L'estrusione della plastica è un processo di produzione ad alto volume in cui la plastica grezza viene fusa e modellata in un profilo continuo. L'estrusione produce articoli come tubi, guarnizioni, recinzioni, ringhiere per ponti, telai di finestre, pellicole e fogli di plastica, rivestimenti termoplastici e isolamento dei cavi.
Questo processo inizia alimentando il materiale plastico (pellet, granuli, scaglie o polveri) da una tramoggia nel cilindro dell'estrusore. Il materiale viene gradualmente fuso dall'energia meccanica generata dalla rotazione delle viti 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
Estrusione di tubi
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 della LMP sviluppa i primi estrusori bivite in Italia.
PROCESSO
Nell'estrusione della plastica, la materia prima composta è comunemente sotto forma di granuli (piccole perle, spesso chiamate resina) che vengono alimentate per gravità da una tramoggia montata sulla parte superiore 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 che arrivi alla tramoggia. Il processo ha molto in comune con lo stampaggio a iniezione di materie plastiche dal punto di vista della tecnologia dell'estrusore, anche se differisce in quanto di solito è un processo continuo. Sebbene la pultrusione possa offrire molti profili simili in lunghezze continue, solitamente con rinforzo aggiuntivo, ciò si ottiene estraendo il prodotto finito da uno stampo invece di espellere il polimero fuso attraverso uno stampo.
Il materiale entra attraverso la gola di alimentazione (un'apertura vicino alla parte posteriore del cilindro) ed entra in contatto con la coclea. La vite rotante (normalmente gira ad esempio a 120 giri al minuto) spinge le perle di plastica in avanti nel cilindro riscaldato. La temperatura di estrusione desiderata raramente è uguale alla temperatura impostata del cilindro a causa del riscaldamento viscoso e di altri effetti. Nella maggior parte dei processi, viene impostato un profilo di riscaldamento per il fusto in cui tre o più zone riscaldanti indipendenti controllate da PID aumentano gradualmente la temperatura del fusto dalla parte posteriore (dove entra la plastica) a quella anteriore. Ciò consente alle perle di plastica di sciogliersi gradualmente mentre vengono spinte attraverso il cilindro e riduce il rischio di surriscaldamento che potrebbe 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 fa funzionare determinati materiali abbastanza velocemente, i riscaldatori possono essere spenti e la temperatura di fusione mantenuta 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.
Estrusore di plastica tagliato a metà per mostrare i componenti
Nella parte anteriore del cilindro, la plastica fusa lascia la vite e viaggia attraverso un pacco di filtri per rimuovere eventuali contaminanti nella massa fusa. Gli schermi sono rinforzati da una piastra dell'interruttore (uno spesso disco metallico attraversato da numerosi fori) poiché la pressione a questo punto può superare i 5.000 psi (34 MPa). Il gruppo filtro/piastra interruttore serve anche a creare contropressione nella canna. La contropressione è necessaria per una fusione uniforme e una corretta miscelazione del polimero, e la quantità di pressione generata può essere “modificata” variando la composizione del pacchetto filtri (il numero di filtri, la dimensione della trama del filo e altri parametri). Questa combinazione di piastra intermedia e pacco vaglio elimina anche la “memoria rotazionale” della plastica fusa e crea invece “memoria longitudinale”.
Dopo aver attraversato la piastra dell'interruttore, la plastica fusa entra nello stampo. La filiera è ciò che conferisce il profilo al prodotto finale e deve essere progettata 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 tensioni 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 ciò si ottiene solitamente facendo passare l'estruso attraverso un bagnomaria. Le materie plastiche sono ottimi isolanti termici e sono quindi difficili da raffreddare rapidamente. Rispetto all’acciaio, la plastica dissipa il calore 2.000 volte più lentamente. In una linea di estrusione di tubi o tubature, un bagno d'acqua sigillato viene attivato da un vuoto attentamente controllato per impedire il collasso del tubo o del tubo appena formato e ancora fuso. Per prodotti come i fogli di plastica, il raffreddamento si ottiene facendo passare una serie di rulli di raffreddamento. Per film e fogli 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 inoltre ampiamente utilizzati per rilavorare i rifiuti di plastica riciclata o altre materie prime dopo la pulizia, la cernita e/o la miscelazione. Questo materiale viene comunemente estruso in filamenti adatti per essere spezzettati in perline o pellet da utilizzare come precursore per l'ulteriore lavorazione.
DESIGN DELLA VITE
Ci sono cinque zone possibili in una vite termoplastica. Poiché la terminologia non è standardizzata nel settore, a queste zone possono riferirsi nomi diversi. Tipi diversi di polimero avranno design delle viti diversi, alcuni dei quali non incorporano tutte le zone possibili.
Una semplice vite per estrusione di plastica
Viti per estrusore di Boston Matthews
La maggior parte delle viti ha queste tre zone:
● Zona di alimentazione (chiamata anche zona di trasporto dei 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): in questa sezione viene fusa la maggior parte del polimero e la profondità del canale diventa progressivamente più piccola.
● Zona di dosaggio (chiamata anche zona di trasporto del materiale fuso): questa zona scioglie 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 ventilata (a due stadi) ha:
● Zona di decompressione. In questa zona, a circa due terzi della vite, il canale diventa improvvisamente più profondo, alleviando la pressione e consentendo a tutti i gas intrappolati (umidità, aria, solventi o reagenti) di essere aspirati dal vuoto.
● Seconda zona di misurazione. Questa zona è simile alla prima zona di misurazione, ma con una maggiore profondità del canale. Serve a ripressurizzare la massa fusa per farla superare la resistenza degli schermi e della trafila.
Spesso la lunghezza della vite viene 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 generalmente 36:1 per tenere conto delle due zone aggiuntive.
Ciascuna zona è dotata di una o più termocoppie o RTD nella parete del cilindro per il controllo della temperatura. Il “profilo di temperatura”, ovvero la temperatura di ciascuna zona, è molto importante per la qualità e le caratteristiche dell'estruso finale.
MATERIALI TIPICI DI ESTRUSIONE
Tubo in HDPE durante l'estrusione. Il materiale HDPE proviene dal riscaldatore, nello stampo, quindi nel serbatoio di raffreddamento. Questo tubo condotto Acu-Power è coestruso: interno nero con un sottile rivestimento arancione, per designare i cavi di alimentazione.
I tipici materiali plastici utilizzati nell'estrusione includono, ma non sono limitati a: polietilene (PE), polipropilene, acetale, acrilico, nylon (poliammidi), polistirene, polivinilcloruro (PVC), acrilonitrile butadiene stirene (ABS) e policarbonato.[4 ]
TIPI DI STAMPI
Esistono diverse matrici utilizzate nell'estrusione della plastica. Sebbene possano esserci differenze significative tra i tipi e la complessità delle matrici, tutte le matrici consentono l'estrusione continua del polimero fuso, al contrario della lavorazione non continua come lo stampaggio a iniezione.
Estrusione di film in bolla
Estrusione a soffiaggio di film plastico
La produzione di film plastico per prodotti come borse della spesa e fogli continui viene effettuata utilizzando una linea di film in bolla.
Questo processo è lo stesso di un normale processo di estrusione fino alla filiera. Esistono tre tipi principali di matrici utilizzate in questo processo: anulare (o a croce), a ragno e a spirale. Le matrici anulari sono le più semplici e si basano sulla canalizzazione della massa fusa del polimero attorno all'intera sezione trasversale della matrice prima di uscire dalla matrice; ciò può provocare un flusso irregolare. Le matrici a ragno sono costituite da un mandrino centrale fissato all'anello esterno della matrice tramite una serie di "gambe"; pur essendo il flusso più simmetrico rispetto alle filiere anulari, si creano 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.
La massa fusa viene leggermente raffreddata prima di lasciare lo stampo per produrre un tubo semisolido debole. Il diametro di questo tubo viene rapidamente espanso tramite la pressione dell'aria e il tubo viene tirato verso l'alto con rulli, allungando la plastica sia nella direzione trasversale che in quella di trazione. La trafilatura e la soffiatura fanno sì che il film sia più sottile rispetto al tubo estruso e inoltre allineano preferenzialmente le catene molecolari del polimero nella direzione che subisce la maggiore deformazione plastica. Se il film viene stirato più di quanto non sia soffiato (il diametro finale del tubo è vicino al diametro estruso) le molecole del polimero saranno altamente allineate con la direzione di stiro, creando un film resistente in quella direzione, ma debole nella direzione trasversale . Una pellicola che ha un diametro significativamente maggiore rispetto al diametro estruso avrà più resistenza nella direzione trasversale, ma meno nella direzione di stiro.
Nel caso del polietilene e di altri polimeri semicristallini, quando il film si raffredda si cristallizza in quella che è nota come linea del gelo. Mentre la pellicola continua a raffreddarsi, viene trascinata attraverso diversi gruppi di rulli di pressione per appiattirla in un tubo piatto, che può quindi essere avvolto o tagliato in due o più rotoli di rivestimento.
Estrusione di lastre/film
L'estrusione di fogli/film viene utilizzata per estrudere fogli o film di plastica troppo spessi per essere soffiati. Le trafile utilizzate sono di due tipi: a T e appendiabiti. Lo scopo di queste matrici è riorientare e guidare il flusso di polimero fuso da un'unica uscita circolare dall'estrusore a un flusso planare sottile e piatto. In entrambi i tipi di filiera è garantito un flusso costante e uniforme su tutta l'area della sezione trasversale della filiera. Il raffreddamento avviene generalmente facendo passare una serie di rulli di raffreddamento (calandra o rulli "raffreddatori"). Nell'estrusione della lamiera, questi rulli non solo forniscono il raffreddamento necessario, ma determinano anche lo spessore della lamiera e la struttura della superficie.[7] 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 post-estrusione comune per le lastre 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 viene utilizzato il vuoto, questo viene spesso descritto come formatura sotto vuoto. L'orientamento (ovvero la capacità/densità disponibile del foglio di essere trascinato nello stampo, che può variare in profondità da 1 a 36 pollici in genere) è molto importante e influisce notevolmente sui tempi del ciclo di formatura per la maggior parte delle materie plastiche.
Estrusione di tubi
I tubi estrusi, come i tubi in PVC, vengono prodotti utilizzando matrici molto simili a quelle utilizzate nell'estrusione di film in bolla. È possibile applicare una pressione positiva alle cavità interne attraverso il perno oppure una pressione negativa al diametro esterno utilizzando un calibratore a vuoto per garantire le dimensioni finali corrette. Ulteriori lumi o fori possono essere introdotti aggiungendo gli appropriati mandrini interni allo stampo.
Una linea di estrusione medica di Boston Matthews
Le applicazioni di tubi multistrato sono sempre presenti anche nell'industria automobilistica, nel settore idraulico e del riscaldamento e nell'industria dell'imballaggio.
Estrusione sopra il rivestimento
L'estrusione del rivestimento consente l'applicazione di uno strato esterno di plastica su un filo o cavo esistente. Questo è il processo tipico per l'isolamento dei fili.
Esistono due diversi tipi di stampi utilizzati per il rivestimento su un filo, un tubo (o rivestimento) e la pressione. Negli utensili di rivestimento, il polimero fuso non tocca il filo interno fino a immediatamente prima dei labbri dello stampo. Negli utensili a pressione, la massa fusa entra in contatto con il filo interno molto prima che raggiunga i labbri dello stampo; questo viene fatto ad alta pressione per garantire una buona adesione del fuso. Se è necessario 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, viene invece utilizzata l'attrezzatura 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 un'unica testa di estrusione (filiera) che estruderà i materiali nella forma desiderata. Questa tecnologia viene utilizzata su qualsiasi processo sopra descritto (film in bolla, sovrarivestimento, tubo, lastra). Gli spessori degli strati sono controllati dalle velocità e dalle dimensioni relative dei singoli estrusori che erogano i materiali.
Coestrusione di strati 5:5 del tubo cosmetico “squeeze”.
In molti scenari reali, un singolo polimero non può soddisfare tutte le esigenze di un’applicazione. L'estrusione composta consente di estrudere 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 pellicola soffiata o colata per rivestire uno strato aggiuntivo su un materiale in rotoli esistente di carta, pellicola o pellicola. Ad esempio, questo processo può essere utilizzato per migliorare le caratteristiche della carta rivestendola con 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.
ESTRUSIONI COMPOSTO
L'estrusione compounding è un processo che mescola uno o più polimeri con additivi per dare composti plastici. Le alimentazioni possono essere pellet, polvere e/o liquidi, ma il prodotto è solitamente sotto forma di pellet, da utilizzare in altri processi di formatura della plastica come estrusione e stampaggio a iniezione. Come per l'estrusione tradizionale, esiste un'ampia gamma di dimensioni delle macchine a seconda dell'applicazione e della produttività desiderata. Mentre nell’estrusione tradizionale possono essere utilizzati estrusori monovite o bivite, la necessità di un’adeguata miscelazione nell’estrusione compounding rende gli estrusori bivite quasi obbligatori.
TIPI DI ESTRUSORE
Esistono due sottotipi di estrusori bivite: corotanti e controrotanti. Questa nomenclatura si riferisce alla direzione relativa in cui ciascuna vite gira rispetto all'altra. Nella modalità co-rotazione, entrambe le viti ruotano in senso orario o antiorario; in controrotazione, una vite gira in senso orario mentre l'altra gira in senso antiorario. È stato dimostrato che, per una data area della sezione trasversale e un dato grado di sovrapposizione (interingranamento), la velocità assiale e il grado di miscelazione sono maggiori negli estrusori gemelli 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 una modifica del 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
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 è possibile realizzare tubi di notevole lunghezza anche avvolti su bobina. Un altro vantaggio è l'estrusione di tubi con raccordo integrato comprensivo di guarnizione in gomma.
Orario di pubblicazione: 25 febbraio 2022
