Cijelo područje ekstruzije termoplasta postalo je kompliciranije nego što je itko očekivao. Kada imate posla s materijalima koji se razgrađuju na određenim temperaturama, prozor obrade postaje iznenađujuće uzak. Većina proizvođača o tome ne govori dovoljno - postoji ta pretpostavka da samo zagrijavate materijal i gurate ga kroz matricu, ali ekstruzija termoplasta mnogo je nijansiranija od toga.
Kontrola temperature je važnija nego što ljudi shvaćaju. Uzmimo LDPE kao primjer - istraživanje Plastics Technology pokazuje da pri brzini smicanja od 100 s-1, viskoznost iznosi oko 700 Pa·s, ali temperaturne promjene ne utječu na to onoliko koliko mislite. Krivulje viskoznosti ostaju relativno bliske na različitim temperaturama, što je čudno kada ga usporedite s HDPE ili LLDPE gdje temperatura čini ogromnu razliku. Ovo nije samo akademsko - ono mijenja način na koji postavljate cijelu liniju ekstruzije.
Obrada Windowsa na koju vas nitko ne upozorava
Energija potrebna za obradu ovih materijala brzo se povećava. Zagrijavanje jednog kilograma LDPE-a sa sobne temperature (oko 25 stupnjeva ) na tipične temperature ekstruzije od 210 stupnjeva zahtijeva približno 138 kilokalorija, iako stvarne-aplikacije obično trebaju dvostruko više zbog toplinskih gubitaka - izvor: plasticstoday.com. I to samo za LDPE. Kada prijeđete na druge polietilene ili složenije termoplaste, sve se mijenja.
Različiti materijali zahtijevaju potpuno različite pristupe. Prema podacima objavljenim na pubs.acs.org, mješavine LDPE-a s voskom bile su otopljene-pomiješane pomoću Brabender Plastograph na 140 stupnjeva, dok je za LLDPE bilo potrebno 150 stupnjeva, a za HDPE 160 stupnjeva. Ovo nisu samo prijedlozi - spustite se ispod ovih temperatura i dobit ćete nepotpuno topljenje, spustite se iznad i riskirate toplinsku degradaciju. Prozor za obradu je stvaran i uži je nego što većina dobavljača opreme priznaje.
Zanimljivo je koliko se industrija malo standardizira oko ovih brojeva. Naći ćete jedan procesor koji pokreće LDPE na 180 stupnjeva, drugi na 240 stupnjeva, a oba tvrde da imaju optimalne rezultate. Istina je negdje u sredini i uvelike ovisi o vremenu zadržavanja, dizajnu vijka i dodacima koji su prisutni u formulaciji.
Materijali osjetljivi na toplinu mijenjaju sve
Kada termoplastična ekstruzija obrađuje materijale osjetljive na toplinu, ne možete samo povećati temperaturu da biste poboljšali protok. Neki se materijali počinju raspadati na temperaturama koje su jedva iznad njihove točke taljenja. PVC je poznat po tome - prozor obrade između "previše krutog" i "otpušta klorovodičnu kiselinu" neugodno je mali. Isto vrijedi i za određene bio-polimere koji su sada svi uzbuđeni. Sjajna ekološka priča, noćna mora koju treba dosljedno obraditi.
Strana opreme nije sustigla znanost o materijalima. Moderni ekstruderi još uvijek koriste istu osnovnu tehnologiju grijača bačve od prije nekoliko desetljeća, samo s naprednijim kontrolerima. Ali kada radite s formulacijama osjetljivim na toplinu-, potrebno vam je više od samo točnih očitanja temperature - potrebno vam je trenutačno vrijeme odziva i sposobnost kompenzacije zagrijavanja trenjem u stvarnom-vremenu.
Aplikacije iz stvarnog-svijeta pokazuju prazninu
3M-ov odjel za označavanje cesta otkrio je nešto od ovoga kroz pokušaje i pogreške. Njihov termoplastični sustav za sve vremenske uvjete radi u uskom temperaturnom pojasu od 400-440 stupnjeva F (204-227 stupnjeva ) s termostatski kontroliranim grijanjem - ove specifikacije dolaze izravno iz njihove tehničke dokumentacije na 3m.com. Spustite se ispod 400 stupnjeva F i materijal neće ispravno teći kroz opremu za nanošenje. Pritisnite iznad 440 stupnjeva F i počet ćete degradirati vezivni sustav, što ubija dugotrajnu trajnost oznaka na cesti.
Istraživanje s academia.edu dokumentiralo je nešto iznenađujuće o njihovim unaprijed oblikovanim termoplastičnim oznakama kada su postavljene na ceste - postojao je učinak smanjenja brzine od 20-31% odmah nakon postavljanja, ovisno o vrsti vozila, padajući na 9-17% nakon jedne godine. To nije izravno povezano s postupkom ekstruzije, ali pokazuje kako svojstva materijala nakon obrade utječu na performanse u stvarnom svijetu nekoliko mjeseci kasnije.
Industrija označavanja pločnika dnevno prerađuje tone termoplastičnog materijala i razvili su neka zanimljiva rješenja za topli{0}}osjetljive formulacije. Kamioni za mobilne aplikacije moraju održavati konstantne temperature tijekom kretanja, što znači nositi se s padom temperature u opskrbnim vodovima, gubitkom topline u okolnom okolišu i toplinskom masom samog materijala. Većina sustava sada koristi prijenos topline na bazi ulja-a ne izravno grijanje plamenom jer su temperaturni gradijenti uzrokovali degradaciju materijala u lokaliziranim zonama.
Ponašanje viskoznosti postaje čudno na temperaturama obrade
Ljudi pretpostavljaju da se taline polimera ponašaju predvidljivo, ali to je točno samo unutar određenih raspona brzine smicanja. Pri niskim brzinama smicanja LDPE i HDPE mogu izgledati slični, ali povećajte smicanje i odjednom LDPE teče tri puta lakše. Ovo je iznimno važno za dizajn matrice - ono što radi za ekstruziju HDPE cijevi spektakularno neće uspjeti s LDPE-om osim ako ne uzmete u obzir te reološke razlike.
A nismo ni dotakli kako aditivi mijenjaju sve. Dodajte bojila, UV stabilizatore ili usporivače plamena osnovnoj smoli i ponašanje viskoznosti se mijenja. Ponekad dramatično. Vidio sam formulacije u kojima je dodavanje 2% pomoćnog sredstva za obradu smanjilo potrebnu temperaturu ekstruzije za 15 stupnjeva. U drugim slučajevima isto pomoćno sredstvo za obradu jedva je činilo razliku jer je bilo nekompatibilno s osnovnim polimerom.
Ograničenja opreme koja znanstvenici za materijale zanemaruju
Postoji ta nepovezanost između ljudi koji razvijaju novu termoplastiku-osjetljivu na toplinu i ljudi koji je moraju stvarno obraditi. Znanstvenik za materijale može stvoriti nevjerojatan novi bio-polimer koji se "fino" obrađuje u laboratorijskom dvo-pužnom ekstruderu pri 5 kg/sat. Zatim proizvodnja pokušava povećati na 500 kg/sat na jednoj liniji-puža i otkriva da je upravljanje toplinom potpuno drugačije.
Jedno-pužni ekstruderi generiraju većinu topline iz trenja, a ne iz bačvastih grijača. To je obično u redu, ali s materijalima-osjetljivim na toplinu stvara probleme. Na kraju ćete morati pokrenuti bačvaste zone hladnije od ciljane temperature taline samo da biste spriječili pregrijavanje od smicanja vijka. Zatim dobijete nedosljedno topljenje u zoni punjenja jer nije dovoljno vruće. To je čin balansiranja koji često zahtijeva prilagođene dizajne vijaka.
Ekstruderi s dvostrukim{0}}vijkom teoretski bolje obrađuju materijale-osjetljive na toplinu - bolje miješanje, kraće vrijeme zadržavanja, više zona kontrole temperature. Ali oni su skupi i složeni. I još uvijek ne možete prevariti fiziku. Ako se vaš materijal počne razgrađivati na 200 stupnjeva i mora biti na 190 stupnjeva da bi mogao teći kroz matricu, imate možda prozor od 10 stupnjeva za rad. Preciznost opreme je važnija nego što je većina operacija postavljena za postizanje.
Dizajn matrice za materijale osjetljive na toplinu
Matrica je mjesto gdje mnogi materijali-osjetljivi na toplinu otkazuju. Polimer je komprimiran, kreće se kroz uske kanale, stvarajući toplinu iz samog protoka. Standardni dizajni kalupa često imaju mrtve točke gdje materijal predugo stoji i degradira. Za formulacije-osjetljive na toplinu potrebni su vam aerodinamični putovi protoka s minimalnim padom tlaka, što obično znači žrtvovanje neke stope proizvodnje.
Matrice za vješalice-za ekstruziju listova posebno su problematične. Dijelovi razvodnika stvaraju područja niskog smicanja gdje se materijal može pregrijati samo zbog vodljivosti. Neki su se proizvođači opredijelili za dizajn spiralnih igala ili više-slojnih dovodnih blokova kako bi smanjili vrijeme zadržavanja u kalupu, ali to su skupa rješenja koja mnogi procesori ne mogu opravdati.
Praćenje temperature u kalupu često je neadekvatno. Većina postavki ima termoparove u tijelu matrice, ali oni mjere temperaturu metala, a ne stvarnu temperaturu taljenja polimera. Dok se tjelesna temperatura matrice popne dovoljno visoko za alarm, već ste istiskivali degradirani materijal tko zna koliko dugo.
Kuda industrija ide
Sve je veći pritisak da se obradi više toplinski{0}}materijala - bio-baziranih polimera, recikliranog sadržaja s nepoznatom toplinskom poviješću, specijalnih formulacija za specifične primjene. Oprema se nije dovoljno brzo razvila da bi to lako podnijela.
Neke tvrtke eksperimentiraju s alternativnim metodama grijanja. Indukcijsko zagrijavanje matrice daje brže vrijeme odziva i precizniju kontrolu. Infracrveno zagrijavanje zona bačve može smanjiti temperaturni gradijent između površine bačve i taline polimera. Oni još nisu uvriježeni jer su skupi i zahtijevaju značajan razvoj procesa.
Nadzor-u stvarnom vremenu postaje sve bolji, polako. Inline reometri mogu uhvatiti promjene viskoznosti koje ukazuju na toplinsku degradaciju prije nego što to postane veliki problem kvalitete. Pretvornici tlaka u cijeloj cijevi i matrici mogu rano identificirati probleme s obradom. Ali sve to košta i zahtijeva operatere koji razumiju što podaci znače, što je veći izazov od same tehnologije.
Temeljni problem ostaje: ekstruzija termoplasta obrađuje materijale osjetljive na toplinu unutar tijesnih prozora za čije održavanje oprema izvorno nije dizajnirana. Sve dok proizvođači ekstrudera i razvijači materijala više ne surađuju, i dalje ćemo imati ove izazove obrade. Materijali postaju sve zahtjevniji, a oprema se teško drži koraka. To je upravo ono gdje smo sada.
Specifikacije Odjela za promet NYC-a za ekstrudirane termoplastične oznake zahtijevaju temperature nanošenja između 400-450 stupnjeva F izmjerene na ekstruzijskoj papučici, sa specifičnim zahtjevima o mogućnostima opreme i održavanju temperature - dokumentiranim na nyc.gov. Ove vrste krutih specifikacija postoje jer su agencije kroz neuspjehe naučile da parametri obrade termoplasta osjetljivih na toplinu ne mogu biti približni. Ili točno kontrolirate temperaturu ili dobivate nedosljedne performanse.
Što nas vraća na glavni izazov - balansiranja toplinskih zahtjeva sa stabilnošću materijala. Svaki termoplast ima ono slatko mjesto gdje dobro teče bez degradacije, a pronalaženje tog mjesta uz održavanje proizvodne učinkovitosti ono je što obradu ekstruzijom čini više umjetnošću nego znanošću, čak i uz sve naše moderne instrumente i kontrolu procesa.