Związek między mechanizmem plastyfikacji sprzętu do wytłaczania Upvc a regulacją formuły

Formowanie wytłaczane z tworzyw sztucznych, takie jak formowanie profili lub rur z UPVC (sztywnego polichlorku winylu), powstaje głównie poprzez komponowanie żywicy PVC i powiązanych dodatków, wytłaczanie, kształtowanie, ciągnięcie i cięcie. Wśród nich surowce, sprzęt do przygotowania receptury oraz procesy operacyjne są głównymi czynnikami wpływającymi na formowanie wytłaczane z tworzyw sztucznych, bezpośrednio wpływając na jakość i wydajność formowania wytłaczanego. Dlatego artykuł skupia się na wpływie sprzętu do wytłaczania oraz surowców na proces wytłaczania.

Skład surowca UPVC

1. Żywica PVC

Do wytłaczania sztywnych produktów z PVC zwykle używa się żwiru rozpuszczonego metodą zawieszeniową; stopień polimeryzacji S-PVC, wielkość cząstek i stopień porowatości powinny być odpowiednie. Nie można używać past z dużymi różnicami w wielkości cząstek ani żwirów luźnych o gęstych cząsteczkach.

2. Stabilizator

Ponieważ żywica PVC jest żywicą wrażliwą na ciepło, gdy temperatura osiągnie około 90 do 130 ℃, rozpocznie się jej termiczna degradacja, uwalniając niestabilny HCL i powodując żółknięcie żywicy.

W miarę wzrostu temperatury kolor żywicy staje się ciemniejszy, a właściwości fizyczne i chemiczne produktu zmniejszają się. Aby rozwiązać problem degradacji, oprócz udoskonalenia procesu produkcji surowców żywicznych, można również dodać stabilizatory do żywicy PVC, aby pochłaniać i neutralizować gaz HCL oraz eliminować jego katalizujący wpływ na degradację.

Często stosowane stabilizatory to: sole ołowiu, organiczne cyny, mydła metali i stabilizatory ziem rzadkich.

3. Smar

Smary są dodatkami służącymi do poprawy smarności i redukcji przylegania międzyfazowego. Ich funkcje dzielą się na smary zewnętrzne, wewnętrzne oraz wewnętrzne i zewnętrzne.

Smara zewnętrzna może zmniejszyć tarcie między materiałem a powierzchnią metalową i zapobiec przyleganiu materiału UPVC do cylindra i śruby po plastycyzacji.

Smara wewnętrzna może zmniejszyć tarcie między cząsteczkami wewnątrz materiału, osłabić spójność między molekułami i obniżyć lepkość stopionego materiału.

Użycie smarów ma wyraźne efekty w redukcji obciążenia śruby, zmniejszeniu ciepła z wysiłku i zwiększeniu wydajności wytłaczania.

4. Materiał wypełniający

Aby poprawić twardość i sztywność produktu, ograniczyć odkształcenia produktu i obniżyć koszty surowców, do produkcji produktów z UPVC dodaje się więcej wypełniaczy, takich jak CaCO3.

5. Modifikator obróbki (ACR)

Modifikatory obróbki służą głównie do poprawy wydajności obróbki materiałów, przyspieszenia plastycyzacji żywicy PVC oraz polepszenia płynności, deformacji termicznej i połysku powierzchni produktów.

6. Modifikator odporności na uderzenia

Modifikatory odporności na uderzenia służą głównie do poprawy odporności produktów na uderzenia, zwiększenia ich trwałości i polepszenia efektu plastycyzacji. Często stosowanymi modifikatorami dla UPVC są CPE (chlorowany polietylen) i akrylowe modifikatory odporności na uderzenia.

7. Barwnik: dwutlenek tytanu, czarny węgiel itp.

Mechanizm plastycyzacji urządzeń do wytłaczania tworzyw sztucznych i wpływ receptury na formowanie

Istnieje wiele urządzeń do formowania wytłaczanego z tworzyw sztucznych. Głównymi zastosowanymi do wytłaczania złożonych produktów z UPVC są ekstruder jednoskrętny z odpowietrzeniem oraz ekstruder dwuskrzydłowy z przeciwnym kierunkiem obrotów.

Poniżej omówiono głównie mechanizm plastycyzacji powszechnie używanych ekstruderów do wytłaczania produktów z UPVC.

1. Ekstruder jednoskrętny typu odpowietrzającego:

1.1 Mechanizm plastycyzacji:

Ekstruder jednoskrętny z odpowietrzeniem może być używany do formowania proszkowego, wytłaczania i granulowania UPVC.

Śruba składa się z dwóch zwykłych jednoskrzydeł z dużym stosunkiem długości do średnicy (L/D=25～30). Przednia śruba służy głównie do absorpcji ciepła, kompresji, topienia i homogenizacji materiału, by materiał początkowo stopił się. Tylna śruba służy przede wszystkim do odpowietrzania, topienia i homogenizacji oraz budowania ciśnienia wytłaczania.

Od otworu odpowietrzającego materiał powinien być w stanie półstopionym. Otwór odpowietrzający umieszczony jest w części transportowej tylnej śruby, gdzie materiał może zostać odprowadzony po rozprężeniu.

W części transportowej suchy materiał w proszku stopniowo zostaje zagęszczony, tworząc “stałą warstwę”. Ponieważ temperatura materiału jeszcze nie wzrosła, wydalany jest tylko powietrze między i wewnątrz cząstek proszku.

W części kompresji temperatura materiału wynosi około 160～170℃. W miarę zmniejszania objętości rowka śruby ciśnienie rośnie na powierzchni materiału i cylindra, zmuszając materiał do przechodzenia przez szczelinę między śrubą a cylindrem, a napięcie między materiałem a powierzchnią cylindra wzrasta. 

Efekt absorpcji ciepła materiału wzmacnia się, a tkanina bliska powierzchni cylindra tworzy film stopiony dzięki naprężeń, ciśnieniu i ciepłu.

Ze względu na względny ruch śruby i cylindra w przedniej części rowka śruby obszar zbiera się i stopniowo zwiększa, cząsteczki materiału w tej części są ścierane i stopione. Ponieważ materiał w rowku śruby otrzymuje mniejszą siłę ścierania, materiał w rowku śruby zostaje plastycyzowany. Konsystencja jest niedostateczna.

W części homogenizacji śruba ma zmniejszoną średnicę dna, dzięki czemu materiał w środku spiralnego rowka zbliża się do cylindra, wspomagając ścieranie i nagrzewanie do stopienia oraz dalszego homogenizowania materiału.

Dno części transportowej ostatniej śruby (blisko głowicy maszyny) staje się bardziej widoczne, a jej przesunięcie jest znacznie większe niż w części homogenizującej ostatniej śruby. Lekkie składniki lotne są uwalniane, a otwór odpowietrzający odprowadza je za pomocą pompy próżniowej.

Materiał dociera do części homogenizującej przez drugą część kompresji, a ciśnienie wytłaczania buduje się pod działaniem matrycy, śruby i cylindra, tworząc gęsty i jednorodny strumień wytłaczania z matrycy, gdzie przesunięcie części homogenizującej jest większe niż w poprzedniej. Jednostopniowe usuwanie zapobiega uszkodzeniom materiału.

Z powyższej analizy wynika, że stopienie w jednoskrzydłowym ekstruderze jest głównie spowodowane obrotem śruby i nieruchomym cylindrem, a względne przemieszczenie materiału w różnych partiach rowka jest ścierane. Materiał jest nagrzewany i kompresowany, a przewodzenie ciepła między cylindrem i śrubą tworzy strefę stopionego filmu—migrację między fazami ciekłymi itp.

1.2 Problemy wymagające uwagi przy projektowaniu receptury:

Przy projektowaniu receptury materiału do jednoskrzydłowego ekstrudera należy uwzględnić długi czas stopienia materiału w ekstruderze jednoskrzydłowym, widoczny wpływ stanu stałego w części transportowej na produktywność oraz niemuszące być transportowane materiały.

Ze względu na duże proporcje ekstrudera jednoskrzydłowego z odpowietrzeniem (zwykle L/D=28～32), materiał jest nagrzewany przez długi czas i nie jest zmuszany do transportu. Korzystne jest zwiększenie ilości stabilizatora, aby zapobiec nadmiernemu rozkładowi — dłuższe i większe obciążenie. Odpowiednie zwiększenie ilości smaru może zmniejszyć moment obrotowy śruby.

Oczywiście zbyt duża ilość smaru szkodzi transportowi materiałów i wydajności produktu. Może wystąpić zjawisko “utrzymywania śruby” w procesie wytłaczania, jeśli tłuszczu jest zbyt dużo. Rozważ dodanie modifikatora odporności na uderzenia. Zwiększenie ilości modifikatora odporności na uderzenia zwiększy moment obrotowy śruby.

Dodanie pewnej ilości wypełniacza CaCO3 może zwiększyć wytrzymałość stopionego materiału, zmniejszyć płynność materiału i wpłynąć na szybkość plastycyzacji materiału. Efekty CaCO3 o różnych wielkościach cząstek są również bardzo różne. Dlatego ilość dodawanego CaCO3 do produktów o różnym przeznaczeniu znacznie się różni.

Ponadto charakterystyka struktury formy jest związana z wielkością ciśnienia wytłaczania i ma szczególne znaczenie dla formulacji.

2. Wytłaczarka dwuśrubowa z przeciwnym kierunkiem obrotów

Chociaż mechanizm topienia wytłaczarki dwuśrubowej opiera się na jednej śrubie, zasada transportu jest bardzo odmienna od tej w przypadku jednoskrupowej ze względu na istnienie strefy zazębienia.

2.1 Klasyfikacja wytłaczarek dwuśrubowych

Według kierunku pracy śrub można podzielić na:

1. Wytłaczarka dwuśrubowa z przeciwnym kierunkiem obrotów: kierunek obrotów dwóch śrub jest przeciwny.
2. Wytłaczarka dwuśrubowa z tym samym kierunkiem obrotów: kierunek obrotów dwóch śrub jest taki sam.

Zgodnie z prawem obrotów wytłaczarka dwuśrubowa z przeciwnym kierunkiem obrotów może być podzielona na wytłaczarkę dwuśrubową z przeciwnym kierunkiem obrotów na zewnątrz oraz wytłaczarkę dwuśrubową z przeciwnym kierunkiem obrotów do środka.

Wytłaczarka dwuśrubowa z przeciwnym kierunkiem obrotów do środka została wyeliminowana ze względu na słabą zdolność dozowania oraz dużą siłę promieniową generowaną przez materiał na śrubie w obszarze kalibrowania dwóch śrub, co prowadziło do silnego zużycia między cylindrem a śrubą.

Ogólnie rzecz biorąc, wytłaczarka dwuśrubowa z przeciwnym kierunkiem obrotów odnosi się do wytłaczarki dwuśrubowej z przeciwnym kierunkiem obrotów na zewnątrz (tak samo poniżej).

Do wytłaczania profili UPVC zwykle stosuje się wytłaczarki dwuśrubowe stożkowe z przeciwnym kierunkiem obrotów oraz wytłaczarki dwuśrubowe równoległe z przeciwnym kierunkiem obrotów.

2.1.1 Wytłaczarka dwuśrubowa stożkowa z przeciwnym kierunkiem obrotów:

Osie obu śrub i osia cylindra są symetrycznie rozmieszczone pod kątem α (wartość α wynosi zwykle od 1° do 2°). Jednak kierunek śrub jest różny, średnice obu końców sekcji roboczej są różne.

Śruba o takiej samej głębokości rowków śrubowych w zwykłej wytłaczarce dwuśrubowej stożkowej oraz śruba o znacznej głębokości rowków śrubowych są bardziej istotne niż śruba wytłaczarki dwuśrubowej stożkowej super-stożkowej (dwustożkowej) o mniejszej głębokości rowków śrubowych.

Cechy wytłaczarki dwuśrubowej stożkowej z przeciwnym kierunkiem obrotów: duża średnica głów śrub, duża pojemność cieplna śrub, głębokie rowki (ultra-stożkowe) materiału, duża powierzchnia kontaktu ze śrubą i cylindrem, długi czas przebywania materiału są korzystne dla przepływu ciepła między cylindrem a śrubą i materiałem. Z tego względu długość śruby i współczynnik proporcji (zwykle 13-17) przy tej samej wydajności są znacznie mniejsze niż w innych typach wytłaczarek.

Średnica głów śrub małych jest stosunkowo niewielka, czas przebywania materiału w sekcji wytłaczania jest krótki, prędkość liniowa pracy śruby jest niska, a niski stopień naprężeń skuwających jest korzystny dla zmniejszenia ciepła tarcia między materiałem, a także między materiałem a śrubą i cylindrem.

Gdy szybkość wytłaczania profilu mieści się w granicach 400 kg/h, a szybkość wytłaczania arkuszy rur w granicach 800 kg/h, należy preferować stosowanie wytłaczarki dwuśrubowej stożkowej. Wytłaczarka dwuśrubowa stożkowa do wytłaczania profili i rur UPVC jest najpowszechniej używaną.

Zdolność plastyczną: Zdolność plastyczną wytłaczarek wynika z kompleksowego wpływu systemu wytłaczania wytłaczarki, formulacji i parametrów procesu eksploatacyjnego.

Nie można powiedzieć, która z wytłaczarek dwuśrubowych stożkowych i równoległych ma lepszą lub gorszą zdolność plastyczną. Można to określić tylko na podstawie analizy konkretnego budownictwa śruby, składu formulacji, parametrów procesu eksploatacyjnego i formy.

2.1.2 Wytłaczarka dwuśrubowa równoległa z przeciwnym kierunkiem obrotów:

Osie obu śrub są równoległe i symetrycznie rozmieszczone względem osi cylindra. Średnice wewnętrzne i zewnętrzne obu końców sekcji roboczej śruby są takie same, występują śruby segmentowe oraz śruby o ciągłej zmiennej skoku.

Śruba segmentowa to śruba z rowkami podciętymi ze względu na różną liczbę głów śrubowych i różne skoki między poszczególnymi sekcjami funkcjonalnymi śruby.

Śruba płaska o ciągłej zmiennej skoku oznacza, że nie ma rowków podciętych między poszczególnymi sekcjami funkcjonalnymi śruby. Dlatego liczba głów śrubowych w różnych obszarach zastosowania śruby jest taka sama. Ponieważ tworząca śruby i cylindra jest prosta, jej przetworniczość jest lepsza.

Śrubę wytłaczarki dwuśrubowej płaskiej z przeciwnym kierunkiem obrotów można wyjąć z końca wyprowadzającego, co ułatwia konserwację urządzenia. Śrubę można zaprojektować jako pełną strukturę o zmiennej skoku. Według odpowiednich informacji naprężenia w materiale podczas wytłaczania profilu są małe, co umożliwia uzyskanie dobrej jakości wytłaczania.

Wytłaczarka dwuśrubowa równoległa jest stosowana relatywnie częściej, gdy objętość wytłaczania jest duża. Należy pamiętać, że wydajność linii produkcyjnej profili jest mocno zależna od formy. Formowanie głowicy wytłaczarki przy wysokiej prędkości oraz doskonały kształt produktu w formie utwardzającej często stają się węzłem ograniczającym wydajność.

2.2 Mechanizm plastycznego wytłaczania wytłaczarki dwuśrubowej stożkowej:

Ogólnie rzecz biorąc, system wytłaczania wytłaczarki dwuśrubowej stożkowej obejmuje: śrubę, cylinder, urządzenie grzewcze i chłodzące oraz urządzenie próżniowe odprowadzające.

 2.2.1 Mechanizm plastycznego wytłaczania materiału w wytłaczarce dwuśrubowej stożkowej:

⑴ Sekcja transportu:

Materiał wchodzi do sekcji transportu z otworu wyprowadzającego i jest przemieszczany do przodu pod wpływem siły śruby. Za każdym razem, gdy śruba obraca się, materiał w komorze w kształcie C przesuwa się o jeden skok.

Ze względu na budowę objętość komory w kształcie C jest coraz mniejsza, a materiał stopniowo zostaje sprężony. W miarę wzrostu nacisku kontaktowego między materiałem a cylindrem śruby wzrasta absorpcja ciepła, temperatura materiału powoli rośnie, przygotowując go do kolejnego etapu topienia.

Ponieważ powierzchnia cylindra i śruby wytłaczarki stożkowej w sekcji transportu jest większa, poprawia się efektywność przewodzenia ciepła między materiałem a cylindrem i śrubą.

⑵ Sekcja przed-plastycznego wytłaczania:

Po nagrzaniu i sprężeniu materiałów w sekcji transportu większość powietrza między i wewnątrz cząsteczek proszku zostaje usunięta, a gęstość materiałów wzrasta.

Kiedy materiał w komorze w kształcie C nadal przesuwa się do przodu, materiał kontaktujący z cylindrem i śrubą będzie poruszany z tą samą prędkością co cylinder czy śruba dzięki adhezji. Pod wpływem działania śruby efekt skuwający jest silniejszy niż w środku rowka śrubowego. Po dłuższym nagrzewaniu zaczyna się topić, a materiał w komorze w kształcie C rozpuszcza się w cyklicznym przepływie od zewnątrz do wnętrza.

W miarę zmiany objętości komory w kształcie C wzmacnia się wymiana materiałów wewnętrznych i zewnętrznych. Niektóre producenty wytłaczarek uruchamiają zbiornik mieszający w sekcji przed-plastycznego wytłaczania z uwagi na specyfikę własnych wytłaczarek. Celem jest komunikacja materiałów w przedniej i tylnej komorze w kształcie C, wzmacnianie efektu skuwania oraz ułatwienie wymiany materiałów między warstwami wewnętrznej i zewnętrznej komory w kształcie C. Poprawia się efekt topienia.

Po przejściu materiału przez sekcję przed-plastycznego wytłaczania obfite materiały w postaci proszku i granulatów zostają rozbite, a materiały znajdują się w półstopionym stanie.

⑶ Sekcja plastycznego wytłaczania:

Nazywana również sekcją kompresji. Objętość komory w kształcie C w tej sekcji jest gwałtownie zmniejszona (przesunięcie tej sekcji wynosi tylko od 0,25 do 0,4 powierzchni transportowej), a materiały podlegają solidnemu ściskaniu, skuwaniu i wymianie podczas przepływu. Dzięki temu większość materiałów znajduje się w zasadniczo początkowym stanie plastycznym.

⑷ Sekcja odprowadzania:

Mieszanka UPVC dostaje się do sekcji odpowietrzania po sekcji transportu, wstępnej plastycyzacji i kompresji, ponieważ objętość komory w kształcie C w sekcji odpowietrzania jest znacznie większa niż w sekcji kompresji (zwykle przemieszczenie jest ponad trzykrotnie większe niż w sekcji kompresji).

Gdy materiał dociera do tej sekcji, ciśnienie zmniejsza się, a materiał staje się segmentowany lub dużych rozmiarów; gaz oraz lotne składniki o niskiej masie molowej uwalniają się z materiału. Ta sekcja jest wyposażona w otwór odpowietrzający, a gaz wydalany jest przez ten otwór pod działaniem pompy próżniowej.

Funkcja odpowietrzania w formowaniu ekstruzyjnym UPVC jest kluczowa. W przeciwnym razie pęcherzyki powietrza w produkcie poważnie wpłyną na właściwości mechaniczne.

⑸ Sekcja pomiarowa:

 Ze względu na ciągłą zmianę objętości komory w kształcie C poprzez sekcję transportu, sekcję wstępnej plastycyzacji, sekcję plastycyzacji i sekcję pomiarową, a także różną liczbę głowic śrub w każdym obszarze śruby, materiał w komorze w kształcie C stale zmienia swoje położenie i następnie dostaje się do sekcji pomiarowej. W rezultacie następuje dalsza plastycyzacja, homogenizacja oraz budowanie ciśnienia ekstruzji pod działaniem matrycy.

Ponieważ objętość komory w kształcie C w sekcji pomiarowej zmniejsza się, materiał zostaje ponownie skompresowany po homogenizacji, tworząc gęstą i jednorodną fazę płynną, która wypływa przez ciało łącznikowe (ciało przejściowe), płytę perforowaną i matrycę.

2.3 Mechanizm plastycyzacji ekstrudera dwuskrzydłowego równoległego z obrotami przeciwnymi:

Mechanizm plastycyzacji ekstrudera dwuskrzydłowego równoległego z obrotami przeciwnymi jest taki sam jak w ekstruderze stożkowym dwuskrzydłowym. Różnica polega na tym, że średnica śruby i cylindra jest wszędzie taka sama. Materiał w sekcji zaopatrzeniowej ma mniejszą powierzchnię pochłaniania ciepła w porównaniu z sekcją pomiarową śruby. Dlatego średnica jest większa niż w stożku podwójnym, a prędkość obrotowa śruby nie może być zbyt duża.

Dlatego, aby poprawić efekt plastycyzacji, stosunek długości do średnicy śruby ekstrudera dwuskrzydłowego równoległego z obrotami przeciwnymi jest bardziej istotny niż w ekstruderze stożkowym dwuskrzydłowym (zwykle L/D=25-30).

Objętość komory w kształcie C w każdej sekcji ekstrudera dwuskrzydłowego równoległego z obrotami przeciwnymi zmienia się wielokrotnie tak samo jak w stożku podwójnym, a tryb zmiany jest identyczny.

Proces przemiany materiałów UPVC w procesie obróbki wiąże się nie tylko z składem mieszanych składników, ale również ma wiele wspólnego z zewnętrznymi warunkami obróbki, takimi jak temperatura mieszaniny, kolejność dodawania składników podczas mieszania, temperatura procesu ekstruzji, prędkość obrotowa śruby oraz ilość materiału i siła naprężeń skuwających, którym materiał jest poddawany.

Podsumowanie

Artykuł dokonuje fundamentalnej analizy mechanizmu topienia i regulacji receptury materiału w ekstruderze. Ze względu na wysoką praktyczność technologii obróbki i formowania polimerów, receptura surowców produkcyjnych, sprzęt obróbkowy i warunki procesowe są dość różne. Dlatego rzeczywista produkcja powinna być łączona z konstrukcją sprzętu produkcyjnego, zwłaszcza systemem ekstruzji, składem składników, wymaganiami dotyczącymi wydajności produktu oraz wielkością produkcji. Ponadto należy przeprowadzić kompleksową analizę wpływu składników dodatkowych na topienie materiałów, aby ustalić rozsądny proces produkcyjny.