Der Extrusionsprozess umfasst die Isolierung und Mantelherstellung. Zu den Herstellungsmethoden für Isolierungen gehören Beschichten, Umhüllen, Extrudieren und Kombinationen davon. Derzeit umfasst die Isolierungsproduktion hauptsächlich die Beschichtung (für Wickeldrähte, die nicht mehr der Produktionsgenehmigung unterliegen) und die Extrusion (für Drähte und Kabel).
I. Kunststoffextrusionsprozess
1. Kontinuierliche Extrusionsmethode
Bei der Extrusionsanlage handelt es sich im Allgemeinen um einen Einschneckenextruder. Vor der Extrusion muss der Kunststoff auf Feuchtigkeit und Verunreinigungen überprüft werden. Anschließend wird die Schnecke vorgewärmt, bevor sie in den Trichter gegeben wird. Während der Extrusion gelangt der Kunststoff im Trichter durch die Schwerkraft oder die Förderschnecke in den Zylinder. Unter dem Schub der rotierenden Schnecke wird es kontinuierlich vorwärtsgetrieben und bewegt sich allmählich vom Vorwärmabschnitt zum Homogenisierungsabschnitt.
Gleichzeitig wird der Kunststoff durch die Schnecke bewegt und extrudiert, und unter der äußeren Hitze des Zylinders und der Scherreibung zwischen dem Kunststoff und der Ausrüstung geht er in einen viskosen Fließzustand über und bildet einen kontinuierlichen und gleichmäßigen Fluss im Schneckenkanal. Unter der angegebenen Temperatur wandelt sich Kunststoff von einem festen Zustand in eine geschmolzene, formbare Substanz um. Angetrieben oder gerührt durch eine Schnecke wird der fertig plastifizierte Kunststoff in den Düsenkopf gedrückt. Der den Düsenkopf erreichende Materialfluss strömt durch den Ringspalt zwischen Düsenkern und Düsenhülse und wird aus der Öffnung der Düsenhülse extrudiert, wobei er den Leiter oder Drahtkern umhüllt und eine durchgehende, dichte Isolationsschicht oder -hülle bildet. Nach dem Abkühlen und Erstarren entsteht daraus ein Draht- und Kabelprodukt.
II. Drei Stufen des Extrusionsprozesses
Die wichtigste Grundlage für die Kunststoffextrusion ist die Plastizität des Kunststoffs. Der Plastifizierungsprozess in einem Extruder ist ein komplexer physikalischer Prozess, der Mischen, Zerkleinern, Schmelzen, Plastifizieren, Entgasen, Verdichten und endgültige Formgebung umfasst. Dieser kontinuierliche Extrusionsprozess wird aufgrund der unterschiedlichen Reaktionen des Kunststoffs häufig künstlich in verschiedene Stufen unterteilt:
1. Plastifizierungsstufe (Mischen, Schmelzen und Homogenisieren von Kunststoff)
Dies erfolgt im Extruderzylinder. Durch die Drehung der Schnecke verwandelt sich der Kunststoff von einem körnigen Feststoff in eine plastische, viskose Flüssigkeit. Der Kunststoff erhält während der Plastifizierungsphase Wärme aus zwei Quellen: externe elektrische Erwärmung des Zylinders und Reibungswärme, die durch die Schneckenrotation erzeugt wird.
2. Formstufe (Extrusionsformen von Kunststoffen)
Dieser Schritt findet im Düsenkopf statt. Durch die Rotation und den Druck der Schnecke wird die viskose Flüssigkeit zum Düsenkopf gedrückt. Durch die Form im Düsenkopf wird die viskose Flüssigkeit zu extrudierten Materialien verschiedener Größen und Formen geformt, die den Drahtkern oder Leiter bedecken.
3. Formgebungsphase (Abkühlung und Aushärtung der Kunststoffschicht)
Dieser Schritt findet in einem Kühlwassertank oder Kühlrohren statt. Nach dem Abkühlen geht die extrudierte Kunststoffschicht von einem amorphen Kunststoffzustand in einen geformten festen Zustand über.
III. Änderungen im plastischen Fluss während der Plastifizierungsphase
Während der Plastifizierungsphase erfährt der Kunststoff, wenn er sich entlang der Schneckenachse in Richtung des Düsenkopfes bewegt, Veränderungen in der Temperatur, im Druck, in der Viskosität und sogar in der chemischen Struktur. Diese Änderungen unterscheiden sich in verschiedenen Abschnitten der Schraube. Basierend auf den physikalischen Zustandsänderungen während des plastischen Fließens wird die Plastifizierungsphase künstlich in die folgenden drei Phasen unterteilt.
1. Im Fütterungsbereich:
Erstens sorgt es für eine Erweichungstemperatur für den körnigen festen Kunststoff. Zweitens wirkt die zwischen der rotierenden Schnecke und dem stationären Zylinder erzeugte Scherspannung auf das Kunststoffgranulat und zersetzt den erweichten Kunststoff. Am wichtigsten ist, dass die Schneckenrotation eine ausreichend große, kontinuierliche und stabile Schub- und Rückreibungskraft erzeugt, um einen kontinuierlichen und stabilen Extrusionsdruck zu erzeugen. Dadurch wird eine Bewegung und Homogenisierung des gebrochenen Kunststoffs erreicht und ein erster Wärmeaustausch eingeleitet, wodurch die Grundlage für eine kontinuierliche und stabile Extrusion gelegt wird. Der in dieser Phase erzeugte Schub wirkt sich direkt auf die Qualität und Leistung der Extrusion aus.
2. Im Schmelzbereich:
In diesem Abschnitt trifft der Kunststoff auf eine höhere Temperatur, die die Wärmequelle darstellt. Neben der punktuellen Erwärmung außerhalb des Zylinders spielt auch die Reibungswärme aus der Schneckenrotation eine Rolle. Der Schub vom Zuführabschnitt und die Reaktionskraft vom Homogenisierungsabschnitt bewirken, dass der Kunststoff während seiner Vorwärtsbewegung zurückfließt. Dieser Rückfluss homogenisiert nicht nur das Material weiter, sondern erhöht auch den Wärmeaustausch des Kunststoffs, wodurch ein thermisches Oberflächengleichgewicht erreicht wird. Da die Betriebstemperatur in diesem Stadium die rheologische Temperatur des Kunststoffs übersteigt und die Betriebszeit relativ lang ist, erfährt der Kunststoff einen Phasenübergang. Das Material, das mit dem erhitzten Zylinder in Kontakt kommt, beginnt zu schmelzen und bildet einen Polymerschmelzfilm auf der Innenfläche des Zylinders. Wenn die Dicke des Schmelzfilms den Spalt zwischen der Schneckenspitze und dem Zylinder überschreitet, wird er von der rotierenden Schnecke abgestreift und sammelt sich vor der vorlaufenden Schnecke an, wodurch ein Schmelzbad entsteht.
Aufgrund der Relativbewegung zwischen Zylinder und Schneckenfuß erzeugt das Schmelzbad einen zirkulierenden Materialfluss. Hinter der Schraubenspitze befindet sich ein festes Bett (Vollkunststoff). Während sich das Material entlang des Schneckenkanals vorwärts bewegt, nimmt die Tiefe des Schneckenkanals im Schmelzabschnitt zum Homogenisierungsabschnitt hin allmählich ab. Das Feststoffbett wird kontinuierlich in Richtung der Innenwand des Zylinders gedrückt, wodurch der Wärmeübertragungsprozess vom Zylinder zum Feststoffbett beschleunigt wird. Gleichzeitig übt die Drehung der Schnecke eine Scherwirkung auf den Schmelzefilm an der Innenwand des Zylinders aus, wodurch das Material an der Grenzfläche zwischen Schmelzefilm und Feststoffbett schmilzt. Die Breite des Feststoffbetts nimmt allmählich ab, bis es vollständig verschwindet, dh es geht von einem festen Zustand in einen viskosen Fließzustand über. In diesem Stadium verändert sich die molekulare Struktur des Kunststoffs grundlegend. Die intermolekulare Spannung wird extrem entspannt. Wenn es sich um ein kristallines Polymer handelt, beginnen die kristallinen Bereiche abzunehmen und die amorphen Bereiche zuzunehmen. Mit Ausnahme der sehr großen Moleküle hat die Masse die Plastifizierung, die sogenannte „vorläufige Plastifizierung“, abgeschlossen. Darüber hinaus wird unter Druck das im Feststoff enthaltene Gas ausgetrieben und so eine Vorverdichtung erreicht.
3. Im Homogenisierungsabschnitt:
Dieser Abschnitt weist die geringste Gewindetiefe auf, d. h. das Schraubenkanalvolumen ist am kleinsten. Daher ist dies der Abschnitt, in dem der Druck zwischen der Schnecke und dem Zylinder am höchsten ist. Darüber hinaus bilden der Schub der Schnecke und die Reaktionskräfte der Siebplatte usw. die direkte Kontaktzone zwischen dem Kunststoff und dem Zylinder. In diesem Abschnitt herrscht auch die höchste Extrusionstemperatur, sodass in diesem Stadium die radialen und axialen Drücke auf den Kunststoff am größten sind. Dieser hohe Druck reicht aus, um das gesamte im Kunststoff enthaltene Gas auszutreiben und die Schmelze zu verdichten, wodurch sie dicht wird. Aus diesem Grund wird dieser Abschnitt als „Druckhomogenisierungsabschnitt“ bezeichnet.
IV. Fließzustand von Kunststoffen während der Extrusion
Während der Extrusion wird der Kunststoff durch die Drehung der Schnecke nach vorne gedrückt, während der Zylinder stationär bleibt. Dadurch entsteht eine Relativbewegung zwischen Schnecke und Zylinder, wodurch Reibung entsteht, die den Kunststoff nach vorne zieht. Darüber hinaus erzeugt der Widerstand der Düse, des perforierten Siebs und des Filters im Düsenkopf eine Reaktionskraft auf den Kunststoff, wenn dieser sich vorwärts bewegt, was den Kunststofffluss innerhalb der Schnecke und des Zylinders weiter erschwert. Der Fließzustand von Kunststoff besteht im Allgemeinen aus den folgenden vier Fließmustern:
1. Vorwärtsfluss: Dies bezieht sich auf den Kunststofffluss entlang der Schraubennut zum Düsenkopf. Sie wird durch die Schubkraft der rotierenden Schnecke erzeugt und ist das wichtigste der vier Strömungsmuster. Die Größe des Vorwärtsflusses bestimmt direkt das Extrusionsvolumen.
2. Rückwärtsströmung (Gegenströmung): Seine Richtung ist der Vorwärtsströmung genau entgegengesetzt. Sie wird durch den Druck (Reaktionskraft der Vorwärtsbewegung des Kunststoffs) verursacht, der im Düsenkopfbereich aufgrund des Widerstands von Düse, Sieb und Filter im Düsenkopf erzeugt wird. 3. **Rückfluss unter Druck:** Dies ist der Kunststofffluss entlang der Achse, senkrecht zu den Schraubennuten. Es wird auch durch die Schubwirkung der rotierenden Schraube gebildet. Sein Fluss wird durch den Widerstand der Seitenwände der Schraubennut behindert. Durch den gegenseitigen Widerstand der Gewinde auf beiden Seiten und die rotierende Schnecke, die den Kunststoff in den Rillen taumeln lässt, entsteht eine kreisförmige Strömung. Daher handelt es sich bei der Querströmung im Wesentlichen um eine Kreisströmung.
Der zirkulierende Fluss ist untrennbar mit dem Mischen und Plastifizieren von Kunststoff in einen geschmolzenen Zustand innerhalb des Zylinders verbunden. Die zirkulierende Strömung rührt und vermischt das Material im Zylinder und erleichtert den Wärmeaustausch zwischen Zylinder und Material, was für die Verbesserung der Extrusionsqualität wichtig ist, aber nur geringe Auswirkungen auf die Extrusionsdurchflussrate hat.
4. Leckstrom: Dies wird auch durch den Widerstand der Düse, des Siebs und des Filters im Düsenkopf verursacht. Dabei handelt es sich jedoch nicht um die Strömung innerhalb der Schneckennuten, sondern um eine Rückströmung, die sich im Spalt zwischen Schnecke und Zylinder bildet. Es kann auch zu einem Verlust der Produktionskapazität kommen. Da der Spalt zwischen der Schnecke und dem Zylinder normalerweise sehr klein ist, ist die Leckageströmungsrate viel geringer als die der Vorwärts- und Rückwärtsströmung unter normalen Bedingungen.
Während der Extrusion wirken sich Leckagen auf das Extrusionsvolumen aus; Eine erhöhte Leckage führt zu einer Verringerung des Extrusionsvolumens. Die vier Fließzustände von Kunststoff treten nicht isoliert auf. Für ein gegebenes Kunststoffteilchen gibt es weder einen echten Rückfluss noch einen geschlossenen Kreislauf. Der tatsächliche Fluss des geschmolzenen Kunststoffs in der Schneckennut ist eine Kombination der oben genannten vier Flusszustände und fließt in einer spiralförmigen Flugbahn vorwärts.
5. Extrusionsqualität
Die Extrusionsqualität bezieht sich hauptsächlich darauf, ob der Kunststoff gut plastifiziert ist und ob die geometrischen Abmessungen gleichmäßig sind, dh ob die radiale Dicke konsistent ist und der axiale Außendurchmesser gleichmäßig ist. Zu den Faktoren, die die Plastifizierung bestimmen, zählen neben dem Kunststoff selbst vor allem die Temperatur, die Scherdehnungsgeschwindigkeit und die Einwirkzeit. Zu hohe Extrusionstemperaturen verursachen nicht nur Schwankungen im Extrusionsdruck, sondern führen auch zur Kunststoffzersetzung und können sogar zu Anlagenunfällen führen. Während die Reduzierung der Schneckennuttiefe und die Vergrößerung des Schneckenlängen-Durchmesser-Verhältnisses für den Wärmeaustausch und die Verlängerung der Aufheizzeit von Vorteil sind und somit die Anforderung einer gleichmäßigen Plastifizierung erfüllen, wirkt sich dies auf das Extrusionsvolumen aus und führt zu Schwierigkeiten bei der Schneckenherstellung und -montage.
Ein entscheidender Faktor für die Sicherstellung einer gleichmäßigen Plastifizierung ist daher die Erhöhung der Scherdehnungsrate, die durch die Schneckenrotation am Kunststoff erzeugt wird. Dadurch wird eine gleichmäßige mechanische Durchmischung und ein ausgewogener Wärmeaustausch während der Extrusion erreicht und somit eine gleichmäßige Plastifizierung gewährleistet. Die Größe dieser Dehnungsrate wird durch die Scherdehnungskraft zwischen der Schnecke und dem Zylinder bestimmt. Unter Beibehaltung des erforderlichen Extrusionsvolumens kann daher die Tiefe der Schneckennut durch Erhöhung der Schneckengeschwindigkeit erhöht werden.
Darüber hinaus beeinflusst auch der Abstand zwischen Schnecke und Zylinder die Extrusionsqualität. Ein zu großer Abstand erhöht den Rückfluss und die Leckage des Kunststoffs, was zu Schwankungen im Extrusionsdruck führt und sich auf das Extrusionsvolumen auswirkt. Darüber hinaus kann dieser erhöhte Rückfluss zu einer Überhitzung des Kunststoffs führen, was zu Anbrennen oder Schwierigkeiten beim Formen führt.