При едно-шнекова екструзия на пластмаса варелните нагреватели не са основният източник на топене на полимера по време на стационарно-производство. Повечето от топлинната енергия, която се топи и повишава температурата на полимера, идва от нагряване на срязване, което е преобразуване на механичната задвижваща мощност в топлина в самия полимер. Този принцип се прилага директно към екструдирането на обвивката на оптичния кабел, където прецизният контрол на температурата на топене определя точността на размерите, повърхностното покритие и дългосрочната-надеждност на готовия кабел.
Тази статия обяснява как работи срязващото нагряване в един-шнеков екструдер, защо само настройките на варелния нагревател не контролират температурата на стопилката и как тези фактори влияят върху качеството на PE и LSZH кожухите, използвани впроизводство на оптични кабели.
Каква роля играят варелните нагреватели в един-шнеков екструдер?
Варелните нагреватели изпълняват три основни функции. Първо, те разтопяват полимера, останал в цевта след студен старт и довеждат машината до работна температура. Второ, те подпомагат формирането на първоначалния резервоар за топене по време на прехода от стартиране към стабилно производство. Трето, те позволяват на операторите да настройват фино-температурния профил по дължината на цевта за специфични изисквания за обработка, като например регулиране на температурата на захранващата зона за контролиране на транспортирането на твърди вещества или повишаване на температурата-на края на матрицата за подобряване на потока през определена геометрия на напречната глава.
След като се установи стабилно{0}}производство и шнекът работи с целевата си скорост, нагревателите на цилиндъра на много екструдери допринасят само за малка част от общата енергия, постъпваща в полимера. В някои конфигурации нагревателите може да се изключат напълно по време на нормална работа, тъй като винтовото устройство вече генерира повече топлина от необходимото. В такива случаи вентилаторите за охлаждане на цевта или водните ризи се активират, за да отстранят излишната топлинна енергия и да предотвратят прегряването на стопилката.
Как работи срязващото нагряване при екструдиране на полимер
Когато винтът се върти вътре в цевта, той принуждава полимера през тесен канал между винтовите полета и стената на цевта. Полимерът се съпротивлява на това движение поради своя вискозитет. Преодоляването на това съпротивление изисква механична енергия от задвижващия мотор и тази енергия се преобразува в топлина в полимера чрез процес, наречен вискозно разсейване. Според препратките за обработка на полимери като тези на RauwendaalПолимерна екструзия(Hanser, 5-то издание), вискозното разсейване е доминиращият източник на топлина в дозиращата секция на повечето едно-шнекови екструдери, работещи при нормални производствени скорости.
Полезна аналогия: представете си, че разбърквате гъста, вискозна течност бързо с лопатка. Човекът, който бърка, трябва да положи значителни усилия и това усилие не изчезва просто така. Тя се превръща в топлина в течността. Колкото по-вискозна е течността и колкото по-бързо е разбъркването, толкова повече топлина се генерира. В екструдера въртящият се винт е лопатката, полимерът е вискозната течност, а механичната енергия от задвижващия мотор е усилието, което се преобразува в топлинна енергия.
Ето защо промяната на скоростта на шнека има много по-бърз и по-ясно изразен ефект върху температурата на стопилката, отколкото регулирането на настройките на нагревателя на варела. TheСправка ScienceDirect за нагряване на срязванепотвърждава, че при екструдирането по-голямата част от топлинната енергия, участваща в пластифицирането и нагряването на материала, идва от силите на триене и вискозитет, развити от взаимодействието между шнека и цевта, а не от нагревателите на цевта.
Плътност във ватове на нагревателя на варела: Колко мощност е достатъчна?
Капацитетът на нагряване на цевта обикновено се определя във ватове на квадратен сантиметър (W/cm²) от външната повърхност на цевта. Често цитираните стойности в литературата за проектиране на екструдери попадат в диапазона от приблизително 4,0 до 5,5 W/cm². Тази цифра се отнася за инсталираната (номинална) мощност на нагревателните ленти, а не за ефективния топлинен поток, достигащ до полимера. Действителната топлинна енергия, прехвърлена в цевта, е по-ниска поради загубите на изолация, въздушните междини и контактното съпротивление между нагревателя и повърхността на цевта.
Няколко фактора влияят върху избора на инсталирана плътност на вата:
- Желано време за стартиране: по-високата плътност на вата загрява цевта по-бързо от студ.
- Диаметър на цевта: по-малките екструдери имат по-голяма повърхност на цевта спрямо тяхната производителност, така че техните нагреватели представляват пропорционално по-голям дял от общата входяща енергия.
- Качество на изолацията: добре{0}}изолираните варели задържат повече топлина и изискват по-малко мощност на нагревателя за поддържане на зададената точка.
- Околна температура: студената фабрична среда увеличава загубата на топлина от повърхността на цевта.
Има практическа горна граница на инсталираната мощност на нагревателя. Прекомерната плътност на вата може да създаде стръмен температурен градиент между стената на цевта и полимера дълбоко в канала на винта. Най-близкият до цевта материал може да прегрее или да изгори, преди материалът в центъра на канала да достигне подходяща температура. Това е от особено значение за термично чувствителните полимери, използвани при екструдиране на кабелна обвивка, където локализираното прегряване може да причини обезцветяване, образуване на гел или разграждане на -огнезащитните добавки внискодимни нулеви халогенни съединения (LSZH)..
Как вискозитетът на полимера и индексът на течливост на стопилката влияят върху температурата на стопилката
Количеството топлина на срязване, генерирано по време на екструдиране, зависи пряко от вискозитета на полимера, който се обработва. Смолата с по-висок-вискозитет изисква повече механична енергия за прокарване през канала на винта и повече от тази енергия се преобразува в топлина.
Индекс на течливост на стопилката (MFI), измерен съгласноASTM D1238, осигурява стандартизирана, но опростена индикация за вискозитета на стопилката на полимера. По-нисък MFI номер показва по-високо молекулно тегло и по-висок вискозитет при условията на изпитване. По-висок MFI показва по-нисък вискозитет и по-лесен поток.
От практическа гледна точка, помислете за два вида полиетилен, използвани в кабелната обвивка. При идентични условия на обработка на същия екструдер със същия шнек, PE с MFI от 0,2 g/10 min (високо молекулно тегло, висок вискозитет) обикновено ще произведе по-висока температура на стопяване от PE с MFI от 2,0 g/10 min (по-ниско молекулно тегло, по-нисък вискозитет). Смолата с по-висок-вискозитет изисква по-голям въртящ момент и генерира повече вискозно разсейване. Това сравнение е валидно, когато и двата вида принадлежат към едно и също полимерно семейство, тествани са при една и съща стандартна температура и натоварване и имат сходно разпределение на молекулното тегло. Сравняването на стойностите на MFI за различни типове полимери (например PE срещу PVC или LSZH) изисква повишено внимание, тъй като условията на теста и връзката между MFI и действителния вискозитет при обработка се различават.
Тази разлика във вискозитета е една от причините за разликатаматериали за кабелна обвивкаизискват различни конструкции на винтове, температурни профили на цевта и мощност на задвижване. Винт, оптимизиран за PE със средна-плътност, може да не работи добре с LSZH съединение с висок-вискозитет и обратното.
Изтъняване при срязване и неговия ефект върху повишаването на температурата на стопилката
Много термопластични полимери показват изтъняване при срязване: техният привиден вискозитет намалява с увеличаване на скоростта на срязване. Това поведение е добре документирано в полимерната реология и е свойство на молекулярната структура на полимерните вериги. Когато срязващ-изтъняващ полимер се обработва при по-високи скорости на шнека, повишената скорост на срязване частично компенсира очакваното повишаване на вискозното разсейване, тъй като вискозитетът пада, когато материалът се работи по-интензивно.
Полимерите, които не проявяват значително изтъняване при срязване, ще видят, че температурата им на стопилка се повишава по-стръмно с увеличаване на скоростта на шнека, тъй като вискозитетът остава висок дори при повишени скорости на срязване. Това разграничение има значение при екструдиране на кабелна обвивка, където операторите може да се наложи да увеличат скоростта на шнека, за да увеличат производителността, без да променят температурния профил на цевта. Знаейки дали съединението на кожуха е силно изтънено при срязване-помага да се предвиди колко ще се промени температурата на стопилката.
Скорост на шнека, специфична производителност и температура на топене
Специфичната производителност се отнася до масата на полимера, екструдиран на оборот на шнека (често се изразява в kg/rev или g/rev). Това е един от най-важните параметри за контролиране на температурата на стопилката на практика. При дадена скорост на шнека, геометрията на шнека, която осигурява по-висока специфична производителност, излага всяка единица полимер на по-малко обща работа на срязване и по-малко време на престой в цевта, което води до по-ниска температура на стопяване. Обратно, винт, който осигурява ниска специфична производителност, задържа полимера в цевта по-дълго и го подлага на повече кумулативно срязване, което води до по-висока температура на стопяване.
Тази връзка също обяснява защо екструдерите с високо съотношение на дължина-към-диаметър (L/D) могат да бъдат проблематични при ниски производителни скорости. По-дългият цилиндър означава повече време за престой и повече възможност за натрупване на нагряване при срязване. Ако екструдерът работи доста под проектната си производителност, полимерът прекарва твърде дълго в цевта, което може да доведе до прекомерна температура на стопилката, термично разграждане или лошо качество на стопилката. Тежестта зависи от конкретния дизайн на винта, полимера, който се обработва, и охлаждащия капацитет на цевта.
Конструктор на шнек, работещ за минимизиране на температурата на стопилка, трябва да балансира специфичната мощност спрямо необходимостта от постигане на пълно топене и адекватно смесване. Твърде агресивното намаляване на времето на престой може да остави неразтопени частици (понякога наричани "нетопени" или "гелове") в екструдата. При екструдирането на кабелната обвивка неразтопените частици могат да създадат неравности по повърхността, слаби места в стената на обвивката или локализирани вариации на дебелината. За преглед на това какизборът на суровини взаимодейства с обработкатаза да се определи окончателното качество на кабела, правилното съвпадение на винта и процеса е от съществено значение.
Стартиране срещу стабилно-нагряване на варела
Разликата между стартиране и работа в стабилно-състояние е от решаващо значение за разбирането на функцията на нагревателя на варела.
По време на студен старт нагревателите на варела са единственият източник на топлина. Те трябва да повишат температурата на цевта достатъчно високо, за да омекнат полимера, останал в канала на винта от предишния цикъл, и да позволят на винта да започне да се върти безопасно. Времето за накисване при стартиране зависи от диаметъра на цевта, мощността на нагревателя, изолацията, вида на полимера, оставащ в цевта, и целевата температура на обработка. Опитът да стартирате винта, преди полимерът да е достатъчно омекнал, може да претовари задвижващия мотор или да повреди винта и цевта.
След като шнекът започне да се върти и екструдерът достигне целевата си мощност, топлинният баланс се измества. Нагряването на срязване бързо се превръща в доминиращ източник на енергия. Нагревателите на варела могат да намалят своя работен цикъл или да се изключат напълно, в зависимост от това колко топлина на срязване генерира комбинацията от полимер и винт. Операторите, които наблюдават тока на нагревателя или работния цикъл, могат да използват това като диагностичен индикатор: ако нагревателите работят на пълна мощност по време на производство в стабилно-състояние, това може да сигнализира за ниска скорост на шнека, недостатъчна компресия, прекомерно охлаждане на цилиндъра или несъответствие между конструкцията на шнека и обработвания полимер.
Често срещани проблеми с нагряването на варела и как да ги идентифицирате
Няколко практически проблема възникват от неразбирането на връзката между нагряването на цевта и нагряването на срязване:
Температурата на варела е зададена твърде висока във всички зони.Това може да намали прекомерно вискозитета на полимера близо до стената на цевта, което отслабва фрикционното захващане, което задвижва твърдите вещества, пренасящи се в зоната на подаване. Резултатът често е намалена производителност, скокове или непостоянно налягане на топене. При екструдирането на кабела това се изразява в вариация на дебелината на кожуха и лоша концентричност.
Температурата на стопилката се повишава след увеличаване на скоростта на шнека.Операторите понякога очакват, че поддържането на зададените точки на варела постоянни ще поддържа температурата на стопилката постоянна. В действителност увеличаването на скоростта на винта увеличава нагряването на срязване независимо от температурата на цевта. Температурата на стопилката, измерена на матрицата или адаптера на напречната глава, може да се повиши значително, въпреки че не е променена настройката на нагревателя на цевта. За компенсиране може да е необходимо регулиране на температурите на цевта надолу или активиране на охлаждането на цевта.
Обгорен или обезцветен материал, който се появява в екструдата.Това може да означава, че полимерът близо до стената на цевта се нагрява над границата на термична стабилност или от прекомерна мощност на нагревателя на цевта, или от натрупана топлина на срязване при недостатъчно охлаждане. За термично чувствителни съединения като LSZH този риск е по-висок, тъй като -забавителите на горенето и матричните полимери имат по-тесни прозорци за обработка.
Неразтопени частици и изгорял материал се появяват едновременно.Тази парадоксална ситуация може да възникне, когато температурният профил на цевта създава екстремни градиенти: материалът близо до стената прегрява, докато материалът дълбоко в канала на винта остава недостатъчно разтопен. Основната причина обикновено е проблем с дизайна на винта или профила на цевта, а не обикновен проблем с настройката на нагревателя.
Нагревателите работят при пълна мощност по време на производството.Ако варелните нагреватели никога не се изключват по време на работа в стабилно-състояние, процесът може да не генерира достатъчно топлина на срязване. Възможните причини включват ниска скорост на шнека, износен шнек или цилиндър (намаляване на срязването), малък диск или полимер с необичайно нисък вискозитет за използвания винтов дизайн.
Как нагряването на цевта влияе върху качеството на обвивката на оптичния кабел
При производството на оптични кабели външната обвивка обикновено се нанася чрез екструдиране на термопластично съединение (най-често PE за външни кабели или LSZH за вътрешни и -забавящи горенето приложения) върху сърцевината на кабела с помощта на матрица с напречна глава. Качеството на това яке зависи в голяма степен от контрола на температурата на стопилката по време на екструдирането.
Когато температурата на стопилката е твърде висока, могат да се появят няколко дефекта. Свиването след-екструдиране се увеличава, което може да предизвика напрежение върху влакната и да промени излишната дължина на влакното (EFL), проектирана в структурата на кабела. Грапавостта на повърхността може да се увеличи. За съединенията LSZH прекомерната температура може да разложи забавителите на горенето на металния хидроксид, произвеждайки влага, която създава празнини или мехурчета в стената на обвивката. ЗаPE обвивки, прегряването може да причини окислително разграждане, намалявайки дългосрочната-устойчивост на напукване при напрежение в околната среда (ESCR), която изискват външните кабели.
Когато температурата на стопилката е твърде ниска, непълното топене може да остави гелове или неразтопени частици в стената на кожуха. Екструдатът може да има лошо повърхностно покритие и свързването между кожуха и вътрешните кабелни елементи (като водо{1}}блокиращи ленти или здрави елементи) може да е недостатъчно. Дебелината на стената на кожуха може да стане неравномерна, защото по-твърдата стопилка с по-висок-вискозитет не се разпределя равномерно около сърцевината на кабела в напречната глава.
Theвлияние на температурата на машината за екструдиране върху качеството на кабеласе простира отвъд една зададена точка. Целият температурен профил на цевта, конструкцията на шнека, скоростта на линията, степента на полимера и охладителната система след напречната глава си взаимодействат. Тестването на завършената обвивка на кабела в съответствие със стандарти като IEC 60794 (методи за изпитване на кабел с оптични влакна) и IEC 60811 (тестове на не-метални материали за механични свойства на обвивката, свиване и стареене) потвърждава, че процесът на екструдиране е създал обвивка, която отговаря на изискваната обвивка на производителност. Повече подробности за методологията на тестване можете да намерите в нашиятестване на оптичен кабелръководство.
Практически проверки за контрол на температурата на стопилката при екструдиране на кабелна обвивка
Инженерите и операторите, работещи по линии с обвивка на оптични кабели, могат да използват следния подход, за да оценят дали тяхното отопление на цевта и общият топлинен баланс са правилно конфигурирани:
Наблюдавайте действителната температура на стопилката в матрицата, а не само зададените точки на зоната на варела.Термодвойка за стопяване или инфрачервен сензор в адаптера на напречната глава осигурява много по-точна картина на състоянието на полимера, отколкото показанията на зоната на цевта. Температурите на зоната на цевта отразяват стената на цевта, а не насипния полимер.
Проследявайте работния цикъл на нагревателя по време на производство в стационарно-състояние.При нормални условия при целевата мощност повечето варелни зони трябва да показват работни цикли на нагревател доста под 100%. Ако нагревателите са на пълна мощност непрекъснато, проучете състоянието на винта, натоварването на задвижването и съответствието на полимера.
Запишете температурата на стопилката при различни скорости на шнека.Когато квалифицирате ново съединение на кожуха или променяте скоростта на линията, измерете температурата на стопилката при множество стойности на оборотите на винта, за да характеризирате реакцията на нагряване при срязване. Тези данни помагат да се предвиди дали целевата продукция може да бъде постигната, без да се надвишава прозорецът за обработка на материала.
Редовно проверявайте повърхността и напречното-сечение на якето.Грапавостта на повърхността, обезцветяването, мехурчетата или видимите гелове осигуряват ранно предупреждение за проблеми с термичния контрол. Напречното-разрязване на кожуха на равни интервали разкрива еднаквост на дебелината на стената и наличието на всякакви вътрешни празнини.
Прегледайте конструкцията на винта, когато сменяте материалите.Винт, оптимизиран за HDPE кабелна обвивка, може да не е подходящ за LSZH. Разликата във вискозитета, чувствителността на срязване, натоварването на пълнителя и термичната стабилност често изисква различно съотношение на компресия, дълбочина на канала и геометрия на смесителната секция. Връзката междупроектиране на кабелна конструкцияи изборът на материал на кожуха допълнително ограничава приемливия прозорец за обработка.
Често задавани въпроси
Нагревателят на варела топи ли пластмасата по време на нормалното екструдиране?
По време на стационарно-производство на един-шнеков екструдер по-голямата част от топлинната енергия, която топи и загрява полимера, идва от нагряване на срязване (вискозно разсейване), а не от нагревателите на варела. Нагревателите на цилиндъра са от съществено значение по време на студено стартиране и за фина-настройка на температурния профил, но те не са основният източник на топлина, след като шнекът работи с производствена скорост.
Защо температурата на стопилката се повишава, когато увелича скоростта на шнека, дори и да не променя настройките на цевта?
По-високата скорост на шнека увеличава скоростта на срязване в канала между винтовете и стената на цевта. Това генерира повече вискозно разсейване, което повишава температурата на стопилката независимо от настройките на нагревателя на цевта. За да компенсирате, може да се наложи да намалите зададените точки на цевта, да активирате охлаждането или да коригирате дизайна на винта за по-висока специфична мощност.
Каква е разликата между температурата на варела и температурата на топене?
Температурата на цевта е температурата на стената на цевта, измерена от термодвойки, вградени в стоманата на цевта. Температурата на топене е действителната температура на полимера, когато той излиза от екструдера и влиза в матрицата или напречната глава. Тези две стойности могат да се различават значително, особено при високи скорости на шнека, където нагряването на срязване повишава температурата на стопилката над зададената точка на цевта.
Как нагряването на цевта влияе върху качеството на обвивката на оптичния кабел?
Ако температурата на топене е твърде висока, кожухът може да прояви прекомерно свиване след-екструзия, повърхностни дефекти, разграждане на добавките за забавяне на горенето (в LSZH) или намалена устойчивост на напукване при натиск от околната среда (в PE). Ако температурата на топене е твърде ниска, непълното топене може да доведе до образуване на гелове, груба текстура на повърхността, лоша концентричност и неадекватно свързване към вътрешните кабелни елементи. Правилното термично управление на целия процес на екструдиране е от съществено значение за производството на кабелни обвивки, които отговарят на изискванията за изпитване на IEC 60794 и IEC 60811.
Каква е типичната плътност на ватовете за нагревателите на варела на екструдера?
Често цитираните стойности в литературата за проектиране на екструдери са приблизително 4,0 до 5,5 W/cm² от външната повърхност на цевта. Това се отнася за инсталираната (номинална) мощност на нагревателя, а не за ефективния топлинен поток, достигащ до полимера. Подходящата стойност зависи от диаметъра на цевта, изолацията, целевото време за стартиране и условията на околната среда. Тези числа не трябва да се третират като универсални стандарти, без да се вземе предвид конкретната конфигурация на екструдера.
Кога е необходимо охлаждане на цевта по време на екструдиране?
Охлаждане на цевта (въздушни вентилатори или водни ризи) е необходимо, когато нагряването на срязване генерира повече топлинна енергия, отколкото е необходимо за поддържане на целевата температура на стопяване. Това обикновено се случва при по-високи скорости на шнека, с полимери с по-висок-вискозитет или при екструдери с високи L/D съотношения, работещи при умерена до висока производителност. Охлаждащият капацитет е неразделна част от системата за термично управление на екструдера, а не последваща мисъл.