Introduzione alle poliolefine e all'estrusione di film
Le poliolefine, una classe di materiali macromolecolari sintetizzati da monomeri olefinici come etilene e propilene, sono le materie plastiche più prodotte e utilizzate a livello globale. La loro diffusione deriva da una combinazione eccezionale di proprietà, tra cui basso costo, eccellente lavorabilità, eccezionale stabilità chimica e caratteristiche fisiche personalizzabili. Tra le diverse applicazioni delle poliolefine, i prodotti in film occupano un posto di primaria importanza, svolgendo funzioni critiche negli imballaggi alimentari, nelle coperture agricole, negli imballaggi industriali, nei prodotti medicali e igienici e nei beni di consumo quotidiano. Le resine poliolefiniche più comuni impiegate per la produzione di film includono il polietilene (PE) – che comprende il polietilene lineare a bassa densità (LLDPE), il polietilene a bassa densità (LDPE) e il polietilene ad alta densità (HDPE) – e il polipropilene (PP).
La produzione di pellicole in poliolefina si basa principalmente sulla tecnologia dell'estrusione; i due processi principali sono l'estrusione di film soffiato e l'estrusione di film fuso.
1. Processo di estrusione di film soffiato
L'estrusione di film in bolla è uno dei metodi più diffusi per la produzione di film poliolefinici. Il principio fondamentale prevede l'estrusione di un polimero fuso verticalmente verso l'alto attraverso una filiera anulare, formando un parison tubolare a parete sottile. Successivamente, all'interno di questo parison viene introdotta aria compressa, che lo gonfia fino a formare una bolla con un diametro significativamente maggiore di quello della filiera. Durante la risalita, la bolla viene raffreddata e solidificata forzatamente da un anello d'aria esterno. La bolla raffreddata viene quindi fatta collassare da una serie di rulli di pressione (spesso tramite un telaio di collasso o un telaio ad A) e successivamente trascinata da rulli di trazione prima di essere avvolta in bobina. Il processo di film in bolla produce tipicamente film con orientamento biassiale, ovvero con un buon equilibrio di proprietà meccaniche sia in direzione macchina (MD) che in direzione trasversale (TD), come resistenza alla trazione, resistenza allo strappo e resistenza all'urto. Lo spessore della pellicola e le proprietà meccaniche possono essere controllati regolando il rapporto di blow-up (BUR – rapporto tra il diametro della bolla e il diametro della filiera) e il rapporto di draw-down (DDR – rapporto tra la velocità di avvolgimento e la velocità di estrusione).
2. Processo di estrusione di film fuso
L'estrusione di film cast è un altro processo produttivo fondamentale per i film poliolefinici, particolarmente adatto per la produzione di film che richiedono proprietà ottiche superiori (ad esempio, elevata trasparenza, elevata brillantezza) e un'eccellente uniformità di spessore. In questo processo, il polimero fuso viene estruso orizzontalmente attraverso una filiera a T piatta e a fessura, formando un velo fuso uniforme. Questo velo viene quindi rapidamente stirato sulla superficie di uno o più rulli di raffreddamento ad alta velocità, raffreddati internamente. Il fuso si solidifica rapidamente a contatto con la superficie del rullo freddo. I film cast possiedono generalmente eccellenti proprietà ottiche, una sensazione di morbidezza al tatto e una buona termosaldabilità. Il controllo preciso della fessura tra i labbri della filiera, della temperatura del rullo di raffreddamento e della velocità di rotazione consente una regolazione accurata dello spessore del film e della qualità superficiale.
Le 6 principali sfide nell'estrusione di film poliolefinici
Nonostante la maturità della tecnologia di estrusione, i produttori incontrano spesso una serie di difficoltà di lavorazione nella produzione pratica di film poliolefinici, soprattutto quando si punta a ottenere elevata produttività, efficienza, spessori più sottili e quando si utilizzano nuove resine ad alte prestazioni. Queste problematiche non solo incidono sulla stabilità della produzione, ma hanno anche un impatto diretto sulla qualità e sui costi del prodotto finale. Le principali sfide includono:
1. Frattura del fuso (Sharkskin): questo è uno dei difetti più comuni nell'estrusione di film poliolefinici. Macroscopicamente, si manifesta con ondulazioni trasversali periodiche o una superficie irregolare e ruvida del film o, nei casi più gravi, con distorsioni più pronunciate. La frattura del fuso si verifica principalmente quando la velocità di taglio del fuso polimerico in uscita dalla filiera supera un valore critico, causando oscillazioni di tipo stick-slip tra la parete della filiera e il fuso in massa, oppure quando lo sforzo estensionale all'uscita della filiera supera la resistenza del fuso. Questo difetto compromette gravemente le proprietà ottiche del film (trasparenza, lucentezza), la levigatezza superficiale e può anche degradarne le proprietà meccaniche e di barriera.
2. Accumulo di bave nello stampo/die drool: si riferisce al graduale accumulo di prodotti di degradazione del polimero, frazioni a basso peso molecolare, additivi scarsamente dispersi (ad esempio pigmenti, agenti antistatici, agenti di scorrimento) o gel dalla resina sui bordi dello stampo o all'interno della cavità dello stampo. Questi depositi possono staccarsi durante la produzione, contaminando la superficie del film e causando difetti come gel, striature o graffi, compromettendo così l'aspetto e la qualità del prodotto. Nei casi più gravi, l'accumulo di bave nello stampo può ostruire l'uscita dello stampo, causando variazioni di spessore, strappi del film e, in definitiva, costringendo a fermi linea per la pulizia dello stampo, con conseguenti perdite significative di efficienza produttiva e spreco di materie prime.
3. Elevata pressione di estrusione e fluttuazioni: in determinate condizioni, in particolare quando si lavorano resine ad alta viscosità o si utilizzano intercapedini tra le filiere più piccole, la pressione all'interno del sistema di estrusione (specialmente a livello della testa e della filiera dell'estrusore) può raggiungere livelli eccessivamente elevati. L'elevata pressione non solo aumenta il consumo energetico, ma rappresenta anche un rischio per la longevità delle apparecchiature (ad esempio, vite, cilindro, filiera) e per la sicurezza. Inoltre, fluttuazioni instabili della pressione di estrusione causano direttamente variazioni nella produzione di materiale fuso, con conseguente disuniformità dello spessore del film.
4. Produttività limitata: per prevenire o mitigare problemi come la frattura del fuso e l'accumulo di materiale nella matrice, i produttori sono spesso costretti a ridurre la velocità della vite dell'estrusore, limitando così la produttività della linea di produzione. Ciò influisce direttamente sull'efficienza produttiva e sul costo di produzione per unità di prodotto, rendendo difficile soddisfare la domanda del mercato di film su larga scala a basso costo.
5. Difficoltà nel controllo dello spessore: l'instabilità nel flusso del fuso, la distribuzione non uniforme della temperatura nello stampo e l'accumulo di materiale nello stampo possono contribuire a variazioni di spessore del film, sia trasversalmente che longitudinalmente. Ciò influisce sulle successive prestazioni di lavorazione e sulle caratteristiche di utilizzo finale del film.
6. Difficoltà nel cambio di resina: quando si passa da un tipo o grado di resina poliolefinica all'altro, o quando si cambia masterbatch di colore, il materiale residuo della produzione precedente è spesso difficile da eliminare completamente dall'estrusore e dalla filiera. Questo porta alla miscelazione di materiali vecchi e nuovi, alla generazione di materiale di transizione, al prolungamento dei tempi di cambio e all'aumento degli scarti.
Queste comuni sfide di lavorazione limitano gli sforzi dei produttori di film poliolefinici per migliorare la qualità del prodotto e l'efficienza produttiva, e rappresentano anche ostacoli all'adozione di nuovi materiali e tecniche di lavorazione avanzate. Pertanto, la ricerca di soluzioni efficaci per superare queste sfide è fondamentale per lo sviluppo sostenibile e sano dell'intero settore dell'estrusione di film poliolefinici.
Gli adiuvanti di lavorazione dei polimeri (PPA) sono additivi funzionali il cui valore fondamentale risiede nel migliorare il comportamento reologico dei polimeri fusi durante l'estrusione e nel modificarne l'interazione con le superfici delle apparecchiature, superando così una serie di difficoltà di lavorazione e migliorando l'efficienza produttiva e la qualità del prodotto.
1. PPA a base di fluoropolimeri
Struttura e caratteristiche chimiche: questa è attualmente la classe di PPA più ampiamente utilizzata, tecnologicamente matura e di comprovata efficacia. Si tratta tipicamente di omopolimeri o copolimeri basati su monomeri fluoroolefinici come fluoruro di vinilidene (VDF), esafluoropropilene (HFP) e tetrafluoroetilene (TFE), con i fluoroelastomeri che ne sono i più rappresentativi. Le catene molecolari di questi PPA sono ricche di legami CF ad alta energia di legame e bassa polarità, che conferiscono proprietà fisico-chimiche uniche: energia superficiale estremamente bassa (simile a quella del politetrafluoroetilene/Teflon®), eccellente stabilità termica e inerzia chimica. In particolare, i PPA fluoropolimerici mostrano generalmente scarsa compatibilità con matrici poliolefiniche non polari (come PE, PP). Questa incompatibilità è un prerequisito fondamentale per la loro efficace migrazione verso le superfici metalliche dello stampo, dove formano un rivestimento lubrificante dinamico.
Prodotti rappresentativi: Tra i marchi leader nel mercato globale dei PPA fluoropolimerici figurano la serie Viton™ FreeFlow™ di Chemours e la serie Dynamar™ di 3M, che detengono una quota di mercato significativa. Inoltre, alcuni gradi di fluoropolimeri di Arkema (serie Kynar®) e Solvay (Tecnoflon®) vengono utilizzati come componenti chiave o sono componenti chiave nelle formulazioni di PPA.
2. Coadiuvanti tecnologici a base di silicone (PPA)
Struttura e caratteristiche chimiche: i principali componenti attivi di questa classe di PPA sono i polisilossani, comunemente noti come siliconi. La struttura principale del polisilossano è costituita da atomi di silicio e ossigeno alternati (-Si-O-), con gruppi organici (tipicamente metilici) legati agli atomi di silicio. Questa struttura molecolare unica conferisce ai materiali siliconici una tensione superficiale molto bassa, un'eccellente stabilità termica, una buona flessibilità e proprietà non adesive nei confronti di numerose sostanze. Analogamente ai PPA fluoropolimerici, i PPA a base di silicone funzionano migrando verso le superfici metalliche delle apparecchiature di lavorazione per formare uno strato lubrificante.
Caratteristiche applicative: Sebbene i PPA fluoropolimerici dominino il settore dell'estrusione di film poliolefinici, i PPA a base siliconica possono presentare vantaggi unici o creare effetti sinergici se utilizzati in scenari applicativi specifici o in combinazione con particolari sistemi di resina. Ad esempio, potrebbero essere considerati per applicazioni che richiedono coefficienti di attrito estremamente bassi o quando sono richieste specifiche caratteristiche superficiali per il prodotto finale.
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Data di pubblicazione: 15 maggio 2025
