Ultrasuoni per la filatura di fibre polimeriche
La filatura di fibre polimeriche destinate all’impiego in tessili e tessuti è una forma specializzata di estrusione che utilizza una filiera per formare più filamenti sintetici continui. Gli ultrasuoni possono essere utilizzati per diversi tipi di filatura: a secco, a getto umido, da fuso e da gel. Le applicazioni degli ultrasuoni comprendono la pulizia delle filiere, miscelazione, dissoluzione, polimerizzazione e assottigliamento per taglio.
Dissoluzione dei polimeri e trattamento chimico
Per poter essere filato, il polimero deve essere portato allo stato fluido. Pertanto, se non viene fuso, viene disciolto o trattato chimicamente per formare derivati solubili o termoplastici.
In questa fase, i dispositivi a ultrasuoni Hielscher favoriscono e accelerano il processo di dissoluzione, così come l’ interazione chimica con i reagenti. A questo scopo, le particelle solide di polimero vengono sospese nel solvente o nell’acido. Questa miscela viene pompata attraverso un reattore a ultrasuoni oppure trattata in un serbatoio agitato con sonde a ultrasuoni, dove le particelle si dissolvono rapidamente grazie alle elevate forze di taglio generate dalla cavitazione. Si ottiene così una soluzione polimerica omogenea e uniforme. Il video qui sotto mostra una dimostrazione della dissoluzione a ultrasuoni mediante un sonicatore a sonda (UP200St).
Degasaggio delle soluzioni polimeriche
Le soluzioni polimeriche viscose, come quelle di poli(p-fenilene tereftalammide) (PPTA) in acido solforico concentrato, sono viscose e spesso non newtoniane. Le soluzioni richiedono il degasaggio per garantire che dalla filiera fuoriescano fibre continue. Quando gli ultrasuoni vengono applicati per la miscelazione, l’omogeneizzazione o la dissoluzione, favoriscono il degasaggio. Il video qui sotto mostra il degasaggio e la deaerazione dell’olio (in tempo reale).
Pulizia delle filiere a ultrasuoni
Una filiera è una piastra di estrusione con più fori attraverso la quale viene estruso un fluido polimerico per formare fibre sintetiche continue. All’uscita dai piccoli orifizi della filiera di estrusione, il fluido polimerico viscoso inizia a solidificarsi e le singole catene polimeriche tendono ad allinearsi nella fibra per effetto del flusso viscoso. A questo punto, il polimero solido può iniziare ad accumularsi in corrispondenza e all’interno dell’uscita del piccolo orifizio, rallentando il flusso e causando infine l’ostruzione di un canale della piastra di estrusione.
Per acetato, triacetato, acrilico, modacrilico, polibenzimidazolo, spandex o vinyon, il solvente utilizzato per dissolvere il polimero può essere impiegato anche per la pulizia. In questo caso, le forze di taglio generate dalla cavitazione spingono il solvente negli orifizi e favoriscono la dissoluzione.
Per i polimeri filati da fuso, come nylon, olefina, poliestere, saran o sulfar, un trattamento termico prima della sonicazione può contribuire a rendere il polimero più fragile. Questo processo, chiamato combustione in forno, riduce in cenere il polimero indurito. Per la pulizia, si possono utilizzare acqua (con acido fosforico fino al 25wt%) oppure olio come semplice fluido di accoppiamento tra la sonda a ultrasuoni e la filiera.
La sonicazione a sonda è molto più intensa di quella nei serbatoi di pulizia e le onde sonore vengono dirette direttamente verso le uscite dei canali della filiera. Ciò consente una pulizia più profonda e rapida. Per singoli canali e fori, consigliamo di utilizzare l’ UP100H con la punta appuntita MS2. Si tratta di un dispositivo a ultrasuoni conveniente per l’utilizzo manuale o montato su stativo. Per filiere con più fori o piastre di estrusione, l’ UIP1000hdT con una speciale sonda di 100mm di diametro.
Polimerizzazione assistita da ultrasuoni
Nei processi di filatura diretta, le sonde a ultrasuoni Hielscher favoriscono l’interazione tra i reagenti e/o i catalizzatori durante la formulazione e la polimerizzazione del polimero, ad esempio il poliestere.
Trattamento dei gel a ultrasuoni
Nella filatura da gel (ad esempio di polietilene o aramide), i reattori a ultrasuoni possono essere utilizzati per la formulazione del gel e per il suo assottigliamento per taglio prima dell’estrusione. Le forze di taglio generate dalla cavitazione riducono temporaneamente l’interazione tra le catene polimeriche. Ciò provoca una diminuzione della viscosità – richiedendo una pressione inferiore, consentendo di produrre filamenti più sottili o aumentando la produttività dell’estrusione.
Dispersione dei nanomateriali
I reattori a ultrasuoni Hielscher sono un mezzo efficace per la dispersione di nanomateriali, come nanotubi di carbonio, ossidi metallici o pigmenti. La cavitazione ultrasonica rompe gli agglomerati e disperde le particelle in modo omogeneo.