De relatie tussen het plastificatiemechanisme van Upvc extrusieapparatuur en formuleaanpassing

Plastisch extrusieformen, zoals het vormen van UPVC-profielen (stijf polyvinylchloride) of buisproducten, wordt voornamelijk gevormd door het mengen van PVC-hars en daaraan gerelateerde additieven, extrusieformen, vormgeven, trekken en snijden. Onder hen zijn grondstoffen, receptapparatuur en bedrijfsprocessen de belangrijkste factoren van plastisch extrusieformen, die direct invloed hebben op de kwaliteit en output van het extrusieformen. Daarom richt dit artikel zich op de impact van extrusieapparatuur en grondstoffen op het extrusieproces.

Samenstelling van UPVC-grondstoffen

1. PVC-hars

Geëxtrudeerde PVC-stijve producten gebruiken over het algemeen suspensiemethode losse hars; S-PVC polymerisatiegraad, deeltjesgrootte en poreusheid moeten geschikt zijn. Het is niet mogelijk om polijsten met grote verschillen in deeltjesgrootte of losse haren met dichte deeltjes te gebruiken.

2. Stabilisator

Omdat PVC-hars een warmtegevoelige hars is, begint deze bij temperaturen van ongeveer 90 tot 130 ℃ thermisch af te breken en wordt instabiel HCL vrijgegeven, waardoor de hars geel wordt.

Naarmate de temperatuur stijgt, wordt de kleur van de hars donkerder en nemen de fysische en chemische eigenschappen van het product af. Om het afbraakprobleem op te lossen, kunnen naast het verbeteren van het productieproces van harsgrondstoffen ook stabilisatoren aan PVC-hars worden toegevoegd om HCL-gas te absorberen en te neutraliseren en het katalytische afbraakeffect te elimineren.

Veelgebruikte stabilisatoren zijn: loodzouten, organische tinverbindingen, metaalzeep en zeldzame aarde-stabilisatoren.

3. Smeermiddel

Smeermiddelen zijn additieven om de smering te verbeteren en de interfaciale hechting te verminderen. Hun functies zijn onderverdeeld in externe smeermiddelen, interne smeermiddelen en interne en externe smeermiddelen.

Het externe smeermiddel kan de wrijving tussen het materiaal en het metalen oppervlak verminderen en voorkomen dat het UPVC-materiaal na plastificatie aan de vatwand en schroef blijft plakken.

Het intern smeermiddel kan de wrijving tussen de deeltjes binnen het materiaal verminderen, de cohesie tussen de moleculen verzwakken en de smeltviscositeit verlagen.

Het gebruik van smeermiddelen heeft duidelijke effecten op het verminderen van de schroefbelasting, het verminderen van schuifwarmte en het verhogen van de extrusie-output.

4. Vulstof

Om de hardheid en stijfheid van het product te verbeteren, de vervorming van het product te verminderen en de kosten van grondstoffen te verlagen, worden meer vulstoffen zoals CaCO3 toegevoegd bij de productie van UPVC-producten.

5. Verwerkingsmodificeerder (ACR)

Verwerkingsmodificeerders worden voornamelijk gebruikt om de verwerkingsprestaties van materialen te verbeteren, de plastificatie van PVC-hars te versnellen en de vloeibaarheid, thermische vervorming en oppervlakteglans van de producten te verbeteren.

6. Impactmodificeerder

Impactmodificeerders worden voornamelijk gebruikt om de slagvastheid van producten te verbeteren, de taaiheid van producten te verhogen en het plastificatie-effect te verbeteren. Veelgebruikte modificeerders voor UPVC zijn CPE (gechloreerd polyetheen) en acrylimpactmodificeerders.

7. Kleurstof: titaandioxide, carbon black, etc.

Plastificatiemechanisme van plastic extrusieapparatuur en het effect van het recept op het formen

Er is veel apparatuur voor plastisch extrusieformen. De belangrijkste apparaten die worden gebruikt voor het extruderen van complexe UPVC-producten zijn ventilerende enkele schroefextruder en tegengesteld draaiende dubbele schroefextruder.

Hieronder wordt voornamelijk ingegaan op het plastificatiemechanisme van veelgebruikte extruders voor het extruderen van UPVC-producten.

1. Enkele schroefextruder van het uitlaattype:

1.1 Plastificatiemechanisme:

De ventilerende enkele schroefextruder kan worden gebruikt voor poederinvoerformen, extrusie en pelletisering van UPVC.

De schroef bestaat uit twee gewone enkele schroeven in serie met een groot lengte-diameter-verhouding (L/D=25～30). De enkele voorschroef wordt voornamelijk gebruikt voor warmteabsorptie, comprimeren, smelten en homogenisatie van het materiaal om het materiaal in eerste instantie te laten smelten. De achterste enkele schroef wordt voornamelijk gebruikt voor uitlaat, smelten en homogenisatie en het opbouwen van de extrusiedruk.

Vanaf de uitlaatpoort moet het materiaal in een halfgesmolten toestand zijn. De uitlaatpoort is geplaatst in de transportsectie van de achterste schroef, waar het materiaal na decompressie kan worden uitgestoten.

In de transportsectie wordt het droge poedermateriaal geleidelijk samengeperst tot een “solide bed”. Aangezien de materiaaltemperatuur nog niet is gestegen, wordt alleen de lucht tussen en in de poederdeeltjes afgevoerd.

In de compressiesectie is de temperatuur van het materiaal ongeveer 160～170℃. Naarmate het volume van de schroefgroef afneemt, bouwt de druk zich op het oppervlak van het materiaal en het vat op om het materiaal door de spleet tussen de schroef en het vat te laten passeren, en neemt de spanning tussen het materiaal en het vatoppervlak toe. 

Het warmteabsorptie-effect van het materiaal wordt versterkt en het weefsel dicht bij het oppervlak van het vat vormt door schuifkracht, druk en warmte een smeltfilm.

Door de relatieve beweging van de schroef en het vat in de voorkant van de schroefgroef verzamelt en vergroot het gebied zich geleidelijk, de materiaaldeeltjes in deze sectie worden geschermd en gesmolten. Omdat het materiaal in de schroefgroef minder schuifkracht krijgt, wordt het materiaal in de schroefgroef geplastificeerd. De consistentie ontbreekt.

In de homogenisatiesectie wordt de bodemdiameter van de schroef verkleind, zodat het materiaal in het midden van de spiraalgroef dicht bij het vat komt om het scheren en verwarmen te bevorderen om het materiaal te smelten en verder te homogeniseren.

De bodemdiameter van de transportsectie van de laatste schroef (dicht bij de machinekop) wordt prominenter en haar verplaatsing is veel groter dan die van de homogenisatiesectie van de laatste schroef. De vluchtige componenten worden vrijgegeven en de uitlaatpoort zal ze via de vacuümpomp afvoeren.

Het materiaal bereikt de homogenisatiesectie via de tweede compressiesectie en de extrusiedruk wordt opgebouwd onder invloed van de matrijs, schroef en vat om een dichte en uniforme stroom van extrusieformen uit de matrijs te vormen, waarbij de verplaatsing van de homogenisatiesectie groter is dan die ervoor. Eenmalige verwijdering voorkomt materiaaloffensief.

Uit bovenstaande analyse blijkt dat de enkelvoudige schroefsmelt voornamelijk veroorzaakt wordt door de rotatie van de schroef en het vat statisch, en de relatieve verplaatsing van het materiaal in de verschillende delen van de groef wordt geschermd. Het materiaal wordt verwarmd en gecomprimeerd en de warmtegeleiding tussen het vat en de schroef vormt een smeltfilmpool—migratie tussen vloeibare fasen, enz.

1.2 Problemen die in het receptontwerp in acht genomen moeten worden:

Bij het ontwerpen van het enkelvoudige schroefmateriaalrecept moet rekening worden gehouden met de lange smelttijd van het materiaal in de enkelvoudige schroefextruder, de duidelijke invloed van de seculaire toestand in de solide transportsectie op de productiviteit en de niet-verplichte transport van materialen.

Vanwege de grote aspectverhouding van de ventilerende enkelvoudige schroefextruder (meestal L/D=28～32) wordt het materiaal langdurig verwarmd en niet gedwongen getransporteerd. Het is gunstig om de hoeveelheid stabilisator te verhogen om oververhitting en afbraak te voorkomen—meer langdurige en grotere belasting. Een gepaste verhoging van het smeermiddel kan het schroefkoppel verminderen.

Natuurlijk schaadt te veel smeermiddel het transport van materialen en de impactprestaties van producten. Het fenomeen van “schroef vasthouden” kan optreden tijdens het extruderen als er te veel vet is. Overweeg om een impactmodificeerder toe te voegen. De toename van de hoeveelheid impactmodificeerder zal het koppel van de schroef verhogen.

Het toevoegen van een bepaalde hoeveelheid vulstof CaCO3 kan de sterkte van de smelt verhogen, de vloeibaarheid van het materiaal verminderen en de plastificatiesnelheid van het materiaal beïnvloeden. De effecten van CaCO3 met verschillende deeltjesgroottes zijn ook heel anders. Daarom varieert de hoeveelheid CaCO3 die aan producten voor verschillende doeleinden wordt toegevoegd sterk.

Bovendien hangen de kenmerken van de matrijsstructuur samen met de grootte van de extrusiedruk en hebben ze een specifieke invloed op de formulering.

2. Tegenovergesteld draaiende dubbele schroefextruder

Hoewel het smeltmechanisme van de dubbele schroefextruder is gebaseerd op één schroef, verschilt het transportprincipe sterk van dat van een enkele schroef vanwege de aanwezigheid van het in elkaar grijpende gebied.

2.1 Classificatie van dubbele schroefextruders

Volgens de draairichting van de schroef kan deze worden onderverdeeld in:

1. Tegenovergesteld draaiende dubbele schroefextruder: de draairichting van de twee schroeven is tegenovergesteld.
2. Mede-draaiende dubbele schroefextruder: de draairichting van de twee schroeven is dezelfde.

Volgens de rotatiewet kan de tegenovergesteld draaiende dubbele schroefextruder worden onderverdeeld in tegenovergesteld draaiende buitenwaarts dubbele schroefextruder en tegenovergesteld draaiende binnenwaarts dubbele schroefextruder.

De tegenovergesteld draaiende binnenwaarts dubbele schroefextruder werd afgeschaft vanwege zijn slechte voedingscapaciteit en de grote radiale kracht die door het materiaal op de schroef wordt veroorzaakt in het kalanderingsgebied van de twee schroeven, wat leidt tot ernstige slijtage tussen de vat en de schroef.

Over het algemeen verwijst de tegenovergesteld draaiende dubbele schroefextruder naar de tegenovergesteld draaiende buitenwaarts dubbele schroefextruder (hieronder hetzelfde).

Voor de extrusie van UPVC-profielen worden over het algemeen tegenovergesteld draaiende conische dubbele schroefextruders en tegenovergesteld draaiende parallelle dubbele schroefextruders gebruikt.

2.1.1 Tegenovergesteld draaiende conische dubbele schroefextruder:

De assen van de twee schroeven en de as van het vat zijn symmetrisch verdeeld onder de ingesloten hoek α (de α-waarde ligt over het algemeen tussen 1° en 2°). De schroefrichting is echter verschillend, en de diameter van de twee uiteinden van het werkgedeelte is verschillend.

De schroef met dezelfde diepte van de grote en kleine schroefgroeven in de gewone conische dubbele schroefextruder en de schroef met een aanzienlijke schroefgroefdiepte zijn belangrijker dan de kleinere schroefgroefdiepte super-conus (dubbel-conus) conische dubbele schroefextruderschroef.

De kenmerken van de tegenovergesteld draaiende conische dubbele schroefextruder: grote schroefkopdiameter, grote warmtecapaciteit van de schroef, diepe groef (ultra-conus) materiaal, groot contactoppervlak met schroef en vat, lange verblijftijd van het materiaal is gunstig voor de warmteoverdracht tussen het vat en de schroef en het materiaal. Vanuit dit oogpunt is de schroeflengte en aspectverhouding (meestal 13-17) bij dezelfde output veel kleiner dan die van andere soorten extruders.

De diameter van de kleine schroefkop is relatief klein, de verblijftijd van het materiaal in het extrusiegedeelte is kort, de lineaire snelheid van de schroefwerking is laag, en de lage afschuifsterkte is gunstig om de wrijvingswarmte tussen het materiaal en tussen het materiaal en de schroef en het vat te verminderen.

Wanneer de extrusiesnelheid van het profiel binnen 400Kg/u ligt en de extrusiesnelheid van de buisplaat binnen 800Kg/u ligt, moet het gebruik van een conische dubbele schroefextruder prioriteit krijgen. De conische dubbele schroefextruder voor het extruderen van UPVC-profielen en buizen is de meest gebruikte.

Plastificatiecapaciteit: De plastificatiecapaciteit van extruders komt voort uit het integrale effect van het extrusiesysteem, de formulering en de bedrijfsprocesparameters van de extruder.

Het plastificatievermogen van conische dubbele schroef- en parallelle dubbele schroefextruders kan niet gezegd worden welke beter of slechter is. Het kan alleen worden bepaald op basis van de analyse van de specifieke structuur van de schroef, de samenstelling van de formulering, de bedrijfsprocesparameters en de matrijs.

2.1.2 Tegenovergesteld draaiende parallelle dubbele schroefextruder:

De assen van de twee schroeven zijn parallel en symmetrisch verdeeld met de as van het vat. De binnen- en buitenmeters van de twee uiteinden van het werkgedeelte van de schroef zijn gelijk, en er zijn gesegmenteerde schroeven en continu variabele loopdraadschroeven.

Gesegmenteerde schroef verwijst naar de schroef met undercut-groeven als gevolg van het verschillende aantal schroefkoppen en verschillende passen tussen de verschillende functionele secties van de schroef.

De continue variabele loopdraad platte dubbele schroef betekent dat er geen undercut-groef is tussen de verschillende functionele secties van de schroef. Daarom is het aantal schroefkoppen in de verschillende toepassingsgebieden van de schroef gelijk. Omdat de generatrix van de schroef en het vat recht is, is de verwerkbaarheid beter.

De schroef van de tegenovergesteld draaiende platte dubbele extruder kan uit het afvoeruiteinde van de extruder worden gehaald, wat handig is voor onderhoud van de apparatuur. De schroef kan ontworpen worden als een volledige loopdraadvariabele structuur. Volgens relevante informatie is de verwerkingsstress op het materiaal bij het extruderen van het profiel klein om een goede extrusiekwaliteit te behalen.

Een parallelle dubbele schroefextruder wordt relatief vaker gebruikt bij een groot extrusievolume. Het moet worden opgemerkt dat de output van de profielenproductielijn sterk beïnvloed wordt door de matrijs. Het vormen van de extruderhoofd bij hoge snelheid en de uitstekende vorm van het product in de instelmatrijs worden vaak de bottleneck van de beperkte output.

2.2 Het plastificatiemechanisme van de conische dubbele schroefextruder:

Over het algemeen omvat het extrusiesysteem van de conische dubbele schroefextruder: schroef, vat, verwarming- en koelapparaat en vacuümafzuigapparaat.

 2.2.1 Materiaalplastificatiemechanisme van de conische dubbele schroefextruder:

⑴ Transportgedeelte:

Het materiaal komt het transportgedeelte binnen via de afvoeropening en wordt naar voren getransporteerd onder de kracht van de schroef. Elke keer als de schroef draait, beweegt het materiaal in de C-vormige kamer één loopdraad naar voren.

Vanwege de structuur wordt het volume van de C-vormige kamer steeds kleiner en wordt het materiaal geleidelijk samengeperst. Naarmate de contactdruk tussen het materiaal en de vat-schroef toeneemt, neemt de warmteabsorptie toe en stijgt de temperatuur van het materiaal langzaam, klaar voor de volgende stap van smelten.

Aangezien het oppervlak van het vat en de schroef van de kegel-extruder in het transportgedeelte vergroot wordt, wordt de warmtegeleidingsefficiëntie tussen het materiaal en het vat en de schroef verbeterd.

⑵ Voorplastificatiegedeelte:

Nadat de materialen in het transportgedeelte zijn verwarmd en samengeperst, wordt het grootste deel van de lucht tussen en in de poederdeeltjes afgevoerd en neemt de dichtheid van de materialen toe.

Terwijl het materiaal in de C-vormige kamer zich blijft verplaatsen, zal het materiaal dat in contact staat met het vat en de schroef, door hechting dezelfde snelheid behouden als het vat of de schroef. Onder de aandrijving van de schroef is het afschuifeffect sterker dan het materiaal in het midden van de schroefgroef. Na langdurige verwarming begint het te smelten en wordt het materiaal in de C-vormige kamer opgelost in een circulerende stroom van buiten naar binnen.

Naarmate het volume van de C-vormige kamer verandert, wordt de uitwisseling van intern en extern materiaal versterkt. Sommige extruderfabrikanten installeren een mengtank in het voorplastificatiegedeelte volgens de kenmerken van hun eigen extruder. Het doel is om het materiaal in de voorste en achterste C-vormige kamers te communiceren, het afschuifeffect te versterken en de uitwisseling van materiaal tussen de C-vormige binnen- en buitenlagen te vergemakkelijken. Verbeter de smeltwerking.

Nadat het materiaal door het voorplastificatiegedeelte is gegaan, worden de ruime poeder- en korrelvormige materialen gebroken en bevindt het materiaal zich in een halfgesmolten toestand.

⑶ Plastificatiegedeelte:

Ook bekend als compressiegedeelte. Het volume van de C-vormige kamer in dit gedeelte wordt scherp verminderd (de verplaatsing van dit gedeelte is slechts tussen 0,25 en 0,4 van het transportgedeelte), en de materialen worden onderworpen aan solide persing, afschuiving en uitwisseling wanneer ze doorheen gaan. Zo bevindt het merendeel van de materialen zich in principe in een initiële plastificeertoestand.

⑷ Afzuiggedeelte:

De UPVC-mixtuur komt in het uitlaatgedeelte terecht na het transport-, voorplastificatie- en compressiedeel, omdat het volume van de C-vormige kamer in het uitlaatgedeelte veel groter is dan dat van het compressiedeel (over het algemeen is de verplaatsing meer dan drie keer zo groot als die van het compressiedeel).

Wanneer het materiaal dit gedeelte bereikt, wordt de druk verlaagd en wordt het materiaal gesegmenteerd of grof, waardoor gas en vluchtige componenten met een laag moleculair gewicht uit het materiaal vrijkomen. Dit gedeelte is uitgerust met een uitlaatpoort, en het gas wordt via deze uitlaatpoort afgevoerd onder invloed van een vacuümpomp.

De uitlaatfunctie van UPVC-extrusievorming is essentieel. Anders zullen luchtbellen in het product de mechanische eigenschappen ernstig beïnvloeden.

⑸ Meetgedeelte:

 Vanwege de continue verandering van het volume van de C-vormige kamer door het transportgedeelte, het voorplastificatiegedeelte, het plastificatiegedeelte en het meetgedeelte, en het verschillende aantal schroefkoppen in elk gebied van de schroef, verandert het materiaal in de C-vormige kamer continu van positie en gaat vervolgens het meetgedeelte in. Hierdoor wordt het verder geplastificeerd, gehomogeniseerd en bouwt de extrusiedruk op onder invloed van de matrijs.

Omdat het volume van de C-vormige kamer in het meetgedeelte kleiner is, wordt het materiaal na homogenisatie opnieuw samengeperst tot een dichte en uniforme vloeistof die door het verbindingslichaam (overgangslichaam), het geperforeerde plaatje en de matrijs wordt geëxtrudeerd.

2.3 Het plastificatiemechanisme van de tegengesteld draaiende parallelle dubbele schroefextruder:

Het plastificatiemechanisme van de tegengesteld draaiende parallelle dubbele schroefextruder is hetzelfde als dat van de conische dubbele schroefextruder. Het verschil is dat de diameter van de schroef en de cilinder overal gelijk is. Het materiaal in het voedingsgedeelte heeft een klein warmteabsorptiegebied, wat relatief gezien vergelijkbaar is met het schroefmeetgedeelte. Daarom is de diameter groter dan bij de kegel-dubbel, en kan de schroefsnelheid niet te hoog zijn.

Om het plastificatie-effect te verbeteren, is de lengte-breedteverhouding van de schroef van de tegengesteld draaiende parallelle dubbele schroefextruder dus belangrijker dan die van de conische dubbele schroefextruder (over het algemeen L/D=25-30).

Het volume van de C-vormige kamer in elk gedeelte van de tegengesteld draaiende parallelle dubbele schroefextruder wordt herhaaldelijk gewijzigd zoals bij de kegel-dubbel, en de wijzingsmodus is dezelfde.

Het transformatieproces van UPVC-materialen tijdens het verwerkingsproces hangt niet alleen samen met de samenstelling van de gemengde ingrediënten, maar heeft ook veel te maken met de externe verwerkingsomstandigheden, zoals de temperatuur van de gemengde ingrediënten, de volgorde van invoer tijdens het mengen, de extrusietemperatuur, de schroefsnelheid en de hoeveelheid materiaal die wordt toegevoerd, evenals de kracht waaraan het materiaal blootgesteld wordt door afschuiving.

Samenvatting

Dit artikel geeft een fundamentele analyse van het smeltmechanisme en de formuleaanpassing van het materiaal in de extruder. Vanwege de hoge praktische toepasbaarheid van polymeerverwerking en vormtechnologie zijn de grondstofformule, het verwerkingsapparaat en de procesomstandigheden van het product behoorlijk verschillend. Daarom moet de daadwerkelijke productie worden afgestemd op de structuur van het productieapparaat, met name het extrusiesysteem, de samenstelling van de ingrediënten, de prestatievereisten van het product en de productiehoeveelheid. Bovendien moet een uitgebreide analyse worden gemaakt van de invloed van de ingrediënten in de additieven op het smelten van de materialen om een redelijk productieproces vast te stellen.