Università degli Studi di Napoli
Federico II
Corso di Laurea in Scienza e Ingegneria dei Materiali
Anno Accademico 2003-2004
Laboratorio Integrato di Chimica e Tecnologia dei Materiali
Modulo II
PROCESSO DI ESTRUSIONE
Polipropilene Moplen
Relatori
Farisco Loredana
Lanna Massimo
Mallardo Carolina
Romano Anna
Laboratorio integrato di
Chimica e Tecnologia
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Estrusore
• basamento
• tramoggia di
alimentazione
• cilindro e vite di
plastificazione
• testa di estrusione e
filtro
• riscaldamento del
cilindro
• raffreddamento del
cilindro
• quadro elettrico di
comando motore e di
termoregolazione
Estrusione
1
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Caratteristiche geometriche
• diametro interno del
cilindro di estrusione D1
• diametro interno della
vite D2
• altezza del canale H
( D1= D2 + 2H )
• passo della vite B
• inclinazione del filetto
variabile tra θ1 e θ2
• spessore del filetto e
eventualmente variabile
tra e1 ed e2
Estrusione
2
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Estrusori bivite
• Una delle
differenze
fondamentali tra
estrusore bivite e
monovite consiste
nel tipo di
trasporto che ha
luogo
nell’estrusore
Estrusione
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Descrizione del processo
• Nella zona iniziale il
polimero allo stato
solido viene trasportato
e compresso lungo il
cilindro
• Durante l’avanzamento
del polimero, a causa
delle forze d’attrito e del
riscaldamento esterno, il
polimero fonde
• Infine viene spinto allo
stato fuso verso il foro di
uscita opportunamente
sagomato
Estrusione
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Fasi del processo
Zona di trasporto
del solido o di
alimentazione del
polimero
Zona di
fusione
Estrusione
Zona di trasporto
del fuso o
dosaggio
5
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Zona di alimentazione
Il principio di funzionamento
della zona di trasporto del
solido si basa sull’equilibrio
delle forze di attrito tra
polimero-cilindro e polimero-vite
Zona trasporto del fuso
Tratto finale dell’estrusore in cui
il materiale completamente fuso
e omogeneo viene spinto verso
la trafila con una portata
precisa e costante
Estrusione
Zona di fusione
La fusione del polimero è
dovuta a:
• resistenze elettriche
• incamiciamenti con
fluidi caldi
• dissipazione viscosa
(autoriscaldamento)
All’interno dell’estrusore si
genera un flusso
circolare che favorisce
la fusione
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Moplen (omopolimero dell’1-propene)
Colore: Bianco
Odore: Inodore
Range di temperature di fusione: 160-163°C
Temperatura di combustione: > 400°C
Temperatura di degradazione: > 300°C
Densità a 20°C: 0.89-0.91 g/cm3
Solubilità in acqua: Insolubile
Distribuzione dei pesi molecolari stretta
Buone proprietà barriera ai gas
Estrusione
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Utilizzi
• Filamenti ad alta tenacità
• Fibre
• Idoneo al contatto con gli alimenti (packaging)
• Tubi flessibili
• Guarnizioni
Estrusione
8
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Physical
Nominal Values (SI)
Melt
Mass-Flow
Rate (MFR)
(230°C/2.16 kg)
Heat
Deflection
Temperature
Melt Volume-Flow Rate (MVR) (230°C/2.16 kg)
Mechanical
Test Method
11 g/10 min
ISO 1133
15.0 cm3/10 min
ISO 1133
Nominal Values (SI)
Test Method
Tensile Modulus
1500 MPa
ISO 527-1,-2
Tensile Stress at Yield
35.0 M Pa
ISO 527-1,-2
8.0 %
ISO 527-1,-2
50 %
ISO 527-1,-2
Strain at Yield
Tensile Strain at Break
Melt
Mass-Flow Rate
Thermal
Nominal Values (SI)
Melt Volume-Flow Rate
HDT B (0.45 MPa) Unannealed
85.0 °C
Vicat Softening Temperature
Test Method
ISO 75B-1,-2
ISO 306
(B50 (50°C/h 50N))
90.0 °C
Vicat Softening Temperature
(A50 (50°C/h 10N))
154 °C
Additlonal Properties
Tensile Elongation at Break, ISO 527-2: >50%
Estrusione
9
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Procedimento sperimentale
Parametri fissati:
• temperature alle quali le camicie di riscaldamento
devono portare il cilindro esterno nelle quattro zone
di interesse
• frequenza di rotazione della vite (Rpm)
Grandezze misurate:
• temperatura del polimero all’interno del cilindro
• coppia fornita alla vite rotante dal motore collegato
all’estrusore
• tempo di permanenza del polimero nell’estrusore
Estrusione
10
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Operazioni preliminari
• Si collegano alla macchina due termocoppie che,
affacciate l’una sul fuso attraverso un’apertura nel
corpo del cilindro, l’altra sulla camicia di
riscaldamento, forniscono rispettivamente l’entità
della temperatura del fuso e di quella di controllo
• Si calibra il trasduttore mediante il quale è possibile
controllare la coppia cui è soggetta la vite
• Si fissano le temperature del cilindro esterno, il cui
controllo è assicurato dalle camicie termiche,
ponendole rispettivamente pari a: 130°C, 170°C,
200°C, 200°C
Estrusione
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Esecuzione del processo
• I granuli di polipropilene vengono caricati dalla
tramoggia e spinti dalla vite rotante verso la zona di
uscita; il processo viene effettuato a bocca piena: questo
garantisce una miscelazione ottimale del polimero pur
causando un aumento delle pressioni nel cilindro
• La frequenza di rotazione della vite viene impostata
attraverso una manopola e visualizzata sul monitor del
calcolatore
• I dati su temperature, frequenza di rotazione della vite e
coppia vengono automaticamente rilevati dal calcolatore
in linguaggio macchina e poi trasferirti in linguaggio ascii
in modo da poter essere elaborati mediante un
calcolatore esterno
Estrusione
12
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Analisi dei dati
Regolazione a 60 RPM
120
120
100
100
80
80
Rpm
Fase di
regolazione
della
macchina
Rpm
Regolazione a 20 RPM
60
60
700
6000
6000
5000
5000
4000
4000
Coppia (Ncm)
Coppia (Ncm)
700
650
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Tempo (s)
Tempo (s)
Transitorio
di durata
120 s
650
0
600
0
600
20
550
20
500
40
450
40
3000
3000
2000
2000
1000
1000
0
0
550
500
450
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Tempo (s)
Tempo (s)
COPPIA MEDIA: (2237 ± 116) Ncm COPPIA MEDIA: (3303 ± 228) Ncm
Estrusione
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Regolazione a 20 RPM
120
120
100
100
80
80
Rpm
Rpm
Regolazione a 100 RPM
60
60
40
40
20
20
0
0
1272
1322
1372
1422
1472
1522
1572
1272
1322
1372
1422
1472
1522
1572
Tempo (s)
6000
6000
1222
1172
1122
1072
1022
972
922
872
822
800
750
700
Tempo (s)
5000
5000
4000
Coppia (Ncm)
4000
Coppia (Ncm)
Conclusione
del processo
3000
3000
Diminuzione
della
quantità di
polimero
processata
2000
2000
1000
1000
0
1222
1172
1122
1072
1022
972
922
872
800
750
700
822
0
Tempo (s)
Tempo (s)
COPPIA MEDIA: (4689 ± 332) Ncm COPPIA MEDIA: (2070 ± 180) Ncm
Estrusione
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120
100
Frequenze di
rotazione della
vite di volta in
volta fissate
Rpm
80
60
40
20
0
1600
1550
1500
1450
1400
1350
1300
1250
1200
1150
1100
1050
1000
950
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Tempo (s)
6000
Coppia (Ncm)
4000
3000
2000
1000
0
1600
1550
1500
1450
1400
1350
1300
1250
1200
1150
1100
1050
1000
950
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Andamento
globale della
coppia fornita
dal motore
5000
Tem po (s)
Estrusione
15
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220
210
Temp. fuso, temp. Controllo (°C)
Andamenti della
temperatura del
polimero fuso e
della
temperatura di
controllo
200
190
180
170
160
150
0
200
400
1000
800
600
1200
1400
1600
Tem po (s)
temperatura fuso
Estrusione
temperatura di controllo
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120
100
Rpm
80
L’andamento caratteristico
dei fenomeni termici è
differente dalla “storia della
velocità di rotazione”
60
40
20
0
1600
1550
1500
1450
1400
1350
1300
1250
1200
1150
1100
1050
1000
950
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Tempo (s)
218
216
214
Temperatura fuso (°C)
212
210
208
206
204
202
200
Estrusione
17
1600
1550
1500
1450
1400
1350
1300
1250
1200
1150
1100
1050
1000
950
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Tempo (s)
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5000
4500
4000
Coppia media (Ncm)
Variazione
lineare delle
coppie medie
con la velocità
di rotazione
y = 31x + 1571
R2 = 0,99
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Il processo
avviene a
“bocca piena”
0
20
40
60
80
100
120
Rpm
Estrusione
18