A Relação entre o Mecanismo de Plastificação dos Equipamentos de Extrusão UPVC e o Ajuste da Fórmula

A moldagem por extrusão plástica, como a moldagem de perfis ou tubos de UPVC (Policloreto de Vinila Rígido), é formada principalmente através da mistura da resina PVC e aditivos relacionados, seguida de moldagem por extrusão, conformação, tração e corte. Entre eles, as matérias-primas, o equipamento de fórmula e os processos operacionais são os principais fatores de moldagem por extrusão plástica, afetando diretamente a qualidade e a produção da moldagem por extrusão. Portanto, este artigo se concentra no impacto do equipamento de extrusão e das matérias-primas na extrusão.

Composição da matéria-prima UPVC

1. Resina PVC

Os produtos rígidos de PVC extrudado geralmente utilizam resina solta por método de suspensão; o grau de polimerização S-PVC, o tamanho das partículas e o grau de porosidade devem ser adequados. Não é possível utilizar polidores com diferenças significativas de tamanho de partícula nem resinas soltas com partículas densas.

2. Estabilizador

Como a resina PVC é uma resina termossensível, quando a temperatura atinge cerca de 90 a 130 ℃, ela começa a se degradar termicamente, liberando HCL instável e fazendo a resina ficar amarela.

À medida que a temperatura sobe, a cor da resina fica mais escura e as propriedades físicas e químicas do produto diminuem. Para resolver o problema da degradação, além de melhorar o processo de produção das matérias-primas da resina, também é possível adicionar estabilizadores à resina PVC para absorver e neutralizar o gás HCL e eliminar seu efeito catalítico de degradação.

Estabilizadores comumente usados são: sais de chumbo, estanho orgânico, sabões metálicos e estabilizadores de terras-raras.

3. Lubrificante

Os lubrificantes são aditivos para melhorar a lubrificação e reduzir a adesão interfacial. Suas funções são divididas em lubrificantes externos, lubrificantes internos e lubrificantes internos e externos.

O lubrificante externo pode reduzir o atrito entre o material e a superfície metálica e evitar que o material UPVC adira ao cilindro e ao parafuso após a plasticização.

O lubrificante interno pode reduzir o atrito entre as partículas dentro do material, enfraquecer a coesão entre as moléculas e diminuir a viscosidade do derretimento.

O uso de lubrificantes tem efeitos evidentes na redução da carga do parafuso, na redução do calor de cisalhamento e no aumento da produção de extrusão.

4. Material de enchimento

Para melhorar a dureza e rigidez do produto, reduzir a deformação do produto e diminuir o custo das matérias-primas, mais materiais de enchimento, como CaCO3, são adicionados na produção de produtos UPVC.

5. Modificador de processamento (ACR)

Os modificadores de processamento são usados principalmente para melhorar o desempenho de processamento dos materiais, acelerar a plasticização da resina PVC e melhorar a fluidez, a deformação térmica e o brilho superficial dos produtos.

6. Modificador de impacto

Os modificadores de impacto são usados principalmente para melhorar a resistência ao impacto dos produtos, aumentar a tenacidade dos produtos e melhorar o efeito de plasticização. Os modificadores comumente usados para UPVC são CPE (polieteno clorado) e modificadores de impacto acrílicos.

7. Agente corante: dióxido de titânio, negro de carbono, etc.

Mecanismo de plasticização do equipamento de extrusão plástica e a influência da fórmula na moldagem

Existem muitos equipamentos para a moldagem por extrusão plástica. Os principais utilizados para a extrusão de produtos complexos de UPVC são a extrusora de parafuso único ventilada e a extrusora de parafuso duplo contrarrotativa.

A seguir, discutimos principalmente o mecanismo de plasticização das extrusoras comumente usadas para extrusão de produtos UPVC.

1. Extrusora de parafuso único tipo ventilação:

1.1 Mecanismo de plasticização:

A extrusora de parafuso único ventilada pode ser usada para moldagem por alimentação de pó, extrusão e peletização de UPVC.

O parafuso compreende dois parafusos simples ordinários em série com uma grande relação comprimento-diâmetro (L/D=25～30). O parafuso simples dianteiro é usado principalmente para absorção de calor, compressão, fusão e homogeneização do material, fazendo com que o material funda inicialmente. O parafuso simples traseiro é usado principalmente para ventilação, fusão e homogeneização, e para acumular a pressão de extrusão.

A partir do orifício de ventilação, o material deve estar em estado semifundido. O orifício de ventilação é colocado na seção de transporte do parafuso traseiro, onde o material pode ser expelido após a descompressão.

Na seção de transporte, o material em pó seco é gradualmente compactado para formar um “leito sólido”. Como a temperatura do material ainda não subiu, apenas o ar entre e dentro das partículas de pó é expulso.

Na seção de compressão, a temperatura do material está em torno de 160～170℃. À medida que o volume da ranhura do parafuso diminui, a pressão se acumula sobre a superfície do material e do cilindro, forçando o material a passar pelo espaço entre o parafuso e o cilindro, e a tensão entre o material e a superfície do cilindro aumenta. 

O efeito de absorção de calor do material é reforçado, e a massa próxima à superfície do cilindro forma uma película fundida devido ao cisalhamento, à pressão e ao calor.

Devido ao movimento relativo do parafuso e do cilindro na parte dianteira da ranhura do parafuso, a área se agrupa e aumenta gradualmente; as partículas de material nesta seção são cortadas e fundidas. Como o material na ranhura do parafuso recebe menos força de cisalhamento, o material na ranhura do parafuso é plasticizado. A consistência é deficiente.

Na seção de homogeneização, o diâmetro inferior do parafuso é reduzido para que o material no meio da ranhura em espiral fique próximo ao cilindro, promovendo o cisalhamento e o aquecimento para fundir e completar ainda mais a fusão do material, homogeneizando-o.

O diâmetro inferior da seção de transporte do último parafuso (próximo à cabeça da máquina) torna-se mais proeminente, e seu deslocamento é muito maior do que o da seção de homogeneização do último parafuso. Os componentes voláteis são liberados, e o orifício de ventilação os expulsa através da bomba de vácuo.

O material chega à seção de homogeneização através da segunda seção de compressão, e a pressão de extrusão se acumula sob a ação da matriz, do parafuso e do cilindro, formando um fluxo denso e uniforme de moldagem por extrusão a partir da matriz, onde o deslocamento da seção de homogeneização é maior do que o anterior. A remoção em uma única etapa evita que o material se acumule.

Da análise acima, pode-se ver que a fusão por parafuso único é causada principalmente pela rotação do parafuso e pela estaticidade do cilindro, e o deslocamento relativo do material nas diferentes partes da ranhura é cortado. O material é aquecido e comprimido, e a condução de calor entre o cilindro e o parafuso forma uma piscina de filme fundido—migração entre fases líquidas, etc.

1.2 Problemas que devem ser observados no projeto da fórmula:

Ao projetar a fórmula do material para parafuso único, deve-se levar em conta o longo tempo de fusão do material na extrusora de parafuso único, a aparente influência do estado secular na seção de transporte sólido na produtividade e o transporte não obrigatório de materiais.

Devido à grande relação de aspecto da extrusora de parafuso único ventilada (geralmente L/D=28～32), o material é aquecido por um longo tempo e não é forçado a ser transportado. É benéfico aumentar a quantidade de estabilizador para evitar a decomposição por superaquecimento—uma carga mais prolongada e maior. Um aumento adequado de lubrificante pode reduzir o torque do parafuso.

É claro que demasiado lubrificante prejudica o transporte de materiais e o desempenho de impacto dos produtos. Pode ocorrer o fenômeno de “parafuso preso” na extrusão quando há excesso de gordura. Considere adicionar um modificador de impacto. O aumento da quantidade de modificador de impacto aumentará o torque do parafuso.

Adicionar uma certa quantidade de enchimento CaCO3 pode aumentar a resistência do derretimento, reduzir a fluidez do material e afetar a velocidade de plasticização do material. Os efeitos do CaCO3 com diferentes tamanhos de partícula também são muito distintos. Por isso, a quantidade de CaCO3 adicionada a produtos para diversos fins varia bastante.

Além disso, as características da estrutura do molde estão relacionadas ao tamanho da pressão de extrusão e têm um impacto particular na formulação.

2. Extrusora de parafuso duplo contrarrotativa

Embora o mecanismo de fusão da extrusora de parafuso duplo seja baseado em um único parafuso, o princípio de transporte é muito diferente do de um único parafuso devido à existência da zona de engrenamento.

2.1 Classificação das extrusoras de parafuso duplo

De acordo com a direção de operação dos parafusos, pode ser dividida em:

1. Extrusora de parafuso duplo contrarrotativa: a direção de rotação dos dois parafusos é oposta.
2. Extrusora de parafuso duplo co-rotativa: a direção de rotação dos dois parafusos é a mesma.

De acordo com a lei de rotação, a extrusora de parafuso duplo contrarrotativa pode ser dividida em extrusora de parafuso duplo contrarrotativa externa e extrusora de parafuso duplo contrarrotativa interna.

A extrusora de parafuso duplo contrarrotativa interna foi eliminada devido à sua fraca capacidade de alimentação e à grande força radial gerada pelo material no parafuso na área de calandragem dos dois parafusos, resultando em desgaste severo entre o cilindro e o parafuso.

Em geral, a extrusora de parafuso duplo contrarrotativa refere-se à extrusora de parafuso duplo contrarrotativa externa (o mesmo abaixo).

A extrusão de perfis de UPVC geralmente utiliza extrusoras de parafuso duplo cônico contrarrotativas e extrusoras de parafuso duplo paralelas contrarrotativas.

2.1.1 Extrusora de parafuso duplo cônico contrarrotativa:

Os eixos dos dois parafusos e o eixo do cilindro são distribuídos simetricamente no ângulo incluído α (o valor de α geralmente está entre 1° e 2°). No entanto, a direção dos parafusos é diferente, e o diâmetro das duas extremidades da seção de trabalho é diferente.

O parafuso com a mesma profundidade das ranhuras grandes e pequenas no parafuso da extrusora cônica dupla comum e o parafuso com profundidade considerável das ranhuras são mais significativos do que os parafusos com profundidade menor nas extrusoras cônicas duplas super-cônicas (duplo-cônicas).

As características da extrusora de parafuso duplo cônico contrarrotativa: diâmetro grande da cabeça do parafuso, grande capacidade térmica do parafuso, material com ranhura profunda (ultra-cônica), grande área de contato com o parafuso e o cilindro, longo tempo de residência do material, o que é benéfico para a transferência de calor entre o cilindro e o parafuso e o material. Com base nesse ponto, o comprimento do parafuso e a relação de aspecto (geralmente de 13 a 17) sob a mesma produção são muito menores do que os de outros tipos de extrusoras.

O diâmetro da cabeça pequena do parafuso é relativamente pequeno, o tempo de residência do material na seção de extrusão é curto, a velocidade linear de operação do parafuso é baixa e a baixa taxa de cisalhamento é benéfica para reduzir o calor de atrito entre o material e entre o material e o parafuso e o cilindro.

Quando a taxa de extrusão do perfil está dentro de 400 kg/h e a taxa de extrusão da chapa de tubo está dentro de 800 kg/h, deve-se dar prioridade ao uso de uma extrusora cônica dupla. A extrusora cônica dupla para extrusão de perfis e tubos de UPVC é a mais amplamente utilizada.

Capacidade de plastificação: A capacidade de plastificação das extrusoras resulta do efeito combinado do sistema de extrusão da extrusora, da fórmula e dos parâmetros do processo operacional.

Não se pode dizer que a capacidade de plastificação das extrusoras cônico dupla e paralela seja melhor ou pior. Ela só pode ser determinada com base na análise da estrutura específica do parafuso, da composição da fórmula, dos parâmetros do processo operacional e do molde.

2.1.2 Extrusora de parafuso duplo paralela contrarrotativa:

Os eixos dos dois parafusos são paralelos e simetricamente distribuídos com o eixo do cilindro. Os diâmetros interno e externo das duas extremidades da seção de trabalho do parafuso são iguais, e há parafusos segmentados e parafusos de passo contínuo variável.

Parafuso segmentado refere-se ao parafuso com ranhuras escareadas devido ao número diferente de cabeças de parafuso e aos diferentes passos entre as diferentes seções funcionais do parafuso.

O parafuso plano duplo de passo contínuo variável significa que não há ranhura escareada entre as diferentes seções funcionais do parafuso. Portanto, o número de cabeças de parafuso nas várias áreas de aplicação do parafuso é o mesmo. Como a geratriz do parafuso e do cilindro é reta, a processabilidade é melhor.

O parafuso da extrusora plana dupla contrarrotativa pode ser retirado da extremidade de descarga da extrusora, o que é conveniente para a manutenção do equipamento. O parafuso pode ser projetado com uma estrutura de passo variável em todo o curso. Segundo informações relevantes, o esforço de processamento sobre o material ao extrudar o perfil é pequeno, obtendo-se uma boa qualidade de extrusão.

Uma extrusora de parafuso duplo paralela é relativamente mais utilizada quando o volume de extrusão é grande. Deve-se observar que a produção da linha de perfis é bastante afetada pelo molde. A moldagem da cabeça da extrusora em alta velocidade e a excelente forma do produto no molde de fixação frequentemente se tornam o gargalo da produção limitada.

2.2 O mecanismo de plastificação da extrusora cônica dupla:

Geralmente, o sistema de extrusão da extrusora cônica dupla inclui: parafuso, cilindro, dispositivo de aquecimento e resfriamento e dispositivo de exaustão a vácuo.

 2.2.1 Mecanismo de plastificação do material da extrusora cônica dupla:

⑴ Seção de transporte:

O material entra na seção de transporte pela porta de descarga e é transportado para frente sob a força do parafuso. Cada vez que o parafuso gira, o material na câmara em forma de C move-se para frente por um passo.

Devido à estrutura, o volume da câmara em forma de C fica cada vez menor, e o material é gradualmente comprimido. À medida que a pressão de contato entre o material e o parafuso do cilindro aumenta, a absorção de calor aumenta e a temperatura do material sobe lentamente, preparando-se para a próxima etapa de fusão.

Como a área superficial do cilindro e do parafuso da extrusora cônica dupla é ampliada na seção de transporte, a eficiência de condução de calor entre o material e o cilindro e o parafuso melhora.

⑵ Seção de pré-plastificação:

Depois que os materiais são aquecidos e comprimidos na seção de transporte, a maior parte do ar entre e dentro das partículas de pó é expelida, e a densidade dos materiais aumenta.

À medida que o material na câmara em forma de C continua a se mover para frente, o material em contato com o cilindro e o parafuso será mantido na mesma velocidade do cilindro ou do parafuso devido à adesão. Sob a ação do parafuso, o efeito de cisalhamento é mais forte do que o material no meio da ranhura do parafuso. Após ser aquecido por um longo tempo, ele começa a fundir, e o material na câmara em forma de C é dissolvido em um fluxo circulante de fora para dentro.

À medida que o volume da câmara em forma de C muda, a troca de materiais internos e externos é reforçada. Alguns fabricantes de extrusoras montam um tanque de mistura na seção de pré-plastificação de acordo com as características da própria extrusora. O objetivo é comunicar os materiais nas câmaras em forma de C da frente e de trás, reforçar o efeito de cisalhamento e facilitar a troca de materiais entre as camadas interna e externa da câmara em forma de C. Melhorar o efeito de fusão.

Depois que o material passa pela seção de pré-plastificação, os materiais em pó e granulares abundantes são quebrados, e os materiais ficam em estado semi-fundido.

⑶ Seção de plastificação:

Também conhecida como seção de compressão. O volume da câmara em forma de C nesta seção é reduzido drasticamente (o deslocamento desta seção é apenas entre 0,25 e 0,4 da área de transporte), e os materiais são submetidos a compressão sólida, cisalhamento e troca ao passarem por ela. Assim, a maioria dos materiais está basicamente em um estado inicial de plastificação.

⑷ Seção de exaustão:

A mistura de UPVC entra na seção de exaustão após a seção de transporte, pré-plastificação e compressão, pois o volume da câmara em forma de C na seção de exaustão é muito maior do que o da seção de compressão (geralmente, o deslocamento é mais de três vezes superior ao da seção de compressão).

Quando o material chega a essa seção, a pressão é reduzida, e o material torna-se segmentado ou grande, liberando gases e componentes voláteis de baixa massa molecular presentes no material. Esta seção está equipada com um orifício de exaustão, e os gases são evacuados através desse orifício sob a ação de uma bomba de vácuo.

A função de exaustão na moldagem por extrusão de UPVC é essencial. Caso contrário, as bolhas de ar no produto afetarão seriamente as propriedades mecânicas.

⑸ Seção de medição:

 Devido à mudança contínua do volume da câmara em forma de C através das seções de transporte, pré-plastificação, plastificação e medição, e ao número diferente de cabeças de parafuso em cada área do parafuso, o material na câmara em forma de C muda continuamente de posição e então entra na seção de medição. Como resultado, ele continua a ser plastificado, homogeneizado e acumula pressão de extrusão sob a ação da matriz.

Como o volume da câmara em forma de C na seção de medição é reduzido, o material é novamente comprimido após a homogeneização para formar um fluido denso e uniforme que é extrudado através do corpo de conexão (corpo de transição), placa perfurada e matriz.

2.3 O mecanismo de plastificação da extrusora de duplo parafuso paralelo de rotação contrária:

O mecanismo de plastificação da extrusora de duplo parafuso paralelo de rotação contrária é o mesmo da extrusora de duplo parafuso cônico. A diferença é que o diâmetro do parafuso e do barril é o mesmo em todos os lugares. O material na seção de alimentação tem uma área de absorção térmica pequena, comparada à seção de medição do parafuso. Portanto, o diâmetro é maior do que o do duplo cônico, e a velocidade do parafuso não pode ser muito alta.

Portanto, para melhorar o efeito de plastificação, a relação comprimento-diâmetro do parafuso da extrusora de duplo parafuso paralelo de rotação contrária é mais significativa do que a da extrusora de duplo parafuso cônico (geralmente L/D=25-30).

O volume da câmara em forma de C em cada seção da extrusora de duplo parafuso paralelo de rotação contrária é alterado repetidamente conforme o cone e o duplo, e o modo de alteração é o mesmo.

O processo de transformação dos materiais de UPVC no processo de processamento não só está relacionado à composição dos ingredientes misturados, como também tem muito a ver com as condições externas de processamento, tais como a temperatura dos ingredientes misturados, a ordem de alimentação durante a mistura, a temperatura do processo de extrusão, a velocidade do parafuso e a quantidade de material alimentado e a intensidade de cisalhamento a que o material é submetido.

Resumo

Este artigo faz uma análise fundamental sobre o mecanismo de fusão e o ajuste da fórmula do material na extrusora. Devido à alta praticidade da tecnologia de processamento e moldagem de polímeros, a fórmula da matéria-prima do produto, os equipamentos de processamento e as condições do processo são bastante diferentes. Portanto, a produção real deve ser combinada com a estrutura do equipamento de produção, especialmente o sistema de extrusão, a composição dos ingredientes, os requisitos de desempenho do produto e o volume de produção. Além disso, deve-se realizar uma análise abrangente da influência dos ingredientes nos aditivos sobre a fusão dos materiais para determinar um processo de produção razoável.