Relația dintre mecanismul de plasticizare al echipamentelor de extruzie UPVC și ajustarea formulei

Mouldarea prin extruzie a materialelor plastice, cum ar fi profilurile sau produsele din tuburi UPVC (clorură de polivinil rigid), se realizează în principal prin compunerea resinii PVC și aditivilor corespunzători, extruzia, modelarea, tracțiunea și tăierea. Printre acestea, materiile prime, echipamentele pentru formulă și procesele operaționale sunt factorii principali ai mouldării prin extruzie a materialelor plastice, afectând direct calitatea și producția mouldării prin extruzie. Prin urmare, acest articol se concentrează pe impactul echipamentelor de extruzie și al materiilor prime asupra extruziei.

Compoziția materiilor prime UPVC

1. Resină PVC

Produsele rigide extrudate din PVC folosesc în general o rezină liberă prin metoda suspendării; gradul de polimerizare S-PVC, mărimea particulelor și gradul de porozitate trebuie să fie adecvate. Nu este posibil să se utilizeze pastele cu diferențe mari de mărime a particulelor sau resine libere cu particule dense.

2. Stabilizator

Deoarece resină PVC este o rezină sensibilă la căldură, când temperatura atinge aproximativ 90–130 ℃, începe să se degradeze termic, eliberând HCL instabil și făcând rezina să devină galbenă.

Pe măsură ce temperatura crește, culoarea resinii devine mai întunecată, iar proprietățile fizice și chimice ale produsului scad. Pentru a解决 problema degradării, pe lângă îmbunătățirea procesului de producție al materiilor prime pentru rezină, pot fi adăugați și stabilizatori la rezina PVC pentru a absorbi și neutraliza gazele de HCL și a elimina efectul lor catalitic de degradare.

Stabilizatorii utilizati des sunt: săruri de plumb, staniu organic, săpunuri metalice și stabilizatori de terestre rare.

3. Lubricant

Lubricanții sunt aditivi care îmbunătățesc lubrificabilitatea și reduc aderența interfațială. Funcțiile lor se împart în lubrifianți externi, interni și interni și externi.

Lubrifiantul extern poate reduce frecarea dintre material și suprafața metalică și previne lipirea materialului UPVC de cilindrul și șurubul după plasticizare.

Lubrifiantul intern poate reduce frecarea dintre particulele din interiorul materialului, slăbi legăturile dintre molecule și reduce vâscozitatea în stare de topire.

Utilizarea lubrifianților are efecte evidente asupra reducerii sarcinii șurubului, a reducerii căldurii de forfecare și a creșterii producției de extruzie.

4. Material de umplutură

Pentru a îmbunătăți duritatea și rigiditatea produsului, a reduce deformarea produsului și a reduce costurile materiilor prime, se adaugă mai multe umpluturi precum CaCO3 în producția de produse UPVC.

5. Modificator de procesare (ACR)

Modificatorii de procesare sunt utilizați în principal pentru a îmbunătăți performanța de procesare a materialelor, a accelera plasticizarea resinii PVC și a îmbunătăți fluiditatea, deformarea termică și luciul suprafeței produselor.

6. Modificator de impact

Modificatorii de impact sunt utilizați în principal pentru a îmbunătăți rezistența la impact a produselor, a crește tenacitatea produselor și a îmbunătăți efectul de plasticizare. Modificatorii utilizați des pentru UPVC sunt CPE (polietilen clorurat) și modificatori acrilici de impact.

7. Agent colorant: dioxid de titan, carbone negru, etc.

Mecanismul de plasticizare al echipamentelor de extruzie a materialelor plastice și influența formulei asupra mouldării

Există multe echipamente pentru mouldarea prin extruzie a materialelor plastice. Cele principale utilizate pentru extruzia produselor complexe UPVC sunt extruderul cu șurub unic ventilat și extruderul cu două șuruburi rotative în sens opus.

Următoarele discută în principal mecanismul de plasticizare al extruderelor utilizate des pentru extrudarea produselor UPVC.

1. Extruder cu șurub unic de tip evacuare:

1.1 Mecanismul de plasticizare:

Extruderul cu șurub unic ventilat poate fi utilizat pentru mouldarea prin alimentare cu pulbere, extruzia și granularea UPVC.

Șurubul cuprinde doi șurubi unici obișnuiți în serie cu un raport mare lungime-diametru (L/D=25～30). Șurubul unic anterior este utilizat în principal pentru absorbția căldurii, comprimarea, topirea și homogenizarea materialului pentru a face ca materialul să se topească inițial. Șurubul unic posterior este utilizat în principal pentru evacuarea gazelor, topirea și homogenizarea, și pentru creșterea presiunii de extruzie.

Din gura de evacuare, materialul trebuie să fie în stare semi-topită. Gura de evacuare este plasată în secțiunea de transport a șurubului posterior, unde materialul poate fi evacuat după decomprimare.

În secțiunea de transport, materialul în pulbere uscată este compactat treptat pentru a forma un “pat solid”. Deoarece temperatura materialului nu s-a ridicat încă, doar aerul dintre și în interiorul particulelor de pulbere este evacuat.

În secțiunea de comprimare, temperatura materialului este de aproximativ 160～170℃. Pe măsură ce volumul gropii șurubului scade, presiunea se acumulează pe suprafața materialului și a cilindrului pentru a forța materialul să treacă prin spațiul dintre șurub și cilindru, iar tensiunea dintre material și suprafața cilindrului crește. 

Efectul de absorbție a căldurii al materialului este intensificat, iar textura apropiată de suprafața cilindrului formează un film de topire datorită forfecării, presiunii și căldurii.

Datorită mișcării relative a șurubului și a cilindrului în partea anterioară a gropii șurubului, zona se adună și crește treptat, particulele de material din această secțiune sunt forfecate și topite. Deoarece materialul din groapa șurubului primește mai puțină forță de forfecare, materialul din groapa șurubului este plasticizat. Consistența este insuficientă.

În secțiunea de homogenizare, diametrul inferior al șurubului este redus astfel încât materialul din mijlocul gropii spirale să fie aproape de cilindru pentru a promova forfecarea și încălzirea pentru a topi și a finaliza topirea materialului și a-l homogeniza.

Diametrul inferior al secțiunii de transport a ultimului șurub (aproape de capul mașinii) devine mai pronunțat, iar deplasarea sa este mult mai mare decât cea a secțiunii de homogenizare a ultimului șurub. Componentele volatile sunt eliberate, iar gura de evacuare le va elimina prin pompa de vacuum.

Materialul ajunge în secțiunea de homogenizare prin secțiunea a doua de comprimare, iar presiunea de extruzie se acumulează sub acțiunea matricei, șurubului și cilindrului pentru a forma un flux dens și uniform de mouldare prin extruzie din matrice, unde deplasarea secțiunii de homogenizare este mai mare decât cea precedentă. Eliminarea într-o singură etapă previne ofensarea materialului.

Din analiza de mai sus, se poate vedea că topirea cu șurub unic este provocată în principal de rotația șurubului și statice a cilindrului, iar deplasarea relativă a materialului în diferite părți ale gropii este forfecată. Materialul este încălzit și comprimat, iar conducerea căldurii între cilindru și șurub formează un bazin de film topit—migrație între faze lichide, etc.

1.2 Probleme la care trebuie să se acorde atenție în designul formulei:

Când se proiectează formula materialului pentru șurub unic, trebuie să se ia în considerare timpul lung de topire al materialului în extruderul cu șurub unic, influența aparentă a stării seculare în secțiunea de transport solid asupra productivității și transportul neobligatoriu al materialelor.

Datorită raportului mare al extruderului cu șurub unic ventilat (de obicei L/D=28～32), materialul este încălzit pentru o perioadă lungă și nu este forțat să fie transportat. Este benefic să se mărească cantitatea de stabilizator pentru a preveni decompunerea prin încălzire excesivă—mai lungă și cu sarcină mai mare. O creștere adecvată a lubrifianților poate reduce momentul de torsionare al șurubului.

Bineînțeles, prea mulți lubrifianți prejudiciază transportul materialului și performanța de impact a produselor. Poate apărea fenomenul de “ținere a șurubului” în extruzie când grăsimea este prea mare. Se poate lua în considerare adăugarea unui modificator de impact. Creșterea cantității de modificator de impact va crește momentul de torsionare al șurubului.

Adăugarea unei cantități anumite de umplutură CaCO3 poate crește rezistența topirii, reduce fluiditatea materialului și afectează viteza de plasticizare a materialului. Efectele CaCO3 cu diferite mărimi ale particulelor sunt, de asemenea, foarte diferite. Prin urmare, cantitatea de CaCO3 adăugată în produsele pentru diferite scopuri variază semnificativ.

În plus, caracteristicile structurii formei sunt legate de mărimea presiunii de extruzie și au un impact particular asupra formulării.

2. Extruder cu două suruburi care se rotesc în sens opus

Deși mecanismul de topire al extruderului cu două suruburi este bazat pe un singur surub, principiul de transport este foarte diferit față de cel al unui singur surub datorită existenței zonei de angrenare.

2.1 Clasificarea extruderelor cu două suruburi

Conform direcției de funcționare a suruburilor, acestea pot fi împărțite în:

1. Extruder cu două suruburi care se rotesc în sens opus: direcția de rotație a celor două suruburi este opusă.
2. Extruder cu două suruburi care se rotesc în același sens: direcția de rotație a celor două suruburi este aceeași.

Conform legii rotației, extruderul cu două suruburi care se rotesc în sens opus poate fi împărțit în extruder cu două suruburi care se rotesc în sens opus spre exterior și extruder cu două suruburi care se rotesc în sens opus spre interior.

Extruderul cu două suruburi care se rotesc în sens opus spre interior a fost eliminat din cauza capacității slabe de alimentare și a forței radiale mari generate de material pe surub în zona de calandrire a celor două suruburi, ceea ce duce la uzare severă între cilindru și surub.

În general, extruderul cu două suruburi care se rotesc în sens opus se referă la extruderul cu două suruburi care se rotesc în sens opus spre exterior (aceeași situație mai jos).

Extrudarea profilurilor UPVC folosește în general extrudere cu două suruburi conice care se rotesc în sens opus și extrudere cu două suruburi paralele care se rotesc în sens opus.

2.1.1 Extruder cu două suruburi conice care se rotesc în sens opus:

Axurile celor două suruburi și axa cilindrului sunt distribuite simetric la unghiul α inclus (valoarea α este în general între 1° și 2°). Direcția suruburilor este însă diferită, iar diametrul celor două capete ale secțiunii de lucru este diferit.

Surubul cu adâncimea gropei identică pentru suruburile mari și mici în extruderul cu două suruburi conice obișnuit și surubul cu adâncime considerabilă a gropii sunt mai semnificative decât adâncimea mică a gropii surubului în extruderul cu două suruburi conice super-conice (două-conice).

Caracteristicile extruderului cu două suruburi conice care se rotesc în sens opus: diametru mare al capului surubului, capacitate mare de căldură a surubului, material cu groapă adâncă (ultra-conică), suprafața mare de contact cu surubul și cilindrul, timpul lung de rămânere al materialului este benefic pentru transferul de căldură dintre cilindru și surub și material. În baza acestui punct, lungimea surubului și raportul aspectual (de obicei 13-17) la aceeași producție sunt mult mai mici decât cele ale altor tipuri de extrudere.

Diametrul mic al capului surubului este relativ mic, timpul de rămânere al materialului în secțiunea de extruzie este scurt, viteza liniară de funcționare a surubului este joasă, iar rata scăzută de tăiere este benefică pentru reducerea căldurii de frecare între material și între material și surub și cilindru.

Când rată de extruzie a profilului este în intervalul 400Kg/h, iar rată de extruzie a plăcii de tub este în intervalul 800Kg/h, utilizarea unui extruder cu două suruburi conice trebuie să fie prioritară. Extruderul cu două suruburi conice pentru extrudarea profilurilor și tuburilor UPVC este cel mai larg utilizat.

Capacitate de plastificare: Capacitatea de plastificare a extruderelor rezultă din efectul comprehensiv al sistemului de extruzie al extruderului, formula și parametrii procesului de operare.

Nu se poate spune că abilitatea de plastificare a extruderelor cu două suruburi conice și cu două suruburi paralele este mai bună sau mai slabă. Aceasta poate fi determinată doar pe baza analizei structurii specifice a surubului, a compoziției formulei, a parametrilor procesului de operare și a formei.

2.1.2 Extruder cu două suruburi paralele care se rotesc în sens opus:

Axurile celor două suruburi sunt paralele și distribuite simetric cu axa cilindrului. Diametrele interioare și exterioare ale celor două capete ale secțiunii de lucru a surubului sunt identice, iar există suruburi segmentate și suruburi cu pas continuu variabil.

Surub segmentat se referă la surubul cu gropi subțirate datorită numărului diferit de capete ale surubului și pasuri diferite între diferite secțiuni functionale ale surubului.

Surubul cu pas continuu variabil plat înseamnă că nu există gropi subțirate între diferitele secțiuni functionale ale surubului. Prin urmare, numărul de capete ale surubului în diferitele domenii de aplicare ale surubului este același. Deoarece generatoarea surubului și a cilindrului este dreaptă, procesabilitatea este mai bună.

Surubul extruderului cu două suruburi plat care se rotesc în sens opus poate fi extras din capătul de degajare al extruderului, ceea ce este convenabil pentru mentenanța echipamentului. Surubul poate fi proiectat într-o structură cu pas variabil pe tot parcursul. Conform informațiilor relevante, stresul de procesare asupra materialului atunci când se extrudează profilul este mic, obținându-se o bună calitate a extruziei.

Un extruder cu două suruburi paralele este relativ mai des utilizat când volumul de extruzie este mare. Se recomandă să se țină cont că producția liniei de profil este influențată puternic de formă. Mouldingul capului extruderului la viteză mare și forma excelentă a produsului în formă fixă devin adesea nodul de blocare al producției limitate.

2.2 Mecanismul de plastificare al extruderului cu două suruburi conice:

În general, sistemul de extruzie al extruderului cu două suruburi conice include: surub, cilindru, dispozitiv de încălzire și răcire, precum și dispozitiv de evacuare prin vacuum.

 2.2.1 Mecanismul de plastificare a materialului în extruderul cu două suruburi conice:

⑴ Secțiunea de transport:

Materialul intră în secțiunea de transport prin portul de degajare și este transportat înainte sub acțiunea surubului. De fiecare dată când surubul se rotește, materialul din camera în formă de C se deplasează înainte cu un pas.

Datorită structurii, volumul camerei în formă de C devine tot mai mic, iar materialul este comprimat treptat. Pe măsură ce presiunea de contact între material și cilindrul surubului crește, absorbția de căldură crește, iar temperatura materialului crește lent, pregătindu-l pentru următorul pas de topire.

Deoarece suprafața cilindrului și a surubului extruderului conic este mărită în secțiunea de transport, eficiența de conducere a căldurii între material și cilindru și surub este îmbunătățită.

⑵ Secțiunea de pre-plastificare:

După ce materialele sunt încălzite și comprimate în secțiunea de transport, majoritatea aerului dintre și în interiorul particulelor de praf este evacuată, iar densitatea materialelor crește.

Pe măsură ce materialul din camera în formă de C continuă să se deplaseze înainte, materialul în contact cu cilindrul și surubul va fi menținut la aceeași viteză ca și cilindrul sau surubul datorită aderenței. Sub acțiunea surubului, efectul de tăiere este mai puternic decât materialul din mijlocul gropii surubului. După încălzirea îndelungată, începe să se topească, iar materialul din camera în formă de C se dizolvă într-un flux circulator de la exterior spre interior.

Pe măsură ce volumul camerei în formă de C se schimbă, schimbul de material intern și extern este intensificat. Unele fabricanți de extrudere instalează un rezervor de amestecare în secțiunea de pre-plastificare conform caracteristicilor extruderului firmei respective. Scopul este să comunice materialele din camerele anterioare și posterioare în formă de C, să intensifice efectul de tăiere și să faciliteze schimbul de material între straturile interioare și exterioare ale camerei în formă de C. Să îmbunătățească efectul de topire.

După ce materialul trece prin secțiunea de pre-plastificare, materialele pulbere și granulate abundente sunt rupte, iar materialele sunt în stare semi-topită.

⑶ Secțiunea de plastificare:

Cunoscută și ca secțiunea de comprimare. Volumul camerei în formă de C în această secțiune este redus drastic (deplasarea acestei secțiuni este doar între 0,25 și 0,4 din aria de transport), iar materialele sunt supuse unei presiuni solide, tăierii și schimbului atunci când trec prin ea. Astfel, majoritatea materialelor sunt într-o stare inițială de plastificare.

⑷ Secțiunea de evacuare:

The UPVC mixture enters the exhaust section after the conveying, pre-plasticizing and compression section because the volume of the C-shaped chamber in the exhaust section is much larger than that of the compression section (generally, the displacement is more than three times that of the compression section).

When the material reaches this section, the pressure is reduced, and the material becomes segmented or large, and the gas and low-molecular volatile components in the material are released. This section is equipped with an exhaust port, and the gas is discharged through the exhaust port under the action of a vacuum pump.

The exhaust function of UPVC extrusion moulding is essential. Otherwise, the air bubbles in the product will seriously affect the mechanical properties.

⑸ Measurement section:

 Due to the continuous change of the volume of the C-shaped chamber through the conveying section, pre-plasticizing section, plasticizing section, and metering section, and the different number of screw heads in each area of the screw, the material in the C-shaped chamber continuously changes its position and then enters the metering section. As a result, further plasticize, homogenize, and build up the extrusion pressure under the action of the die.

Because the volume of the C-shaped chamber in the metering section is reduced, the material is compressed again after homogenization to form a dense and uniform fluid that is extruded through the connecting body (transition body), perforated plate, and die.

2.3 The plasticizing mechanism of the counter-rotating parallel twin-screw extruder:

The plasticizing mechanism of the counter-rotating parallel twin-screw extruder is the same as that of the conical twin-screw extruder. The difference is that the diameter of the screw and barrel is the same everywhere. The material in the feeding section has a small heat absorption area, which is relatively compared to the screw metering section. Therefore, the diameter is larger than the cone double, and the screw speed cannot be too large.

Therefore, to improve the plasticizing effect, the length-to-diameter ratio of the counter-rotating parallel twin-screw extruder screw is more significant than that of the conical twin-screw extruder (generally L/D=25-30).

The volume of the C-shaped chamber in each section of the counter-rotating parallel twin-screw extruder is changed repeatedly as the cone and double, and the change mode is the same.

The transformation process of UPVC materials in the processing process is not only related to the composition of the mixed ingredients but also has a lot to do with the external processing conditions, such as the temperature of the mixed ingredients, the order of feeding during the mixing, the extrusion process temperature, the screw speed, and the feeding The amount of material and the strength of the material subjected to shearing.

Rezumat

This article makes a fundamental analysis of the melting mechanism and formula adjustment of the material in the extruder. Due to the high practicality of polymer processing and moulding technology, the product raw material formula, processing equipment, and process conditions are pretty different. Therefore, the actual production should be combined with the structure of the production equipment, especially the extrusion system, the composition of the ingredients, the product performance requirements, and the production volume. In addition, a comprehensive analysis of the influence of the ingredients in the additives on the melting of the materials should be combined to determine a reasonable production process.