Il processo di estrusione comprende la produzione dell'isolamento e della guaina. I metodi di produzione dell'isolamento comprendono rivestimento, avvolgimento, estrusione e loro combinazioni. Attualmente la produzione di isolanti riguarda principalmente il rivestimento (per i fili di avvolgimento, che non sono più soggetti alle normative sulle licenze di produzione) e l'estrusione (per fili e cavi).
I. Processo di estrusione di plastica
1. Metodo di estrusione continua
L'apparecchiatura di estrusione è generalmente un estrusore monovite. Prima dell'estrusione, la plastica deve essere controllata per verificare la presenza di umidità e impurità. La coclea viene quindi preriscaldata prima di essere aggiunta alla tramoggia. Durante l'estrusione, la plastica nella tramoggia entra nel cilindro per gravità o tramite la coclea di alimentazione. Sotto la spinta della coclea rotante, viene continuamente spinto in avanti, passando gradualmente dalla sezione di preriscaldamento alla sezione di omogeneizzazione.
Contemporaneamente, la plastica viene agitata ed estrusa dalla vite e, sotto il calore esterno del cilindro e l'attrito di taglio tra la plastica e l'attrezzatura, si trasforma in uno stato di flusso viscoso, formando un flusso continuo e uniforme nel canale della vite. Sotto la temperatura specificata, la plastica si trasforma dallo stato solido a una sostanza fusa e malleabile. Spinta o agitata da una vite, la plastica completamente plastificata viene spinta nella testa della filiera. Il flusso di materiale che raggiunge la testa della filiera passa attraverso lo spazio anulare tra il nucleo della filiera e il manicotto della filiera e viene estruso dall'apertura del manicotto della filiera, racchiudendo il conduttore o il nucleo del filo per formare uno strato isolante o guaina continuo e denso. Dopo il raffreddamento e la solidificazione, diventa un prodotto di fili e cavi.
II. Tre fasi del processo di estrusione
La base più importante per l'estrusione della plastica è la plasticità della plastica. Il processo di plastificazione in un estrusore è un processo fisico complesso, che comprende miscelazione, frantumazione, fusione, plastificazione, degasaggio, compattazione e modellatura finale. Questo processo di estrusione continua viene spesso suddiviso artificialmente in diverse fasi in base alle diverse reazioni della plastica:
1. Fase di plastificazione (miscelazione, fusione e omogeneizzazione della plastica)
Questo viene completato all'interno del cilindro dell'estrusore. Attraverso la rotazione della vite, la plastica si trasforma da solido granulare in fluido plastico e viscoso. La plastica riceve calore durante la fase di plastificazione da due fonti: riscaldamento elettrico esterno del cilindro e calore per attrito generato dalla rotazione della vite.
2. Fase di stampaggio (stampaggio per estrusione di materie plastiche)
Questa fase avviene all'interno della testata. A causa della rotazione e della pressione della vite, il fluido viscoso viene spinto verso la testa della filiera. Attraverso lo stampo all'interno della testata, il fluido viscoso viene modellato in materiali estrusi di varie dimensioni e forme, ricoprendo l'anima del filo o conduttore.
3. Fase di modellatura (raffreddamento e polimerizzazione dello strato plastico)
Questa fase ha luogo in un serbatoio dell'acqua di raffreddamento o in tubi di raffreddamento. Dopo il raffreddamento, lo strato plastico estruso passa dallo stato plastico amorfo allo stato solido sagomato.
III. Cambiamenti nel flusso di plastica durante la fase di plastificazione
Durante la fase di plastificazione, mentre la plastica si muove lungo l'asse della vite verso la testa della filiera, subisce cambiamenti di temperatura, pressione, viscosità e persino struttura chimica. Questi cambiamenti differiscono nelle diverse sezioni della vite. In base ai cambiamenti di stato fisico durante il flusso plastico, la fase di plastificazione viene suddivisa artificialmente nelle tre fasi seguenti.
1. Nella sezione di alimentazione:
Innanzitutto, fornisce una temperatura di rammollimento per la plastica solida granulare. In secondo luogo, lo stress di taglio generato tra la vite rotante e il cilindro fisso agisce sui granuli di plastica, rompendo la plastica ammorbidita. Ancora più importante, la rotazione della vite genera una forza di spinta e di attrito inverso sufficientemente grande, continua e stabile per formare una pressione di estrusione continua e stabile. Ciò consente l'agitazione e l'omogeneizzazione della plastica rotta e l'avvio dello scambio termico iniziale, ponendo così le basi per un'estrusione continua e stabile. La spinta generata in questa fase influisce direttamente sulla qualità e sulla resa dell'estrusione.
2. Nella sezione di fusione:
In questa sezione la plastica incontra una temperatura più elevata, che costituisce la fonte di calore. Oltre al riscaldamento dei punti all'esterno della canna, gioca un ruolo importante anche il calore da attrito derivante dalla rotazione della vite. La spinta della sezione di alimentazione e la forza di reazione della sezione di omogeneizzazione provocano il riflusso della plastica durante il suo movimento di avanzamento. Questo riflusso non solo omogeneizza ulteriormente il materiale ma aumenta anche lo scambio termico della plastica, raggiungendo l'equilibrio termico superficiale. Poiché la temperatura operativa in questa fase supera la temperatura reologica della plastica e il tempo operativo è relativamente lungo, la plastica subisce una transizione di fase. Il materiale a contatto con il cilindro riscaldato inizia a sciogliersi, formando una pellicola polimerica fusa sulla superficie interna del cilindro. Quando lo spessore del film fuso supera lo spazio tra la punta della vite e il cilindro, viene raschiato via dalla vite rotante e si accumula davanti alla vite che avanza, formando una pozza fusa.
A causa del movimento relativo tra il cilindro e la radice della vite, il bagno di fusione genera un flusso circolante di materiale. Dietro la punta della vite c'è un letto solido (plastica solida). Man mano che il materiale avanza lungo il canale della coclea, la profondità del canale della coclea nella sezione di fusione diminuisce gradualmente verso la sezione di omogeneizzazione. Il letto solido viene continuamente schiacciato verso la parete interna del cilindro, accelerando il processo di trasferimento del calore dal cilindro al letto solido. Contemporaneamente, la rotazione della vite esercita un effetto di taglio sulla pellicola fusa sulla parete interna del cilindro, provocando la fusione del materiale all'interfaccia tra la pellicola fusa e il letto solido. La larghezza del letto solido diminuisce gradualmente fino a scomparire completamente, passando cioè dallo stato solido allo stato di flusso viscoso. In questa fase, la struttura molecolare della plastica subisce un cambiamento fondamentale. La tensione intermolecolare è estremamente rilassata. Se si tratta di un polimero cristallino, le regioni cristalline iniziano a diminuire e le regioni amorfe aumentano. Fatta eccezione per le molecole molto grandi, la maggior parte ha completato la plastificazione, la cosiddetta "plastificazione preliminare". Inoltre, sotto pressione, il gas contenuto nel materiale solido viene espulso, ottenendo una preliminare compattazione.
3. Nella sezione di omogeneizzazione:
Questa sezione ha la profondità della filettatura della vite più bassa, il che significa che il volume del canale della vite è il più piccolo. Pertanto questa è la sezione dove la pressione tra vite e canna è massima. Inoltre, la spinta della vite e le forze di reazione della piastra dello schermo, ecc., costituiscono la zona di contatto diretto tra la plastica e il cilindro. Questa sezione ha anche la temperatura di estrusione più alta, quindi le pressioni radiali e assiali sulla plastica sono maggiori in questa fase. Questa alta pressione è sufficiente per espellere tutto il gas contenuto nella plastica e compattare la massa fusa, rendendola densa. Questo è il motivo per cui questa sezione è chiamata "sezione di omogeneizzazione della pressione".
IV. Stato del flusso della plastica durante l'estrusione
Durante l'estrusione, la rotazione della vite spinge la plastica in avanti, mentre il cilindro rimane fermo. Ciò crea un movimento relativo tra la vite e il cilindro, generando attrito che trascina la plastica in avanti. Inoltre, la resistenza della filiera, dello schermo perforato e del filtro nella testa della filiera crea una forza di reazione sulla plastica mentre si muove in avanti, complicando ulteriormente il flusso della plastica all'interno della vite e del cilindro. Si ritiene generalmente che lo stato di flusso della plastica sia costituito dai seguenti quattro modelli di flusso:
1. Flusso in avanti: si riferisce al flusso di plastica lungo la scanalatura della vite verso la testa della filiera. È generato dalla forza di spinta della vite rotante ed è il più importante dei quattro schemi di flusso. L'entità del flusso in avanti determina direttamente il volume di estrusione.
2. Flusso all'indietro (controflusso): la sua direzione è esattamente opposta al flusso in avanti. È causato dalla pressione (forza di reazione del movimento in avanti della plastica) generata nell'area della testa filiera a causa della resistenza della filiera, dello schermo e del filtro nella testa filiera. 3. **Riflusso sotto pressione:** questo è il flusso di plastica lungo l'asse, perpendicolare alle scanalature delle viti. Si forma anch'esso grazie all'azione di spinta della vite rotante. Il suo scorrimento è ostacolato dalla resistenza delle pareti laterali della scanalatura della vite. A causa della resistenza reciproca delle filettature su entrambi i lati e della vite rotante che fa rotolare la plastica all'interno delle scanalature, si forma un flusso circolare. Pertanto, il flusso incrociato è essenzialmente un flusso circolare.
Il flusso circolante è inseparabile dalla miscelazione e dalla plastificazione della plastica allo stato fuso all'interno del barile. Il flusso circolante agita e mescola il materiale nel cilindro e facilita lo scambio di calore tra il cilindro e il materiale, che è importante per migliorare la qualità dell'estrusione, ma ha scarso effetto sulla portata di estrusione.
4.Perdita di flusso: è causata anche dalla resistenza della filiera, dello schermo e del filtro nella testa della filiera. Non si tratta però del flusso all'interno delle scanalature della vite, ma piuttosto di un riflusso che si forma nello spazio tra la vite e il cilindro. Può anche causare una perdita di capacità produttiva. Poiché lo spazio tra la vite e il cilindro è solitamente molto piccolo, la portata della perdita è molto inferiore a quella del flusso diretto e inverso in condizioni normali.
Durante l'estrusione, le perdite influenzeranno il volume di estrusione; una maggiore perdita diminuirà il volume di estrusione. I quattro stati di flusso della plastica non appaiono isolati. Per una data particella di plastica non esiste né un vero flusso inverso né una circolazione chiusa. Il flusso effettivo di plastica fusa nella scanalatura della vite è una combinazione dei quattro stati di flusso sopra indicati, che scorre in avanti secondo una traiettoria elicoidale.
5. Qualità dell'estrusione
La qualità dell'estrusione si riferisce principalmente al fatto che la plastica sia ben plastificata e che le dimensioni geometriche siano uniformi, ovvero se lo spessore radiale sia coerente e il diametro esterno assiale sia uniforme. I fattori che determinano la plastificazione, oltre alla plastica stessa, includono principalmente la temperatura, la velocità di deformazione al taglio e il tempo di applicazione. Temperature di estrusione eccessivamente elevate non solo causano fluttuazioni nella pressione di estrusione, ma portano anche alla decomposizione della plastica e possono persino causare incidenti alle apparecchiature. Sebbene la riduzione della profondità della scanalatura della vite e l'aumento del rapporto lunghezza/diametro della vite siano vantaggiosi per lo scambio termico e l'estensione del tempo di riscaldamento, soddisfacendo così i requisiti di plastificazione uniforme, ciò influenzerà il volume di estrusione e creerà difficoltà nella produzione e nell'assemblaggio delle viti.
Pertanto, un fattore cruciale per garantire una plastificazione uniforme è l’aumento della velocità di deformazione di taglio generata dalla rotazione della vite sulla plastica. Ciò consente di ottenere una miscelazione meccanica uniforme e uno scambio termico equilibrato durante l'estrusione, garantendo così una plastificazione uniforme. L'entità di questa velocità di deformazione è determinata dalla forza di deformazione di taglio tra la vite e la canna. Pertanto, pur mantenendo il volume di estrusione richiesto, la profondità della scanalatura della vite può essere aumentata aumentando la velocità della vite.
Inoltre, anche il gioco tra la vite e il cilindro influisce sulla qualità dell'estrusione. Un gioco eccessivo aumenta il riflusso e le perdite della plastica, causando fluttuazioni nella pressione di estrusione e influenzando il volume di estrusione. Inoltre, questo maggiore riflusso può portare al surriscaldamento della plastica, con conseguenti bruciature o difficoltà di stampaggio.