Estrusione tubi HDPE
Come evitare il sag

Estrusione di tubi HDPE e prevenzione del sag

Come il diametro del tubo in HDPE aumenta durante l’estrusione:

1. Lo spessore aumenta;
2. Il tubo non si raffredda efficacemente dall'interno e all'interno del nucleo;
3. La velocità lineare diminuisce.

I tubi di grande diametro necessitano, di solito, di 3.3 ore per essere prodotti e possono avere diversi segmenti con:

• Differente cristallinità;
• Differente spessore;
• Diverso contenuto di umidità, ecc.

Sviluppo della cristallinità:

Nella maggior parte dei processi di estrusione dell'HDPE, il 60%-80% della cristallizzazione avviene durante la fase di raffreddamento della lavorazione e fino al 90% entro una settimana dalla lavorazione. La cristallizzazione rimanente può richiedere mesi per essere completata, a seconda della temperatura ambiente. Tuttavia, la cristallizzazione continua fino al raggiungimento di una struttura cristallina stabile.

Il problema del sag nell’estrusione di tubi:

Per tubi a pareti spesse, l’interno delle pareti rimane fuso per un lungo periodo, causando il flusso del materiale fuso verso il basso, chiamato sag.
Il sag nell’estrusione di tubi può causare serie non conformità nello spessore delle pareti del tubo, aumenta l’ovalizzazione e sfalsa la concentricità del tubo e crea uno spreco di materiali nella parte inferiore del tubo, aggiungendo ulteriori costi per la produzione e causando una qualità non ottimale nel prodotto finale.
Il sag avviene sempre con la produzione di tubi a grande diametro con pareti spesse e consiste nel flusso del materiale dall’alto verso il basso del tubo prima che sia stato congelato dall’acqua di raffreddamento.

Ci sono due modi per aiutare ad eliminare il sag nell’estrusione di tubi:

a) Compensando lo spazio tra la matrice – ma necessita di tempo e comporta sempre l’uso di materiale aggiuntivo e alla variazione nello spessore. Bilanciare la matrice aiuta anche a prevenire un elevato spessore della parete nella parte inferiore.
b) Utilizzando materiale HDPE a basso sag e ottimizzando il processo di raffreddamento. Si ritiene che una composizione bimodale di polietilene con un'alta viscosità a un basso sforzo di taglio migliori il comportamento di cedimento della colata polimerica. Il tubo viene estruso attraverso una matrice ad anello e raffreddato su entrambe le superfici interne ed esterne.

Compensare il divario tra la matrice:

Il modo convenzionale di ridurre il sag nei processi di estrusione del tubo è regolando manualmente l'eccentricità della matrice, fino a che si ottiene uno spessore della parete accettabile. Questa tediosa procedura di prova ed errore può richiedere diversi tentativi per ottenere il profilo giusto. Per ridurre al minimo gli sforzi e compensare l'effetto dell'abbassamento, prima di iniziare l'estrusione si regola il gap della matrice in modo tale che il gap della matrice sia maggiore nella parte superiore e minore in quella inferiore.  
Possiamo utilizzare uno strumento di misurazione dello spessore in linea a ultrasuoni, con quattro posizioni a 90° l'una dall'altra, e visualizzare la variazione di spessore sullo schermo. In alternativa, si possono usare apparecchiature portatili per misurare lo spessore in linea in vari punti del tubo.
Una volta conosciuta la variazione dello spessore, possiamo metterla a punto modificando adeguatamente la temperatura del riscaldatore a segmenti, per controllare lo spessore e risparmiare gli sprechi, oltre a migliorare la qualità.

Cos’è l’HDPE a basso sag?

Le moderne resine a “basso sag” rendono possibile la produzione di tubi a largo diametro e pareti più spesse delle precedenti. È necessario disporre di composizioni speciali di polietilene, che mostrino un migliore equilibrio tra comportamento a bassa cedevolezza e lavorabilità, per supportare tubi a pressione di grande diametro (fino a 1.200 mm) con spessori di parete di 100 mm, che possono essere estrusi con le linee esistenti e le regolazioni standard delle teste delle filiere. La composizione deve inoltre mostrare un buon equilibrio tra proprietà meccaniche e resistenza alla pressione per soddisfare i requisiti della PE100. (Backman, M & Lind, C. 2001).
A causa dell'elevato spessore delle pareti e del lento processo di raffreddamento governato dalla conduttività termica del PE, è di fondamentale importanza che l'HDPE allo stato fuso abbia una resistenza alla fusione sufficiente a impedire che il materiale si flessi sul fondo del tubo.
Si è cercato di raggiungere questo obiettivo attraverso una progettazione molecolare dell'HDPE che bilanciasse un'elevata resistenza alla fusione con una buona lavorabilità e produttività.

L'uso dell'esene come comonomero nella resina PE100 sviluppata specificamente per tubi di diametro molto grande è noto per offrire i seguenti vantaggi:

• Migliore resistenza alla crescita lenta delle crepe;
• Migliore resistenza alla propagazione rapida delle cricche;
• Maggiore resistenza alla fusione (sag basso).

BorSafe HE3490-ELS-H, PE100, è un materiale in cui la distribuzione dei pesi molecolari è stata regolata per aumentare la viscosità a basse velocità di taglio, riducendo così il cedimento nei processi di estrusione dei tubi e consentendo allo stesso tempo di utilizzare lo stesso materiale per tubi di diametro inferiore. Si tratta di un materiale bimodale in polietilene ad alta densità MRS 10, appositamente progettato per semplificare la produzione di tubi in HDPE a parete spessa e di grande diametro (spessore superiore a 80 mm) grazie alla sua eccezionale resistenza al cedimento e alla superiore forza di fusione. Numerose prove hanno dimostrato un risparmio medio di materiale fino al 7% e un migliore controllo dimensionale rispetto al PE100 standard nella produzione di tubi con spessore di parete superiore a 80 mm, indipendentemente dal diametro esterno del tubo. Ad esempio, sono state condotte prove per tubi da 1.200 mm x SDR 11 con materiale standard a bassa cedevolezza e materiale a bassissima cedevolezza. La prova ha mostrato chiaramente una distribuzione dello spessore della parete molto migliore con il materiale a bassissimo scorrimento. (Abdullah Saber & Hussein Basha, 2021).

Ottimizzazione della produzione di tubi HDPE: Strategie per ridurre i costi di sag e materiali

Inoltre, usando gli strumenti giusti e un materiale a basso sag, il valore di sovraccarico può essere mantenuto basso, causando una riduzione delle materie prime e, di conseguenza, una riduzione nei costi di produzione. Di solito, tutti I produttori di tubi dovrebbero lavorare con una tolleranza dello spessore del 30%. Questo è dovuto a due motivi: per avere un alto livello di qualità ma, soprattutto, per ridurre I costi di produzione. L'obiettivo è avere un sovraccarico del 3-3,5%.