Introduzione
La polvere UHMWPE non si comporta come il normale polietilene durante la lavorazione.
Il suo peso molecolare estremamente elevato gli conferisce una viscosità del fuso molto elevata, che è uno dei motivi principali per cui l'estrusione del fuso convenzionale non può essere semplicemente applicata all'UHMWPE.
Per l'estrusione tradizionale, il materiale inizia come polvere. La polvere viene progressivamente compattata, riscaldata e consolidata, quindi spinta attraverso uno stampo di formatura riscaldato.
La parte importante è ciò che accade tra la polvere sciolta e il tubo formato.
La polvere viene prima compattata
La polvere UHMWPE che entra nell'apparecchiatura non è ancora un materiale per tubi denso.
Ci sono spazi tra le singole particelle e la polvere deve prima essere riunita.
In un sistema di estrusione a pistone, il pistone applica una pressione meccanica alla carica di polvere.
La pressione riduce la struttura allentata e aumenta il contatto tra le particelle.
Questo non è un dettaglio da poco. Il processo di formatura dipende dalla conversione della polvere sfusa in un materiale sufficientemente consolidato prima che raggiunga la sezione finale di formatura.
Il riscaldamento non significa un normale flusso di fusione
È qui che la lavorazione dell'UHMWPE differisce dall'estrusione convenzionale del polietilene.
Con i normali materiali termoplastici, è comune pensare che i pellet vengano riscaldati fino a formare una fusione fluida e quindi spinti attraverso una vite e una matrice.
UHMWPE è diverso.
A causa del suo peso molecolare estremamente elevato e della sua viscosità del fuso molto elevata, l'estrusione tradizionale del pistone UHMWPE si basa sulla compressione e sulla sinterizzazione/consolidamento anziché trattare il materiale come un fuso a bassa-viscosità che scorre liberamente.
La polvere viene riscaldata mentre è sotto pressione.
All’aumentare della temperatura, le particelle diventano capaci di consolidarsi in una struttura materiale continua.
Questo è il cambiamento importante che avviene durante la plastificazione.
Cosa fa realmente l'Ariete
L'ariete svolge due compiti importanti in questo processo.
Innanzitutto, compatta la polvere.
In secondo luogo, fa avanzare il materiale consolidato verso e attraverso lo stampo di formatura.
Il movimento non è equivalente a quello di una coclea convenzionale che trasporta in continuo un polimero fuso.
Le descrizioni pubblicate dell'estrusione del pistone UHMWPE descrivono specificamente la polvere che viene confezionata in incrementi successivi e spinta attraverso uno stampo riscaldato.
Il processo viene quindi spesso descritto come un processo continuo di compressione e sinterizzazione, sebbene l'alimentazione della polvere e il movimento del pistone possano essere intermittenti.
Il consolidamento della polvere avviene sotto calore e pressione
Le due condizioni non possono essere separate facilmente.
La pressione porta le particelle a stretto contatto.
Il calore consente alle particelle del polimero di consolidarsi.
Man mano che il materiale si muove attraverso la sezione riscaldata, le singole particelle di polvere perdono progressivamente la loro struttura sciolta-originale e diventano parte di un corpo continuo in UHMWPE.
Il materiale in uscita dalla trafila è quindi molto diverso dalla polvere entrata nella macchina.
Questo è il motivo per cui la lavorazione delle polveri UHMWPE viene spesso descritta utilizzando termini come consolidamento e sinterizzazione anziché semplicemente "fusione".
Perché il processo è sensibile alla stabilità
Il processo di estrusione del pistone viene ripetuto continuamente.
Entra una nuova quantità di polvere.
La polvere è compattata.
Il materiale viene riscaldato e consolidato.
Il materiale consolidato viene fatto avanzare attraverso la sezione di formatura.
Questo ciclo deve rimanere stabile.
Se cambia la quantità di polvere introdotta, cambia la quantità di materiale disponibile per la formatura.
Se cambia il movimento del pistone, può cambiare il modo in cui il materiale viene compattato e fatto avanzare.
Se le condizioni termiche cambiano, anche il comportamento di consolidamento può cambiare.
Si tratta di problemi di controllo del processo-piuttosto che di una semplice questione se l'UHMWPE si è "sciolto".
Lo stampo di formatura conferisce al materiale la sua forma
Dopo che la polvere si è sufficientemente consolidata, raggiunge lo stampo di formatura riscaldato.
La geometria interna della matrice determina la forma della sezione trasversale- dell'estruso.
Per la produzione di tubi, ciò significa che l'UHMWPE consolidato viene formato attorno alla geometria del tubo richiesta.
La trafila quindi non è solo un'apertura all'estremità dell'attrezzatura.
È la parte del processo in cui il materiale consolidato è costretto ad assumere il profilo richiesto.
Lo stampo e il processo di consolidamento a monte devono lavorare insieme. Una sezione di formatura ben-progettata non può compensare una preparazione del materiale gravemente incoerente.
Il raffreddamento avviene dopo la formatura
Il materiale in uscita dalla sezione di formatura riscaldata deve ancora essere raffreddato.
Il raffreddamento consente al profilo UHMWPE formato di stabilizzarsi.
La sequenza quindi non è semplicemente:
polvere → matrice → tubo finito.
C'è un processo tra queste fasi:
polvere → compattazione → riscaldamento → consolidamento → formatura → raffreddamento.
La fase di raffreddamento è importante perché il tubo deve raggiungere una condizione stabile prima del controllo dimensionale finale e della lavorazione a valle.
Perché questo è importante per i tubi da miniera UHMWPE
Lo scopo di questo processo non è solo quello di realizzare un tubo di plastica.
Il tubo da miniera UHMWPE è comunemente selezionato per servizi impegnativi che coinvolgono liquami abrasivi, dove la resistenza all'usura e le condizioni della superficie interna sono importanti.
Il processo di produzione deve produrre una struttura continua del materiale in grado di fornire tali proprietà lungo tutta la parete del tubo.
Questo inizia con la polvere.
Se la polvere non viene adeguatamente consolidata durante la formatura, il problema non si limita all'aspetto. La struttura stessa del materiale è parte della qualità del prodotto finale.
Un modo utile per comprendere il processo
Il modo più semplice per comprendere la plastificazione delle polveri UHMWPE è smettere di pensarla come un'estrusione di pellet convenzionale.
Il materiale di partenza è polvere.
La pressione meccanica unisce la polvere.
Il calore consente alle particelle di consolidarsi.
Il pistone fa avanzare il materiale consolidato.
Lo stampo riscaldato gli conferisce la forma richiesta.
Il raffreddamento stabilizza il tubo formato.
Questa è la logica del processo di base dietro l'estrusione della ram UHMWPE.
Domande frequenti
L'UHMWPE viene lavorato allo stesso modo dell'HDPE?
No. L'HDPE convenzionale può essere lavorato tramite apparecchiature standard di estrusione a fusione, mentre il peso molecolare estremamente elevato e la viscosità del fuso estremamente elevati dell'UHMWPE rendono la lavorazione a fusione convenzionale molto più difficile. L'estrusione in ram è un metodo di lavorazione consolidato per l'UHMWPE.
La polvere UHMWPE è completamente trasformata in un liquido a bassa-viscosità?
No. Questa descrizione è fuorviante. La lavorazione dell'UHMWPE si basa comunemente sul consolidamento-assistito dalla pressione e sulla sinterizzazione a causa della viscosità estremamente elevata del materiale fuso.
Perché la polvere viene compattata prima della formatura?
La compattazione porta le particelle di polvere a stretto contatto e riduce la struttura sciolta della polvere prima e durante il consolidamento termico.
Cosa succede dopo che il materiale lascia lo stampo di formatura?
Il materiale formato viene raffreddato in modo che la geometria del tubo possa stabilizzarsi prima della successiva ispezione e lavorazione.
Conclusione
La plastificazione delle polveri UHMWPE è meglio intesa come un processo di consolidamento-assistito dalla pressione piuttosto che come una normale fusione di polimeri.
La polvere viene compattata mediante forza meccanica, riscaldata, consolidata e fatta avanzare attraverso uno stampo di formatura riscaldato. Il materiale quindi si raffredda e si stabilizza nel profilo richiesto.
Questo percorso di lavorazione è strettamente correlato all'insolito comportamento reologico dell'UHMWPE. Il suo peso molecolare estremamente elevato è proprio il motivo per cui il materiale non può essere trattato semplicemente come il polietilene convenzionale durante l'estrusione.
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