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

Allan Grip | 12 janvier 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 thermo dans le thermoplastique. Avant d'aller plus loin, clarifions deux choses.

D'abord,la chaleur est une forme d'énergie , de sorte qu'il peut être compté et mesuré. L'énergie a de nombreuses formes, mais elle n'apparaît ni ne disparaît. Pas de magie. Elle peut être mesurée en calories — la chaleur qui élève 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 là où le comptage n'est pas le bienvenu. Idem pour les personnes qui ne veulent pas compter les calories des aliments, ce qui n'est pas scientifique mais permet d'autres plaisirs de manger, comme le goût et la "liberté" de suivre l'impulsion et l'image, comme "Si c'est vert, c'est bon pour toi".

Nous, scientifiques, pouvons aussi profiter de 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 regorgent de ces informations, mais rappelez-vous que c'est par gramme, donc la quantité que vous mangez est importante. Environ 30 grammes = une once et 454 grammes = 1 livre, alors ne laissez pas les grammes vous arrêter.

Le deuxième élément à clarifier estéchelles de température . Nous devons parler à la fois C et F, et si nous avons une jauge ou un point de données, sachez quelles sont les unités. C'est simple : 5°C = 9°F et 0°C équivaut à 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 au bord de la mer en Suède, 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 kWh) 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). C'est environ 0,61 Kcal par livre. Ces chiffres sont idéaux, mais dans le monde réel, il y a de vraies pertes ; si je n'ai pas d'autres informations, je suppose que le double est nécessaire. C'est encore généralement trop peu pour se soucier du coût, mais pas de la surchauffe.

La majeure partie de cette énergie provient du moteur lorsqu'il surmonte la friction pour faire avancer la vis dans la masse fondue collante. Certains proviennent de chauffe-moules, ainsi que de chauffe-tonneaux pour les plastiques à 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 connaissent d'autres sources, mais les extrudeuses ne s'en soucient pas beaucoup, car la plupart des machines peuvent ajouter plus qu'assez de chaleur. Cela conduit cependant à un malentendu courant, à savoir que la majeure partie de la chaleur provient des chauffe-tonneaux, car ce sont les températures que nous régulons à la fois avec les radiateurs 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, certains revêtements par extrusion, certains jumeaux et les polymères à haute température, comme indiqué ci-dessus. Les radiateurs sont nécessaires pour le démarrage et utiles pour maintenir les choses stables, mais ne constituent généralement pas une source majeure de chaleur. La température du canon arrière est essentielle pour une autre raison : elle contrôle le glissement des plombs sur les parois du canon dans la ou les premières zones et, par conséquent, contrôle le taux d'entrée/sortie.

Les extrudeuses à canon rainuré sont un cas particulier important, souvent utilisé pour le PE haute densité (HD). Si vous en avez un, apprenez-en plus sur son fonctionnement. La première zone est refroidie à l'eau pour éviter qu'elle n'y colle et ne fonde. Avec les barils simples également, 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 étroitement contrôlé.

Une fois que le plastique est suffisamment chaud pour sortir de la matrice, la chaleur doit être évacuée sans déformer les dimensions du produit. Il existe trois principaux fluides de refroidissement - 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 lignes de tôles.

Pour la plupart des profils, y compris les tuyaux et les tubes, l'eau suffit, avec un dispositif de dimensionnement à l'entrée et de longs réservoirs d'eau (auges) qui alimentent un extracteur, un couteau ou un enrouleur. Une imprimante peut également être dans cette ligne.

De tels produits sont généralement refroidis avec de l'eau sur la surface externe de la masse fondue sortante. Notez que certains polymères flottent et que tous les tubes remonteront s'ils sont immergés, de sorte que les sprays polyvalents permettent une uniformité globale. Avec une immersion complète, il y a un contact complet, mais une certaine poussée 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 une thermorétraction).

Les dispositifs de dimensionnement peuvent avoir un refroidissement séparé, même ceux qui peuvent faire varier les dimensions du produit à la volée. Un anneau d'eau peut être appliqué sur le produit à son entrée dans le calibreur pour provoquer un léger retrait et lubrifier son entrée.

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

Le composé et certains filaments peuvent être extrudés vers le bas dans un réservoir d'eau. Le réglage du niveau contrôle la distance entre la matrice et l'eau, et la température de la matrice, de la fonte et de l'eau est importante.

Les mélangeurs à haut rendement peuvent avoir un refroidissement interne, où l'eau est à l'intérieur et sous une matrice ronde avec une lame de coupe rotative 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 tirées sous forme de brins à travers un réservoir d'eau externe, bien que les brins des matrices rondes puissent également être ainsi 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 matrice vers le haut (quelques-uns vont vers le bas ou sur le côté) et un anneau d'air souffle de l'air sur la surface émergente, qui se dilate et s'amincit également à partir de la pression d'air interne. L'air extérieur peut être refroidi pour obtenir une production plus rapide. Comme il s'agit d'un marché important, il existe de nombreuses variantes de ce principe, notamment le refroidissement par bulle interne et l'extrusion vers le bas avec de l'eau et de l'air comme réfrigérants. Les iris évacuent l'air chaud de la surface afin que l'air plus frais puisse entrer pour gagner en vitesse.

Les surfaces de rouleaux métalliques sont courantes pour refroidir la plupart des feuilles plates, des revêtements par extrusion et certains films. Les piles multirouleaux sont les plus courantes pour les feuilles; la plupart sont placés verticalement et quelques-uns sont inclinés, voire horizontaux, et peuvent permettre à la fonte de tomber dans un pincement. Les films minces et les revêtements peuvent n'avoir qu'un seul grand rouleau de refroidissement avec lequel le plastique entre en contact lorsqu'il quitte la matrice (distance réglable).

Les verticales descendent souvent 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 émergeant ; il peut également préchauffer, gaufrer et/ou appliquer une couche de laminage. Lorsque la surface supérieure est critique, le système peut parcourir la pile, en gardant la première surface refroidie toujours sur le côté supérieur et, par conséquent, sans contact avec les rouleaux de support.

Dans le refroidissement des rouleaux, les températures de l'eau sont étroitement contrôlées avec des échangeurs de chaleur, si nécessaire. Faites attention aux différences entre les extrémités centrales des températures de matrice, qui dans les matrices plates peuvent être plus faciles à gérer dans/sur la matrice (espace, isolation ponctuelle et chauffage et réglages) que dans le refroidissement. De tels changements de matrice peuvent également être utiles pour d'autres matrices, pas seulement les plates, et toutes peuvent nécessiter un thermomètre infrarouge à angle étroit.

Les bords des produits plats qui doivent être rognés peuvent être enfermés et refroidis à l'air ou plus minces pour éviter un refroidissement plus lent et envoyer moins de rognures à réaffûter. De plus, les ventilateurs d'air sur les surfaces exposées (y compris les 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 concernant les 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 les films soufflés représente un coût d'exploitation important à moins d'être 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 stockés à l'extérieur. Une telle variation (jour-nuit ou saisonnière ou causée par le soleil) peut être évitée en préchauffant l'aliment même s'il n'est pas nécessaire d'éliminer l'humidité, car la température uniforme de l'aliment peut être un avantage suffisant pour justifier son coût. Isolez la trémie et peut-être certaines lignes de transmission pour réduire la perte 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 barillet 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 de l'alimentation constante, mais c'est rare, car cela signifie simplement que plus de chaleur est nécessaire dans l'extrusion proprement dite.

Certaines lignes peuvent diriger l'air chaud autour du baril vers l'alimentation. Pas courant, mais attrayant dans les climats très froids ou lorsque les coûts d'électricité sont exceptionnellement élevés. Dans une grande partie de l'Amérique du Nord, les coûts d'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 à elles seules peuvent ne pas le justifier.

La réutilisation de la chaleur provenant du refroidissement des produits n'est pas courante mais possible, et mérite l'attention si elle peut augmenter la vitesse de production et que vous pouvez vendre l'augmentation de manière rentable. L'efficacité des lignes 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 d'eau plus froide à proximité des surfaces du produit.

N'oubliez pas le rétrécissement post-refroidissement, qui peut affecter l'impression et les dimensions coupées. Ce n'est pas fini quand 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 par fluide en interne pendant le fonctionnement à l'aide d'un échangeur de chaleur pour garantir une température d'entrée constante. Cela ne dégage pas beaucoup de chaleur du système, mais cela améliore le mélange. Il est réversible, ne nécessite aucune nouvelle machinerie, mais réduira le rendement par tr/min. Si l'augmentation de la vitesse de la vis peut rattraper la perte, c'estun gagnant-gagnant.

A propos de l'auteur

Allan Griff est un ingénieur d'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 judiciaires, et surtout en tant qu'éducateur via des webinaires et des séminaires, à la fois public et interne, 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 Plastics Extrusion Operating Manual, 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 qu'en direct, dit Griff. Pas de déplacement, 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 détaillées par e-mail. Appelez le 301/758-7788 ou envoyez un e-mail [email protected] pour plus d'informations.

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