Смешение ПВХ для экструзии жестких изделий

После того, как вы приготовили смесь – все остальные операции только ухудшают качество композиции.

Внимание: Высокая скорость смешения – это технологическая необходимость, польза от которой в виде быстрого истирания компонентов превышает вред в виде гравитационного расслоения смеси.

Три основных правила приготовления смеси:

1. После того, как смесь приготовлена – изменить ничего нельзя. Можно только подправить или добавлять эту смесь при смешении малыми порциями.
2. Смесь – это нестабилизированный ПВХ, это равномерно распределённый набор компонентов. Стабилизация начнётся после плавления, а пока обращайтесь с ней как с нестабилизированным ПВХ – нежно и аккуратно.
3. В технической системе: Рецептура – Процесс переработки – инструмент, изменением двух можно уменьшить влияние третьего. Процесс изготовления изделий из ПВХ состоит из нескольких этапов, каждый из которых решает свои, строго специфические задачи.

В общем процессе изготовления изделий можно выделить четыре отдельных технологических процесса, в ходе которых решаются следующие задачи:

• Смешение компонентов смеси ПВХ, с достижением максимальной гомогенизации и последующей стабильности смеси (отсутствие расслаивания);
• Пластикация и диспергирование агломератов частиц ингредиентов смеси ПВХ до их исходного размера, при котором пластицированная смесь приобретает наиболее эффективную структуру и форму, и позволяет получить правильную морфологию изделия;
• Удаление летучих компонентов, в том числе мономеров ПВХ, влаги и воздуха;
• Формирование изделия в конечную форму, её стабилизацию и охлаждение.

В этой статье мы опишем первую и частично вторую задачи, напрямую связанные с процессом смешения композиции ПВХ для производства жестких изделий методом экструзии. Более подробно вторую и третью задачи опишем в статье «Коротко о свойствах ПВХ, в разрезе экструзии жёстких композиций и Правила нормальной переработки гранулы ПВХ».

Первое, что нам необходимо для экструзии изделий из ПВХ – отработанная рецептура. Неизвестная рецептура тоже будет работать, но будет дороже и/или не будет давать качества и/или вообще не будет формироваться и/или обладать необходимыми потребительскими качествами. Подбору правильной рецептуры и правильных ингредиентов будет посвящена отдельная статья «Рецептура».

А по сему, будем считать, что у вас отработанная рецептура и качественные ингредиенты, проверены термодатчики (иначе смесь может сгореть при нагреве свыше 130 °C) и не изношены лопасти на смесителе, и задача этой статьи описать технологический процесс смешения компонентов смеси ПВХ.

Качество готового продукта экструзии ПВХ на 30% зависит от рецептуры, на 30% зависит от правильности приготовления смеси и грануляции (приготовление смеси и грануляция вместе называется компаундирование) и на 40% зависит от экструзии, формирования изделия и его последующей калибрации. А цель у всех этапов одна – получить изделие с правильной структурой. Только в этом случае мы можем получить изделие с хорошими параметрами по ударной стойкости, износостойкости, устойчивости к воздействию атмосферных явлений, низкотемпературной прочностью, с однородной поверхностью и многими другими факторами.

Даже если вы произвели загрузку компонентов в правильном порядке (система ПВХ и внутренние смазки ⇨ смешение до 80 °С + наполнитель ⇨ смешение до 90 °C + горячий пластификатор ⇨ смешение + внешние смазки и красящая группа ⇨ смешение до 120 °C ⇨ выгрузка) в результате, на выходе из горячего смесителя, вы не получите дисперсию компонентов в ПВХ, только их механическую смесь, устойчивую к расслоению. И только после грануляции и последующей переработки в изделие вы получите необходимую дисперсию и ПВХ композиция сможет проявить свои качества в полной мере.

Что значит получить максимальную дисперсию всех компонентов в ПВХ?

Когда мы засыпаем компоненты смеси в смеситель, они представляют собой смесь микрогранул и частиц компонентов с размерами от 50 мкм до нескольких миллиметров. При этом микрогранулы ПВХ представляют собой свободно текущие частицы порошка, размером от 100 до 250 мкм, сформированные агломерированными первичными частицами ПВХ, размер которых примерно 1 мкм. Начинается такая агломерация при полимеризации мономера винилхлорида, продолжается при его сушке и транспортировке за счёт электростатических сил и сил гравитации.

Аналогичным образом дело обстоит и со всеми остальными компонентами. Поэтому, когда мы говорим о дисперсии, понимаем под этим разрыв агломерированных частиц ПВХ до размера первичных частиц и равномерное распределение между ними всех компонентов смеси, разорванных до элементарных частиц, путём приложения механической и температурной деформации. Плохо агломерированные частицы ПВХ неправильно распределят между собой смазки, стабилизаторы, красители и это проявляется на поверхности в виде поверхностных дефектов типа точке, «рыбий глаз», гели, трещины и т. д. Все эти дефекты – плохое смешение компонентов. Последующая грануляция смеси полностью устраняет указанные дефекты. Поэтому гранула ПВХ – наилучший способ переработки ПВХ в изделие.

Под механической деформацией в процессе смешения компонентов ПВХ в вихревом скоростном смесителе понимаем воздействие лопастей смесителя, имеющих три угла атаки в верхней части плоскости и два угла атаки в нижней плоскости. Задача верхних углов атаки – разбить, подбросить и закрутить, нижних – оторвать от дна смесителя и подбросить над лопастью. Неправильная геометрия лопастей при изготовлении, износ в процессе работы или не правильная установка в смесителе – прямой путь к бракованной продукции. Но все эти проблемы исчезают при грануляции компаунда. Определить износ лопастей очень просто – если потеряли острые кромки перехода от одного угла к другому – это сильный износ лопасти и нужно перетачивать, если лопасти скруглились – нужно менять.

В результате механической активации, внутреннего трения и трения о стенки смесителя компаунд нагревается. Обычно его нагревают до температуры 120 – 130 °C. Этого достаточно, так как температура выше, чем температуры:

• плавления восков – воски могут нормально распределиться;
• температуры стеклования – диффузия стабилизаторов и пластификаторов в ПВХ, после точки стеклования диэлектрическое сопротивление ПВХ падает на 4 – 6 порядков, ПВХ теряет электростатический заряд и зёрна начинают истираться, что ведёт к частичному разрушению агломератов;
• кипения воды – вода испариться и её можно вывести из смеси;
• релаксация агломератов частиц ПВХ – за счёт уменьшения количества свободных пор – увеличить насыпной вес готовой смеси для увеличения наполнения шнеков (о проблеме наполнения шнеков смотри «Правила нормальной переработки гранулы ПВХ и «Проблема заполнения шнеков смесью);
• диффузии мономера ПВХ из смеси;

Сам процесс смешения компонентов смеси в вихревом скоростном смесителе состоит из шести этапов:

1. Загрузка компонентов;
2. Распределение компонентов смеси по объёму смесителя на низкой скорости;
3. Истирание и нагревание компонентов на высокой скорости;
4. Смешение и выгрузка из горячего смесителя на низкой скорости в холодный смеситель;
5. Охлаждение смеси и выгрузка в зону релаксации смеси;
6. Релаксация и созревание смеси.

Загрузка смеси. Правильно проводить посредством шнековых погрузчиков, пневмо – системы и подачи компонентов насосов. Для того, чтобы загрузить компоненты в правильном порядке: система ПВХ и внутренние смазки ⇨ смешение до 80 °C + наполнитель ⇨ смешение до 90 °C + горячий пластификатор ⇨ смешение + внешние смазки и красящая группа ⇨ смешение до 120 °C ⇨ выгрузка; вам необходимы шнековые погрузчики отдельно для системы ПВХ и наполнителя, подача насосом жидких компонентов и пневмоподача наружных смазок и красителей.

Загрузка компонентов смеси из мешков в горячий смеситель ведёт к повышенному износу оборудования, опасен для жизни (вылет мономера ПВХ (ЯД)) при ударе о стенки горячего смесителя, физически тяжёл (поднимание на высоту мешков по 25 кг). При загрузке в ёмкость шнекового погрузчика высыпать компоненты следует через рассекающие сетки, мешки вскрывать аккуратно, не допуская попадания в смесь ниток и грязи с мешков, обрезков их ПП мешковины. Нитка, попавшая в смесь, имеет свойство наматываться на ось вала, вбирать в себя абразивные элементы смеси, нарушать чистоту обработки поверхности вала и в дальнейшем, «убивает» сальник вала. Испорченный сальник вала пропускает в смеситель смазку подшипника, а в подшипник – мел, «убивая» при этом смеситель.

Распределение компонентов смеси по объёму смесителя. Проводится на низкой скорости. Гравитационное выравнивание компонентов смеси, необходимое для уменьшения нагрузки на двигатель при переходе на повышенную скорость. При недостаточном распределении главный двигатель горячего смесителя получает удар, что сокращает его ресурс.

Истирание и нагревание компонентов. Интенсивное перемешивание компонентов смеси на высокой скорости путём формирования тора из компонентов смеси, перенаправление части смеси в верхней точке в центр смесителя на отбойниках и формирование верхней крышки тора из перенаправленной и частично заторможенной части смеси. Смесь набирает электростатический заряд и объём смеси увеличивается в размере до достижения температуры стеклования (75 – 80 °C), после чего объём смеси уменьшается и начинается интенсивное истирание компонентов смеси ПВХ. Вот почему очень важно иметь на горячем смесителе два независимых контура заземления. При отсутствии заземления смесь начинает светиться от электростатических зарядов, и возможна интенсивная деструкция от жёсткого УФ излучения, вызванного такими зарядами. Бороться с электростатикой можно тремя способами: два независимых контура заземления; ионизация воздуха с помощью электрических ионизаторов или радиоактивных источников (есть в старых дозиметрах или новых датчиках дыма); наилучший результат достигается при смешении в переменном электростатическом поле.

Внимание: Высокая скорость – это технологическая необходимость, польза от которой в виде быстрого истирания компонентов и нагревания смеси превышает вред в виде гравитационного расслоения смеси, при котором наиболее тяжёлые компоненты смеси, такие как стабилизаторы, TiO2, CaCO3 выбрасываются наружу к стенкам смесителя, а лёгкие компоненты накапливаются ближе к центру.

1. Обязательно последний этап нагревания проводят на малой скорости до достижения рабочей температуры 120 – 130 °C.
2. Смешение и выгрузка из горячего смесителя в холодный смеситель. Как сказано выше, смешение проводится на малой скорости смесителя и по достижению необходимой температуры проводится выгрузка из горячего в холодный смеситель на малой скорости. Контролируется по нагрузке на двигатель и звуку.
3. Охлаждение смеси и выгрузка в зону релаксации. Производится до температуры 40 – 45 °C в холодном смесителе, который обычно, имеет минимум двойной объём от объёма горячего, с целью срочной выгрузки из горячего, при необходимости. На практике целесообразно охлаждать одновременно две партии горячего смешения для ускорения процесса путём большего использования площади холодного смесителя и с целью гомогенизации партий смеси.
4. Релаксация и созревание смеси. Охлажденную до температуры 40 – 45 °C смесь выгружают в промежуточную ёмкость и оставляют созревать в течение 24 часов. При этом, за счёт электростатической релаксации, смесь уплотняется, насыпной вес увеличивается.
5. По насыпному весу можно частично судить о качестве приготовленной смеси. После холодного смесителя насыпной вес смеси должен быть в пределах 725 – 790 г/л, после созревания 770 – 990 г/л.v.

Можно ли перерабатывать не созревшую смесь? Можно. Проблема не созревшей смеси в её высоком электростатическом заряде. В составе смеси два основных (по объёму) компонента – ПВХ и мел. В трибологическом ряду ПВХ заряжается отрицательно, а мел положительно и, вроде как, должны электростатически «приклеиваться» друг к другу. Но мел, для гидрофобизации, обработан стеариновой кислотой, которая, как и ПВХ заряжается отрицательно, а одноимённые заряды, как известно, отталкиваются. Вот и получается, что несозревшая смесь пытается всеми силами расслоиться, налипнуть на любую поверхность и скомкаться – в общем произвести любые действия, которые помогут ей избавиться от избыточного электростатического заряда. Из – за расслоения и низкой насыпной плотности, такая смесь очень плохо перерабатывается в изделие, образуя на поверхности множество мелких белых точке – агломератов мела, который быстрее чем ПВХ отдаёт заряд и слипается в агломераты. Но это справедливо для переработки смеси в изделие и полностью отсутствует при гранулировании смеси, так как при последующей переработке гранулы, такие агломераты прекрасно растворяются в гомогенизированном потоке.

Теперь о двух ошибках, достаточно часто встречающихся при смешении компонентов ПВХ, и приводящих к серьёзным проблемам при экструзии:

1. неправильный расчёт объёма загрузки смесителя;
2. герметизация горячего смесителя.

Неправильный расчёт объёма загрузки смесителя. Для правильной работы смесителя необходимо соблюдать технологический режим, который в части загружаемых объёмов смеси, рассчитывается исходя из насыпных весов компонентов. Для нормально процесса смешения мы должны загрузить 0,4 – 0,7 объёма смесителя. Если меньше – сильно удлиняется процесс нагревания, если больше – смесь может сорвать крышку смесителя, и/или сформируется неправильный тор и процесс дисперсии не пройдет в необходимом объёме. Опять – таки, это в основном касается переработки смеси без гранулирования, так как гранулятор – это двушнековый конический экструдер, имеющий превосходные вымешивающие характеристики. Для расчёта, насыпные веса компонентов берутся по минимальным значениям с учётом того, что смесь в начале смешения приобретает сильный электростатический заряд и в «спушивается». Для ПВХ берём насыпной вес 0,5 кг/л, кальцит (мел) – 0,9 кг/л, остальные компоненты, имеющие разные насыпные веса и суммарную дозировку 10 кг, принимаем равными 10 литрам.

Пример: смеситель 300 литров – полезный объём 300 × 0,7 = 210 литров. Минус 10 литров комплекс – остаётся 200 литров. Если мы берём 75 кг ПВХ (3 мешка – не надо взвешивать порции) – они занимают 75 ÷ 0,5 = 150 литров, мы работаем с наполнением 50 массовых частей кальцита – 37,5 кг, которые занимают 37,5 ÷ 0,9 =41,7 литра. Итого 150 +41,7 + 10= 201,7 литра. При таком расчёте смесь будет прекрасно диспергироваться и получится хороший результат. Но любой рабочий смесительного отделения захочет уменьшить количество смесительных циклов и увеличить производительность, для чего добавит замес 25 кг ПВХ и кальцита, соответственно пойдёт 50 кг (два мешка – опять – таки, не надо взвешивать). Вроде как на пользу должно пойду, но 100 кг ПВХ займёт объём 200 литров, 50 кг кальцита займёт объём 56 литров, плюс 10 литров остальных компонентов даст суммарный объём 260 литров. А это многовато. И, к сожалению, на многих предприятиях идут по такому пути «экономии» и получают отрицательный результат в виде поверхностных и других дефектов. Опять – таки, это касается переработки смеси без гранулирования. Показателем неправильной загрузки смесителя будет низкий насыпной вес смеси.

Герметизация горячего смесителя. Все вихревые скоростные смесители работают либо с системой вакуумирования, либо по открытой схеме через систему матерчатых фильтров. Влажность ПВХ и кальцита, поступающего к вам в мешках, около 0,3% по паспорту, но на практике может достигать до 1%. Будучи загружены в 300 литровый смеситель 201,7 кг компонентов при 0,3% содержат в себе 0,6 литра влаги, которая при нагревании до 120 °С в виде пара займёт объём 170 литров и повысит давление в герметичном смесителе, заполненном компонентами смеси примерно в два раза.

Если у вас прекрасно работает вакуумный насос – не проблема. Он успеет откачать испаряющуюся влагу. Если открытая система, то пар выйдет через матерчатые фильтры, которые просто намокнут и будут влажными (при условии, что площадь матерчатых фильтров уравновешена скоростью испарения жидкости с поверхности фильтра). Но если ваша система герметизирована, или вакуумный насос забит (плохо работает) – вы сразу увидите это на изделии в виде множества точек на поверхности (особенно под микроскопом), розовой смеси ПВХ от деструкции, матовой поверхности изделия из – за выгоревших смазок и т.д. Вслед за этим, вас ожидает замена сальника приводного вала горячего смесителя, замена всех уплотняющих резин и много, много брака. Горячий пар усиливает усталостную ломкость металла лопастей смесителя.

Признаками описанных выше явлений – частичная агломерация ПВХ – композиции в смесителе, в виде различных форм окатышей, размером 1 – 5 мм и точек и/или дырок на поверхности. Если вы обнаружили окатыши, размером больше 5 мм, вплоть до размера 15 мм – то, чаще всего, это работа модификатора перерабатываемости, которая описана в статье «Рецептура».

Но, даже выпарив влагу при горячем смешении, полностью от неё не избавиться не получится, так как она постоянно присутствует в окружающем воздухе и конденсируется на стенках холодного смесителя постоянно.

Рассмотрим пример. Температура воздуха в помещении 30 °C (может содержать до 30 г/м3 влаги), влажность 90%, значит точно содержит 27,36 г/м3 влаги и точка росы для этих параметров 28,2 °C (можно поднять температуру охлаждающей жидкости до 30 °C, но измерять температуру нужно на входе в смеситель и скорость охлаждения уменьшится в несколько раз), температура охлаждающей жидкости 15 °C, объём холодного смесителя 600 литров и, значит, воздух, находящийся в смесителе содержит 17 г/м3 влаги. Каждый раз, выгружая из горячего смесителя 200 литров сухой смеси, мы вытесняем из холодного смесителя 200 литров воздуха, осушенного на холодных стенках, а выгружая из холодного остывшую смесь, засасываем 250 литров влажного воздуха, содержащего 8 г/м3 влаги, добавляя её к 17 г/м3 изначальной влаги. И этот цикл повторяется каждый раз. Эта влага находит в смеси плохо гидрофобизированный мел и «приклеивает» его к холодным стенкам смесителя, ухудшая теплообмен между смесью и смесителем. Накапливаясь, налипший мел, в количестве 20 – 35 кг обрушается и «убивает» замес. И, что самое худшее – обрушение мела мы заметим только в экструдере по возросшей нагрузке на главный привод и полному браку продукции. Количество брака, которое мы получим – примерно 1,5 замеса. Частичные обрушения мела в этой ситуации происходят постоянно и приводят к появлениям множества точек на поверхности.

Чтобы избежать описанной выше ситуации, есть три варианта:

• добавлять гранулу ПВХ в смесь – очень распространённая ошибка (гранула уничтожает резинки запорных клапанов, и они очень быстро выходят из строя);
• не опускать температуру охлаждающей жидкости холодного смесителя ниже 36,6 °C (точнее точки росы для температуры окружающего воздуха по таблицам);
• продувать холодный смеситель осушенным воздухом.

Получить осушенный воздух достаточно легко методом дросселирования – берём большой кислородный баллон или баллон из – под углекислого газа, снизу ставим сливной кран, на высоте ¼ от низа тангенциально сверлим отверстие и вставляем дроссель, диаметром до 1 мм. И через него подаём воздух в баллон. Осушенный воздух забираем из верхней части баллона и через электромагнитный пневмоклапан выгрузки (или параллельно ставим ещё один) подаём в холодный смеситель. Открыли холодный смеситель на выгрузку – подаём осушенный воздух. Закрыли – не подаём. Вот и всё решение проблемы.

Вкратце, это достаточный уровень знаний для организации работы смесительного отделения. Этот технологический процесс необходимо организовать должным образом, потому что он даёт примерно 30% качества вашей продукции.

И, наверное, по описанным выше причинам и с учётом нормы, равной 1 ppm мономера винилхлорида за 8 часовой рабочий день, весь цивилизованный мир работает на грануле ПВХ, оставляя смешение и грануляцию специализированным предприятиям, которые благодаря своим научным разработкам получают изделия с удельным весом от 1,18 до 1,46 кг/дм3, а реалии наших производителей – удельные веса от 1,53 до 1,8 кг/дм3 и многие считают это экономически оправданным.

Давайте посчитаем вместе: если сегодня стандартным считается удельный вес при (наполнении 50 массовых частей мела) – 1,6 кг/дм3, то экономия при удельном весе 1,26 кг/дм3 составляет 24 % за килограмм или 27 % дм3. Такая экономия эквивалентна наполнению мелом до 100 массовых частей, при этом нет необходимости так часто останавливать экструдер для чисток.

Размещение согласовано с автором. Источник sevenplast.biz

У компании Химстаб вы можете заказать добавки для полимеров, для заказа свяжитесь с сотрудниками по номеру: +7 (495) 789 86 77. Также можно отправить запрос на e-mail нашей компании: info@himstab.ru. На цену влияет объем приобретаемой партии продукции. Обращайтесь, мы гарантируем качество наших материалов.