Зв’язок між механізмом пластифікації обладнання для екструзії UPVC та коригуванням формули

Лиття пластикових профілів методом екструзії, таких як профілі або труби з UPVC (жорсткого полівінілхлориду), здійснюється переважно шляхом змішування ПВХ-смоли та суміжних добавок, екструзії, формування, витягування й різання. Серед цих процесів основними факторами є сировина, обладнання для рецептури та технологічні процеси. екструзійне лиття пластиків, що безпосередньо впливають на якість і продуктивність екструзійного лиття. Тому ця стаття фокусується на впливі екструзійного обладнання та сировини на екструзію.

Склад сировини для UPVC

1. ПВХ-смола

У екструдованих жорстких ПВХ-продуктах зазвичай використовують суспензійну дрібну смолу; ступінь полімеризації S-PVC, розмір частинок та ступінь пористості мають бути оптимальними. Не можна використовувати полімери з значною різницею у розмірах частинок чи дрібні смоли з щільними частинками.

2. Стабілізатор

Оскільки ПВХ-смола є термочутливою, при температурі близько 90–130 ℃ вона починає термічно розкладатися, виділяючи нестабільний HCL і набуваючи жовтого кольору.

З підвищенням температури колір смоли стає темнішим, а фізичні та хімічні властивості продукту знижуються. Для вирішення проблеми розкладання, окрім покращення технологічного процесу виробництва смоли, до ПВХ-смоли також можна додавати стабілізатори, які поглинають і нейтралізують газ HCL та усувають його каталітичний вплив на розкладання.

Поширені стабілізатори: свинцеві солі, органічні олов'яні сполуки, металеві мильці та стабілізатори з рідкісноземельних елементів.

3. Змащувач

Змащувачі — це добавки, що покращують змащувальні властивості та зменшують адгезію на поверхні контакту. Їх функції поділяються на зовнішні змащувачі, внутрішні змащувачі та внутрішні й зовнішні змащувачі.

Зовнішній змащувач зменшує тертя між матеріалом і металевою поверхнею та запобігає прилипанню матеріалу UPVC до циліндра й шнурів після пластифікації.

Внутрішній змащувач зменшує тертя між частинками всередині матеріалу, послаблює зв’язок між молекулами та знижує в’язкість розплаву.

Використання змащувачів має очевидний вплив на зменшення навантаження на шнур, зменшення тепла від зсуву та підвищення продуктивності екструзії.

4. Наповнювачі

Для покращення твердості й жорсткості продукту, зменшення деформації продукту та зниження вартості сировини до виробництва продуктів з UPVC додають більше наповнювачів, таких як CaCO3.

5. Модифікатор обробки (ACR)

Модифікатори обробки головним чином використовуються для покращення обробних властивостей матеріалів, прискорення пластифікації ПВХ-смоли, а також покращення текучості, термічної деформації та поверхневого блиску продуктів.

6. Модифікатор ударостійкості

Модифікатори ударостійкості використовуються переважно для покращення стійкості продуктів до ударів, підвищення їх міцності та покращення ефекту пластифікації. Поширені модифікатори для UPVC — CPE (хлорований поліетен) та акрилові модифікатори ударостійкості.

7. Колірний пігмент: діоксид титану, чорний вугілля тощо.

Механізм пластифікації обладнання для екструзії пластиків та вплив рецептури на лиття

Існує багато обладнання для екструзійного лиття пластиків. Основні типи, що використовуються для екструзії складних продуктів з UPVC, — це односхідний екструдер з вентиляцією та двосхідний екструдер з протилежним обертанням.

Нижче розглядається переважно механізм пластифікації поширених екструдерів для екструзії продуктів з UPVC.

1. Односхідний екструдер з вентиляцією:

1.1 Механізм пластифікації:

Екструдер з вентиляцією та одним шнуром можна використовувати для формування порошкових матеріалів, екструзії та гранулювання UPVC.

Шнур складається з двох звичайних односхідних шнурів, що встановлені один за одним з великим співвідношенням довжини до діаметра (L/D=25～30). Перший передній шнур використовується переважно для поглинання тепла, компресії, плавлення та гомогенізації матеріалу, щоб початково розплавити матеріал. Другий задній шнур використовується насамперед для вентиляції, плавлення та гомогенізації, а також для нагромадження тиску екструзії.

З вентиляційного отвору матеріал повинен перебувати у стані напіврозплавлення. Вентиляційний отвір розташований у транспортному відділенні заднього шнура, де матеріал може вивільнитися після розрядження.

У транспортному відділенні сухий порошковий матеріал поступово ущільнюється, утворюючи “твердий шар”. Оскільки температура матеріалу ще не підвищилася, вивільняється лише повітря між частинками порошку та всередині них.

У компресійному відділенні температура матеріалу становить близько 160–170℃. У міру зменшення обсягу шнурівки тиску зростає на поверхню матеріалу та циліндра, що змушує матеріал проходити через щілину між шнуром і циліндром, а напруження між матеріалом та поверхнею циліндра збільшується. 

Поглинання тепла матеріалом посилюється, і тканина біля поверхні циліндра утворює плівку розплаву завдяки зсуву, тиску та теплу.

Через відносне рухання шнура та циліндра у передній частині шнурівки область збирається та поступово збільшується, частинки матеріалу в цій ділянці зсувалися та розплавилися. Оскільки матеріал у шнурівці отримує менше зсувного навантаження, матеріал у шнурівці пластифікується. Консистенція недостатня.

У гомогенізаційному відділенні нижній діаметр шнура зменшується, щоб матеріал у середині спіральної канавки був ближче до циліндра, сприяючи зсуву та нагріванню для розплавлення та подальшої гомогенізації матеріалу.

Нижній діаметр транспортного відділення останнього шнура (ближче до головки машини) стає більш помітним, а його переміщення значно більше, ніж у гомогенізаційному відділенні останнього шнура. Леткі компоненти вивільняються, і вентиляційний отвір відводить їх через вакуумний насос.

Матеріал потрапляє до гомогенізаційного відділення через друге компресійне відділення, і тиск екструзії збирається під дією матриці, шнура та циліндра, утворюючи щільний та однорідний потік екструзії з матриці, де переміщення гомогенізаційного відділення більше, ніж у попередньому. Одночасне видалення запобігає забрудненню матеріалу.

З вищеописаного аналізу видно, що плавлення односхідним шнуром здебільшого викликане обертанням шнура та статичним положенням циліндра, а відносне переміщення матеріалу в різних частинах канавки зсувалося. Матеріал нагрівається та компресується, а теплопровідність між циліндром та шнуром утворює плівку розплаву — міграцію між рідкими фазами тощо.

1.2 Проблеми, на які слід звернути увагу при проектуванні рецептури:

При проектуванні рецептури для односхідного шнура слід враховувати тривалий час плавлення матеріалу в односхідному екструдері, помітний вплив секулярного стану в твердому транспортному відділенні на продуктивність, а також немускульне транспортування матеріалів.

Через велике співвідношення довжини до діаметра односхідного екструдера з вентиляцією (звичайно L/D=28～32) матеріал нагрівається довго і не змушений транспортуватися. Корисно збільшити кількість стабілізатора, щоб запобігти перегріву та розкладанню — більше тривале та більше навантаження. Відповідне збільшення змащувача може зменшити обертальний момент шнура.

Звичайно, надмірна кількість змащувача шкодить транспортуванню матеріалів та ударостійкості продуктів. Може виникнути явище “затримки шнура” під час екструзії, якщо жиру занадто багато. Розгляньте додавання модифікатора ударостійкості. Збільшення кількості модифікатора ударостійкості збільшить обертальний момент шнура.

Додавання певної кількості наповнювача CaCO3 може підвищити міцність розплаву, зменшити текучість матеріалу та вплинути на швидкість пластифікації матеріалу. Ефекти CaCO3 з різними розмірами частинок також дуже відрізняються. Тому кількість CaCO3, доданого до продуктів різного призначення, сильно варіюється.

Крім того, характеристики конструкції форми пов'язані з розміром екструзійного тиску і мають особливий вплив на рецептуру.

2. Екструдер з двома гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках

Хоча механізм плавлення екструдера з двома гвинтами базується на одному гвинті, принцип транспортування дуже відрізняється від такого ж у одношнурного гвинта через наявність зони зачеплення.

2.1 Класифікація екструдерів з двома гвинтами

Згідно з напрямком обертання гвинтів, їх можна поділити на:

1. Екструдер з двома гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках: напрямок обертання двох гвинтів протилежний.
2. Екструдер з двома гвинтами, що обертаються у тому самому напрямку: напрямок обертання двох гвинтів однаковий.

Згідно з законом обертання, екструдер з двома гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках, можна поділити на екструдер з двома гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках назовні, і екструдер з двома гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках всередину.

Екструдер з двома гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках всередину, був відкинутий через його слабку здатність до подачі матеріалу та велику радіальну силу, що створюється матеріалом на гвинті в зоні календарювання двох гвинтів, що призводить до сильного зносу між циліндром і гвинтом.

Взагалі кажучи, екструдер з двома гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках, відноситься до екструдера з двома гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках назовні (те ж саме нижче).

При екструзії профілів з ПВХ зазвичай використовують екструдери з двома конічними гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках, і екструдери з двома паралельними гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках.

2.1.1 Екструдер з двома конічними гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках:

Оси двох гвинтів і вісь циліндра розподілені симетрично під кутом α (значення α зазвичай становить від 1° до 2°). Однак напрямок гвинтів різний, діаметр двох кінців робочої секції також відрізняється.

Гвинт з однаковою глибиною великих і малих гвинтових канавок у звичайному екструдері з двома конічними гвинтами та гвинт з значною глибиною гвинтових канавок є більш важливими, ніж глибина маленьких гвинтових канавок у гвинті екструдера з двома конічними гвинтами з надзвичайною конусністю (подвійний конус).

Особливості екструдера з двома конічними гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках: великий діаметр головки гвинта, велика тепловіддача гвинта, глибока канавка (ультраконус) для матеріалу, велика площа контакту з гвинтом і циліндром, тривалий час перебування матеріалу сприяють теплопередачі між циліндром і гвинтом та матеріалом. З огляду на цей момент, довжина гвинта і співвідношення його розмірів (зазвичай 13-17) при однаковій продуктивності набагато менші, ніж у інших типах екструдерів.

Діаметр маленької головки гвинта порівняно невеликий, час перебування матеріалу в екструзійній секції короткий, лінійна швидкість обертання гвинта низька, а низька швидкість зсуву сприяє зменшенню тертя між матеріалом і між матеріалом та гвинтом і циліндром.

Коли швидкість екструзії профілю не перевищує 400 кг/год, а швидкість екструзії труби — 800 кг/год, перевагу слід надавати використанню екструдера з двома конічними гвинтами. Екструдер з двома конічними гвинтами для екструзії профілів і труб з ПВХ є найпоширенішим.

Пластифікаційна здатність: Пластифікаційна здатність екструдерів виникає внаслідок комплексного впливу системи екструзії екструдера, рецептури та параметрів процесу експлуатації.

Неможна сказати, яка пластифікаційна здатність екструдера з двома конічними гвинтами та екструдера з двома паралельними гвинтами краща чи гірша. Це можна визначити лише на основі аналізу конкретної конструкції гвинта, складу рецептури, параметрів процесу експлуатації та форми.

2.1.2 Екструдер з двома паралельними гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках:

Оси двох гвинтів паралельні та симетрично розташовані по відношенню до осі циліндра. Внутрішній і зовнішній діаметри двох кінців робочої секції гвинта однакові; існують сегментовані гвинти та гвинти з постійною змінною кроком.

Сегментований гвинт — це гвинт з підкопаними канавками через різну кількість головок гвинта та різні кроки між різними функціональними секціями гвинта.

Гвинт з постійною змінною кроком і плоским профілем означає, що між різними функціональними секціями гвинта немає підкопаних канавок. Тому кількість головок гвинта в різних сферах застосування однакова. Оскільки генератриса гвинта і циліндра прямолінійна, технологічність краща.

Гвинт екструдера з двома плоскими гвинтами, що обертаються у протилежних напрямках, можна виймати з випускного кінця екструдера, що зручно для технічного обслуговування обладнання. Гвинт можна проектувати з повною змінною кроковою структурою. Згідно з відповідною інформацією, напружування при обробці матеріалу при екструзії профілю невелике, що забезпечує хорошу якість екструзії.

Екструдер з двома паралельними гвинтами відносно частіше використовують при великому об’ємі екструзії. Слід зазначити, що продуктивність лінії з виготовлення профілів сильно залежить від форми. Формування головки екструдера на високій швидкості та відмінна форма продукту в формі затвердіння часто стають вузьким місцем обмеженої продуктивності.

2.2 Механізм пластифікації екструдера з двома конічними гвинтами:

Загалом система екструзії екструдера з двома конічними гвинтами включає: гвинт, циліндр, нагрівальне та охолоджувальне пристрої, а також вакуумний відсмоктувач.

 2.2.1 Механізм пластифікації матеріалу екструдера з двома конічними гвинтами:

⑴ Транспортувальна секція:

Матеріал потрапляє в транспортувальну секцію з випускного отвору і транспортується вперед під дією гвинта. Кожен раз, коли гвинт обертається, матеріал у камері C-подібної форми переміщується вперед на один крок.

Завдяки конструкції об’єм камери C-подібної форми стає все меншим і меншим, і матеріал поступово стискається. Чим більше зростає контактний тиск між матеріалом і циліндром гвинта, тим більше поглинається тепло, і температура матеріалу повільно зростає, готова до наступного кроку плавлення.

Оскільки поверхня циліндра і гвинта конічного екструдера збільшується в транспортувальній секції, покращується ефективність теплопровідності між матеріалом і циліндром та гвинтом.

⑵ Секція передпластифікації:

Після нагрівання та стиснення матеріалів у транспортувальній секції більшість повітря між частинками порошку та всередині них виводиться, і щільність матеріалів зростає.

Коли матеріал у камері C-подібної форми продовжує рухатися вперед, матеріал, що контактує з циліндром і гвинтом, буде рухатися з однаковою швидкістю, що і циліндр або гвинт, завдяки адгезії. Під дією гвинта зсувний ефект сильніший, ніж у середині гвинтової канавки. Після тривалого нагрівання він починає плавитися, і матеріал у камері C-подібної форми розчиняється в циркуляційному потоці ззовні назовні.

Через зміну об’єму камери C-подібної форми посилюється обмін внутрішнім і зовнішнім матеріалом. Деякі виробники екструдерів встановлюють змішувальний бак у секції передпластифікації з урахуванням характеристик екструдера своєї компанії. Мета — поєднати матеріали в передній і задній камерах C-подібної форми, посилити зсувний ефект і полегшити обмін матеріалами між внутрішнім і зовнішнім шарами C-подібної форми. Покращити ефект плавлення.

Після проходження матеріалу через секцію передпластифікації достатньо порошкові та гранульовані матеріали розбиваються, і матеріали знаходяться у напівліквідному стані.

⑶ Секція пластифікації:

Також відома як секція стиснення. Об’єм камери C-подібної форми у цій секції різко зменшується (переміщення цієї секції становить лише від 0,25 до 0,4 від транспортувальної зони), і матеріали піддаються твердому стисненню, зсуву та обміну під час проходження. Таким чином, більшість матеріалів практично знаходиться у початковому пластифікованому стані.

⑷ Секція відсмоктування:

Суміш UPVC потрапляє в відсік відводу після секції транспортування, передпластування та компресії, оскільки об'єм камери у формі C у відсіку відводу набагато більший, ніж у секції компресії (зазвичай об'єм відводу перевищує об'єм компресії більше ніж утричі).

Коли матеріал досягає цього відсіку, тиск зменшується, і матеріал стає сегментованим або крупним, при цьому газ та легкокипючі леткі компоненти в матеріалі виділяються. Цей відсік оснащений відводним отвором, і газ виводиться через цей отвір під дією вакуумного насоса.

Функція відводу в екструзійному формуванні UPVC є життєво важливою. В іншому випадку повітряні бульбашки в продукті серйозно вплинуть на механічні властивості.

⑸ Секція вимірювання:

 Через постійну зміну об'єму камери у формі C через секції транспортування, передпластування, пластування та вимірювання, а також різну кількість головок шнурів у кожній зоні шнурів, матеріал у камері у формі C постійно змінює своє положення і потім потрапляє в секцію вимірювання. У результаті він подальше пластується, одноріднішає та нарощує екструзійний тиск під дією матриці.

Оскільки об'єм камери у формі C у секції вимірювання зменшується, матеріал після однорідності знову компресується, щоб утворити щільну та однорідну рідину, яка витискається через з’єднувальне тіло (перехідне тіло), перфоровану пластину та матрицю.

2.3 Механізм пластування екструдера з паралельними двома шнурів з протилежним обертанням:

Механізм пластування екструдера з паралельними двома шнурів з протилежним обертанням такий самий, як і у конічного екструдера з паралельними двома шнурів. Різниця полягає в тому, що діаметр шнурів і циліндра всюди однаковий. Матеріал у секції подачі має малу площу поглинання тепла порівняно з секцією вимірювання шнурів. Тому діаметр більший, ніж у конічного двохшнурного екструдера, а швидкість обертання шнурів не може бути занадто великою.

Тому для покращення ефекту пластування співвідношення довжини до діаметра шнурів екструдера з паралельними двома шнурів з протилежним обертанням значно важливіше, ніж у конічного екструдера з паралельними двома шнурів (зазвичай L/D=25-30).

Об'єм камери у формі C у кожній секції екструдера з паралельними двома шнурів з протилежним обертанням повторно змінюється, як у конічного двохшнурного екструдера, і режим зміни однаковий.

Процес перетворення матеріалів UPVC у процесі обробки пов'язаний не лише зі складом суміші інгредієнтів, але й сильно залежить від зовнішніх умов обробки, таких як температура суміші інгредієнтів, порядок подачі під час змішування, температура процесу екструзії, швидкість обертання шнурів, кількість поданого матеріалу та сила зсуву, якій піддається матеріал.

Резюме

У цій статті проводиться фундаментальний аналіз механізму плавлення та коригування формули матеріалу в екструдері. Завдяки високій практичності технології обробки та формування полімерів, формула сировини для продукції, обладнання для обробки та технологічні умови досить різні. Тому реальне виробництво слід поєднувати з конструкцією виробничого обладнання, особливо системою екструзії, складом інгредієнтів, вимогами до характеристик продукції та обсягом виробництва. Крім того, слід провести комплексний аналіз впливу інгредієнтів у добавках на плавлення матеріалів, щоб визначити раціональний технологічний процес.