Die Beziehung zwischen dem Plastifizierungsmechanismus von Upvc-Extrusionsanlagen und der Formelanpassung

Das Extrudieren von Kunststoffen, wie z. B. UPVC-Profilen oder -Rohren, erfolgt hauptsächlich durch das Mischen von PVC-Harz und entsprechenden Zusatzstoffen, das Extrudieren, Formen, Ziehen und Schneiden. Dabei sind die Rohstoffe, die Ausrüstung und die Arbeitsabläufe die wichtigsten Faktoren für die Kunststoff-ExtrusionsverfahrenSie wirken sich direkt auf die Qualität und den Ausstoß des Strangpressens aus. Daher konzentriert sich dieser Artikel auf die Auswirkungen von Extrusionsanlagen und Rohstoffen auf die Extrusion.

Zusammensetzung der UPVC-Rohstoffe

1. PVC-Harz

Bei extrudierten Hart-PVC-Produkten wird in der Regel loses Harz im Suspensionsverfahren verwendet, wobei der Polymerisationsgrad von S-PVC, die Partikelgröße und der Porositätsgrad geeignet sein sollten. Es ist nicht möglich, Poliermittel mit erheblichen Unterschieden in der Partikelgröße oder lose Harze mit dichten Partikeln zu verwenden.

2. Stabilisator

Da PVC-Harz ein hitzeempfindliches Harz ist, beginnt es bei einer Temperatur von etwa 90 bis 130 ℃ mit dem thermischen Abbau, wobei das instabile HCL freigesetzt wird und das Harz gelb wird.

Mit steigender Temperatur wird die Farbe des Harzes dunkler, und die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Produkts nehmen ab. Zur Lösung des Abbauproblems können dem PVC-Harz neben der Verbesserung des Produktionsprozesses der Harzrohstoffe auch Stabilisatoren zugesetzt werden, die das HCL-Gas absorbieren und neutralisieren und seine katalytische Abbauproduktwirkung beseitigen.

Häufig verwendete Stabilisatoren sind: Bleisalze, organische Dosen, Metallseifen und Stabilisatoren aus seltenen Erden.

3. Schmiermittel

Schmiermittel sind Zusatzstoffe, die die Schmierfähigkeit verbessern und die Grenzflächenhaftung verringern. Ihre Funktionen werden in externe Schmiermittel, interne Schmiermittel und interne und externe Schmiermittel unterteilt.

Das externe Schmiermittel kann die Reibung zwischen dem Material und der Metalloberfläche verringern und verhindern, dass das UPVC-Material nach der Plastifizierung am Zylinder und an der Schnecke anhaftet.

Das interne Schmiermittel kann die Reibung zwischen den Partikeln im Inneren des Materials verringern, den Zusammenhalt zwischen den Molekülen schwächen und die Viskosität der Schmelze reduzieren.

Der Einsatz von Schmiermitteln hat offensichtliche Auswirkungen auf die Reduzierung der Schneckenbelastung, die Verringerung der Scherwärme und die Erhöhung der Extrusionsleistung.

4. Füllmaterial

Um die Härte und Steifigkeit des Produkts zu verbessern, die Verformung des Produkts zu verringern und die Rohstoffkosten zu senken, werden bei der Herstellung von UPVC-Produkten mehr Füllstoffe wie CaCO3 hinzugefügt.

5. Verarbeitungsmodifikator (ACR)

Verarbeitungshilfsmittel werden hauptsächlich eingesetzt, um die Verarbeitungsleistung von Materialien zu verbessern, die Plastifizierung von PVC-Harz zu beschleunigen und die Fließfähigkeit, die thermische Verformung und den Oberflächenglanz der Produkte zu verbessern.

6. Aufschlagmodifikator

Schlagzähigkeitsmodifikatoren werden hauptsächlich verwendet, um die Schlagzähigkeit von Produkten zu verbessern, die Zähigkeit von Produkten zu erhöhen und die Plastifizierungswirkung zu verbessern. Häufig verwendete Modifikatoren für UPVC sind CPE (chloriertes Polyethylen) und Acrylschlagzähigkeitsmodifikatoren.

7. Farbstoff: Titandioxid, Ruß, etc.

Plastifizierungsmechanismus von Kunststoffextrusionsanlagen und der Einfluss der Rezeptur auf die Formgebung

Es gibt eine Vielzahl von Geräten für die Kunststoffextrusion. Die wichtigsten, die für die Extrusion komplexer UPVC-Produkte verwendet werden, sind entlüftete Einschneckenextruder und gegenläufige Doppelschneckenextruder.

Im Folgenden wird vor allem der Plastifiziermechanismus von gängigen Extrudern für die Extrusion von UPVC-Produkten erläutert.

1. Einschneckenextruder mit Auspuff:

1.1 Mechanismus der Plastifizierung:

Der entlüftete Einschneckenextruder kann zum Pulverspeisen, Extrudieren und Granulieren von UPVC verwendet werden.

Die Schnecke besteht aus zwei hintereinander geschalteten gewöhnlichen Einzelschnecken mit einem großen Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D=25～30). Die vordere Einzelschnecke wird hauptsächlich für die Wärmeaufnahme, die Verdichtung, das Schmelzen und die Homogenisierung des Materials verwendet, um das Material zunächst zum Schmelzen zu bringen. Die hintere einstufige Schnecke dient in erster Linie der Entlüftung, dem Aufschmelzen und der Homogenisierung sowie dem Aufbau des Extrusionsdrucks.

An der Auslassöffnung sollte sich das Material in einem halbgeschmolzenen Zustand befinden. Die Entlüftungsöffnung befindet sich im Förderbereich der hinteren Schnecke, wo das Material nach der Dekompression entlüftet werden kann.

In der Förderstrecke wird das trockene Pulvermaterial allmählich zu einem "festen Bett" verdichtet. Da die Materialtemperatur noch nicht angestiegen ist, wird nur die Luft zwischen und innerhalb der Pulverpartikel ausgetragen.

In der Kompressionsphase beträgt die Temperatur des Materials etwa 160～170℃. Wenn das Volumen der Schneckennut abnimmt, baut sich der Druck auf der Oberfläche des Materials und des Zylinders auf, um das Material durch den Spalt zwischen der Schnecke und dem Zylinder zu drücken, und die Spannung zwischen dem Material und der Zylinderoberfläche nimmt zu. 

Die wärmeabsorbierende Wirkung des Materials wird verstärkt, und das Gewebe in der Nähe der Oberfläche des Fasses bildet aufgrund von Scherung, Druck und Wärme einen Schmelzfilm.

Durch die Relativbewegung von Schnecke und Zylinder im vorderen Bereich der Schneckennut sammelt sich die Fläche und vergrößert sich allmählich, die Materialpartikel in diesem Bereich werden geschert und geschmolzen. Da das Material in der Schneckenrille weniger Scherkraft erfährt, wird das Material in der Schneckenrille plastifiziert. Die Konsistenz ist nicht mehr gegeben.

Im Homogenisierungsabschnitt wird der untere Durchmesser der Schnecke reduziert, so dass das Material in der Mitte der Spiralnut nahe am Zylinder liegt, um das Scheren und Erhitzen zum Schmelzen zu fördern und das Schmelzen des Materials weiter zu vervollständigen und es zu homogenisieren.

Der untere Durchmesser der Fördersektion der letzten Schnecke (in der Nähe des Maschinenkopfes) wird deutlicher und seine Verdrängung ist viel größer als die der Homogenisierungssektion der letzten Schnecke. Die flüchtigen Bestandteile werden freigesetzt und über die Abluftöffnung durch die Vakuumpumpe abgeführt.

Das Material erreicht den Homogenisierungsabschnitt durch den zweiten Kompressionsabschnitt, und der Extrusionsdruck wird unter der Wirkung der Düse, der Schnecke und des Zylinders aufgebaut, um einen dichten und gleichmäßigen Strom von Extrusionsformteilen aus der Düse zu bilden, wobei die Verdrängung des Homogenisierungsabschnitts größer ist als die des vorherigen. Durch die einstufige Entnahme wird ein Verrutschen des Materials verhindert.

Aus der obigen Analyse geht hervor, dass das Einschneckenschmelzen hauptsächlich durch die Rotation der Schnecke und die Statik des Zylinders verursacht wird, und die relative Verschiebung des Materials in den verschiedenen Teilen der Nut wird abgeschert. Das Material wird erhitzt und komprimiert, und durch die Wärmeleitung zwischen dem Zylinder und der Schnecke bildet sich ein Schmelzfilmpool - Migration zwischen flüssigen Phasen usw.

1.2 Probleme, die bei der Entwicklung von Formeln beachtet werden sollten:

Bei der Auslegung der Einschnecken-Materialformel sollten die lange Schmelzzeit des Materials im Einschneckenextruder, der offensichtliche Einfluss des säkularen Zustands in der Feststoff-Förderstrecke auf die Produktivität und die nicht obligatorische Förderung von Materialien berücksichtigt werden.

Aufgrund des großen Seitenverhältnisses des entlüfteten Einschneckenextruders (in der Regel L/D=28～32) wird das Material lange Zeit erhitzt und nicht zwangsweise gefördert. Es ist vorteilhaft, die Menge des Stabilisators zu erhöhen, um eine überhitzte Zersetzung zu verhindern - bei längerer und größerer Belastung. Eine angemessene Erhöhung des Schmiermittels kann das Schneckendrehmoment verringern.

Natürlich beeinträchtigt zu viel Schmiermittel den Materialtransport und die Stoßleistung der Produkte. Bei der Extrusion kann das Phänomen des "Schneckenhaltens" auftreten, wenn der Fettgehalt zu hoch ist. Erwägen Sie die Zugabe eines Schlagzähmodifikators. Durch die Erhöhung der Menge an Schlagzähigkeitsmodifikator wird das Drehmoment der Schnecke erhöht.

Die Zugabe einer bestimmten Menge des Füllstoffs CaCO3 kann die Festigkeit der Schmelze erhöhen, die Fließfähigkeit des Materials verringern und die Plastifizierungsgeschwindigkeit des Materials beeinflussen. Die Auswirkungen von CaCO3 mit unterschiedlichen Partikelgrößen sind ebenfalls sehr unterschiedlich. Daher ist die Menge an CaCO3, die den Produkten für verschiedene Zwecke zugesetzt wird, sehr unterschiedlich.

Darüber hinaus hängen die Eigenschaften der Formstruktur mit der Größe des Extrusionsdrucks zusammen und haben einen besonderen Einfluss auf die Formulierung.

2. Gegenläufiger Doppelschneckenextruder

Obwohl der Aufschmelzmechanismus des Doppelschneckenextruders auf einer einzelnen Schnecke basiert, unterscheidet sich das Förderprinzip durch die Existenz der Vernetzungszone stark von dem einer einzelnen Schnecke.

2.1 Klassifizierung von Doppelschneckenextrudern

Je nach Arbeitsrichtung der Schraube kann sie unterteilt werden in:

1. Gegenläufiger Doppelschneckenextruder: Die Drehrichtung der beiden Schnecken ist entgegengesetzt.
2. Gleichlaufender Doppelschneckenextruder: Die Drehrichtung der beiden Schnecken ist identisch.

Nach dem Rotationsgesetz kann der gegenläufige Doppelschneckenextruder in einen gegenläufigen auswärtsgerichteten Doppelschneckenextruder und einen gegenläufigen einwärtsgerichteten Doppelschneckenextruder unterteilt werden.

Der gegenläufige Einwärts-Doppelschneckenextruder wurde wegen seiner schlechten Einzugsfähigkeit und der großen Radialkraft, die das Material im Kalanderbereich der beiden Schnecken auf die Schnecke ausübt, eliminiert, was zu einem starken Verschleiß zwischen Zylinder und Schnecke führte.

Im Allgemeinen bezieht sich der gegenläufige Doppelschneckenextruder auf den gegenläufigen auswärtsgerichteten Doppelschneckenextruder (siehe unten).

Bei der Extrusion von UPVC-Profilen werden im Allgemeinen gegenläufige konische Doppelschneckenextruder und gegenläufige parallele Doppelschneckenextruder eingesetzt.

2.1.1 Gegenläufiger konischer Doppelschneckenextruder:

Die Achsen der beiden Schnecken und die Achse des Zylinders sind im eingeschlossenen Winkel α symmetrisch verteilt (der Wert α liegt im Allgemeinen zwischen 1° und 2°). Die Schneckenrichtung ist jedoch unterschiedlich, der Durchmesser der beiden Enden des Arbeitsteils ist unterschiedlich.

Die Schnecke mit der gleichen Tiefe der großen und kleinen Schneckennuten in der gewöhnlichen konischen Doppelschnecken-Extruderschnecke und die Schnecke mit der beträchtlichen Schneckennuttiefe sind bedeutsamer als die kleine Schneckennuttiefe in der konischen Doppelschnecken-Extruderschnecke mit Superkonus (Doppelkonus).

Die Merkmale des gegenläufigen konischen Doppelschneckenextruders: großer Schneckenkopfdurchmesser, die große Wärmekapazität der Schnecke, tiefe Rille (Ultra-Cone) Material, die große Kontaktfläche mit Schnecke und Zylinder, die lange Verweilzeit des Materials ist vorteilhaft für das Material Die Wärmeübertragung zwischen dem Zylinder und der Schnecke und das Material. Ausgehend von diesem Punkt ist die Schneckenlänge und das Seitenverhältnis (in der Regel 13-17) bei gleichem Ausstoß viel kleiner als bei anderen Extrudertypen.

Der Durchmesser des kleinen Schneckenkopfes ist relativ klein, die Verweilzeit des Materials im Extrusionsbereich ist kurz, die lineare Geschwindigkeit des Schneckenbetriebs ist niedrig, und die niedrige Scherrate ist vorteilhaft, um die Reibungswärme zwischen dem Material und zwischen dem Material und der Schnecke und dem Zylinder zu reduzieren.

Wenn die Extrusionsrate des Profils unter 400 kg/h und die Extrusionsrate der Rohrplatte unter 800 kg/h liegt, sollte der Einsatz eines konischen Doppelschneckenextruders bevorzugt werden. Der konische Doppelschneckenextruder für die Extrusion von UPVC-Profilen und -Rohren ist der am häufigsten verwendete.

Plastifizierungsvermögen: Die Plastifizierleistung von Extrudern ergibt sich aus dem Zusammenwirken von Extrusionssystem, Rezeptur und Betriebsparametern des Extruders.

Die Plastifizierfähigkeit von konischen Doppelschneckenextrudern und parallelen Doppelschneckenextrudern kann nicht gesagt werden, welche besser oder schlechter ist. Sie kann nur auf der Grundlage der Analyse der spezifischen Struktur der Schnecke, der Zusammensetzung der Rezeptur, der Betriebsparameter des Prozesses und des Werkzeugs bestimmt werden.

2.1.2 Gegenläufiger paralleler Doppelschneckenextruder:

Die Achsen der beiden Schnecken sind parallel und symmetrisch zur Achse des Zylinders angeordnet. Die Innen- und Außendurchmesser der beiden Enden des Schneckenarbeitsteils sind gleich, und es gibt segmentierte Schnecken und stufenlos verstellbare Steigungsschnecken.

Eine segmentierte Schraube ist eine Schraube mit hinterschnittenen Nuten aufgrund der unterschiedlichen Anzahl von Schraubenköpfen und unterschiedlichen Steigungen zwischen den einzelnen Funktionsabschnitten der Schraube.

Die durchgängig steigungsvariable flache Doppelschnecke bedeutet, dass es keine hinterschnittene Nut zwischen den verschiedenen Funktionsbereichen der Schnecke gibt. Daher ist die Anzahl der Schneckenköpfe in den verschiedenen Anwendungsbereichen der Schnecke gleich. Da die Mantellinie von Schnecke und Zylinder gerade ist, ist die Verarbeitbarkeit besser.

Die Schnecke des gegenläufigen Flachdoppel-Extruders kann aus dem Auslass des Extruders herausgenommen werden, was für die Wartung der Anlage praktisch ist. Die Schnecke kann als vollgängige Struktur mit variabler Steigung ausgeführt werden. Nach den einschlägigen Informationen ist die Verarbeitungsbelastung des Materials beim Extrudieren des Profils gering, um eine gute Extrusionsqualität zu erzielen.

Ein paralleler Doppelschneckenextruder wird eher verwendet, wenn das Extrusionsvolumen groß ist. Es ist zu beachten, dass der Ausstoß der Profilproduktionslinie stark von der Form beeinflusst wird. Die Ausformung des Extruderkopfes mit hoher Geschwindigkeit und die hervorragende Form des Produkts in der Setzform werden oft zum Engpass für die begrenzte Leistung.

2.2 Der Plastifiziermechanismus des konischen Doppelschneckenextruders:

Das Extrusionssystem des konischen Doppelschneckenextruders umfasst im Allgemeinen: Schnecke, Zylinder, Heiz- und Kühlvorrichtung und Vakuumabsaugvorrichtung.

 2.2.1 Mechanismus der Materialplastifizierung bei konischen Doppelschneckenextrudern:

⑴ Förderstrecke:

Das Material tritt von der Auslassöffnung in den Förderabschnitt ein und wird unter der Kraft der Schnecke vorwärts befördert. Jedes Mal, wenn sich die Schnecke dreht, bewegt sich das Material in der C-förmigen Kammer um eine Steigung vorwärts.

Aufgrund der Struktur wird das Volumen der C-förmigen Kammer immer kleiner, und das Material wird allmählich komprimiert. Wenn der Anpressdruck zwischen dem Material und der Zylinderschnecke zunimmt, erhöht sich die Wärmeaufnahme, und die Temperatur des Materials steigt langsam an und ist bereit für den nächsten Schritt des Schmelzens.

Da die Oberfläche des Zylinders und der Schnecke des Kegel-Doppel-Extruders im Förderbereich vergrößert wird, verbessert sich die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Material und dem Zylinder und der Schnecke.

⑵ Vorplastifizierungsabschnitt:

Nach dem Erhitzen und Verdichten der Materialien in der Förderstrecke wird der größte Teil der Luft zwischen und in den Pulverpartikeln ausgestoßen, und die Dichte der Materialien nimmt zu.

Während sich das Material in der C-förmigen Kammer weiter vorwärts bewegt, wird das Material, das mit dem Zylinder und der Schnecke in Berührung kommt, aufgrund der Adhäsion mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Zylinder oder die Schnecke gehalten. Unter dem Antrieb der Schnecke ist die Scherwirkung stärker als bei dem Material in der Mitte der Schneckennut. Nach längerer Erwärmung beginnt es zu schmelzen, und das Material in der C-förmigen Kammer wird in einem zirkulierenden Strom von außen nach innen aufgelöst.

Da sich das Volumen der C-förmigen Kammer ändert, wird der Austausch von internen und externen Materialien verbessert. Einige Extruderhersteller bauen einen Mischtank in der Vorplastifizierungssektion entsprechend den Eigenschaften des Extruders ihres eigenen Unternehmens ein. Der Zweck ist, die Materialien in den vorderen und hinteren C-förmigen Kammern miteinander zu verbinden, die Scherwirkung zu verbessern und den Austausch von Materialien zwischen den C-förmigen Innen- und Außenschichten zu erleichtern. Verbessern Sie die Schmelzwirkung.

Nachdem das Material den Vorplastifizierungsabschnitt durchlaufen hat, werden die reichlich vorhandenen pulver- und granulatförmigen Materialien gebrochen, und die Materialien befinden sich in einem halbgeschmolzenen Zustand.

⑶ Plastifizierungsabschnitt:

Auch als Kompressionsabschnitt bekannt. Das Volumen der C-förmigen Kammer in diesem Abschnitt ist stark reduziert (die Verdrängung dieses Abschnitts beträgt nur zwischen 0,25 und 0,4 der Förderfläche), und die Materialien werden beim Durchgang stark gequetscht, geschert und ausgetauscht. Daher befinden sich die meisten Materialien im Grunde in einem plastifizierten Anfangszustand.

⑷ Auspuffanlage:

Das UPVC-Gemisch tritt nach der Förder-, Vorplastifizierungs- und Verdichtungszone in die Auslasszone ein, da das Volumen der C-förmigen Kammer in der Auslasszone viel größer ist als in der Verdichtungszone (im Allgemeinen beträgt das Volumen mehr als das Dreifache des Volumens in der Verdichtungszone).

Wenn das Material diesen Bereich erreicht, wird der Druck reduziert, das Material wird segmentiert oder vergrößert, und das Gas und die niedermolekularen flüchtigen Bestandteile im Material werden freigesetzt. Dieser Bereich ist mit einer Abluftöffnung ausgestattet, durch die das Gas mit Hilfe einer Vakuumpumpe abgeleitet wird.

Die Entlüftungsfunktion der PVC-Extrusionsformteile ist von entscheidender Bedeutung. Andernfalls würden die Luftblasen im Produkt die mechanischen Eigenschaften ernsthaft beeinträchtigen.

⑸ Messstrecke:

 Aufgrund der kontinuierlichen Änderung des Volumens der C-förmigen Kammer durch den Förderabschnitt, den Vorplastifizierabschnitt, den Plastifizierabschnitt und den Dosierabschnitt sowie der unterschiedlichen Anzahl von Schneckenköpfen in jedem Bereich der Schnecke ändert das Material in der C-förmigen Kammer kontinuierlich seine Position und gelangt dann in den Dosierabschnitt. Infolgedessen wird das Material weiter plastifiziert, homogenisiert und der Extrusionsdruck unter der Wirkung der Düse aufgebaut.

Da sich das Volumen der C-förmigen Kammer im Dosierbereich verringert, wird das Material nach der Homogenisierung erneut komprimiert, um eine dichte und gleichmäßige Flüssigkeit zu bilden, die durch den Verbindungskörper (Übergangskörper), die Lochplatte und die Düse extrudiert wird.

2.3 Der Plastifiziermechanismus des gegenläufigen parallelen Doppelschneckenextruders:

Der Plastifiziermechanismus des gegenläufigen parallelen Doppelschneckenextruders ist der gleiche wie der des konischen Doppelschneckenextruders. Der Unterschied besteht darin, dass der Durchmesser der Schnecke und des Zylinders überall derselbe ist. Das Material im Einzugsbereich hat einen kleinen Wärmeaufnahmebereich, der im Vergleich zum Schneckendosierbereich relativ groß ist. Daher ist der Durchmesser größer als das Konusdoppel, und die Schneckendrehzahl kann nicht zu groß sein.

Um die Plastifizierwirkung zu verbessern, ist daher das Längen-Durchmesser-Verhältnis der gegenläufigen parallelen Doppelschnecken-Extruderschnecke wichtiger als das des konischen Doppelschneckenextruders (im Allgemeinen L/D=25-30).

Das Volumen der C-förmigen Kammer in jedem Abschnitt des gegenläufigen parallelen Doppelschneckenextruders wird wiederholt als Kegel und doppelt geändert, und der Änderungsmodus ist derselbe.

Der Umwandlungsprozess von UPVC-Materialien im Verarbeitungsprozess hängt nicht nur von der Zusammensetzung der gemischten Zutaten ab, sondern hat auch viel mit den äußeren Verarbeitungsbedingungen zu tun, wie z. B. der Temperatur der gemischten Zutaten, der Reihenfolge der Einspeisung während des Mischens, der Temperatur des Extrusionsprozesses, der Schneckendrehzahl und der Einspeisung des Materials.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wird eine grundlegende Analyse des Schmelzmechanismus und der Rezepturanpassung des Materials im Extruder vorgenommen. Aufgrund der hohen Praxistauglichkeit der Polymerverarbeitungs- und Formgebungstechnologie sind die Rezeptur des Rohmaterials, die Verarbeitungsanlagen und die Prozessbedingungen sehr unterschiedlich. Daher sollte die tatsächliche Produktion mit der Struktur der Produktionsausrüstung, insbesondere dem Extrusionssystem, der Zusammensetzung der Inhaltsstoffe, den Anforderungen an die Produktleistung und dem Produktionsvolumen kombiniert werden. Darüber hinaus sollte eine umfassende Analyse des Einflusses der Inhaltsstoffe in den Zusatzstoffen auf das Schmelzen der Materialien durchgeführt werden, um einen angemessenen Produktionsprozess zu bestimmen.