Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur le refroidissement par extrusion

Nov 12, 2023

Allan Griff | 12 janv. 2023

La colonne d’extrusion de ce mois-ci est sur le froid, appropriée pour janvier. Souvent en extrusion, il fait froid et humide, ce qui est encore plus approprié cette année.

Pour qu’un thermoplastique se ramollisse suffisamment pour être extrudé, il doit être chauffé – le thermoplastique en thermoplastique. Avant d’aller plus loin, clarifions deux choses.

Premier La chaleur est une forme d’énergie, afin qu’il puisse être compté et mesuré. L’énergie a de nombreuses formes, mais elle n’apparaît pas ou ne disparaît pas. Pas de magie. Il peut être mesuré en calories - la chaleur qui soulève un gramme d’eau de 1 ° C. C’est une petite quantité, il est donc courant d’utiliser des lettres majuscules - Calories (Cal) ou Kalories (Kal ou Kcal) pour représenter 1000 petites calories. Si vous utilisez des joules : 4,2 joules = 1 calorie.

Les chiffres sont connus depuis longtemps, mais ils sont parfois ignorés ou évités lorsque le comptage n’est pas le bienvenu. Même chose pour les personnes qui ne veulent pas compter les calories alimentaires, ce qui n’est pas scientifique mais permet d’autres plaisirs de manger, tels que le goût et la « liberté » de suivre l’impulsion et l’image, tels que: « Si c’est vert, c’est bon pour vous ».

Nous, scientifiques, pouvons également apprécier la nourriture, même si nous comptons les calories: 9 Kcal / gramme de graisses ou d’huiles et 4 Kcal / gramme de protéines et de glucides (amidon, sucres), si digérés et disponibles. Oui, les graisses sont des nutriments en tant que sources d’énergie, et les protéines sont les mêmes que les amidons et les sucres, mais l’image publique dit le contraire. L’eau – 80% pour la viande et variable dans les légumes – est également bonne pour vous mais pas une source d’énergie. Donc, ça ne compte pas. Internet et les étiquettes des aliments sont pleins de ces informations, mais rappelez-vous que c’est par gramme, donc combien vous mangez compte. Environ 30 grammes = une once et 454 grammes = 1 livre, alors ne laissez pas les grammes vous arrêter.

Le deuxième élément à clarifier est Échelles de température. Nous devons parler à la fois C et F, et si nous avons une jauge ou un point de données, savoir quelles sont les unités. C’est facile: 5 ° C = 9 ° F et 0 ° C est 32 ° F (l’eau gèle en glace, mêmes molécules mais structure organisée). Fahrenheit (F) a inventé le thermomètre en 1717, mais Celsius (C) a basé l’échelle sur le gel et l’ébullition de l’eau en Suède balnéaire, comme au niveau de la mer aux États-Unis (cela varie avec l’altitude, mais il ne le savait pas).

Revenons aux plastiques. Pour comprendre le refroidissement, nous devons comprendre le chauffage. Le froid n’existe pas – le refroidissement signifie l’élimination de l’énergie. Il faut environ 138 Kcal (0,16 kWhr) pour chauffer 2,2 lb (1 kilogramme) de polyéthylène basse densité (LDPE) d’une température ambiante de 73 ° F (25 ° C) à une température d’extrusion de 410 ° F (210 ° C). Cela représente environ 0,61 Kcal par livre. Ces chiffres sont idéaux, mais dans le monde réel, il y a des pertes réelles; si je n’ai pas d’autres informations, je suppose que le double de ceci est nécessaire. C’est encore généralement trop peu pour s’inquiéter du coût, mais pas de la surchauffe.

La majeure partie de cette énergie provient du moteur lorsqu’il surmonte la friction pour déplacer la vis vers l’avant dans la masse fondue collante. Certains proviennent de chauffe-noyaux, ainsi que de chauffe-barils pour les plastiques haute température comme le PET et les nylons. Ces chiffres incluent à la fois l’augmentation de la température et la rupture de la cristallinité, qui est d’environ 40% pour le LDPE.

Il est difficile de trouver de telles données, même sur Internet. J’utilise Rao & O’Brien (Hanser, 1998), et les scientifiques des polymères connaîtront d’autres sources, mais les extrudeuses ne s’en inquiètent pas beaucoup, car la plupart des machines peuvent ajouter plus qu’assez de chaleur. Cela conduit à un malentendu commun, cependant, que la plupart de la chaleur provient des chauffe-barils, car ce sont les températures que nous régulons avec les appareils de chauffage et le refroidissement par air ou par eau.

Mais l’importance de la chaleur du baril n’est vraie que pour les très petites machines, ou toutes les machines qui fonctionnent lentement, certaines extrusion-revêtement, certaines jumelles et les polymères à haute température, comme indiqué ci-dessus. Les appareils de chauffage sont nécessaires pour le démarrage et utiles pour maintenir les choses stables, mais généralement pas une source majeure de chaleur. La température du canon arrière est critique pour une autre raison : elle contrôle le glissement des granulés sur les parois du canon dans la ou les premières zones et, par conséquent, contrôle le taux d’inpush/output.

Les extrudeuses à baril rainuré sont un cas particulier important, souvent utilisé pour le PE haute densité (HD). Si vous en avez un, apprenez-en davantage sur son fonctionnement. La première zone est refroidie à l’eau pour éviter de coller et de fondre. Avec les barils ordinaires, aussi, il peut y avoir un refroidissement pour éviter de coller dans les passages d’entrée d’alimentation, mais à moins qu’il n’y ait des rainures, cela est rarement contrôlé de près.

Une fois que le plastique est suffisamment chaud pour sortir de la matrice, la chaleur doit être retirée sans déformer les dimensions du produit. Il existe trois liquides de refroidissement principaux: l’eau, l’air et une surface métallique refroidie telle qu’un rouleau. Les fluides caloporteurs sont utilisés là où des températures supérieures à 100 °C sont souhaitées, comme à l’intérieur de certains rouleaux pour les lignes de feuilles.

Pour la plupart des profilés, y compris les tuyaux et les tubes, l’eau est suffisante, avec un dispositif de dimensionnement à l’entrée et de longs réservoirs d’eau (auges) qui alimentent un tireur, une découpeuse ou un enrouleur. Une imprimante peut également être dans cette ligne.

Ces produits sont généralement refroidis avec de l’eau sur la surface extérieure de la fonte émergente. Notez que certains polymères flottent et que tous les tubes poussent vers le haut s’ils sont immergés, de sorte que les pulvérisations globales permettent une uniformité globale. Avec une immersion complète, il y a un contact complet, mais une certaine pression peut être nécessaire et peut déformer le produit.

L’épaisseur est importante, car la chaleur se déplace lentement à travers le plastique, et proportionnellement à la différence de température, donc plus épais = plus lent. Tous les plastiques rétrécissent lorsqu’ils sont refroidis, en particulier les semi-cristallins. S’il est refroidi trop rapidement, il y aura plus de contraintes dans le produit, ce qui peut ou non avoir de l’importance (vous pouvez tester cela avec le thermorétractage).

Les dispositifs de dimensionnement peuvent avoir un refroidissement séparé, même ceux qui peuvent varier les dimensions du produit à la volée. Un anneau d’eau peut être appliqué sur le produit lorsqu’il pénètre dans le calibre pour provoquer un petit retrait et lubrifier son entrée.

Le vide peut être utilisé dans le dimensionnement, soit pour tirer le plastique chaud vers des dimensions métalliques fixes (manchon de dimensionnement) ou, avec des produits creux comme le tuyau, pour réduire la pression dans la lame d’air afin que la pression de l’air à l’intérieur du produit creux le pousse à se conformer au matériel de calibrage. Trop de vide peut ralentir ou bloquer le mouvement de glissement, donc un bon contrôle de la pression et des matériaux lubrifiants sont nécessaires.

La préparation et certains filaments peuvent être extrudés vers le bas dans un réservoir d’eau. Le réglage de niveau contrôle la distance entre la matrice et l’eau, et la matrice, la fonte et la température de l’eau sont toutes importantes.

Les compounders à rendement le plus élevé peuvent avoir un refroidissement interne, où l’eau est à l’intérieur et sous une matrice ronde avec une lame de coupe tournante à l’intérieur qui jette les granulés chauds dans le flux d’eau. Les matrices de ligne – une ou deux rangées de trous – sont généralement dessinées sous forme de brins à travers un réservoir d’eau externe, bien que les brins des matrices rondes puissent également être refroidis.

La plus grande utilisation de l’air comme liquide de refroidissement est dans le film mince soufflé (tubulaire), où un tube chaud sort de la filière vers le haut (quelques-uns descendent ou vont latéralement) et un anneau d’air souffle de l’air sur la surface émergente, qui se dilate et s’amincit également sous la pression d’air interne. L’air extérieur peut être refroidi pour obtenir une production plus rapide. Comme il s’agit d’un grand marché, il existe de nombreuses variantes de ce principe, notamment le refroidissement interne par bulles et l’extrusion descendante avec de l’eau et de l’air comme liquides de refroidissement. Les iris enlèvent l’air chaud de la surface afin que l’air plus froid puisse entrer pour gagner de la vitesse.

Les surfaces en rouleaux métalliques sont courantes pour refroidir la plupart des feuilles plates, le revêtement par extrusion et certains films. Les plus courants pour les feuilles sont les empilements multi-rouleaux; La plupart sont placés verticalement, et quelques-uns sont à un angle, même horizontal, et peuvent permettre à la fusion de tomber dans un pincement. Les films minces et les revêtements peuvent n’avoir qu’un seul gros rouleau de refroidissement que le plastique contacte lorsqu’il quitte la matrice (réglable en distance).

Les verticales descendent souvent le long de la pile, la surface inférieure en plastique frappant d’abord le rouleau du milieu, le contournant, puis refroidissant l’autre surface du rouleau sous le premier. Le rouleau supérieur ne refroidit pas beaucoup mais applique une pression sur l’extrudat émergent; Il peut également préchauffer, gaufrer et / ou appliquer une couche de laminage. Lorsque la surface supérieure est critique, le système peut remonter la cheminée, en gardant la première surface refroidie toujours sur le côté supérieur et, par conséquent, sans contact avec les rouleaux de support.

Dans le refroidissement en rouleau, la température de l’eau est étroitement contrôlée avec des échangeurs de chaleur, si nécessaire. Faites attention aux différences de température de la matrice à l’extrémité centrale, qui dans les matrices plates peuvent être plus faciles à manipuler dans / sur la matrice (espace, isolation et chauffage ponctuels, et réglages) que dans le refroidissement. De tels changements de matrice peuvent également être utiles pour d’autres matrices, pas seulement plates, et toutes peuvent nécessiter un thermomètre infrarouge à angle étroit.

Les bords des produits plats qui doivent être coupés peuvent être fermés et refroidis à l’air ou plus minces pour éviter un refroidissement plus lent et envoyer moins de garniture à rebroyer. De plus, les ventilateurs d’air sur les surfaces exposées (y compris le dessous) peuvent augmenter le refroidissement.

Une grande partie du moulage par soufflage est alimentée par des extrudeuses, et certains des commentaires précédents s’appliquent, en particulier ceux qui traitent des tuyaux. Le refroidissement, cependant, est dans les moules et est plus lié au moulage par injection qu’à l’extrusion de tuyaux.

Les fluides de refroidissement peuvent être réfrigérés pour un meilleur refroidissement, mais s’ils sont trop froids, leurs passages de transport peuvent condenser l’eau de l’atmosphère et se réchauffer, de sorte que l’isolation peut bien se rentabiliser. L’air refroidi pour film soufflé représente un coût d’exploitation important s’il n’est pas bien géré (avec des mesures de température et des valeurs souhaitées connues).

La température des aliments est souvent négligée et est particulièrement importante si les aliments sont entreposés à l’extérieur. Une telle variation (jour-nuit ou saisonnière ou causée par le soleil) peut être évitée en préchauffant l’aliment même si elle n’est pas nécessaire pour éliminer l’humidité, car la température uniforme de l’alimentation peut être un avantage suffisant pour justifier son coût. Isolez la trémie et peut-être certaines lignes de transmission pour réduire les pertes de rayonnement. L’alimentation en poudre est un problème réel mais surmontable.

Le préchauffage est également un remède pour les systèmes où le moteur ne génère pas assez de chaleur et où le canon et la matrice ne peuvent pas compenser ou ne sont pas entièrement disponibles.

Le prérefroidissement de l’alimentation peut être utile pour maintenir la température d’alimentation constante, mais il est rare, car cela signifie simplement que plus de chaleur est nécessaire dans l’extrusion réelle.

Certaines conduites peuvent diriger l’air chaud autour du baril vers le haut dans l’alimentation. Pas commun, mais attrayant dans les climats très froids ou où les coûts de l’énergie sont inhabituellement élevés. Dans une grande partie de l’Amérique du Nord, les coûts de l’électricité sont suffisamment bas pour décourager de telles économies, mais cela pourrait changer à l’avenir, ou même maintenant si la direction tente de réduire la dépendance à l’électricité du réseau. Quelqu’un devrait savoir combien serait gagné et ne devrait pas avoir à deviner.

Cela peut également être fait avec de l’eau de refroidissement, mais il y a moins d’extrudeuses refroidies à l’eau et les économies de coûts seules peuvent ne pas le justifier.

La réutilisation de la chaleur provenant du refroidissement du produit n’est pas courante mais possible, et mérite une attention particulière si elle peut augmenter la vitesse de production et que vous pouvez vendre l’augmentation de manière rentable. L’efficacité des conduites refroidies à l’eau peut souvent être optimisée en faisant passer le produit à travers des découpes qui éliminent la couche d’eau chaude autour du produit et, ainsi, encouragent l’écoulement de l’eau plus froide près des surfaces du produit.

N’oubliez pas le retrait post-refroidissement, qui peut affecter l’impression et les dimensions coupées. Tout n’est pas fini lorsque vous pouvez l’empiler ou le rouler, car certains plastiques rétrécissent pendant des heures ou plus après le refroidissement en ligne, et cela dépend en partie de la vitesse de ce refroidissement.

Enfin, de nombreuses vis peuvent être refroidies à l’intérieur pendant le fonctionnement à l’aide d’un échangeur de chaleur pour assurer une température d’entrée constante. Cela n’obtient pas beaucoup de chaleur du système, mais cela améliore le mélange. Il est réversible, ne nécessite pas de nouvelles machines, mais réduira la production par tr/min. Si l’augmentation de la vitesse de la vis peut récupérer la perte, c’est Tout le monde y gagne.

À propos de l’auteur

Allan Griff est un ingénieur extrusion chevronné, débutant dans le service technique pour un important fournisseur de résine, et travaillant à son compte depuis de nombreuses années en tant que consultant, témoin expert dans des affaires juridiques, et surtout en tant qu’éducateur via des webinaires et des séminaires, publics et internes, et maintenant dans sa version virtuelle. Il a écrit Plastics Extrusion Technology, le premier livre pratique sur l’extrusion aux États-Unis, ainsi que le manuel d’utilisation de l’extrusion de plastiques, mis à jour presque chaque année, et disponible en espagnol et en français ainsi qu’en anglais. Pour en savoir plus, consultez son site Web, www.griffex.com ou envoyez-lui un courriel à [email protected].

Aucun séminaire en direct n’est prévu dans un avenir proche, ou peut-être jamais, car son séminaire audiovisuel virtuel est encore meilleur que le live, dit Griff. Pas de voyage, pas d’attente pour les dates en direct, mêmes diapositives PowerPoint mais avec des explications audio et un guide écrit. Regardez à votre rythme; La participation de groupe est offerte pour un prix unique, y compris le droit de poser des questions et d’obtenir des réponses complètes par e-mail. Appelez le 301/758-7788 ou envoyez un courriel à [email protected] pour plus d’informations.

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