Proces wytłaczania obejmuje produkcję izolacji i osłony. Metody produkcji izolacji obejmują powlekanie, owijanie, wytłaczanie i ich kombinacje. Obecnie produkcja izolacji polega głównie na powlekaniu (w przypadku drutów nawojowych, które nie podlegają już przepisom dotyczącym licencji na produkcję) oraz wytłaczaniu (w przypadku drutów i kabli).
I. Proces wytłaczania tworzyw sztucznych
1. Metoda ciągłego wytłaczania
Sprzęt do wytłaczania to zazwyczaj wytłaczarka jednoślimakowa. Przed wytłaczaniem tworzywo sztuczne należy sprawdzić pod kątem wilgoci i zanieczyszczeń. Następnie ślimak jest wstępnie podgrzewany przed dodaniem do leja zasypowego. Podczas wytłaczania tworzywo znajdujące się w leju zasypowym dostaje się do cylindra pod wpływem grawitacji lub ślimaka podającego. Pod naciskiem obracającego się ślimaka jest on stale popychany do przodu, stopniowo przechodząc z sekcji podgrzewania do sekcji homogenizacji.
Jednocześnie tworzywo sztuczne jest mieszane i wytłaczane przez ślimak, a pod wpływem zewnętrznego ciepła cylindra i tarcia ścinającego pomiędzy tworzywem a urządzeniem przechodzi w stan lepkiego przepływu, tworząc ciągły i równomierny przepływ w kanale ślimaka. Pod określoną temperaturą tworzywo sztuczne przechodzi ze stanu stałego w stopioną, plastyczną substancję. Napędzany lub mieszany śrubą całkowicie uplastyczniony plastik jest wpychany do głowicy matrycy. Strumień materiału docierający do głowicy matrycy przechodzi przez pierścieniową szczelinę pomiędzy rdzeniem matrycy a tuleją matrycy i jest wytłaczany z otworu tulei matrycy, otaczając przewodnik lub rdzeń drutu, tworząc ciągłą, gęstą warstwę izolacyjną lub osłonę. Po ochłodzeniu i zestaleniu staje się produktem z drutu i kabla.
II. Trzy etapy procesu wytłaczania
Najważniejszą podstawą wytłaczania tworzyw sztucznych jest plastyczność tworzywa sztucznego. Proces plastyfikacji w wytłaczarce jest złożonym procesem fizycznym, obejmującym mieszanie, kruszenie, topienie, uplastycznianie, odgazowywanie, zagęszczanie i końcowe kształtowanie. Ten ciągły proces wytłaczania jest często sztucznie dzielony na różne etapy w oparciu o różne reakcje tworzywa sztucznego:
1. Etap plastyfikacji (mieszanie, topienie i homogenizacja tworzywa sztucznego)
Odbywa się to wewnątrz cylindra wytłaczarki. Poprzez obrót ślimaka tworzywo sztuczne przekształca się z ziarnistego ciała stałego w plastyczny, lepki płyn. Tworzywo sztuczne otrzymuje ciepło na etapie plastyfikacji z dwóch źródeł: zewnętrznego elektrycznego ogrzewania cylindra oraz ciepła tarcia generowanego przez obrót ślimaka.
2. Etap formowania (formowanie przez wytłaczanie tworzyw sztucznych)
Etap ten odbywa się wewnątrz głowicy matrycy. W wyniku obrotu ślimaka i ciśnienia lepki płyn jest wypychany w kierunku głowicy matrycy. Poprzez formę wewnątrz głowicy lepki płyn jest formowany w wytłaczane materiały o różnych rozmiarach i kształtach, pokrywające rdzeń drutu lub przewodnik.
3. Etap kształtowania (chłodzenie i utwardzanie warstwy tworzywa sztucznego)
Etap ten odbywa się w zbiorniku wody chłodzącej lub rurach chłodzących. Po ochłodzeniu wytłoczona warstwa tworzywa sztucznego zmienia się ze stanu amorficznego plastycznego w ukształtowany stan stały.
III. Zmiany płynięcia tworzywa sztucznego podczas etapu plastyfikacji
Na etapie plastyfikacji, gdy tworzywo przemieszcza się wzdłuż osi ślimaka w kierunku głowicy matrycy, ulega zmianom temperatury, ciśnienia, lepkości, a nawet struktury chemicznej. Zmiany te różnią się w różnych odcinkach śruby. Na podstawie zmian stanu fizycznego podczas płynięcia tworzywa sztucznego etap plastyfikacji dzieli się sztucznie na trzy etapy.
1. W części karmienia:
Po pierwsze, zapewnia temperaturę mięknienia granulowanego stałego tworzywa sztucznego. Po drugie, naprężenie ścinające powstające pomiędzy obracającą się śrubą a nieruchomym cylindrem działa na granulki tworzywa sztucznego, niszcząc zmiękczone tworzywo sztuczne. Co najważniejsze, obrót ślimaka generuje wystarczająco dużą, ciągłą i stabilną siłę ciągu i tarcia wstecznego, aby wytworzyć ciągłe i stabilne ciśnienie wytłaczania. Zapewnia to mieszanie i homogenizację połamanego tworzywa sztucznego oraz inicjuje początkową wymianę ciepła, kładąc w ten sposób podwaliny pod ciągłe i stabilne wytłaczanie. Nacisk generowany na tym etapie bezpośrednio wpływa na jakość i wydajność wytłaczania.
2. W sekcji topienia:
W tej sekcji tworzywo sztuczne napotyka wyższą temperaturę, która jest źródłem ciepła. Oprócz punktowego ogrzewania na zewnątrz lufy, rolę odgrywa również ciepło tarcia powstające podczas obrotu ślimaka. Nacisk z sekcji podawania i siła reakcji z sekcji homogenizacji powodują cofanie się tworzywa sztucznego podczas jego ruchu do przodu. Ten refluks nie tylko dodatkowo homogenizuje materiał, ale także zwiększa wymianę ciepła tworzywa sztucznego, osiągając równowagę termiczną powierzchni. Ponieważ temperatura pracy na tym etapie przekracza temperaturę reologiczną tworzywa sztucznego, a czas pracy jest stosunkowo długi, tworzywo ulega przemianie fazowej. Materiał stykający się z nagrzaną beczką zaczyna się topić, tworząc warstwę stopionego polimeru na wewnętrznej powierzchni beczki. Kiedy grubość stopionej warstwy przekracza szczelinę pomiędzy końcówką ślimaka a cylindrem, jest ona zdrapywana przez obracającą się śrubę i gromadzi się przed przesuwającym się ślimakiem, tworząc stopiony basen.
Ze względu na względny ruch pomiędzy cylindrem a podstawą ślimaka, roztopiony basen generuje krążący przepływ materiału. Za końcówką śruby znajduje się solidne łoże (solidny plastik). W miarę przesuwania się materiału do przodu wzdłuż kanału ślimaka głębokość kanału ślimaka w sekcji topienia stopniowo maleje w kierunku sekcji homogenizacji. Złoże stałe jest w sposób ciągły dociskane do wewnętrznej ścianki cylindra, przyspieszając proces przenoszenia ciepła z cylindra do złoża stałego. Jednocześnie obrót ślimaka wywiera efekt ścinający na warstwę stopu na wewnętrznej ściance cylindra, powodując stopienie materiału na styku folii stopu i złoża stałego. Szerokość złoża stałego stopniowo maleje, aż do jego całkowitego zaniku, tj. przejścia ze stanu stałego w stan lepkiego przepływu. Na tym etapie struktura molekularna tworzywa sztucznego ulega zasadniczej zmianie. Napięcie międzycząsteczkowe jest niezwykle zrelaksowane. Jeśli jest to polimer krystaliczny, liczba obszarów krystalicznych zaczyna się zmniejszać, a zwiększa się liczba obszarów amorficznych. Z wyjątkiem bardzo dużych cząsteczek, większość zakończyła plastyfikację, tak zwaną „wstępną plastyfikację”. Ponadto pod ciśnieniem następuje wydalenie gazu zawartego w materiale stałym, co powoduje wstępne zagęszczenie.
3. W sekcji homogenizacji:
Ta sekcja ma najmniejszą głębokość gwintu śruby, co oznacza, że objętość kanału śruby jest najmniejsza. Jest to zatem odcinek, w którym ciśnienie pomiędzy ślimakiem a lufą jest największe. Dodatkowo napór ze ślimaka i siły reakcji z sita itp. stanowią strefę bezpośredniego kontaktu tworzywa z lufą. Sekcja ta charakteryzuje się także najwyższą temperaturą wytłaczania, zatem na tym etapie naciski promieniowe i osiowe działające na tworzywo sztuczne są największe. To wysokie ciśnienie jest wystarczające, aby usunąć cały gaz zawarty w tworzywie sztucznym i zagęścić stopiony materiał, nadając mu gęstość. Dlatego też tę sekcję nazywa się „sekcją homogenizacji ciśnienia”.
IV. Stan płynięcia tworzyw sztucznych podczas wytłaczania
Podczas wytłaczania obrót ślimaka popycha tworzywo do przodu, podczas gdy cylinder pozostaje nieruchomy. Powoduje to względny ruch pomiędzy śrubą a lufą, generując tarcie, które ciągnie plastik do przodu. Co więcej, opór matrycy, perforowanego ekranu i filtra w głowicy matrycy wytwarza siłę reakcji na tworzywo sztuczne podczas jego ruchu do przodu, co jeszcze bardziej komplikuje przepływ tworzywa sztucznego w ślimaku i cylindrze. Ogólnie uważa się, że stan płynięcia tworzywa sztucznego składa się z następujących czterech wzorców przepływu:
1. Przepływ do przodu: odnosi się do przepływu tworzywa sztucznego wzdłuż rowka śruby w kierunku głowicy gwinciarskiej. Jest on generowany przez siłę pchania obracającej się śruby i jest najważniejszym z czterech wzorców przepływu. Wielkość przepływu do przodu bezpośrednio określa objętość wytłaczania.
2. Przepływ wsteczny (przeciwprądowy): Jego kierunek jest dokładnie przeciwny do przepływu do przodu. Jest to spowodowane ciśnieniem (siła reakcji tworzywa sztucznego do przodu) wytwarzanym w obszarze głowicy matrycy na skutek oporu matrycy, sita i filtra w głowicy. 3. **Przepływ wsteczny pod ciśnieniem:** Jest to przepływ tworzywa wzdłuż osi, prostopadle do rowków śrub. Powstaje również w wyniku pchania obracającej się śruby. Jego przepływ jest utrudniony przez opór ścian bocznych rowka ślimaka. Ze względu na wzajemny opór gwintów po obu stronach oraz obracającą się śrubę powodującą opadanie tworzywa w rowkach, powstaje przepływ kołowy. Dlatego przepływ krzyżowy jest zasadniczo przepływem kołowym.
Przepływ cyrkulacyjny jest nierozerwalnie związany z mieszaniem i uplastycznianiem tworzywa sztucznego do stanu stopionego w cylindrze. Przepływ cyrkulacyjny miesza i miesza materiał w cylindrze oraz ułatwia wymianę ciepła pomiędzy cylindrem a materiałem, co jest ważne dla poprawy jakości wytłaczania, ale ma niewielki wpływ na natężenie przepływu wytłaczania.
4. Przeciek: Jest to również spowodowane oporem matrycy, ekranu i filtra w głowicy matrycy. Nie jest to jednak przepływ w rowkach ślimaka, ale raczej przepływ wsteczny powstający w szczelinie pomiędzy ślimakiem a lufą. Może to również spowodować utratę mocy produkcyjnych. Ponieważ szczelina między ślimakiem a cylindrem jest zwykle bardzo mała, natężenie przepływu wycieku jest znacznie mniejsze niż w przypadku przepływu do przodu i do tyłu w normalnych warunkach.
Podczas wytłaczania wyciek będzie miał wpływ na objętość wytłaczania; zwiększony wyciek zmniejszy objętość wytłaczania. Cztery stany płynięcia tworzywa sztucznego nie pojawiają się samodzielnie. Dla danej cząstki tworzywa sztucznego nie ma prawdziwego przepływu wstecznego ani obiegu zamkniętego. Rzeczywisty przepływ stopionego tworzywa sztucznego w rowku ślimaka jest kombinacją powyższych czterech stanów przepływu, płynąc do przodu po trajektorii śrubowej.
5. Jakość wytłaczania
Jakość wytłaczania odnosi się głównie do tego, czy tworzywo sztuczne jest dobrze uplastycznione i czy wymiary geometryczne są jednolite, tj. czy grubość promieniowa jest stała, a osiowa średnica zewnętrzna jest jednakowa. Czynnikami determinującymi plastyfikację, poza samym tworzywem sztucznym, są głównie temperatura, szybkość odkształcania przy ścinaniu i czas aplikacji. Zbyt wysokie temperatury wytłaczania nie tylko powodują wahania ciśnienia wytłaczania, ale także prowadzą do rozkładu tworzywa sztucznego, a nawet mogą być przyczyną awarii sprzętu. Zmniejszenie głębokości rowka śruby i zwiększenie stosunku długości do średnicy śruby jest korzystne dla wymiany ciepła i wydłużenia czasu nagrzewania, spełniając w ten sposób wymóg równomiernej plastyfikacji, będzie miało wpływ na objętość wytłaczania i spowoduje trudności w produkcji i montażu śrub.
Dlatego kluczowym czynnikiem zapewniającym równomierną plastyfikację jest zwiększenie szybkości odkształcenia ścinającego generowanego przez obrót śruby na tworzywie sztucznym. Zapewnia to równomierne mieszanie mechaniczne i zrównoważoną wymianę ciepła podczas wytłaczania, gwarantując w ten sposób równomierną plastyfikację. Wielkość tej szybkości odkształcania jest określona przez siłę odkształcenia ścinającego pomiędzy śrubą a cylindrem. Dlatego przy zachowaniu wymaganej objętości wytłaczania głębokość rowka ślimaka można zwiększyć poprzez zwiększenie prędkości ślimaka.
Ponadto prześwit pomiędzy ślimakiem a cylindrem również wpływa na jakość wytłaczania. Nadmierny luz zwiększa przepływ wsteczny i wyciek tworzywa sztucznego, powodując wahania ciśnienia wytłaczania i wpływając na objętość wytłaczania. Co więcej, ten zwiększony przepływ wsteczny może prowadzić do przegrzania tworzywa sztucznego, co powoduje przypalenie lub trudności w formowaniu.