O processo de extrusão inclui isolamento e produção de bainha. Os métodos de produção de isolamento incluem revestimento, embalagem, extrusão e combinações dos mesmos. Atualmente, a produção de isolamento envolve principalmente revestimento (para fios de enrolamento, que não estão mais sujeitos a regulamentos de licença de produção) e extrusão (para fios e cabos).
I. Processo de extrusão de plástico
1. Método de Extrusão Contínua
O equipamento de extrusão é geralmente uma extrusora de parafuso único. Antes da extrusão, o plástico deve ser verificado quanto a umidade e impurezas. A rosca é então pré-aquecida antes de ser adicionada à tremonha. Durante a extrusão, o plástico na tremonha entra no cilindro por gravidade ou pela rosca de alimentação. Sob o impulso do parafuso rotativo, ele é continuamente impulsionado para frente, movendo-se gradualmente da seção de pré-aquecimento para a seção de homogeneização.
Simultaneamente, o plástico é agitado e extrudado pelo parafuso, e sob o calor externo do cano e o atrito de cisalhamento entre o plástico e o equipamento, ele se transforma em um estado de fluxo viscoso, formando um fluxo contínuo e uniforme no canal do parafuso. Sob a temperatura especificada, o plástico se transforma do estado sólido em uma substância fundida e maleável. Acionado ou agitado por um parafuso, o plástico totalmente plastificado é empurrado para dentro da cabeça de roscar. O fluxo de material que chega à cabeça da matriz passa através da lacuna anular entre o núcleo da matriz e a luva da matriz e é extrudado a partir da abertura da luva da matriz, envolvendo o condutor ou núcleo do fio para formar uma camada ou bainha de isolamento densa e contínua. Após resfriamento e solidificação, torna-se um produto de fios e cabos.
II. Três etapas do processo de extrusão
A base mais importante para a extrusão de plástico é a plasticidade do plástico. O processo de plastificação em uma extrusora é um processo físico complexo, incluindo mistura, trituração, fusão, plastificação, desgaseificação, compactação e modelagem final. Este processo de extrusão contínua é muitas vezes dividido artificialmente em diferentes etapas com base nas diferentes reações do plástico:
1. Etapa de plastificação (mistura, fusão e homogeneização de plástico)
Isso é concluído dentro do cilindro da extrusora. Através da rotação do parafuso, o plástico se transforma de um sólido granular em um fluido plástico e viscoso. O plástico recebe calor durante a fase de plastificação de duas fontes: aquecimento elétrico externo do cilindro e calor friccional gerado pela rotação do parafuso.
2. Estágio de Moldagem (Moldagem por Extrusão de Plásticos)
Esta etapa ocorre dentro da cabeça de rosca. Devido à rotação e pressão do parafuso, o fluido viscoso é empurrado em direção à cabeça de roscar. Através do molde dentro da cabeça de roscar, o fluido viscoso é moldado em materiais extrudados de vários tamanhos e formas, cobrindo o núcleo do fio ou condutor.
3. Estágio de Modelagem (Resfriamento e Cura da Camada Plástica)
Esta etapa ocorre em um tanque de água de resfriamento ou em tubulações de resfriamento. Após o resfriamento, a camada plástica extrudada muda de um estado plástico amorfo para um estado sólido moldado.
III. Mudanças no fluxo do plástico durante a fase de plastificação
Durante a fase de plastificação, à medida que o plástico se move ao longo do eixo do parafuso em direção à cabeça de matriz, ele sofre alterações de temperatura, pressão, viscosidade e até mesmo estrutura química. Essas alterações diferem em diferentes seções do parafuso. Com base nas mudanças do estado físico durante o fluxo plástico, a etapa de plastificação é artificialmente dividida nas três etapas seguintes.
1. Na seção de alimentação:
Primeiro, fornece uma temperatura de amolecimento para o plástico sólido granular. Em segundo lugar, a tensão de cisalhamento gerada entre o parafuso rotativo e o cilindro estacionário atua sobre os grânulos de plástico, quebrando o plástico amolecido. Mais importante ainda, a rotação do parafuso gera um impulso suficientemente grande, contínuo e estável e uma força de atrito reverso para formar uma pressão de extrusão contínua e estável. Isto consegue a agitação e homogeneização do plástico quebrado e inicia a troca de calor inicial, estabelecendo assim a base para uma extrusão contínua e estável. O impulso gerado nesta etapa afeta diretamente a qualidade e o resultado da extrusão.
2. Na seção de fusão:
Nesta seção, o plástico encontra uma temperatura mais elevada, que é a fonte de calor. Além do aquecimento pontual fora do cano, o calor friccional da rotação do parafuso também desempenha um papel. O impulso da seção de alimentação e a força de reação da seção de homogeneização fazem com que o plástico reflua durante seu movimento para frente. Este refluxo não só homogeneiza ainda mais o material, mas também aumenta a troca de calor do plástico, alcançando o equilíbrio térmico superficial. Como a temperatura operacional nesta fase excede a temperatura reológica do plástico e o tempo de operação é relativamente longo, o plástico sofre uma transição de fase. O material em contato com o cilindro aquecido começa a derreter, formando uma película de polímero fundido na superfície interna do cilindro. Quando a espessura do filme fundido excede a folga entre a ponta do parafuso e o cilindro, ele é raspado pelo parafuso giratório e se acumula na frente do parafuso que avança, formando uma poça derretida.
Devido ao movimento relativo entre o cilindro e a raiz do parafuso, a poça fundida gera um fluxo circulante de material. Atrás da ponta do parafuso há uma base sólida (plástico sólido). À medida que o material avança ao longo do canal do parafuso, a profundidade do canal do parafuso na seção de fusão diminui gradualmente em direção à seção de homogeneização. O leito sólido é continuamente comprimido em direção à parede interna do cilindro, acelerando o processo de transferência de calor do cilindro para o leito sólido. Simultaneamente, a rotação do parafuso exerce um efeito de cisalhamento no filme fundido na parede interna do cilindro, fazendo com que o material na interface entre o filme fundido e o leito sólido derreta. A largura do leito sólido diminui gradativamente até desaparecer completamente, ou seja, passa do estado sólido para o estado de fluxo viscoso. Nesta fase, a estrutura molecular do plástico sofre uma mudança fundamental. A tensão intermolecular é extremamente relaxada. Se for um polímero cristalino, as regiões cristalinas começam a diminuir e as regiões amorfas aumentam. Exceto pelas moléculas muito grandes, a maior parte completou a plastificação, a chamada "plastificação preliminar". Além disso, sob pressão, o gás contido no material sólido é expelido, conseguindo uma compactação preliminar.
3. Na seção de homogeneização:
Esta seção tem a menor profundidade de rosca do parafuso, o que significa que o volume do canal do parafuso é o menor. Portanto, esta é a seção onde a pressão entre o parafuso e o cano é maior. Além disso, o impulso do parafuso e as forças de reação da placa de peneira, etc., são a zona de contato direto entre o plástico e o cilindro. Esta seção também possui a temperatura de extrusão mais alta, de modo que as pressões radiais e axiais sobre o plástico são maiores nesta fase. Essa alta pressão é suficiente para expelir todo o gás contido no plástico e compactar o fundido, tornando-o denso. É por isso que esta seção é chamada de “seção de homogeneização de pressão”.
4. Estado de fluxo dos plásticos durante a extrusão
Durante a extrusão, a rotação do parafuso empurra o plástico para frente, enquanto o cilindro permanece estacionário. Isso cria um movimento relativo entre o parafuso e o cilindro, gerando atrito que arrasta o plástico para frente. Além disso, a resistência da matriz, da tela perfurada e do filtro na cabeça da matriz cria uma força de reação no plástico à medida que ele avança, complicando ainda mais o fluxo do plástico dentro da rosca e do cilindro. O estado de fluxo do plástico é geralmente considerado como consistindo nos quatro padrões de fluxo a seguir:
1. Fluxo direto: Refere-se ao fluxo de plástico ao longo da ranhura do parafuso em direção à cabeça de roscar. É gerado pela força de pressão do parafuso giratório e é o mais importante dos quatro padrões de fluxo. A magnitude do fluxo direto determina diretamente o volume de extrusão.
2. Fluxo Reverso (Contra-fluxo): Sua direção é exatamente oposta ao fluxo direto. É causado pela pressão (força de reação do movimento para frente do plástico) gerada na área da cabeça de rosca devido à resistência da matriz, tela e filtro na cabeça de rosca. 3. **Refluxo sob pressão:** Este é o fluxo do plástico ao longo do eixo, perpendicular às ranhuras do parafuso. Também é formado pela ação de empurrar do parafuso giratório. Seu fluxo é dificultado pela resistência das paredes laterais da ranhura do parafuso. Devido à resistência mútua das roscas em ambos os lados e ao parafuso giratório que faz com que o plástico caia dentro das ranhuras, forma-se um fluxo circular. Portanto, o fluxo cruzado é essencialmente um fluxo circular.
O fluxo circulante é inseparável da mistura e plastificação do plástico em um estado fundido dentro do barril. O fluxo circulante agita e mistura o material no cilindro e facilita a troca de calor entre o cilindro e o material, o que é importante para melhorar a qualidade da extrusão, mas tem pouco efeito na taxa de fluxo de extrusão.
4.Fluxo de vazamento: Isso também é causado pela resistência da matriz, tela e filtro na cabeça da matriz. No entanto, não é o fluxo dentro das ranhuras do parafuso, mas sim um refluxo formado no espaço entre o parafuso e o cilindro. Também pode causar perda de capacidade de produção. Como a folga entre o parafuso e o cilindro é geralmente muito pequena, a vazão de vazamento é muito menor do que a do fluxo direto e reverso em condições normais.
Durante a extrusão, o vazamento afetará o volume de extrusão; o aumento do vazamento diminuirá o volume de extrusão. Os quatro estados de fluxo do plástico não aparecem isoladamente. Para uma determinada partícula plástica, não existe fluxo reverso verdadeiro nem circulação fechada. O fluxo real de plástico fundido na ranhura do parafuso é uma combinação dos quatro estados de fluxo acima, fluindo para frente em uma trajetória helicoidal.
5. Qualidade de Extrusão
A qualidade da extrusão refere-se principalmente a se o plástico está bem plastificado e se as dimensões geométricas são uniformes, ou seja, se a espessura radial é consistente e o diâmetro externo axial é uniforme. Os fatores que determinam a plastificação, além do próprio plástico, incluem principalmente temperatura, taxa de deformação por cisalhamento e tempo de aplicação. Temperaturas de extrusão excessivamente altas não só causam flutuações na pressão de extrusão, mas também levam à decomposição do plástico e podem até causar acidentes no equipamento. Embora reduzir a profundidade da ranhura do parafuso e aumentar a relação comprimento/diâmetro do parafuso seja benéfico para a troca de calor e prolongar o tempo de aquecimento, atendendo assim ao requisito de plastificação uniforme, isso afetará o volume de extrusão e criará dificuldades na fabricação e montagem do parafuso.
Portanto, um fator crucial para garantir uma plastificação uniforme é aumentar a taxa de deformação por cisalhamento gerada pela rotação do parafuso no plástico. Isto consegue uma mistura mecânica uniforme e uma troca de calor equilibrada durante a extrusão, garantindo assim uma plastificação uniforme. A magnitude desta taxa de deformação é determinada pela força de deformação de cisalhamento entre o parafuso e o cilindro. Portanto, mantendo o volume de extrusão necessário, a profundidade da ranhura do parafuso pode ser aumentada aumentando a velocidade do parafuso.
Além disso, a folga entre a rosca e o cilindro também afeta a qualidade da extrusão. A folga excessiva aumenta o refluxo e o vazamento do plástico, causando flutuações na pressão de extrusão e afetando o volume de extrusão. Além disso, este aumento do refluxo pode levar ao sobreaquecimento do plástico, resultando em queimaduras ou dificuldades na moldagem.