Corso di Laurea in Scienza e Ingegneria dei Materiali Anno Accademico 2003-2004 Laboratorio Integrato di Chimica e Tecnologia dei Materiali Modulo II Università

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





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





3Estrusione

Estrusori bivite• Una delle

differenze fondamentali tra estrusore bivite e monovite consiste nel tipo di trasporto che ha luogo nell’estrusore





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





5Estrusione

Fasi del processo

Zona di trasporto del solido o di alimentazione del polimero

Zona di fusione

Zona di trasporto del fuso o dosaggio





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





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)





8Estrusione

Utilizzi• Filamenti ad alta tenacità

• Fibre

• Idoneo al contatto con gli alimenti (packaging)

• Tubi flessibili

• Guarnizioni





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





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)





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





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





13Estrusione

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100

150

200

250

300

350

400

450

Tempo (s)

Rp

m

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 50 100

150

200

250

300

350

400

450

Tempo (s)

Co

pp

ia (

Ncm

)

0

20

40

60

80

100

120

450

500

550

600

650

700

Tempo (s)

Rp

m

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

450

500

550

600

650

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





14Estrusione

0

20

40

60

80

100

120

700

750

800

Tempo (s)

Rp

m

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

700

750

800

Tempo (s)

Co

pp

ia (

Ncm

)

0

20

40

60

80

100

120

822

872

922

972

1022

1072

1122

1172

1222

1272

1322

1372

1422

1472

1522

1572

Tempo (s)

Rp

m

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

822

872

922

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





15Estrusione

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

1350

1400

1450

1500

1550

1600

Tempo (s)

Co

pp

ia (

Ncm

)

0

20

40

60

80

100

120

0 50

10

0

15

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

15

00

15

50

16

00

Tempo (s)

Rp

m

Andamento globale della coppia fornita dal motore

Frequenze di rotazione della vite di volta in volta fissate





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





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

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

15

00

15

50

16

00

Tempo (s)

Te

mp

era

tura

fu

so

(°C

)

0

20

40

60

80

100

120

0 50

10

0

15

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

15

00

15

50

16

00

Tempo (s)

Rp

m

L’andamento caratteristico dei fenomeni termici è differente dalla “storia della velocità di rotazione”





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”

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