Scegliere il miglior processo di estrusione per applicazioni di rafia e imballaggi in tessuto

Volker Schöppner | 28 luglio 2017

Negli ultimi anni si sono verificati molti importanti sviluppi nel settore degli imballaggi in rafia e tessuto, tra cui progressi nelle resine, maggiori capacità delle linee di estrusione e miglioramenti nella velocità del processo. Tuttavia, i costi delle materie prime e dell’energia rimangono motivo di preoccupazione. L'uso di riempitivi minerali, come un masterbatch di carbonato di calcio (CCMB), può migliorare la produttività e ridurre i costi.

Uno dei principali dilemmi per le aziende di trasformazione è la scelta dell'attrezzatura adeguata (un estrusore a boccola liscia o scanalata) quando si utilizza un'elevata percentuale di CCMB. Un fattore importante nella scelta dell'estrusore è comprendere l'effetto dell'aggiunta del riempitivo/CCMB a una matrice polimerica, che modifica in modo significativo le proprietà di lavorazione.

Prima di discutere l'effetto dei livelli di dosaggio del CCMB quando si utilizzano estrusori a boccola liscia e scanalata, è importante definire alcuni termini:

L'aggiunta di CCMB influisce anche sulla densità e sulla viscosità della matrice polimerica risultante.

Per riassumere, l'aggiunta di CCMB al polimero influenza la conduttività termica, il calore specifico, la densità e la viscosità della matrice polimerica risultante.

La risultante matrice polimerica di poliolefina e CCMB ha una viscosità ridotta, poiché l'aumento dell'attrito interno delle particelle di CaCO3 nella matrice polimerica aumenta il taglio, riducendo la viscosità del fuso. Le variazioni di viscosità aumentano lo stress di taglio nell'estrusore, che è la base principale della conversione dell'energia meccanica-termica in un estrusore monovite. CaCO3 nel PP accelera il trasferimento di calore e riduce la quantità di energia necessaria per riscaldare o raffreddare la miscela. Pertanto, il calore si diffonderà più velocemente in una matrice polimerica con una percentuale più elevata di CCMB.

Per riassumere, un riempitivo/CCMB più elevato nella matrice polimerica:

Gli estrusori monovite trasportano i pellet polimerici tramite attrito. Il cilindro, in virtù del contatto con i pellet, trascina il materiale sulla coclea contro l'elica, facendo avanzare i pellet. In un estrusore dotato di boccola liscia, i pellet si comportano come cuscinetti a sfera: poiché il contatto tra il cilindro e la superficie del pellet è minimo, si verifica uno slittamento significativo, che fa ribaltare e scivolare i pellet. Poiché il rapporto di compressione è principalmente responsabile del trasporto dei pellet, deve essere mantenuto sul lato più alto. I pellet seguono un percorso elicoidale nella sezione di trasporto dei solidi della coclea a bussola liscia e vengono spinti lungo un'elica della coclea, compiendo un percorso lento e tortuoso.

Inoltre, la pressione nella zona di trasporto dei solidi di un estrusore a boccola liscia è molto bassa. Tipicamente, la pressione sale attraverso la sezione di fusione della vite e raggiunge il punto più alto alla fine della transizione. Pertanto, esiste una limitazione all'accumulo di pressione negli estrusori a boccola liscia.

È noto che aumentando la velocità della vite utilizzando un cilindro con boccola liscia si tende ad aumentare la temperatura di fusione. La sezione di compressione della vite è in gran parte responsabile dell'aumento della temperatura del materiale fuso. Considerando la bassa potenza specifica della macchina a bussola liscia, la temperatura di fusione diventa un limite quando si utilizzano velocità della vite elevate.

In una boccola scanalata, vengono aggiunte più scanalature al foro del fusto sotto la tramoggia e nella zona di trasporto dei solidi. I pellet rimangono intrappolati nelle scanalature e avanzano contro l'elica della vite. Ciò aumenta sostanzialmente il trasporto dei pellet, che avanzano nelle scanalature grazie alla spinta dell'elica della vite. Anche con rapporti di compressione tipicamente bassi, un estrusore a boccola scanalata raggiunge un trasporto specifico del materiale fuso più elevato rispetto a un estrusore a boccola liscia.

Inoltre, la sezione di alimentazione scanalata genera un'elevata pressione di pompaggio a causa dell'aumento della capacità di trasporto. Pertanto, in un estrusore a bussola scanalata, la generazione di pressione non è più una funzione della sezione di dosaggio della vite. La sezione scanalata produce inoltre una grande quantità di calore/energia basata sull'attrito per la fusione, con conseguente intenso raffreddamento dell'acqua e rimozione del calore in eccesso. Questa elevata resa specifica correlata alla velocità della vite aiuta a raggiungere una bassa temperatura di fusione. Di conseguenza, percentuali variabili di masterbatch riempitivi di calcio in diversi polimeri di base [PE o PP o qualsiasi altra resina portante elastomerica] in miscele di PP o HDPE per l'estrusione si traducono in una migliore consistenza del processo e qualità della fusione in uscita utilizzando una boccola di alimentazione scanalata.