:1 per tenere conto delle due zone extra.
Ogni zona è dotata di una o più termocoppie o RTD nella parete del cilindro per il controllo della temperatura. Il "profilo di temperatura", cioè la temperatura di ciascuna zona, è molto importante per la qualità e le caratteristiche dell'estruso finale.
Tipici materiali da estrusione
I materiali plastici tipici utilizzati nell'estrusione includono ma non sono limitati a: polietilene (PE), polipropilene , acetale , acrilico , nylon (poliammidi), polistirene , cloruro di polivinile (PVC), acrilonitrile butadiene stirene (ABS) e policarbonato .
Tipi di stampi
Ci sono una varietà di stampi utilizzati nell'estrusione della plastica. Sebbene possano esserci differenze significative tra i tipi di stampi e la complessità, tutti gli stampi consentono l'estrusione continua del polimero fuso, al contrario della lavorazione non continua come lo stampaggio a iniezione .
Estrusione di film in bolla
La produzione di film plastici per prodotti come shopper e lamiere continue è ottenuta utilizzando una linea di film in bolla.
Questo processo è lo stesso di un normale processo di estrusione fino allo stampo. Esistono tre tipi principali di matrici utilizzati in questo processo: anulare (o a croce), a ragno e a spirale. Gli stampi anulari sono i più semplici e si basano sulla canalizzazione del fuso polimerico attorno all'intera sezione trasversale dello stampo prima di uscire dallo stampo; questo può causare un flusso irregolare. Le matrici Spider sono costituite da un mandrino centrale attaccato all'anello esterno della filiera tramite una serie di "gambe"; mentre il flusso è più simmetrico rispetto agli stampi anulari, vengono prodotte numerose linee di saldatura che indeboliscono il film. Le matrici a spirale eliminano il problema delle linee di saldatura e del flusso asimmetrico, ma sono di gran lunga le più complesse.
Il fuso viene leggermente raffreddato prima di lasciare lo stampo per produrre un debole tubo semisolido. Il diametro di questo tubo si espande rapidamente tramite la pressione dell'aria e il tubo viene tirato verso l'alto con rulli, allungando la plastica sia in direzione trasversale che in direzione di trazione. La trafilatura e il soffiaggio fanno sì che il film sia più sottile del tubo estruso, e inoltre allinea preferenzialmente le catene molecolari polimeriche nella direzione che vede la maggior deformazione plastica . Se il film viene tirato più di quanto non sia soffiato (il diametro finale del tubo è vicino al diametro estruso) le molecole di polimero saranno molto allineate con la direzione di tiraggio, creando un film che è forte in quella direzione, ma debole nella direzione trasversale . Un film che ha un diametro significativamente più grande del diametro estruso avrà più forza nella direzione trasversale, ma meno nella direzione di estrazione.
Nel caso del polietilene e di altri polimeri semicristallini, man mano che il film si raffredda, cristallizza in corrispondenza della cosiddetta linea del gelo . Mentre il film continua a raffreddarsi, viene trascinato attraverso diverse serie di rulli pressori per appiattirlo in un tubo piatto, che può quindi essere avvolto o tagliato in due o più rotoli di fogli.
Estrusione di fogli/film
L'estrusione di fogli/film viene utilizzata per estrudere fogli o film di plastica troppo spessi per essere soffiati. Ci sono due tipi di stampi utilizzati: a forma di T e appendiabiti. Lo scopo di questi stampi è di riorientare e guidare il flusso di polimero fuso da un'uscita singola rotonda dall'estrusore a un flusso planare sottile e piatto. In entrambi i tipi di stampo garantire un flusso costante e uniforme attraverso l'intera area della sezione trasversale dello stampo. Il raffreddamento è in genere tirando attraverso una serie di rulli di raffreddamento ( rulli calandra o "chill"). Nell'estrusione di fogli, questi rulli non solo forniscono il raffreddamento necessario, ma determinano anche lo spessore del foglio e la struttura superficiale. Spesso la coestrusione viene utilizzata per applicare uno o più strati sopra un materiale di base per ottenere proprietà specifiche come l'assorbimento dei raggi UV, la consistenza, la resistenza alla permeazione dell'ossigeno o la riflessione dell'energia.
Un processo di post-estrusione comune per i fogli di plastica è la termoformatura , in cui il foglio viene riscaldato fino a renderlo morbido (plastica) e formato tramite uno stampo in una nuova forma. Quando si usa il vuoto, questo è spesso descritto come formatura sotto vuoto . L'orientamento (ossia capacità/densità disponibile del foglio da disegnare sullo stampo che può variare in profondità da 1 a 36 pollici in genere) è molto importante e influenza notevolmente i tempi del ciclo di formatura per la maggior parte delle materie plastiche.
Estrusione di tubi
I tubi estrusi , come i tubi in PVC, sono prodotti utilizzando stampi molto simili a quelli utilizzati nell'estrusione di film in bolla. La pressione positiva può essere applicata alle cavità interne attraverso il perno, oppure la pressione negativa può essere applicata al diametro esterno utilizzando un misuratore a vuoto per garantire le corrette dimensioni finali. Ulteriori lumi o fori possono essere introdotti aggiungendo i mandrini interni appropriati allo stampo.
Le applicazioni dei tubi multistrato sono sempre presenti anche nell'industria automobilistica, nell'industria termoidraulica e nell'industria degli imballaggi.
Estrusione su rivestimento
L'estrusione di rivestimento consente l'applicazione di uno strato esterno di plastica su un filo o cavo esistente. Questo è il processo tipico per isolare i fili.
Esistono due diversi tipi di utensili per stampi utilizzati per il rivestimento su un filo, tubi (o guaina) e pressione. Negli utensili per rivestimento, il polimero fuso non tocca il filo interno fino a poco prima dei labbri dello stampo. Negli utensili a pressione, il materiale fuso entra in contatto con il filo interno molto prima che raggiunga i bordi dello stampo; questo viene fatto ad alta pressione per garantire una buona adesione del fuso. Se è richiesto un contatto intimo o un'adesione tra il nuovo strato e il filo esistente, vengono utilizzati strumenti a pressione. Se l'adesione non è desiderata/necessaria, vengono invece utilizzati gli strumenti di rivestimento.
coestrusione
La coestrusione è l'estrusione simultanea di più strati di materiale. Questo tipo di estrusione utilizza due o più estrusori per fondere e fornire una portata volumetrica costante di diverse plastiche viscose a una singola testa di estrusione (stampo) che estruderà i materiali nella forma desiderata. Questa tecnologia viene utilizzata su uno qualsiasi dei processi sopra descritti (film soffiato, sovracamiciatura, tubi, lamiera). Gli spessori degli strati sono controllati dalle relative velocità e dimensioni dei singoli estrusori che erogano i materiali.
In molti scenari del mondo reale, un singolo polimero non può soddisfare tutte le esigenze di un'applicazione. L'estrusione composta consente l'estrusione di un materiale miscelato, ma la coestrusione mantiene i materiali separati come strati diversi nel prodotto estruso, consentendo il posizionamento appropriato di materiali con proprietà diverse come permeabilità all'ossigeno, resistenza, rigidità e resistenza all'usura.
Rivestimento per estrusione
Il rivestimento per estrusione utilizza un processo di film soffiato o cast per rivestire uno strato aggiuntivo su un rotolo esistente di carta, pellicola o pellicola. Ad esempio, questo processo può essere utilizzato per migliorare le caratteristiche della carta rivestendola di polietilene per renderla più resistente all'acqua. Lo strato estruso può essere utilizzato anche come adesivo per unire altri due materiali. Tetrapak è un esempio commerciale di questo processo.
Estrusi composti
L'estrusione di compounding è un processo che mescola uno o più polimeri con additivi per dare composti plastici. I mangimi possono essere pellet, polvere e/o liquidi, ma il prodotto è solitamente in forma di pellet, da utilizzare in altri processi di formatura plastica come l'estrusione e lo stampaggio a iniezione. Come per l'estrusione tradizionale, esiste un'ampia gamma di dimensioni della macchina a seconda dell'applicazione e della produttività desiderata. Sebbene sia possibile utilizzare estrusori a vite singola o doppia nell'estrusione tradizionale, la necessità di un'adeguata miscelazione nell'estrusione di compounding rende gli estrusori bivite tutt'altro che obbligatori.
Tipi di estrusore
Esistono due sottotipi di estrusori bivite: corotanti e controrotanti. Questa nomenclatura si riferisce alla direzione relativa di rotazione di ciascuna vite rispetto all'altra. In modalità di corotazione, entrambe le viti girano in senso orario o antiorario; in controrotazione una vite gira in senso orario mentre l'altra in senso antiorario. È stato dimostrato che, a parità di area della sezione trasversale e grado di sovrapposizione (intermeshing), la velocità assiale e il grado di miscelazione sono maggiori negli estrusori doppi corotanti. Tuttavia, l'accumulo di pressione è maggiore negli estrusori controrotanti. Il design della vite è comunemente modulare in quanto vari elementi di trasporto e miscelazione sono disposti sugli alberi per consentire una rapida riconfigurazione per un cambio di processo o la sostituzione di singoli componenti a causa di usura o danni corrosivi. Le dimensioni della macchina vanno da un minimo di 12 mm a un massimo di 380 mm [12- Polymer Mixing di James White, pagine 129-140]
Vantaggi
Un grande vantaggio dell'estrusione è che i profili come i tubi possono essere realizzati di qualsiasi lunghezza. Se il materiale è sufficientemente flessibile, i tubi possono essere realizzati a lunghezze elevate anche arrotolando su bobina. Un altro vantaggio è l'estrusione di tubi con giunto integrato comprensivo di guarnizione in gomma.
Guarda anche
Riferimenti
Bibliografia
- Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo (1994), Guida di riferimento ai processi di produzione , Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-3049-0.