Връзката между пластифициращия механизъм на оборудването за екструдиране на PVC и регулирането на формулата

Пластмасовото екструзионно формоване, като формоването на профили или тръби от UPVC (твърд поливинилхлорид), се осъществява основно чрез смесване на PVC смола и свързани добавки, екструзионно формоване, оформяне, теглене и рязане. Сред тях суровините, оборудването за формулиране и операционните процеси са основните фактори на пластмасовото екструзионно формоване, които директно влияят на качеството и производството на екструзионното формоване. Затова тази статия се фокусира върху влиянието на екструзионното оборудване и суровините върху екструзията.

Състав на суровините за UPVC

1. PVC смола

Екструдираните твърди PVC продукти обикновено използват суспензионен метод за свободна смола; степента на полимеризация на S-PVC, размерът на частиците и степента на порьозност трябва да са подходящи. Не е възможно да се използват полиращи агенти със значителни разлики в размера на частиците или свободни смоли с плътни частици.

2. Стабилизатор

Тъй като PVC смолата е термочувствителна смола, когато температурата достигне около 90 до 130 ℃, тя започва да се разлага термично и се отделя нестабилен HCL, а смолата става жълта.

С повишаването на температурата цветът на смолата става по-тъмен, а физичните и химичните свойства на продукта намаляват. За решаване на проблема с разпадането, освен подобряване на производствения процес на смолните суровини, може да се добавят и стабилизатори към PVC смолата, които абсорбират и неутрализират HCL газа и елиминират неговото катализиращо разлагане.

Обикновено използваните стабилизатори са: оловни соли, органични калай, метални сапуни и стабилизатори на редки земни елементи.

3. Лубрикант

Лубрикантите са добавки, които подобряват смазливостта и намаляват интерфейсното прилепване. Техните функции се делят на външни лубриканти, вътрешни лубриканти и вътрешни и външни лубриканти.

Външният лубрикант може да намали триенето между материала и металната повърхност и да предотврати прилепването на UPVC материала към цилиндъра и винта след пластификация.

Вътрешният лубрикант може да намали триенето между частиците вътре в материала, да отслаби сцеплението между молекулите и да намали вискозитета на разтопяването.

Използването на лубриканти има очевидни ефекти за намаляване на натоварването на винта, намаляване на топлината от срязване и увеличаване на производството на екструзия.

4. Пълнител

За подобряване на твърдостта и твърдостта на продукта, намаляване на деформацията на продукта и намаляване на цената на суровините, в производството на UPVC продукти се добавят повече пълнители като CaCO3.

5. Модификатор за обработка (ACR)

Модификаторите за обработка се използват главно за подобряване на обработката на материалите, ускоряване на пластификацията на PVC смолата и подобряване на текучестта, термичната деформация и повърхностния блясък на продуктите.

6. Модификатор за удароустойчивост

Модификаторите за удароустойчивост се използват главно за подобряване на удароустойчивостта на продуктите, увеличаване на здравината на продуктите и подобряване на ефекта на пластификацията. Обикновено използваните модификатори за UPVC са CPE (хлориран полиетилен) и акрилни модификатори за удароустойчивост.

7. Оцветител: титаниев диоксид, черен въглен и др.

Механизъм на пластификация на пластмасовото екструзионно оборудване и влиянието на формулата върху формоването

Има много видове оборудване за пластмасово екструзионно формоване. Основните, които се използват за екструзия на сложни продукти от UPVC, са екструдер с един винт с вентил и екструдер с два винта с противоположна ротация.

По-долу се обсъжда главно механизма на пластификация на широко използваните екструдери за екструзия на UPVC продукти.

1. Екструдер с един винт тип „издухване“:

1.1 Механизъм на пластификация:

Екструдерът с един винт с вентил може да се използва за формоване с прахообразни суровини, екструзия и пелетиране на UPVC.

Винтът се състои от два обикновени единични винта последователно с голямо отношение дължина към диаметър (L/D=25～30). Предният единичен винт се използва главно за абсорбиране на топлина, компресия, разтопяване и хомогенизиране на материала, за да се направи първоначално разтопяване на материала. Задният единичен винт се използва предимно за издухване, разтопяване и хомогенизиране, както и за изграждане на екструзионното налягане.

От издухващия отвор материалът трябва да е в полуразтопено състояние. Издухващият отвор е поставен в транспортната секция на задния винт, където материалът може да се издуха след декомпресия.

В транспортната секция сухият прахообразен материал постепенно се уплътнява, за да се образува “твърдо легло”. Тъй като температурата на материала все още не се е повишила, само въздухът между и вътре в праховите частици се изхвърля.

В секцията за компресия температурата на материала е около 160～170℃. Като обемът на винтовата канавка намалява, налягането се натрупва върху повърхността на материала и цилиндъра, за да принуди материала да мине през празнината между винта и цилиндъра, а напрежението между материала и повърхността на цилиндъра се увеличава. 

Ефектът на абсорбиране на топлина на материала се засилва и тъканта, близо до повърхността на цилиндъра, образува филм от разтопена маса поради срязване, налягане и топлина.

Поради относителното движение на винта и цилиндъра в предната част на винтовата канавка, зоната се събира и постепенно се увеличава, частиците на материала в тази секция се срязват и разтопяват. Тъй като материалът във винтовата канавка получава по-малко срязваща сила, материалът в канавката се пластифицира. Консистенцията му е недостатъчна.

В секцията за хомогенизиране долната диаметър на винта се намалява, така че материалът в средата на спиралната канавка да е близо до цилиндъра, за да насърчи срязването и нагряването, за да се разтопи и допълнително да се хомогенизира.

Долната диаметър на транспортната секция на последния винт (близо до главата на машината) става по-осезаема, а нейното разместване е много по-голямо от това на хомогенизиращата секция на последния винт. Летливите компоненти се отделят и издухващият отвор ще ги изхвърли чрез вакуумна помпа.

Материалът достига до хомогенизиращата секция през втората секция за компресия, а екструзионното налягане се натрупва под действието на матрицата, винта и цилиндъра, за да се образува плътен и равномерен поток от екструзионно формоване от матрицата, където разместването на хомогенизиращата секция е по-голямо от предходната. Едноетапното отстраняване предотвратява замърсяване на материала.

От горните анализи се вижда, че плавянето на единичния винт се причинява главно от въртенето на винта и статичното положение на цилиндъра, а относителното разместване на материала в различните части на канавката се срязва. Материалът се загрява и компресира, а топлопроводимостта между цилиндъра и винта образува басейн от разтопена филм—миграция между течни фази и др.

1.2 Проблеми, на които трябва да се обърне внимание при проектиране на формулата:

При проектиране на формулата на материала за единичен винт трябва да се вземе предвид дългото време за разтопяване на материала в единичния винтов екструдер, очевидното влияние на соларния режим в твърдата транспортна секция върху производителността и необязателното транспортиране на материали.

Поради голямото отношение на дължина към диаметър на единичния винтов екструдер с вентил (обикновено L/D=28～32), материалът се загрява дълго време и не се принуждава да се транспортира. Полезно е да се увеличи количеството на стабилизатора, за да се предотврати прекомерно разлагане—по-продължително и по-голямо натоварване. Подходящо увеличение на лубриканта може да намали въртящия момент на винта.

Разбира се, прекалено много лубрикант вреди на транспортирането на материали и ударните характеристики на продуктите. Може да се появи явление на “задържане на винта” при екструзия, когато мазнината е прекалено много. Разгледайте добавянето на модификатор за удароустойчивост. Увеличаването на количеството модификатор за удароустойчивост ще увеличи въртящия момент на винта.

Добавянето на определено количество пълнител CaCO3 може да увеличи якостта на разтопяването, да намали текучестта на материала и да повлияе на скоростта на пластификацията на материала. Ефектите на CaCO3 с различни размери на частиците също са много различни. Затова количеството CaCO3, добавяно към продуктите за различни цели, варира значително.

Освен това характеристиките на структурата на формата са свързани с размера на екструзионното налягане и оказват особено въздействие върху формулировката.

2. Обратно въртящ се двойношнеков екструдер

Въпреки че механизмът на топене на двойношнековия екструдер се основава на един шнек, принципът на транспортиране е много различен от този на единичния шнек поради наличието на зоната на захващане.

2.1 Класификация на двойношнековите екструдери

Според посоката на работа на шнека, той може да се раздели на:

1. Обратно въртящ се двойношнеков екструдер: посоката на въртене на двата шнека е противоположна.
2. Съвместно въртящ се двойношнеков екструдер: посоката на въртене на двата шнека е еднаква.

Според закона на въртене, обратно въртящият се двойношнеков екструдер може да се раздели на обратно въртящ се навън двойношнеков екструдер и обратно въртящ се навътре двойношнеков екструдер.

Обратно въртящият се навътре двойношнеков екструдер беше елиминиран поради слабата му способност за захранване и големия радиален напрежение, генерирано от материала върху шнека в зоната на каландриране на двата шнека, което води до сериозно износване между цилиндъра и шнека.

Като цяло, обратно въртящият се двойношнеков екструдер се отнася до обратно въртящият се навън двойношнеков екструдер (същото по-долу).

Екструзията на профили от UPVC обикновено използва обратно въртящи се конусни двойношнекови екструдери и обратно въртящи се паралелни двойношнекови екструдери.

2.1.1 Обратно въртящ се конусен двойношнеков екструдер:

Оската на двата шнека и оста на цилиндъра са симетрично разпределени под включен ъгъл α (стойността на α обикновено е между 1° и 2°). Въпреки това посоката на шнека е различна, а диаметърът на двата края на работната секция е различен.

Шнекът с еднаква дълбочина на големите и малките шнекови канали в обикновения конусен двойношнеков екструдер и шнекът със значителна дълбочина на шнековите канали са по-значими от шнека с малка дълбочина на шнековите канали – суперконусен (двойно-конусен) конусен двойношнеков екструдер.

Характеристиките на обратно въртящият се конусен двойношнеков екструдер: голям диаметър на главата на шнека, голяма топлинна капацитет на шнека, дълбок канал (ултра-конус) материал, голяма контактна площ с шнека и цилиндъра, дълго време на престой на материала е полезно за топлопредаването между цилиндъра и шнека и материала. На тази основа дължината на шнека и съотношението на дължината му (обикновено 13-17) при същия дебит е много по-малка от тези на други видове екструдери.

Диаметърът на малката глава на шнека е сравнително малък, времето на престой на материала в екструзионната секция е кратко, линейната скорост на работа на шнека е ниска, а ниската скорост на срязване е полезна за намаляване на триенето между материала и между материала и шнека и цилиндъра.

Когато дебитът на екструзия на профила е в рамките на 400Kg/h, а дебитът на екструзия на тръбната плоча е в рамките на 800Kg/h, трябва да се отдаде предимство на използването на конусен двойношнеков екструдер. Конусният двойношнеков екструдер за екструзия на профили и тръби от UPVC е най-широко използван.

Пластифицираща способност: Пластифициращата способност на екструдерите се дължи на комплексното въздействие на екструзионната система на екструдера, формулировката и параметрите на работния процес.

Не може да се каже кое от пластифициращите умения на конусния двойношнеков и паралелния двойношнеков екструдер е по-добро или по-лошо. То може да се определи само въз основа на анализа на конкретната структура на шнека, състава на формулировката, параметрите на работния процес и формата.

2.1.2 Обратно въртящ се паралелен двойношнеков екструдер:

Оските на двата шнека са паралелни и симетрично разпределени спрямо оста на цилиндъра. Вътрешният и външният диаметър на двата края на работната секция на шнека са еднакви, има сегментирани шнекове и непрекъснато променливи шнекове с постоянен ход.

Сегментиран шнек се отнася до шнек с подкопани канали поради различния брой глави на шнека и различните разстояния между различните функционални секции на шнека.

Непрекъснато променливият ход на плоския двойношнек означава, че няма подкопани канали между различните функционални секции на шнека. Следователно броят на главите на шнека в различните области на приложение е един и същ. Тъй като образуващата линия на шнека и цилиндъра е права, обработката е по-добра.

Шнекът на обратно въртящия се плоско-двойно екструдер може да се извади от изходния край на екструдера, което е удобно за поддръжка на оборудването. Шнекът може да бъде проектиран с променлив ход по цялото протежение. Според съответната информация, напрежението при обработката на материала при екструзия на профила е малко, за да се получи добро качество на екструзия.

Паралелният двойношнеков екструдер се използва сравнително повече, когато обемът на екструзия е голям. Трябва да се отбележи, че дебитът на производствената линия за профили е силно влияние от формата. Формоването на главата на екструдера при висока скорост и отличната форма на продукта в зададената форма често стават ограничение за ограничен дебит.

2.2 Механизмът на пластифициране на конусния двойношнеков екструдер:

Общо казано, екструзионната система на конусния двойношнеков екструдер включва: шнек, цилиндър, нагревателно и охладително устройство и вакуумно отводно устройство.

 2.2.1 Механизъм на пластифициране на материала в конусния двойношнеков екструдер:

⑴ Транспортна секция:

Материалът влиза в транспортната секция от изходния порт и се транспортира напред под действието на шнека. Всеки път, когато шнекът се завърти, материалът в С-образната камера се придвижва напред с един ход.

Поради структурата, обемът на С-образната камера става все по-малък и по-малък, а материалът постепенно се компресира. С увеличаването на контактното налягане между материала и цилиндъра шнека, абсорбцията на топлина се увеличава и температурата на материала бавно се повишава, готова за следващата стъпка на топене.

Тъй като повърхностната площ на цилиндъра и шнека на конусния двойношнеков екструдер се увеличава в транспортната секция, ефективността на топлопроводимостта между материала и цилиндъра и шнека се подобрява.

⑵ Предварително пластифицираща секция:

След като материалите се загрят и компресират в транспортната секция, по-голямата част от въздуха между и вътре в праховите частици се изхвърля, а плътността на материалите се увеличава.

Докато материалът в С-образната камера продължава да се движи напред, материалът, който контактува с цилиндъра и шнека, ще се задържа със същата скорост като цилиндъра или шнека поради адхезия. Под движението на шнека, срязващият ефект е по-силен от материала в средата на шнековия канал. След продължително загряване, той започва да се топи, а материалът в С-образната камера се разтваря в циркулиращ поток от външната към вътрешната страна.

Тъй като обемът на С-образната камера се променя, обменът между вътрешните и външните материали се засилва. Някои производители на екструдери инсталират смесителен резервоар в предварително пластифициращата секция според характеристиките на собствения си екструдер. Целта е да се комуникират материалите в предната и задната С-образни камери, да се засили срязващият ефект и да се улесни обменът на материали между вътрешните и външните слоеве на С-образната камера. Подобрява се ефектът на топене.

След като материалът мине през предварително пластифициращата секция, обилните прахообразни и гранулирани материали се разбиват и материалите са в полутопено състояние.

⑶ Пластифицираща секция:

Известна също като компресираща секция. Обемът на С-образната камера в тази секция рязко се намалява (разместяването на тази секция е само между 0,25 и 0,4 от транспортната зона), а материалите се подлагат на твърдо притискане, срязване и обмен, когато преминават през нея. Така повечето материали са основно в начално пластифицирано състояние.

⑷ Отводна секция:

Смесването от UPVC влиза в секцията за изхвърляне след секцията за транспортиране, предварително пластифициране и компресия, тъй като обемът на камерата с формата на буквата C в секцията за изхвърляне е много по-голям от този на секцията за компресия (обикновено разходът е повече от три пъти по-голям от този на секцията за компресия).

Когато материалът достигне тази секция, налягането намалява и материалът става сегментиран или голям, а газовете и леко летливите компоненти в материала се отделят. Тази секция е оборудвана с отвор за изхвърляне, а газовете се изхвърлят през отвора под действието на вакуумна помпа.

Изхвърлящата функция на екструзионното формоване на UPVC е от съществено значение. В противен случай въздушните балончета в продукта сериозно ще повлияят на механичните свойства.

⑸ Секция за измерване:

 Поради непрекъснатата промяна на обема на камерата с формата на буквата C през секцията за транспортиране, предварително пластифициращата секция, пластифициращата секция и секцията за измерване, както и различния брой глави на шнека във всяка зона на шнека, материалът в камерата с формата на буквата C постоянно променя положението си и след това влиза в секцията за измерване. В резултат на това се допластифицира, хомогенизира и се изгражда екструзионното налягане под действието на матрицата.

Тъй като обемът на камерата с формата на буквата C в секцията за измерване намалява, материалът се компресира отново след хомогенизиране, за да образува плътен и равномерен поток, който се изхвърля през свързващото тяло (преходно тяло), перфорираната плоча и матрицата.

2.3 Пластифициращият механизъм на екструдера с два паралелни шнека с обратно завъртане:

Пластифициращият механизъм на екструдера с два паралелни шнека с обратно завъртане е същият като този на конусния екструдер с два шнека. Разликата е, че диаметърът на шнека и цилиндъра е един и същи навсякъде. Материалът в секцията за захранване има малка площ за абсорбиране на топлина, което е сравнително спрямо секцията за дозиране на шнека. Затова диаметърът е по-голям от този на конусния двоен шнек, а скоростта на шнека не може да бъде твърде висока.

Затова, за да се подобри пластифициращият ефект, съотношението дължина към диаметър на шнека на екструдера с два паралелни шнека с обратно завъртане е по-значимо от това на конусния екструдер с два шнека (обикновено L/D=25-30).

Обемът на камерата с формата на буквата C във всяка секция на екструдера с два паралелни шнека с обратно завъртане се променя многократно като при конусния двоен шнек, а начинът на промяна е същият.

Процесът на трансформация на материалите от UPVC в процеса на обработка не само зависи от състава на смесените съставки, но и има много общо с външните условия на обработка, като температурата на смесените съставки, редът на захранване при смесването, температурата на екструзионния процес, скоростта на шнека и количеството на захранване, както и силата на материала, подложена на смятане.

Обобщение

Тази статия прави фундаментален анализ на механизма на топене и регулирането на формулата на материала в екструдера. Поради високата практичност на технологията за обработка и формоване на полимери, формулата на суровините за продуктите, оборудването за обработка и условията на процеса са доста различни. Затова реалното производство трябва да се комбинира със структурата на производственото оборудване, особено с екструзионната система, състава на съставките, изискванията за производствените характеристики и обема на производството. Освен това трябва да се направи комплексен анализ на влиянието на съставките в добавките върху топенето на материалите, за да се определи разумен производствен процес.