Sobre Secagem

A secagem de polímeros é um processo complexo e sofre influência de muitos fatores.

É importante entender que o filamento pode absorver umidade de várias formas. A umidade pode ser fisicamente absorvida na superfície do filamento ou em seus poros e microfissuras - assim, os compósitos podem absorver umidade até certo ponto, mesmo com base em materiais não higroscópicos. E é justamente isso que fundamenta a diferença na velocidade com que filamentos PETG de diferentes fabricantes absorvem umidade - é um filamento muito caprichoso de produzir e violações no processo tecnológico adicionam defeitos estruturais. Mas muito mais importante é que a umidade pode ser quimicamente absorvida pelo próprio polímero, como no caso de materiais higroscópicos como poliamidas (nylon), e aí os mecanismos são muito, mas muito complexos. Não vamos entrar em detalhes desses mecanismos para não inflar o artigo. Se alguém se interessar - vocês podem procurar livros sobre polímeros e engenharia de polímeros.

Depois de uma leitura superficial da literatura sobre este assunto, pode-se dizer que o processo de secagem depende de vários fatores-chave: a diferença na umidade relativa, a temperatura do polímero e a convecção do ar.

Com umidade relativa, ou melhor ainda com a diferença na pressão parcial do vapor de água no material e no ambiente, tudo é bastante claro. Basicamente, precisamos que a umidade da atmosfera ao redor seja menor que a umidade do plástico. O gradiente de concentração de vapor de água criado neste caso força as moléculas de água a migrarem da profundidade para a superfície do polímero e depois evaporarem para a atmosfera. Em princípio, apenas este fator é suficiente para que o plástico comece a secar. É por isso que, em certa medida, funciona a secagem com elementos Peltier, que basicamente congelam a umidade do ar. E mesmo se você simplesmente colocar plástico úmido o suficiente em uma caixa com sílica gel, ele vai secar (até certo ponto), especialmente se for umidade fisicamente absorvida.

Outra coisa é que sem aquecimento o processo será bastante ineficaz, especialmente no caso de materiais higroscópicos, onde as moléculas de água se ligam quimicamente às cadeias poliméricas. Grosso modo, o aumento de temperatura nos dá 2 vantagens imediatamente. Primeiro, aumenta a mobilidade das moléculas de água e das cadeias poliméricas. As moléculas de água ganham energia adicional, permitindo que superem a energia da ligação química com maior probabilidade e se soltem da cadeia polimérica. Além disso, a temperatura afeta a umidade relativa, aumentando o gradiente de concentração de vapor entre o material e a atmosfera e forçando as moléculas de água a migrarem mais ativamente da profundidade para a superfície do polímero, onde evaporam com sucesso.

No entanto, sem convecção o processo de evaporação da superfície fica significativamente dificultado, e isso é especialmente verdadeiro para as camadas mais profundas do material que queremos secar - no nosso caso, as voltas internas da bobina. Além disso, se a secagem ocorre em um volume fechado, a evaporação de água do plástico aumentará a umidade na atmosfera, desacelerando gradualmente o processo de secagem até que ele pare completamente. Ou seja, novamente, apenas com aquecimento você pode secar o plástico apenas até certo ponto, e mesmo assim nem todo. Ao mesmo tempo, devemos entender que aquecer o plástico durante a secagem não é um procedimento inócuo, pois o aumento de temperatura leva ao envelhecimento acelerado e degradação do polímero, em particular através da hidrólise - a destruição das cadeias poliméricas na reação com moléculas de água. E enquanto secamos as voltas externas da bobina apenas com aquecimento, a umidade das voltas internas praticamente não é removida, e elas estão sujeitas à hidrólise acelerada. Após um casal de secagens a diferença provavelmente não será notável, mas cerca de uma dúzia de ciclos neste modo - e algum PLA no fundo da bobina ficará tão frágil que quebrará nas mãos.

É aqui que a componente convectiva da secagem entra em jogo, ou seja, sopro com ar quente. Primeiro - os fluxos de ar transportam mais rapidamente a umidade já evaporada da camada próxima à superfície em volta do filamento e em certa medida ventilam a bobina de filamento, assim acelerando a evaporação e aumentando significativamente a eficiência da secagem, especialmente para as voltas internas. Segundo - ao forçar novas porções de ar na secadora, deslocamos o ar antigo já úmido e mantemos a umidade relativa baixa na secadora.

Certamente, o ar atmosférico que fornecemos à secadora tem alguma umidade inicial, e o vapor de água dele, quando entra na secadora, não desaparece em lugar nenhum. Então ainda temos um limite abaixo do qual não conseguimos reduzir a umidade relativa e não podemos secar o filamento. Por isso, em instalações industriais de secagem, por exemplo, de grânulas poliméricas antes da moldagem, vão ainda mais longe - lá pré-secam o ar antes do aquecimento e fornecimento à câmara de secagem. Além disso, instalações reais podem ser estruturadas de forma bastante complexa, com secagem em múltiplos estágios ou cíclica, com manipulação de temperatura e ponto de orvalho de acordo com algoritmos específicos etc. Mas em qualquer caso, de uma forma ou de outra, a convecção da atmosfera em torno do polímero a secar é garantida.

Frequentemente nas comunidades fazem a pergunta "Esta secadora é boa?", mostrando secadoras do AliExpress. Entre elas, uma das secadoras chinesas prontas mais "reconhecidas" pela comunidade é a Sunlu S2 (revisão nova, com um pequeno ventilador dentro). E não é à toa. Com base no que foi dito acima, esta secadora pode secar plástico. Provavelmente, ela removerá a maior parte da umidade das voltas superiores do filamento de forma bastante eficaz, e isso será suficiente para ver a diferença na impressão - afinal, são essas voltas externas que vão primeiro ao bico extrusor, e para impressão normal o filamento não precisa estar perfeitamente seco, até mesmo na indústria os padrões permitem um certo (e às vezes necessário) percentual de umidade em vários polímeros. Outra coisa é que sem um bom sopro ativo, enquanto estarmos imprimindo com as voltas externas secas, o filamento no fundo da bobina estará desnecessariamente "cozinhando em seu próprio suco".

Quanto à "ventilação", em uma secadora absolutamente hermética a atmosfera mais cedo ou mais tarde ficará saturada com vapor de água e a eficiência da secagem se tornará nula. Verdade, é duvidoso que a secadora mostrada no vídeo seja tão hermética, então a umidade excessiva ainda sairá dela, pelo menos por causa da mesma diferença na umidade relativa com a atmosfera. Portanto, não acho que ventilação adicional seja muito necessária, mas substituir o ventilador que fornece convecção por um mais potente pode fazer sentido se o original for muito fraco.

Então, a construção de uma secadora com bom sopro/mistura de ar quente secará mais rápido, mais eficientemente e com segurança para o plástico, que no final será mais seco enquanto preserva ao máximo as propriedades originais do polímero.

Este artigo é uma versão adaptada da resposta de Victor Shapovalov (pelo qual agradecemos enormemente) à pergunta de um inscrito sobre a secagem de filamento em geral e da secadora Sunlu S2 em particular. Agradecemos especialmente Anton Sovetov (3d-club.ru) e Andrey "Kekht" Korolev (também pela adaptação) pela consultoria durante a preparação deste material.