Quá trình ép đùn bao gồm sản xuất vật liệu cách nhiệt và vỏ bọc. Các phương pháp sản xuất vật liệu cách nhiệt bao gồm phủ, bọc, ép đùn và kết hợp chúng. Hiện nay, sản xuất vật liệu cách nhiệt chủ yếu bao gồm việc phủ (đối với dây quấn, không còn tuân theo quy định về giấy phép sản xuất) và ép đùn (đối với dây và cáp).
I. Quy trình ép đùn nhựa
1. Phương pháp ép đùn liên tục
Thiết bị ép đùn nói chung là máy đùn trục vít đơn. Trước khi ép đùn, nhựa phải được kiểm tra độ ẩm và tạp chất. Sau đó, vít được làm nóng trước trước khi thêm vào phễu. Trong quá trình ép đùn, nhựa trong phễu đi vào thùng bằng trọng lực hoặc vít cấp liệu. Dưới lực đẩy của trục vít quay, nó liên tục được đẩy về phía trước, chuyển dần từ phần gia nhiệt trước sang phần đồng nhất.
Đồng thời, nhựa được khuấy trộn và ép đùn bởi trục vít, dưới sức nóng bên ngoài của thùng và ma sát cắt giữa nhựa và thiết bị, nó chuyển sang trạng thái dòng chảy nhớt, tạo thành dòng chảy liên tục và đồng đều trong kênh trục vít. Dưới nhiệt độ quy định, nhựa chuyển từ trạng thái rắn sang chất nóng chảy, dễ uốn. Được dẫn động hoặc khuấy bằng vít, nhựa dẻo hoàn toàn được đẩy vào đầu khuôn. Dòng vật liệu đến đầu khuôn đi qua khe hở hình khuyên giữa lõi khuôn và ống bọc khuôn, và được đùn ra từ lỗ mở ống bọc khuôn, bọc dây dẫn hoặc lõi dây để tạo thành lớp hoặc vỏ bọc cách điện dày đặc, liên tục. Sau khi làm mát và hóa rắn, nó trở thành sản phẩm dây và cáp.
II. Ba giai đoạn của quá trình ép đùn
Cơ sở quan trọng nhất để ép đùn nhựa là độ dẻo của nhựa. Quá trình hóa dẻo trong máy đùn là một quá trình vật lý phức tạp, bao gồm trộn, nghiền, nấu chảy, làm dẻo, khử khí, nén và tạo hình cuối cùng. Quá trình ép đùn liên tục này thường được chia nhân tạo thành các giai đoạn khác nhau dựa trên các phản ứng khác nhau của nhựa:
1. Công đoạn hóa dẻo (Trộn, nấu chảy và đồng nhất nhựa)
Điều này được hoàn thành bên trong thùng máy đùn. Thông qua chuyển động quay của trục vít, nhựa biến đổi từ dạng rắn dạng hạt thành chất lỏng dẻo, nhớt. Nhựa nhận nhiệt trong giai đoạn hóa dẻo từ hai nguồn: nhiệt điện bên ngoài của thùng và nhiệt ma sát sinh ra do quay trục vít.
2. Công đoạn đúc khuôn (đùn khuôn nhựa)
Giai đoạn này diễn ra bên trong đầu khuôn. Do trục vít quay và áp suất, chất lỏng nhớt bị đẩy về phía đầu khuôn. Thông qua khuôn bên trong đầu khuôn, chất lỏng nhớt được định hình thành các vật liệu ép đùn với nhiều kích cỡ và hình dạng khác nhau, bao phủ lõi dây hoặc dây dẫn.
3. Giai đoạn tạo hình (Làm nguội và xử lý lớp nhựa)
Công đoạn này diễn ra trong bể chứa nước làm mát hoặc đường ống làm mát. Sau khi làm mát, lớp nhựa ép đùn chuyển từ trạng thái nhựa vô định hình sang trạng thái rắn định hình.
III. Những thay đổi của dòng chảy nhựa trong giai đoạn dẻo hóa
Trong giai đoạn hóa dẻo, khi nhựa di chuyển dọc theo trục vít về phía đầu khuôn, nó sẽ trải qua những thay đổi về nhiệt độ, áp suất, độ nhớt và thậm chí cả cấu trúc hóa học. Những thay đổi này khác nhau ở các phần khác nhau của vít. Dựa trên những thay đổi trạng thái vật lý trong quá trình chảy nhựa, giai đoạn hóa dẻo được chia thành ba giai đoạn sau một cách nhân tạo.
1. Ở phần cho ăn:
Đầu tiên, nó cung cấp nhiệt độ làm mềm cho nhựa rắn dạng hạt. Thứ hai, ứng suất cắt tạo ra giữa vít quay và thùng cố định tác dụng lên các hạt nhựa, phá vỡ nhựa đã mềm. Quan trọng nhất, vòng quay trục vít tạo ra lực đẩy và lực ma sát ngược đủ lớn, liên tục và ổn định để tạo thành áp suất đùn liên tục và ổn định. Điều này đạt được sự khuấy trộn và đồng nhất của nhựa vỡ, đồng thời bắt đầu trao đổi nhiệt ban đầu, từ đó đặt nền tảng cho quá trình ép đùn liên tục và ổn định. Lực đẩy được tạo ra trong giai đoạn này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và sản lượng ép đùn.
2. Ở phần nấu chảy:
Ở phần này nhựa gặp nhiệt độ cao hơn chính là nguồn nhiệt. Ngoài việc làm nóng điểm bên ngoài thùng, nhiệt ma sát từ chuyển động quay của trục vít cũng đóng một vai trò nào đó. Lực đẩy từ phần cấp liệu và phản lực từ phần đồng nhất làm cho nhựa hồi lưu trong quá trình chuyển động về phía trước. Sự hồi lưu này không chỉ làm đồng nhất vật liệu hơn nữa mà còn làm tăng sự trao đổi nhiệt của nhựa, đạt được trạng thái cân bằng nhiệt bề mặt. Do nhiệt độ vận hành ở giai đoạn này vượt quá nhiệt độ lưu biến của nhựa và thời gian vận hành tương đối dài nên nhựa trải qua quá trình chuyển pha. Vật liệu tiếp xúc với thùng được làm nóng bắt đầu tan chảy, tạo thành màng tan chảy polymer trên bề mặt bên trong của thùng. Khi độ dày của màng nóng chảy vượt quá khe hở giữa đầu vít và thùng, nó sẽ bị vít quay cạo ra và tích tụ phía trước vít tiến, tạo thành một bể nóng chảy.
Do chuyển động tương đối giữa thùng và chân vít, bể nóng chảy tạo ra dòng vật liệu tuần hoàn. Phía sau đầu vít là một chiếc giường chắc chắn (nhựa nguyên khối). Khi vật liệu di chuyển về phía trước dọc theo kênh vít, độ sâu của kênh vít trong phần nóng chảy giảm dần về phía phần đồng nhất. Lớp rắn liên tục được ép về phía thành trong của thùng, đẩy nhanh quá trình truyền nhiệt từ thùng sang lớp đặc. Đồng thời, chuyển động quay của trục vít tạo ra hiệu ứng cắt lên màng nóng chảy trên thành trong của thùng, làm cho vật liệu ở bề mặt tiếp xúc giữa màng nóng chảy và lớp rắn tan chảy. Chiều rộng của lớp rắn giảm dần cho đến khi biến mất hoàn toàn, tức là chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái chảy nhớt. Ở giai đoạn này, cấu trúc phân tử của nhựa trải qua một sự thay đổi cơ bản. Căng thẳng liên phân tử cực kỳ thoải mái. Nếu là polyme kết tinh, vùng kết tinh bắt đầu giảm và vùng vô định hình tăng lên. Ngoại trừ các phân tử rất lớn, phần lớn đã hoàn thành quá trình dẻo hóa, cái gọi là "dẻo sơ bộ". Hơn nữa, dưới áp suất, khí chứa trong vật liệu rắn bị đẩy ra ngoài, đạt được độ nén sơ bộ.
3. Ở phần đồng nhất:
Phần này có độ sâu ren vít nông nhất, nghĩa là thể tích kênh vít là nhỏ nhất. Vì vậy, đây là phần có áp suất giữa trục vít và thùng lớn nhất. Ngoài ra, lực đẩy từ vít và phản lực từ tấm lưới, v.v., là vùng tiếp xúc trực tiếp giữa nhựa và thùng. Phần này cũng có nhiệt độ đùn cao nhất nên áp suất hướng tâm và hướng trục lên nhựa là lớn nhất ở giai đoạn này. Áp suất cao này đủ để đẩy toàn bộ khí chứa trong nhựa ra ngoài và nén chặt phần nóng chảy, làm cho nó đặc lại. Đây là lý do tại sao phần này được gọi là "phần đồng nhất áp suất".
IV. Trạng thái dòng chảy của nhựa trong quá trình ép đùn
Trong quá trình ép đùn, chuyển động quay của trục vít sẽ đẩy nhựa về phía trước trong khi thùng vẫn đứng yên. Điều này tạo ra chuyển động tương đối giữa vít và thùng, tạo ra ma sát kéo nhựa về phía trước. Hơn nữa, lực cản từ khuôn, màn đục lỗ và bộ lọc trong đầu khuôn tạo ra phản lực lên nhựa khi nó di chuyển về phía trước, làm phức tạp thêm dòng chảy của nhựa trong trục vít và thùng. Trạng thái dòng chảy của nhựa thường được coi là bao gồm bốn kiểu dòng chảy sau:
1. Dòng chuyển tiếp: Điều này đề cập đến dòng nhựa dọc theo rãnh vít về phía đầu khuôn. Nó được tạo ra bởi lực đẩy của trục vít quay và là mô hình quan trọng nhất trong bốn mô hình dòng chảy. Độ lớn của dòng chuyển tiếp xác định trực tiếp khối lượng đùn.
2. Dòng chảy ngược (Counter-flow): Hướng của nó hoàn toàn ngược lại với dòng chảy thuận. Nguyên nhân là do áp suất (lực phản lực của chuyển động về phía trước của nhựa) được tạo ra trong khu vực đầu khuôn do lực cản từ khuôn, màn hình và bộ lọc trong đầu khuôn. 3. **Chảy ngược dưới áp suất:** Đây là dòng nhựa chảy dọc theo trục, vuông góc với các rãnh vít. Nó cũng được hình thành do tác động đẩy của vít quay. Dòng chảy của nó bị cản trở bởi lực cản của các thành bên rãnh vít. Do lực cản tương hỗ của các ren ở cả hai bên và vít quay làm cho nhựa rơi vào trong các rãnh nên hình thành một dòng chảy tròn. Do đó, dòng chảy chéo về cơ bản là một dòng chảy tròn.
Dòng tuần hoàn không thể tách rời khỏi quá trình trộn và làm dẻo nhựa thành trạng thái nóng chảy trong thùng. Dòng chảy tuần hoàn khuấy trộn và trộn vật liệu trong thùng và tạo điều kiện trao đổi nhiệt giữa thùng và vật liệu, điều này rất quan trọng để cải thiện chất lượng ép đùn nhưng ít ảnh hưởng đến tốc độ dòng ép đùn.
4. Dòng chảy rò rỉ: Điều này cũng được gây ra bởi điện trở của khuôn, màn hình và bộ lọc trong đầu khuôn. Tuy nhiên, đó không phải là dòng chảy bên trong các rãnh vít mà là dòng chảy ngược được hình thành trong khe hở giữa trục vít và thùng. Nó cũng có thể gây mất năng lực sản xuất. Do khe hở giữa trục vít và thùng thường rất nhỏ nên tốc độ dòng rò rỉ nhỏ hơn nhiều so với dòng chảy thuận và ngược trong điều kiện bình thường.
Trong quá trình ép đùn, rò rỉ sẽ ảnh hưởng đến khối lượng ép đùn; rò rỉ tăng sẽ làm giảm khối lượng đùn. Bốn trạng thái dòng chảy của nhựa không xuất hiện một cách biệt lập. Đối với một hạt nhựa nhất định, không có dòng chảy ngược thực sự cũng như không có vòng tuần hoàn khép kín. Dòng chảy thực tế của nhựa nóng chảy trong rãnh vít là sự kết hợp của bốn trạng thái dòng chảy trên, chảy về phía trước theo quỹ đạo xoắn ốc.
5. Chất lượng đùn
Chất lượng đùn chủ yếu đề cập đến việc nhựa có được dẻo hóa tốt hay không và kích thước hình học có đồng đều hay không, tức là liệu độ dày xuyên tâm có nhất quán và đường kính ngoài trục có đồng đều hay không. Các yếu tố quyết định độ dẻo, ngoài bản thân nhựa, chủ yếu bao gồm nhiệt độ, tốc độ biến dạng cắt và thời gian ứng dụng. Nhiệt độ ép đùn quá cao không chỉ gây ra biến động về áp suất ép đùn mà còn dẫn đến phân hủy nhựa và thậm chí có thể gây ra tai nạn thiết bị. Trong khi việc giảm độ sâu rãnh trục vít và tăng tỷ lệ chiều dài trên đường kính trục vít có lợi cho việc trao đổi nhiệt và kéo dài thời gian gia nhiệt, do đó đáp ứng yêu cầu dẻo hóa đồng đều, nó sẽ ảnh hưởng đến khối lượng ép đùn và gây khó khăn trong quá trình sản xuất và lắp ráp trục vít.
Do đó, yếu tố quan trọng để đảm bảo độ dẻo đồng đều là tăng tốc độ biến dạng cắt được tạo ra do chuyển động quay của trục vít trên nhựa. Điều này đạt được sự trộn cơ học đồng đều và trao đổi nhiệt cân bằng trong quá trình ép đùn, do đó đảm bảo độ dẻo đồng đều. Độ lớn của tốc độ biến dạng này được xác định bởi lực biến dạng cắt giữa trục vít và thùng. Do đó, trong khi duy trì khối lượng ép đùn cần thiết, độ sâu rãnh trục vít có thể tăng lên bằng cách tăng tốc độ trục vít.
Hơn nữa, khe hở giữa trục vít và thùng cũng ảnh hưởng đến chất lượng ép đùn. Khoảng hở quá mức làm tăng dòng chảy ngược và rò rỉ của nhựa, gây ra sự dao động về áp suất đùn và ảnh hưởng đến khối lượng đùn. Hơn nữa, dòng chảy ngược tăng lên này có thể dẫn đến nhựa quá nóng, dẫn đến cháy xém hoặc khó đúc.