押出成形プロセスには、絶縁体とシースの製造が含まれます。断熱材の製造方法には、コーティング、ラッピング、押出成形、およびそれらの組み合わせが含まれます。現在、絶縁体の製造には主にコーティング (製造ライセンス規制の対象ではなくなった巻線用) と押出成形 (ワイヤーおよびケーブル用) が含まれます。
I. プラスチック押出プロセス
1. 連続押出法
押出装置は一般に単軸押出機です。押出成形の前に、プラスチックに水分や不純物がないか検査する必要があります。次に、スクリューはホッパーに追加される前に予熱されます。押出中、ホッパー内のプラスチックは重力または供給スクリューによってバレルに入ります。回転するスクリューの推力を受けてスクリューは継続的に前進し、予熱部から均質化部へと徐々に移動します。
同時に、プラスチックはスクリューによって撹拌されて押し出され、バレルの外部熱とプラスチックと装置の間のせん断摩擦によって粘性流状態に変化し、スクリュー流路内に連続的かつ均一な流れを形成します。指定された温度下で、プラスチックは固体状態から溶融した可鍛性物質に変化します。スクリューで駆動または撹拌すると、完全に可塑化されたプラスチックがダイヘッドに押し込まれます。ダイヘッドに到達した材料の流れは、ダイコアとダイスリーブの間の環状ギャップを通過し、ダイスリーブの開口部から押し出され、導体またはワイヤコアを包み込んで連続した緻密な絶縁層またはシースを形成します。冷却固化後、ワイヤーおよびケーブル製品となります。
II.押出プロセスの 3 つの段階
プラスチック押出の最も重要な基礎はプラスチックの可塑性です。押出機での可塑化プロセスは、混合、粉砕、溶融、可塑化、脱気、圧縮、最終成形などの複雑な物理プロセスです。この連続押出プロセスは、多くの場合、プラスチックのさまざまな反応に基づいて人為的にさまざまな段階に分割されます。
1. 可塑化段階（プラスチックの混合、溶解、均質化）
これは押出機バレル内で完了します。スクリューの回転により、プラスチックは粒状の固体から粘性のあるプラスチックの流体に変化します。プラスチックは、可塑化段階中に、バレルの外部電気加熱とスクリューの回転によって発生する摩擦熱という 2 つの熱源から熱を受け取ります。
2. 成形段階（プラスチックの押出成形）
この段階はダイヘッド内で行われます。スクリューの回転と圧力により、粘性流体がダイヘッドに向かって押し出されます。粘性流体は、ダイヘッド内の金型を通して、さまざまなサイズと形状の押出材料に成形され、ワイヤコアまたは導体を覆います。
3. 成形段階 (プラスチック層の冷却と硬化)
この段階は冷却水タンクまたは冷却パイプ内で行われます。冷却後、押し出されたプラスチック層は非晶質プラスチック状態から成形された固体状態に変化します。
Ⅲ．可塑化段階におけるプラスチックの流れの変化
可塑化段階では、プラスチックがスクリュー軸に沿ってダイヘッドに向かって移動するにつれて、温度、圧力、粘度、さらには化学構造が変化します。これらの変更は、ネジのセクションごとに異なります。塑性流動中の物理的状態変化に基づいて、可塑化段階を人為的に次の 3 つの段階に分けます。
1. 給餌セクションで:
まず、粒状の固体プラスチックに軟化温度を与えます。第二に、回転スクリューと固定バレルの間に発生するせん断応力がプラスチック顆粒に作用し、軟化したプラスチックを破壊します。最も重要なことは、スクリューの回転により、十分に大きく、連続的で安定した推力と逆摩擦力が生成され、連続的で安定した押出圧力が形成されることです。これにより、破壊されたプラスチックの撹拌と均質化が達成され、初期の熱交換が開始され、連続的で安定した押出の基礎が築かれます。この段階で生成される推力は、押出の品質と生産量に直接影響します。
2. 溶解セクション:
このセクションでは、プラスチックはより高い温度にさらされ、それが熱源となります。バレルの外側の点加熱に加えて、スクリューの回転による摩擦熱も影響します。供給部からの推力と均質化部からの反力により、プラスチックは前進移動中に還流します。この還流により、材料がさらに均質化されるだけでなく、プラスチックの熱交換が増加し、表面熱平衡が達成されます。この段階での動作温度はプラスチックのレオロジー温度を超え、動作時間は比較的長いため、プラスチックは相転移します。加熱されたバレルと接触している材料は溶け始め、バレルの内面にポリマー溶融フィルムが形成されます。溶融膜の厚さがスクリュー先端とバレルの隙間を超えると、回転するスクリューによって掻き取られ、前進するスクリューの前にたまり、溶融池が形成されます。
バレルとスクリューの根元の間の相対運動により、溶融池は材料の循環流を生成します。ネジの先端の後ろにはソリッドベッド（固体プラスチック）があります。材料がスクリュー チャネルに沿って前進するにつれて、溶融セクションのスクリュー チャネルの深さは均質化セクションに向かって徐々に減少します。固体床はバレルの内壁に向かって連続的に圧迫され、バレルから固体床への熱伝達プロセスが加速されます。同時に、スクリューの回転によりバレルの内壁の溶融膜にせん断効果が生じ、溶融膜と固体層の界面にある材料が溶融します。固体床の幅は、完全に消えるまで、つまり固体状態から粘性流動状態に変化するまで徐々に減少します。この段階で、プラスチックの分子構造は根本的に変化します。分子間張力が極めて緩和されます。結晶性ポリマーの場合、結晶領域が減少し始め、非晶質領域が増加します。非常に大きな分子を除いて、バルクは可塑化、いわゆる「予備可塑化」を完了しています。さらに、圧力をかけると固体材料に含まれるガスが排出され、予備圧縮が行われます。
3. 均質化セクション:
このセクションはねじ山の深さが最も浅く、ねじ溝の容積が最も小さくなります。したがって、この部分はスクリューとバレルの間の圧力が最も高くなる部分です。さらに、スクリューからの推力とスクリーンプレートなどからの反力がプラスチックとバレルの間の直接接触領域になります。このセクションは押出温度も最も高いため、プラスチックにかかる半径方向および軸方向の圧力はこの段階で最大になります。この高圧は、プラスチック内に含まれるすべてのガスを排出し、溶融物を圧縮して密度を高めるのに十分です。このセクションが「圧力均質化セクション」と呼ばれる理由です。
IV.プラスチック押出時の流動状態
押出中、バレルは静止したままですが、スクリューの回転によってプラスチックが前方に押し出されます。これにより、スクリューとバレルの間に相対運動が生じ、プラスチックを前方に引きずる摩擦が発生します。さらに、ダイ、穴あきスクリーン、ダイヘッド内のフィルターからの抵抗により、プラスチックが前方に移動する際に反力が生じ、スクリューとバレル内のプラスチックの流れがさらに複雑になります。プラスチックの流動状態は、一般に次の 4 つの流れパターンで構成されると考えられます。
1. 順方向の流れ:これは、ねじ溝に沿ってダイヘッドに向かうプラスチックの流れを指します。回転するスクリューの押す力によって発生し、4つの流れパターンの中で最も重要です。順方向の流れの大きさは、押出量を直接決定します。
2. 逆流（逆流）：その方向は順流と正反対です。ダイヘッド内のダイ、スクリーン、フィルターなどの抵抗により、ダイヘッド付近に発生する圧力（プラスチックが前進する反力）によって発生します。 3. **圧力下での逆流:** これは、ねじ溝に垂直な軸に沿ったプラスチックの流れです。回転するネジの押し込み作用によっても形成されます。その流れは、ネジ溝の側壁の抵抗によって妨げられます。両側のネジ山の相互抵抗とネジの回転により、プラスチックが溝内で転がり、循環流が形成されます。したがって、クロスフローは本質的に循環流となります。
循環流は、バレル内でのプラスチックの混合と溶融状態への可塑化から切り離せません。循環流はバレル内の材料を撹拌、混合し、バレルと材料間の熱交換を促進します。これは押出品質を向上させるために重要ですが、押出流量にはほとんど影響しません。
4.漏れ流れ：これも、ダイ、スクリーン、ダイヘッド内のフィルターの抵抗によって発生します。ただし、これはスクリュー溝内の流れではなく、スクリューとバレルの隙間に生じる逆流です。また、生産能力の損失を引き起こす可能性もあります。スクリューとバレルの間の隙間は通常非常に小さいため、漏れ流量は通常の状態での順方向および逆方向の流れよりもはるかに小さくなります。
押出中に漏れがあると、押出量に影響を与えます。漏れが増加すると、押出量が減少します。プラスチックの 4 つの流動状態は、単独で現れるわけではありません。特定のプラスチック粒子については、真の逆流も閉鎖循環も存在しません。スクリュー溝内の溶融プラスチックの実際の流れは、上記の 4 つの流れ状態が組み合わされて、螺旋軌道を描いて前方に流れます。
5. 押出品質
押出品質は主に、プラスチックが十分に可塑化されているかどうか、および幾何学的寸法が均一であるかどうか、つまり、半径方向の厚さが均一であり、軸方向の外径が均一であるかどうかを指します。可塑化を決定する要因には、プラスチック自体のほかに、主に温度、せん断ひずみ速度、適用時間が含まれます。押出温度が高すぎると押出圧力の変動が生じるだけでなく、プラスチックの分解を引き起こし、設備事故の原因となる場合があります。スクリュー溝の深さを浅くし、スクリューの長さ対直径の比を大きくすることは、熱交換に有利であり、加熱時間を延長することで均一な可塑化の要件を満たすことができますが、押出量に影響を与え、スクリューの製造と組み立てに困難をもたらします。
したがって、均一な可塑化を確保するための重要な要素は、スクリューの回転によってプラスチックに生じるせん断ひずみ速度を増加させることです。これにより、押出中に均一な機械的混合とバランスのとれた熱交換が実現され、均一な可塑化が保証されます。このひずみ速度の大きさは、スクリューとバレルの間のせん断ひずみ力によって決まります。したがって、必要な押出量を維持しつつ、スクリュー速度を上げることでスクリュー溝深さを深くすることができます。
さらに、スクリューとバレルの間のクリアランスも押出品質に影響します。クリアランスが大きすぎると、プラスチックの逆流や漏れが増加し、押出圧力の変動が発生し、押出量に影響を与えます。さらに、この逆流の増加はプラスチックの過熱を引き起こし、焦げや成形の困難を引き起こす可能性があります。