Sobre el secado

El secado de polímeros es un proceso complejo influenciado por muchos factores.

Es importante entender que el filamento puede absorber humedad de varias formas. La humedad puede adsorberse físicamente en la superficie del filamento o en sus poros y microgrietas, de modo que incluso los composites basados en materiales no higroscópicos pueden absorber humedad hasta cierto punto. Además, esto explica la diferencia en la velocidad a la que el PETG de diferentes fabricantes absorbe humedad: es un filamento muy caprichoso de producir y las desviaciones en el proceso tecnológico generan defectos estructurales. Pero lo más importante es que la humedad puede adsorberse químicamente por el polímero mismo, como en el caso de los materiales higroscópicos como los poliamidas (nylones), donde los mecanismos son muy complejos. No nos adentraremos en los detalles de estos mecanismos para no extender demasiado el artículo. Si te interesa, puedes buscar libros de texto sobre polímeros e ingeniería de máquinas de polímeros.

Después de una revisión rápida de la literatura sobre este tema, se puede decir que el proceso de secado depende de varios factores clave: la diferencia de humedad relativa, la temperatura del polímero y la convección del aire.

Con respecto a la humedad relativa, o más bien a la diferencia de presión parcial de vapor de agua en el material y en el entorno, todo es bastante claro. Básicamente necesitamos que la humedad de la atmósfera circundante sea menor que la del plástico. El gradiente de concentración de vapor de agua resultante obliga a las moléculas de agua a migrar desde el interior hacia la superficie del polímero y luego evaporarse en la atmósfera. En principio, este factor por sí solo es suficiente para que el plástico comience a secarse. Por eso, en cierta medida, los secadores basados en elementos Peltier funcionan, que esencialmente congelan la humedad del aire. E incluso si simplemente colocas plástico bastante húmedo en una caja con gel de sílice, se secará (hasta cierto límite), especialmente si se trata de humedad adsorbida físicamente.

Sin embargo, sin calentamiento, el proceso será muy ineficiente, especialmente en el caso de materiales higroscópicos, donde las moléculas de agua están químicamente unidas a las cadenas poliméricas. En términos generales, el aumento de temperatura nos proporciona 2 ventajas. Primero, aumenta la movilidad de las moléculas de agua y de las cadenas poliméricas. Las moléculas de agua adquieren energía adicional, lo que les permite superar con mayor probabilidad la energía del enlace químico y desprenderse de la cadena polimérica. Además, la temperatura afecta la humedad relativa, aumentando el gradiente de concentración de vapor entre el material y la atmósfera y obligando a las moléculas de agua a migrar más activamente desde el interior hacia la superficie del polímero, donde se evaporan con éxito.

Sin embargo, sin convección, el proceso de evaporación desde la superficie se ve significativamente dificultado, y esto es especialmente cierto para las capas más profundas del material que queremos secar, en nuestro caso, las vueltas internas en el carrete. Además, si el secado ocurre en un volumen cerrado, la evaporación de agua del plástico aumentará la humedad en la atmósfera, ralentizando gradualmente el proceso de secado hasta que se detenga por completo. Es decir, nuevamente, usando solo calor se puede secar el plástico solo hasta cierto punto, y ni siquiera todo. Sin embargo, es importante entender que calentar el plástico durante el secado no es un procedimiento inofensivo, ya que el aumento de temperatura conduce al envejecimiento acelerado y la degradación del polímero, en particular, a través de la hidrólisis: la descomposición de las cadenas poliméricas en reacción con moléculas de agua. Y mientras secamos las vueltas externas del carrete solo con calor, la humedad de las vueltas internas prácticamente no se elimina, y todas se someten a una hidrólisis acelerada. Después de un par de ciclos de secado la diferencia probablemente no será notable, pero después de una docena de ciclos en este modo, algún PLA en el fondo del carrete se vuelve tan frágil que se rompe en las manos.

Aquí es donde entra en juego el componente de convección del secado, es decir, soplar con aire caliente. Primero, los flujos de aire transportan más rápidamente la humedad ya evaporada de la capa superficial alrededor del filamento y, en cierta medida, soplan a través de la bobina de filamento, acelerando la evaporación y aumentando significativamente la eficiencia del secado, especialmente para las vueltas internas. Segundo, al introducir nuevas porciones de aire en el secador, desplazamos el aire viejo y humedecido y mantenemos baja la humedad relativa en el secador.

Sin duda, el aire atmosférico que suministramos al secador tiene cierta humedad inicial, y el vapor de agua de él no desaparece cuando entra en el secador. Así que aún tenemos un límite por debajo del cual no podemos bajar la humedad relativa y no podemos secar el filamento. Por eso en las instalaciones industriales de secado, por ejemplo, de gránulos de polímero antes del moldeo, van más allá: allí secan previamente el aire antes del calentamiento y la suministración a la cámara de secado. Además, las instalaciones reales pueden ser bastante complejas, con secado multietapa o cíclico, con manipulación de temperatura y punto de rocío según ciertos algoritmos, etc. Pero en cualquier caso, de una forma u otra, se asegura la convección de la atmósfera alrededor del polímero siendo secado.

A menudo en las comunidades se hace la pregunta "¿Es bueno este secador?", mostrando secadores de AliExpress. Entre ellos, uno de los secadores chinos más "reconocidos" por la comunidad es el Sunlu S2 (nueva revisión, con un pequeño ventilador en el interior). Y con razón. Basándome en lo anterior, este secador puede secar plástico. Probablemente eliminará la mayor parte de la humedad de las vueltas externas del filamento de manera bastante eficiente, y esto será suficiente para ver la diferencia en la impresión: al fin y al cabo, son exactamente estas vueltas externas las que van primero al extrusor, y para una impresión normal el filamento no debe estar perfectamente seco, incluso en la industria los estándares implican un cierto porcentaje permitido (y a veces necesario) de contenido de humedad en varios polímeros. Otra cosa es que sin un buen soplado activo, mientras imprimimos con las vueltas externas secas, el filamento en el fondo del carrete estará innecesariamente "cocinándose en su propio jugo".

En cuanto a la "ventilación", en un secador absolutamente hermético la atmósfera tarde o temprano se saturará de vapor de agua y la eficiencia del secado disminuirá a cero. Sin embargo, es cuestionable que el secador mostrado en el video sea completamente hermético, por lo que el exceso de humedad seguirá escapando de él, aunque sea por la diferencia de humedad relativa con la atmósfera. Por lo tanto, no creo que la ventilación adicional sea muy necesaria, pero reemplazar el ventilador que proporciona convección por uno más potente podría tener sentido si el original es demasiado débil.

Así que el diseño del secador con un buen soplado/mezcla de aire caliente secará más rápido, más eficientemente y más seguro para el plástico, que al final estará más seco manteniendo al máximo las propiedades iniciales del polímero.

Este artículo es una versión adaptada de la respuesta de Víktor Shapovalov (por lo que le damos un enorme agradecimiento) a una pregunta de un suscriptor sobre el secado de filamento en general y el secador Sunlu S2 en particular. Un gran agradecimiento por la consultoría durante la preparación de este material a Antón Soviétov (3d-club.ru) y a Andréi "Kekht" Korolev (también por la adaptación).