Het extrusieproces omvat de productie van isolatie en omhulsels. Isolatieproductiemethoden omvatten coating, omwikkeling, extrusie en combinaties daarvan. Momenteel omvat de productie van isolatie voornamelijk coating (voor wikkeldraden, waarvoor geen productievergunningsregels meer gelden) en extrusie (voor draden en kabels).
I. Kunststof extrusieproces
1. Continue extrusiemethode
Extrusieapparatuur is over het algemeen een extruder met één schroef. Vóór extrusie moet het plastic worden gecontroleerd op vocht en onzuiverheden. De schroef wordt vervolgens voorverwarmd voordat hij aan de trechter wordt toegevoegd. Tijdens de extrusie komt het plastic in de hopper het vat binnen door de zwaartekracht of de voedingsschroef. Onder de kracht van de roterende schroef wordt deze continu voortgestuwd, waarbij hij geleidelijk van de voorverwarmingssectie naar de homogenisatiesectie gaat.
Tegelijkertijd wordt het plastic door de schroef geschud en geëxtrudeerd, en onder de externe hitte van het vat en de schuifwrijving tussen het plastic en de apparatuur verandert het in een stroperige stroomtoestand, waardoor een continue en uniforme stroom in het schroefkanaal ontstaat. Onder de aangegeven temperatuur transformeert plastic van een vaste toestand naar een gesmolten, kneedbare substantie. Aangedreven of geroerd door een schroef, wordt het volledig geplastificeerde plastic in de matrijskop gedrukt. De materiaalstroom die de matrijskop bereikt, gaat door de ringvormige opening tussen de matrijskern en de matrijshuls, en wordt uit de matrijshulsopening geëxtrudeerd, waarbij de geleider of draadkern wordt omhuld om een continue, dichte isolatielaag of omhulsel te vormen. Na afkoeling en stolling wordt het een draad- en kabelproduct.
II. Drie fasen van het extrusieproces
De belangrijkste basis voor kunststofextrusie is de plasticiteit van het kunststof. Het weekmakerproces in een extruder is een complex fysiek proces, inclusief mengen, pletten, smelten, weekmaken, ontgassen, verdichten en uiteindelijk vormgeven. Dit continue extrusieproces wordt vaak kunstmatig verdeeld in verschillende fasen op basis van de verschillende reacties van het plastic:
1. Plastificeerfase (mengen, smelten en homogeniseren van plastic)
Dit wordt voltooid in de extrudercilinder. Door de rotatie van de schroef verandert het plastic van een korrelige vaste stof in een plastische, stroperige vloeistof. Het plastic ontvangt tijdens de weekmakerfase warmte uit twee bronnen: externe elektrische verwarming van het vat en wrijvingswarmte gegenereerd door rotatie van de schroef.
2. Vormfase (extrusiegieten van kunststoffen)
Deze fase vindt plaats in de matrijskop. Door de rotatie en druk van de schroef wordt de stroperige vloeistof naar de matrijskop geduwd. Via de mal in de matrijskop wordt de stroperige vloeistof gevormd tot geëxtrudeerde materialen van verschillende afmetingen en vormen, die de draadkern of geleider bedekken.
3. Vormfase (afkoeling en uitharding van de kunststoflaag)
Deze fase vindt plaats in een koelwatertank of koelleidingen. Na afkoeling verandert de geëxtrudeerde kunststoflaag van een amorfe kunststoftoestand naar een gevormde vaste toestand.
III. Veranderingen in de plasticstroom tijdens de plastificeringsfase
Tijdens de weekmaakfase, terwijl het plastic langs de schroefas naar de matrijskop beweegt, ondergaat het veranderingen in temperatuur, druk, viscositeit en zelfs chemische structuur. Deze veranderingen verschillen in verschillende delen van de schroef. Gebaseerd op de fysieke toestandsveranderingen tijdens de plastische stroming, wordt de weekmakingsfase kunstmatig verdeeld in de volgende drie fasen.
1. In het voedingsgedeelte:
Ten eerste zorgt het voor een verwekingstemperatuur voor het korrelige vaste plastic. Ten tweede werkt de schuifspanning die wordt gegenereerd tussen de roterende schroef en de stationaire cilinder in op de plastic korrels, waardoor het verzachte plastic wordt afgebroken. Het allerbelangrijkste is dat de rotatie van de schroef een voldoende grote, continue en stabiele stuwkracht en tegengestelde wrijvingskracht genereert om een continue en stabiele extrusiedruk te vormen. Hierdoor wordt agitatie en homogenisatie van het gebroken plastic bereikt en wordt de eerste warmte-uitwisseling geïnitieerd, waardoor de basis wordt gelegd voor continue en stabiele extrusie. De stuwkracht die in deze fase wordt gegenereerd, heeft rechtstreeks invloed op de extrusiekwaliteit en -output.
2. In het smeltgedeelte:
In dit gedeelte komt het plastic een hogere temperatuur tegen, namelijk de warmtebron. Naast puntverwarming buiten de loop speelt ook de wrijvingswarmte van de schroefrotatie een rol. De stuwkracht van het toevoergedeelte en de reactiekracht van het homogenisatiegedeelte zorgen ervoor dat het plastic tijdens zijn voorwaartse beweging terugvloeit. Deze reflux homogeniseert niet alleen het materiaal verder, maar verhoogt ook de warmte-uitwisseling van het plastic, waardoor een thermisch evenwicht aan het oppervlak wordt bereikt. Omdat de bedrijfstemperatuur in dit stadium de reologische temperatuur van het plastic overschrijdt en de bedrijfstijd relatief lang is, ondergaat het plastic een faseovergang. Het materiaal dat in contact komt met het verwarmde vat begint te smelten en vormt een polymeersmeltfilm op het binnenoppervlak van het vat. Wanneer de dikte van de smeltfilm de opening tussen de schroefpunt en de cilinder overschrijdt, wordt deze door de roterende schroef afgeschraapt en verzamelt zich voor de voortbewegende schroef, waardoor een gesmolten plas ontstaat.
Door de relatieve beweging tussen de loop en de wortel van de schroef genereert het gesmolten bad een circulerende materiaalstroom. Achter de schroefpunt bevindt zich een stevig bed (massief kunststof). Naarmate het materiaal zich langs het schroefkanaal voortbeweegt, neemt de diepte van het schroefkanaal in de smeltsectie geleidelijk af richting de homogenisatiesectie. Het vaste bed wordt continu naar de binnenwand van het vat geperst, waardoor het warmteoverdrachtsproces van het vat naar het vaste bed wordt versneld. Tegelijkertijd oefent de rotatie van de schroef een afschuifeffect uit op de smeltfilm op de binnenwand van het vat, waardoor het materiaal op het grensvlak tussen de smeltfilm en het vaste bed smelt. De breedte van het vaste bed neemt geleidelijk af totdat het volledig verdwijnt, dwz het verandert van een vaste toestand naar een stroperige stromingstoestand. In dit stadium ondergaat de moleculaire structuur van het plastic een fundamentele verandering. De intermoleculaire spanning is extreem ontspannen. Als het een kristallijn polymeer is, beginnen de kristallijne gebieden af te nemen en nemen de amorfe gebieden toe. Met uitzondering van de zeer grote moleculen heeft het grootste deel de plasticisatie voltooid, de zogenaamde 'voorlopige plasticisatie'. Bovendien wordt onder druk het gas dat zich in het vaste materiaal bevindt, verdreven, waardoor een voorlopige verdichting wordt bereikt.
3. In het homogenisatiegedeelte:
Dit gedeelte heeft de kleinste schroefdraaddiepte, wat betekent dat het volume van het schroefkanaal het kleinst is. Daarom is dit het gedeelte waar de druk tussen de schroef en de loop het hoogst is. Bovendien vormen de stuwkracht van de schroef en de reactiekrachten van de zeefplaat enz. de directe contactzone tussen het plastic en de loop. Dit gedeelte heeft ook de hoogste extrusietemperatuur, waardoor de radiale en axiale druk op het plastic in dit stadium het grootst is. Deze hoge druk is voldoende om al het gas dat zich in het plastic bevindt te verdrijven en de smelt te compacteren, waardoor deze compacter wordt. Dit is de reden waarom deze sectie de "drukhomogenisatiesectie" wordt genoemd.
IV. Stroomtoestand van kunststoffen tijdens extrusie
Tijdens het extruderen duwt de rotatie van de schroef het plastic naar voren, terwijl de loop stil blijft staan. Hierdoor ontstaat er een relatieve beweging tussen de schroef en de cilinder, waardoor wrijving ontstaat die het plastic naar voren sleept. Bovendien creëert de weerstand van de matrijs, het geperforeerde scherm en het filter in de matrijskop een reactiekracht op het plastic terwijl het naar voren beweegt, waardoor de stroming van plastic in de schroef en cilinder verder wordt bemoeilijkt. Algemeen wordt aangenomen dat de stromingstoestand van kunststof bestaat uit de volgende vier stromingspatronen:
1. Voorwaartse stroom: Dit verwijst naar de stroom van plastic langs de schroefgroef naar de matrijskop. Het wordt gegenereerd door de duwkracht van de roterende schroef en is het belangrijkste van de vier stromingspatronen. De grootte van de voorwaartse stroom bepaalt direct het extrusievolume.
2. Achterwaartse stroom (tegenstroom): De richting is precies tegengesteld aan de voorwaartse stroom. Het wordt veroorzaakt door de druk (reactiekracht van de voorwaartse beweging van het plastic) die wordt gegenereerd in het gebied van de matrijskop als gevolg van de weerstand van de matrijs, het scherm en het filter in de matrijskop. 3. **Terugstroom onder druk:** Dit is de kunststofstroom langs de as, loodrecht op de schroefgroeven. Het wordt ook gevormd door de duwende werking van de roterende schroef. De stroming ervan wordt belemmerd door de weerstand van de zijwanden van de schroefgroef. Door de onderlinge weerstand van de schroefdraden aan beide zijden en de roterende schroef die ervoor zorgt dat het plastic in de groeven tuimelt, ontstaat er een cirkelvormige stroming. Daarom is kruisstroom in wezen een cirkelvormige stroom.
Circulerende stroming is onlosmakelijk verbonden met het mengen en weekmaken van plastic tot een gesmolten toestand in het vat. Circulerende stroming roert en mengt het materiaal in het vat en vergemakkelijkt de warmte-uitwisseling tussen het vat en het materiaal, wat belangrijk is voor het verbeteren van de extrusiekwaliteit, maar weinig effect heeft op de extrusiestroomsnelheid.
4. Lekkagestroom: dit wordt ook veroorzaakt door de weerstand van de matrijs, het scherm en het filter in de matrijskop. Het is echter niet de stroming binnen de schroefgroeven, maar eerder een terugstroming die wordt gevormd in de opening tussen de schroef en de cilinder. Het kan ook leiden tot verlies van productiecapaciteit. Omdat de opening tussen de schroef en de loop meestal erg klein is, is het lekdebiet veel kleiner dan dat van voorwaartse en achterwaartse stroming onder normale omstandigheden.
Tijdens de extrusie zal lekkage het extrusievolume beïnvloeden; verhoogde lekkage zal het extrusievolume verkleinen. De vier stromingstoestanden van plastic verschijnen niet op zichzelf. Voor een bepaald plasticdeeltje is er geen echte tegenstroom of gesloten circulatie. De feitelijke stroom gesmolten plastic in de schroefgroef is een combinatie van de bovengenoemde vier stroomtoestanden, die in een spiraalvormig traject naar voren stroomt.
5. Extrusiekwaliteit
De kwaliteit van de extrusie heeft vooral betrekking op de vraag of de kunststof goed geplastificeerd is en of de geometrische afmetingen uniform zijn, dwz of de radiale dikte consistent is en de axiale buitendiameter uniform is. Factoren die de weekmaking bepalen, zijn naast de kunststof zelf vooral de temperatuur, de schuifreksnelheid en de verwerkingstijd. Te hoge extrusietemperaturen veroorzaken niet alleen schommelingen in de extrusiedruk, maar leiden ook tot plasticafbraak en kunnen zelfs apparatuurongevallen veroorzaken. Hoewel het verkleinen van de diepte van de schroefgroef en het vergroten van de verhouding tussen schroeflengte en diameter gunstig zijn voor de warmte-uitwisseling en het verlengen van de verwarmingstijd, waardoor wordt voldaan aan de eis van uniforme weekmaking, zal dit het extrusievolume beïnvloeden en problemen veroorzaken bij de productie en montage van schroeven.
Daarom is een cruciale factor bij het garanderen van uniforme plasticisering het verhogen van de schuifspanningssnelheid die wordt gegenereerd door de rotatie van de schroef op het plastic. Hierdoor wordt een uniforme mechanische menging en een evenwichtige warmte-uitwisseling tijdens de extrusie bereikt, waardoor een uniforme weekmaking wordt gegarandeerd. De grootte van deze reksnelheid wordt bepaald door de schuifkracht tussen de schroef en de cilinder. Daarom kan, terwijl het vereiste extrusievolume behouden blijft, de diepte van de schroefgroef worden vergroot door de schroefsnelheid te verhogen.
Bovendien heeft de speling tussen de schroef en de cilinder ook invloed op de extrusiekwaliteit. Overmatige speling vergroot de terugstroming en lekkage van het plastic, waardoor schommelingen in de extrusiedruk ontstaan en het extrusievolume wordt beïnvloed. Bovendien kan deze verhoogde terugstroming leiden tot oververhitting van de kunststof, wat resulteert in schroeien of moeilijkheden bij het vormen.