Le processus d'extrusion comprend la production d'isolants et de gaines. Les méthodes de production d'isolants comprennent le revêtement, l'emballage, l'extrusion et des combinaisons de ceux-ci. Actuellement, la production d'isolants implique principalement le revêtement (pour les fils de bobinage, qui ne sont plus soumis aux réglementations en matière d'autorisation de production) et l'extrusion (pour les fils et câbles).
I. Processus d'extrusion de plastique
1. Méthode d'extrusion continue
L'équipement d'extrusion est généralement une extrudeuse monovis. Avant l'extrusion, le plastique doit être vérifié pour l'humidité et les impuretés. La vis est ensuite préchauffée avant d'être ajoutée à la trémie. Lors de l'extrusion, le plastique présent dans la trémie pénètre dans le fût par gravité ou par la vis d'alimentation. Sous la poussée de la vis rotative, elle est continuellement propulsée vers l'avant, passant progressivement de la section de préchauffage à la section d'homogénéisation.
Simultanément, le plastique est agité et extrudé par la vis, et sous la chaleur externe du baril et le frottement de cisaillement entre le plastique et l'équipement, il se transforme en un état d'écoulement visqueux, formant un écoulement continu et uniforme dans le canal de la vis. Sous la température spécifiée, le plastique passe de l’état solide à une substance fondue et malléable. Entraîné ou agité par une vis, le plastique entièrement plastifié est poussé dans la tête de filière. Le flux de matériau atteignant la tête de filière passe à travers l'espace annulaire entre le noyau de filière et le manchon de filière, et est extrudé depuis l'ouverture du manchon de filière, enveloppant le conducteur ou le noyau de fil pour former une couche ou une gaine isolante continue et dense. Après refroidissement et solidification, il devient un produit de fils et câbles.
II. Trois étapes du processus d'extrusion
La base la plus importante pour l’extrusion du plastique est la plasticité du plastique. Le processus de plastification dans une extrudeuse est un processus physique complexe comprenant le mélange, le broyage, la fusion, la plastification, le dégazage, le compactage et la mise en forme finale. Ce processus d’extrusion continue est souvent artificiellement divisé en différentes étapes en fonction des différentes réactions du plastique :
1. Étape de plastification (mélange, fusion et homogénéisation du plastique)
Ceci est complété à l’intérieur du corps de l’extrudeuse. Grâce à la rotation de la vis, le plastique se transforme d'un solide granulaire en un fluide plastique visqueux. Le plastique reçoit de la chaleur pendant l'étape de plastification à partir de deux sources : le chauffage électrique externe du fût et la chaleur de friction générée par la rotation de la vis.
2. Étape de moulage (moulage par extrusion de plastiques)
Cette étape se déroule à l’intérieur de la tête de filière. En raison de la rotation de la vis et de la pression, le fluide visqueux est poussé vers la tête de filière. Grâce au moule situé à l'intérieur de la tête de filière, le fluide visqueux est transformé en matériaux extrudés de différentes tailles et formes, recouvrant l'âme du fil ou le conducteur.
3. Étape de mise en forme (refroidissement et durcissement de la couche plastique)
Cette étape se déroule dans un réservoir d'eau de refroidissement ou dans des conduites de refroidissement. Après refroidissement, la couche de plastique extrudée passe d'un état plastique amorphe à un état solide façonné.
III. Modifications du flux de plastique pendant la phase de plastification
Au cours de l'étape de plastification, à mesure que le plastique se déplace le long de l'axe de la vis vers la tête de filière, il subit des changements de température, de pression, de viscosité et même de structure chimique. Ces changements diffèrent selon les différentes sections de la vis. Sur la base des changements d’état physique au cours de l’écoulement du plastique, l’étape de plastification est artificiellement divisée en trois étapes suivantes.
1. Dans la section alimentation :
Premièrement, il fournit une température de ramollissement au plastique solide granulaire. Deuxièmement, la contrainte de cisaillement générée entre la vis rotative et le fût fixe agit sur les granulés de plastique, décomposant le plastique ramolli. Plus important encore, la rotation de la vis génère une force de poussée et de friction inverse suffisamment importante, continue et stable pour former une pression d'extrusion continue et stable. Cela permet d'agiter et d'homogénéiser le plastique cassé et d'initier un échange thermique initial, jetant ainsi les bases d'une extrusion continue et stable. La poussée générée à cette étape affecte directement la qualité et le rendement de l’extrusion.
2. Dans la section fusion :
Dans cette section, le plastique rencontre une température plus élevée, qui constitue la source de chaleur. En plus du chauffage ponctuel à l'extérieur du canon, la chaleur de friction provenant de la rotation de la vis joue également un rôle. La poussée de la section d'alimentation et la force de réaction de la section d'homogénéisation provoquent le reflux du plastique lors de son mouvement vers l'avant. Ce reflux homogénéise non seulement davantage le matériau, mais augmente également l'échange thermique du plastique, atteignant ainsi l'équilibre thermique de surface. Étant donné que la température de fonctionnement à ce stade dépasse la température rhéologique du plastique et que la durée de fonctionnement est relativement longue, le plastique subit une transition de phase. Le matériau en contact avec le fût chauffé commence à fondre, formant un film polymère fondu sur la surface intérieure du fût. Lorsque l'épaisseur du film fondu dépasse l'espace entre la pointe de la vis et le canon, il est gratté par la vis rotative et s'accumule devant la vis qui avance, formant un bassin fondu.
Du fait du mouvement relatif entre le fût et le pied de la vis, le bain de fusion génère un flux de matière circulant. Derrière la pointe de la vis se trouve un lit solide (plastique solide). À mesure que le matériau avance le long du canal à vis, la profondeur du canal à vis dans la section de fusion diminue progressivement vers la section d'homogénéisation. Le lit solide est continuellement pressé vers la paroi interne du fût, accélérant ainsi le processus de transfert de chaleur du fût au lit solide. Simultanément, la rotation de la vis exerce un effet de cisaillement sur le film fondu sur la paroi interne du cylindre, provoquant la fusion du matériau situé à l'interface entre le film fondu et le lit solide. La largeur du lit solide diminue progressivement jusqu'à disparaître complètement, c'est-à-dire qu'il passe d'un état solide à un état d'écoulement visqueux. A ce stade, la structure moléculaire du plastique subit un changement fondamental. La tension intermoléculaire est extrêmement relâchée. S'il s'agit d'un polymère cristallin, les régions cristallines commencent à diminuer et les régions amorphes augmentent. À l'exception des très grosses molécules, la majeure partie a été plastifiée, ce qu'on appelle la « plastification préliminaire ». De plus, sous pression, le gaz contenu dans le matériau solide est expulsé, réalisant ainsi un compactage préliminaire.
3. Dans la section homogénéisation :
Cette section a la profondeur de filetage la plus faible, ce qui signifie que le volume du canal de vis est le plus petit. C’est donc la section où la pression entre la vis et le canon est la plus élevée. De plus, la poussée de la vis et les forces de réaction de la plaque de tamis, etc., constituent la zone de contact direct entre le plastique et le cylindre. Cette section présente également la température d'extrusion la plus élevée, de sorte que les pressions radiales et axiales sur le plastique sont les plus importantes à ce stade. Cette haute pression est suffisante pour expulser tout le gaz contenu dans le plastique et compacter la masse fondue, la rendant dense. C'est pourquoi cette section est appelée « section d'homogénéisation de pression ».
IV. État d'écoulement des plastiques pendant l'extrusion
Lors de l'extrusion, la rotation de la vis pousse le plastique vers l'avant, tandis que le fût reste immobile. Cela crée un mouvement relatif entre la vis et le canon, générant une friction qui entraîne le plastique vers l'avant. De plus, la résistance de la filière, du tamis perforé et du filtre dans la tête de filière crée une force de réaction sur le plastique à mesure qu'il avance, compliquant encore davantage l'écoulement du plastique dans la vis et le cylindre. L’état d’écoulement du plastique est généralement considéré comme composé des quatre modèles d’écoulement suivants :
1. Flux vers l'avant : Il s'agit du flux de plastique le long de la rainure de la vis vers la tête de filière. Il est généré par la force de poussée de la vis rotative et constitue le plus important des quatre modèles d'écoulement. L'ampleur du flux vers l'avant détermine directement le volume d'extrusion.
2. Flux vers l’arrière (contre-flux) : Sa direction est exactement opposée au flux vers l’avant. Elle est causée par la pression (force de réaction du mouvement vers l'avant du plastique) générée dans la zone de la tête de filière en raison de la résistance de la filière, du tamis et du filtre dans la tête de filière. 3. **Refoulement sous pression :** Il s'agit de l'écoulement du plastique le long de l'axe, perpendiculairement aux rainures des vis. Il est également formé par l’action de poussée de la vis rotative. Son écoulement est gêné par la résistance des parois latérales des rainures de vis. En raison de la résistance mutuelle des filetages des deux côtés et de la vis rotative faisant basculer le plastique dans les rainures, un écoulement circulaire se forme. Par conséquent, le flux transversal est essentiellement un flux circulaire.
Le flux de circulation est indissociable du mélange et de la plastification du plastique jusqu'à l'état fondu dans le fût. Le flux de circulation remue et mélange le matériau dans le fût et facilite l'échange thermique entre le fût et le matériau, ce qui est important pour améliorer la qualité de l'extrusion, mais a peu d'effet sur le débit d'extrusion.
4. Débit de fuite : ceci est également dû à la résistance de la matrice, du tamis et du filtre dans la tête de filière. Cependant, il ne s’agit pas d’un écoulement dans les rainures de la vis, mais plutôt d’un reflux formé dans l’espace entre la vis et le cylindre. Cela peut également entraîner une perte de capacité de production. Étant donné que l'écart entre la vis et le baril est généralement très petit, le débit de fuite est beaucoup plus faible que celui des flux aller et retour dans des conditions normales.
Pendant l'extrusion, les fuites affecteront le volume d'extrusion ; une fuite accrue diminuera le volume d’extrusion. Les quatre états d’écoulement du plastique n’apparaissent pas isolément. Pour une particule de plastique donnée, il n’y a ni véritable flux inverse ni circulation fermée. L’écoulement réel du plastique fondu dans la rainure de vis est une combinaison des quatre états d’écoulement ci-dessus, s’écoulant vers l’avant selon une trajectoire hélicoïdale.
5. Qualité d'extrusion
La qualité de l'extrusion fait principalement référence à la bonne plastification du plastique et à l'uniformité des dimensions géométriques, c'est-à-dire à l'uniformité de l'épaisseur radiale et à l'uniformité du diamètre extérieur axial. Les facteurs déterminant la plastification, outre le plastique lui-même, comprennent principalement la température, la vitesse de déformation par cisaillement et le temps d'application. Des températures d'extrusion excessivement élevées provoquent non seulement des fluctuations de la pression d'extrusion, mais conduisent également à la décomposition du plastique et peuvent même provoquer des accidents d'équipement. Bien que la réduction de la profondeur de la rainure de la vis et l'augmentation du rapport longueur/diamètre de la vis soient bénéfiques pour l'échange thermique et l'allongement du temps de chauffage, répondant ainsi à l'exigence d'une plastification uniforme, cela affectera le volume d'extrusion et créera des difficultés dans la fabrication et l'assemblage des vis.
Par conséquent, un facteur crucial pour garantir une plastification uniforme est l’augmentation du taux de déformation en cisaillement généré par la rotation de la vis sur le plastique. Cela permet d'obtenir un mélange mécanique uniforme et un échange thermique équilibré pendant l'extrusion, garantissant ainsi une plastification uniforme. L'ampleur de cette vitesse de déformation est déterminée par la force de déformation de cisaillement entre la vis et le canon. Par conséquent, tout en conservant le volume d'extrusion requis, la profondeur de la rainure de la vis peut être augmentée en augmentant la vitesse de la vis.
De plus, le jeu entre la vis et le fût affecte également la qualité de l'extrusion. Un jeu excessif augmente le reflux et les fuites du plastique, provoquant des fluctuations de la pression d'extrusion et affectant le volume d'extrusion. De plus, ce reflux accru peut conduire à une surchauffe du plastique, entraînant des brûlures ou des difficultés de moulage.