Sobre a Secagem

A secagem de polímeros é um processo complexo e influenciado por muitos factores.

É importante compreender que o filamento pode absorver humidade de várias formas. A humidade pode ser fisicamente adsorvida na superfície do filamento ou nos seus poros e micro-fissuras - assim, os compósitos podem absorver humidade até certo ponto, mesmo baseados em materiais não-higroscópicos. Além disso, esta é a base da diferença na velocidade com que o PETG de diferentes fabricantes absorve humidade - é um filamento muito exigente na produção e as violações do processo tecnológico adicionam defeitos estruturais. Mas muito mais importante é que a humidade pode ser quimicamente adsorvida pelo próprio polímero, como no caso de materiais higroscópicos como poliamidas (nylon), e os mecanismos envolvidos são muito complexos. Não vamos entrar em detalhes desses mecanismos para não ampliar este artigo. Se estiver interessado, pode procurar livros sobre polímeros e construção de máquinas de polímeros.

Após uma revisão breve da literatura sobre este tópico, é possível dizer que o processo de secagem depende de vários factores-chave: a diferença na humidade relativa, a temperatura do polímero e a convecção do ar.

Com a humidade relativa, ou melhor ainda com a diferença de pressão parcial do vapor de água no material e no ambiente, tudo é bastante claro. Basicamente, precisamos que a humidade da atmosfera envolvente seja menor do que a humidade do plástico. O gradiente de concentração de vapor de água criado neste caso força as moléculas de água a migrarem do interior para a superfície do polímero e depois a evaporarem-se na atmosfera. Em princípio, este factor só é suficiente para o plástico começar a secar. É por isso que, de certa forma, os secadores de efeito Peltier funcionam, que essencialmente congelam a humidade do ar. E mesmo se simplesmente colocar plástico bastante húmido numa caixa com silicagel, ele secará (até um certo limite), especialmente se se tratar de humidade adsorvida fisicamente.

Outra questão é que sem aquecimento o processo seria muito ineficiente, especialmente no caso de materiais higroscópicos, onde as moléculas de água se ligam quimicamente às cadeias poliméricas. Grosseiramente falando, aumentar a temperatura dá-nos imediatamente 2 vantagens. Primeiro, aumenta a mobilidade das moléculas de água e das cadeias poliméricas. As moléculas de água adquirem energia adicional, o que lhes permite com maior probabilidade superar a energia da ligação química e separar-se da cadeia polimérica. Além disso, a temperatura afecta a humidade relativa, aumentando o gradiente de concentração de vapor entre o material e a atmosfera e forçando as moléculas de água a migrarem mais activamente do interior para a superfície do polímero, onde evaporam-se com sucesso.

Porém, sem convecção o processo de evaporação da superfície é significativamente dificultado, e isto é especialmente verdadeiro para camadas mais profundas do material que queremos secar - no nosso caso, as voltas internas no carretel. Além disso, se a secagem ocorre num volume fechado, a evaporação da água do plástico aumentará a humidade na atmosfera, abrandando gradualmente o processo de secagem até parar completamente. Ou seja, novamente, apenas com aquecimento é possível secar o plástico apenas até certo ponto, e nem todo ele. Além disso, é importante compreender que o aquecimento do plástico durante a secagem não é inócuo, uma vez que o aumento de temperatura leva ao envelhecimento acelerado e à degradação do polímero, em particular através do processo de hidrólise - a destruição das cadeias poliméricas na reacção com moléculas de água. E enquanto secamos as voltas externas do carretel apenas com aquecimento, a humidade das voltas internas praticamente não é removida, e elas sofrem uniformemente uma hidrólise acelerada. Após um par de ciclos de secagem, a diferença provavelmente não será notável, mas dez ciclos neste modo - e algum PLA no interior do carretel tornar-se-á tão frágil que se quebrará nas mãos.

É aqui que entra em jogo o componente convectivo da secagem, ou seja, o fluxo de ar quente. Primeiro - os fluxos de ar removem mais rapidamente a humidade já evaporada da camada próxima à superfície em torno do filamento e em certa medida circulam através da bobina de filamento, acelerando assim a evaporação e aumentando significativamente a eficiência da secagem, especialmente para as voltas internas. Segundo - ao fornecer novas porções de ar ao secador, deslocamos o ar antigo já húmido e mantemos uma humidade relativa baixa no secador.

Sem dúvida, o ar atmosférico que fornecemos ao secador tem alguma humidade inicial, e o vapor de água dele não desaparece quando entra no secador. Portanto, ainda temos um limite abaixo do qual não podemos baixar a humidade relativa e não conseguiremos secar o filamento. É por isso que em instalações industriais de secagem, por exemplo, de grânulos poliméricos antes da moldagem, vão ainda mais longe - lá o ar é pré-seco antes do aquecimento e da entrada na câmara de secagem. Além disso, as instalações reais podem ser bastante complexas, com secagem em múltiplas etapas ou cíclica, com manipulação de temperatura e ponto de orvalho de acordo com algoritmos específicos, etc. Mas em qualquer caso, a convecção da atmosfera em torno do polímero a secar é assegurada de uma forma ou de outra.

Frequentemente nas comunidades colocam-se questões como "Este secador é bom?", mostrando secadores do AliExpress. Entre eles, um dos secadores chineses prontos mais "reconhecidos" pela comunidade é o Sunlu S2 (nova revisão, com um pequeno ventilador dentro). E com razão. Com base no que foi dito acima, este secador pode secar plástico. Provavelmente, removerá a maior parte da humidade das voltas superiores do filamento com bastante eficiência, e isto será suficiente para ver a diferença na impressão - afinal, são exactamente estas voltas externas que entram primeiro no extrusor, e para uma impressão normal o filamento não precisa estar perfeitamente seco, até os padrões industriais assumem uma percentagem aceitável (e por vezes necessária) de humidade em vários polímeros. Outra questão é que sem um bom fluxo de ar activo, enquanto imprimimos com as voltas externas secas, o filamento no interior do carretel ficará desnecessariamente "cozido no seu próprio sumo".

Quanto à "ventilação", num secador absolutamente hermético a atmosfera mais cedo ou mais tarde ficar saturada com vapor de água e a eficiência da secagem desaparecerá. É verdade que é duvidoso que o secador mostrado no vídeo seja completamente hermético, por isso a humidade excessiva sairá dele, pelo menos devido à diferença de humidade relativa com a atmosfera. Portanto, não acho que ventilação adicional seja muito necessária, mas a substituição do ventilador que fornece convecção por um mais potente pode fazer sentido se o original for muito fraco.

Assim, o design de um secador com um bom fluxo de ar/mistura de ar quente secará mais rápido, de forma mais eficiente e mais segura para o plástico, que no final ficará mais seco mantendo ao máximo as propriedades originais do polímero.

Este artigo é uma versão adaptada da resposta de Victor Shapovalov (por que lhe agradecemos muito) a uma pergunta de um subscritor sobre secagem de filamento em geral e o secador Sunlu S2 em particular. Um grande obrigado pela consultoria durante a preparação deste material a Anton Sovetov (3d-club.ru) e Andrey "Kekht" Korolev (também pela adaptação).