Rigonfiamento, qualità della superficie, pressione

Il materiale plastico è un materiale non newtoniano ed è detto pseudo-newtoniano. Sono dei materiali visco-elastici, ossia hanno un comportamento elasto-viscoso che può essere schematizzato con la teoria di Kelvin e Maxwell ossia un sistema di molle e smorzatori viscosi.

Fig.1 – Comportamento viscoelastico

 

La viscoelasticità e la modalità di deformazione dei polimeri ha un ruolo fondamentale nel processo di estrusione:

  • bava alla filiera (die drool);
  • rigonfiamento (die swell);
  • pressioni, temperature del fuso;
  • pressione negativa che accelera per migrazione la formazione del die drool e rigonfiamento;
  • qualità superficiale del cavo, tubo, etc., come lisciatura, rugosità, melt fracture, shark skin, buccia d’arancia, ecc.
  • scelta degli stampi (tubo, semi-tubo, compressione, semi-compressione, speciali, ecc.);
  • dimensioni della filiera in termini di: lunghezza e angolo del land cilindrico finale, diametro filiera, angolo, DDR-DRB per tubo o semi-tubo, ecc.

Il rigonfiamento alla filiera, come il comportamento elastico del compound deve essere ridotto al fine di ridurre o evitare:

  • opacità e rugosità del cavo;
  • lump o parti di materiale sul cavo dovuto alla rottura della bava.

 

Fig.2 – Bava filiera

 

Il rigonfiamento dipende principalmente dal comportamento viscoelastico dei materiali polimerici; quando il materiale entra in filiera, all’orientamento molecolare si accompagna una sollecitazione perpendicolare alla direzione di scorrimento; all’uscita della filiera questa sollecitazione viene a mancare e il materiale si espande.

Ossia quando maggiore è l’effetto elastico rispetto a quello viscoso, maggiore è l’effetto del rigonfiamento, del die drool, e pressione negativa in uscita filiera che incrementa la formazione della bava.

Facciamo un semplice esempio pratico. Consideriamo due semplici filiere di lunghezze differenti. Nella filiera di lunghezza maggiore si ha un tempo maggiore per sciogliere i nodi delle macromolecole e si ha quindi un minore rigonfiamento dovuto al maggior tempo per rilassarsi ed orientarsi a favore del comportamento viscoso.

La lunghezza e la conformazione del land della filiera, a parità di gradiente di velocità e di taglio, quindi di portata estrusore e a parità di temperatura del fuso, incide su:

  • comportamento elastico e viscoso del compound;
  • pressioni nella camera degli utensili e quindi gradiente di taglio;
  • qualità superficiale del cavo. La qualità dipendente anche da molti altri fattori come il diametro della filiera, conformazione degli stampi, parametri processuali e termodinamici in testa e in estrusore.

Il die drool, lumps sul cavo è legato, in maniera non biunivoca, al rigonfiamento in uscita filiera e la sua formazione dipende da molti altri fattori, di seguito elencati.

 

1. Caratteristiche del compound

Le caratteristiche del polimero processato, in termini della sua formulazione chimica: additivi, peso molecolare, lunghezza delle macromolecole costituenti il polimero base, densità, ecc.

Siccome il die drool si genera nella zona di uscita filiera in cui si crea una pressione negativa e tale pressione funge da driving force per la formazione della bava, che associata alla forma della filiera crea diverse forme di die drool.

Inoltre, maggiore è l’incompatibilità tra il polimero base e gli additivi usati (coloranti, cariche, etc.), maggiore è la volatilità degli stessi e maggiore è la probabilità che si separino dal compound e guidati verso l’esterno filiera, generando la bava.

Allo stesso modo il peso molecolare, la sua distribuzione e le lunghezze delle catene polimeriche influenzano il comportamento viscoelastico (come spiegato precedentemente) e quindi hanno un ruolo sulla bava e rigonfiamento.

 

2. Pressione

La pressione di lavoro incide ovviamente sul comportamento elastico e viscoso del compound. Le pressioni da esaminare possono essere:

  • testa di estrusione o distributore;
  • nella camera utensili;
  • in estrusore.

 

3. Velocità della linea

Un aumento della velocità e conseguentemente la portata estrusore, genera un incremento di pressione e conseguentemente un aumento del “gradiente di taglio” sul compound processato.

I gradienti di taglio e di velocità possono generare, superando determinati valori limite, una superficie irregolare del cavo, la “frattura del fuso” e quindi una superficie non liscia, distorta, che a sua volta facilita la formazione della bava.

 

4. Processo di estrusione e design utensili

Tipologia del processo produttivo: guaina, riempitivo, isolamento, jacketing, etc. e se si adoperano utensili a tubo, semi-tubo invece di compressione o semi-compressione.

 

5. Portata estrusore e RPM vite

I giri vite definiscono univocamente la velocità periferica del compound processato e del gradiente di velocità. La velocità del compound e il gradiente di taglio hanno influenza sul fenomeno della “frattura del fuso” e quindi sulla qualità superficiale del cavo, principalmente per materiali sensibili al gradiente di velocità e di taglio.

La combinazione tra “portata estrusore-RPM vite” e quindi il rapporto dm3/rpm, per molti compound (XLPE, XLPE-FR or HFX, HFFR, ecc.) influenzano:

  • bava alla filiera
  • lump sulla superficie del cavo
  • tempo di permanenza del compound in estrusore e quindi il suo surriscaldamento, eventuale pre-reticolazioni, ecc.

Inoltre, considerando due estrusori che erogano una stessa portata [lit/h], quello che lavora a giri vite inferiori fornisce al compound:

  • maggior comportamento viscoso;
  • minore velocità periferica in estrusore;
  • maggiore tempo di permanenza del polimero in estrusore. Ciò incide sulla qualità del prodotto e conseguentemente definisce i giri vite minimi a cui processare i compound reticolabili al fine di evitare pre-reticolazioni in macchina;
  • minore probabilità di verificarsi della “frattura del fuso”;
  • minore probabilità di creazione di lump sul cavo.

 

6. Temperatura della filiera

Riducendo la temperatura della filiera, per alcuni compound come XLPE-FR, etc., si riduce la formazione della bava, e conseguentemente si riducono altresì i lump (ciò a portata e RPM viti costanti).

La formazione dei lump è anche funzione della portata estrusore, dei suoi giri vite, del profilo termico settato e dalla temperatura del compound all’uscita dell’estrusore.

Inoltre, per alcuni polimeri, come XLPE-FR, XLPE reticolabili con vapore in catenaria (cavi automotive, etc.) un basso profilo termico in estrusore, temperatura filiera bassa e controllata e una temperatura del fuso più bassa, aiutano a ridurre sia i lump su cavo che la bava. Un profilo termico in estrusore troppo basso o troppo basse temperature di melt, possono poi generare altri problemi e inconvenienti sul cavo (bassa adesione sul conduttore, ecc.)

Ovviamente riducendo la temperatura della filiera e/o temperatura del fuso si ha:

  • incremento della pressione di lavoro e conseguentemente un incremento del frizionamento tra polimero e superficie degli stampi (Guidafilo e filiera) e del gradiente di taglio;
  • superficie del cavo più opaca.

 

7. Diametro della filiera per utensili a tubo e semi-tubo

Aumentando il diametro della filiera, mantenendo costanti altri parametri come la portata estrusore, velocità linea, ecc., si incrementa conseguentemente il DDR (Draw Down Ratio).

Un aumento di DDR e quindi della sezione di passaggio del compound, per il principio di continuità e di conservazione della portata, riduce conseguentemente la velocità del compound stesso.

 

Fig.3 – Estrusione FEP – Opacità del cono

 

Ciò riduce il rigonfiamento in quanto il polimero impiega più tempo per attraversare la camera degli utensili, e aumenta il comportamento viscoso del compound a scapito di quello elastico. Un basso valore di DDR può influenzare l’aspetto estetico del cavo agendo sulla opacità o trasparenza della superficie (FEP, ETFE, LLDPE, PP, ecc.).

Un alto valore di DDR agisce invece su:

  • alta trasparenza (FEP, ETFE, LLDPE, etc.);
  • minore opacità superficiale dell’isolamento/guaina;
  • minore gradiente di velocità, quindi a parità di portata estrusore, si ha un minor valore di pressione che genera a sua volta una riduzione del gradiente di taglio; ciò shifta il sorgere del melt fracture a velocità superiori.

Il DDR va ovviamente scelto in base al tipo di compound da processare, alle dimensioni del cavo, spessore di plastica e velocità linea (maggiore è la velocità linea e maggiore potrebbe essere il valore di DDR).

Un valore troppo alto di DDR può generare:

  • cono più lungo;
  • probabile perdita o riduzione di concentricità;
  • maggiore stiramento ed allungamento del polimero.

 

8. Diametro della filiera per compressione e semi-compressione

Una riduzione del diametro della filiera, porta ad un aumento della pressione e quindi velocità del compound sulle pareti della filiera, generando una riduzione del comportamento elastico del polimero. In poche parole, riducendo il diametro filiera rispetto al diametro finale del cavo si riduce la formazione di polveri (ulteriore tipologia di bava) sia in filiera che su cavo, superfici irregolari, etc. Il cavo prodotto risulta così essere più liscio e più lucido (si riduce la bava da polvere).

Considerando un HFFR/LS-0H o alcuni tipi di XLPE, e definendo con C il diametro finale del cavo e con D il diametro della filiera, possiamo scrivere:

D = C – K 0,05 < K* < 0,20mm

  * La lunghezza del land finale della filiera incide sulla scelta del valore K e sull’effetto di rotondità del cavo.

I valori di D e K dipendono in maniera biunivoca da:

  • velocità linea, portata dell’estrusore in produzione, giri vite e di conseguenza la pressione di lavoro;
  • tipologia di polimero e quindi sua conformazione chimica e additivi in esso contenuti;
  • costruzione del conduttore o cavo in ingresso testa di estrusione, dimensione conduttore e finale del cavo;
  • distanza relativa tra guidafilo e filiera e quindi pressione che agisce sul conduttore/cavo, il suo eventuale allungamento, ecc.;
  • adesione del compound sul conduttore/cavo, forza/facilità di spellamento dell’isolamento/guaina, ecc.

Il rigonfiamento e la formazione della bava, e quindi il comportamento viscoelastico del compound, dal punto di vista fisico, dipendono da:

  • proprietà fisiche del polimero (densità, durezza, ecc.) e degli additivi in esso contenuti;
  • viscosità e sua variazione con i parametri reologici (temperatura, pressione, velocità);
  • pressione di lavoro;
  • velocità linea e rapporto portata/RPM;
  • processo di produzione (isolamento, guaina, riempitivo, etc.);
  • portata estrusore in produzione e giri vite;
  • design stampi: dimensioni, forma, angoli e conformazione della camera di passaggio del compound;
  • diametro della filiera per utensili a tubo (DDR), semi-tubo, compressione, semi-compressione, ecc.;
  • temperatura della filiera e del compound in filiera;
  • raffreddamento e ricristallizzazione del compound e quindi il suo comportamento viscoelastico.

La bava, se presente durante la produzione, può essere eliminata fisicamente o ridotta per mezzo di:

  • bruciatore (nel rispetto delle normative di sicurezza). Ciò aumenta anche la lucentezza del cavo;
  • aria compressa multidirezionale attorno la bava (rompendola), utile principalmente per bava polverosa (XLPE non caricati).

Ovviamente la scelta corretta degli stampi e il loro design aiutano sulla riduzione della bava e sulla qualità superficiale del cavo. Per HDPE, HFFR, utensili a semi-tubo di design speciale sono preferibili rispetto agli utensili standard a tubo. Nelle successive pubblicazioni analizzeremo dettagliatamente come scegliere gli stampi più idonei.

 

Fig.4 – Utensili speciali per bassa pressione

 

9. Utensili a tubo, semi-tubo o speciali

Gli stampi/utensili possono essere classificati in:

  • compressione;
  • semi-compressione;
  • tubo;
  • semi-tubo, a singolo o a multi angolo;
  • speciali.

 

Fig.5 – Isolamento in X-ETFE

 

Gli stampi devono essere scelti anche secondo:

  • processo;
  • guaina, isolamento, riempitivo, ecc.;
  • compound da estrudere e adesione del compound su cavo;
  • tipologia di cavo, design del cavo, geometria, ecc.

 Il design degli stampi, la loro scelta, i loro parametri processuali e di calcolo saranno affrontati nei successivi articoli.

 

10. Utensili a tubo

Il diametro della filiera ed il diametro esterno del guidafilo sono definiti in accordo al valore di DDR e DRB desiderato, spessore della punta del guidafilo minima, lunghezza e angolo del land finale. Come abbiamo spiegato precedentemente sia il DDR che il land finale influenzano il comportamento viscoelastico del polimero e la qualità del cavo.

 

Fig.6 – Utensile a semi-tubo a due angoli per XLPE

 

Se si utilizzano stampi a tubo per processare HFFR o XLPE FR, la lunghezza del land finale cilindrico del guidafilo dovrebbe essere inferiore ai 4 mm. Infatti, per molti compound come HFFR, LS 0H, XLPE FR, etc., è preferibile usare utensili a semi-tubo, con guidafilo e senza il land cilindrico finale (maggiori dettagli saranno affrontati nei successivi approfondimenti).

 

11. Utensili a semi-tubo

Il guidafilo, anche con due angoli, non ha il land cilindrico terminale. La filiera può invece avere un land cilindrico finale di dimensioni 0.2 mm – 1.0 mm (anche funzione del compound estruso).

 

Fig.7 – Utensile a semi-tubo per HFFR

 

La conformazione a semi-tubo riduce la lunghezza del cono in uscita filiera e la direzione del flusso di materiale plastico non è parallela alla direzione del cavo, con tutti i vantaggi che ne derivano.

Il guidafilo può essere arretrato rispetto la filiera. In ogni caso la corretta posizione relativa tra guidafilo e la filiera deve essere definita variando la distanza relativa X. Ovviamente, variando la posizione relativa tra guidafilo e filiera, si cambia il valore di DDR e DRB, nonché la lunghezza del cono e l’adesione del polimero sul cavo e quindi l’aspetto superficiale del cavo.

Per molti compounds, questa tipologia di stampi, ovviamente se opportunamente calcolati:

  • aumenta la brillantezza della superficie del cavo (Principalmente per HDPE, LLDPE, etc.);
  • riduce l’effetto “anellatura-vibrazione” su cavo di grandi dimensioni durante guaina in HFFR, LS 0H, etc.;
  • ritarda/riduce la formazione della bava, ecc.
Leave A Comment