Взаимосвязь между механизмом пластификации экструзионного оборудования UPVC и корректировкой формулы

Пластиковое экструзионное формование, такое как профиль из НПВХ (жесткий поливинилхлорид) или формование трубных изделий, в основном формируется путем смешивания смолы ПВХ и сопутствующих добавок, экструзионного формования, формования, вытягивания и резки. Среди них сырье, формула оборудования и операционные процессы являются основными факторами экструзионное формование пластика, напрямую влияющие на качество и производительность экструзионного литья. Поэтому в данной статье основное внимание уделяется влиянию экструзионного оборудования и сырья на экструзию.

Состав сырья НПВХ

1. Смола ПВХ

В экструдированных жестких изделиях из ПВХ обычно используется рыхлая смола методом суспензии, степень полимеризации S-ПВХ, размер частиц и степень пористости должны быть подходящими. Нельзя использовать полироли со значительной разницей в размерах частиц или рыхлые смолы с плотными частицами.

2. Стабилизатор

Поскольку смола ПВХ является термочувствительной смолой, когда температура достигает примерно 90–130 ℃, она начинает термически разлагаться, высвобождается нестабильный HCL, и смола желтеет.

При повышении температуры цвет смолы темнеет, а физико-химические свойства продукта ухудшаются. Чтобы решить проблему деградации, в дополнение к улучшению процесса производства сырья для смолы, в смолу ПВХ также могут быть добавлены стабилизаторы для поглощения и нейтрализации газа HCL и устранения его каталитического эффекта разложения.

Обычно используемые стабилизаторы: соли свинца, органические олова, металлические мыла и стабилизаторы редкоземельных элементов.

3. Смазка

Смазочные материалы — это добавки, улучшающие смазывающую способность и снижающие межфазную адгезию. Их функции делятся на внешние смазки, внутренние смазки, внутренние и внешние смазки.

Внешняя смазка может уменьшить трение между материалом и металлической поверхностью и предотвратить прилипание материала НПВХ к стволу и винту после пластификации.

Внутренняя смазка может уменьшить трение между частицами внутри материала, ослабить сцепление между молекулами и уменьшить вязкость расплава.

Использование смазочных материалов оказывает очевидное влияние на снижение нагрузки на шнеки, снижение температуры сдвига и увеличение производительности экструзии.

4. Пломбировочный материал

Чтобы улучшить твердость и жесткость продукта, уменьшить деформацию продукта и снизить стоимость сырья, при производстве продуктов из НПВХ добавляют больше наполнителей, таких как CaCO3.

5. Модификатор обработки (ACR)

Модификаторы обработки в основном используются для улучшения характеристик обработки материалов, ускорения пластификации смолы ПВХ и улучшения текучести, термической деформации и блеска поверхности продуктов.

6. Модификатор воздействия

Модификаторы ударопрочности в основном используются для повышения ударопрочности изделий, повышения ударной вязкости изделий и улучшения пластифицирующего эффекта. Обычно используемые модификаторы для UPVC - это CPE (хлорированный полиэтилен) и акриловые модификаторы ударопрочности.

7. Краситель: диоксид титана, сажа и др.

Механизм пластификации оборудования для экструзии пластмасс и влияние рецептуры на формование

Существует много оборудования для экструзионного литья пластмасс. Основными из них, используемыми для экструзии сложных изделий из НПВХ, являются одношнековый экструдер с вентиляцией и двухшнековый экструдер с встречным вращением.

Далее в основном обсуждается механизм пластификации широко используемых экструдеров для экструдирования изделий из НПВХ.

1. Одношнековый экструдер вытяжного типа:

1.1 Механизм пластификации:

Одношнековый экструдер с вентиляцией может использоваться для формования с подачей порошка, экструзии и гранулирования НПВХ.

Шнек состоит из двух рядных одиночных шнеков с большим отношением длины к диаметру (L/D=25～30). Одиночный передний шнек в основном используется для поглощения тепла, сжатия, плавления и гомогенизации материала, чтобы материал сначала расплавился. Одношнековый шнек задней ступени в основном используется для вентиляции, плавления и гомогенизации, а также для создания давления экструзии.

Из выпускного отверстия материал должен находиться в полурасплавленном состоянии. Выпускное отверстие расположено в транспортировочной части заднего шнека, где материал может выбрасываться после декомпрессии.

В секции транспортировки сухой порошкообразный материал постепенно уплотняется, образуя «твердый слой». Поскольку температура материала еще не повысилась, выпускается только воздух между частицами порошка и внутри них.

В секции сжатия температура материала составляет около 160～170℃. По мере того, как объем канавки винта уменьшается, давление на поверхность материала и цилиндра увеличивается, заставляя материал проходить через зазор между винтом и цилиндром, и увеличивается натяжение между материалом и поверхностью цилиндра. 

Эффект теплопоглощения материала усиливается, а ткань вблизи поверхности ствола образует пленку расплава за счет сдвига, давления и тепла.

За счет относительного движения шнека и ствола в передней части канавки шнека площадь собирается и постепенно увеличивается, частицы материала в этом сечении срезаются и оплавляются. Поскольку материал в резьбовой канавке испытывает меньшее усилие сдвига, материал в винтовой канавке пластифицируется. Консистенция отсутствует.

В секции гомогенизации нижний диаметр шнека уменьшается, так что материал в середине спиральной канавки находится близко к стволу, чтобы способствовать сдвигу и нагреву до расплавления и дальнейшему завершению плавления материала для его гомогенизации.

Нижний диаметр конвейерной части последнего шнека (ближе к головке машины) становится более заметным, а его смещение намного больше, чем у гомогенизирующей секции последнего шнека. Летучие компоненты высвобождаются, и выпускное отверстие выбрасывает их через вакуумный насос.

Материал достигает секции гомогенизации через вторую секцию сжатия, и давление экструзии создается под действием матрицы, шнека и цилиндра для формирования плотного и равномерного потока экструзионного литья из матрицы, где смещение секции гомогенизации больше предыдущего. Одноэтапное удаление предотвращает нарушение материала.

Из вышеприведенного анализа видно, что одношнековое плавление в основном вызвано вращением шнека и статического цилиндра, а относительное смещение материала в разных частях канавки сдвигается. Материал нагревается и сжимается, а теплопроводность между стволом и шнеком образует ванну расплавленной пленки — миграция между жидкими фазами и т. д.

1.2 Проблемы, на которые следует обратить внимание при составлении формулы:

При разработке формулы одношнекового материала следует учитывать длительное время плавления материала в одношнековом экструдере, очевидное влияние векового состояния в секции твердой транспортировки на производительность и необязательную транспортировку материалов.

Из-за большого соотношения сторон одношнекового экструдера с вентиляцией (обычно L/D=28～32) материал нагревается в течение длительного времени и не вынужден транспортироваться. Выгодно увеличить количество стабилизатора, чтобы предотвратить разложение при перегреве — более продолжительная и более гигантская нагрузка. Соответствующее увеличение количества смазки может уменьшить крутящий момент.

Конечно, слишком много смазки вредит транспортировке материалов и ударным характеристикам продуктов. При экструзии может возникнуть явление «винтовой фиксации», когда жира слишком много. Рассмотрите возможность добавления модификатора воздействия. Увеличение количества модификатора ударной вязкости увеличивает крутящий момент винта.

Добавление определенного количества наполнителя CaCO3 может повысить прочность расплава, снизить текучесть материала и повлиять на скорость пластификации материала. Эффекты CaCO3 с частицами разного размера также совсем другие. Поэтому количество CaCO3, добавляемого в продукты различного назначения, сильно различается.

Кроме того, характеристики структуры пресс-формы связаны с величиной давления экструзии и оказывают особое влияние на рецептуру.

2. Двухшнековый экструдер с противоположным вращением

Хотя плавильный механизм двухшнекового экструдера основан на одном шнеке, принцип транспортировки сильно отличается от принципа одношнекового из-за наличия зоны зацепления.

2.1 Классификация двухшнековых экструдеров

По направлению действия шнека его можно разделить на:

1. Двухшнековый экструдер с противоположным вращением: направление вращения двух шнеков противоположно.
2. Двухшнековый экструдер с совпадающим вращением: направление вращения двух шнеков одинаковое.

Согласно закону вращения, двухшнековый экструдер с встречным вращением можно разделить на двухшнековый экструдер с встречным вращением наружу и двухшнековый экструдер с встречным вращением внутрь.

Двухшнековый экструдер с встречным вращением внутрь был исключен из-за его плохой способности подачи и большой радиальной силы, создаваемой материалом на шнеке в зоне каландрирования двух шнеков, что приводило к сильному износу между цилиндром и шнеком. .

Вообще говоря, двухшнековый экструдер с противоположным вращением относится к двухшнековому экструдеру с противоположным вращением наружу (то же самое ниже).

Для экструзии профилей НПВХ обычно используются конические двухшнековые экструдеры с противоположным вращением и параллельные двухшнековые экструдеры с противоположным вращением.

2.1.1 Конический двухшнековый экструдер с противоположным вращением:

Ось двух винтов и ось ствола симметрично распределены под прилежащим углом α (значение α обычно составляет от 1° до 2°). Однако направление винта другое, диаметр двух концов рабочего участка разный.

Шнек с одинаковой глубиной большой и малой винтовой канавки в обычном коническом двухшнековом экструдере и шнек со значительной глубиной винтовой канавки больше, чем глубина малой винтовой канавки суперконусный (двухконусный) конический твин шнековый экструдер.

Особенности конического двухшнекового экструдера с противоположным вращением: большой диаметр головки шнека, большая теплоемкость шнека, материал с глубокими канавками (ультраконус), большая площадь контакта шнека и цилиндра, длительное время пребывания материала. благотворно влияет на материал Теплопередача между цилиндром и шнеком и материалом. Исходя из этого, длина шнека и соотношение сторон (обычно 13-17) при одинаковой производительности намного меньше, чем у других типов экструдеров.

Диаметр маленькой головки шнека относительно мал, время пребывания материала в секции экструзии короткое, линейная скорость работы шнека низкая, а низкая скорость сдвига способствует снижению теплоты трения между материалом и между материалом и шнеком и цилиндром.

Когда скорость экструзии профиля находится в пределах 400 кг/ч, а скорость экструзии трубного листа находится в пределах 800 кг/ч, использование конического двухшнекового экструдера должно быть приоритетным. Конический двухшнековый экструдер для экструдирования профилей и труб из ПВХ является наиболее распространенным.

Пластифицирующая способность: Пластифицирующая способность экструдеров является результатом комплексного воздействия системы экструзии экструдера, рецептуры и параметров рабочего процесса.

По пластифицирующей способности конических двухшнековых и параллельных двухшнековых экструдеров нельзя сказать, что лучше, а что хуже. Его можно определить только на основе анализа конкретной структуры шнека, состава рецептуры, параметров рабочего процесса и пресс-формы.

2.1.2 Параллельный двухшнековый экструдер с противоположным вращением:

Оси двух винтов параллельны и симметрично распределены относительно оси ствола. Внутренний и внешний диаметры двух концов рабочей секции винта одинаковы, и есть сегментированные винты и бесступенчатые ходовые винты.

Сегментный винт относится к винту с подрезанными канавками из-за разного количества головок винтов и разного шага между различными функциональными секциями винта.

Плоский двухшнековый винт с непрерывным переменным шагом означает, что между различными функциональными секциями винта нет поднутрения. Таким образом, количество головок винтов в различных областях применения винта одинаково. Поскольку образующая шнека и цилиндра прямая, технологичность лучше.

Шнек плоскосдвоенного экструдера, вращающегося в противоположных направлениях, можно вынуть из разгрузочного конца экструдера, что удобно для обслуживания оборудования. Винт может быть спроектирован в виде конструкции с переменным ходом полного хода. Согласно соответствующей информации, технологическая нагрузка на материал при экструзии профиля невелика для получения хорошего качества экструзии.

Параллельный двухшнековый экструдер относительно чаще используется при больших объемах экструзии. Следует отметить, что производительность линии по производству профилей сильно зависит от пресс-формы. Формование головки экструдера на высокой скорости и отличная форма продукта в пресс-форме часто становятся узким местом ограниченной производительности.

2.2 Механизм пластификации конического двухшнекового экструдера:

Как правило, экструзионная система конического двухшнекового экструдера включает в себя: шнек, цилиндр, нагревательное и охлаждающее устройство и вакуумное вытяжное устройство.

 2.2.1 Механизм пластификации материала конического двухшнекового экструдера:

⑴ Конвейерная секция:

Материал поступает в транспортировочную секцию из разгрузочного отверстия и транспортируется вперед под действием силы шнека. При каждом вращении шнека материал в С-образной камере перемещается вперед на один шаг.

Благодаря структуре объем С-образной камеры становится все меньше и меньше, а материал постепенно сжимается. По мере увеличения контактного давления между материалом и цилиндрическим шнеком увеличивается поглощение тепла, и температура материала медленно повышается, готовясь к следующему этапу плавления.

По мере увеличения площади поверхности цилиндра и шнека двухконусного экструдера в секции транспортировки повышается эффективность теплопроводности между материалом, цилиндром и шнеком.

⑵ Секция предварительной пластификации:

После того, как материалы нагреваются и сжимаются в конвейерной секции, большая часть воздуха между частицами порошка и внутри них выпускается, и плотность материалов увеличивается.

Поскольку материал в С-образной камере продолжает двигаться вперед, материал, находящийся в контакте со стволом и шнеком, будет поддерживать ту же скорость, что и ствол или шнек, благодаря адгезии. Под приводом винта эффект сдвига сильнее, чем материал в середине канавки винта. После длительного нагревания он начинает плавиться, а материал в С-образной камере растворяется в циркулирующем потоке снаружи внутрь.

При изменении объема С-образной камеры усиливается обмен внутреннего и внешнего материалов. Некоторые производители экструдеров устанавливают смесительный бак в секции предварительной пластификации в соответствии с характеристиками экструдера своей компании. Цель состоит в том, чтобы соединить материалы в передней и задней С-образных камерах, усилить эффект сдвига и облегчить обмен материалами между С-образным внутренним и внешним слоями. Улучшить эффект плавления.

После того, как материал проходит через секцию предварительной пластификации, обильные порошкообразные и гранулированные материалы разрушаются, и материалы находятся в полурасплавленном состоянии.

⑶ Секция пластификации:

Также известен как секция сжатия. Объем С-образной камеры в этом сечении резко уменьшен (смещение этого сечения составляет всего 0,25-0,4 площади транспортирования), а материалы при прохождении подвергаются сплошному сдавливанию, сдвигу и обмену. Таким образом, большинство материалов находятся в основном в исходном пластифицированном состоянии.

⑷ Выхлопная секция:

Смесь НПВХ поступает в выхлопную секцию после секции транспортировки, предварительной пластификации и сжатия, потому что объем С-образной камеры в выхлопной секции намного больше, чем в секции сжатия (как правило, рабочий объем более чем в три раза больше, чем в секции сжатия). секции сжатия).

Когда материал достигает этого сечения, давление снижается, и материал становится сегментированным или крупным, а газ и низкомолекулярные летучие компоненты в материале выделяются. Эта секция снабжена выпускным отверстием, и газ выбрасывается через выпускное отверстие под действием вакуумного насоса.

Вытяжная функция экструзионного формования UPVC имеет важное значение. В противном случае пузырьки воздуха в изделии серьезно повлияют на механические свойства.

⑸ Секция измерения:

 Из-за постоянного изменения объема С-образной камеры через секцию транспортировки, секцию предварительной пластификации, секцию пластификации и секцию дозирования, а также из-за разного количества головок винтов в каждой области шнека материал в С -образная камера непрерывно меняет свое положение, а затем входит в дозирующую секцию. В результате происходит дальнейшая пластификация, гомогенизация и создание давления экструзии под действием фильеры.

Поскольку объем С-образной камеры в дозирующей секции уменьшен, материал после гомогенизации снова сжимается, образуя плотную и однородную жидкость, которая выдавливается через соединительный корпус (переходной корпус), перфорированную пластину и фильеру.

2.3 Механизм пластификации параллельного двухшнекового экструдера с противоположным вращением:

Механизм пластификации параллельного двухшнекового экструдера с противоположным вращением такой же, как у конического двухшнекового экструдера. Отличие в том, что диаметр шнека и ствола везде одинаковый. Материал в секции подачи имеет небольшую площадь поглощения тепла по сравнению с секцией шнекового дозирования. Следовательно, диаметр конуса больше двойного, а скорость вращения шнека не может быть слишком большой.

Следовательно, для улучшения пластифицирующего эффекта отношение длины к диаметру параллельного двухшнекового экструдера с противоположным вращением является более значительным, чем у конического двухшнекового экструдера (обычно L/D=25-30).

Объем С-образной камеры в каждой секции параллельного двухшнекового экструдера, вращающегося в противоположных направлениях, многократно изменяется как конусным, так и двойным, и режим изменения одинаков.

Процесс трансформации материалов НПВХ в процессе обработки связан не только с составом смешанных ингредиентов, но также во многом зависит от внешних условий обработки, таких как температура смешанных ингредиентов, порядок подачи во время смешивания. , температура процесса экструзии, скорость вращения шнека и подача. Количество материала и прочность материала, подвергаемого сдвигу.

Краткое содержание

В этой статье проводится фундаментальный анализ механизма плавления и корректировка рецептуры материала в экструдере. Из-за высокой практичности технологии обработки и формования полимеров рецептура сырья, технологическое оборудование и условия процесса сильно различаются. Следовательно, фактическое производство должно сочетаться со структурой производственного оборудования, особенно с системой экструзии, составом ингредиентов, требованиями к характеристикам продукта и объемом производства. Кроме того, всесторонний анализ влияния ингредиентов в добавках на плавление материалов должен быть объединен для определения разумного производственного процесса.