Plastikinis ekstruderio sraigtas valdo medžiagos srautą trimis skirtingais mechanizmais: kietų granulių transportavimą į priekį sukantis, suspaudimą, kai kanalo gylis mažėja, ir sukuria slėgį, kuris išlydytą polimerą išstumia per štampą. Sraigto geometrija-ypač jo ilgio-ir-skersmens santykis, suspaudimo laipsnis ir skrydžio konstrukcija-tiesiogiai lemia pralaidumą, lydymosi temperatūrą ir gaminio nuoseklumą naudojant ekstruziją.
Kaip sraigto sukimas skatina medžiagų transportavimą
Plastikinis ekstruderio sraigtas veikia kaip tikslus transportavimo įtaisas, o ne paprastas stūmimo mechanizmas. Kai varžtas sukasi šildomos statinės viduje, jis sukuria pasipriešinimo srautą per trintį tarp statinės sienelės ir medžiagos. Daugumoje sistemų ši pasipriešinimo jėga sudaro 60–80 % visos medžiagos transportavimo.
Sraigtiniai skrydžiai apvyniojami aplink varžtą tam tikru kampu, paprastai nuo 17 iki 20 laipsnių nuo statmenos. Šis spiralės kampas padalija sukimosi judesį į du komponentus: vieną, kuris perkelia medžiagą į priekį, o kitą, kuris sukuria maišymo veiksmą kanalo plotyje. Kvadratinio žingsnio sraigtai, kai atstumas tarp skersinių yra lygus varžto skersmeniui, yra labiausiai paplitusi konfigūracija bendrosios paskirties -ekstruzijai.
Medžiagos greitis labai skiriasi kanalo skerspjūvyje{0}}. Granulės arba lydalas šalia statinės sienelės keliauja greičiausiai, o tie, kurie liečia varžto šaknį, juda lėčiausiai. Šis greičio gradientas sukuria šlyties jėgas, kurios žymiai prisideda prie šildymo{3}}dažnai daugiau nei išoriniai statinės šildytuvai.
Tarpas tarp plastikinio ekstruderio varžto antgalio ir statinės sienelės išlieka neįtikėtinai tankus, paprastai 0,1–0,2 % statinės skersmens. 100 mm ekstruderyje tai reiškia tik 0,1–0,2 mm tarpą. Šis minimalus tarpas apsaugo nuo atgalinio srauto, tačiau palieka pakankamai vietos abiejų komponentų šiluminiam plėtimuisi veikimo metu.
Trys funkcinės zonos formuoja medžiagų elgesį
Kiekvienas standartinis plastikinis ekstruderio sraigtas yra padalintas į tris zonas, kurios palaipsniui paverčia kietas granules į slėginį lydalą. Tiekimo zona užima pirmuosius 15-30 % varžto ilgio ir palaiko pastovų gilų kanalo gylį – paprastai 10–15 % varžto skersmens. Čia granulės turi prilipti prie statinės sienelės, slysdamos varžto paviršiumi, kad efektyviai judėtų į priekį.
Toliau seka suspaudimo zona, kuri tęsiasi 30–50% viso ilgio. Kanalo gylis palaipsniui mažėja nuo padavimo gylio iki galutinio dozavimo gylio, sukuriant suspaudimo laipsnį. Santykis 3:1 reiškia, kad padavimo kanalai yra tris kartus gilesni nei dozavimo kanalai. Šis laipsniškas tūrio mažinimas išstumia orą iš tarp granulių, sutankina medžiagą ir inicijuoja lydymąsi dėl padidėjusios trinties ir slėgio.
Dauguma lydymosi iš tikrųjų vyksta suspaudimo zonoje, o ne tolygiai visoje medžiagos masėje. Plona polimero plėvelė, esanti ant karštos statinės sienelės, pirmiausia išsilydo, tada nubraukiama skrendant į priekį ir vėl sumaišoma į kietą sluoksnį. Šis ciklas kartojasi tūkstančius kartų, kai medžiaga keliauja į priekį, palaipsniui paverčiant visą masę iš kietos į skystą.
Matavimo zoną sudaro paskutiniai 20-30% ir išlaikomas negilus, pastovus gylis. Jo darbas yra slėgio generavimas ir srauto stabilizavimas. Tolygi geometrija sukuria vienodą šlyties greitį ir sukuria vienalytį lydalą esant pastoviai temperatūrai ir slėgiui. Ši zona iš esmės veikia kaip tikslus lydalo siurblys, tiekiantis medžiagą į štampą nuspėjamu greičiu.
Suspaudimo laipsnis subalansuoja kelis reikalavimus
Pasirinkus tinkamą plastikinio ekstruderio varžto suspaudimo laipsnį, reikia subalansuoti padavimo pajėgumą ir lydymosi efektyvumą. Mažo-tankio medžiagoms, tokioms kaip polietileno šlifavimas, reikalingas santykis nuo 3:1 iki 4:1, nes jų tūrinis tankis reiškia, kad norint surinkti pakankamai medžiagos, reikia gilių tiekimo kanalų. Didelio-tankio inžineriniai plastikai, tokie kaip nailonas, efektyviai veikia santykiu 2:1–2,5:1.
Suspaudimo laipsnis turi įtakos ne tik medžiagų tvarkymui. Santykis 4:1 sukuria maždaug dvigubai didesnį šlyties kaitinimą, palyginti su 2:1 santykiu, tuo pačiu sraigto greičiu, darant prielaidą, kad padavimo gylis yra pastovus. Tai labai svarbu karščiui-jautrioms medžiagoms, kurios suyra, jei temperatūra viršija siaurus apdorojimo langus.
Tyrimai rodo, kad LLDPE ekstruzija optimaliai veikia esant 2,8:1 suspaudimo laipsniui esant greičiui iki 110 aps./min. Virš šio santykio ekstrudate atsiranda kietų polimero fragmentų. Žemiau nei 2,4:1, tiekimo sekcijose susidaro nepakankamas slėgis, bado pasroviui esančios zonos ir sumažėja pralaidumas.
Skirtingi apdorojimo tikslai reikalauja skirtingų požiūrių. Lakštų ekstruzija gali būti nukreipta į 50 laipsnių F žemesnę lydymosi temperatūrą nei naudojant pluošto tempimą, net naudojant identišką dervą. Suspaudimo laipsnis turi atsižvelgti į šiuos skirtumus kartu su dalelių geometrija, tūriniu tankiu ir trinties koeficientais tarp medžiagos ir metalo paviršių.
Ilgio-ir-skersmens santykis turi įtakos buvimo laikui
L/D santykis iš esmės apibrėžia, kiek ilgai medžiaga lieka ekstruderyje ir kaip kruopščiai ji apdorojama. Standartiniai santykiai yra maždaug 24:1, kai naudojamas bendras naudojimas, tačiau plėvelės ekstruzijai paprastai naudojami 30:1 varžtai, kad būtų užtikrintas visiškas lydymas ir puikus maišymas. Ventiliuojamos sistemos, kurioms reikalingas degazavimas, yra daugiau nei 32:1, kad būtų galima pritaikyti papildomas apdorojimo dalis.
Ilgesni plastikiniai ekstruderio sraigtai suteikia daugiau paviršiaus ploto šilumos perdavimui ir daugiau skrydžių mechaniniam darbui. Tai padidina lydymosi pajėgumą ir leidžia dirbti didesniu pralaidumu,{1}}tačiau aukštesnės lydymosi temperatūros kaina. Kiekvienas papildomas ilgio skersmuo padidina polimero buvimo laiką ir šiluminę istoriją.
Trumpesni varžtai greičiau reaguoja į proceso pokyčius ir sunaudoja mažiau energijos vienam išėjimo vienetui. Jie puikiai tinka termiškai jautrioms medžiagoms, tokioms kaip PVDC ir poliamidas, kur sumažinus šilumos poveikį išvengiama skilimo. Iššūkis yra pasiekti tinkamą maišymą ir homogenizavimą per suspaustą laiko juostą.
L/D santykis, nustatant sukimo momento reikalavimus, sąveikauja su varžto skersmeniu. 60 mm skersmens varžtas, kurio ilgis 30:1, sukamas dideliu greičiu, gali viršyti veleno stiprumo ribas, todėl norint išvengti gedimo reikia atlikti įtempių analizę. Didesnio skersmens varžtai sukuria neproporcingai didesnį sukimo momentą dėl skersmens ir galios kvadratinio ryšio.
Sraigto greitis sukuria dinaminius{0}}našumo kompromisus
Veikimo greitis tiesiogiai lemia pralaidumą -padvigubinus aps./min. apytikriai padvigubėja išėjimas-, tačiau keli apribojimai riboja maksimalų praktinį greitį. Medžiagos šlyties jautrumas nustato pirminę ribą. Maždaug 50–150 aps./min. greitis tinka daugeliui pritaikymų, nors tam tikrus polimerus reikia koreguoti.
Didesnis greitis eksponentiškai sustiprina šlyties įkaitimą. Energija, išsklaidoma per klampius trinties svarstykles su šlyties greičio kvadratu, o tai reiškia, kad esant 120 aps./min., susidaro keturis kartus daugiau trinties šilumos nei esant 60 aps./min. Šis savaiminis įkaitimas suspaudimo zonoje gali viršyti 40 laipsnių, dominuojantis šiluminiame biudžete ir potencialiai suardydamas temperatūrai jautrias dervas.
Sraigto greitis taip pat turi įtakos maišymo kokybei dėl buvimo laiko pasiskirstymo. Greitesnis sukimasis sumažina vidutinį buvimo laiką, bet padidina pasiskirstymą tarp greičiausio ir lėčiausio medžiagos kelių. Kai kurie polimerai statinėje praleidžia minimaliai, o kitos dalys išbūna daug ilgiau, todėl galutiniame lydalo temperatūra ir savybės skiriasi.
Tyrimai rodo, kad kanalo gylio optimizavimas dažnai yra veiksmingesnis nei greičio didinimas siekiant padidinti išvestį. Gilesni matavimo kanalai tuo pačiu greičiu gali padidinti pralaidumą 18-36 % ir tuo pat metu sumažinti išleidimo temperatūrą-, o tai naudinga visiems, o tai per kelias savaites atsiperka investicijos į naujo dizaino varžtus.
Medžiagos reologija diktuoja optimalią geometriją
Neniutoniškas polimerų lydalo elgesys labai apsunkina plastikinio ekstruderio varžto konstrukciją. Dauguma plastikų pasižymi šlyties plonėjimu, kai didėjant šlyties greičiui, klampumas mažėja. Tai reiškia, kad kanalo gylio pokyčiai turi įtakos ne tik tūriui, bet ir srauto pasipriešinimui tokiu būdu, kuris nesikeičia tiesiškai.
Galios įstatymo skysčiams reikia pataisyti paprastus Niutono srauto skaičiavimus. Slėgio srauto prognozių efektyvų klampumą reikia koreguoti pagal medžiagos galios dėsnio indeksą. Tipiškų polimerų lydalų, kurių indeksai yra nuo 0,3 iki 0,6, faktinis slėgio srautas yra 20–40% didesnis, nei rodo Niutono prognozės.
Temperatūros jautrumas prideda dar vieną sudėtingumo sluoksnį. 10 laipsnių temperatūros pokytis kai kuriuose polimeruose gali pakeisti lydalo klampumą 50% ar daugiau. Sraigtas turi išlaikyti stabilias šilumines sąlygas visose apdorojimo zonose, kad būtų užtikrinta vienoda išvesties kokybė ir būtų išvengta tolesnių problemų, pvz., štampavimo svyravimų ar paviršiaus defektų.
Abrazyviniai užpildai, tokie kaip stiklo pluoštas ar mineraliniai junginiai, visiškai pakeičia dizaino prioritetus. Šios medžiagos padidina susidėvėjimo greitį, ypač didelės šlyties srityse. Sraigtams, apdorojant užpildytus mišinius, reikia sukietėjusių paviršių, padengtų nitridavimu arba specialiomis dangomis, tam, kad būtų pasiektas priimtinas eksploatavimo laikas.
Specializuotos varžtų konstrukcijos sprendžia specifinius iššūkius
Sraigtai yra viena iš svarbiausių ekstruzijos technologijos naujovių. Papildomas skrydis suspaudimo zonoje sukuria atskirus kanalus kietosioms medžiagoms ir lydymui. Tirpdamas polimeras siauru įpjovimu teka į lydalo kanalą, o neištirpusios granulės lieka kietųjų dalelių kanale.
Šis atskyrimas žymiai pagerina lydymosi efektyvumą, nes kietos granulės išlaiko didesnę trintį, nesutepdamos jų perteklinio lydalo. Lydymosi kanalo tūris palaipsniui didėja, kai tirpsta daugiau medžiagų, o kietųjų dalelių kanalas atitinkamai susitraukia. Tyrimai rodo, kad užtvaros konstrukcijos gali padidinti našumą 15–25 %, palyginti su įprastiniais plastikiniais ekstruderio sraigtais, esant vienodam greičiui ir temperatūrai.
Maišymo sekcijos padidina vienodumą, kai reikia išskirtinio vienodumo. Maddock-stiliaus maišytuvuose yra griovelių barjerai, kurie kelis kartus skaido ir sujungia lydalo srautus, pašalindami želė ir išsklaidydami priedus. Tačiau agresyvus maišymas sukelia didelį šlyties įkaitimą-kartais sukelia jautrių polimerų irimą, jei jis nėra kruopščiai valdomas.
Dviejų{0}}pakopų sraigtai išsprendžia drėgmę ir lakus pašalinimo problemas. Pirmajame etape medžiaga išsilydo ir patenka į priekį, tada susiduria su dekompresijos zona, kurioje statinė turi ventiliacijos angą. Sumažintas slėgis leidžia išeiti dujoms ir vandens garams, kol antroji suspaudimo / matavimo stadija atkuria slėgį, kad būtų galima tekėti.
Sraigtas{0}}Statinės tarpas palaiko proceso stabilumą
Tarpas tarp skrydžio antgalių ir statinės sienelės lemia nuotėkio srautą, kuris prieštarauja judėjimui pirmyn. Per didelis tarpas leidžia medžiagai tekėti atgal šiame tarpe, sumažinant efektyvią išeigą ir sukuriant nenuoseklų buvimo laiką. Nauja įranga paprastai išlaiko 0,05–0,1 mm tarpus tarp 50 mm varžtų, proporcingai keičiant skersmenį.
Laikui bėgant nusidėvėjimas padidina šį kritinį matmenį. Kai prošvaisa didėja nuo 0,1 mm iki 0,3 mm, nuotėkio srautas gali padvigubėti ir sumažėti grynoji galia 10{5}}20 % esant pastoviam greičiui. Statinė greičiau susidėvi pereinamojoje ir dozavimo zonose, kur slėgis yra didžiausias, todėl varžto ilgiu susidaro netolygi prošvaisa.
Temperatūros kontrolė pašarų gerklės srityse apsaugo nuo ankstyvo tirpimo, dėl kurio susidaro tilteliai. Aušinimo vanduo cirkuliuoja per tiekimo korpusą, kad temperatūra būtų 20-30 laipsnių žemesnė už polimero minkštėjimo tašką. Sezoniniai aušinimo vandens temperatūros svyravimai gali turėti įtakos proceso stabilumui, nebent tai būtų kontroliuojama atskirai, o ne nuo įrenginio vandens tiekimo.
Statinių gamybos leistinos nuokrypos turi būti ypač griežtos. Bendras-išlygiavimas-po apdirbimo neturi viršyti pusės tikslinio varžto-vazono tarpo. Jei prošvaisa yra 0,1 mm, statinės angos išsiveržimas negali viršyti 0,05 mm per visą ilgį. Norint tai pasiekti, reikia tiksliai apdirbti specializuotą įrangą.
Įprastų srauto valdymo problemų šalinimas
Nepakankamas plastifikavimas pasireiškia kietomis dalelėmis, dryžiais arba neištirpusiomis granulėmis ekstrudate. Mažas sraigto greitis yra dažniausia priežastis-medžiaga tiesiog negauna pakankamai mechaninės energijos, kad visiškai išsilydytų. Padidinus greitį 10-20%, problema dažnai išsprendžiama nereguliuojant temperatūros.
Per didelis priešslėgis signalizuoja apie apribojimą pasroviui. Užsikimšę ekrano paketai yra įprastas kaltininkas, sukuriantis pasipriešinimą, kuris palaikomas visoje sistemoje. Slėgis gali padidėti nuo įprastų 150–300 barų iki daugiau nei 500 barų, perkraunant pavaros variklį ir galimai pažeisti komponentus. Ekrano paketo pakeitimai atkuria normalų veikimą.
Dėl banguojančios išvesties atsiranda ritmiški ekstruzijos greičio kitimai, matomi kaip profilių skersmens svyravimai arba lakšto storio juostos. Netinkamas kietųjų medžiagų perdavimas sukelia didžiausią bangavimą. Jei padavimo zonos temperatūra pakyla virš optimalių intervalų, granulės suminkštėja ir praranda trintį prieš statinę, periodiškai slysdamos, o ne sklandžiai.
Plastikinio ekstruderio varžto dėvėjimasis vystosi palaipsniui, bet greitėja naudojant abrazyvinius darbus. Kai pastoviu greičiu pralaidumas sumažėja 15-20% arba pastebimai padidėja savitosios energijos sąnaudos, būtina skubiai tikrinti nusidėvėjimą. Matuojant skrydžio aukštį keliuose taškuose išilgai ilgio, nustatomas žalos sunkumas ir numatomas likęs tarnavimo laikas.
Dažnai užduodami klausimai
Kas lemia idealų suspaudimo laipsnį konkrečiam plastikui?
Suspaudimo laipsnio pasirinkimas pirmiausia priklauso nuo medžiagos tūrio tankio, lydalo srauto charakteristikų ir tikslinės apdorojimo temperatūros. Mažo tūrinio tankio medžiagoms, tokioms kaip šlifavimas ar pūkas, reikia didesnio santykio (3:1 iki 4:1), kad būtų surinkta pakankamai medžiagos tiekimo kanaluose. Tankios inžinerinės dervos gerai veikia nuo 2:1 iki 2,5:1. Šis santykis taip pat turi sukurti pakankamai šlyties kaitinimo, kad visiškai ištirptų, nesukeliant terminio skilimo{11}}balansas, kuris skiriasi priklausomai nuo polimerų šeimos ir klasės.
Kaip sraigto greitis įtakoja produkto kokybę už pralaidumo ribų?
Greitis įtakoja tris kokybės veiksnius: lydymosi temperatūros homogeniškumą, maišymo vienodumą ir molekulinį skilimą. Didesnis greitis sumažina buvimo laiko svyravimus, bet padidina šlyties kaitinimą ir didžiausią temperatūrą. Tai gali pagerinti pigmentuotų gaminių spalvos nuoseklumą, bet gali suardyti šilumai-jautrius polimerus. Optimalus greitis suderina pralaidumo tikslus ir kiekvienai medžiagai ir pritaikymui būdingas šilumines ribas.
Kodėl kai kurių plastikinių ekstruderio varžtų vidurinėje dalyje yra užtvara?
Barjeriniai skrydžiai atskiria lydymosi kietąsias medžiagas nuo skysto polimero, todėl lydymosi efektyvumas pagerėja 15-25%. Konstrukcija neleidžia pertekliui sutepti kietų granulių, išlaiko didesnę trintį, kuri pagreitina šilumos susidarymą. Medžiagai palaipsniui tirpstant, ji teka į besiplečiantį lydymosi kanalą, o besitraukiantis kietųjų medžiagų kanalas apdoroja likusias granules. Tai leidžia pasiekti didesnį našumą esant žemesnei temperatūrai, palyginti su įprastais varžtais.
Kas sukelia priešlaikinį varžtų susidėvėjimą atliekant ekstruzijos operacijas?
Abrazyviniai užpildai, tokie kaip stiklo pluoštas ar mineraliniai junginiai, sukelia didžiausią nusidėvėjimą, ypač suspaudimo ir dozavimo zonose, kur slėgis yra didžiausias. Nepakankamas varžtų sukietėjimas, užterštos medžiagos apdorojimas arba važiavimas dideliu greičiu naudojant didelio-klampumo polimerus taip pat pagreitina pažeidimą. Prasta temperatūros kontrolė, dėl kurios susidaro netolygus lydymasis, sukuria vietines įtempių koncentracijas, kurios netolygiai dėvisi paviršius. Apdorojant užpildytus junginius, palyginti su švariomis dervomis, susidėvėjimo greitis gali padidėti 5–10 kartų.