Рисунок 1: Экструзионная машина.

Содержание

1. Введение
2. Процесс экструзионного формования
3. Проблемы экструзии полимеров и управления процессом
4. Rheonics Вискозиметр для поточного процесса SRV
   • Интеграция данных
   • Параметры установки
     • Перпендикулярная установка
     • Параллельная установка, вставленная в колено
     • Параллельно вставленный инлайн – Адаптация процесса изготовления пластинчатых ячеек – SRV Stargate

• • Основные соображения по установке
    • • Зона чувствительности, контактирующая с жидкостью
      • Высокая температура
      • Высокое давление
      • Технологическое соединение зонда и герметизация
      • Пределы зонда при перпендикулярной установке

Введение

Экструзионное формование — высокоэффективный и универсальный производственный процесс, используемый в различных отраслях промышленности для производства непрерывных профилей, таких как трубы, листы, пленки и т. д. Он обеспечивает высокую скорость производства, эффективное использование материалов и возможность создания сложных форм поперечного сечения с сохранением качества. Экструзионное производство играет важную роль в мировом производстве полимеров и пластиков. В последние годы достижения в области автоматизации, мониторинга процессов в режиме реального времени, разработки экологичных материалов, а также растущая актуальность процессов переработки, позволили повысить точность и снизить воздействие на окружающую среду за счет сокращения отходов.

Мониторинг процесса в режиме реального времени играет ключевую роль в обеспечении высокого качества продукции. Значительные успехи были достигнуты в области мониторинга температуры и давления в процессах экструзии. Однако, несмотря на то, что встроенный мониторинг вязкости является одним из важнейших факторов, влияющих на течение расплава и заполнение фильеры, даже более значимым, чем температура и давление, он столкнулся с многочисленными проблемами. Были протестированы различные методы измерения вязкости, которые давали лучшие или худшие результаты, связанные со стоимостью, калибровкой, повторяемостью и т. д., что влияет на уверенность оператора. В этих условиях Rheonics Встраиваемый вискозиметр SRV позволяет проводить повторяемые измерения вязкости в жестких условиях работы экструзионных машин, тем самым заполняя пробел в комплексном контроле процесса экструзии полимеров.

Процесс экструзионного формования

Экструзию можно определить как непрерывный производственный процесс, используемый для создания объектов (экструдата) с постоянное поперечное сечение путем продавливания расплавленного материала через фильеру или отверстие для формирования формы. Экструдер также может использоваться как часть других производственных процессов (термоформование, литье под давлением, выдувное формование и т. д.). Экструзия широко используется в пластик, металл и резина отрасли по производству таких продуктов, как трубы, трубки, листы, пленки и профили.

Основное внимание в этом исследовании уделяется экструзии полимеров. В отличие от экструзии металлов, экструзия полимеров может осуществляться непрерывно, пока материал подается в экструзионную машину. Экструзия используется в основном для термопластиков, но эластомеры и термореактивные материалы также могут быть обработаны.

Экструзионная машина обычно состоит из следующих частей. бункер, куда подается полимерный материал. А подающий шнек находится в постоянном вращении вдоль баррель. Винт приводится в действие моторный привод блок и редуктор и заставляет материал течь через умереть. Нагревательные элементы, расположенные над стволом при контролируемой температуре, размягчают и расплавляют полимерный материал. После штампа может использоваться форма с одной или несколькими полостями, где расплавленный материал охлаждается, чтобы принять форму желаемого объекта. Некоторые машины используют шестеренчатый насос между концом ствола и матрицей для поддержания четко определенного постоянного давления в выходящем материале.

Способность узла шнека и цилиндра экструдировать заданный материал зависит от характеристик пластикового материала, характеристик или конструкции шнека и цилиндра, а также условий, в которых работает система.

Рисунок 2: Основные части машины для экструзии полимеров.

Проблемы экструзии полимеров и управления процессом

Полимерная экструзия — сложный процесс, требующий точного контроля множества параметров для обеспечения высококачественного результата. Несмотря на достижения в области технологий, в процессе экструзии и системах ее управления сохраняется ряд проблем. Эти проблемы могут повлиять на однородность продукта, эффективность и общие производственные затраты.

Ключевыми параметрами процесса являются скорость вращения шнека, температура головки и цилиндра, вязкость расплава, температура расплава, массовый расход, давление расплава, скорость охлаждения и т. д. [1]. Температура и давление считаются наиболее распространенными контролируемыми параметрами в процессе экструзии благодаря наличию множества доступных технологий. Однако вязкость расплава (описываемую как сопротивление жидкости течению) нелегко измерить или контролировать в линии, несмотря на то, что она является одним из важнейших параметров в процессе. Вязкость расплава связана с несколькими характеристиками, такими как:

• Толщина материала (мм)
• Силы
• Постоянное поперечное сечение
• Постоянство состава жидкости – однородное смешивание наполнителя, волокон, красителей и т. д.
• Потребление энергии
• Термическая деградация

Высокая вязкость расплавленной жидкости может привести к плохому потоку, избыточному давлению и засорению головки, что приводит к дефектам, таким как шероховатость поверхности и коробление. Напротив, низкая вязкость может привести к провисанию, чрезмерной усадке или слабым механическим свойствам. Тогда целью будет поддержание вязкости как можно более постоянной в процессе экструзии.

В большинстве случаев пластмассы являются псевдопластичными материалами, что означает, что они становятся менее вязкими (легче текут), когда их перемещают (сдвигают) быстрее. Поэтому не существует линейной зависимости между давлением и потоком, а также между напряжением сдвига (силой на единицу площади, измеряемой в основном в Па) и скоростью сдвига (скоростью движения параллельных слоев жидкости, измеряемой в с-1).

В настоящее время не существует подходящего встроенного датчика для мониторинга вязкости в режиме реального времени в экструзионных расплавах. Капиллярные реометры — это хорошо известные лабораторные приборы, используемые для изучения реологических свойств полимеров. Они используют поршень для продавливания расплава через капиллярную (очень тонкую) фильеру, которая имитирует процесс, происходящий в экструзионной машине. Несмотря на то, что этот прибор является общепризнанным инструментом для измерения вязкости, он не позволяет получать данные о состоянии расплава в режиме реального времени. Основные проблемы этого метода:

• Требуется взятие образцов
• Не совсем репрезентативно
• Не непрерывный мониторинг
• Требуется значительное техническое обслуживание и ремонт

Rheonics Вискозиметр для поточного процесса SRV

СРВ — это Rheonics Встроенный вискозиметр, подходящий для широкого диапазона вязкости, температуры и давления. Rheonics SRV использует очень компактный датчик с простой инструкцией по установке, не требующий обслуживания и повторной калибровки. Компактная конструкция SRV обеспечивает пользователям широкий выбор вариантов установки, например, показанных на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3: Rheonics Встраиваемый вискозиметр SRV slimline с резьбовым соединением.

Интеграция данных

Rheonics SRV обеспечивает визуализацию ключевых параметров, таких как динамическая вязкость и температура, в режиме реального времени в экструзионных машинах. Датчик легко интегрируется в локальные системы мониторинга и управления благодаря мощному электронному блоку, поддерживающему несколько промышленных протоколов. Подробнее см. Электроника Rheonics Страница.

Rheonics Датчики также сохраняют данные измерений и состояния датчика в бортовом архиваторе. Этот автоматический регистратор доступен через Rheonics Программное обеспечение RCP полезно для исторического просмотра контролируемых параметров.

Параметры установки

Перпендикулярная установка

Rheonics SRV располагается перпендикулярно потоку расплава с достаточной глубиной погружения для контакта чувствительного элемента зонда с жидкостью.

Главное преимущество этой установки в том, что она, вероятно, самая простая из всех для установки. SRV может быть установлен в существующих портах, используемых датчиками температуры или давления, с основным отличием в том, что зонд SRV должен торчать в линии, это интрузивный и инвазивный зонд.

Однако эта перпендикулярная установка имеет главный недостаток, заключающийся в том, что зонд подвергается большой изгибающей силе из-за высокой вязкости и скорости жидкости. Вязкая нагрузка может быть проблемой для стандартного зонда SRV при перпендикулярной установке, добавляя слишком много шума или повреждая зонд. Для связи между размером линии и ограничениями массы или объема см. раздел «Ограничения зонда при перпендикулярной установке» или статью Зонды SR для высоковязких жидкостей и высоких скоростей жидкости.

Основными факторами, которые следует учитывать при такой установке, являются размер линии, скорость жидкости или расход и диапазоны вязкости. Размер линии должен быть больше 50–55 мм (2”), чтобы чувствительный элемент зонда SRV мог быть правильно подвергнут воздействию жидкости. Диапазоны скорости жидкости и вязкости сравниваются с таблицей в разделе «Ограничения зонда при перпендикулярной установке», чтобы проверить силы, которым будет подвергаться зонд. Rheonics предлагает SRV-HP для случаев высокого давления и больших изгибающих усилий.

Рисунок 5: Rheonics Перпендикулярная установка SRV в экструзионной линии.

Параллельная установка, вставленная в колено

Некоторые экструзионные машины имеют колено прямо перед матрицей для размещения измерительных приборов, таких как датчики температуры, аксиально потоку. Это также может быть использовано для Rheonics Встроенный вискозиметр SRV для параллельной установки.

Здесь главным преимуществом является уменьшение силы, действующей на зонд со стороны жидкости, по сравнению с перпендикулярной установкой. Параллельная установка также удерживает чувствительный элемент в центре линии, избегая отложений, которые могут повлиять на показания. SRV-X6 Тонкий зонд может использоваться для минимального перепада давления и совместим с линиями диаметром менее 50–55 мм (2 дюйма).

Основным ограничением этой установки является использование колена перед матрицей. Это требует большого вмешательства в машину и изменяет ориентацию экструдируемого материала, что делает этот вариант установки подходящим только для экструдеров, в линии которых уже есть колено. Кроме того, эта установка может страдать от загрязнения или застоя жидкости вокруг основания датчика на стенке колена. Это не влияет на показания, но нежелательно ни в одной линии.

Рисунок 6: Rheonics Параллельная установка SRV в колене экструзионной линии.

Параллельно вставленный инлайн – Адаптация процесса изготовления пластинчатых ячеек – SRV Stargate

Rheonics Stargate-SRV-EM, также называемый Stargate Variant, предназначен для размещения зонда SRV, подвешенного в центре линии, установленной в технологических трубах, как в адаптере пластинчатой ​​ячейки. Преимуществами этого решения являются его устойчивость к высоковязким и высокоскоростным жидкостям, а также снижение вероятности образования отложений.

Для такой установки обычно требуется расширение секции линии, и для некоторых клиентов такое вмешательство может оказаться невозможным из-за затрат, доработки или проблем с терморегулированием.

Обратите внимание, что задняя сторона зонда обращена к жидкости, это необходимо для выдерживания больших усилий. Кроме того, вариант SRV Stargate необходимо заказывать того же размера, что и экструзионная линия, если только в линии нельзя использовать адаптеры для уменьшения и расширения.

Рисунок 7: Rheonics Параллельная установка «вафельных ячеек» SRV на экструзионной линии.

Основные соображения по установке

Зона чувствительности, контактирующая с жидкостью

Rheonics Основным требованием к установке вискозиметра SRV является погружение чувствительной области в жидкость без отложений или скоплений жидкости, так как они могут повлиять на показания. Зона обнаружения SRV показана на рисунке 8.

Рисунок 8: Зона обнаружения SRV.

Высокая температура

Для процессов экструзии обычно требуется температура жидкости в диапазоне от 180 до 220˚C (от 360 до 430˚F). Она может варьироваться в зависимости от материала, скорости и конструкции шнека. Rheonics Вискозиметр SRV Inline можно настроить на температуру до 285°C (545 °F). Пользователь должен выбрать правильный температурный диапазон во время заказа. В следующей таблице показаны температурные диапазоны для зонда SRV. Некоторые процессы экструзии могут достигать очень высоких температур, до 350/370 °C (670/700 °F), в этом случае мы предлагаем вам связаться с нами Rheonics Команда поддержки в для дополнительной информации.

Таблица 1: Температурные показатели встроенного вискозиметра SRV

Примечание: Кабель датчика и сенсорная электроника имеют различные температурные пределы, которые не следует превышать.

Высокое давление

Процессы экструзии могут достигать очень высоких давлений, до 10,000 670 фунтов на квадратный дюйм, 70 бар или XNUMX МПа. Еще раз, Rheonics SRV должен быть настроен соответствующим образом.

Таблица 2: Номинальные значения давления встроенного вискозиметра SRV для экструзии

Технологическое соединение зонда и герметизация

Для применений с высоким давлением и зонд, и технологическое соединение должны быть рассчитаны на ожидаемый диапазон давления. Для перпендикулярной установки Rheonics обычно предлагает интерфейс резьбы G1/2". В то время как для параллельного локтя можно использовать фланцевое или резьбовое соединение. Вариант установки пластинчатой ​​ячейки может быть интегрирован через интерфейс фланца заказчика с использованием O-Ring или металлическая пломба. Существующие установочные порты на машине можно повторно использовать для монтажа Rheonics сенсорный зонд.

Контакты Rheonics Команда поддержки в для обсуждения подходящих вариантов установки на ваших экструзионных машинах.

Пределы зонда при перпендикулярной установке

При определенных условиях высоковязкие жидкости могут повлиять на зонд SRV при использовании перпендикулярной установки. Изгибающие силы, вызванные потоком жидкости, могут повредить зонд (рисунок 9). Силы, как правило, зависят от вязкости и скорости жидкости. Следующий график показывает связь между скоростью жидкости в м/с и динамической вязкостью в Па.с. Клиенты могут использовать график, чтобы определить, могут ли условия процесса повредить стандартный зонд SRV.

Рисунок 9: Изгибающие силы, действующие на зонд из-за вязкости и скорости жидкости.

Рисунок 10: График, показывающий скорость жидкости по оси X и максимально допустимую динамическую вязкость по оси Y для SRV.

Обычно для использования SRV в перпендикулярных установках рекомендуется предел в 12 м/с. Превышение этого предела скорости может привести к слишком большому шуму в показаниях или повреждению зонда. В следующей таблице показано, что означает эта скорость для объемного и массового расхода для различных размеров линий.

Узнайте больше о типе-Зонды SR для измерения высоковязких жидкостей и высоких скоростей жидкости.

Референсы

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2665917422000150

2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141391013004497

3. https://www.dynisco.com/userfiles/files/27429_Legacy_Txt.pdf

4. HK Bruss – Измерение вязкости для автоматического управления и контроля равномерности процессов экструзии

5. Rheonics – Зонды SR для высоковязких жидкостей и высоких скоростей жидкости.