乾燥について

ポリマーの乾燥は複雑なプロセスであり、多くの要因の影響を受けます。

フィラメントは複数の方法で水分を吸収できることを理解する必要があります。水分はフィラメントの表面に物理的に吸着するか、その細孔とマイクロクラックに吸着する可能性があります。このようにして、非吸湿性材料をベースとした複合材でも、ある程度まで水分を吸収できます。さらに、これは異なるメーカーのPETGが水分を吸収する速度が異なる理由の基礎となっています。これは製造が非常にデリケートなフィラメントであり、製造プロセスの違反により構造欠陥が増加します。しかし、より重要なのは、ポリアミド（ナイロン）などの吸湿性材料の場合、水分がポリマー自体に化学的に吸着できるという事実です。この場合、メカニズムは非常に複雑です。この記事を長くしすぎないために、これらのメカニズムの詳細には立ち入りません。興味のある方は、**ポリマーとポリマー機械の構造に関する教科書**をGoogle検索してください。

この問題に関する文献をざっと確認した後、乾燥プロセスはいくつかの重要な要因に依存していると言えます：相対湿度の差、ポリマーの温度、および空気の対流です。

相対湿度、またはむしろ材料と周囲環境における水蒸気の分圧の差については、すべてがかなり明確です。基本的には、周囲の大気湿度がプラスチックの湿度より低い必要があります。この場合に生じる水蒸気の濃度勾配により、水分子がポリマーの深部から表面へ移動し、さらに大気へ蒸発します。原則として、このファクターだけでプラスチックが乾燥し始めるには十分です。したがって、実際には、ペルチェ素子を使用した乾燥機は、本質的に空気から水分を凍結乾燥させるという観点から機能します。シリカゲルを備えた箱に十分に湿ったプラスチックを投げるだけでも、乾燥します（一定の限度まで）。特に物理吸着水の場合はそうです。

もう1つの問題は、加熱なしではプロセスが非効率的になる可能性があることです。特に吸湿性材料の場合、水分子がポリマー鎖と化学的に結合する場合はそうです。大まかに言うと、温度の上昇は2つの利点をもたらします。まず、水分子とポリマー鎖の可動性が向上します。水分子は追加のエネルギーを獲得し、化学結合のエネルギーを克服して、ポリマー鎖から離れる可能性が高くなります。さらに、温度は相対湿度に影響を与え、材料と大気間の蒸気濃度勾配を増加させ、水分子をより積極的にポリマーの深部から表面へ移動させ、そこで正常に蒸発させます。

しかし、対流なしでは、表面からの蒸発プロセスが大幅に困難になり、特に乾燥したい材料のより深い層、つまりコイル上の内側の巻きに影響します。さらに、乾燥が密閉容積内で発生している場合、プラスチックからの水分の蒸発は大気の湿度を増加させ、乾燥プロセスを徐々に遅くし、最終的には完全に停止させます。つまり、再び、純粋な加熱でプラスチックを乾燥させることができるのは一定の程度までであり、そのすべてではありません。同時に、乾燥プロセス中のプラスチックの加熱は決して無害な手順ではないことを理解する必要があります。温度の上昇は、加速された老化とポリマーの劣化、特に加水分解プロセス（水分子との反応におけるポリマー鎖の破壊）につながるためです。外側の巻きを単純な加熱で乾燥させている間、内側の巻きからの水分はほぼ除去されず、それらは加速された加水分解にさらされます。数回の乾燥では、その差はおそらく目立たないでしょうが、このモードで10サイクル程度行うと、コイルの深部にあるPLAは、手で壊れるほど脆くなります。

ここで、乾燥の対流成分、すなわち熱風による吹き付けが役割を果たします。まず、空気流はすでに蒸発した水分をフィラメントの周りの表面層からより速く除去し、ある程度フィラメントのコイルを吹き通し、蒸発を加速し、乾燥効率を大幅に向上させます。特に内側の巻きには効果的です。第二に、乾燥機に新しい空気ポーションを供給することにより、すでに湿った古い空気を置換し、乾燥機内の低い相対湿度を維持します。

無条件に、乾燥機に供給する大気は初期湿度を持っており、乾燥機に入るときに含まれる水蒸気はどこにも行きません。したがって、相対湿度を下げられず、フィラメントを乾燥させられない制限があります。したがって、例えば成形前のポリマー顆粒を乾燥させるための産業用装置では、加熱および乾燥チャンバーへの供給前に空気をさらに除湿します。さらに、実際の装置はかなり複雑に構成されており、多段階または周期的な乾燥、温度と露点の特定のアルゴリズムに従った操作などが可能です。いずれにしても、乾燥されるポリマーの周りの大気の対流が何らかの形で確保されます。

コミュニティでは、Aliexpressからの乾燥機を示して「この乾燥機は良いですか？」という質問がよく出されます。その中で、最も「コミュニティから認められた」中国製既製乾燥機の1つはSunlu S2です（内部に小型ファンが付いた新しいリビジョン）。無理もありません。上記から、この乾燥機はプラスチックを乾燥させることができます。ほぼ確実に、フィラメントの上部の巻きからほとんどの水分を効率的に除去でき、これは印刷で違いを見るのに十分です。結局のところ、これらの外側の巻きが最初に押出機に入り、正常な印刷にはフィラメントが完全に乾く必要さえなく、産業規格でも各種ポリマーに許容される（時には必要な）水分含有率が想定されています。別の問題は、良好なアクティブな吹き付けなしでは、外側の乾いた巻きで印刷している間、コイルの深部のフィラメントが無駄に「自分の汁で蒸す」ということです。

「換気」に関しては、完全に密閉された乾燥機では、大気はいつかは水蒸気で飽和し、乾燥効率はゼロになります。確かに、ビデオに示された乾燥機が完全に密閉されているかどうかは疑わしいため、過剰な水分は相対湿度と大気間の差の影響を受けてそこから逃げ出します。したがって、追加の換気が必ずしも必要だとは思いません。ただし、対流を確保するファンを、オリジナルが弱すぎる場合、より強力なものに交換することは意味があります。

したがって、優れた吹き付けと熱風の混合を備えた乾燥機の設計は、より速く、より効率的に、そしてプラスチックにとってより安全に乾燥させます。最終的には、ポリマーの元の特性をできるだけ保持しながら、より乾いた状態になります。

この記事は、ビクター・シャポバロフ（彼に大感謝）によるフィラメント乾燥全般およびSunlu S2乾燥機特にに関する購読者の質問への回答の適応版です。この資料の準備過程でのアドバイスをいただいたアントン・ソベトフ（3d-club.ru）とアンドレイ「Kekht」コロレフ（適応版も担当）に大感謝します。