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生产线改造助力新型物理发泡工艺
作者:Christian Schlummer
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塑料挤出机展厅
片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ...
原材料成本会显著影响半成品挤出型材的生产成本,因而,降低原材料消耗的技术能够带来可观的利润。采用挤出发泡工艺,可大幅节约原材料成本,但产品质量并不会因此而打折。专门用于CO2/N2物理发泡工艺的设备翻新改造解决方案,可以帮助传统挤出生产线顺利转型。

发泡半成品型材如今的应用领域已经十分广泛,最常见的用途是利用其高膨胀发泡的特殊性能,例如,隔热性能、缓冲性能,或特定的可压缩性能。对于这些用途而言,泡沫的物理特性是至关重要的。然而,有些用途则截然不同,在这些适用领域,发泡产品与非发泡产品的差异并不会对性能产生影响,其真正的意义在于减少原材料的使用量,而同时维持同等性能。这种所谓“重”泡沫甚至被应用到完全意想不到的用途,例如,用于制造胶带的具有泡沫芯层的多层层压产品。食品生产行业的乳制品,以热成型杯装出售,其容器杯也有泡沫芯层。在电缆生产行业,具有中间泡沫层的产品,可具备特殊电气特性。带有发泡芯材的多层技术元件也越来越多地出现在基建领域,往往用作无压下水管道,或者建筑或集装箱结构的板材。

不同的技术

重泡沫产品的密度相对较高,其在终端应用上主要和非发泡产品竞争。由于化学发泡剂的使用相对简单,因而重泡沫产品的这些适用领域主要采用化学发泡工艺。该工艺的主要步骤是将化学发泡添加剂以重量计量,以母料的形式加入原材料,之后随着温度的升高来发泡反应。化学发泡工艺的缺陷在于,发泡添加剂成本较高,化学发泡剂的发泡能力具有一定局限,并且,熔体中会残余化学成分。但化学发泡剂如今仍用于数以万计的高密度产品,可有效减少产品重量达10到50%。

高膨胀泡沫主要采用专用发泡挤出机进行生产,其生产系统的性能已经远超传统挤出生产线。除了需要满足熔体条件和脱模修整这些与加工工艺相关的细节,发泡挤出机还负责预备、注入和均质化混合发泡剂,以及通过调节发泡剂来控制熔体冷却和熔体膨胀,这些功能要求设备的加工组件比传统挤出设备要长。接下来,将物理发泡剂高压注入熔体,随后待熔体在螺杆的混合和剪切区域均质化并冷却。由于模具中存在压力损耗,在设定温度下控制膨胀率,可将熔体和发泡剂形成单相的熔融混合物。由于CFC禁止令的颁布,脂肪族烃,如丁烷和戊烷,已经不可用于发泡生产。相比之下,惰性气体,如CO2和N2,因其低溶解度,会对加工技术的要求更高,但是也同时具备众多超越烃基发泡剂的优势:其适用不受限制,生产成本低;由于是从大气源获得,不会增加全球变暖的压力,CO2也符合生态-政治目标;CO2不可燃、无气味,并且还符合加工领域最关注的焦点—无毒。目前,在生产应用中,使用大气源气体作为发泡剂,已呈现显著增长趋势。对传统烃基生产的硬件设备进行专业改造,便可投入CO2发泡产品的生产。

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化学发泡剂VS物理发泡剂

大气源气体的低溶解度也自有其优势。CO2和N2用于重泡沫生产时,仅需非常低的浓度即可,这些产品以往是采用化学发泡剂来生产的。一言以蔽之,高密度泡沫的适用领域日益增多,究其原因,与其说是技术必要性,不如说更多是出于成本压力,因而亟需可使用大气源气体的工艺学解决方案。对传统挤出设备进行改造以适用物理发泡工艺,可帮助生产商们以低成本迅速进入该技术领域。这样一来,生产商便无须在专用发泡挤出机上一掷千金。不止如此,与化学发泡加工相似,改造后的挤出设备,也可同时用于生产发泡产品和非发泡产品。生产商便能够灵活分配其产能,可缩小传统产品的生产份额,尝试进入发泡产品市场的第一步。下面进一步将物理发泡产品和化学发泡产品,物理发泡成本和化学发泡成本做一直观比较。可看出,物理发泡在短期使用后便彰显出其成本优势(见图1)。

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挤出生产线的改造方案

发泡挤出生产线的改造方案,可满足使用CO2和N2发泡剂的要求,这对于希冀用物理发泡工艺替代现有化学发泡工艺的生产商而言,颇具吸引力,同时,也吸引了那些希望用发泡产品替代现有致密材料的生产商。

瑞士Promix Solutions公司精于物理发泡生产线改造设计,并可根据客户现有挤出生产线的具体情况,来定制解决方案。该公司不计其数的成功案例显示,无须考虑型号或规格,绝大多数传统挤出设备都能够被改造成为发泡挤出机。为了保证提供适用任何特殊情况的最优解决方案,两个重要方面需要考量—现有工厂技术的工艺相关评估和泡沫产品的特定需求。除了来自原材料的物理性能、泡沫产品的泡沫密度和泡孔尺寸分布之外,产品的表面质量在许多实例中也是一项重要的产品质量特性。充分考虑这些特性彼此间的相互影响,以及可能性的限制也非常重要,如,泡沫密度的降低往往伴随着产品机械强度的牺牲,表面特性也与发泡率相关。根据具体情况和加工参数,可对单一特性进行特别调整。具有发泡芯层和致密外层的复合薄膜和板材,便能将轻量化和表面光洁度二者完美结合(见表1)。

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对技术加工的要求,往往直接源自对发泡产品的要求,因而,现有技术决定了改造设备的类型和范围。Promix Solutions可提供两种不同的基础设计—静态解决方案和动态解决方案。两种设计追求的目标都是将发泡剂注入、均质化和冷却步骤整合进现有的挤出设备。哪种方案更适合特定的情况,就要针对待改造的挤出设备,进行具体问题具体分析。因此,目前的厂房空间,挤出机的压力产能和驱动力,以及熔体冷却要求,都需要加以考虑。

静态解决方案

Promix发泡系统的静态解决方案的本质,是将发泡剂的流体注射喷嘴与下游静态混合区相结合。系统安装在挤出机机筒的下游,挤出模具的上游。这一获得专利的工艺优势在于无须改动挤出机的塑化单元。因为静态混合区会天然产生压力损耗,所以,进行改造只需确保安装所需的相应厂房空间,并维持挤出机的储备压力,发泡剂在高压下通过流体控制计量站,这里需要特别注意的是,中低水平发泡所要求的发泡剂量是非常低的,因此必须确保精确的计量,甚至需要精确到1 g/min(见图2)。

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静态混合区的构造具有非凡的意义。Promix Solutions的实验室试验已经显示出,在任何给定的挤出产量下,最大发泡剂可溶解浓度是由混合区的类型和构造决定的。将给定操作点的发泡剂可溶量作为对混合物品质的衡量,图3阐明了混合技术对产生发泡的影响。在给定操作点,通过优化混合区构造,CO2能够被溶解在熔体中的浓度比传统混合区最高可高出3倍。工艺相关参数,例如压力和温度,以及聚合物-发泡剂系统的剪切速率和停留时间,都在聚合物和发泡流体的单相解决方案构造中起到重要影响作用(见图3)。

经过了混合区的优化改造,给定纯静态加工参数及任何产量,都可进行中高水平密度的微孔泡沫产品的生产。如果熔体冷却环节也要求进一步减少泡沫浓度,系统可整合静态熔体冷却机。在Promix管束换热器的帮助下,系统可实现非常高效的熔体冷却。装载熔体的机筒区随后装配上一组弯管,同时也承担了混合组件的职能。弯管通过传热介质可直接调节温度。熔体流经冷却机,在与弯管接触的同时被集中冷却。弯管群的特殊结构,保证了熔体进行持续和完全混合。尽管其容积虽然空出75%,导致热传导表面较大,但也只会引起轻微的压力损耗。

熔体冷却机的结构是根据其冷却任务决定,同时,也会考虑进特殊适用情况的材料和加工数据。结合上述熔体冷却机和改造方案,便可生产出发泡浓度低于化学发泡剂的产品(见图4)。

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动态解决方案

动态改造解决方案,是将静态混合区与动态组分相结合。发泡挤出所要求的额外加工步骤,先在传统塑化机筒的下游加工区域动态进行。根据外部设备情况,塑化机筒扩展至涵盖注入和溶解发泡剂用调节区域。适用的塑化螺杆也被延长至涵盖额外功能组件。如果不适用,将采用专门配置的较长发泡螺杆替代现有螺杆。静态混合区连接动态加工区。专用注入喷嘴将发泡剂注入机筒的扩展区。采用上述工艺,便无须改造现有机筒。从而可在极短时间内便完成现有生产设备的改造,从而避免了因长时间施工造成停产带来的损失。静态/动态机筒区配备有加热带和冷却电扇或者液体温度调节器,从而满足了影响熔体强度所要求的温控需求,这对于发泡工艺来说至关重要。静态混合组件可保持熔体的结构和温度方面完美均质化。如同在静态解决方案中一样,这里也采用料流调整计量站来进行流体准备。发泡剂和熔体的单相解决方案,是在动态组件的加长螺杆上进行,并在静态混合区获得补偿。动态解决方案的优势是几乎不产生任何额外的压力损耗。动态混合区的特殊结构,可充分且高效混合并溶解发泡剂。熔体在机筒表面得以冷却,从而也涵盖了静态熔体冷却功能(见图5)。

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在特定情况下,如现有挤出机机筒的加工长度已经适合发泡生产,机筒就不需要再进行扩展。静态混合机置于挤出模具上游,保障了熔体在结构上和热能上的同质化,这是生产高质量发泡产品的重要先决条件。

工业领域适用

上述改造设计已经在工业产品领域觅得一席之地。经Promix Solutions神来之笔改造的不计其数的发泡系统,已经服务于多个不同领域,其中,挤出生产线产量最高可达1,500 kg/h。改造可成功实现挤出发泡中用物理发泡剂替代化学发泡剂,以及传统挤出生产线到物理发泡挤出生产线的转变。举例来说,欧洲的复合PP板制造商,采用Promix的CO2发泡改造系统,已将其先前使用的化学发泡工艺更新换代。之前总产量为750 kg/h的共挤出生产线,其产品为密度600到650 kg/m3的PP泡沫芯板材,近期经过改造设计可进行物理发泡生产(见图6),每年可节约超过20t化学母料,短短几个月之内便收回了车间技术的投资。由于生产线也配备了静态熔体冷却器,可生产出比化学发泡工艺所产的密度更低的板材(见图7)。这不仅意味着可进一步节约材料成本,也实现了可满足低密度PP泡沫板材的产品要求。

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行业领先的塑料管材制造商已经使用该工艺来生产泡沫芯无压污水管。为此,制造商淘汰了之前的单层致密的PP污水管生产工艺,转型为生产有泡沫芯层的多层管材。Promix发泡系统改造了其主要挤出机,同时,安装新多层管头和辅助挤出机,用于生产管材的内层和外层。尽管在辅助挤出机、多层管材端口和发泡挤出系统上得追加了相应的投资,但25到30%的原材料消耗节约量,使得该投资在短期内便会得到回报。目前包括DN400在内的三种管材规格均可生产,产品也通过了所有相关标准的测试。Promix系统可同时改造这三条挤出生产线(见图8,卷首图)。

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结语

在设备翻新改造方案的辅助下,传统生产线可顺利转型为适用中高密度发泡产品生产的发泡挤出生产线。随着越来越多地探讨多种可能性,微孔发泡产品的潜能也有待进一步发掘。因为改造方案往往是结合现有车间技术来进行设计,所以特定生产车间环境便会起到巨大的影响作用。除了相关的经验,还需采用整体分析法来实施改造。原材料和发泡剂的选择,工艺控制,挤出模具合适与否的判断,这些都涉及到对参数间互相影响的融会贯通。如果对上述方面都给予了充分考虑,生产线进行改造后,可显著降低泡沫挤出生产的成本,生产商的长期市场竞争优势便得以加强。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2014-4-14)
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