Tutto quello che avresti sempre voluto sapere sul raffreddamento per estrusione

Allan Griff | 12 gennaio 2023

La rubrica sull'estrusione di questo mese riguarda il freddo, adatta a gennaio. Spesso nell'estrusione fa freddo e umido, il che quest'anno è ancora più appropriato.

Per fare in modo che un materiale termoplastico si ammorbidisca abbastanza da poter essere estruso, deve essere riscaldato: il materiale termoplastico è termoplastico. Prima di andare oltre, chiariamo due cose.

Primo,il calore è una forma di energia , quindi può essere contato e misurato. L'energia ha molte forme, ma non appare né scompare. Nessuna magia. Può essere misurato in calorie: il calore che aumenta di 1°C un grammo di acqua. Si tratta di una quantità minima, quindi è comune utilizzare lettere maiuscole: calorie (Cal) o calorie (Kal o Kcal) per rappresentare 1000 piccole calorie. Se usi i joule: 4,2 joule = 1 caloria.

I numeri sono noti da molto tempo, ma a volte vengono ignorati o evitati laddove il conteggio non è gradito. Lo stesso vale per chi non vuole contare le calorie degli alimenti, il che non è scientifico ma permette altri piaceri del mangiare, come il gusto e la “libertà” di seguire impulsi e immagini, del tipo “Se è verde, fa bene”. "

Anche noi scienziati possiamo goderci il cibo, anche se contiamo le calorie: 9 Kcal/grammo di grassi o oli e 4 Kcal/grammo di proteine ​​e carboidrati (amidi, zuccheri), se digeriti e disponibili. Sì, i grassi sono nutrienti come fonti di energia e le proteine ​​sono uguali agli amidi e agli zuccheri, ma l’immagine pubblica dice il contrario. Anche l’acqua – l’80% per la carne e una variabile nelle verdure – fa bene ma non è una fonte di energia. Quindi non conta. Internet e le etichette degli alimenti sono pieni di queste informazioni, ma ricorda che sono al grammo, quindi quanto mangi è importante. Circa 30 grammi = un'oncia e 454 grammi = 1 libbra, quindi non lasciarti fermare dai grammi.

Il secondo elemento da chiarire èscale di temperatura . Dobbiamo parlare sia C che F e, se disponiamo di un indicatore o di un punto dati, sapere quali sono le unità. È semplice: 5°C = 9°F e 0°C sono 32°F (l'acqua si congela in ghiaccio, stesse molecole ma struttura organizzata). Fahrenheit (F) ha inventato il termometro nel 1717, ma Celsius (C) ha basato la scala sul congelamento e sull'ebollizione dell'acqua nelle zone costiere della Svezia, come negli Stati Uniti a livello del mare (varia con l'altitudine, ma lui non lo sapeva).

Torniamo alla plastica. Per comprendere il raffreddamento, dobbiamo comprendere il riscaldamento. Non esiste il freddo: il raffreddamento significa rimozione di energia. Sono necessarie circa 138 Kcal (0,16 kWh) per riscaldare 2,2 libbre (1 chilogrammo) di polietilene a bassa densità (LDPE) da una temperatura ambiente di 73 ° F (25 ° C) a una temperatura di estrusione di 410 ° F (210 ° C ). Si tratta di circa 0,61 Kcal per libbra. Questi numeri sono ideali, ma nel mondo reale ci sono perdite reali; se non ho altre informazioni, presumo che sia necessario il doppio di questo. Di solito è ancora troppo poco per preoccuparsi dei costi, ma non del surriscaldamento.

La maggior parte di questa energia proviene dal motore che supera l'attrito per spostare la vite in avanti nella massa fusa appiccicosa. Alcuni provengono da riscaldatori per stampi e anche da riscaldatori a cilindro per materie plastiche ad alta temperatura come PET e nylon. Questi numeri includono sia l'aumento della temperatura che la rottura della cristallinità, che è circa il 40% per l'LDPE.

È difficile trovare dati del genere anche su Internet. Io uso Rao & O'Brien (Hanser, 1998) e gli scienziati dei polimeri conosceranno altre fonti, ma gli estrusori non se ne preoccupano molto, poiché la maggior parte dei macchinari può aggiungere calore più che sufficiente. Ciò porta però a un malinteso comune, secondo cui la maggior parte del calore proviene dai riscaldatori a botte, perché quelle sono le temperature che regoliamo sia con i riscaldatori che con il raffreddamento ad aria o ad acqua.

Ma l’importanza del calore del cilindro è vera solo per macchine molto piccole, o per qualsiasi macchina che funziona lentamente, alcuni rivestimenti per estrusione, alcuni gemelli e polimeri ad alta temperatura, come notato sopra. I riscaldatori sono necessari per l'avvio e utili per mantenere le cose stabili, ma di solito non sono una delle principali fonti di calore. La temperatura della canna posteriore è fondamentale per un altro motivo: controlla lo scivolamento del pellet sulle pareti della canna nella prima zona e, quindi, controlla la velocità di entrata/uscita.

Gli estrusori a cilindro scanalato rappresentano un caso speciale importante, spesso utilizzato per PE ad alta densità (HD). Se ne hai uno, scopri di più su come funziona. La prima zona è raffreddata ad acqua per evitare che si attacchi e si sciolga. Anche con le canne semplici, potrebbe esserci un raffreddamento per evitare che si incolli nei passaggi di ingresso dell'alimentazione, ma a meno che non siano presenti scanalature, questo raramente viene controllato attentamente.