Suszenie tworzyw

Tworzywa polimerowe, zależnie od rodzaju, absorbują wilgoć z powietrza w większym lub mniejszym stopniu. Wilgoć ta może być wchłaniana do wewnątrz granulatu lub też gromadzić się w wyniku kondensacji na powierzchni, w postaci kropel. Jej obecność może prowadzić do spieniania się tworzywa w czasie wtrysku, powstawania wad powierzchni lub też pogorszenia własności mechanicznych. W wielu przypadkach obecność wilgoci można stwierdzić na podstawie oględzin wypraski, w innych natomiast uwidacznia się ona poprzez wyraźne obniżenie własności wytrzymałościowych.

Oprócz poliolefin, prawie każdy polimer wykazuje pewien poziom polarności, przez co może absorbować wilgoć z atmosfery. Należą one do polimerów, które nie wymagają suszenia, ponieważ nie są higroskopijne. Tworzywa takie jak PE i PP są niepolarne, podczas gdy woda jest substancją silnie polarną, która działa jak mały magnes. Woda nie ma powinowactwa do polimerów niepolarnych; PE lub PP wystawione na jej działanie zachowują się jak olej w analogicznej sytuacji - obie substancje rozdzielają się natychmiast, ponieważ nie mają ze sobą nic wspólnego chemicznie. Pomijając poliolefiny, prawie każdy dostępny na rynku polimer wykazuje określony poziom polarności i dlatego jest w stanie wchłonąć pewną ilość wilgoci z atmosfery, w zależności od składu chemicznego polimeru i warunków atmosferycznych, na które jest on narażony. Polimery takie jak mieszanki PPE i HIPS są tylko lekko polarne i nawet w stanie nasycenia mogą utrzymać jedynie 0,07% wilgoci. Na drugim końcu skali znajduje się nylon, wysoce polarny polimer, który po osiągnięciu punktu nasycenia może wchłonąć 8-9% wody, czyli ponad 100 razy więcej niż PPE/HIPS. Jednakże nawet poziom wilgoci wynoszący 0,07% może powodować problemy "kosmetyczne" na powierzchni, jeśli materiał zostanie wystawiony na działanie temperatur czy to w procesie wtrysku, czy wytłaczania. Powstały defekt, znany jako rozpryski lub srebrne smugi, wskazuje, że formowany materiał zawiera zbyt dużo wilgoci. Suszenie jest więc niezbędnym etapem przygotowawczym, aby zapobiec temu defektowi.

Materiały hydrofobowe nie mogą wchłonąć znaczącej ilości wilgoci. Wszelka wilgoć, która może znajdować się w tych materiałach, pozostanie na powierzchni granulek i rzadko kiedy wzrośnie do poziomu większego niż 0,01%, ale nie na tyle, by spowodować jakiekolwiek problemy kosmetyczne lub strukturalne.

Hydroliza

Chociaż wiele materiałów wymaga suszenia wyłącznie w celu optymalizacji wyglądu powierzchni, niektóre polimery ulegają bardziej znaczącym zmianom, jeśli są przetwarzane w obecności zbyt dużej ilości wilgoci. Wchodzą one wówczas w reakcję chemiczną zwaną hydrolizą. Mechanizm ten rozrywa wiązania kowalencyjne w łańcuchu polimeru, zmniejszając jego masę cząsteczkową i potencjalnie powodując znaczne zmniejszenie właściwości mechanicznych.

Niedostateczne wysuszenie materiału prowadzi w przypadku tworzyw higroskopijnych do powstania problemów przetwórczych i obniżenia jakości wyprasek poprzez naruszenie ich optycznych i mechanicznych własności, wytworzenie różnic kolorystycznych na powierzchni wyprasek oraz w lepkości tworzywa, wywołanie kruchości i łamliwości wyprasek, a także wywołanie problemów z wypełnieniem formy i rozformowaniem detali.

Materiały higroskopijne dzielą się na 2 grupy:

1. Grupa materiałów, których - w razie niedostatecznego wysuszenia - dotykają jedynie problemy kosmetyczne.

2. Grupa, której dotyczą problemy powodujące nieodwracalne uszkodzenia strukturalne w wyniku hydrolizy.

Przykładowo, mieszankę PC i ABS należy traktować z taką samą ostrożnością jak PC. Czasami pozornie subtelne modyfikacje receptury mogą zmienić znaczenie wymagań dotyczących suszenia. Ogólnie uważa się chociażby, że suszenie acetali (POM) nie jest konieczne; zaleca się jednak suszenie POM o modyfikowanej udarności, ponieważ modyfikatorem udarności jest zazwyczaj poliuretan, który ulega hydrolizie.

Suszenie

Prawidłowe suszenie polimeru wymaga zwrócenia uwagi na parametry takie jak: temperatura i zawartość wilgoci (punkt rosy) powietrza wlotowego, objętościowe natężenie przepływu powietrza, czas przebywania materiału w zbiorniku suszącym oraz temperatura powietrza powrotnego napływającego ze zbiornika do suszarki.

Warunki skutecznego suszenia są w dużej mierze podyktowane przez własności konkretnego polimeru. Podwyższona temperatura suszenia jest pożądana, ponieważ zwiększa szybkość usuwania wilgoci, jednakże musi jednocześnie pozostać poniżej temperatury mięknienia lub topnienia materiału. Jest to szczególnie istotne w przypadku materiałów amorficznych, takich jak ABS, poliwęglan i akryl, gdzie różnica między temperaturą suszenia a temperaturą mięknienia jest stosunkowo niewielka. Każdy, kto miał do czynienia z tymi tworzywami, prawdopodobnie doświadczył nieprzyjemnych konsekwencji przekroczenia temperatury w suszarce. Zasady stają się nieco bardziej złożone w przypadku rodzin polimerów, w których temperatury mięknienia różnią się w zależności od składu. Jednym z przykładów są stopy PPE/HIPS. Gatunki o dużej zawartości polistyrenu mogą mieć temperatury mięknienia tak niskie, jak 87-93°C i należy się z nimi obchodzić ostrożniej niż z gatunkami o wysokiej zawartości PPE, gdzie temperatura mięknienia może sięgać nawet 165-171°C. Podobnie elastomery, takie jak TPU, będą wykazywać zakres temperatur mięknienia związany z twardością Shore’a.

Szczególne przypadki

Materiały półkrystaliczne, takie jak nylon i PBT, umożliwiają stosowanie znacznie wyższych temperatur, niż jest to zalecane. Jednakże w przypadku tych materiałów istnieje ryzyko utleniania, czyli reakcji chemicznej, która może nieodwracalnie uszkodzić polimer zanim dotrze on do gardzieli zasilającej maszyny. Jest to szczególnie istotne w przypadku nylonów.

Natomiast wyjątkowo uważnym należy być podczas suszenia PET i PLA. Przechodzą one przemianę z postaci amorficznej w półkrystaliczną zanim ostatecznie się stopią. Tworzywo ulega zeszkleniu, które na termogramie pojawia się jako przejście schodkowe, w temperaturze około 70-75°C. W tym momencie materiał zmięknie, żeby po osiągnięciu około 110°C zacząć krystalizować. Próbki pobrane w trakcie procesu ukazałyby, jak materiał zmienia się z przezroczystego w mętny, a następnie nieprzezroczysty. Proces ten jest zakończony, gdy temperatura osiągnie 140-150°C (w zależności od gatunku materiału). Wreszcie, w temperaturze 245°C, nowo powstałe kryształy topią się.

PET wymaga zakresu temperatur suszenia 135-165°C. Gdyby amorficzną postać PET ogrzano od temperatury pokojowej do wymaganej temperatury suszenia, uległby on aglomeracji w jedną dużą masę, a następnie krystalizowałby w tej samej dużej masie w temperaturach wystarczająco wysokich, by zapewnić skuteczne usuwanie wilgoci. Aby temu zapobiec, PET należy stale mieszać podczas ogrzewania do temperatury zeszklenia i rekrystalizacji w stanie stałym, tak aby tworzywo można było następnie ogrzać do odpowiednich temperatur suszenia bez aglomeracji.

PLA wykazuje zasadniczo takie samo zachowanie, chociaż określone kluczowe temperatury są nieco niższe niż w przypadku PET. Stawka w odniesieniu do obu polimerów jest bardzo wysoka. Żeby skutecznie przetworzyć materiał w produkt o pożądanych właściwościach, może być wymagana wilgotność na poziomie zaledwie 50 ppm.

Dobór systemów suszących

W zależności od rodzaju tworzywa stosuje się różnorodne systemy suszenia:

• tworzywa niechłonące wilgoci (PP, PE, PS itp.) należy suszyć (podsuszać) w przypadku, gdy na skutek zmian temperatury otoczenia może na granulacie osadzać się wilgoć kondensacyjna. Dla niewielkiej produkcji wystarczające są nawet stare komorowe suszarki z zamkniętym obiegiem powietrza.
• tworzywa chłonące wilgoć w nieznacznym stopniu (ABS, PMMA), zwłaszcza w przypadku uszkodzonych opakowań bądź dodatków przemiału, należy suszyć w suszarkach z wymuszonym nadmuchem gorącego powietrza (przewiew powietrza przez złoże tworzywa).
• tworzywa silnie chłonące wilgoć (PC, PA, PBT, PET) można suszyć jedynie w suszarkach z nadmuchem suchego gorącego powietrza (suszarki z sitem molekularnym). Bardzo skuteczne jest stosowanie suszarek próżniowych.

Istnieją inne metody, takie jak suszenie próżniowe i sprężonym powietrzem. Zbadano różnorodne technologie, takie jak podczerwień i częstotliwość radiowa, ale większość współczesnych systemów komercyjnych nadal stosuje pewien wariant technologii środka osuszającego. Jednocześnie w użytku jest wiele systemów, które wykorzystują gorące powietrze bez pomocy środka suszącego. Chociaż systemy te są mniej złożone, brakuje im możliwości ciągłego dostarczania suchego powietrza do materiału w leju zasypowym.

Czas suszenia i czas przebywania tworzywa w suszarce

Łatwo zauważyć, że temperatura suszenia i punkt rosy charakterystyczny dla danego tworzywa nie są jedynymi czynnikami wpływającymi na wynik suszenia. Każde tworzywo ma również własny specyficzny czas suszenia, którego potrzebuje, by oddać zawartą w sobie wilgoć.

Czas przebywania tworzywa w zbiorniku suszącym zależy od pojemności tego zbiornika i wydajności suszarki. Wielkości te wpływają na optymalny czas suszenia. Usuwanie wilgoci jest trudniejsze w końcowej fazie suszenia, dlatego korzystne jest stosowanie ruchu przeciwprądowego powietrza w stosunku do tworzywa tak, aby wdmuchiwane od dołu świeże powietrze napotkało w pierwszej kolejności tworzywo podsuszone, a następnie po częściowym zawilgoceniu i obniżeniu temperatury było wykorzystywane do wstępnego podsuszania wilgotnego tworzywa.

O przebiegu suszenia decyduje przede wszystkim temperatura powietrza suszącego, wilgotność względna powietrza, higroskopijność granulatu, a także wymuszenie (ruch przeciwprądowy) strumienia powietrza. Proces suszenia powinien być zorganizowany w ten sposób, aby wszystkie ziarna granulatu były dostępne dla owiewającego powietrza. Suszenie stacjonarne tworzywa w postaci grubej warstwy nieruchomego granulatu jest powolne i mało skuteczne. Wymuszony strumień powietrza suszącego powinien być ogrzany do możliwie wysokiej temperatury, ale nie wyższej od temperatury mięknięcia i nie wyższej niż temperatura grożąca utlenieniem polimeru.

W tabeli 1. zestawiono zalecane temperatury suszenia dla tworzyw.

Metody osuszania tworzyw

Wygrzewanie

Odparowanie wody zawartej na powierzchni lub w kapilarnych porach tworzywa przez wygrzewanie jest procesem najbardziej energochłonnym. Dla przejścia fazowego wody w stan pary suchej potrzebna jest ilość ciepła wyrażona znanym wzorem:

Q = M × q_w

gdzie M to masa wody, a q_w - ciepło parowania.

Ze względu na dużą wartość ciepła parowania wody - największą ze wszystkich substancji płynnych - energia potrzebna do suszenia tą (wydawałoby się najprostszą) metodą byłaby duża. Suszarnie bazujące na metodzie odparowania wody są najprostsze w budowie, ale najbardziej energochłonne. Jednocześnie ich wadą jest naruszenie trwałości i spoistości półproduktów z tworzyw, gdyż gwałtownie parująca woda wydobywająca się przez kapilarne mikroszczeliny uszkadza ich strukturę. Może dochodzić do wypacania plastyfikatorów, których obecność we właściwej ilości jest niezbędnym warunkiem zachowania sprężystości i elastyczności niektórych tworzyw sztucznych. Nadmierne wygrzewanie dla osuszenia wiąże się z ryzykiem zmniejszenia własności użytkowych produktu. Poza tym duża część substancji lotnych, wydzielających się z nadmiernie podgrzanych tworzyw, nie jest obojętna dla zdrowia osób obsługujących urządzenia.

Pewnym ulepszeniem metody odparowania wody jest użycie komór mikrofalowych. Oszczędza się wtedy energię traconą na ogrzewanie samej komory i płyt, gdyż grzeje się tylko woda. Pozostają jednakże inne wymienione wady.

Suszenie w gorącym powietrzu

W większości zakładów jest to obecnie najczęściej stosowana technika suszenia tworzyw sztucznych. Niestety nie dla wszystkich tworzyw metoda ta jest odpowiednia. W przypadku suszenia podgrzanym powietrzem atmosferycznym pojawia się granica możliwości stosowania tej metody. Granica ta jest silnie związana z warunkami klimatycznymi. Względna zawartość wilgoci w powietrzu atmosferycznym, przy ładnej słonecznej pogodzie z temperaturą ok. 25°C, wynosi ok. 60% - tj. 14 gramów wody na m³ powietrza. Ogrzanie powietrza do temperatury 80°C powoduje spadek wilgotności względnej do ok. 19%. Zawartość wody nie ulega jednak zmianie i nadal wynosi 14 gramów na m³ powietrza. Metoda ta pozwala na usunięcie wilgoci z powierzchni granulatu; niestety nie jest skuteczna dla likwidacji wilgoci we wnętrzu ziaren.

Zaletą systemu suszenia gorącym powietrzem jest niski koszt urządzeń. Niestety oszczędności inwestycyjne mogą zostać w krótkim czasie utracone wobec wysokich kosztów eksploatacji. Metoda ta charakteryzuje się znacznym poborem energii związanym z koniecznością ogrzania dużych ilości powietrza. Powietrze po przejściu przez komorę suszenia jest wydalane do atmosfery. Powoduje to ogrzewanie pomieszczenia, w którym ustawiona jest suszarka, oraz prowadzi do ulatniania się szczątkowych ilości monomerów pochodzących z suszonego granulatu.

Suszenie suchym powietrzem

W przypadku tworzyw higroskopijnych (ABS, PA, PC, PET) dla uzyskania dobrego efektu suszenia wymagane jest doprowadzenie do powstania znacznej różnicy między ciśnieniem pary wodnej zawartej w ziarnach granulatu a ciśnieniem powietrza suszącego. Suszony granulat poddawany jest równolegle ogrzaniu do temperatury leżącej poniżej temperatury mięknienia danego tworzywa. Temperatura ogrzewania ograniczona jest również przez inne ewentualne reakcje chemiczne, które mogłoby wywołać nadmierne ogrzanie. W metodzie tej powietrze jest przepuszczane przez komorę zawierającą środek absorbujący wilgoć. Para wodna zamieniona zostaje w mgłę, którą następnie wchłania środek suszący.

Otrzymuje się dzięki temu powietrze o stałej wilgotności bezwzględnej. Powracając do wcześniejszego przykładu powietrza o temperaturze 25°C i wilgotności względnej 60% (14 gramów wody na m³ powietrza); jeśli powietrze zostanie przepuszczone przez absorbent w postaci żelu krzemionkowego, pozostanie w nim ok. 0,3 grama wody na m³. Efekt suszenia omawianą metodą jest całkowicie niezależny od warunków klimatycznych. W metodzie suszenia suchym powietrzem potrzeba znacznie mniejszych ilości powietrza dla wysuszenia kilograma tworzywa niż w metodzie suszenia gorącym powietrzem. System pracuje w układzie obiegu zamkniętego, dzięki czemu metoda ta charakteryzuje się znacznie mniejszym zużyciem energii. Nowoczesne suszarki posiadają dwie komory zawierające środek absorbujący wilgoć. Konstrukcja taka umożliwia ciągłą pracę suszarki, bez potrzeby przerywania jej pracy na czas związany z regeneracją środka absorbującego.

Podsumowanie

Większość polimerów (ABS, SAN, akryl, PPE/HIPS, PPS, POM, PVC) można z powodzeniem przetwarzać przy zawartości wilgoci 0,05-0,10%. Jednakże większość materiałów (PET, PC, nylon, PBT, PUR, PLA, PA) nie powinna być przetwarzana przy poziomie wilgoci wyższym niż 0,02%, a niektóre z nich osiągają optymalne właściwości po wysuszeniu do poziomu tak niskiego jak 0,005%. Optymalny poziom wilgoci zależy nie tylko od polimeru, ale także od innych parametrów przetwarzania, takich jak temperatura stopu i czas przebywania w stanie stopionym.

Suszenie jako podstawowy proces technologiczny jest nieodzowny we wszystkich dziedzinach przemysłowych. Osuszanie lub suszenie tworzyw sztucznych w fazie procesu może być ważną częścią formowania wtryskowego. Przez niedokładne przetwarzanie można doprowadzić również do uszkodzenia samej formy, jak i maszyny.

Materiały i produkty wytwarzane przez przemysł tworzyw sztucznych, a także odpady stanowiące materiał wyjściowy do uzyskiwania surowców wtórnych, muszą być poddane procesowi suszenia. Ważne jest, by proces ten był ekonomiczny, a urządzenia do suszenia posiadały duży stopień dyspozycyjności.