Вся сфера екструзії термопластів стала складнішою, ніж хтось очікував. Коли ви маєте справу з матеріалами, які руйнуються за певних температур, вікно обробки стає напрочуд вузьким. Більшість виробників недостатньо говорять про це - існує таке припущення, що ви просто нагріваєте матеріал і проштовхуєте його через матрицю, але екструзія термопласту є набагато більш тонкою, ніж це.
Контроль температури має більше значення, ніж люди усвідомлюють. Візьмемо для прикладу LDPE - дослідження Plastics Technology показує, що за швидкості зсуву 100 с-1 в’язкість становить приблизно 700 Па·с, але зміни температури не впливають на неї так сильно, як ви думаєте. Криві в’язкості залишаються відносно близькими одна до одної при різних температурах, що дивно, якщо порівнювати їх із HDPE або LLDPE, де температура має величезну різницю. Це не просто академічне – це змінює спосіб налаштування всієї екструзійної лінії.
Обробка Windows, про яку вас ніхто не попереджає
Енергія, необхідна для обробки цих матеріалів, швидко зростає. Нагрівання одного кілограма ПЕНЩ від кімнатної температури (приблизно 25 градусів) до типової температури екструзії 210 градусів вимагає приблизно 138 кілокалорій, хоча для реальних-застосувань зазвичай потрібно вдвічі більше через теплові втрати - джерело: plasticstoday.com. І це тільки для LDPE. Коли ви переходите до інших поліетиленів або більш складних термопластів, усе змінюється.
Різні матеріали потребують абсолютно різного підходу. Згідно з даними, опублікованими на pubs.acs.org, суміші LDPE з воском змішували-в розплаві за допомогою Brabender Plastograph при 140 градусах, тоді як LLDPE вимагав 150 градусів, а HDPE – 160 градусів. Це не просто пропозиції - опустіться нижче цих температур, і ви отримаєте неповне плавлення, опустіться вище, і ви ризикуєте термічною деградацією. Вікно обробки реальне, і воно вужче, ніж визнають більшість постачальників обладнання.
Що цікаво, це те, як мало галузь стандартизує ці цифри. Ви побачите, що один процесор працює на LDPE при 180 градусах, інший – на 240 градусах, і обидва заявляють про оптимальні результати. Істина десь посередині і значною мірою залежить від часу перебування, конструкції шнека та того, які добавки присутні в рецептурі.
Теплочутливі матеріали змінюють усе
Коли термопластична екструзія обробляє термочутливі матеріали, ви не можете просто підвищити температуру, щоб покращити потік. Деякі матеріали починають руйнуватися при температурах, які ледь перевищують температуру плавлення. ПВХ сумно відомий цим - вікно обробки між «надто твердим» і «вивільненням соляної кислоти» незручно мало. Те саме стосується певних полімерів на біо-основі, які зараз усі в захваті. Чудова екологічна історія, кошмар для послідовного опрацювання.
Сторона обладнання не наздогнала матеріалознавство. Сучасні екструдери все ще використовують ту саму базову технологію нагрівання бочок, що була десятиліття тому, тільки з більш модними контролерами. Але коли ви працюєте з-чутливими до тепла складами, вам потрібні більше, ніж просто точні показники температури - вам потрібен миттєвий час відгуку та можливість компенсувати нагрівання тертям у реальному-часі.
Реальні-додатки показують прогалину
Підрозділ дорожньої розмітки 3M з’ясував дещо з цього методом проб і помилок. Їхня всепогодна термопластична система працює у вузькому температурному діапазоні 400-440 градусів F (204-227 градусів) із термостатично контрольованим нагріванням – ці специфікації взято безпосередньо з технічної документації на 3m.com. Опустіться нижче 400 градусів за Фаренгейтом, і матеріал не протікає належним чином через обладнання для нанесення. Якщо натиснути вище 440 градусів за Фаренгейтом, ви почнете погіршувати сполучну систему, що вбиває довгострокову довговічність дорожньої розмітки.
Дослідження з academia.edu задокументувало щось дивовижне щодо попередньо сформованих термопластичних розміток під час встановлення на дорогах - ефект зниження швидкості становив 20-31% відразу після встановлення залежно від типу транспортного засобу, впавши до 9-17% через рік. Це не пов’язано безпосередньо з процесом екструзії, але показує, як властивості матеріалу в результаті обробки впливають на реальну продуктивність через кілька місяців.
Промисловість тротуарної розмітки щодня переробляє тонни термопластичного матеріалу, і вони розробили кілька цікавих рішень для чутливих до тепла-композицій. Мобільні вантажівки повинні підтримувати постійну температуру під час руху, що означає перепади температури в лініях подачі, втрати тепла в навколишнє середовище та теплову масу самого матеріалу. Більшість систем тепер використовують теплопередачу на основі масла-, а не нагрівання прямим полум’ям, оскільки температурні градієнти спричиняли деградацію матеріалу в локалізованих зонах.
Поведінка в'язкості стає дивною при температурах обробки
Люди припускають, що розплави полімерів поводяться передбачувано, але це вірно лише в певних діапазонах швидкості зсуву. За низьких швидкостей зсуву LDPE та HDPE можуть здаватися схожими, але якщо збільшити зсув, раптово LDPE тече втричі легше. Це має величезне значення для дизайну матриці - те, що працює для екструзії труб ПНД, зазнає вражаючої невдачі з ПЕНЩ, якщо не враховувати ці реологічні відмінності.
І ми навіть не торкалися того, як добавки все змінюють. Додайте барвники, УФ-стабілізатори або антипірени до основної смоли, і в’язкість зміниться. Іноді драматично. Я бачив склади, де додавання 2% технологічної добавки знижувало необхідну температуру екструзії на 15 градусів. В інших випадках та сама допоміжна речовина для обробки майже не мала значення, оскільки була несумісною з базовим полімером.
Обмеження обладнання, які матеріалознавці ігнорують
Існує розбіжність між людьми, які розробляють нові-термопластики, чутливі до тепла, і людьми, які мають їх фактично обробляти. Фахівець із матеріалів може створити дивовижний новий біо-полімер, який переробляється «тонко» в лабораторному двошнековому-екструдері зі швидкістю 5 кг/год. Потім виробництво намагається збільшити продуктивність до 500 кг/год на одній-шнековій лінії та виявляє, що управління температурою зовсім інше.
Одно-шнекові екструдери виробляють більшу частину тепла за рахунок тертя, а не від нагрівачів бочки. Зазвичай це добре, але з-теплочутливими матеріалами це створює проблеми. Зрештою вам доведеться працювати в зонах стовбура нижче, ніж цільова температура розплаву, щоб запобігти перегріву від зрізу гвинта. Тоді ви отримуєте непостійне плавлення в зоні подачі, оскільки вона недостатньо гаряча. Це балансування, яке часто вимагає нестандартних конструкцій гвинтів.
Дво-шнекові екструдери теоретично краще обробляють-теплочутливі матеріали - краще змішування, коротший час перебування, більше зон контролю температури. Але вони дорогі і складні. А ще фізику не обдуриш. Якщо ваш матеріал починає розкладатися при 200 градусах і йому потрібно мати 190 градусів, щоб протікати через матрицю, можливо, у вас є 10-градусне вікно для роботи. Точність обладнання важливіша, ніж більшість операцій, налаштованих на виконання.
Конструкція матриці для термочутливих матеріалів
У матриці виходить з ладу багато-теплочутливих матеріалів. Ви маєте стиснутий полімер, який рухається через вузькі канали, виробляючи тепло від самого потоку. У стандартних конструкціях матриць часто є мертві зони, де матеріал надто довго стоїть і деградує. Для термо{4}}чутливих композицій вам потрібні спрощені шляхи потоку з мінімальним падінням тиску, що зазвичай означає певне зниження продуктивності.
Головні матриці для екструзії аркушів- є особливо проблематичними. Секції колектора створюють зони з низьким зсувом, де матеріал може перегріватися лише через провідність. Деякі виробники використали конструкції зі спіральними оправками або багато-шарові живильні блоки, щоб зменшити час перебування в матриці, але це дорогі рішення, які не можуть виправдати багато процесорів.
Контроль температури в матриці часто є неадекватним. Більшість установок мають термопари в корпусі матриці, але вони вимірюють температуру металу, а не фактичну температуру розплаву полімеру. До того моменту, коли температура тіла матриці підніметься настільки високо, що викликає тривогу, ви вже екструзували зіпсований матеріал невідомо скільки часу.
Куди рухається галузь
Зростає потреба переробляти більше термо{0}}чутливих матеріалів - біо-полімери, перероблений вміст із невідомою термічною історією, спеціальні склади для конкретних застосувань. Обладнання розвивалося недостатньо швидко, щоб легко впоратися з цим.
Деякі компанії експериментують з альтернативними методами опалення. Індукційне нагрівання матриці забезпечує швидший час відгуку та більш точне керування. Інфрачервоний нагрів зон стовбура може зменшити температурний градієнт між поверхнею стовбура та розплавом полімеру. Вони ще не є основними, оскільки вони дорогі та потребують значного вдосконалення процесу.
Моніторинг-у реальному часі повільно покращується. Вбудовані реометри можуть вловлювати зміни в'язкості, які вказують на термічну деградацію, перш ніж це стане основною проблемою якості. Датчики тиску по всій стовбурі та матриці можуть завчасно виявити проблеми обробки. Але все це коштує грошей і вимагає операторів, які розуміють значення даних, що є більшим викликом, ніж сама технологія.
Фундаментальна проблема залишається: екструзія термопластів обробляє чутливі до тепла матеріали в щільних вікнах, для обслуговування яких обладнання спочатку не було розроблено. До тих пір, поки виробники екструдерів і розробники матеріалів не співпрацюватимуть тісніше, у нас будуть проблеми з обробкою. Вимоги до матеріалів стають все більшими, а обладнання не встигає. Ось де ми зараз знаходимося.
Специфікації Департаменту транспорту Нью-Йорка для екструдованого термопластичного маркування вимагають температур нанесення від 400-450 градусів F, виміряних на екструзійному башмаку, з конкретними вимогами щодо можливостей обладнання та підтримки температури -, задокументованими на nyc.gov. Такі суворі специфікації існують, тому що агентства дізналися через невдачі, що параметри обробки термочутливих термопластів не можуть бути приблизними. Або ви точно контролюєте температуру, або ви отримуєте непостійну продуктивність.
Це повертає нас до основного завдання - – збалансувати вимоги до тепла та стабільність матеріалу. Кожен термопласт має те місце, де він добре тече без погіршення якості, і пошук цієї точки, зберігаючи ефективність виробництва, ось що робить екструзійну обробку більше мистецтвом, ніж наукою, навіть із усіма нашими сучасними приладами та контролем процесу.