Introduzione

Per un tubo UHMWPE, trasformare il polimero in un tubo è solo la prima parte del problema di produzione.

La parte più difficile è mantenere il tubo coerente per tutta la sua lunghezza.

Un tubo può avere il diametro nominale corretto pur presentando variazioni nello spessore della parete, nella densità, nella struttura interna o nello stress residuo. Queste variazioni sono strettamente legate a ciò che accade prima che il materiale raggiunga lo stampo di formatura.

L'UHMWPE rende il problema più complicato perché il suo peso molecolare estremamente elevato gli conferisce una viscosità del fuso molto elevata e una fluidità del fuso molto scarsa. Questo è uno dei motivi per cui l'UHMWPE viene comunemente lavorato mediante stampaggio a compressione o estrusione a pistone anziché trattato come il polietilene convenzionale in un processo di estrusione standard.

Per l'estrusione a pistone, la polvere viene compattata in incrementi successivi e spinta attraverso una filiera riscaldata. Il risultato della produzione dipende non solo dal materiale stesso, ma anche dalla coerenza con cui la polvere viene alimentata, compattata, riscaldata e spostata attraverso il sistema di formatura.

È qui che inizia l'uniformità del muro.

La parete del tubo viene costruita prima di raggiungere lo stampo

È facile supporre che lo stampo di formatura determini lo spessore finale della parete.

Sicuramente la trafila determina il profilo, ma il materiale che entra nella trafila ha già attraversato diverse fasi importanti.

La polvere UHMWPE entra nella macchina e viene progressivamente compattata da un pistone alternativo. Ogni movimento del pistone comprime una porzione di polvere e spinge il materiale consolidato verso la zona di formatura riscaldata. Braskem lo descrive come un successivo impaccamento e movimento della polvere attraverso uno stampo riscaldato, con la sezione interna dello stampo che determina il profilo finale.

Ciò crea una situazione produttiva molto diversa dalla normale estrusione a vite.

Un estrusore PE convenzionale trasporta continuamente un fluido polimerico fuso. Nell'estrusione del pistone UHMWPE, il materiale viene spostato principalmente mediante spostamento positivo e compressione.

Se la carica di polvere è incoerente, anche le condizioni di formatura possono diventare incoerenti.

Il tubo quindi non può essere controllato correttamente guardando solo l'apertura della matrice.

L'imballaggio delle polveri ha un effetto diretto sul processo di formatura

Prima che la polvere UHMWPE diventi una struttura polimerica continua, le particelle di polvere devono essere messe a stretto contatto.

Il grado e l'uniformità della compattazione influenzano il comportamento del materiale durante il successivo riscaldamento e consolidamento.

Una carica di polvere non uniforme può creare differenze locali di densità. Quando il materiale entra nella sezione riscaldata, queste differenze possono influenzare la velocità di consolidamento delle diverse regioni.

Ciò è particolarmente rilevante per i prodotti con pareti spesse-.

Uno spesso tubo UHMWPE non si riscalda istantaneamente attraverso l'intera parete. Il calore deve spostarsi dalle superfici riscaldate verso il materiale all'interno della parete. L'UHMWPE ha anche una conduttività termica relativamente scarsa, quindi la distribuzione della temperatura attraverso la sezione deve essere controllata attentamente durante la lavorazione. La ricerca sulla lavorazione dell'UHMWPE mostra che il comportamento termico del materiale e la limitata mobilità del fuso rendono le condizioni di lavorazione una parte importante della qualità della formatura.

L'obiettivo produttivo quindi non è semplicemente “riscaldare la polvere”.

Lo scopo è raggiungere condizioni termiche sufficienti in tutta la sezione di formatura mantenendo il controllo dimensionale e di pressione.

La temperatura deve essere abbastanza alta - ma non alta a caso

L'UHMWPE non risponde alla temperatura allo stesso modo di un polimero a bassa-viscosità.

Il suo punto di fusione è di circa 155 gradi, ma la fusione completa delle particelle di polvere richiede temperature di lavorazione più elevate e il materiale ha ancora una fluidità estremamente scarsa anche al di sopra del suo punto di fusione.

Questo crea un'importante finestra di elaborazione.

Se la condizione termica è insufficiente, le particelle di polvere potrebbero non consolidarsi adeguatamente.

Se il materiale è esposto a condizioni termiche eccessive o rimane a temperatura elevata per troppo tempo, la degradazione termica diventa un problema. La letteratura sulla lavorazione rileva inoltre che l'UHMWPE ha una scarsa conduttività termica, che può causare un accumulo locale di calore all'interno del materiale.

Per la produzione di tubi, quindi, il problema non è semplicemente la temperatura visualizzata su un regolatore di riscaldamento.

Il materiale stesso deve raggiungere la condizione termica richiesta attraverso la sezione di formatura.

Questo è uno dei motivi per cui lo stampo riscaldato è una parte importante del processo.

Lo stampo riscaldato controlla il tempo di residenza

Lo stampo di formatura fa molto di più che conferire al tubo la sua forma finale.

La sua lunghezza riscaldata determina per quanto tempo il materiale compattato rimane in condizioni termiche controllate prima di lasciare la zona di formatura.

Braskem identifica specificamente la lunghezza della zona riscaldata della matrice, il passo della slitta e la regolarità del movimento della slitta come fattori che influenzano la velocità di produzione.

Considera cosa succede se il movimento del pistone cambia.

Un movimento più veloce modifica la quantità di materiale che passa attraverso la sezione riscaldata per unità di tempo. La storia termica del materiale cambia con esso.

Un movimento più lento fa il contrario.

Ciò significa che la velocità di produzione non può essere separata dal controllo termico. Aumentare la produzione senza considerare la capacità di riscaldamento e la lunghezza dello stampo può disturbare le condizioni richieste per un consolidamento coerente.

Per questo motivo, la produzione di tubi UHMWPE è un processo coordinato piuttosto che una semplice operazione "polvere dentro, tubo fuori".

Il movimento del pistone può creare pulsazioni del processo

C’è un’altra caratteristica che è facile trascurare.

Un sistema di estrusione a pistone utilizza il movimento alternativo anziché la rotazione continua della vite.

Il pistone avanza, compatta la polvere e spinge in avanti il ​​materiale. Ritorna quindi per il successivo ciclo di carica e compattazione.

Ciò significa che il processo contiene un movimento ciclico intrinseco.

La ricerca sull'estrusione del pistone UHMWPE rileva che l'alimentazione e la compattazione intermittenti rendono il processo tecnicamente quasi-continuo e che l'azione ciclica di stampaggio può contribuire alle tensioni residue nel prodotto estruso. Sono stati sviluppati sistemi a stantuffi multipli-per ridurre le pulsazioni e avvicinare il processo al funzionamento continuo.

Per la produzione di tubi è quindi importante mantenere un movimento stabile del pistone.

Se il movimento è irregolare, anche le condizioni di pressione e di consegna del materiale possono variare.

L’obiettivo non è semplicemente generare forza sufficiente. La forza deve essere applicata ripetutamente e in modo coerente.

La geometria della matrice determina il profilo finale del tubo

Una volta che il materiale è stato sufficientemente consolidato e riscaldato, passa attraverso la matrice di formatura.

La sezione interna della matrice stabilisce la geometria tubolare. Nella produzione di tubi, ciò include il rapporto tra diametro esterno, diametro interno e spessore della parete.

Una modifica nella geometria di formatura modifica la distribuzione del materiale attorno al tubo.

Per questo motivo, il design dello stampo deve essere considerato insieme al materiale che lo contiene. Una trafila teoricamente corretta non può compensare un'alimentazione instabile della polvere o una compattazione incoerente a monte.

Lo stampo deve inoltre resistere a notevoli carichi meccanici. Il pistone deve superare la resistenza creata dal materiale UHMWPE altamente viscoso e l'attrito associato al processo di formatura. Braskem identifica la potenza idraulica e la resistenza meccanica dei componenti dell'estrusore tra i fattori che influenzano la produttività e la qualità del prodotto.

Il raffreddamento può modificare le dimensioni finali

Il tubo non smette di cambiare non appena lascia la trafila riscaldata.

Il raffreddamento provoca la contrazione e la stabilizzazione della struttura polimerica.

Per una sezione tubolare, la superficie esterna e la superficie interna potrebbero non presentare esattamente la stessa storia termica. La velocità di raffreddamento influenza quindi la stabilità dimensionale e le tensioni residue.

Ciò diventa più significativo man mano che aumentano le dimensioni del tubo e lo spessore delle pareti.

Lo scopo del raffreddamento non è semplicemente quello di far raffreddare il tubo il più rapidamente possibile. Serve a portare il profilo formato in una condizione dimensionale stabile senza creare inutili differenze termiche attraverso la parete.

Questo è anche il motivo per cui le apparecchiature di raffreddamento e formatura a valle sono considerate parte dello stesso sistema di estrusione a pistone UHMWPE.

Perché lo spessore della parete non è controllato da un numero

Quando gli acquirenti specificano un tubo UHMWPE, lo spessore della parete viene normalmente indicato come requisito dimensionale.

Durante la produzione, tuttavia, il mantenimento dello spessore della parete dipende da diverse condizioni di processo che interagiscono.

Questo è il motivo per cui lo spessore della parete non dovrebbe essere visto come qualcosa che viene "creato solo dallo stampo".

Lo stampo definisce la geometria, ma la stabilità dell'intero processo di formatura determina la coerenza con cui tale geometria viene riprodotta.

Cosa succede se il processo è instabile?

L'instabilità del processo non produce necessariamente immediatamente un difetto evidente.

Un tubo può ancora apparire liscio dall'esterno.

Tuttavia, una lavorazione incoerente può influenzare l’uniformità dimensionale, il consolidamento interno e le tensioni residue. La ricerca sull'estrusione del pistone identifica specificamente lo stress residuo come una conseguenza del processo di compressione intermittente, con la ricottura utilizzata in alcuni prodotti di estrusione per ridurre tali stress.

Ciò è particolarmente importante per i tubi UHMWPE perché il materiale è selezionato per servizi impegnativi come il trasporto di liquami abrasivi.

La parete del tubo deve mantenere la sua integrità strutturale mentre la superficie interna è esposta all'impatto continuo delle particelle e all'usura da scorrimento.

La coerenza produttiva è quindi collegata alla prestazione del servizio. L'eccellente resistenza all'usura dell'UHMWPE non può compensare la scarsa qualità della formatura.

Come i produttori monitorano il processo

Una linea di produzione stabile necessita di punti di controllo durante tutto il processo di formatura piuttosto che solo di un controllo dimensionale finale.

La polvere grezza necessita di un'alimentazione costante. La fase di compattazione richiede un movimento stabile del pistone. L'impianto di riscaldamento necessita di capacità sufficiente e condizioni termiche stabili. Lo stampo di formatura deve mantenere la sua geometria sotto carico meccanico. Il raffreddamento deve stabilizzare il profilo finito.

Il tubo finale può quindi essere controllato per quanto riguarda i requisiti dimensionali e altre caratteristiche di qualità specificate.

Questo approccio è più utile che fare affidamento su una singola misurazione finale.

Se si riscontra che un tubo presenta una deviazione dimensionale, la comprensione della sequenza completa di formatura consente di indagare se il problema ha avuto origine nell'alimentazione della polvere, nella compattazione, nel riscaldamento, nelle condizioni dello stampo o nel raffreddamento.

Conclusione

La produzione di tubi UHMWPE non è semplicemente una questione di riscaldamento della polvere polimerica e di forzatura attraverso uno stampo.

La parte difficile è mantenere un ambiente di formatura stabile mentre un materiale con un peso molecolare estremamente elevato e una fluidità del fuso molto scarsa viene compattato, riscaldato, consolidato e modellato.

Nell'estrusione del pistone, il confezionamento della polvere, il movimento del pistone, la lunghezza della matrice riscaldata, le condizioni termiche, la geometria della matrice e il raffreddamento contribuiscono tutti alla struttura finale del tubo.

Ecco perché il controllo della qualità delle pareti dei tubi UHMWPE inizia ben prima che il materiale raggiunga lo stampo di formatura finale.

Per un produttore di tubi da miniera, la vera sfida produttiva non è solo produrre un tubo UHMWPE con le giuste dimensioni. Produce tali dimensioni in modo coerente da una sezione del tubo a quella successiva, preservando al tempo stesso la struttura polimerica consolidata che conferisce all'UHMWPE resistenza all'abrasione e tenacità.

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