Vztah mezi plastifikačním mechanismem vytlačovacího zařízení a úpravou vzorce

Plastové extruzní vytváření, jako je tvarování profilů nebo trubek z UPVC (tvrdý polyvinylchlorid), se provádí především pomocí směsi PVC pryskyřice a příbuzných přísad, extruzního tvarování, formování, tahání a řezání. Mezi nimi jsou suroviny, zařízení na recepturu a provozní postupy hlavními faktory tohoto procesu. plastové extruzní vytváření, které přímo ovlivňují kvalitu a výstup extruzního vytváření. Proto se tento článek zaměřuje na vliv extruzního zařízení a surovin na extruzi.

Složení surovin pro UPVC

1. PVC pryskyřice

Extrudované tvrdé produkty z PVC obvykle používají suspenzní metodu volné pryskyřice; polymerizační stupeň S-PVC, velikost částic a stupeň poréznosti by měly být vhodné. Nelze používat leštěnky s výraznými rozdíly ve velikosti částic ani volné pryskyřice s hustými částicemi.

2. Stabilizátor

Protože PVC pryskyřice je tepelně citlivá pryskyřice, při teplotě kolem 90 až 130 ℃ začne termicky degradovat a uvolňovat nestabilní HCL, což způsobí žloutnutí pryskyřice.

S rostoucí teplotou se barva pryskyřice stává tmavší a fyzikální i chemické vlastnosti produktu se snižují. Pro vyřešení problému degradace lze kromě zlepšení výrobního procesu pryskyřičných surovin do PVC pryskyřice přidat stabilizátory, které pohlcují a neutralizují HCL plyn a eliminují jeho katalytický degradační efekt.

Běžně používané stabilizátory jsou: olovnaté soli, organické slitiny cínů, kovové mýdla a stabilizátory vzácných earth.

3. Lubrikant

Lubrikanty jsou přísady ke zlepšení kluznosti a snížení interfaciální adheze. Jejich funkce se dělí na vnější lubrikanty, vnitřní lubrikanty a vnitřní i vnější lubrikanty.

Vnější lubrikant může snížit tření mezi materiálem a kovovým povrchem a zabránit přilnutí UPVC materiálu k válci a šroubu po plastifikaci.

Vnitřní lubrikant může snížit tření mezi částicemi uvnitř materiálu, oslabit kohezi mezi molekulami a snížit viskozitu taveniny.

Použití lubrikantů má zřetelné účinky na snížení zátěže šroubu, snížení tepelného horka a zvýšení výstupu extruze.

4. Plnivo

Pro zlepšení tvrdosti a tuhosti produktu, snížení deformace produktu a snížení nákladů na suroviny se při výrobě UPVC produktů přidává více plniv jako CaCO3.

5. Zpracovatelský modifikátor (ACR)

Zpracovatelské modifikátory se používají zejména k zlepšení zpracovatelských vlastností materiálů, urychlení plastifikace PVC pryskyřice a zlepšení tekutosti, tepelné deformace a povrchového lesku produktů.

6. Modifikátor odolnosti proti nárazu

Modifikátory odolnosti proti nárazu se používají zejména k zlepšení odolnosti produktů proti nárazu, zvýšení houževnatosti produktů a zlepšení plastifikačního efektu. Běžně používané modifikátory pro UPVC jsou CPE (chlorovaný polyethen) a akrylové modifikátory odolnosti proti nárazu.

7. Barvící látka: oxid titaničitý, černý uhlík atd.

Plastifikační mechanismus plastového extruzního zařízení a vliv receptury na vytváření

Existuje mnoho zařízení pro plastové extruzní vytváření. Hlavní používané pro extruzi složitých produktů z UPVC jsou ventilační jednoválcové extrudéry a protirotující dvouválcové extrudéry.

Následující text se zaměřuje především na plastifikační mechanismus běžně používaných extrudérů pro extruzi UPVC produktů.

1. Ventilační typ jednoválcového extrudéru:

1.1 Plastifikační mechanismus:

Ventilační jednoválcový extrudér lze použít pro práškové formování, extruzi a peletizaci UPVC.

Šroub se skládá ze dvou obyčejných jednoválcových šroubů v sérii s velkým poměrem délky k průměru (L/D=25～30). První přední šroub slouží především k absorpci tepla, kompresi, tavení a homogenizaci materiálu, aby se materiál zpočátku rozpustil. Zadní šroub slouží především k ventilaci, tavení a homogenizaci a budování extruzního tlaku.

Od výfukového otvoru by měl být materiál v polo-roztaveném stavu. Výfukový otvor je umístěn v transportní části zadního šroubu, kde může být materiál po dekomprese vypuštěn.

V transportní části je suchý práškový materiál postupně zhutňován a tvoří “pevnou vrstvu”. Protože teplota materiálu ještě není vysoká, odchází pouze vzduch mezi a uvnitř částic prášku.

V kompresní části je teplota materiálu asi 160～170℃. Jak se objem šroubové drážky zmenšuje, tlak narůstá na povrchu materiálu a válce a nutí materiál projít mezerou mezi šroubem a válcem, přičemž napětí mezi materiálem a povrchem válce roste. 

Efekt absorpce tepla materiálu se zvyšuje a tkanina blízká povrchu válce tvoří taveninovou film kvůli střihu, tlaku a teplu.

Díky relativnímu pohybu šroubu a válce v přední části šroubové drážky se oblast shromažďuje a postupně zvětšuje, částice materiálu v této části jsou stříhané a tavené. Protože materiál v šroubové drážce dostává menší střihovou sílu, je materiál v šroubové drážce plastifikován. Konzistence je nedostatečná.

V homogenizační části se snižuje spodní průměr šroubu tak, aby materiál ve středu spirálové drážky byl blízko válce a podporoval střih a ohřev k tavení a dalšímu dokončení tavení materiálu a jeho homogenizaci.

Spodní průměr transportní části posledního šroubu (blízko hlavy stroje) se stává výraznějším a jeho posun je mnohem větší než u homogenizační části posledního šroubu. Případné těkavé složky se uvolňují a výfukový otvor je odváděn vakuumovým čerpadlem.

Materiál dosahuje homogenizační části skrze druhou kompresní část a extruzní tlak se buduje působením matice, šroubu a válce, aby vznikl hustý a homogenní tok extruzního vytváření z matice, kde posun homogenizační části je větší než u předchozí. Jednofázové odstranění zabraňuje znečištění materiálu.

Z výše uvedené analýzy je patrné, že tavení jednoválcového šroubu je způsobeno především rotací šroubu a statickým pohybem válce a relativním posunem materiálu v různých částech drážky je stříhán. Materiál je ohříván a komprimován a tepelná vodivost mezi válcem a šroubem tvoří taveninový filmový bazén—migrace mezi kapalnými fázemi atd.

1.2 Problémy, na které je třeba dbát při návrhu receptury:

Při návrhu receptury pro jednoválcový šroub je třeba zohlednit dlouhou dobu tavení materiálu v jednoválcovém extrudéru, zřetelný vliv sekulárního stavu v pevné transportní části na produktivitu a ne-musí být nutný transport materiálu.

Díky velkému poměru struktury ventilačního jednoválcového extrudéru (obvykle L/D=28～32) je materiál dlouho ohříván a není nutný k přesunu. Je vhodné zvýšit množství stabilizátoru, aby se zabránilo přehřátí a dekompozici—delší a větší zátěž. Přiměřené zvýšení lubrikantu může snížit kroutící moment šroubu.

Samozřejmě příliš mnoho lubrikantu škodí transportu materiálu a odolnosti produktů. Může dojít k jevu “držení šroubu” při extruzi, pokud je tuku příliš mnoho. Zvažte přidání modifikátoru odolnosti proti nárazu. Zvýšení množství modifikátoru odolnosti proti nárazu zvýší kroutící moment šroubu.

Přidání určitého množství plniva CaCO3 může zvýšit pevnost taveniny, snížit tekutost materiálu a ovlivnit rychlost plastifikace materiálu. Účinky CaCO3 s různou velikostí částic jsou také velmi odlišné. Proto se množství CaCO3 přidávané do produktů pro různé účely liší velmi výrazně.

Navíc jsou charakteristiky struktury formy spojeny s velikostí extruzního tlaku a mají zvláštní vliv na formulaci.

2. Protiprotékající dvojitý šroubový extruder

Ačkoli je mechanismus tavení dvojitého šroubového extrudera založen na jednom šroubu, princip dopravy se liší od toho u jednoho šroubu kvůli existenci zóny souhry.

2.1 Klasifikace dvojitých šroubových extruderů

Podle směru provozu šroubů lze rozdělit na:

1. Protiprotékající dvojitý šroubový extruder: směr otáčení obou šroubů je opačný.
2. Souhrající dvojitý šroubový extruder: směr otáčení obou šroubů je stejný.

Podle zákona o otáčení lze protiprotékající dvojitý šroubový extruder rozdělit na protiprotékající vnější dvojitý šroubový extruder a protiprotékající vnitřní dvojitý šroubový extruder.

Protiprotékající vnitřní dvojitý šroubový extruder byl vyřazen kvůli své špatné přívodní schopnosti a velké radiální síle, kterou materiál vyvíjí na šroub v kalendářové oblasti obou šroubů, což vedlo k silnému opotřebení mezi válcem a šroubem.

Obecně řečeno, protiprotékající dvojitý šroubový extruder označuje protiprotékající vnější dvojitý šroubový extruder (stejně níže).

Extruce UPVC profilů obecně používá protiprotékající kuželové dvojité šroubové extrudery a protiprotékající rovnoběžné dvojité šroubové extrudery.

2.1.1 Protiprotékající kuželový dvojitý šroubový extruder:

Osa obou šroubů a osa válce jsou symetricky rozloženy pod úhlem α (hodnota α je obecně mezi 1° a 2°). Směr šroubů je však odlišný, průměr obou konců pracovní části je různý.

Šroub s stejnou hloubkou velkých i malých šroubových drážek v běžném kuželovém dvojitém šroubovém extruderu a šroub s výraznou hloubkou šroubových drážek jsou významnější než šroub s menší hloubkou drážky superkuželového (dvojkuželového) kuželového dvojitého šroubového extruderu.

Vlastnosti protiprotékajícího kuželového dvojitého šroubového extruderu: velký průměr hlavice šroubu, velká tepelná kapacita šroubu, hluboká drážka (ultra-kužel) materiálu, velká kontaktní plocha se šroubem a válcem, dlouhá doba pobytu materiálu je prospěšná pro tepelný přenos mezi válcem a šroubem a materiálem. Na základě tohoto bodu je délka šroubu a poměr stran (obvykle 13–17) při stejném výkonu mnohem menší než u jiných typů extruderů.

Průměr malé hlavice šroubu je relativně malý, doba pobytu materiálu v extruzní části je krátká, lineární rychlost otáčení šroubu je nízká a nízká střihová rychlost je prospěšná pro snížení třecího tepla mezi materiálem a mezi materiálem a šroubem a válcem.

Když je extruzní rychlost profilu do 400 kg/h a extruzní rychlost trubkového plechu do 800 kg/h, měla by se přednostně použít kuželová dvojitá šroubová extruder. Kuželový dvojitý šroubový extruder pro extruzi UPVC profilů a trubek je nejpoužívanější.

Plastifikující kapacita: Plastifikující kapacita extruderů vychází ze souhrnného působení extruzního systému extrudera, formule a provozních procesních parametrů.

Plastifikující schopnost kuželového dvojitého šroubového a rovnoběžného dvojitého šroubového extrudera nelze říci, který je lepší nebo horší. Lze ji určit pouze na základě analýzy konkrétní struktury šroubu, složení formule, provozních procesních parametrů a formy.

2.1.2 Protiprotékající rovnoběžný dvojitý šroubový extruder:

Osy obou šroubů jsou rovnoběžné a symetricky rozloženy s osou válce. Vnitřní a vnější průměry obou konců pracovní části šroubu jsou stejné, existují segmentované šrouby a šrouby s kontinuálně proměnlivým závitem.

Segmentovaný šroub označuje šroub s podřezanými drážkami kvůli různému počtu hlavic a různému rozteči mezi různými funkčními sekcemi šroubu.

Kontinuálně proměnlivý závit plackového dvojitého šroubu znamená, že mezi různými funkčními sekcemi šroubu není žádná podřezaná drážka. Proto je počet hlavic šroubu ve různých aplikačních oblastech stejný. Protože generátorka šroubu a válce je přímá, zpracovatelnost je lepší.

Šroub protiprotékajícího plackového dvojitého extrudera lze vyjmout z výstupního konce extrudera, což je vhodné pro údržbu zařízení. Šroub lze navrhnout jako celokurzovou konstrukci s proměnlivým závitem. Podle relevantních informací je zpracovatelské napětí na materiál při extruzi profilu malé, aby se dosáhlo dobré kvality extruze.

Rovnoběžný dvojitý šroubový extruder se používá relativně více při velkém objemu extruze. Je třeba si uvědomit, že výkon výrobní linky profilů je silně ovlivněn formou. Formování hlavy extrudera při vysoké rychlosti a vynikající tvar výrobku v utvářecí formě se často stává uzavíracím bodem omezeného výkonu.

2.2 Mechanismus plastifikace kuželového dvojitého šroubového extrudera:

Obecně extruzní systém kuželového dvojitého šroubového extrudera zahrnuje: šroub, válec, topný a chladicí zařízení a vakuové odvodňovací zařízení.

 2.2.1 Mechanismus plastifikace materiálu kuželového dvojitého šroubového extrudera:

⑴ Dopravní sekce:

Materiál vstupuje do dopravní sekce z výstupního portu a je dopravován vpřed působením šroubu. Při každém otáčení šroubu se materiál v C-tvaré komoře posune o jeden závit.

Díky struktuře se objem C-tvaré komory stále zmenšuje a materiál je postupně stlačován. Jak stoupá kontaktní tlak mezi materiálem a válcem šroubu, zvyšuje se absorpce tepla a teplota materiálu pomalu stoupá, připravuje se na další krok tavení.

Protože se v dopravní sekci zvětšuje povrchová plocha válce a šroubu kuželového extrudera, zlepšuje se efektivita tepelné vodivosti mezi materiálem a válcem a šroubem.

⑵ Sekce předplastifikace:

Poté, co jsou materiály ohřáté a stlačené v dopravní sekci, je většina vzduchu mezi a uvnitř práškových částic odvedena a hustota materiálů se zvyšuje.

Jak se materiál v C-tvaré komoře stále posouvá vpřed, materiál v kontaktu s válcem a šroubem bude udržován ve stejné rychlosti jako válec nebo šroub díky adhezi. Pod pohybem šroubu je střihový efekt silnější než u materiálu uprostřed šroubové drážky. Po dlouhém ohřevu začíná tát a materiál v C-tvaré komoře se rozpouští v cirkulačním toku zvenčí dovnitř.

Jak se mění objem C-tvaré komory, zvyšuje se výměna vnitřního a vnějšího materiálu. Někteří výrobci extruderů instalují míchací nádrž v předplastifikační sekci podle charakteristik extruderu své společnosti. Účelem je propojit materiály v přední a zadní C-tvaré komoře, zvýšit střihový efekt a usnadnit výměnu materiálu mezi vnitřní a vnější vrstvou C-tvaré komory. Zlepšit efekt tavení.

Po průchodu materiálu předplastifikační sekci jsou dostatečné práškové a granulované materiály rozbité a materiály jsou v polo-roztaveném stavu.

⑶ Sekce plastifikace:

Také známá jako sekce komprese. Objem C-tvaré komory v této sekci se prudce snižuje (posun této sekce je pouze mezi 0,25 a 0,4 dopravní oblasti), a materiály jsou při průchodu vystaveny pevnému stlačení, střihu a výměně. Tímto způsobem je většina materiálů v zásadě v počátečním plastifikovaném stavu.

⑷ Sekce odvodu:

Směs UPVC vstupuje do odvodňovací části po části dopravní, předplastifikace a komprese, protože objem C-tvarované komory v odvodňovací části je mnohem větší než objem komprese (obecně je zdvih více než třikrát větší než u komprese).

Když materiál dosáhne této části, tlak se snižuje a materiál se stane segmentovaným nebo velkým; plyn a nízkomolekulární prchavé složky v materiálu jsou uvolněny. Tato část je vybavena odvětrávacím otvorem a plyn je odváděn skrze tento otvor působením vakuového čerpadla.

Odvodňovací funkce extruzní formy pro UPVC je zásadní. V opačném případě budou vzduchové bubliny ve výrobku vážně ovlivňovat mechanické vlastnosti.

⑸ Měřicí část:

 Díky nepřetržité změně objemu C-tvarované komory prostřednictvím části dopravy, předplastifikace, plastifikace a měření, a různému počtu hlav šroubu v každé oblasti šroubu se materiál v C-tvarované komoře neustále mění svou polohu a pak vstupuje do měřící části. V důsledku toho dochází k další plastifikaci, homogenizaci a nahromadění extruzního tlaku pod působením trysky.

Protože objem C-tvarované komory v měřicí části se snižuje, je materiál po homogenizaci znovu stlačován, aby vytvořil hustou a homogenní tekutinu, která je vytlačována skrze spojovací tělo (přechodové tělo), perforovanou desku a trysku.

2.3 Mechanismus plastifikace protirotujícího paralelního dvojitě šroubového extrudéru:

Mechanismus plastifikace protirotujícího paralelního dvojitě šroubového extrudéru je stejný jako u konického dvojitě šroubového extrudéru. Rozdíl je v tom, že průměr šroubu a válce je všude stejný. Materiál v části přívodu má menší plochu absorpce tepla ve srovnání s částí měření šroubu. Proto je průměr větší než u kuželového dvojitého a otáčky šroubu nemohou být příliš vysoké.

Proto, aby se zlepšil plastifikační efekt, je poměr délky k průměru šroubu protirotujícího paralelního dvojitě šroubového extrudéru významnější než u konického dvojitě šroubového extrudéru (obecně L/D=25-30).

Objem C-tvarované komory v každé části protirotujícího paralelního dvojitě šroubového extrudéru se opakovaně mění jako u kuželového dvojitého, a režim změny je stejný.

Proces transformace materiálů UPVC v procesu zpracování souvisí nejen s obsahem směsných surovin, ale také s externími zpracovatelskými podmínkami, jako je teplota směsných surovin, pořadí přívodu při míchání, teplota extruzního procesu, otáčky šroubu a množství přiváděného materiálu a síla materiálu působící na soudržnost.

Souhrn

Tento článek provádí základní analýzu mechanismu tavení a úpravy receptury materiálu v extrudéru. Vzhledem k vysoké praktičnosti technologie zpracování a formování polymerů jsou receptura surovin, zpracovatelské zařízení a procesní podmínky produktu poměrně odlišné. Proto by se v praxi mělo kombinovat s konstrukcí výrobního zařízení, zejména extruzním systémem, sestavou surovin, požadavky na vlastnosti výrobku a objemem produkce. Kromě toho je třeba provést komplexní analýzu vlivu přísad na tavení materiálů, aby se určil rozumný výrobní postup.