Fluoropolimeri: tecnologia e processo

Le resine fluoropolimeriche o fluorocarboniche sono materiali speciali per applicazioni speciali dove sono richieste performance particolarmente elevate in termini di temperatura di lavoro, proprietà elettriche, resistenza chimica.

Il fluoropolimero può essere scelto a seconda del campo di applicazione e delle proprietà richieste. Può essere:

  1. parzialmente o totalmente fluorurato;
  2. omo-polimero o co-polimero;
  3. termoplastica o reticolabile.

Qualche esempio:

  1. FEP (Propilene Etilene Fluorurato);
  2. PVDF (Polivinildiene Fluoruro o Polivinilidene Difluoruro);
  3. ETFE (Etilene Tetrafluoro Etilene);
  4. PFA (Perfluoro Alkoxy);
  5. MFA (Tetrafluoroetilene Etere Vinilico Perfluorometilico);
  6. X-ETFE (ETFE reticolabile);
  7. PTFE (Politetrafluoro Etilene);
  8. PCTFE (Policlorotrifluoro Etilene);
  9. ECTFE (Etilene Clorotrifluoro Etilene).
PROPRIETA’ UNITA’ FEP PFA ECTFE ETFE PVDF
Melting point °C 260-280 300-312 240-245 245-250 168-178
Gravità specifica g/cm^3 2,13-2,15 2,12-2,17 1,67-1,69 1,7-1,8 1,74-1,78
Durezza Shore D 55-60 55-60 75 75 78
Limiting Oxigen Index LOI % 95 95 50-65 30-35 41-65

Tutti i compound fluoropolimeri sono altamente corrosivi. Per processare tali resine è necessario quindi usare materiali resistenti alla corrosione per tutti i componenti come teste di estrusione, stampi ecc. che entrano in contatto con il compound fuso. Devono essere usate leghe a base nickel quali Hastelloy®, Inconel®, Monel® and Xaloy®.

Segue una breve illustrazione dei principali fluoropolimeri usati. Per ulteriori informazioni di processo lo staff tecnico di Eurotek è a disposizione.

Alcune importanti raccomandazioni per gli operatori

  1. Prestare attenzione a non respirare i fumi emessi durante il processo di estrusione dei fluorurati.
  2. Indossare maschere di sicurezza appropriate durante tutto il tempo dell’estrusione.
  3. Indossare occhiali di sicurezza e guanti resistenti ad alte temperature.
  4. Collocare sistemi di aspirazione di fumo vicino alla testa di estrusione.

FEP

E’ un copolimero, trasparente e semi-cristallino, di esafluoropropilene e tetrafluoroetilene. E’ noto per l’eccellente resistenza chimica, eccellenti proprietà elettriche e per l’elevata temperatura di servizio fino a +200 °C, così come un’eccellente resistenza a fiamma.

Seguono alcune caratteristiche principali:

  1. temperatura di fusione più bassa rispetto al PTFE (+260 °C circa);
  2. trasparenza;
  3. costante dielettrica bassa (isolante);
  4. chimicamente inerte;
  5. coefficiente di frizione molto basso;
  6. proprietà antistatiche;
  7. resistente ai raggi UV (non invecchia);
  8. non igroscopico (assorbimento d’acqua < 0,01%);
  9. temperatura di servizio compresa tra -200 °C e +205 °C.

FEP e PFA sono trasparenti e hanno proprietà meccaniche migliori rispetto al PTFE, che risulta traslucido.

Fig. 1 – Nuovo convogliatore per tecnopolimeri

PFA

Perfluoro Alkoxy è una resina semi-cristallina, un fluoropolimero termoplastico trasparente progettata specificamente per alte temperature di servizio e combina molte delle proprietà di ETFE e FEP. E’ copolimero di tetrafluoroetilene (C2F4) e Perfluoroethers (PerfluorAlkylvinylether). La temperatura di servizio è compresa tra -200 °C e +260 °C. La temperatura di fusione del PFA è compresa tra +300 °C e +312 °C.

Il profilo della temperatura dell’estrusore, della testa e degli stampi dev’essere scelto in base alla dimensione dell’estrusore, dell’output massimo e dei giri-vite per evitare velocità di taglio critiche. La velocità massima della linea e i massimi giri-vite dell’estrusore dipendono da:

  1. aspetto della superficie;
  2. effetto melt fracture o draw resonance;
    dimensionamento, forma e temperatura degli stampi.
  3. con gli stampi a tubo la melt fracture appare prima sulla superficie interna del cono.

Al fine di ridurre i fenomeni sopra descritti o di shiftare sia l’avvenimento di tali fenomeni sia più alti giri vite, si può procedere così:

  1. riscaldare il porta-guidafilo o il convogliatore;
  2. incrementare la temperatura della filiera;
  3. incrementare il DDR per ridurre la velocità del materiale attraverso gli stampi: un DDR troppo alto può generare un effetto drop oltre a perdita di concentricità e rotture del cono durante partenza e ciclo di produzione.

GENERAL PROCESSING

Le resine fluorocarboniche devono essere processate usando attrezzature resistenti alla corrosione.

L’estrusore dev’essere realizzato con cilindro bimetallico e vite in Hastelloy®.

L’Hastelloy® è più morbido dell’acciaio e per questa ragione potrebbe danneggiarsi facilmente. Tutte le operazioni, dalla manutenzione alla pulizia al settaggio, devono quindi essere condotte esclusivamente con utensili o spazzole in ottone.

Utensili o spazzole in acciaio non devono essere usate. La testa dev’essere equipaggiata con portafiltro aperto e senza filtri. Tutti i componenti della testa devono poter raggiungere temperature fino a 450 °C, mantenendola durante il processo di estrusione.

Il sistema di riscaldamento dev’essere potente e efficiente per raggiungere il profilo termico il più rapidamente possibile. Per questa ragione, la testa di estrusione dev’essere progettata per ridurre la perdita di calore.

I fluoropolimeri sono sensibili alla velocità di taglio. La velocità massima della linea e i massimi giri-vite dell’estrusore dipendono da:

  1. aspetto della superficie;
  2. effetto melt fracture o draw resonance;
  3. dimensionamento, forma e temperatura degli stampi.

Con gli stampi a tubo la melt fracture appare prima sulla superficie interna del cono.

L’aspetto della superficie e la trasparenza dipendono da:

  1. velocità di taglio e gradiente di velocità (giri vite, canali del convogliatore);
  2. output del flusso del convogliatore;
  3. temperatura del fuso;
  4. temperatura della filiera;
  5. tipo di stampi usati;
  6. valore DDR degli stampi a tubo.

 
Aumentando il gradiente di velocità con lo stesso gradiente di flusso del convogliatore la superficie del cavo diventa opaca, riducendo la sua trasparenza.

Il convogliatore dev’essere progettato sia per tenere il gradiente in un range di processo ammissibile, sia per garantire un’alta conicità, fino a 60°. L’incremento della conicità, in base alla dimensione degli stampi usati, aumenta conseguentemente il diametro nominale e riduce la velocità di ingresso del compound.

L’angolo alto cresce, in base alle appropriate dimensioni, alla concentricità del cavo e all’estrazione del distributore. Il convogliatore può essere riscaldato tramite resistenza e propria termoregolazione.

Devono essere usati stampi a tubo. Il DDR dev’essere scelto fino a 210 e il DRB dev’essere compreso tra 0,96 a 1,08, in ogni caso in base a:

  1. tipo di materiale e suo MFI;
  2. velocità della linea;
  3. dimensione del cavo e spessore della plastica;
  4. aspetto richiesto della superficie.

Un alto valore DDR è preferibile per alte velocità di produzione, piccoli diametri di cavo, spessore fine. Incrementando lo spessore e la dimensione del cavo, il DDR si può ridurre per evitare l’effetto drop all’uscita dalla filiera. Questo effetto agisce negativamente sulla concentricità del cavo e sulla distribuzione dello spessore.

Un basso valore DDR, con diametro di cavo e spessore della plastica costanti, potrebbe creare imperfezioni sull’isolamento (vuoto, fratture, bolle, ecc.). Allo stesso modo, questo basso valore incrementa l’opacità della superficie del cavo, a spese della trasparenza.

Per incrementare la trasparenza della superficie, queste sono le caratteristiche:

  1. dev’essere usato un elevato DDR;
  2. alta temperatura del melt;
  3. alta temperatura della filiera;
  4. bassi giri-vite.

Non appena il cavo esce dalla testa, esso dev’essere raffreddato tramite aria, senza usare acqua. Dopo 2/6 metri il cavo può essere raffreddato con acqua, prima calda (fino a 70/80 °C) e poi fredda. Il cavo dovrebbe essere pulito e riscaldato prima di entrare nella testa di estrusione. La temperatura dipende dalla velocità della linea e dalla conformazione del cavo.

Dopo aver processato FEP e PFA, la testa dev’essere pulita quando ancora calda (profilo termico di servizio).

Fig. 2 – Nuovo convogliatore per fluoropolimeri

PROCEDURA DI PULIZIA

Dopo la lavorazione con FEP e PFA, la pulizia dev’essere fatta:

  1. con strumenti in ottone;
  2. con aria compressa. Normalmente, la sola aria compressa è sufficiente per pulire facilmente la testa, il convogliatore, gli stampi e le viti all’estrusore.

Per la pulizia di X-ETFE, PEEK, Siloxane-copolimero di polieterimide o altri tipi di polimeri ad alta temperatura, si può procedere come segue:

  1. applicare adeguato materiale per la pulizia, prima di stoppare l’estrusore per la pulizia;
  2. usare FEP (tipo 100 N o simili) come materiale di pulizia. Successivamente, pulire tutto tramite aria compressa come prima descritto.

Per ogni ulteriore informazione e per supporto lo staff di Eurotek è disponibile.

Fig. 3 – Attrezzature in ottone

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