Sistema de evaluación de adaptabilidad de extrusora de un solo tornillo a diferentes materiales (PP/PS/PE/PLA)

I. Introducción: Desafíos de procesamiento de materiales en extrusión de un solo tornillo

El Machín de termoformado de extrusión de lámina de plástico de un solo tornillo E, como el equipo central para el procesamiento de materiales de polímeros, su adaptabilidad a los diferentes polímeros determina directamente la calidad del producto y la eficiencia de producción. PÁGINAS (polipropileno), PD (poliestireno), Orina (polietileno) y Estampado (ácido poliláctico) exhiben comportamientos reológicos distintos y requisitos de estabilidad térmica durante la extrusión debido a sus diferencias significativas en la estructura molecular y las propiedades físicas. La evaluación de la adaptabilidad del procesamiento de los extrusores de un solo tornillo requiere la construcción de un sistema de evaluación científica a partir de cuatro dimensiones: análisis característico del material, coincidencia de estructura de equipos, coordinación de los parámetros del proceso y correlación de calidad del producto.

II. Correlación fundamental entre las propiedades del material y el procesamiento de extrusión

(A) Diferencias de propiedad intrínsecas de los materiales de polímero

(B) Impactos centrales de las propiedades del material en el proceso de extrusión

• PP : La alta tasa de cristalización conduce a una gran tasa de contracción cuando se enfría la masa fundida, y se debe prestar atención a la relación de compresión del tornillo y el control de gradiente de temperatura de la sección de enfriamiento y modelado; Las características de adelgazamiento de corte requieren el ajuste coordinado de la velocidad del tornillo y la presión posterior para evitar la ruptura de la fusión.
• PS : La cadena molecular rígida hace que la elasticidad fundida sea prominente, propensa a la fractura de fusión durante la extrusión, lo que requiere la optimización de la estructura de la sección de mezcla de tornillo para reducir el almacenamiento de energía elástica; La pobre estabilidad térmica requiere una precisión de control de temperatura dentro de ± 2 ° C.
• PE : La fusión de baja viscosidad es propensa al flujo de fuga, lo que requiere un aumento en la relación de diámetro de longitud del tornillo (L/D ≥28) para extender el tiempo de residencia y garantizar la plasticización uniforme; La diferencia en el rango de fusión entre HDPE y LDPE requiere que coincidan con diferentes diseños de profundidad de ranura de tornillo.
• PLA : Higroscopicidad fuerte (el contenido de agua debe ser <0.02%), que requiere un tratamiento previamente seco; Baja resistencia a la masa fundida y sensible al cizallamiento, la extrusión debe evitar una alta velocidad de rotación (recomendado <100 rpm) y usar un tornillo de compresión baja (1.8-2.2) para reducir el fuego de corte.

Iii. Indicadores de evaluación de la estructura del equipo adaptabilidad a los materiales

(A) Matriota de parámetros geométricos de tornillo

1. Relación de diámetro de longitud (L/D)

   • El procesamiento de PP/PE requiere L/D = 25-30; L/D insuficiente conducirá a una plastificación insuficiente de polímeros cristalinos, causando puntos de cristal en productos;
   • El procesamiento de PLA es adecuado para L/D = 20-24; Un tornillo excesivamente largo aumentará el tiempo de residencia de fusión y agravará la degradación termoxidativa.

2. Relación de compresión

   • PP (relación de compresión 2.5-3.0): la alta relación de compresión promueve la regularización de la estructura de cristalización y reduce la tolerancia al espesor de la lámina;
   • PS (relación de compresión 1.8-2.2): la baja relación de compresión reduce la acumulación elástica de fusión e inhibe el oleaje de extrusión;
   • PLA (relación de compresión 1.8-2.0): evite la relación de compresión excesiva que causa sobrecalentamiento local, combinado con una estructura de tornillo de gradiente (la profundidad del surco del tornillo disminuye linealmente desde la sección de alimentación hasta la sección de homogeneización).

3. Diseño de elementos de mezcla

   • Para las características de baja viscosidad de PE, se pueden colocar pasadores de mezcla de tipo barrera en la sección de homogeneización de tornillo para mejorar el desgarro de la fusión y la mezcla distributiva;
   • El procesamiento de PS/PLA requiere estructuras de mezcla sin cizallamiento o bajo cizallamiento (como elementos de tornillo de disco) para evitar la fractura de la cadena molecular.

(B) Adaptabilidad de troqueles de moldeo y máquinas auxiliares

• Diseño del canal de flujo de die :
  La extrusión de la hoja de PP es adecuada para troqueles de cola de pescado (ángulo de expansión 30 ° -45 °) para reducir el tiempo de residencia de fusión en el canal de flujo; El PLA requiere troqueles aerodinámicos sin ángulo muerto (rugosidad de la superficie RA <0.2μm) para evitar la adhesión y la degradación.
• Sistema de enfriamiento y modelado :
  Las láminas de PE requieren rollos de enfriamiento (temperatura 30-50 ° C) para inhibir el crecimiento excesivo de cristales; El PLA requiere enfriamiento de temperatura media (60-80 ° C) para evitar el agrietamiento del estrés interno causado por un enfriamiento rápido.

IV. Métodos de evaluación para la optimización colaborativa de los parámetros del proceso

(A) Estrategias de control de temperatura

1. Principio de partición de temperatura de tres zonas
   • Sección de alimentación: PP/PE necesita mantener la temperatura del cañón 10-20 ° C más baja que el punto de fusión (por ejemplo, PP de alimentación de la sección 150 ° C) para evitar que el material se pegue a la pared; La sección de alimentación de PLA debe suministrarse con aire seco (punto de rocío <-40 ° C) para evitar la infiltración de humedad.
   • Sección de compresión: la temperatura de la sección de compresión de PS debe controlarse a 200-220 ° C; superior a 240 ° C causará oxidación del anillo de benceno y amarillamiento; El límite superior de temperatura de la sección de compresión de PLA es de 175 ° C, y se requiere un dispositivo de enfriamiento de aire forzado.
   • Sección de homogeneización: la temperatura de la sección de homogeneización de PE debe ser de 20-30 ° C más alta que el punto de fusión (por ejemplo, la sección HDPE homogeneización 150-160 ° C) para garantizar la fluidez de la masa fundida; La temperatura de la sección de homogeneización de PP es 180-190 ° C, equilibrando la plastificación y el consumo de energía.

(B) Regulación de la velocidad de presión y rotación

• Ajuste de presión posterior :
  La presión posterior de la extrusión de PP es de 0.5-1.0mPa para mejorar la compacidad de la masa fundida y reducir las burbujas de la hoja; PLA Presión de retroceso ≤0.3MPA Para evitar un aumento repentino en la viscosidad de la masa fundida causada por la alta presión.
• Velocidad de rotación del tornillo :
  PE (baja densidad) puede adoptar una alta velocidad de rotación (150-200 rpm) para aumentar la salida; La velocidad de rotación del PLA debe ser <80RPM, combinada con un motor de alta velocidad de alta velocidad (fluctuación de par ≤5%).

© Control de tensión y relación de estiramiento

• Relación de tensión de la hoja PP 1.2-1.5, relación de estiramiento 2-3, lo que necesita coincidir con una máquina de tensión reguladora de velocidad sincrónica;
• Relación de tensión de la lámina de PLA ≤1.2 para evitar la fractura por fusión causada por la alta velocidad de tensión, y la temperatura del rodillo de tensión debe mantenerse a 50-60 ° C para mejorar la resistencia a la fusión.

V. Evaluación de correlación entre la calidad del producto y la adaptabilidad del procesamiento

(A) Indicadores clave de pruebas de rendimiento

1. Propiedades físicas

   • Uniformidad de espesor: la tolerancia a la lámina de PP/PE debe ser ≤ ± 3%, PLA ≤ ± 5% (limitado por la resistencia a la fusión);
   • Propiedades mecánicas: la resistencia a la tensión de la hoja de PS debe ser ≥40MPa, alargamiento a la ruptura ≥2%; Si el cizallamiento es excesivo durante la extrusión, el alargamiento en el descanso caerá a menos del 1%.

2. Microestructura

   • La cristalinidad de la hoja de PP debe controlarse al 55%-65%; Demasiado alto conducirá a un aumento de la fragilidad de la lámina;
   • El grado de orientación de la cadena molecular de las hojas de PLA debe ser <15%, lo que puede evaluarse observando fenómenos de birrefringencia con un microscopio polarizador.

(B) Defectos típicos y correlación de adaptabilidad del equipo

• Fractura de fusión (común en PS/PLA) :
  La causa puede ser una velocidad de corte de tornillo demasiado alta (velocidad de corte PS> 1000S⁻¹) o ángulo de entrada de troquel demasiado grande, que requiere una velocidad de rotación reductora y optimizando el ángulo de la sección de convergencia de la matriz a 15 ° -20 °.
• Amarillento de la hoja (común en PS/PLA) :
  Indica la ocurrencia de degradación térmica, lo que necesita verificar si la temperatura de la sección de homogeneización excede el límite superior de PS de 240 ° C o si hay un área de sobrecalentamiento local en el barril PLA (como la falla del termopar).

VI. Evaluación extendida de la adaptabilidad de procesamiento sostenible

Para los materiales con base en bios como PLA, además de los indicadores de procesamiento tradicionales, también se debe prestar atención a:

• Eficiencia energética : El consumo de energía de extrusión de PLA es aproximadamente 1.3-1.5 veces mayor que el de PP, lo que requiere la evaluación de la coincidencia entre la potencia de calentamiento de tornillo y la eficiencia de enfriamiento (densidad de potencia de calentamiento recomendada ≤0.3kw/kg · h);
• Producción limpia : Los materiales residuales en el equipo después del procesamiento del PLA deben limpiarse con agentes de limpieza especiales (como el alcohol isopropílico) para evitar la contaminación cruzada con otros materiales, evaluando la conveniencia del desmontaje del tornillo (como la estructura de brida de liberación rápida).

Vii. Construyendo un modelo de evaluación de adaptabilidad multidimensional

The evaluation of single-screw extruder adaptability to PP/PS/PE/PLA needs to take the logical chain of “material characteristics-equipment structure-process parameters-product quality” as the core, form a closed-loop evaluation system through customized screw geometric parameters (such as high compression ratio for PP, low-shear mixing section for PLA), collaborative optimization of temperature-pressure-rotation speed (such as Estrategia de presión baja a baja temperatura para PS), combinada con el monitoreo en tiempo real de la microestructura del producto y las propiedades físicas. Para nuevos materiales (como PLA), los indicadores de procesamiento sostenible también deben incorporarse al marco de evaluación, promoviendo la actualización del equipo de la "adaptación de un solo material" a la "producción verde de compatibilidad multimaterial". El establecimiento de este sistema de evaluación no solo proporciona soporte teórico para la optimización del proceso de extrusión de hoja, sino que también ofrece una base técnica para el diseño modular de equipos de extrusión de un solo tornillo.