Vez med mehanizmom plastificiranja ekstruzijske opreme za UPVC in prilagajanjem formule

Izdelava profilov ali cevi iz UPVC (trdne polivinil klorida) s pomočjo ekstruzije se v glavnem izvaja z mešanjem PVC smole in povezanih dodatkov, ekstruzijsko oblikovanjem, oblikovanjem, vlečenjem in rezanjem. Med temi so surovine, oprema za formulo in obratovalni procesi glavni dejavniki v ekstruziji plastičnih izdelkov, ki neposredno vplivajo na kakovost in izkoristek ekstruzije. Zato se ta članek osredotoča na vpliv ekstruzijske opreme in surovin na ekstruzijo.

Sestava surovin za UPVC

1. PVC smola

Ekstrudirani trdni izdelki iz PVC-ja praviloma uporabljajo suspendirano ohlapno smolo; stopnja polimerizacije S-PVC, velikost delcev in stopnja poroznosti morajo biti primerni. Ni mogoče uporabljati polirnih sestavin z velikimi razlikami v velikosti delcev ali ohlapnih smol z gostimi delci.

2. Stabilizator

Ker je PVC smola toplotno občutljiva smola, ko temperatura doseže okoli 90 do 130 ℃, se začne termično razgrajevati, izloča nestabilni HCL in smola postane rumena.

Z naraščanjem temperature postane barva smole temnejša, fizične in kemične lastnosti izdelka pa se poslabšajo. Da bi rešili problem razgradnje, lahko poleg izboljšanja proizvodnega procesa smolnih surovin tudi dodamo stabilizatorje v PVC smolo, da absorbirajo in nevtralizirajo HCL plin ter odpravijo njegov katalitski učinek razgradnje.

Pogosto uporabljeni stabilizatorji so: svinčevi soli, organski tinovi spojini, kovinske milnice in stabilizatorji redkih zemelj.

3. Mazivo

Maziva so dodatki za izboljšanje mazljivosti in zmanjšanje medpovršinske adhezije. Njihove funkcije so razdeljene na zunanja maziva, notranja maziva ter notranja in zunanja maziva.

Zunanje mazivo lahko zmanjša trenje med materialom in kovinsko površino ter prepreči, da bi se UPVC material pripenjal na celično telo in vijak po plastificiranju.

Notranje mazivo lahko zmanjša trenje med delci znotraj materiala, oslabi vezavo med molekulami in zmanjša viskoznost taline.

Uporaba maziv ima očitne učinke pri zmanjšanju obremenitve vijaka, zmanjšanju toplote striženja in povečanju izkoristka ekstruzije.

4. Polnilo

Da bi izboljšali trdnost in togost izdelka, zmanjšali deformacije izdelka in znižali stroške surovin, se pri proizvodnji UPVC izdelkov dodaja več polnil kot je CaCO3.

5. Modifikator obdelave (ACR)

Modifikatorji obdelave se uporabljajo predvsem za izboljšanje obdelovalnih lastnosti materialov, pospešitev plastificiranja PVC smole ter izboljšanje tekočnosti, toplotne deformacije in površinskega sijaja izdelkov.

6. Modifikator udarca

Modifikatorji udarca se uporabljajo predvsem za izboljšanje odpornosti izdelkov na udarce, povečanje žilavosti izdelkov in izboljšanje učinka plastificiranja. Pogosto uporabljeni modifikatorji za UPVC so CPE (klorirani polieten) in akrilni modifikatorji udarca.

7. Barvilo: titanov dioksid, črni ogljik itd.

Mehanizem plastificiranja opreme za ekstrudiranje plastičnih izdelkov in vpliv formule na oblikovanje

Za ekstruzijo plastičnih izdelkov obstaja veliko opreme. Glavna, ki se uporablja za ekstrudiranje kompleksnih izdelkov iz UPVC, sta ventilirana enovijačna ekstruder in protirotirni dvo-vijačni ekstruder.

V nadaljevanju se v glavnem pogovarjamo o mehanizmu plastificiranja pogosto uporabljenih ekstruderjev za ekstrudiranje izdelkov iz UPVC.

1. Ventilirani enovijačni ekstruder:

1.1 Mehanizem plastificiranja:

Ventilirani enovijačni ekstruder se lahko uporablja za mešanje praškov, ekstrudiranje in peletizacijo UPVC.

Vijak vsebuje dva navadna enovijačna vijaka v seriji z velikim razmerjem dolžine in premera (L/D=25～30). Prvi vijak se uporablja predvsem za absorpcijo toplote, stiskanje, taljenje in homogenizacijo materiala, da se material sprva stopi. Drugi vijak se uporablja predvsem za izpuščanje, taljenje in homogenizacijo ter gradnjo ekstruzijskega tlaka.

Od izpušnega portala naj bo material v stanju pol-taline. Izpušni portal je nameščen v transportnem delu zadnjega vijaka, kjer se lahko material izpušča po razrahljanju.

V transportnem delu se suhi praškasti material postopoma kompaktnira in tvori “trdo ležišče”. Ker temperatura materiala še ni narasla, se izloča samo zrak med in znotraj prašnih delcev.

V stiskalnem delu je temperatura materiala okoli 160～170℃. Ko se prostornina vijakovega žleba zmanjša, se na površini materiala in celičnega tela nabira pritisk, ki prisili material, da gre skozi razmak med vijakom in celičnim telom, in se poveča napetost med materialom in površino celičnega tela. 

Učinek absorpcije toplote materiala se okrepi, in tkanina blizu površine celičnega tela zaradi striženja, pritiska in toplote tvori filmsko talino.

Zaradi relativnega gibanja vijaka in celičnega tela v sprednjem delu vijakovega žleba se območje združuje in postopoma povečuje, delci materiala v tem delu se strižejo in talijo. Ker material v vijakovem žlebu prejema manjšo silo striženja, se material v vijakovem žlebu plastificira. Konzistenca je pomanjkljiva.

V homogenizacijskem delu se spodnji premer vijaka zmanjša, tako da je material v sredini spiralnega žleba bližje celičnemu telu, kar spodbuja striženje in segrevanje, da se material stopi in dodatno homogenizira.

Spodnji premer transportnega dela zadnjega vijaka (blizu glave stroja) postane bolj izrazit, njegova prestavitev pa je veliko večja kot pri homogenizacijskem delu zadnjega vijaka. Izkapljeni sestavini se sproščajo, izpušni portal jih izloči preko vakuumskih črpalk.

Material doseže homogenizacijski del preko drugega stiskalnega dela, ekstruzijski tlak pa se gradi pod delovanjem matrice, vijaka in celičnega tela, da se ustvari gost in enakomeren tok ekstruzije iz matrice, kjer je prestavitev homogenizacijskega dela večja kot prejšnja. Enostopenjsko odstranjevanje preprečuje, da bi se material zadrževal.

Iz zgornje analize je razvidno, da se enovijačno taljenje v glavnem zgodi zaradi vrtenja vijaka in statičnega celičnega telesa, in da se relativna prestavitev materiala v različnih delih žleba striže. Material se segreva in stisne, toplotna prevodnost med celičnim telom in vijakom pa tvori filmsko talino—migracija med tekočimi fazami itd.

1.2 Težave, na katere je treba paziti pri oblikovanju formule:

Pri oblikovanju formule za enovijačni material je treba upoštevati dolgo čas taljenja materiala v enovijačnem ekstruderju, očiten vpliv sekularnega stanja v trdnem transportnem delu na produktivnost ter neobvezno transportiranje materialov.

Zaradi velikega razmerja stranic ventiliranega enovijačnega ekstruderja (običajno L/D=28～32) se material segreva dlje časa in ga ni treba prisiliti v transport. Koristno je povečati količino stabilizatorja, da se prepreči prekomerno razgradnjo—daljše in večje obremenitve. Ustrezno povečanje maziva lahko zmanjša navor vijaka.

Seveda preveliko mazivo škoduje transportu materialov in udarniškim lastnostim izdelkov. Pri ekstruziji se lahko pojavi pojav “držanja vijaka”, če je maščoba preveč. Razmislimo o dodajanju modifikatorja udarca. Povečanje količine modifikatorja udarca bo povečalo navor vijaka.

Dodajanje določene količine polnila CaCO3 lahko poveča trdnost taline, zmanjša tekočnost materiala in vpliva na hitrost plastificiranja materiala. Učinki CaCO3 z različnimi velikostmi delcev so tudi zelo različni. Zato se količina dodanega CaCO3 v izdelke za različne namene močno razlikuje.

Poleg tega so značilnosti strukture kalupov povezane z velikostjo iztiskalnega tlaka in imajo poseben vpliv na formulacijo.

2. Vzvratno vrteči dvojni vijakasti ekstruder

Čeprav je mehanizem taljenja dvojnega vijakastega ekstruderja osnovan na enem vijaku, je načelo prenosa zelo drugačno od tistega pri enem vijaku zaradi obstoja cone zagojene oblike.

2.1 Razvrščanje dvojnih vijakastih ekstruderjev

Glede na smer delovanja vijakov se lahko razdelijo na:

1. Vzvratno vrteči dvojni vijakasti ekstruder: smer vrtenja obeh vijakov je nasprotna.
2. So-vrteči dvojni vijakasti ekstruder: smer vrtenja obeh vijakov je enaka.

Glede na zakon vrtenja se vzvratno vrteči dvojni vijakasti ekstruder lahko razdeli na vzvratno vrteči zunanjosti dvojni vijakasti ekstruder in vzvratno vrteči notranjosti dvojni vijakasti ekstruder.

Vzvratno vrteči notranjosti dvojni vijakasti ekstruder je bil ukinjen zaradi slabe dovodne sposobnosti in velike radialne sile, ki jo material ustvari na vijaku v kalendarski coni obeh vijakov, kar povzroča hudo obrabo med cevjo in vijakom.

Na splošno se vzvratno vrteči dvojni vijakasti ekstruder nanaša na vzvratno vrteči zunanjosti dvojni vijakasti ekstruder (enako spodaj).

Iztiskanje UPVC profilov praviloma uporablja vzvratno vrteče konične dvojne vijakaste ekstruderje in vzvratno vrteče vzporedne dvojne vijakaste ekstruderje.

2.1.1 Vzvratno vrteči konični dvojni vijakasti ekstruder:

Os dveh vijakov in os cevi sta simetrično razporejeni pod vključnim kotom α (vrednost α je praviloma med 1° in 2°). Vendar pa je smer vijakov različna, premer obeh konc ev delovnega dela pa je različen.

Vijak z enako globino velikega in majhnega vijakovega žleba v navadnem koničnem dvojnem vijakastem ekstruderju ter vijak z znatno globino vijakovega žleba sta pomembnejša od vijaka z manjšo globino super-končnega (dvojno-končnega) koničnega dvojnega vijakastega ekstruderja.

Značilnosti vzvratno vrtečega koničnega dvojnega vijakastega ekstruderja: velik premer glave vijaka, velika toplotna kapaciteta vijaka, globok žleb (ultra-končni) material, velika kontaktne površine z vijakom in cevjo, dolgi bivanjski čas materiala koristi materialu. Toplotni prenos med cevjo in vijakom ter materialom. Glede na to je dolžina vijaka in razmerje med dolžino in širino (običajno 13–17) pri isti izhodni moči veliko manjša kot pri drugih vrstah ekstruderjev.

Premer majhne glave vijaka je relativno majhen, bivanjski čas materiala v iztiskalnem delu je kratek, linearna hitrost delovanja vijaka je nizka, nizka stopnja striženja pa koristi zmanjšanju trenja med materialom ter med materialom in vijakom ter cevjo.

Ko je hitrost iztiskanja profila v mejah 400 kg/h, hitrost iztiskanja cevnega lista pa v mejah 800 kg/h, je treba prednost dati uporabi koničnega dvojnega vijakastega ekstruderja. Končni dvojni vijakasti ekstruder za iztiskanje UPVC profilov in cevi je najbolj razširjen.

Plastična zmogljivost: Plastična zmogljivost ekstruderjev izhaja iz celovitega učinka ekstruderskega iztiskalnega sistema, formule in parametrov obratovalnega procesa.

Plastične sposobnosti koničnega dvojnega vijakastega in vzporednega dvojnega vijakastega ekstruderja ni mogoče reči, kateri je boljši ali slabši. Lahko se določi le na podlagi analize specifične strukture vijaka, sestave formule, parametrov obratovalnega procesa in kalupa.

2.1.2 Vzvratno vrteči vzporedni dvojni vijakasti ekstruder:

Osi dveh vijakov sta vzporedni in simetrično razporejeni z osjo cevi. Notranji in zunanji premeri obeh koncov delovnega dela vijaka sta enaka, obstajajo segmentirani vijaki in neprekinjeno spreminjajoči se vijaki.

Segmentirani vijak se nanaša na vijak z vrezanimi žlebi zaradi različnega števila glav vijaka in različnih razdalj med različnimi funkcionalnimi deli vijaka.

Neprekinjeno spreminjajoči se ravni dvojni vijak pomeni, da med različnimi funkcionalnimi deli vijaka ni vrezanega žleba. Zato je število glav vijaka v različnih aplikacijskih območjih vijaka enako. Ker je generatrisa vijaka in cevi ravna, je obdelovalnost boljša.

Vijak vzvratno vrtečega ravno-dvojnega ekstruderja lahko vzamemo iz izpustnega konca ekstruderja, kar je priročno za vzdrževanje opreme. Vijak lahko zasnujemo kot celotno strukturo s spreminjajočim se razmikom. Glede na relevantne informacije je obdelovalni stres na material pri iztiskanju profila majhen, da dobimo dobro kakovost iztiska.

Vzporedni dvojni vijakasti ekstruder se relativno bolj uporablja, ko je volumen iztiska velik. Treba je opozoriti, da izhod proizvodne linije profilov močno vpliva na kalup. Kalupljenje glave ekstruderja pri visoki hitrosti in odlična oblika izdelka v nastavitvenem kalupu pogosto postanejo ozko grlo omejenega izhoda.

2.2 Plastični mehanizem koničnega dvojnega vijakastega ekstruderja:

Na splošno vključuje iztiskalni sistem koničnega dvojnega vijakastega ekstruderja: vijak, cev, ogrevanje in hlajenje ter vakuumski izpušni sistem.

 2.2.1 Mehanizem plastifikacije materiala koničnega dvojnega vijakastega ekstruderja:

⑴ Prenosni del:

Material vstopi v prenosni del iz izpustnega portala in se naprej prenaša pod silo vijaka. Vsakič, ko se vijak zavrti, se material v C-obliki komori premakne za en razmak.

Zaradi strukture se prostornina C-oblike komore vedno bolj zmanjšuje in se material postopoma stisne. Ko se poveča stikovni pritisk med materialom in cevjo vijaka, se poveča absorpcija toplote in temperatura materiala počasi naraste, pripravljena na naslednji korak taljenja.

Ker se površina cevi in vijaka koničnega dvojnega ekstruderja v prenosnem delu poveča, se izboljša učinkovitost toplotnega prevoda med materialom ter cevjo in vijakom.

⑵ Pred-plastični del:

Potem ko se materiali segrejejo in stisnejo v prenosnem delu, se večina zraka med in znotraj prašnih delcev izpusti in gostota materialov se poveča.

Ko se material v C-obliki komore še naprej premika naprej, bo material v stiku s cevjo in vijakom ostal z isto hitrostjo kot cev ali vijak zaradi adhezije. Pod vodstvom vijaka je strižni učinek močnejši kot pri materialu v sredini vijakovega žleba. Po dolgotrajnem segrevanju se začne topiti in se material v C-obliki komore raztopi v cirkulacijskem toku od zunaj proti notranjosti.

Ker se prostornina C-oblike komore spreminja, se izboljša izmenjava notranjega in zunanjega materiala. Nekateri proizvajalci ekstruderjev v pred-plastičnem delu postavljajo mešalno posodo glede na značilnosti svojega ekstruderja. Namen je komuniciranje materialov v sprednjem in zadnjem C-obliku komore, izboljšanje strižnega učinka in olajšanje izmenjave materialov med notranjim in zunanjim slojem C-oblike. Izboljšati učinek taljenja.

Potem ko material preide skozi pred-plastični del, se obilni prašni in granulirani materiali razbijejo in so materiali v pol-tekočem stanju.

⑶ Plastični del:

Znan tudi kot kompresijski del. Prostornina C-oblike komore v tem delu se močno zmanjša (premik tega dela je samo med 0,25 in 0,4 prenosnega območja), materiali pa so podvrženi trdnemu stiskanju, striženju in izmenjavi, ko gredo skozi. Tako je večina materialov v osnovi v začetnem plastičnem stanju.

⑷ Izpušni del:

Mešanica UPVC vstopi v odzračevalni del po transportnem, predplastičnem in stiskalnem delu, ker je prostornina C-oblike komore v odzračevalnem delu veliko večja od tiste v stiskalnem delu (na splošno je premik več kot trikrat večji kot v stiskalnem delu).

Ko material doseže ta del, se zmanjša pritisk in material postane segmentiran ali velik, pri čemer se izločijo plini in nizkomolekularne hlapljive sestavine v materialu. Ta del je opremljen z odzračevalnim odprtino, skozi katero se plini izpustijo pod delovanjem vakuumskega črpalke.

Odzračevalna funkcija ekstruzijskega oblikovanja UPVC je bistvena. V nasprotnem primeru bodo zračni mehurčki v izdelku resno vplivali na mehanske lastnosti.

⑸ Merilni del:

 Zaradi neprestanega spreminjanja prostornine C-oblike komore preko transportnega dela, predplastičnega dela, plastičnega dela in merilnega dela ter različnega števila vijakov v posameznem območju vijaka, material v C-obliki komori neprestano spreminja svoj položaj in nato vstopi v merilni del. Posledično se dodatno plastificira, homogenizira in gradi ekstruzijski tlak pod delovanjem matrice.

Ker se prostornina C-oblike komore v merilnem delu zmanjša, se material po homogenizaciji ponovno stisne, da nastane gost in enakomeren fluid, ki se iztisne skozi povezovalno telo (prehodno telo), perforirano ploščo in matrico.

2.3 Plastični mehanizem protiprotičnega vzporednega dvojnega vijaka ekstruderja:

Plastični mehanizem protiprotičnega vzporednega dvojnega vijaka ekstruderja je enak kot pri koničnem dvojnem vijaku ekstruderja. Razlika je v tem, da je premer vijaka in cevi povsod enak. Material v dovodnem delu ima majhen obseg absorpcije toplote, kar je v primerjavi s vijakom v merilnem delu relativno manjše. Zato je premer večji kot pri koničnem dvojnem, hitrost vijaka pa ne more biti prevelika.

Zato je za izboljšanje plastičnega učinka razmerje dolžine do premera vijaka protiprotičnega vzporednega dvojnega vijaka ekstruderja pomembnejše kot pri koničnem dvojnem vijaku ekstruderja (na splošno L/D=25-30).

Prostornina C-oblike komore v vsakem delu protiprotičnega vzporednega dvojnega vijaka ekstruderja se vedno znova spreminja kot pri koničnem dvojnem, in način spreminjanja je enak.

Proces transformacije materialov UPVC v procesu obdelave ni povezan samo s sestavo mešanih sestavin, ampak ima tudi veliko opraviti z zunanjimi procesnimi pogoji, kot so temperatura mešanih sestavin, vrstni red dovoda med mešanjem, temperatura ekstruzijskega procesa, hitrost vijaka in količina dovoda ter moč materiala, ki ga izpostavljamo striženju.

Povzetek

Ta članek naredi temeljito analizo mehanizma taljenja in prilagajanja formule materiala v ekstruderju. Zaradi visoke praktičnosti tehnologije obdelave in oblikovanja polimerov so formula surovin za izdelke, oprema za obdelavo in procesni pogoji precej različni. Zato je treba pri dejanski proizvodnji združiti zgradbo proizvodne opreme, zlasti ekstruzijskega sistema, sestavo sestavin, zahteve glede zmogljivosti izdelkov in količino proizvodnje. Poleg tega je treba združiti celovito analizo vpliva sestavin v dodatkih na taljenje materialov, da se določi smiselni proizvodni proces.