Баловство под запись — это Эксперимент

Эксперимент без записи — это Баловство.

А. Поливода

Температурные режимы при переработки гранул ПВХ на CaZn

Разработали и изготовили рецептуру для переработки банковских карточек (БК). БК сложное для повторной переработки изделие из трех слоев пластифицированного ПВХ, не пластифицированного ПВХ и слоя ламината. Европа делает такие карточки на CaZn стабилизаторе, Америка на Оловоорганическом стабилизаторе (ООС). Поэтому и гранулу для переработки БК мы сделали — несколько партий на ООС и одну на CaZn. Одновременно с этим и на сайт пришло несколько вопросов о режимах переработки ПВХ на CaZn стабилизаторе.

Из трех основных стабилизирующих систем для ПВХ Свинцовые, ООС и CaZn, последний самый слабый стабилизатор в обычных режимах переработки на одношнековом экструдере. Проблема заключается в том, что основа стабилизатора CaSt способствует быстрому плавлению композиции, а одношнековый экструдер – это по своей сути винтовой насос который, перекачивая вязкий расплав, сильно его перегревает.

Что бы объяснить, как правильно подобрать температурные режимы для переработки гранул ПВХ на CaZn стабилизаторе – объясню принципы, на которых строятся температурные профили по зонам экструдера.

Экструдер состоит из двух элементов:

Экструдера – неэффективного винтового насоса, который может перерабатывать полимеры, благодаря своей неэффективности – переводя приложенную к композиции энергию в тепловую, посредством двух процессов: сдвиговых деформаций на стенках цилиндра и сопротивления течению вязкой среды. Преобразование энергии и позволяет перевести аморфный полимер ПВХ в вязкотекучее состояние расплава.

Такое преобразование возможно благодаря свойству всех пластиков при определенных температурах прилипать к металлическим поверхностям. Виток шнека соскребает прилипший материал со стенки растягивая и деформируя его, передавая таким образом энергию полимеру. Разогретый полимер переходит из стеклообразного состояния в вязкотекучие состояние расплава. Вязкотекучие расплавы при перекачивании разогреваются за счет сил внутреннего трения, уменьшая при этом вязкость расплава.

Инструмента – части системы, в которой происходит формирование расплава в геометрию изделия. В инструменте нет преобразования энергии. В него поступает горячий, пульсирующий и вращающийся расплав под давлением от 10 до 40 Атм.. На выходе из инструмента давление равно 1 Атм.. Стремясь выровнять давление, расплав продвигается к выходу.

При каких температурах ПВХ композиция прилипает к металлу.

До 90°С (температура стеклования) ПВХ скользит по металлической поверхности, после этой температуры прилипание начинает возрастать по силе адгезии, вплоть до температур, когда вязкость расплава понизится и смазки с меньшей плотностью будут вытеснены на поверхность, где создадут эффект гидродинамического скольжения. Таким образом до 90 °С прилипания нет, с 90°С до 180°С растет, с 180°С до 230°С падает. Эти свойства и определяют температурные режимы, которыми мы регулируем процесс пластикации и формирования изделия. Но следует помнить, что температуры, которые мы видим как показания датчиков температуры, — это температуры цилиндра, а не расплава.

Для каких экструдеров применима данная методика подбора профиля температур.

Эта статья определяет режимы и процессы для одношнековых экструдеров. Режимы для других типов экструдеров похожи, но имеют некоторые принципиальные отличия и без адаптации такие режимы не могут быть использованы. Под одношнековым экструдером понимаем систему экструдер – инструмент с правильными режимами эксплуатации: охлаждение стакана загрузки, проверенные по температурным параметрам термопары и с возможностью управлять температурными режимами и вращение вала. При этом производительность экструдера по жесткому ПВХ в кг./час не превышает объем производимой продукции более чем в 5 раз. Если превышает можно попробовать поставить дозатор для того, что бы выровнять подачу материала на входе с выходом материала из инструмента.

Температура инструмента.

Для высоковязких систем, каким является непластифицированная наполненная ПВХ композиция, температура на инструменте должна быть максимально допустимо высокой для всех типов стабилизаторов. Температурой на инструменте мы регулируем сопротивление, которое необходимо преодолеть расплаву, что бы пройти меньшее, по отношению к адаптеру, сечение инструмента. Диапазон температур, которые устанавливаются на инструменте, для жесткого ПВХ является диапазон от 160°С до 210°С. Высокие температуры увеличивают глянец на поверхности, низкие температуры дают матовость, но могут привести к срыву потока – эффекту акульей кожи.

Экструдер: рассматриваем три зоны экструдера Зона питания, Зона плавления, Зона дозирования.

1 зона.

Задача первой зоны – подготовить материал к плавлению на второй зоне, т.е. подогреть гранулу до температуры точки стеклования 83°С – 95°С. Необходимая температура должна успеть подогреть гранулу и помочь выйти воздуху, который при такой температуре, увеличивается в объеме. В зимний период, при высокой скорости экструзии и в режиме запуска оборудования, температуру необходимо скорректировать в сторону увеличения. Предельная температура первой зоны считается 140°С.

Если нужно переместить начало плавления материала в конец первой зоны – поднимаем температуру первой зоны, вплоть до 140°С. Выше не рекомендуется, так как гранула может слипнуться в пробку и такой не расплавленной пробкой двигаться вплоть до инструмента, где закупоривает инструмент.

Если нужно переместить начало плавления в конец второй зоны и гранула полужесткая – опускаем температуру первой зоны вплоть до 50°С. Более низкие температуры могут привести к перегрузке привода.

2 зона.

Задача второй зоны – перевести материал из стеклообразного состояния в вязкотекучие состояние расплава. В идеальном случае к концу второй зоны весь материал должен быть расплавлен. Следует помнить, что у каждой марки ПВХ, в зависимости от константы Фикентчера, свое время плавления. Для нашей гранулы это примерно 210 секунд, и если к концу второй зоны материал будет расплавлен, то до выхода из инструмента он успеет прославиться весь.

Классической считается температура на 50 °С выше точки стеклования – 135°С – 145°С..

Понижение температуры ни чего не даст температурная деформация материала на стенках цилиндра возьмет свое, а нагрузка на привод возрастет.

Повышение температуры может привести к проскальзываю материала из за гидродинамического эффекта.

3 зона.

Задача третьей зоны – создать давление материала в инструменте и предотвратить адиабатическое охлаждение из за перепада давлений. То есть, если бы мы могли взять жгут расплава и выдернуть его из инструмента с растяжением – расплав внутри экструдера моментально охладился бы из-за падения давления. Создавая давление в инструменте, в самом экструдере, возникает противоток расплава – расплав старается перетечь назад по виткам. И это вязкое течение – противотечение, за счет внутреннего трения разогревает расплав больше, чем нам необходимо. Именно поэтому так важна высокая температура на инструменте.

Максимальной считается температура на 100°С выше точки стеклования – 185°С.

Низкие температуры при изношенном шнеке создают на стенках теплоизоляционный слой ПВХ который мешает передачи тепла для охлаждения расплава.

Высокие температуры улучшают теплообмен, особенно при изношенных шнеках.

Выводы: На нашем одношнековом экструдере с изделием – электротехническая труба с разной толщиной стенки 1,4мм. и 0,5мм. и неправильно организованном дорнодержателе – сложный вариант необходимый  для экспериментов, лучший результат был получен на следующих температурных профилях:

70°С – 110°С – 140°С – 205°С. Частота вращения шнека 40 об/мин, производительность 14 кг/час. Температура гранулы 14°С. Нагрузка 45%.

При увеличении числа оборотов шнека через 30 – 40 минут накапливалось избыточное тепло, которое начинало проявляться в виде потери блеска внутри трубы.

На этих режимах перерабатывалась и гранула и смесь гранулы с БК в соотношениях 75/25 и 50/50.

Если бы перерабатывал эту композицию на изношенном шнеке или нагрузка была 90%,  поставил бы профиль:

70°С – 110°С – 160°С – 205°С. Частота вращения шнека 30 об/мин.

Данные температурные режимы показывают две особенности CaZn стабилизатора — избыток внутренней смазки (саморазогрев и как следствие необходимость низкой температуры второй зоны) и низкая статическая термостабильность  (низкая температура третьей зоны).

Но эти температурные режимы относятся исключительно к конкретной рецептуре и конкретному экструдеру. Задача статьи дать общее представление о принципах подбора режимов переработки гранула на одношнековых машинах.