Processing dei polimeri .1 Estrusione

L’estrusione è la più importante tecnica di processing dei polimeri, sia a livello industriale che di laboratorio. Essa viene realizzata alimentando da una tramoggia dei

pellets di polimero direttamente lungo il profilo di una o, a seconda del tipo di estrusore,

due viti di acciaio, in rotazione all’interno di una camera cilindrica. Grazie alla possibilità di impostare un profilo di temperatura della vite e grazie al fatto che la camera rimane fissa mentre le vite ruota, si generano l’attrito, la pressione e il calore necessari a fondere il materiale e favorire il suo mescolamento omogeneo. La camera e il profilo della vite sono realizzati in modo da garantire un flusso distribuito in corrispondenza dello stampo di uscita. Quest’ultimo è una elemento metallico dotato di un’apertura realizzata in modo tale che la plastica estrusa, fuoriuscendo dalla testa dell’estrusore, formi uno spaghetto con una sezione trasversale che ne ricalchi la forma. Il prodotto ottenuto dallo stampo di uscita viene, poi, solidificato rapidamente. In base alla tipologia del prodotto finale, questa soluzione può essere ottenuta tramite immersione in acqua, raffreddamento ad aria o contatto con rulli di raffreddamento. Una volta solidificato il materiale può essere filato o tagliato in pezzi di lunghezza definita in base alla tipologia di utilizzo finale. Elemento fondamentale del sistema di estrusione è la vite, che assolve contemporaneamente più funzioni. In relazione al profilo che la contraddistingue, essa può essere, in genere, suddivisa in tre distinte zone: sezione di alimentazione, sezione di compressione e sezione di laminazione.

Nella sezione di alimentazione il polimero è ancora solido e viene semplicemente trasportato verso la successiva zona di compressione e fusione: in questo settore grazie alla sinergia delle resistenze elettriche e degli sforzi meccanici sviluppati sul polimero dal moto della vite, il materiale plastico giunge gradualmente a fusione. Una volta completamente fuso, il polimero viene trasportato e lavorato attraverso la zona di laminazione o di trasporto fluido. Quest’ultimo settore è di fondamentale importanza per ottenere un’intima miscelazione ed omogeneizzazione del polimero. Al fine di conseguire buoni esiti nella miscelazione di componenti diversi è necessario modulare opportunamente la filettatura della vite in base ai materiali utilizzati, introducendo sezioni con profili di tipo diverso, in grado di essere più o meno aggressive nella trasmissione delle sollecitazioni. Una geometria della vite che favorisce la miscelazione e la trasmissione di elevati sforzi di taglio è quella sinistrorsa: il polimero fuso tende ad essere rimandato a monte del settore considerato (controcorrente), mentre il suo flusso netto verso la filiera avviene attraverso la luce presente tra cilindro e filetto della vite.

5.1.1.1 L’estrusore bivite co-rotante intermeshing

Per lo scopo previsto dal presente lavoro di tesi, il tipo di estrusore più adatto è il bivite co-rotante intermeshing, il più impiegato industrialmente fra gli estrusori bivite, assieme al contro-rotante intermeshing. In sistemi a vite co-rotante il materiale sviluppa un percorso ad otto attorno alle viti stesse permettendo un elevato e continuo contatto con le pareti del cilindro, rendendo efficiente il riscaldamento per via termica. In sistemi a vite contro-rotante, invece, il materiale tende ad accumularsi nelle due zone di contatto, sopra e sotto, tra le viti stesse. Tali ammassi vengono fatti avanzare lungo la vite per mezzo dell’azione delle ali di filettatura. Nella parte fra le due viti si ottengono valori di sforzo meccanico agenti sul materiale molto elevati, ma che non interessano tutto il materiale accumulatosi. L’effetto complessivo dello sforzo di taglio è pertanto inferiore agli estrusori bivite contro-rotanti e simile ai monovite: buona parte del materiale non subisce nessuna azione meccanica e viene solo trasportato alla fine dell’estrusore. Un’ulteriore differenza tra estrusore bivite co-rotante e contro-rotante risiede nel tempo di residenza del polimero all’interno del sistema: il co-rotante è caratterizzato da una certa distribuzione di questo tempo di residenza, con code più lunghe e altre più corte. Questo allo stesso tempo è un bene in quanto si raggiunge un’ottima miscelazione (caratteristica adatta per la realizzazione di blend), ma è anche negativa se il polimero è termolabile e quindi degrada, poiché il fenomeno viene facilitato dalla presenza di elevati sforzi di taglio. Esistono diverse tipologie di estrusori, ognuna delle quali si differenzia per numero, senso di rotazione e geometria delle viti.

Figura 5.2 – Classificazione delle diverse tipologie di estrusori per la lavorazione dei polimeri

Le viti si differenziano tra loro in base alla geometria del loro profilo sia trasversale che longitudinale; i parametri geometrici caratterizzanti di una vite sono rappresentati graficamente di seguito.

Figura 5.3 – Parametri caratteristici della vite di un estrusore

Un parametro assai importante che caratterizza la vite di un estrusore è il numero di diametri (L/D), ovvero il rapporto tra la lunghezza totale della vite L, e il suo diametro esterno D₁; questo parametro è una misura indicativa della capacità di lavorare e miscelare il materiale, inoltre fornisce anche informazioni sull’energia necessaria per la rotazione della vite (amperaggio): alti valori del rapporto indicano normalmente buone

caratteristiche di miscelazione e buone capacità di fusione, spesso però associate ad alti valori di energia assorbita dalla macchina.

Figura 5.4 – Estrusore bivite co-rotante intermeshing Collin

Altro fattore importante in un sistema di estrusione è il rapporto di compressione HD/HM

fra la profondità del canale della zona iniziale di alimentazione e quella nella zona finale di laminazione o trasporto fluido.