O sušení

Sušení polymerů je komplexní proces, který ovlivňuje mnoho faktorů.

Je třeba pochopit, že filament může vláhu vstřebávat několika způsoby. Vláha se může fyzicky adsorbovat na povrchu filamentu nebo v jeho porách a mikrotrhlinkách - takto mohou do určité míry vstřebávat vlhkost kompozity i na bázi nehygoskopických materiálů. A právě na tom je založen rozdíl v rychlosti, kterou vstřebává vlhkost PETG různých výrobců - je to ve výrobě velmi náročný filament a porušení technologického procesu přidávají strukturální vady. Ale mnohem důležitější je, že vláha se může chemicky adsorbovat samotným polymerem, jako v případě hygoskopických materiálů typu polyamidů (nylonů), a tam jsou mechanismy velmi a velmi složité. Nebudeme se pouštět do detailů těchto mechanismů, abychom nenatahovali článek. Kdo by měl zájem - můžete si vyhledat učebnice o polymerech a stavbě polymerních strojů.

Po letmém seznámení se s literaturou k tomuto tématu lze říci, že proces sušení závisí na několika klíčových faktorech: rozdílu relativní vlhkosti, teploty polymeru a konvekci vzduchu.

S relativní vlhkostí, nebo spíše s rozdílem parciálního tlaku vodních par v materiálu a v okolním prostředí, je vše dost jasné. Základně potřebujeme, aby byla vlhkost okolní atmosféry nižší než vlhkost plastu. Vzniklý gradient koncentrace vodních par v tomto případě nutí molekuly vody migrovat z hloubky na povrch polymeru a dále se vypařovat do atmosféry. V zásadě stačí právě tento faktor, aby se plast začal sušit. Proto vlastně do určité míry fungují sušičky na Peltierových prvcích, které v podstatě vymrazují vlhkost ze vzduchu. A i když prostě hodíte dostatečně vlhký plast do krabice se silikagelem, vyschne se (do určité míry), zvláště pokud jde o fyzicky adsorbovanou vlhkost.

Jinak je to s tím, že bez ohřevu by byl proces velmi neúčinný, zejména v případě hygoskopických materiálů, kde se molekuly vody chemicky vážou s polymery řetězci. Zhruba řečeno, zvýšení teploty nám dává hned 2 výhody. Za prvé se zvyšuje mobilita molekul vody a polymerních řetězců. Molekuly vody získávají dodatečnou energii, která jim umožňuje s větší pravděpodobností překonat energii chemické vazby a odtrhnout se od polymerního řetězce. Kromě toho teplota ovlivňuje relativní vlhkost, zvětšuje gradient koncentrace par mezi materiálem a atmosférou a nutí molekuly vody intenzivněji migrovat z hloubky na povrch polymeru, kde se úspěšně vypařují.

Avšak bez konvekce se proces vypařování z povrchu výrazně komplikuje, a to zejména u hlubších vrstev materiálu, který chceme vysušit - v našem případě vnitřních závitů na cívce. Navíc, pokud sušení probíhá v uzavřeném prostoru, bude vypařování vody z plastu zvyšovat vlhkost v atmosféře, postupně zpomalovat proces sušení, až se úplně zastaví. To znamená, že pouhou ohřevem lze plast vysušit pouze do určité míry, a ještě ne všude. Přitom je třeba chápat, že ohřívání plastu během sušení není rozhodně neškodný proces, protože zvýšení teploty vede k zrychlenému stárnutí a degradaci polymeru, zejména v procesu hydrolýzy - roztrhávání polymerních řetězců v reakci s molekulami vody. A zatímco sušíme vnější závity cívky pouhou ohřevem, vlhkost z vnitřních závitů se prakticky neodvádí a ty společně procházejí zrychlenou hydrolýzou. Po páru či trojici sušení nebude rozdíl pravděpodobně znatelný, ale desítka cyklů v takovém režimu - a nějaký PLA v hloubce cívky se stane tak křehkým, že se vám zlomí v rukou.

Právě tady vstupuje do hry konvekční složka sušení, totiž ofuková horký vzduchem. Za prvé - proudy vzduchu rychleji odnášejí již vypařenou vlhkost z vrstvy blízko povrchu kolem filamentu a do určité míry produvují svitek filamentu, čímž urychlují vypařování a podstatně zvyšují efektivitu sušení, zejména pro vnitřní závity. Za druhé - když do sušičky přivádíme nové porce vzduchu, vytlačujeme starý již zvlhčený vzduch a udržujeme nízkou relativní vlhkost v sušičce.

Samozřejmě atmosférický vzduch, který přivádíme do sušičky, má určitou počáteční vlhkost, a vodní páry z něj při vstupu do sušičky nikam nezmizí. Takže máme stále limit, pod který si relativní vlhkost nesníží a filament nevysušíme. Proto v průmyslových zařízeních na sušení, například polymerní granule před vstřikováním, jdou ještě dále - tam se vzduch nejdříve vysušuje před ohřevem a přivedením do sušící komory. Navíc skutečná zařízení mohou být konstruována poměrně složitě, s vícestadiální nebo cyklickou sušením, s manipulací teploty a rosného bodu podle určitých algoritmů atd. Ale v každém případě se tak či onak zajišťuje konvekce atmosféry kolem sušeného polymeru.

V komunitách se často ptají "Je tato sušička dobrá?", přičemž ukazují sušičky z AliExpressu. Mezi nimi je jednou z nejčastěji "uznávaných" komunitou hotových čínských sušiček Sunlu S2 (nové revize, s malým ventilákem uvnitř). A právem. Na základě výše uvedeného může tato sušička plast sušit. S největší pravděpodobností odstraní značnou část vlhkosti z horních závitů filamentu poměrně účinně, a to bude stačit na to, abyste viděli rozdíl na tisku - ostatně právě tyto vnější závity jdou v první řadě do extrudéru, a pro normální tisk nemusí být filament ideálně suchý, dokonce i v průmyslu jsou standardy takové, že předpokládají určité přípustné (a někdy - nezbytné) procento obsahu vlhkosti v různých polymerech. Jinak je to s tím, že bez dobrého aktivního obtoku, zatímco budeme tisknout vnějšími suchými závity, bude filament v hloubce cívky zbytečně "vařit se v sobě".

Pokud jde o "větrání", v absolutně hermetické sušičce se atmosféra dříve nebo později nasytí vodními parami a efektivnost sušení se bude snižovat. Sice je pochybné, že sušička zobrazená ve videu je zcela hermetická, takže přebytečná vlhkost z ní přesto uletí, alespoň kvůli rozdílu v relativní vlhkosti s atmosférou. Proto si nemyslím, že by dodatečné větrání bylo velmi nutné, ale nahrazení ventilátoru zajišťujícího konvekci výkonnějším by mohlo mít smysl, pokud je originální příliš slabý.

Takže konstrukce sušičky právě s dobrým obtočením/míšením horkého vzduchu bude sušit rychleji, efektivněji a bezpečněji pro plast, který nakonec bude suššnější s maximálním zachováním původních vlastností polymeru.

Tento článek je adaptovaná verze odpovědi Viktora Shapovalova (za což mu patří velké poděkování) na otázku jeho odběratele týkající se sušení filamentu obecně a sušičky Sunlu S2 zvláště. Za konzultace v průběhu přípravy tohoto materiálu děkujeme Antonu Sovetovovi (3d-club.ru) a Andreji "Kekht" Korolevovi (také za adaptaci).