Über das Trocknen

Das Trocknen von Polymeren ist ein komplexer Prozess, der von vielen Faktoren beeinflusst wird.

Es ist wichtig zu verstehen, dass das Filament auf verschiedene Weise Feuchtigkeit aufnehmen kann. Feuchtigkeit kann sich physikalisch auf der Oberfläche des Filaments oder in seinen Poren und Mikrorissen anlagern - auf diese Weise können sogar Verbundstoffe auf Basis nicht-hygroskopischer Materialien bis zu einem gewissen Grad Feuchtigkeit aufnehmen. Dies erklärt auch den Unterschied in der Geschwindigkeit, mit der PETG verschiedener Hersteller Feuchtigkeit aufnimmt - es ist ein sehr anspruchsvolles Filament in der Herstellung, und Abweichungen im Herstellungsprozess führen zu strukturellen Defekten. Noch wichtiger ist, dass Feuchtigkeit vom Polymer selbst chemisch adsorbiert werden kann, wie im Fall von hygroskopischen Materialien wie Polyamiden (Nylonen), wo die Mechanismen sehr komplex sind. Wir werden nicht in die Details dieser Mechanismen eingehen, um den Artikel nicht zu überladen. Wer interessiert ist, kann sich in Lehrbücher über Polymere und Polymermaschinen einlesen.

Nach einer oberflächlichen Sichtung der Literatur zu diesem Thema lässt sich sagen, dass der Trocknungsprozess von mehreren Schlüsselfaktoren abhängt: dem Unterschied in der relativen Luftfeuchtigkeit, der Polymertemperatur und der Luftkonvektion.

Bei der relativen Luftfeuchtigkeit oder eher beim Unterschied des Wasserdampfdrucks im Material und in der Umgebung ist alles ziemlich klar. Grundsätzlich brauchen wir, dass die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung niedriger ist als die Feuchte des Kunststoffs. Der sich in diesem Fall bildende Konzentrationsgradient von Wasserdampf zwingt die Wassermoleküle dazu, von der Tiefe an die Oberfläche des Polymers zu wandern und dann in die Atmosphäre zu verdampfen. Im Prinzip reicht dieser eine Faktor aus, damit der Kunststoff anfängt zu trocknen. Deshalb funktionieren auch Trockner mit Peltierelementen, die Feuchtigkeit aus der Luft gefrieren, bis zu einem gewissen Grad. Und selbst wenn man feuchten Kunststoff einfach in eine Kiste mit Silicagel wirft, wird er austrocknen (bis zu einem bestimmten Limit), besonders wenn es um physikalisch adsorbierte Feuchtigkeit geht.

Das Problem ist, dass der Prozess ohne Wärmezufuhr sehr ineffizient ist, besonders bei hygroskopischen Materialien, wo Wassermoleküle chemisch an Polymerketten gebunden sind. Grob gesagt bietet eine Temperaturerhöhung uns gleich 2 Vorteile. Erstens erhöht sich die Beweglichkeit von Wassermolekülen und Polymerketten. Wassermoleküle erhalten zusätzliche Energie, die ihnen ermöglicht, mit höherer Wahrscheinlichkeit die Energie der chemischen Bindung zu überwinden und sich von der Polymerkette abzulösen. Darüber hinaus beeinflusst die Temperatur die relative Luftfeuchtigkeit, indem sie den Konzentrationsgradient von Dämpfen zwischen dem Material und der Atmosphäre erhöht und die Wassermoleküle dazu zwingt, aktiver von der Tiefe an die Polymeroberfläche zu wandern, wo sie erfolgreich verdampfen.

Ohne Konvektion wird der Verdampfungsprozess von der Oberfläche jedoch erheblich erschwert, besonders für die tieferen Schichten des Materials, das wir trocknen möchten - in unserem Fall die inneren Wicklungen auf der Spule. Außerdem, wenn das Trocknen in einem geschlossenen Raum stattfindet, wird die Verdampfung von Wasser aus dem Kunststoff die Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre erhöhen und den Trocknungsprozess allmählich verlangsamen, bis er ganz stoppt. Das heißt, auch hier kann man den Kunststoff durch reines Erhitzen nur bis zu einem bestimmten Grad trocknen, und nicht einmal das ganz. Dabei muss verstanden werden, dass die Erwärmung des Kunststoffs während des Trocknens keineswegs harmlos ist, da die Temperaturerhöhung zu beschleunigter Alterung und Polymerabbau führt, insbesondere durch Hydrolyse - den Bruch von Polymerketten in Reaktion mit Wassermolekülen. Während wir die äußeren Wicklungen der Spule durch einfaches Erhitzen trocknen, wird die Feuchtigkeit von den inneren Wicklungen kaum abgeleitet, und sie unterliegen zusammenhängend beschleunigtem Hydrolyseprozess. Nach ein paar Trocknungszyklen ist der Unterschied wahrscheinlich nicht merklich, aber nach etwa zehn Zyklen in diesem Modus wird PLA in der Tiefe der Spule so spröde, dass es in den Händen bricht.

Hier kommt die Konvektionskomponente des Trocknens ins Spiel, nämlich das Durchblasen mit heißer Luft. Erstens transportieren Luftströme schneller bereits verdampfte Feuchtigkeit aus der oberflächennahen Schicht um das Filament ab und durchlüften das Filamentpaket teilweise, was die Verdampfung beschleunigt und die Trocknungseffizienz erheblich erhöht, besonders für die inneren Wicklungen. Zweitens: Wenn wir neue Portionen Luft in den Trockner pumpen, verdrängen wir die alte, bereits feuchte Luft und halten die relative Luftfeuchtigkeit im Trockner niedrig.

Selbstverständlich hat die Atmosphärenluft, die wir in den Trockner leiten, eine gewisse anfängliche Feuchte, und die Wasserdampf aus ihr verschwindet nicht, wenn sie in den Trockner gelangt. Daher haben wir immer noch eine Grenze, unter die wir die relative Luftfeuchtigkeit nicht senken und das Filament nicht trocknen können. Deshalb gehen industrielle Anlagen zum Trocknen von beispielsweise Polymergranulat vor dem Spritzen noch weiter - dort wird die Luft vor dem Erhitzen und der Zuleitung in die Trocknungskammer vorgetrocknet. Darüber hinaus können echte Anlagen ziemlich komplex aufgebaut sein, mit mehrstufigen oder zyklischen Trocknungen, mit Manipulation von Temperatur und Taupunkt nach bestimmten Algorithmen usw. Aber in jedem Fall wird irgendwie eine Konvektion der Atmosphäre um das getrocknete Polymer gewährleistet.

Oft werden in Online-Communities Fragen wie "Ist dieser Trockner gut?" gestellt, mit Bildern von Trocknern von AliExpress. Unter ihnen gilt der Sunlu S2 (neue Revision, mit kleinem Lüfter innen) als einer der am meisten von der Community anerkannten fertigen chinesischen Trockner. Und das ist berechtigt. Basierend auf dem oben Gesagten kann dieser Trockner Kunststoff trocknen. Höchstwahrscheinlich wird er den Großteil der Feuchtigkeit aus den äußeren Wicklungen des Filaments ziemlich effizient entfernen, und das wird ausreichen, um einen Unterschied beim Druck zu sehen - schließlich gehen gerade diese äußeren Wicklungen als erste in die Extruderin, und für normales Drucken muss das Filament nicht perfekt trocken sein. Auch in der Industrie sehen Standards einen bestimmten zulässigen (manchmal sogar erforderlichen) Feuchtigkeitsprozentsatz in verschiedenen Polymeren vor. Das Problem ist, dass ohne gutes aktives Durchblasen während des Drucks mit den trockenen äußeren Wicklungen das Filament in der Tiefe der Spule nutzlos "in seinem eigenen Saft" schmoren wird.

Was die "Belüftung" betrifft, wird in einem absolut hermetischen Trockner die Atmosphäre früher oder später mit Wasserdampf gesättigt sein, und die Trocknungseffizienz wird gegen Null gehen. Allerdings ist es fraglich, ob der im Video gezeigte Trockner wirklich vollständig dicht ist, daher wird die überschüssige Feuchte trotzdem aus ihm entweichen, zumindest durch den gleichen Unterschied in der relativen Luftfeuchtigkeit mit der Atmosphäre. Daher denke ich nicht, dass zusätzliche Belüftung besonders notwendig ist, aber der Austausch des Lüfters, der die Konvektion bereitstellt, gegen einen stärkeren könnte sinnvoll sein, wenn der ursprüngliche zu schwach ist.

Die Konstruktion eines Trockners mit gutem Durchblasen/Mischen von heißer Luft wird also schneller, effizienter und sicherer für den Kunststoff trocknen, der am Ende trockener wird, während die ursprünglichen Polymereigenschaften maximal erhalten bleiben.

Dieser Artikel ist eine adaptierte Version einer Antwort von Viktor Shapovalov (wofür wir ihm sehr dankbar sind) auf eine Frage eines Abonnenten zum Trocknen von Filament im Allgemeinen und zum Sunlu S2 Trockner im Besonderen. Großer Dank an Anton Sovetov (3d-club.ru) und Andrey "Kekht" Korolev für die Beratung bei der Vorbereitung dieses Materials (sowie für die Anpassung).