Sistemul de evaluare a adaptabilității extrudelor cu un singur șurub la diferite materiale (PP/PS/PE/PLA)

I. Introducere: provocări de procesare a materialelor în extrudarea cu un singur șurub

Mașină de termoformare cu o singură șuruburi din plastic de termoformare E, ca echipament de bază pentru procesarea materialelor polimerice, adaptabilitatea acestuia la diferiți polimeri determină în mod direct calitatea produsului și eficiența producției. Pp (polipropilenă), PS (polistiren), PE (polietilenă) și PLA (acid polilactic) prezintă comportamente reologice distincte și cerințe de stabilitate termică în timpul extrudării, datorită diferențelor semnificative ale lor în structura moleculară și proprietățile fizice. Evaluarea adaptabilității procesării extruderelor cu un singur șurub necesită construirea unui sistem de evaluare științifică din patru dimensiuni: analiză caracteristică a materialului, potrivirea structurii echipamentelor, coordonarea parametrilor procesului și corelația calității produsului.

Ii. Corelația fundamentală între proprietățile materialului și procesarea extrudării

(A) Diferențele de proprietate intrinsecă ale materialelor polimerice

(B) Impacturile de bază ale proprietăților materialului asupra procesului de extrudare

• PP : Viteza ridicată de cristalizare duce la o rată mare de contracție atunci când topirea este răcită și trebuie acordată atenție raportului de compresie a șurubului și controlului gradientului de temperatură al secțiunii de răcire și model; Caracteristicile de subțiere a forfecării necesită reglarea coordonată a vitezei șurubului și a presiunii din spate pentru a evita ruperea topiturii.
• PS : Lanțul molecular rigid face ca elasticitatea topiturii să fie proeminentă, predispusă la fractura de topire în timpul extrudării, necesitând optimizarea structurii secțiunii de amestecare a șuruburilor pentru a reduce stocarea elastică a energiei; Stabilitatea termică slabă necesită o precizie a controlului temperaturii în ± 2 ° C.
• PE : Topirea cu vâscozitate scăzută este predispusă la fluxul de scurgere, necesitând o creștere a raportului de lungime a șurubului (L/D ≥28) pentru a prelungi timpul de ședere și a asigura plastizarea uniformă; Diferența în intervalul de topire între HDPE și LDPE necesită potrivirea diferitelor modele de adâncime a canelurii cu șuruburi.
• PLA : Higroscopicitate puternică (conținutul de apă trebuie să fie <0,02%), necesitând un tratament pre-uscat; Rezistența scăzută a topirii și sensibilă la forfecare, extrudarea ar trebui să evite viteza ridicată de rotație (recomandată <100rpm) și să utilizeze un șurub de raport de compresie scăzut (1,8-2,2) pentru a reduce căldura de forfecare.

Iii. Indicatori de evaluare a adaptabilității structurii echipamentelor la materiale

(A) Potrivirea parametrilor geometrici cu șuruburi

1. Raport de lungime-diametru (L/D)

   • Prelucrarea PP/PE necesită L/D = 25-30; L/D insuficient va duce la plastizarea insuficientă a polimerilor cristalini, provocând puncte de cristal în produse;
   • Prelucrarea PLA este potrivită pentru L/D = 20-24; Un șurub excesiv de lung va crește timpul de ședere de topire și va agrava degradarea termo-oxidativă.

2. Raportul de compresie

   • PP (raport de compresie 2,5-3,0): raportul de compresie ridicat promovează regularizarea structurii de cristalizare și reduce toleranța la grosimea foii;
   • PS (raport de compresie 1,8-2,2): raportul de compresie scăzut reduce acumularea elastică topită și inhibă umflăturile de extrudare;
   • PLA (raport de compresie 1,8-2,0): Evitați raportul excesiv de compresie care provoacă supraîncălzire locală, combinat cu o structură cu șurub de gradient (adâncimea canelurii cu șuruburi scade liniar de la secțiunea de alimentare la secțiunea omogenizantă).

3. Amestecarea designului elementului

   • Pentru caracteristicile cu vâscozitate scăzută ale PE, pinii de amestecare de tip barieră pot fi setate în secțiunea cu omogenizare a șurubului pentru a îmbunătăți ruperea topiturii și amestecarea distributivă;
   • Prelucrarea PS/PLA necesită structuri de amestecare fără forfecare sau cu forfecare scăzută (cum ar fi elemente de șurub DIS) pentru a preveni fractura de lanț molecular.

(B) Adaptabilitatea matrițelor de modelare și a mașinilor auxiliare

• Proiectare canal de flux de matriță :
  Extruziunea foii PP este potrivită pentru matrițele cu coadă de pește (unghiul de expansiune 30 ° -45 °) pentru a reduce timpul de ședere a topiturii în canalul de flux; PLA necesită matrițe simplificate fără unghiuri moarte (rugozitatea suprafeței RA <0,2μm) pentru a evita lipirea și degradarea topiturii.
• Sistem de răcire și modelare :
  Fișele de PE necesită rulouri de stingere (temperatura 30-50 ° C) pentru a inhiba creșterea excesivă a cristalului; PLA necesită răcire la temperaturi medii (60-80 ° C) pentru a preveni fisurarea stresului intern cauzată de răcirea rapidă.

Iv. Metode de evaluare pentru Parametrul Procesului Optimizarea colaborativă

(A) Strategii de control al temperaturii

1. Principiul partiției de temperatură cu trei zone
   • Secțiunea de alimentare: PP/PE trebuie să mențină temperatura butoiului cu 10-20 ° C mai mică decât punctul de topire (de exemplu, secțiunea de alimentare PP 150 ° C) pentru a preveni lipirea materialelor de perete; Secțiunea de alimentare PLA trebuie să fie furnizată cu aer uscat (punct de rouă <-40 ° C) pentru a evita infiltrarea umidității.
   • Secțiunea de compresie: Temperatura secțiunii de compresie PS trebuie controlată la 200-220 ° C; depășirea 240 ° C va provoca oxidarea și îngălbenirea inelului de benzen; Secțiunea de compresie PLA Limita superioară a temperaturii este de 175 ° C și este necesar un dispozitiv de răcire a aerului forțat.
   • Secțiunea de omogenizare: Temperatura secțiunii de omogenizare a PE trebuie să fie cu 20-30 ° C mai mare decât punctul de topire (de exemplu, secțiunea HDPE omogenizarea 150-160 ° C) pentru a asigura fluiditatea topiturii; Temperatura secțiunii de omogenizare PP este de 180-190 ° C, echilibrând plastizarea și consumul de energie.

(B) Reglarea presiunii și a vitezei de rotație

• Setarea presiunii din spate :
  Presiunea din spate a extrudării PP este de 0,5-1,0MPa pentru a îmbunătăți compactitatea topiturii și a reduce bulele de foi; PLA presiunea din spate ≤0,3MPa pentru a evita creșterea bruscă a vâscozității topitei cauzate de presiune ridicată.
• Viteza de rotație a șurubului :
  PE (densitate mică) poate adopta o viteză de rotație ridicată (150-200rpm) pentru a crește producția; Viteza de rotație a PLA trebuie să fie <80RPM, combinată cu un motor cu tort ridicat cu viteză mică (fluctuație cuplu ≤5%).

© Tensiunea și controlul raportului de întindere

• Raportul de tensiune a foii PP 1,2-1,5, raportul de întindere 2-3, care trebuie să se potrivească cu o mașină sincronă de tensiune de reglare a vitezei;
• Raportul de tensiune a foii PLA ≤1.2 pentru a evita fractura de topire cauzată de viteza de tensiune ridicată, iar temperatura de rulare a tensiunii trebuie menținută la 50-60 ° C pentru a îmbunătăți rezistența la topire.

V. Evaluarea corelației între calitatea produsului și adaptabilitatea procesării

(A) Indicatori cheie de testare a performanței

1. Proprietăți fizice

   • Uniformitatea grosimii: toleranța foiilor PP/PE trebuie să fie ≤ ± 3%, PLA ≤ ± 5% (limitată de rezistența la topire);
   • Proprietăți mecanice: Foaia de tracțiune a foii PS trebuie să fie ≥40MPa, alungirea la pauză ≥2%; Dacă forfecarea este excesivă în timpul extrudării, alungirea la pauză va scădea la sub 1%.

2. Microstructură

   • Cristalinitatea foilor PP trebuie controlată la 55%-65%; Prea mare va duce la creșterea unei fragmente;
   • Gradul de orientare a lanțului molecular al foilor PLA trebuie să fie <15%, care poate fi evaluat prin observarea fenomenelor birefringenței cu un microscop polarizant.

(B) Defecte tipice și corelație de adaptabilitate a echipamentelor

• Fractură de topire (frecventă în PS/PLA) :
  Cauza poate fi o viteză de forfecare prea mare (viteza de forfecare PS> 1000S⁻¹) sau un unghi de intrare prea mare, necesitând reducerea vitezei de rotație și optimizarea unghiului de secțiune de convergență a matriței la 15 ° -20 °.
• Îngălbenirea foilor (comună în PS/PLA) :
  Indică apariția degradării termice, nevoia de a verifica dacă temperatura secțiunii omogenizante depășește limita superioară a PS de 240 ° C sau dacă există o zonă locală de supraîncălzire în butoiul PLA (cum ar fi defecțiunea termocuplării).

VI Evaluarea extinsă a adaptabilității prelucrării durabile

Pentru materialele biobate precum PLA, pe lângă indicatorii tradiționali de procesare, ar trebui să se acorde atenție și:

• Eficiența energetică : Consumul de energie de extrudare PLA este de aproximativ 1,3-1,5 ori mai mare decât PP, necesitând evaluarea potrivirii dintre puterea de încălzire a șurubului și eficiența de răcire (densitatea recomandată de putere de încălzire ≤0,3kW/kg · h);
• Producție curată : Materialele reziduale în echipamente după prelucrarea PLA trebuie curățate cu agenți speciali de curățare (cum ar fi alcoolul izopropilic) pentru a evita contaminarea încrucișată cu alte materiale, evaluând comoditatea de demontare a șurubului (cum ar fi structura flanșei cu eliberare rapidă).

VII. Construirea unui model de evaluare a adaptabilității multidimensionale

Evaluarea adaptabilității extruderului cu un singur șurub la PP/PS/PE/PLA trebuie să ia lanțul logic al „Caracteristicilor materiale-Echipare Structura-Proces-Parametri Parametri-Produs Calitatea” Ca miez, formează un sistem de evaluare a buclei închise prin intermediul parametrilor geometrici cu șuruburi personalizate (cum ar fi un raport de compresie ridicat pentru PP, secțiunea de mixare cu forță scăzută (cum Strategie de presiune scăzută pentru PS), combinată cu monitorizarea în timp real a microstructurii produsului și a proprietăților fizice. Pentru materiale noi (cum ar fi PLA), ar trebui să fie încorporați și indicatori de procesare durabilă în cadrul de evaluare, promovând modernizarea echipamentelor de la „adaptare unică materială” la „producția verde de compatibilitate multi-materială”. Înființarea acestui sistem de evaluare nu numai că oferă suport teoretic pentru optimizarea procesului de extrudare a foilor, dar oferă și bază tehnică pentru proiectarea modulară a echipamentelor de extrudare cu un singur șurub.