Вся область экструзии термопластов оказалась сложнее, чем кто-либо ожидал. Когда вы имеете дело с материалами, которые разлагаются при определенных температурах, окно обработки становится удивительно узким. Большинство производителей мало говорят об этом - существует мнение, что вы просто нагреваете материал и проталкиваете его через матрицу, но экструзия термопласта требует гораздо больше нюансов.
Контроль температуры имеет большее значение, чем думают люди. Возьмем в качестве примера ПЭНП. - Исследования компании Plastics Technology показывают, что при скорости сдвига 100 с-1 вязкость составляет около 700 Па·с, но изменения температуры не влияют на нее так сильно, как вы думаете. Кривые вязкости остаются относительно близкими друг к другу при разных температурах, что странно, если сравнивать его с HDPE или LLDPE, где температура имеет огромное значение. Это не просто академический подход — это меняет способ настройки всей вашей экструзионной линии.
Обработка Windows, о которой вас никто не предупреждает
Энергия, необходимая для обработки этих материалов, быстро увеличивается. Для нагрева одного килограмма ПЭНП от комнатной температуры (около 25 градусов) до типичной температуры экструзии 210 градусов требуется примерно 138 килокалорий, хотя в реальных условиях-обычно требуется вдвое больше из-за тепловых потерь - источник: Plasticstoday.com. И это только для ПВД. Когда вы переходите к другим полиэтиленам или более сложным термопластам, все меняется.
Разные материалы требуют совершенно разных подходов. Согласно данным, опубликованным на сайте pubs.acs.org, смеси ПЭНП с воском смешивались в расплаве-с использованием пластографа Брабендера при 140 градусах, в то время как для ЛПЭНП требовалось 150 градусов, а для ПЭВП - 160 градусов. Это не просто предложения -: если температура будет ниже этих значений, вы получите неполное плавление, если превысить эти температуры, вы рискуете термической деградацией. Окно обработки реально, и оно уже, чем признает большинство поставщиков оборудования.
Что интересно, так это то, насколько мало индустрия стандартизирует эти цифры. Вы найдете один процессор, работающий на LDPE при 180 градусах, другой при 240 градусах, и оба заявляют об оптимальных результатах. Истина находится где-то посередине и сильно зависит от времени пребывания, конструкции шнека и того, какие добавки присутствуют в рецептуре.
Теплочувствительные материалы меняют все
Когда экструзия термопластов обрабатывает термочувствительные материалы, вы не можете просто повысить температуру, чтобы улучшить текучесть. Некоторые материалы начинают разрушаться при температурах, едва превышающих точку их плавления. ПВХ печально известен этим - интервал обработки между «слишком твердым» и «выделением соляной кислоты» неприятно мал. То же самое касается некоторых полимеров на биологической-основе, которые сейчас все в восторге. Отличная экологическая история, кошмар для последовательной обработки.
Сфера оборудования не догнала материаловедение. Современные экструдеры по-прежнему используют ту же базовую технологию нагревателя цилиндра, что и десятилетия назад, только с более современными контроллерами. Но когда вы работаете с составами,-чувствительными к теплу, вам нужно нечто большее, чем просто точные показания температуры -, вам необходимо мгновенное время отклика и возможность компенсировать нагрев от трения в реальном-времени.
Реальные-мировые приложения демонстрируют этот пробел
Подразделение дорожной разметки 3M кое-что выяснило методом проб и ошибок. Их всепогодная термопластичная система работает в узком температурном диапазоне 400-440 градусов F (204-227 градусов) с термостатируемым нагревом — эти характеристики взяты прямо из технической документации на сайте 3m.com. Если температура опустится ниже 400 градусов по Фаренгейту, материал не сможет должным образом проходить через оборудование для нанесения. Нажмите выше 440 градусов по Фаренгейту, и вы начнете разрушать связующую систему, что снижает долговечность дорожной разметки.
Исследование academia.edu зафиксировало нечто удивительное в предварительно отформованной маркировке из термопластика при установке на дорогах - эффект снижения скорости составил 20-31 % сразу после установки в зависимости от типа транспортного средства, а через год этот показатель снизился до 9–17 %. Это не связано напрямую с процессом экструзии, но показывает, как свойства материала, полученные в результате обработки, влияют на реальную производительность несколько месяцев спустя.
Производители дорожной разметки ежедневно перерабатывают тонны термопластических материалов и разработали несколько интересных обходных решений для термочувствительных составов. Мобильные грузовики должны поддерживать постоянную температуру во время движения, что означает необходимость борьбы с перепадами температуры в линиях подачи, потерями тепла в окружающую среду и тепловой массой самого материала. В большинстве систем сейчас используется теплообмен на основе масла-, а не прямой нагрев пламенем, поскольку температурные градиенты вызывают деградацию материала в локализованных зонах.
Поведение вязкости становится странным при температуре обработки
Люди предполагают, что расплавы полимеров ведут себя предсказуемо, но это верно только в определенных диапазонах скоростей сдвига. При низких скоростях сдвига ПЭВД и ПЭВП могут показаться похожими, но если увеличить сдвиг, то ПЭНП внезапно течет в три раза легче. Это имеет огромное значение для конструкции штампа - то, что хорошо подходит для экструзии труб из ПЭВП, совершенно неэффективно для ПЭНП, если не принять во внимание эти реологические различия.
И мы даже не затронули, как добавки все меняют. Добавьте красители, УФ-стабилизаторы или антипирены к базовой смоле, и поведение вязкости изменится. Иногда резко. Я видел рецептуры, в которых добавление 2% технологической добавки снижало требуемую температуру экструзии на 15 градусов. В других случаях одна и та же технологическая добавка практически не имела значения, поскольку она была несовместима с базовым полимером.
Ограничения оборудования, которые игнорируют ученые-материаловеды
Существует некий разрыв между людьми, разрабатывающими новые термочувствительные-термопластики, и людьми, которым приходится их фактически обрабатывать. Ученый-материаловед может создать удивительный новый био-полимер, который "прекрасно" обрабатывается в лабораторном двухшнековом-экструдере со скоростью 5 кг/час. Затем производство пытается увеличить производительность до 500 кг/час на одной-шнековой линии и обнаруживает, что управление температурным режимом совершенно другое.
Одношнековые-экструдеры выделяют большую часть тепла за счет трения, а не от нагревателей цилиндра. Обычно это нормально, но с термочувствительными-материалами это создает проблемы. В конечном итоге вам придется охлаждать зоны цилиндра ниже целевой температуры плавления, чтобы предотвратить перегрев из-за сдвига шнека. Тогда вы получите неравномерное плавление в зоне подачи, потому что она недостаточно горячая. Это балансирующий акт, который часто требует индивидуальной конструкции винтов.
Двухшнековые-экструдеры теоретически лучше справляются с термочувствительными-материалами - лучшее смешивание, более короткое время обработки, больше зон контроля температуры. Но они дорогие и сложные. И физику все равно не обманешь. Если ваш материал начинает разлагаться при 200 градусах, а для прохождения через матрицу ему необходима температура 190 градусов, возможно, у вас есть окно в 10 градусов для работы. Точность оборудования имеет большее значение, чем большинство операций.
Конструкция штампа для термочувствительных материалов
В штампе выходят из строя многие термочувствительные-материалы. Полимер сжимается, движется по узким каналам, выделяя тепло из самого потока. Стандартные конструкции штампов часто имеют мертвые зоны, в которых материал находится слишком долго и разрушается. Для рецептур,-чувствительных к нагреву, необходимы оптимизированные пути потока с минимальным перепадом давления, что обычно означает снижение некоторой производительности.
Особую проблему представляют штампы для-вешалок для экструзии листов. Секции коллектора создают области с низким сдвигом, где материал может перегреться только из-за проводимости. Некоторые производители прибегли к конструкции спиральных оправок или многослойных блоков подачи, чтобы сократить время пребывания в матрице, но это дорогостоящие решения, которые многие переработчики не могут оправдать.
Мониторинг температуры в штампе часто неадекватен. Большинство установок имеют термопары в корпусе матрицы, но они измеряют температуру металла, а не фактическую температуру расплава полимера. К тому времени, когда температура корпуса матрицы поднимется настолько высоко, что это вызовет тревогу, вы уже будете экструдировать разложившийся материал неизвестно сколько времени.
Куда движется индустрия
Растет потребность в переработке большего количества термочувствительных-материалов, - полимеров на биологической-основе, переработанных материалов с неизвестной термической историей, специальных составов для конкретных применений. Оборудование развивалось недостаточно быстро, чтобы легко справиться с этим.
Некоторые компании экспериментируют с альтернативными методами отопления. Индукционный нагрев матрицы обеспечивает более быстрое реагирование и более точный контроль. Инфракрасный нагрев зон ствола позволяет уменьшить температурный градиент между поверхностью ствола и расплавом полимера. Они еще не получили широкого распространения, потому что они дороги и требуют значительной разработки процессов.
Мониторинг в режиме-времени постепенно становится лучше. Линейные реометры могут улавливать изменения вязкости, указывающие на термическую деградацию, прежде чем она станет серьезной проблемой качества. Датчики давления по всему стволу и матрице позволяют заранее выявить проблемы обработки. Но все это стоит денег и требует от операторов понимания, что означают данные, а это более серьезная проблема, чем сама технология.
Фундаментальная проблема остается: экструзия термопластов обрабатывает термочувствительные материалы в узких окнах, для обслуживания которых оборудование изначально не было предназначено. Пока производители экструдеров и разработчики материалов не будут сотрудничать более тесно, мы будем продолжать сталкиваться с этими проблемами обработки. Материалы становятся все более требовательными, а оборудование с трудом справляется с этой задачей. Именно там мы сейчас и находимся.
Спецификации Департамента транспорта Нью-Йорка для экструдированной термопластической маркировки требуют температуры нанесения от 400-450 градусов F, измеренной на экструзионном башмаке, при этом конкретные требования к возможностям оборудования и поддержанию температуры - документированы на сайте nyc.gov. Подобные жесткие спецификации существуют потому, что агентства на собственном опыте узнали, что параметры обработки термочувствительных термопластов не могут быть приблизительными. Либо вы точно контролируете температуру, либо получаете нестабильную производительность.
Это возвращает нас к основной задаче -: найти баланс между тепловыми требованиями и стабильностью материала. У каждого термопластика есть «золотая точка», где он хорошо течет, не разлагаясь, и нахождение этого места при сохранении эффективности производства — вот что делает экструзионную обработку скорее искусством, чем наукой, даже со всеми нашими современными приборами и контролем процесса.