Corso di Laurea in Scienza e Ingegneria dei Materiali Anno Accademico 2003-2004 Laboratorio...
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Corso di Laurea in Scienza e Ingegneria dei MaterialiAnno Accademico 2003-2004Laboratorio Integrato di Chimica e Tecnologia dei MaterialiModulo II
Università degli Studi di NapoliFederico II
RelatoriFarisco LoredanaLanna Massimo
Mallardo CarolinaRomano Anna
PROCESSO DI ESTRUSIONEPolipropilene Moplen
Università degli Studi di Napoli Federico II
Corso di Laurea in Scienza e Ingegneria dei Materiali
Laboratorio integrato di Chimica e
Tecnologia dei Materiali
1Estrusione
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
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Tecnologia dei Materiali
2Estrusione
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
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3Estrusione
Estrusori bivite• Una delle
differenze fondamentali tra estrusore bivite e monovite consiste nel tipo di trasporto che ha luogo nell’estrusore
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4Estrusione
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
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5Estrusione
Fasi del processo
Zona di trasporto del solido o di alimentazione del polimero
Zona di fusione
Zona di trasporto del fuso o dosaggio
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6Estrusione
Tratto finale dell’estrusore in cui il materiale completamente fuso e omogeneo viene spinto verso la trafila con una portata precisa e costante
Il principio di funzionamento della zona di trasporto del solido si basa sull’equilibrio delle forze di attrito tra polimero-cilindro e polimero-vite
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
Zona trasporto del fuso
Zona di fusioneZona di alimentazione
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7Estrusione
Colore: BiancoOdore: InodoreRange di temperature di fusione: 160-163°CTemperatura di combustione: > 400°CTemperatura di degradazione: > 300°CDensità a 20°C: 0.89-0.91 g/cm3Solubilità in acqua: InsolubileDistribuzione dei pesi molecolari strettaBuone proprietà barriera ai gas
Moplen (omopolimero dell’1-propene)
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8Estrusione
Utilizzi• Filamenti ad alta tenacità
• Fibre
• Idoneo al contatto con gli alimenti (packaging)
• Tubi flessibili
• Guarnizioni
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9Estrusione
Physical Nominal Values (SI) Test Method
Melt Mass-Flow Rate (MFR) (230°C/2.16 kg) 11 g/10 min ISO 1133
Melt Volume-Flow Rate (MVR) (230°C/2.16 kg)
15.0 cm3/10 min ISO 1133
Mechanical 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
Strain at Yield 8.0 % ISO 527-1,-2
Tensile Strain at Break 50 % ISO 527-1,-2
Thermal Nominal Values (SI) Test Method
HDT B (0.45 MPa) Unannealed 85.0 °C ISO 75B-1,-2
Vicat Softening Temperature ISO 306
(B50 (50°C/h 50N)) 90.0 °C
(A50 (50°C/h 10N)) 154 °C
Additlonal Properties
Tensile Elongation at Break, ISO 527-2: >50%
Melt Mass-Flow Rate
Melt Volume-Flow Rate
Heat Deflection Temperature
Vicat Softening Temperature
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10Estrusione
Procedimento sperimentale
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
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)
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11Estrusione
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
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12Estrusione
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
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13Estrusione
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Tempo (s)
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Ncm
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Tempo (s)
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600
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700
Tempo (s)
Co
pp
ia (
Ncm
)
Fase di regolazione della macchina
Regolazione a 20 RPM
Transitorio di durata 120 s
COPPIA MEDIA: (2237 ± 116) Ncm
Regolazione a 60 RPM
COPPIA MEDIA: (3303 ± 228) Ncm
Analisi dei dati
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Tecnologia dei Materiali
14Estrusione
0
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750
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Tempo (s)
Rp
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Tempo (s)
Co
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Ncm
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40
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1572
Tempo (s)
Rp
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4000
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822
872
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972
1022
1072
1122
1172
1222
1272
1322
1372
1422
1472
1522
1572
Tempo (s)
Co
pp
ia (
Ncm
)
Regolazione a 100 RPM Regolazione a 20 RPM
COPPIA MEDIA: (4689 ± 332) Ncm COPPIA MEDIA: (2070 ± 180) Ncm
Diminuzione della quantità di polimero processata
Conclusione del processo
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15Estrusione
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6000
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950
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1100
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1200
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1500
1550
1600
Tempo (s)
Co
pp
ia (
Ncm
)
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40
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80
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120
0 50
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00
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11
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13
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15
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Tempo (s)
Rp
m
Andamento globale della coppia fornita dal motore
Frequenze di rotazione della vite di volta in volta fissate
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16Estrusione
150
160
170
180
190
200
210
220
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Tempo (s)
Tem
p. f
uso
, tem
p. C
on
tro
llo (
°C)
temperatura fuso temperatura di controllo
Andamenti della temperatura del polimero fuso e della temperatura di controllo
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17Estrusione
200
202
204
206
208
210
212
214
216
218
0 50
10
0
15
0
20
0
25
0
30
0
35
0
40
0
45
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0
55
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65
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70
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85
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90
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95
0
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00
10
50
11
00
11
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12
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12
50
13
00
13
50
14
00
14
50
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00
15
50
16
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Tempo (s)
Te
mp
era
tura
fu
so
(°C
)
0
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40
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80
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120
0 50
10
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0
20
0
25
0
30
0
35
0
40
0
45
0
50
0
55
0
60
0
65
0
70
0
75
0
80
0
85
0
90
0
95
0
10
00
10
50
11
00
11
50
12
00
12
50
13
00
13
50
14
00
14
50
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00
15
50
16
00
Tempo (s)
Rp
m
L’andamento caratteristico dei fenomeni termici è differente dalla “storia della velocità di rotazione”
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18Estrusione
y = 31x + 1571R2 = 0,99
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0 20 40 60 80 100 120
Rpm
Co
pp
ia m
edia
(N
cm)
Variazione lineare delle coppie medie con la velocità di rotazione
Il processo avviene a “bocca piena”