단일{0}}나사 플라스틱 압출에서 배럴 히터는 정상 상태 생산 중에 폴리머 용융의 주요 소스가 아닙니다.- 폴리머를 녹이고 온도를 높이는 열 에너지의 대부분은 기계적 구동력이 폴리머 자체 내에서 열로 변환되는 전단 가열에서 발생합니다. 이 원리는 광섬유 케이블 재킷 압출에 직접 적용됩니다. 여기서 정확한 용융 온도 제어는 완성된 케이블의 치수 정확도, 표면 마감 및 장기적인-신뢰성을 결정합니다.
이 문서에서는 단일{0}}스크류 압출기에서 전단 가열이 작동하는 방식, 배럴 히터 설정만으로는 용융 온도를 제어할 수 없는 이유, 이러한 요소가 압출기에 사용되는 PE 및 LSZH 재킷의 품질에 어떤 영향을 미치는지 설명합니다.광섬유 케이블 제조.
단일-스크류 압출기에서 배럴 히터는 어떤 역할을 합니까?
배럴 히터는 세 가지 주요 기능을 수행합니다. 먼저, 냉간 시동 후 배럴 내부에 남아 있는 폴리머를 녹이고 기계를 작동 온도로 만듭니다. 둘째, 스타트업에서 안정적인 생산으로 전환하는 동안 초기 용융 풀 형성을 지원합니다. 셋째, 운영자는 특정 처리 요구 사항에 맞게 배럴을 따라 온도 프로필을 미세 조정할 수 있습니다. 예를 들어 공급 영역 온도를 조정하여 고체 전달을 제어하거나 다이{4}}끝 온도를 높여 특정 크로스헤드 형상을 통한 흐름을 개선할 수 있습니다.
안정된-상태 생산이 확립되고 스크류가 목표 속도로 가동되면 많은 압출기의 배럴 히터는 폴리머에 들어가는 총 에너지의 작은 부분만을 기여합니다. 일부 구성에서는 나사 드라이브가 이미 필요한 것보다 더 많은 열을 생성하고 있기 때문에 정상 작동 중에 히터가 완전히 꺼질 수 있습니다. 이러한 경우 배럴 냉각 팬이나 워터 재킷이 활성화되어 과도한 열 에너지를 제거하고 용융물이 과열되는 것을 방지합니다.
폴리머 압출에서 전단 가열이 작동하는 방식
스크류가 배럴 내부에서 회전하면 폴리머가 스크류 플라이트와 배럴 벽 사이의 좁은 채널을 통과하게 됩니다. 폴리머는 점도 때문에 이러한 움직임에 저항합니다. 이러한 저항을 극복하려면 구동 모터의 기계적 에너지가 필요하며, 해당 에너지는 점성 소산이라는 과정을 통해 폴리머 내에서 열로 변환됩니다. Rauwendaal's와 같은 폴리머 처리 참고 자료에 따르면폴리머 압출(Hanser, 5판), 점성 소산은 정상 생산 속도로 작동하는 대부분의 단축 스크류 압출기의 계량 섹션에서 지배적인 열원입니다.
유용한 비유: 걸쭉하고 점성이 있는 액체를 패들로 빠르게 휘젓는 것을 상상해 보십시오. 휘젓는 사람은 상당한 노력을 기울여야 하며, 그 노력은 단순히 사라지지 않습니다. 이는 유체 내에서 열로 변환됩니다. 유체의 점성이 높을수록, 교반 속도가 빨라질수록 더 많은 열이 발생합니다. 압출기에서 회전하는 스크류는 패들이고, 폴리머는 점성 유체이며, 구동 모터의 기계적 에너지는 열 에너지로 변환되는 힘입니다.
이것이 바로 스크류 속도를 변경하는 것이 배럴 히터 설정값을 조정하는 것보다 용융 온도에 훨씬 더 빠르고 더 뚜렷한 영향을 미치는 이유입니다. 그만큼전단 가열에 대한 ScienceDirect 참조압출에서 재료의 가소화 및 가열과 관련된 대부분의 열 에너지는 배럴 히터가 아닌 스크류와 배럴 사이의 상호 작용에 의해 발생하는 마찰력과 점성력에서 비롯된다는 것을 확인했습니다.
배럴 히터 와트 밀도: 얼마나 많은 전력이 충분합니까?
배럴 가열 용량은 일반적으로 배럴 외부 표면적의 평방 센티미터당 와트(W/cm²)로 지정됩니다. 압출기 설계 문헌에서 일반적으로 인용되는 값은 약 4.0~5.5W/cm² 범위에 속합니다. 이 수치는 폴리머에 도달하는 유효 열 유속이 아니라 히터 밴드의 설치된(정격) 전력을 나타냅니다. 배럴로 전달되는 실제 열 에너지는 절연 손실, 공극, 히터와 배럴 표면 사이의 접촉 저항으로 인해 더 낮습니다.
설치된 와트 밀도의 선택에 영향을 미치는 몇 가지 요소는 다음과 같습니다.
- 원하는 시동 시간: 와트 밀도가 높을수록 배럴이 추울 때 더 빨리 가열됩니다.
- 배럴 직경: 소형 압출기는 출력에 비해 배럴 표면적이 더 크므로 히터가 총 에너지 입력에서 비례적으로 더 큰 비중을 차지합니다.
- 단열 품질:-잘 단열된 배럴은 더 많은 열을 유지하고 설정점을 유지하는 데 더 적은 히터 전력이 필요합니다.
- 주변 온도: 추운 공장 환경은 배럴 표면의 열 손실을 증가시킵니다.
설치된 히터 전력에는 실질적인 상한선이 있습니다. 과도한 와트 밀도는 배럴 벽과 스크류 채널 깊은 곳에 있는 폴리머 사이에 가파른 온도 구배를 만들 수 있습니다. 배럴 중앙에 있는 재료가 적절한 온도에 도달하기 전에 배럴에 가장 가까운 재료가 과열되거나 그을릴 수 있습니다. 이는 특히 케이블 재킷 압출에 사용되는 열에 민감한 폴리머와 관련이 있습니다. 여기서 국부적인 과열로 인해 변색, 젤 형성 또는 난연성 첨가제의 저하가 발생할 수 있습니다.-저연 무할로겐(LSZH) 화합물.
폴리머 점도 및 용융 흐름 지수가 용융 온도에 미치는 영향
압출 중에 발생하는 전단열의 양은 가공되는 폴리머의 점도에 직접적으로 좌우됩니다. 점도가 높은-수지는 스크류 채널을 통과하는 데 더 많은 기계적 에너지가 필요하며, 그 에너지 중 더 많은 부분이 열로 변환됩니다.
용융 흐름 지수(MFI)는 다음에 따라 측정됩니다.ASTM D1238는 폴리머의 용융 점도에 대한 표준화되었지만 단순화된 표시를 제공합니다. MFI 수치가 낮을수록 테스트 조건에서 분자량이 높고 점도가 높다는 것을 나타냅니다. MFI가 높을수록 점도가 낮고 흐름이 더 쉽다는 것을 의미합니다.
실용적인 측면에서 케이블 외장에 사용되는 두 가지 폴리에틸렌 등급을 고려해보세요. 동일한 스크류와 동일한 압출기의 동일한 가공 조건에서 MFI가 0.2g/10분(고분자량, 고점도)인 PE는 일반적으로 MFI가 2.0g/10분(저분자량, 저점도)인 PE보다 용융 온도가 더 높습니다. 점도가 높은-수지는 더 많은 구동 토크를 필요로 하며 더 많은 점성 소산을 생성합니다. 이러한 비교는 두 등급이 모두 동일한 폴리머 계열에 속하고, 동일한 표준 온도 및 부하에서 테스트되고, 유사한 분자량 분포를 가질 때 적용됩니다. 다양한 폴리머 유형(예: PE 대 PVC 또는 LSZH)의 MFI 값을 비교하려면 테스트 조건과 MFI와 실제 가공 점도 간의 관계가 다르기 때문에 주의가 필요합니다.
이러한 점도 차이는 점도가 다른 이유 중 하나입니다.케이블 피복 재료다양한 스크류 설계, 배럴 온도 프로필 및 드라이브 전력 등급이 필요합니다. 중간밀도 PE에 최적화된 나사는-고점도 LSZH 화합물과 잘 작동하지 않을 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
전단박화와 용융온도 상승에 미치는 영향
많은 열가소성 폴리머는 전단박화를 나타냅니다. 즉, 전단율이 증가하면 겉보기 점도가 감소합니다. 이러한 거동은 폴리머 유변학에 잘 기록되어 있으며 폴리머 사슬의 분자 구조의 특성입니다. 전단박화 폴리머가 더 높은 스크류 속도에서 가공될 때 증가된 전단율은 재료가 더 열심히 가공될수록 점도가 떨어지기 때문에 예상되는 점성 소실 증가를 부분적으로 상쇄합니다.
상당한 전단 박화를 나타내지 않는 폴리머는 스크류 속도가 증가함에 따라 용융 온도가 더 가파르게 상승하는 것을 볼 수 있습니다. 왜냐하면 증가된 전단 속도에서도 점도가 높게 유지되기 때문입니다. 이러한 구별은 작업자가 배럴 온도 프로필을 변경하지 않고 생산량을 높이기 위해 스크류 속도를 높여야 하는 케이블 재킷 압출에서 중요합니다. 재킷 화합물이 강하게 전단-박화되는지 여부를 알면 용융 온도가 얼마나 변할지 예측하는 데 도움이 됩니다.
스크류 속도, 특정 출력 및 용융 온도
특정 생산량은 스크류 회전당 압출되는 폴리머의 질량을 나타냅니다(종종 kg/rev 또는 g/rev로 표시됨). 이는 실제로 용융 온도를 제어하는 데 가장 중요한 매개변수 중 하나입니다. 주어진 스크류 속도에서 더 높은 비출력을 제공하는 스크류 형상은 각 폴리머 단위를 더 적은 총 전단 작업에 노출시키고 배럴 내 체류 시간을 줄여 용융 온도를 낮춥니다. 반대로, 낮은 비출력을 제공하는 스크류는 배럴 내 폴리머를 더 오랫동안 유지하고 더 많은 누적 전단을 가해 용융 온도가 더 높아집니다.
이 관계는 또한 길이{0}}대-직경(L/D) 비율이 높은 압출기가 낮은 출력 속도에서 문제가 될 수 있는 이유를 설명합니다. 배럴이 길수록 체류 시간이 길어지고 전단 가열이 축적될 기회가 많아집니다. 압출기가 설계 출력보다 훨씬 낮게 작동하면 폴리머가 배럴에서 너무 오랜 시간을 보내게 되어 과도한 용융 온도, 열 저하 또는 낮은 용융 품질로 이어질 수 있습니다. 심각도는 특정 스크류 설계, 처리되는 폴리머, 배럴의 냉각 용량에 따라 달라집니다.
용융 온도를 최소화하기 위해 노력하는 스크류 설계자는 완전한 용융 및 적절한 혼합을 달성하기 위한 요구 사항과 특정 출력의 균형을 맞춰야 합니다. 체류 시간을 너무 공격적으로 줄이면 압출물에 녹지 않은 입자(때때로 "녹지 않은 물질" 또는 "겔"이라고도 함)가 남을 수 있습니다. 케이블 재킷 압출에서 녹지 않은 입자는 표면 범프, 외피 벽의 약한 지점 또는 국부적인 두께 변화를 생성할 수 있습니다. 방법에 대한 개요는원자재 선택은 가공과 상호 작용합니다.최종 케이블 품질을 결정하려면 적절한 나사 및 프로세스 일치가 필수적입니다.
시동 대 안정-상태 배럴 가열
배럴 히터 기능을 이해하려면 시작 상태와 정상{0}}상태 작동을 구별하는 것이 중요합니다.
콜드 스타트 중에는 배럴 히터가 유일한 열원입니다. 이전 실행에서 스크류 채널에 남아 있는 폴리머를 부드럽게 하고 스크류가 안전하게 회전할 수 있도록 배럴 온도를 충분히 높여야 합니다. 시동 흡수 시간은 배럴 직경, 히터 전력, 단열재, 배럴에 남아 있는 폴리머 유형 및 목표 처리 온도에 따라 달라집니다. 폴리머가 적절하게 연화되기 전에 나사를 시동하려고 하면 구동 모터에 과부하가 걸리거나 나사와 배럴이 손상될 수 있습니다.
스크류가 회전하기 시작하고 압출기가 목표 출력에 도달하면 열 균형이 이동합니다. 전단 가열은 빠르게 지배적인 에너지원이 됩니다. 배럴 히터는 폴리머와 스크류 조합이 생성하는 전단열의 양에 따라 듀티 사이클을 줄이거나 완전히 차단될 수 있습니다. 히터 전류 또는 듀티 사이클을 모니터링하는 작업자는 이를 진단 지표로 사용할 수 있습니다. 정상 상태 생산 중에 히터가 최대 전력으로 작동하는 경우{3}} 이는 낮은 스크류 속도, 불충분한 압축, 과도한 배럴 냉각 또는 스크류 설계와 처리 중인 폴리머 간의 불일치를 나타낼 수 있습니다.
일반적인 배럴 가열 문제 및 이를 식별하는 방법
배럴 가열과 전단 가열 사이의 관계를 오해함으로써 몇 가지 실질적인 문제가 발생합니다.
모든 영역에서 배럴 온도가 너무 높게 설정되었습니다.이는 배럴 벽 근처의 폴리머 점도를 과도하게 감소시킬 수 있으며, 이는 공급 영역에서 고형물을 운반하는 마찰력을 약화시킵니다. 그 결과 출력 감소, 급증 또는 일관되지 않은 용융 압력이 발생하는 경우가 많습니다. 케이블 압출에서 이는 재킷 두께 변화와 동심도 불량으로 해석됩니다.
스크류 속도를 높인 후 용융 온도가 상승합니다.작업자는 때때로 배럴 설정값을 일정하게 유지하면 용융 온도도 일정하게 유지될 것이라고 기대합니다. 실제로 스크류 속도를 높이면 배럴 온도와 관계없이 전단 가열이 증가합니다. 배럴 히터 설정값이 변경되지 않은 경우에도 다이 또는 크로스헤드 어댑터에서 측정된 용융 온도가 크게 상승할 수 있습니다. 보상을 위해 배럴 온도를 낮추거나 배럴 냉각을 활성화해야 할 수도 있습니다.
압출물에 타거나 변색된 물질이 나타납니다.이는 과도한 배럴 히터 전력 또는 불충분한 냉각으로 인해 축적된 전단열로 인해 배럴 벽 근처의 폴리머가 열 안정성 한계 이상으로 가열되고 있음을 나타낼 수 있습니다. LSZH와 같이 열에 민감한 화합물의 경우 난연성 필러와 매트릭스 폴리머의 처리 범위가 더 좁기 때문에 이러한 위험이 더 높습니다.
녹지 않은 입자와 그을린 물질이 동시에 나타납니다.이러한 역설적인 상황은 배럴 온도 프로필이 극단적인 구배를 생성할 때 발생할 수 있습니다. 즉, 벽 근처의 재료는 과열되고 스크류 채널 깊은 곳에 있는 재료는 충분히 녹지 않은 상태로 남아 있습니다. 근본 원인은 일반적으로 단순한 히터 설정 문제가 아닌 나사 설계 또는 배럴 프로필 문제입니다.
생산 중에 히터가 최대 작동 상태로 작동합니다.정상 상태 작동 중에 배럴 히터가 꺼지지 않는 경우- 공정에서 전단열이 충분히 생성되지 않을 수 있습니다. 가능한 원인으로는 낮은 스크류 속도, 마모된 스크류 또는 배럴(전단 감소), 소형 드라이브 또는 사용 중인 스크류 설계에 비해 비정상적으로 낮은 점도를 갖는 폴리머 등이 있습니다.
배럴 가열이 광섬유 케이블 재킷 품질에 미치는 영향
광섬유 케이블 생산에서 외부 재킷은 일반적으로 크로스헤드 다이를 사용하여 케이블 코어 위에 열가소성 화합물(실외 케이블의 경우 PE, 실내 및 난연성 애플리케이션의 경우 LSZH)을 압출하여 적용됩니다. 이 재킷의 품질은 압출 중 용융 온도 제어에 크게 좌우됩니다.
용융 온도가 너무 높으면 여러 가지 결함이 나타날 수 있습니다. 압출 후 수축이 증가하여-섬유에 응력이 발생하고 케이블 구조에 적용된 EFL(과잉 섬유 길이)이 변경될 수 있습니다. 표면 거칠기가 증가할 수 있습니다. LSZH 화합물의 경우 과도한 온도는 금속 수산화물 난연제를 분해하여 외피 벽에 공극이나 기포를 생성하는 수분을 생성할 수 있습니다. 을 위한PE 외장, 과열은 산화 분해를 일으켜 실외 케이블에 필요한 장기적인 환경 응력 균열 저항(ESCR)-을 감소시킬 수 있습니다.
용융 온도가 너무 낮으면 불완전한 용융으로 인해 재킷 벽에 젤이나 용융되지 않은 입자가 남을 수 있습니다. 압출물의 표면 마감이 좋지 않을 수 있으며 재킷과 내부 케이블 요소(예: 물-차단 테이프 또는 강도 부재) 사이의 결합이 불충분할 수 있습니다. 더 단단하고 점도가 높은 용융물이 크로스헤드의 케이블 코어 주위에 균일하게 분포되지 않기 때문에 재킷 벽 두께가 고르지 않을 수 있습니다.
그만큼케이블 품질에 대한 압출기 온도의 영향단일 설정점을 넘어 확장됩니다. 전체 배럴 온도 프로파일, 스크류 설계, 라인 속도, 폴리머 등급, 크로스헤드 이후의 냉각 장치가 모두 상호 작용합니다. IEC 60794(광섬유 케이블 테스트 방법) 및 IEC 60811(외피 기계적 특성, 수축 및 노화에 대한 비{4}}금속 재료 테스트)과 같은 표준에 따라 완성된 케이블 재킷을 테스트하면 압출 공정을 통해 필요한 성능 범위를 충족하는 재킷이 생성되었는지 확인할 수 있습니다. 테스트 방법론에 대한 자세한 내용은 당사에서 확인할 수 있습니다.광섬유 케이블 테스트가이드.
케이블 재킷 압출의 용융 온도 제어에 대한 실제 점검
광섬유 케이블 재킷 라인에서 작업하는 엔지니어와 운영자는 다음 접근 방식을 사용하여 배럴 가열과 전체 열 균형이 올바르게 구성되었는지 평가할 수 있습니다.
배럴 구역 설정값뿐만 아니라 다이의 실제 용융 온도를 모니터링합니다.크로스헤드 어댑터의 용융 열전대 또는 적외선 센서는 배럴 구역 판독값보다 폴리머 상태에 대한 훨씬 더 정확한 그림을 제공합니다. 배럴 구역 온도는 벌크 폴리머가 아닌 배럴 벽을 반영합니다.
안정적인 상태에서 생산되는 동안 히터 듀티 사이클을 추적하세요.-목표 출력의 정상적인 조건에서 대부분의 배럴 구역은 100%보다 훨씬 낮은 히터 듀티 사이클을 보여야 합니다. 히터가 지속적으로 최대 전력 상태인 경우 나사 상태, 구동 부하 및 폴리머 일치를 조사하십시오.
다양한 스크류 속도에서 용융 온도를 기록합니다.새로운 재킷 컴파운드를 검증하거나 라인 속도를 변경할 때 여러 스크류 RPM 값에서 용융 온도를 측정하여 전단 가열 반응을 특성화합니다. 이 데이터는 재료의 처리 기간을 초과하지 않고 목표 출력을 달성할 수 있는지 여부를 예측하는 데 도움이 됩니다.
재킷 표면과 단면을-정기적으로 검사하세요.표면 거칠기, 변색, 기포 또는 눈에 보이는 젤은 모두 열 제어 문제에 대한 조기 경고를 제공합니다. 재킷을-규칙적인 간격으로 단면화하면 벽 두께 균일성과 내부 공극의 존재를 알 수 있습니다.
재료를 변경할 때 나사 설계를 검토하십시오.HDPE 케이블 재킷에 최적화된 나사는 LSZH에는 적합하지 않을 수 있습니다. 점도, 전단 감도, 충전재 로딩 및 열 안정성의 차이로 인해 종종 다른 압축비, 채널 깊이 및 혼합 섹션 형상이 필요합니다. 사이의 관계케이블 구조 설계재킷 재료 선택은 허용 가능한 처리 창을 더욱 제한합니다.
자주 묻는 질문
일반 압출 중에 배럴 히터가 플라스틱을 녹이나요?
단일{0}}스크류 압출기에서 정상 상태로 생산되는 동안 폴리머를 녹이고 가열하는 열 에너지의 대부분은 배럴 히터가 아닌 전단 가열(점성 소산)에서 발생합니다. 배럴 히터는 냉간 시동 및 온도 프로필 미세 조정에 필수적이지만, 스크류가 생산 속도로 작동되면 주요 열원은 아닙니다.
배럴 설정값을 변경하지 않았는데도 스크류 속도를 높이면 용융수지 온도가 상승하는 이유는 무엇입니까?
스크류 속도가 높을수록 스크류 플라이트와 배럴 벽 사이의 채널에서 전단 속도가 증가합니다. 이로 인해 더 많은 점성 소산이 발생하여 배럴 히터 설정과 관계없이 용융 온도가 상승합니다. 이를 보상하기 위해 배럴 설정점을 줄이고, 냉각을 활성화하거나, 더 높은 특정 출력을 위해 나사 설계를 조정해야 할 수도 있습니다.
배럴 온도와 용융 온도의 차이는 무엇입니까?
배럴 온도는 배럴 강철에 내장된 열전대로 측정한 배럴 벽의 온도입니다. 용융 온도는 폴리머가 압출기에서 나와 다이 또는 크로스헤드로 들어갈 때 폴리머의 실제 온도입니다. 이 두 값은 크게 다를 수 있으며, 특히 전단 가열로 인해 용융 온도가 배럴 설정점 이상으로 올라가는 높은 스크류 속도에서는 더욱 그렇습니다.
배럴 가열은 광섬유 케이블 재킷 품질에 어떤 영향을 줍니까?
용융 온도가 너무 높으면 재킷은 과도한 -압출 후 수축, 표면 결함, 난연성 첨가제의 저하(LSZH) 또는 감소된 환경 응력 균열 저항(PE)을 나타낼 수 있습니다. 용융 온도가 너무 낮으면 불완전한 용융으로 인해 젤이 생성되고 표면 질감이 거칠어지며 동심도가 낮아지고 내부 케이블 요소에 대한 결합이 부적절해질 수 있습니다. IEC 60794 및 IEC 60811 테스트 요구 사항을 충족하는 케이블 재킷을 생산하려면 전체 압출 공정의 적절한 열 관리가 필수적입니다.
압출기 배럴 히터의 일반적인 와트 밀도는 얼마입니까?
압출기 설계 문헌에서 일반적으로 인용되는 값은 배럴 외부 표면적의 약 4.0~5.5W/cm²입니다. 이는 폴리머에 도달하는 유효 열 유속이 아니라 설치된(정격) 히터 전력을 나타냅니다. 적절한 값은 배럴 직경, 단열재, 목표 시동 시간 및 주변 조건에 따라 다릅니다. 특정 압출기 구성을 고려하지 않고 이 수치를 보편적인 표준으로 취급해서는 안 됩니다.
압출 중 배럴 냉각은 언제 필요합니까?
전단 가열이 목표 용융 온도를 유지하는 데 필요한 것보다 더 많은 열 에너지를 생성하는 경우 배럴 냉각(공기 팬 또는 워터 재킷)이 필요합니다. 이는 일반적으로 더 높은 스크류 속도, 더 높은 점도의 폴리머를 사용할 때 또는 중간에서 높은 출력으로 작동하는 L/D 비율이 높은 압출기에서 발생합니다. 냉각 용량은 압출기 열 관리 시스템의 필수적인 부분이며 나중에 고려하는 것이 아닙니다.