A indústria global de misturas continua a diversificar-se, pois os setores downstream, incluindo embalagens, automóveis, eletrônica e agricultura, exigem propriedades de materiais mais personalizadas. Como equipamento de processamento principal para a produção de misturas, o extrusor de parafusos gêmeos em rotação conjunta determina a qualidade do produto, a eficiência de produção e o custo operacional através de um controle preciso dos parâmetros. Diferentes formulações de misturas, como misturas de enchimento, misturas de cor, misturas retardadoras de chama e compostos de plásticos de engenharia, apresentam características de processamento muito diferentes devido às variações na resina base, no tipo de enchimento, no conteúdo de aditivos e nas exigências de desempenho. A configuração inadequada dos parâmetros muitas vezes resulta em problemas como dispersão insuficiente de pigmentos, degradação térmica dos materiais, desempenho desigual do produto, alta taxa de rejeição e até mesmo desgaste acelerado dos equipamentos. Para os fabricantes de misturas, dominar métodos científicos de ajuste de parâmetros para diferentes formulações é essencial para manter uma qualidade estável dos produtos, melhorar a eficiência de produção e obter uma vantagem competitiva no mercado.
Como fabricante profissional especializado em extrusoras de mistura de dois parafusos, a Kerke acumula uma vasta experiência em processos ao servir centenas de empresas de masterbatch em todo o mundo. As extrusoras de masterbatch da série SHJ foram projetadas com sistemas de controle de alta precisão e estruturas de parafusos modulares, o que permite adaptar-se flexivelmente às necessidades de processamento de diferentes formulações através de uma combinação científica de parâmetros. Este artigo explicará sistematicamente os parâmetros de processo principais das extrusoras de masterbatch e os seus impactos, fornecerá estratégias de ajuste de parâmetros específicas para formulações de masterbatch comuns, apresentará procedimentos de ajuste padronizados e métodos comuns de resolução de problemas e combinará as vantagens técnicas dos equipamentos Kerke para analisar o custo e o benefício da otimização de parâmetros, fornecendo uma guia prática completa para empresas de produção de masterbatch.
1. Parâmetros de processo principais do extrusor de masterbatch de parafuso gêmeo e seus impactos
Antes de ajustar parâmetros para formulações específicas, é necessário compreender completamente o papel de cada parâmetro do processo principal e seu impacto na plasticização do material, no efeito de dispersão, no desempenho do produto e na estabilidade da produção. Cada parâmetro não é independente, mas interage e restringe um ao outro. Só ao esclarecer a lógica interna podemos realizar ajustes específicos.
1.1 Perfil de temperatura: a base da plasticização de materiais
O perfil de temperatura refere-se à configuração de temperatura de cada zona de aquecimento ao longo do cilindro, desde a porta de alimentação até a cabeça da matriz, o que é o parâmetro mais básico e crítico no processo de extrusão. O cilindro é geralmente dividido em 8 a 12 zonas de aquecimento independentes, cada uma equipada com um elemento de aquecimento e um sensor de temperatura, que permite um controle de temperatura preciso e independente. A configuração de temperatura determina diretamente o estado de fusão da resina de polímero: uma temperatura muito baixa levará a uma plasticização insuficiente, a uma fusão incompleta de materiais sólidos e a uma dispersão inadequada de preenchimentos e aditivos; uma temperatura muito alta causará a degradação térmica dos polímeros e dos aditivos sensíveis ao calor, o que levará à descoloração do produto, à diminuição das suas características e, em casos extremos, à carbonização, formando impurezas pretas.
Desde a zona de alimentação até a cabeça da matriz, a temperatura geralmente apresenta uma tendência de aumentar gradualmente primeiro e, em seguida, estabilizar-se ou diminuir ligeiramente. A zona de alimentação mantém uma temperatura relativamente baixa para evitar que os materiais se fundam prematuramente e formem pontes na porta de alimentação; a zona de plastificação e mistura aumenta a temperatura para promover a fusão da resina e a humedecimento do enchimento; a zona de exaustão controla adequadamente a temperatura para facilitar a evaporação da matéria volátil; a zona da cabeça da matriz mantém uma temperatura estável para garantir uma descarga uniforme da fusão e uma forma estável do parison. Para diferentes sistemas de resinas, o intervalo de temperatura de processamento varia muito. Por exemplo, o masterbatch baseado em PE geralmente tem uma temperatura de processamento de 160 ℃ a 200 ℃, enquanto o masterbatch de engenharia baseado em PA precisa de 220 ℃ a 260 ℃. A configuração de temperatura deve ser ajustada de acordo com o ponto de fusão e a estabilidade térmica da resina base.
1.2 Velocidade de rotação do parafuso: controle da intensidade de corte e do tempo de permanência
O ritmo de rotação do parafuso determina diretamente a força de cisalhamento experimentada pelo material no tambor e o tempo de permanência do material no extrusor. Uma velocidade de parafuso mais elevada proporciona um efeito mais forte de cisalhamento e mistura, o que ajuda a quebrar os aglomerados de enchimento e a melhorar a uniformidade da dispersão. No entanto, uma velocidade excessivamente alta gera uma grande quantidade de calor de cisalhamento, o que leva a um aumento acentuado da temperatura do material fundido, o que pode causar a degradação térmica de materiais sensíveis ao calor. Ao mesmo tempo, uma velocidade elevada reduz o tempo de permanência dos materiais, e os materiais que são difíceis de plastificar podem não ser completamente fundidos.
Pelo contrário, uma velocidade de roscas mais baixa proporciona um tempo de permanência mais longo, o que é favorável à plasticização adequada dos materiais e à completa devolatilização, mas a resistência à cisalhamento é correspondentemente reduzida, o que pode levar a uma dispersão inadequada de enchimentos e pigmentos. A velocidade da roscas deve ser ajustada à taxa de alimentação para manter um grau de enchimento razoável. Sob a mesma taxa de alimentação, uma velocidade muito alta levará a um grau de enchimento baixo e a um efeito de cisalhamento fraco; uma velocidade muito baixa levará a um grau de enchimento muito alto, a um aumento da carga do motor e até a uma sobrecarga de torque. Na produção real, a velocidade da roscas deve ser ajustada de acordo com a dificuldade de dispersão dos materiais, a sensibilidade térmica e a produção pretendida, e deve ser encontrada o equilíbrio ideal entre o efeito de dispersão, a eficiência de produção e o risco de degradação.
1.3 Taxa de alimentação: Equilíbrio de saída e grau de enchimento do parafuso
A taxa de alimentação refere-se à massa ou volume de matérias-primas que entram no extrusor por unidade de tempo, o que determina diretamente a produção do equipamento. Para a produção de masterbatch com fórmulas multicomponente, a alimentação precisa e estável de cada componente é a premissa para garantir a precisão da relação de fórmula e o desempenho estável do produto. Atualmente, as linhas de produção de masterbatch de alta precisão utilizam principalmente alimentadores de perda de peso, que controlam a velocidade de alimentação em tempo real através de feedback de peso, com uma precisão de até ±0,2%, garantindo a estabilidade da relação de cada componente em produção contínua a longo prazo.
O ritmo de alimentação é cuidadosamente ajustado à velocidade do parafuso. Quando o ritmo de alimentação aumenta e a velocidade do parafuso permanece inalterada, o grau de preenchimento dos materiais no canal do parafuso aumenta, o tempo de permanência torna-se mais longo e o efeito de cisalhamento por unidade de volume de material diminui. Se o ritmo de alimentação exceder a capacidade de plastificação do extrusor, isso levará a uma insuficiente plastificação, aumento das flutuações da pressão do fundido e até mesmo a uma interrupção por sobrecarga. Ao ajustar a fórmula, o ritmo de alimentação deve ser ajustado de forma sincronizada de acordo com a dificuldade de plastificação e a viscosidade do material. Para fórmulas de alto preenchimento e alta viscosidade, o ritmo de alimentação deve ser adequadamente reduzido para garantir uma plastificação e dispersão suficientes; para fórmulas de baixa viscosidade e de fácil plastificação, o ritmo de alimentação pode ser adequadamente aumentado para melhorar a eficiência de produção.
1.4 Desgaseificação a vácuo: remoção de compostos voláteis e umidade
A desgasificação a vácuo é um elo essencial do processo para a produção de masterbatch. Existe uma certa quantidade de umidade nas matérias-primas, especialmente em preenchimentos como carbonato de cálcio e talco, que são fáceis de absorver umidade. Ao mesmo tempo, os oligômeros de baixo peso molecular, os monômeros residuais e os aditivos voláteis na resina também serão liberados durante o processamento a alta temperatura. Se estes gases não puderem ser evacuados a tempo, formarão bolhas e poros dentro dos grânulos de masterbatch, resultando em defeitos como manchas de prata e vácuos na superfície do produto, e também afetarão as propriedades mecânicas do produto final. Em casos graves, a umidade causa degradação por hidrólise de polímeros como PET e PA a alta temperatura, reduzindo significativamente o desempenho do produto.
O grau de vácuo do sistema de desgasificação e a posição de abertura da porta de escape afetam diretamente o efeito de devolatilização. Quanto maior o grau de vácuo, mais forte é a capacidade de remover substâncias voláteis, mas um grau de vácuo muito alto pode facilmente fazer com que o material fundido seja bombeado para fora e bloquear a linha de escape. O número de estágios de escape deve ser ajustado de acordo com o teor de umidade e de substâncias voláteis do material. Para materiais com alto teor de umidade, como masterbatch de enchimento, geralmente é adotada uma escapada de dois estágios, composta por uma escapada natural e uma escapada a vácuo; para materiais com componentes mais voláteis, como masterbatch retardante de chama, pode ser ajustada uma escapada de três estágios. A configuração do elemento de roda da seção de escapamento também deve ser combinada. Normalmente, são usados elementos de transporte de grande passo para reduzir o grau de enchimento do material, aumentar a área de superfície livre do material fundido e melhorar a eficiência de devolatilização.
1.5 Pressão da cabeça e parâmetros de granulação: garantia da qualidade do produto final
A pressão de derretimento da matriz é uma reflexão intuitiva da viscosidade do derretimento e do estado de fluxo, e sua estabilidade afeta diretamente a uniformidade da descarga e a consistência do tamanho dos pellets. A pressão é afetada por muitos fatores, como a temperatura do derretimento, a velocidade do parafuso, a taxa de alimentação, o bloqueio da malha do filtro e a espaçamento da matriz. Na produção normal, a pressão da matriz deve ser mantida estável, e o intervalo de flutuação deve ser controlado dentro de ±1 bar. Uma flutuação excessiva da pressão levará a um tamanho irregular dos pellets e a um desempenho instável do produto. Quando a pressão aumenta de forma anormal, geralmente indica que a malha do filtro está bloqueada e precisa ser substituída a tempo.
Os parâmetros de pelotização incluem a velocidade de corte, a temperatura da água de resfriamento, o volume de ar de secagem, etc., que afetam diretamente a qualidade de aparência e a precisão dimensional dos pellets de masterbatch. Para a pelotização de fios, a velocidade de tração do fio deve coincidir com a velocidade de extrusão para evitar que a tração seja muito rápida, resultando em pellets finos e frágeis, ou que seja muito lenta, resultando em pellets grossos e irregulares. Para a pelotização submersa, a velocidade de corte e a temperatura da água devem ser ajustadas de acordo com a viscosidade do mel e o volume de descarga para garantir que os pellets tenham superfície lisa, forma regular e não apresentem adesão. Os parâmetros de pelotização devem ser ajustados de forma sincronizada ao mudar as formulações com diferentes taxas de fluxo do mel, para garantir uma qualidade estável dos pellets.
2. Estratégias de ajuste de parâmetros para formulações típicas de masterbatch
Os diferentes tipos de masterbatch apresentam grandes diferenças na composição da fórmula, nos requisitos de desempenho e nas características de processamento. A seguir, analisaremos as formulações de masterbatch mais comuns no mercado, uma a uma, e apresentaremos esquemas de ajuste de parâmetros específicos, combinados com experiência prática de produção.
2.1 Masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio: Equilíbrio de dispersão de alta capacidade de enchimento
O masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio é o produto masterbatch mais utilizado e com maior produção, geralmente composto de 70% a 85% de pó de carbonato de cálcio pesado, resina portadora de PE ou PP e uma pequena quantidade de lubrificante e agente de acoplamento. Suas exigências de qualidade principais são alta uniformidade de dispersão, ausência de manchas brancas, boa fluidez de processamento e alto desempenho em relação ao custo. A maior dificuldade de processamento reside no modo de alcançar uma dispersão suficiente do pó de carbonato de cálcio em condições de enchimento elevadas, evitando, ao mesmo tempo, o calor de cisalhamento excessivo que pode levar à falha do lubrificante e à degradação da resina.
Em termos de ajuste do perfil de temperatura, a temperatura da zona de alimentação deve ser controlada entre 140°C e 160°C para garantir que a resina de transporte comece a amolecer gradualmente após entrar no cilindro, permitindo a envoltura do pó de carbonato de cálcio. A temperatura da zona de mistura de plastificação é aumentada para 170°C a 190°C para promover a completa fusão da resina e a completa humedecimento da superfície do enchimento. A temperatura da zona de exaustão e da zona da cabeça de moldagem deve ser mantida entre 180°C e 195°C. Não deve ser muito alta para evitar a perda de volatilização dos lubrificantes de baixo peso molecular. Para o masterbatch de resina de transporte de PP, a temperatura total pode ser 10°C a 15°C maior do que a do transporte de PE.
Em termos de velocidade do parafuso e taxa de alimentação, geralmente é adotada uma configuração de velocidade média e alta para garantir uma força de cisalhamento suficiente para quebrar aglomerados de carbonato de cálcio. Tomando o extrusor Kerke SHJ-65 como exemplo, a velocidade do parafuso é ajustada entre 300 rpm e 450 rpm, e a taxa de alimentação é ajustada entre 250 kg/h e 400 kg/h de acordo com a quantidade de enchimento. Quanto maior for o teor de carbonato de cálcio, maior será a viscosidade do material fundido, e a taxa de alimentação deve ser adequadamente reduzida para evitar sobrecarga de torque. O grau de vácuo do sistema de escape deve ser mantido acima de -0,08 MPa para remover completamente a umidade trazida pelo pó de carbonato de cálcio e evitar bolhas nas pellets. Como o carbonato de cálcio tem forte abrasividade para o parafuso e o cilindro, recomenda-se configurar um cilindro de parafuso resistente ao desgaste bimetálico para produção a longo prazo. O preço da configuração padrão SHJ-65 com parafuso bimetálico é de cerca de 95.000 a 120.000 dólares FOB Shanghai. Embora o investimento inicial seja 15% maior do que o do parafuso de nitretação comum, a vida útil é prolongada em 3 a 5 vezes e o custo de operação a longo prazo é menor.
2.2 Masterbatch de cor: Controle da dispersão de pigmentos e da estabilidade da cor
O masterbatch de cor é composto por pigmento, resina portadora, dispersante e outros aditivos. De acordo com o tipo de pigmento, pode ser dividido em masterbatch de pigmento inorgânico (como dióxido de titânio, negro de carbono, óxido de ferro) e masterbatch de pigmento orgânico. Os requisitos de qualidade básicos são alto grau de dispersão do pigmento, coloração uniforme, pequena diferença de cor entre os lotes e ausência de partículas de aglomeração do pigmento. A dificuldade de processamento reside no fato de que o tamanho das partículas do pigmento é muito pequeno, a energia de superfície é alta e é muito fácil de aglomerar. É necessário uma forte força de cisalhamento para abrir os aglomerados, mas os pigmentos orgânicos geralmente apresentam baixa resistência ao calor e uma temperatura excessiva pode causar decomposição e descoloração.
Para o masterbatch de pigmentos inorgânicos, como o branco de titânio e o preto de carbono, devido ao bom desempenho térmico do pigmento, a temperatura pode ser adequadamente aumentada para melhorar a fluidez da resina transportadora e aumentar o efeito de enxaguamento sobre o pigmento. A temperatura da zona de mistura é definida entre 180°C e 210°C, e a velocidade do parafuso pode ser adequadamente aumentada para reforçar a dispersão por cisalhamento. Tomando como exemplo o masterbatch de preto de carbono baseado em PE, a velocidade do parafuso do extrusor SHJ-65 pode ser definida entre 350 rpm e 500 rpm, com uma configuração de bloco de amassamento de cisalhamento forte, o que permite a dispersão em nanoescala do preto de carbono e garante uma elevada capacidade de coloração e brilho superficial do produto.
Para o masterbatch de pigmentos orgânicos, especialmente os pigmentos orgânicos de cores vivas, como o vermelho de ftalocianina e o amarelo azo, o controle de temperatura deve ser estritamente controlado para evitar a decomposição e a descoloração do pigmento. A temperatura geral do processo deve ser 10 ℃ a 20 ℃ inferior à do masterbatch de pigmentos inorgânicos, e a temperatura da zona de alto cisalhamento não deve exceder 200 ℃. A velocidade do parafuso deve ser adequadamente reduzida para controlar a geração de calor por cisalhamento, e o tempo de permanência dos materiais na zona de alta temperatura deve ser reduzido. Ao mesmo tempo, devem ser usados o máximo possível de elementos de mistura distribuitiva em vez de muitos blocos de amassamento de cisalhamento forte para garantir uma dispersão uniforme, evitando ao mesmo tempo o sobreaquecimento local. A taxa de alimentação deve ser mantida estável para evitar grandes flutuações na temperatura do material devido às variações na taxa de enchimento. Para a produção de masterbatch de cores, o sistema de alimentação por perda de peso é essencial para garantir a proporção exata de pigmento e veículo, evitar diferenças de cor entre as amostras e melhorar a consistência do produto.
2.3 Masterbatch funcional: Proteção de aditivos sensíveis ao calor
O masterbatch funcional inclui masterbatch retardante de chama, masterbatch antioxidante, masterbatch estabilizador de luz, masterbatch antistático, masterbatch agente deslizante, etc. Sua característica é que o conteúdo de aditivos funcionais é alto e a maioria dos aditivos apresenta certa sensibilidade térmica. Se a temperatura de processamento for muito alta ou o tempo de permanência muito longo, os aditivos se decomporão e falharão, e até mesmo produzirão gases tóxicos e nocivos. O núcleo da ajustagem de parâmetros é garantir a dispersão uniforme dos aditivos, ao mesmo tempo em que protege os componentes eficazes contra a decomposição e mantém a atividade funcional ao máximo.
Tomando como exemplo o masterbatch de retardante de chama bromado, a maioria dos retardantes de chama bromados começa a se decompor a cerca de 220°C, liberando o gás corrosivo brometo de hidrogênio. Portanto, a temperatura de processamento deve ser estritamente controlada abaixo de 210°C e o tempo de permanência dos materiais no tanque deve ser reduzido ao máximo. Em termos de configuração do parafuso, devem ser selecionados elementos de cisalhamento de força média para evitar que muitos blocos de amassamento de cisalhamento forte causem um aumento excessivo da temperatura. A velocidade do parafuso deve ser controlada em nível médio, geralmente de 250 rpm a 350 rpm para o SHJ-65, para garantir tanto o efeito de dispersão quanto a ausência de calor excessivo de cisalhamento. O sistema de vácuo deve ser totalmente aberto para remover o gás de baixo peso molecular gerado pela decomposição residual a tempo, para evitar bolhas no produto e corrosão aos equipamentos. Após a produção, os equipamentos devem ser limpos com material de limpeza de PE a tempo para evitar que o retardante de chama residual permaneça no tanque por um longo período de tempo e cause corrosão.
Para misturas primárias com aditivos de baixo ponto de fusão, como agentes anti-deslizamento e agentes antistáticos, a temperatura da zona de alimentação não deve ser muito alta para evitar que o aditivo se derreta prematuramente e se prenda à hélice, resultando em uma alimentação irregular. A temperatura da zona de mistura deve ser controlada acima do ponto de fusão do aditivo, mas abaixo da temperatura de decomposição, para garantir uma mistura uniforme do aditivo e da resina. A temperatura da cabeça do matriz pode ser adequadamente reduzida para facilitar a formação de pellets e evitar a adesão das partículas.
2.4 Masterbatch de compósitos plásticos: manutenção de alta performance
O masterbatch de compósito de plástico de engenharia utiliza principalmente PA, PC, PBT, ABS e outros plásticos de engenharia como veículos, e adiciona fibra de vidro, fibra de carbono, agente de endurecimento, retardante de chama e outros componentes de modificação. Seu requisito fundamental é manter as excelentes propriedades mecânicas dos materiais, ao mesmo tempo em que se obtém os efeitos de modificação. A dificuldade de processamento reside no alto ponto de fusão dos plásticos de engenharia, o que exige uma temperatura de processamento mais elevada; a fibra de vidro e outros enchimentos de reforço são altamente abrasivos, e a resistência ao cisalhamento deve ser controlada para evitar a ruptura excessiva da fibra, o que reduz o efeito de reforço.
Em termos de ajuste da temperatura, deve ser determinada de acordo com o ponto de fusão da resina de base. Para o PA6, a temperatura de cada zona é ajustada entre 220 ℃ e 260 ℃; para o PC, é de 240 ℃ a 280 ℃. A temperatura da zona de alimentação deve ser adequadamente alta para garantir que a resina possa ser fundida rapidamente após entrar no tambor, de modo a envolver a fibra de vidro adicionada posteriormente e reduzir a fricção e o desgaste da fibra de vidro no tambor de parafuso. A fibra de vidro é geralmente adicionada através do alimentador lateral, e a posição da porta de alimentação lateral deve ser após a resina ser completamente fundida, de modo a evitar que a fibra de vidro fique no tambor por muito tempo e seja cortada e quebrada demais. A velocidade do parafuso deve ser controlada em nível médio. Uma velocidade muito alta levará a uma quebra séria da fibra e a uma redução da resistência mecânica do produto; uma velocidade muito baixa levará a uma dispersão inadequada da fibra de vidro e a um desempenho desigual.
Uma vez que os plásticos de engenharia são fáceis de absorver umidade e causam degradação por hidrólise a altas temperaturas, o tratamento de secagem antes do processamento é essencial. Ao mesmo tempo, é necessário adotar desgasificação a alto vácuo, com grau de vácuo superior a -0,09MPa, para remover completamente a umidade e os monômeros residuais. Para produtos reforçados com fibra de vidro, o tambor de parafuso bimetálico é uma configuração necessária para resistir à forte abrasão da fibra de vidro e garantir a estabilidade a longo prazo do desempenho do equipamento. O preço do extrusor Kerke SHJ-65 configurado para modificação de plásticos de engenharia é de cerca de 110.000 a 150.000 dólares americanos, incluindo alimentador lateral, sistema de alto vácuo e tambor de parafuso bimetálico. Em comparação com a configuração normal, a produção de masterbatch reforçado com fibra de vidro pode gerar um valor acrescentado de 30% a 50% maior ao produto, e o período de retorno do investimento é de cerca de 8 a 12 meses.
2.5 Masterbatch biodegradável: prevenção do risco de degradação
Com a crescente demanda global pela proteção ambiental, o masterbatch biodegradável baseado em PLA, PBAT, PBS e outras resinas desenvolveu-se rapidamente nos últimos anos. Esses materiais são muito sensíveis ao calor e à umidade e são muito propensos à degradação térmica e hidrólise durante o processamento, o que resulta em diminuição do peso molecular e propriedades mecânicas inadequadas. Portanto, o ajuste de parâmetros do masterbatch biodegradável deve ter como princípio central a prevenção da degradação.
First of all, raw materials must be fully dried before processing. The moisture content should be controlled below 0.02%, otherwise hydrolysis will occur rapidly at high temperature. The drying temperature of PLA is usually 70℃ to 80℃, and the drying time is 4 to 6 hours. In terms of temperature setting, the principle of “low temperature as much as possible on the premise of ensuring full plasticization” should be followed. The processing temperature of PLA-based masterbatch is usually controlled at 170℃ to 195℃, and the maximum temperature of the mixing zone should not exceed 200℃. The screw speed should not be too high to avoid excessive shear heat leading to temperature rise and degradation. Medium and low speed is appropriate, and the residence time of materials in the barrel is controlled within 1 to 2 minutes.
O sistema de degaseificação a vácuo deve manter um vácuo elevado para remover a umidade e os oligômeros gerados pela degradação residual. A temperatura da cabeça do matriz deve ser adequadamente reduzida para garantir uma descarga suave, evitando que o material permaneça a uma temperatura elevada por um longo período de tempo. Durante a parada da produção, o material no barril deve ser limpo com PE limpo ou material de limpeza especial para evitar a degradação a longo prazo a altas temperaturas dos materiais biodegradáveis restantes, o que afetará a próxima produção. Devido ao alto valor agregado dos produtos de masterbatch biodegradáveis, o lucro bruto por tonelada pode chegar a 300 a 600 dólares americanos. A escolha de um extrusor de alta precisão com boa estabilidade de controle de temperatura pode reduzir efetivamente a taxa de rejeição e garantir o desempenho do produto, e o benefício econômico é muito significativo.
3. Passos e princípios de ajuste de parâmetros padronizados
A ajustagem de parâmetros não é um processo de tentativa e erro cego, mas um processo científico baseado nas características do material e que segue certos princípios e etapas. A operação padronizada não só permite encontrar rapidamente os parâmetros de processo optimos, mas também evita falhas de equipamento e acidentes de qualidade causados por ajustes inadequados.
3.1 Preparação pré-produção: secagem do material e verificação da fórmula
Antes de iniciar a máquina e ajustar os parâmetros, é necessário fazer uma preparação adequada. Em primeiro lugar, verifique se todas as matérias-primas atendem aos requisitos de qualidade, incluindo o índice de fusão da resina de base, o teor de umidade do enchimento, a pureza do aditivo, etc. As matérias-primas que precisam ser secas devem ser secadas de acordo com o processo especificado, e o teor de umidade deve ser testado para confirmar que atende ao padrão antes do uso. Para fórmulas novas que não foram produzidas anteriormente, pode-se realizar primeiramente uma pré-mistura em pequenas quantidades para verificar preliminarmente a racionalidade da fórmula e evitar grandes perdas na produção formal.
Antes de aquecer, verifique se o equipamento está em condições normais, incluindo se o anel de aquecimento está fixado, se o sensor de temperatura está em bom contato, se o nível de óleo lubrificante da caixa de engrenagens é normal e se o sistema de água de resfriamento está livre de obstruções. Após confirmar que não há problema, configure a temperatura de cada zona de acordo com a curva de temperatura pré-definida e inicie o aquecimento. Após a temperatura atingir o valor definido, mantenha-a aquecida por 30 a 60 minutos para garantir que a temperatura interna e externa do tambor seja uniforme e que o material possa ser totalmente plastificado. Não inicie a rosca com pressa quando a temperatura atinge apenas o valor definido, pois é fácil causar danos por sobrecarga devido à falta de fusão completa do material.
3.2 Metodologia de ajuste passo a passo: princípio de uma única variável
Ao ajustar os parâmetros do processo, deve ser seguido o princípio da variável única, ou seja, apenas um parâmetro pode ser ajustado de cada vez e o próximo parâmetro pode ser ajustado após que o efeito desse ajuste se estabilizar. Se vários parâmetros forem alterados ao mesmo tempo, será impossível julgar qual parâmetro causa a alteração da qualidade do produto, o que levará a ajustes cada vez mais caóticos e até mesmo a problemas graves de qualidade.
A sequência habitual de ajuste é determinar primeiro a curva de temperatura, ajustar a velocidade do parafuso, ajustar a taxa de alimentação adequada, ajustar o grau de vácuo e os parâmetros de granulagem, e, por último, ajustar cada parâmetro de acordo com os resultados do teste do produto. Ao ajustar cada parâmetro, deve ser alterado gradualmente em passos pequenos. Por exemplo, o ajuste da temperatura deve ser de 3 ℃ a 5 ℃ de cada vez, e o ajuste da velocidade do parafuso deve ser de 20 rpm a 30 rpm de cada vez. Após cada ajuste, espere de 5 a 10 minutos até que os parâmetros do processo sejam estáveis e a qualidade do produto seja amostrada e testada, em seguida, decida se deve continuar o ajuste. Desta forma, a combinação de parâmetros ideal pode ser encontrada passo a passo. Durante o processo de ajuste, a temperatura do derretimento, a pressão do derretimento e a torque do motor devem ser monitorizados em tempo real. Esses três parâmetros são a reflexão mais direta do estado do material no barril. Qualquer alteração anormal indica que o estado do processo mudou, e deve ser dada atenção.
3.3 Verificação da estabilidade do processo: indicadores-chave de monitorização
Após determinar inicialmente a combinação de parâmetros, é necessário realizar uma verificação contínua da produção durante um período de tempo para investigar a estabilidade do processo. Os principais indicadores a serem investigados incluem a flutuação da temperatura do fusão, a flutuação da pressão do fusão, a flutuação do torque e a consistência do desempenho do produto. Para a produção de masterbatch de alta qualidade, a flutuação da temperatura do fusão deve ser controlada dentro de ±3℃, a flutuação da pressão do fusão deve estar dentro de ±1 bar e a flutuação do torque deve estar dentro de ±5%. Só quando esses parâmetros permanecem estáveis por um longo período de tempo, pode-se demonstrar que os parâmetros do processo estão adequadamente combinados e a qualidade do produto pode ser garantida como estável.
Ao mesmo tempo, a qualidade do produto deve ser amostrada e testada regularmente. Para o masterbatch de enchimento, deve ser testada a classificação de dispersão, a distribuição do tamanho das partículas e a taxa de fluxo de fusão; para o masterbatch de cor, deve ser testada o valor da diferença de cor para garantir que a diferença de cor ΔE entre diferentes lotes seja inferior a 1,0; para o masterbatch funcional, devem ser testados os indicadores funcionais correspondentes. Se os resultados da prova não atenderem aos requisitos, os parâmetros devem ser ajustados adequadamente de acordo com os problemas específicos. Depois que os parâmetros optimos são determinados, eles devem ser registrados e salvos no sistema de controle como uma fórmula fixa para chamada direta na produção subsequente. Os extrusores da série Kerke SHJ estão equipados com um sistema de controle inteligente, que pode armazenar mais de 200 conjuntos de parâmetros de fórmula. Ao mudar os produtos, é possível realizar uma chamada com um clique, o que reduz significativamente o tempo de comissionamento e evita o erro da configuração manual dos parâmetros.
3.4 Alteração de fórmula: procedimentos de transição e limpeza
Ao mudar de uma fórmula para outra, é necessário fazer uma transição e uma limpeza razoáveis para evitar a contaminação cruzada entre as diferentes fórmulas, especialmente quando se passa de uma cor para outra ou de um sistema de materiais para outro. Em primeiro lugar, após a produção da fórmula anterior ser concluída, pare a alimentação e deixe o parafuso rodar por um período de tempo para descarregar os materiais residuais no tanque, o máximo possível. Em seguida, adicione material de limpeza ou material de transição para a limpeza. A quantidade de material de limpeza depende da diferença entre as duas fórmulas. Para a mudança de cor de escura para clara, são necessários mais materiais de limpeza, e o agente de limpeza pode ser adicionado adequadamente para melhorar o efeito de limpeza.
Durante o processo de limpeza, a velocidade da roda de engrenagem pode ser adequadamente aumentada para reforçar o efeito de auto-limpeza da roda de engrenagem. Ao mesmo tempo, a temperatura pode ser adequadamente aumentada para reduzir a viscosidade do material fundido e melhorar a fluidez, o que é favorável à remoção dos materiais residuais. Observe a cor e o estado do material extrudado. Após o material estar completamente limpo e livre de impurezas, reduza gradualmente a temperatura para a temperatura de processamento da nova fórmula, adicione o material da nova fórmula e inicie a produção formal após a descarga ficar estável. Todo o processo de mudança deve ser registrado, incluindo a quantidade de material de limpeza utilizado, o tempo de limpeza e as configurações de parâmetros, a fim de otimizar o processo de mudança e reduzir o desperdício de material.
Para a troca de fórmula com grandes diferenças, como a troca do sistema PE para o sistema PA, é necessário utilizar materiais de transição intermediários para evitar incompatibilidade entre diferentes materiais, o que pode levar a grumos e bloqueios. Após a troca para a nova fórmula, o primeiro lote de produtos deve ser submetido a testes rigorosos, e a produção em massa formal só pode ser realizada após que a qualidade seja confirmada como qualificada.
4. Extrusor de masterbatch Kerke: Vantagens integradas para o controle de parâmetros de precisão
A ajustagem de parâmetros de alta qualidade deve ser baseada em equipamentos de alta performance. Os extrusores de parafusos gêmeos co-rotativos da série SHJ da Kerke foram projetados com várias tecnologias avançadas para fornecer um suporte de hardware confiável para o controle preciso de parâmetros de diferentes formulações.
4.1 Sistema de controle de temperatura PID de alta precisão: precisão de ±0,5 ℃
Os extrusores Kerke adotam módulos de controle de temperatura PID de alta precisão importados, com controle de temperatura independente para cada zona. A precisão do controle de temperatura pode atingir ±0,5°C, o que é muito superior à precisão de ±2°C a ±3°C dos extrusores comuns de baixo custo. O sistema possui velocidade de resposta rápida e forte capacidade de anti-interferência. Pode ajustar rapidamente a saída de aquecimento e resfriamento quando o ambiente externo ou o estado do material se alteram, para manter a estabilidade de temperatura. O anel de aquecimento adopta elemento de aquecimento cerâmico de alta eficiência, que possui aquecimento uniforme, alta eficiência térmica e longa vida útil. O sistema de resfriamento adopta resfriamento forçado por ar ou resfriamento por água, o que pode ser selecionado de acordo com as necessidades do cliente.
O controle de temperatura de alta precisão é particularmente importante para fórmulas sensíveis ao calor, como o masterbatch de pigmentos orgânicos e o masterbatch biodegradável. Ele pode controlar com precisão a temperatura de fusão dentro do intervalo de processamento ideal, evitar a degradação do material causada por superaquecimento local e garantir uma cor e desempenho estáveis do produto. De acordo com o feedback dos clientes, após usar o extrusor Kerke para produzir o masterbatch de cor, a diferença de cor do lote foi reduzida em mais de 60% em comparação com o equipamento original, e a taxa de qualificação do produto foi aumentada de 92% para 98,5%, o que reduz significativamente os custos de qualidade.
4.2 Design modular de parafusos: atende aos requisitos de corte para diferentes fórmulas
A Kerke adota um design totalmente modular de elementos de parafuso, incluindo elementos de transporte de diferentes distâncias, blocos de amassamento de diferentes ângulos de deslocamento e larguras, e diversos elementos de mistura dentados. Os clientes podem combinar livremente as configurações de parafusos de acordo com os requisitos de cisalhamento e mistura de diferentes fórmulas. Para fórmulas que necessitam de forte dispersão, podem ser configurados mais blocos de amassamento de 45° e 60°; para fórmulas sensíveis ao calor que necessitam de mistura suave, podem ser utilizados mais blocos de amassamento de 30° e elementos de mistura distribuitivos. Os elementos de parafuso são feitos de aço de liga de alta qualidade, que é nitrurado como padrão, e o tratamento de solda por jato bimetálico pode ser selecionado para condições de alto desgaste.
The barrel also adopts modular design, and the number of sections can be increased or decreased according to needs. Functional modules such as side feeding port, exhaust port and liquid injection port can be flexibly configured to adapt to different process requirements. This modular design makes the equipment have high flexibility. One production line can produce multiple different types of masterbatch products by changing the screw configuration and adjusting process parameters, which improves the utilization rate of equipment and reduces the repeated investment cost of enterprises. Kerke technical team will provide professional screw configuration scheme according to the customer’s main product types to ensure the best mixing effect and production efficiency.
4.3 Sistema de alimentação com perda de peso: proporção estável para fórmulas complexas
A Kerke está equipada com um sistema de alimentação de alta precisão, que utiliza um sensor de peso de alta precisão e um algoritmo de controle avançado. A precisão de alimentação pode atingir ±0,2%, garantindo a proporção exata de cada componente em fórmulas complexas. Para fórmulas com vários componentes, podem ser configurados vários alimentadores para o material principal, o enchimento, o pigmento, o aditivo, etc., e cada alimentador é controlado independentemente e ligado de forma sincronizada à velocidade do host. Quando a velocidade do host muda, a quantidade de alimentação de cada alimentador é ajustada proporcionalmente para garantir a proporção constante da fórmula.
O sistema de alimentação também possui funções de alarme de nível de material e de reabastecimento automático. Quando o material na câmara de alimentação está abaixo do valor definido, ele lembrará automaticamente para reabastecer o material, o que evita interrupções na produção causadas pela falta de material. O sistema pode registrar a quantidade real de alimentação de cada componente em tempo real, gerar relatórios de produção e facilitar a gestão da produção e a rastreabilidade da qualidade. Para materiais em pó, como carbonato de cálcio e talco, que são propensos a obstruções, a Kerke também pode fornecer um dispositivo de alimentação forçada com função de mistura, para garantir uma descarga uniforme e estável dos materiais em pó e evitar o problema de alimentação descontínua.
4.4 Sistema de controle inteligente: armazenamento de fórmulas e chamada com um clique
Os extruders da série SHJ da Kerke estão equipados com um sistema de controle PLC de classe industrial e uma interface humano-máquina de tela táctil de 10 polegadas ou maior. A interface é intuitiva e amigável, e fácil de operar. Todos os parâmetros do processo podem ser configurados e monitorizados na tela táctil, incluindo a temperatura de cada zona, a velocidade da engrenagem, a velocidade de alimentação, a pressão de fusão, a temperatura de fusão, o grau de vácuo, etc. O sistema possui funções perfeitas de diagnóstico de falhas e de alerta. Quando ocorrem condições anormais, como sobre-temperatura, sobrepressão, sobrecarga e temperatura do óleo acima do normal, o sistema enviará automaticamente um alerta sonoro e luminoso, e exibirá a causa da falha e sugestões de tratamento na tela, para que os operadores possam lidar com isso a tempo.
A função mais prática é o armazenamento de fórmulas. O sistema pode armazenar mais de 200 conjuntos de parâmetros de formulação de produção. Depois que cada produto é debugado para os parâmetros ideais, ele pode ser salvo como uma fórmula com um clique. Quando se produz o mesmo produto na próxima vez, é necessário apenas chamar a fórmula correspondente, e o sistema ajustará automaticamente todos os parâmetros para os valores ideais, sem a necessidade de uma nova depuração. Esta função reduz significativamente o tempo de troca de produtos, diminui a dependência de operadores experientes e garante a consistência da qualidade dos produtos entre diferentes lotes. O sistema também suporta a função de diagnóstico remoto. Os engenheiros de pós-venda da Kerke podem se conectar remotamente ao sistema de controle do equipamento através da rede para verificar o estado de operação, resolver problemas e até ajustar parâmetros, o que melhora significativamente a velocidade de resposta pós-venda e reduz a perda de tempo de inatividade dos clientes.
4.5 Serviço de otimização de parâmetros personalizado pela equipe técnica da Kerke
In addition to providing high-quality hardware equipment, Kerke also provides customers with professional process technical services. Kerke has a technical team composed of senior polymer processing engineers with rich practical experience in masterbatch production process. After the equipment is delivered and installed, engineers will conduct on-site process commissioning according to the customer’s main product formulas, help customers adjust to the optimal process parameters, and train operators on operation and maintenance skills.
Para os clientes que desenvolvem novos produtos, a Kerke também pode fornecer serviços de depuração de fórmulas e otimização de processos. Os clientes podem enviar matérias-primas ao laboratório da Kerke para produção experimental em extrusoras experimentais. A equipe técnica ajudará os clientes a otimizar a configuração dos parafusos e os parâmetros do processo, determinar o melhor plano de produção e, em seguida, transferi-lo para equipamentos de produção em massa formal, o que reduz significativamente o risco do desenvolvimento de novos produtos. O laboratório da Kerke está equipado com extrusoras experimentais SHJ-20 e SHJ-35, que podem realizar diversos experimentos de formulação de masterbatch, desde a produção experimental em pequenas quantidades até a escala piloto. Os dados experimentais apresentam um bom efeito de amplificação e podem ser aplicados diretamente às linhas de produção industriais.
5. Problemas comuns de qualidade relacionados com desalinhamento de parâmetros e resolução de problemas
No processo de produção real, vários problemas de qualidade ocorrem frequentemente devido a uma configuração inadequada de parâmetros. A seguir, resumimos os problemas de qualidade mais comuns e as respectivas soluções de ajuste de parâmetros para ajudar os funcionários de produção a localizar e resolver os problemas rapidamente.
5.1 Bolhas e vácuos em pellets: problemas de degaseificação e umidade
Bolhas e vácuos dentro ou na superfície dos grânulos de masterbatch são um dos problemas de qualidade mais comuns. As principais causas são a umidade excessiva nas matérias-primas ou o efeito de desumidificação a vácuo insuficiente. Quando este problema ocorre, verifique primeiro se o processo de secagem da matéria-prima está em funcionamento. Se a umidade exceder o padrão, prolongue o tempo de secagem ou aumente a temperatura de secagem. Para materiais higroscópicos, como PA e PET, deve ser utilizado um secador de desumidificação em vez de um secador de ar quente comum.
Em segundo lugar, verifique se o sistema de vácuo funciona normalmente, se o grau de vácuo atende aos requisitos e se o tubo de vácuo está obstruído. Se o grau de vácuo for insuficiente, verifique se há vazamento de ar em cada posição de vedação e limpe o tubo obstruído a tempo. Aumentar adequadamente o grau de vácuo geralmente pode resolver a maioria dos problemas de bolhas. Além disso, uma temperatura de processamento muito alta que leva à decomposição do material e à produção de gás também pode causar bolhas. Neste momento, a temperatura de cada zona deve ser adequadamente reduzida, especialmente a temperatura da zona de mistura, para evitar a degradação térmica dos materiais. Se o material permanecer no tanque por muito tempo, aumentar adequadamente a taxa de alimentação ou aumentar a velocidade do parafuso para reduzir o tempo de permanência também pode melhorar o problema de bolhas.
5.2 Desvio de cor e irregularidades: dispersão e degradação térmica
A desvio de cor e uma coloração desigual são problemas comuns na produção de masterbatch de cor, que são principalmente causados por dois motivos: dispersão inadequada do pigmento ou degradação térmica do pigmento. Se houver manchas de cor evidentes e aglomerados de pigmento na seção do masterbatch, isso indica que a dispersão é insuficiente. Neste momento, a velocidade do parafuso deve ser adequadamente aumentada para reforçar o efeito de cisalhamento; ou aumentar adequadamente a temperatura de processamento para reduzir a viscosidade do fundido e melhorar o efeito de dispersão; se o problema for grave, é necessário ajustar a configuração do parafuso e aumentar o número de blocos de amassamento. Se a cor se torna mais clara ou mais amarela como um todo, e não há aglomerados evidentes, isso geralmente é causado pela degradação térmica do pigmento. Neste momento, a temperatura de processamento deve ser reduzida, especialmente a temperatura da zona de cisalhamento elevado e a cabeça do matriz; ao mesmo tempo, reduzir adequadamente a velocidade do parafuso para reduzir a geração de calor de cisalhamento; encurtar o tempo de permanência do material.
Além disso, uma relação de alimentação instável também pode levar a desvios de cor. Verifique se o alimentador funciona normalmente e se há pontes de material ou bloqueios, o que resulta em uma limpeza irregular. Para a produção de masterbatch de cor com rigorosas exigências de diferença de cor, é necessário garantir a estabilidade do sistema de alimentação e dos parâmetros do processo, evitando ajustes frequentes durante a produção.
5.3 Manchas pretas e partículas carbonizadas: superaquecimento e zonas mortas
Os pontos pretos nos produtos de masterbatch são geralmente causados pela carbonização dos materiais devido à retenção a longo prazo em alta temperatura. Existem cantos mortos no canal de fluxo do tambor de parafuso ou da cabeça de matriz, onde os materiais permanecem por um longo período e são carbonizados pelo calor. Quando as partículas carbonizadas caem e são removidas pela mistura fundida, formam-se pontos pretos. Quando ocorrem problemas com pontos pretos, verifique primeiro se a temperatura de processamento é muito alta, especialmente a temperatura da cabeça da matriz. Se a temperatura for muito alta, reduza-a adequadamente; ao mesmo tempo, verifique se existe superaquecimento em uma determinada zona devido a falha no controle de temperatura.
Em segundo lugar, verifique se o equipamento possui cantos mortos de retenção de material. Por exemplo, se o elemento de parafuso apresenta uma folga de desgaste, se o canal de fluxo da cabeça de matriz possui cantos mortos e se o trocador de tela de filtro apresenta acumulação de material. Se houver deposição de carbono, o equipamento deve ser desmontado e limpo cuidadosamente. Para a produção que exige operação contínua a longo prazo, a temperatura não deve ser ajustada muito alta e o material deve ser mantido em fluxo para evitar a retenção a longo prazo. Quando a máquina é desligada por um longo período de tempo, o material no barril deve ser limpo para evitar a carbonização do material residual a alta temperatura. A desligamento regular e a limpeza completa do parafuso e da cabeça de matriz são uma forma eficaz de prevenir problemas de manchas pretas. O ciclo de limpeza específico deve ser determinado de acordo com as características da fórmula e os requisitos de qualidade do produto.
5.4 Rendimento mecânico deficiente: plasticização inadequada ou sobrecorte
Se as propriedades mecânicas do produto masterbatch, como a resistência à tração e a resistência ao impacto, não atendem aos padrões, também é necessário analisar as razões a partir dos parâmetros do processo. Se a resistência for baixa e a fragilidade alta, pode ser devido à insuficiente plasticização do material, à má ligação de interface entre o enchimento e a resina ou à grave degradação da cadeia molecular da resina devido a uma cisalhamento excessivo.
Quando se suspeita de insuficiente plasticização, aumente adequadamente a temperatura de processamento ou reduza a velocidade do parafuso para prolongar o tempo de permanência, de modo que a resina possa ser totalmente derretida e misturada com o enchimento. Se o efeito não for bom, pode ser necessário ajustar a configuração do parafuso e aumentar os elementos de mistura. Se se suspeitar de degradação do material, primeiro reduza a temperatura de processamento, reduza a velocidade do parafuso, reduza a resistência ao corte e verifique se o desgasificação a vácuo é suficiente. Nos produtos enfeitados, também deve ser verificado o estado de dispersão do enchimento. Se o enchimento aglomerar-se seriamente, tornará-se também um ponto de concentração de tensão, o que levará a uma diminuição das propriedades mecânicas. Nesta altura, a dispersão por corte deve ser reforçada.
5.5 Baixa eficiência de produção: desajustamento de parâmetros e gargalos de saída
Muitas empresas têm o problema de que a produção real dos equipamentos é muito inferior à produção teórica, o que geralmente é causado por uma correspondência de parâmetros inadequada. O motivo mais comum é que a taxa de alimentação não corresponde à velocidade do parafuso. Se a velocidade do parafuso é muito alta, mas a taxa de alimentação é baixa, o grau de enchimento do material no parafuso é muito baixo, a eficiência de transporte é baixa e a produção natural não é alta. Neste momento, aumentar adequadamente a taxa de alimentação pode melhorar significativamente a produção. No entanto, se a taxa de alimentação exceder a capacidade de plastificação do extrusor, isso levará a problemas como insuficiente plastificação e aumento do torque. Portanto, é necessário encontrar o ponto de correspondência ideal através da depuração.
Além disso, uma configuração de temperatura muito baixa resulta em alta viscosidade do fundido e grande resistência à extrusão, o que também limita a produção. Um aumento adequado da temperatura de processamento pode reduzir a viscosidade do fundido, melhorar a fluidez e, consequentemente, aumentar a produção. Obviamente, a premissa é garantir a qualidade do produto. Para equipamentos equipados com um trocador de tela, se a tela estiver bloqueada e a pressão for muito alta, isso também levará a uma redução da produção e até mesmo a uma descarga instável. Neste momento, a tela de filtro deve ser substituída a tempo. Por meio de uma otimização sistemática dos parâmetros, a capacidade de produção do equipamento geralmente pode ser aumentada em 15% a 30% sem reduzir a qualidade do produto, o que equivale a aumentar a produção de uma linha de produção do nada, e o benefício econômico é muito significativo.
6. Análise de custo-benefício da otimização de parâmetros científicos
Muitas empresas apenas prestam atenção à compra de equipamentos e ignoram a otimização dos parâmetros do processo. Na verdade, a otimização científica dos parâmetros pode trazer enormes benefícios econômicos às empresas, com um custo muito baixo. A seguir, faremos uma análise detalhada dos custos e benefícios da otimização dos parâmetros, combinada com casos reais.
O benefício mais direto da otimização de parâmetros é a redução da taxa de desperdício. Tomando como exemplo uma empresa de masterbatch de médio porte, com uma produção anual de 3.000 toneladas, se a taxa de desperdício for de 8% antes da otimização, o desperdício anual de matérias-primas é de 240 toneladas. Calculando o preço médio das matérias-primas de 1.200 dólares por tonelada, a perda anual de matérias-primas é de 288.000 dólares. Após a otimização científica dos parâmetros e a melhoria do processo, a taxa de desperdício pode ser reduzida para cerca de 2%, e a perda anual de matérias-primas é reduzida para 72.000 dólares, economizando 216.000 dólares em custos de matérias-primas a cada ano.
