Low shrinkage high calcium filled plastic formula suitable for twin screw compounder

Компания Kerke, завод Wanplas, которая более двенадцати лет занимается разработкой параллельных коаксиальных двухвинтовых смесительных экструдеров, ежедневно работает с производителями, которым необходимо довести загрузку кальциевого карбоната до практического предела, сохраняя при этом размерную стабильность изготовленных изделий. В настоящем руководстве рассматривается, как построена пластиковая формула с низким усадкой и высоким содержанием кальция, почему двухвинтовой смеситель является подходящим оборудованием для ее изготовления с прибылью и какие настройки процесса обеспечивают как качество выпускаемой продукции, так и производительность завода, когда содержание наполнителя превышает уровни, с которыми обычные одновинтовые линии не справляются.

Understanding Shrinkage in Highly Filled Polyolefin Compounds

Сокращение в литой или экструдированной пластиковой детали — это разница между размером полости пресс-формы или штампа и размером охлажденной, затвердевшей детали, и оно возникает из нескольких перекрывающихся физических механизмов, с которыми должны справляться производители пластиковых масс. Первый механизм — термическое сокращение: каждый полимер охлаждается от температуры плавления до температуры окружающей среды и сокращается по мере замедления молекулярного движения, и это сокращение пропорционально коэффициенту теплового расширения конкретного смолы. Второй механизм — это кристаллизация: полукристаллические полимеры, такие как полипропилен, полиэтилен и полиамид, при охлаждении укладывают свои цепи в упорядоченные области, и скачок плотности от аморфной расплавной массы к кристаллическому твердому веществу приводит к значительной потере объема, чего в значительной степени избегают аморфные смолы, такие как ПВХ, ПС и АБС. Третий механизм — это релаксация ориентации, при которой цепи, разтянутые силой трения и течения, возвращаются в исходное положение после снятия давления фиксации. Четвертый, и для данного обсуждения наиболее полезный, эффект — это эффект наполнителя: замена части сокращающегося полимера жесткими, практически не сжимающимися минеральными включениями напрямую ограничивает сокращение в любом направлении.

Карбонат кальция привлекателен именно потому, что он химически инертен, имеет яркий белый цвет, широко доступен и недорог, при этом обеспечивает значительное и предсказуемое снижение усадки и коэффициента теплового расширения. По мере увеличения нагрузки объемная доля полимера уменьшается, поэтому деталь сжимается меньше и имеет более строгие допуски, что имеет значение для профилей, труб, листов и автомобильных компонентов, где после формовки возникает деформация, что приводит к отбраковке. Технический компромис заключается в том, что высокая нагрузка также повышает вязкость расплава, увеличивает риск неполного распределения и отнимает прочность у матрицы, если не удается управлять интерфейсом между минералом и полимером. Формула, которая просто добавляет карбонат кальция в полипропилен, действительно будет меньше сжиматься, но она также станет хрупкой, будет поглощать влагу на незащищенной поверхности частиц и плохо обрабатываться. Таким образом, дисциплина низкоконтрактной высококальциевой формулы имеет меньше общего с числом загрузки и больше с системой, окружающей ее: соединением, смазкой, восстановлением при ударе и машиной для смешивания, которая может распределять от шестидесяти до двухсот частей наполнителя на сто частей смолы без появления разводов или всплесков.

Почему карбонат кальция является предпочтительным низкодеформационным наполнителем

Среди минеральных наполнителей кальцит занимает уникальное положение, поскольку он сочетает в себе низкую стоимость с сильными преимуществами в плане размеров и нейтральным влиянием на большинство процессов обработки. Сухой кальциев карбонат получают путем измельчения природного известняка или мрамора до контролируемого размера частиц, в то время как осадковый кальциев карбонат синтезируется до более мелкой, более однородной морфологии с более высокой белизной. Оба вида снижают усадку, повышают модуль упругости и твердость, уменьшают тепловое расширение и улучшают четкость поверхности экструдированных профилей, однако ни один из них не способствует анизотропному изгибу, который могут вызывать плоские минералы, когда они выстраиваются в потоке. Для смесителя, оптимизирующего затраты, кальциевый карбонат обычно является первым выбором, и загрузка может быть увеличена намного выше, чем при использовании функциональных наполнителей, которые стоят дороже за тон.

Выбор размера частиц является одним из наиболее важных решений после установки целевого уровня загрузки. Тонкие фракции в диапазоне от двух до пяти микрон лучше диспергируются, сохраняют большую ударную прочность и обеспечивают более гладкие поверхности, что подходит для деталей с тонкими стенами или деталей, предназначенных для внешнего вида, но они обладают более высокой способностью поглощать масло и могут увеличивать густоту расплава. Грубые фракции в диапазоне от десяти до двадцати микрон дешевле, имеют меньшую площадь поверхности и очень эффективны в борьбе с усадкой, однако они грубеют поверхность и могут выступать в качестве концентраторов напряжения, если не обрабатываются. Поэтому большинство высококальциевых составов сочетает крупную фракцию для экономии с более мелкой фракцией для обработки и качества поверхности, или они указывают на продукт с покрытием, которое уже содержит слой стеариновой кислоты для снижения влажности и улучшения проникновения полимера. В приведенной ниже таблице представлены практические варианты выбора класса, которые инженеры-разработчики приложений Kerke используют при определении области применения нового композита с низким усадкой.

Архитектура формулы для низкого усадки при высоком нагружении

Стойкая формула с низким уровнем усадки и высоким содержанием кальция построена из пяти функциональных блоков, а не из одного номера наполнителя. Базовое смола устанавливает исходное усадку и химическое состояние для соединения; полимерный полипропилен обеспечивает наивысшую жесткость и наименьшие затраты на сырье, но имеет наибольшую исходную усадку; полипропиленовый сополимер отдает часть жесткости в обмен на ударную вязкость, а полиэтилен высокой плотности обеспечивает меньший модуль упругости, но отличную вязкость и очень низкое поглощение влаги. The filler block is calcium carbonate, sized and coated as discussed above. Блок соединения связывает полярную минеральную поверхность с неполярным полиолефином; без него интерфейс является слабым путем образования трещин. Блок смазки контролирует вязкость расплава и предотвращает перегрузку смесительных шнеков. Блок восстановления ударной вязкости возвращает прочность, которую удаляет высокое заполнение, поскольку деталь, которая разрушается в процессе эксплуатации, не является коммерческим продуктом.

Типичные окна загрузки для производственного состава составляют от тридцати до семидесяти процентов кальциевого карбоната по весу, а специализированные наполнители могут достигать восьмидесяти процентов и более, прежде чем произойти разбавление. Уровни добавок лучше всего выражать в частях на сто смолы, чтобы они корректно масштабировались при изменении базовой смолы: смазочный стеарат в количестве от одного до трех частей на сто смолы, модификатор, закрепленный малеиновой ангидридом, на основе полиолефина, в количестве от двух до шести частей на сто наполнителя, модификатор удара, например полиолефиновый эластомер, в количестве от пяти до пятнадцати частей на сто для жестких применений, а также небольшой пакет антиоксидантов для тепловой стабильности во время прохождения с высокой удельной энергией через смеситель. В таблице ниже показаны соответствия между каждым функциональным блоком и его ролью, а также реалистичный диапазон загрузки, что дает формулировщикам отправную точку, которую лабораторные испытания двойных шнековых экструдеров в компании Kerke затем усовершенствуют в соответствии с целями снижения усадки и повышения ударной вязкости.

Обработка поверхности и стратегия соединения

Необработанная поверхность карбоната кальция является полярной и гидрофильной, что означает, что она отталкивает неполярный полиолефин и притягивает атмосферную влагу, и обе эти тенденции подрывают низкозакрепляющийся состав, если не контролировать их. Сухая поверхностная покрытие стеариновой кислотой, обычно в количестве от 0,5 до 1,5 процента от массы наполнителя, снижает поглощение влаги и создает более сбалансированный внешний слой частиц, что уменьшает агломерацию при подаче. Только этот этап улучшает дисперсию и снижает эффективную вязкость расплава, но он не создает истинного химического моста через интерфейс. Для этого необходим связывающий агент, а основным компонентом в системах полиолефинов является полипропилен, модифицированный малеиновой ангидридной группой, который фиксирует один конец в смоле и обладает полярностью по отношению к минералу.

В двухвинтовом смесителе реакция связывания наиболее эффективна, когда агент связывания вводится вместе с наполнителем и смолой так, чтобы он контактировал с свежеувлажненной минеральной поверхностью при высоком перемешивании, а не предварительно смешивался с смолой, где он может вступать в реакцию с остаточной влагой и терять свою активность. Измеримый результат заключается в значительном повышении ударной прочности, более высокой эластичности при разрушении, меньшей поглощающей способности и еще более небольшом снижении усадки, поскольку скрепленный наполнитель более эффективно противостоит утяжению сокращающейся матрицы. Тианатные и цирконатные купола являются альтернативными вариантами для неполуолефиновых матриц или там, где требуется более низкая температура обработки, но для высококальциевых композиций из полипропилена и полиэтилена, которые рассматриваются здесь, метод малеирования полиолефинов является наиболее повторяемым и наиболее простым для проверки на производственной линии. Правильный уровень соединения – это разница между хрупким заполненным элементом и элементом с низким усадкой, который все еще выдерживает испытание на падение.

Смешивание на ко-вращающемся двойном шнековом экструдере

Параллельный кочесывающийся двухвинтовой смеситель является правильным устройством для формулы с низким усадкой и высоким содержанием кальция, поскольку он обеспечивает три необходимых для формулы вещи: интенсивное дистрибутивное и диспергирующее смешивание, контролируемую деволатилизацию и возможность вводить большую долю наполнителя вниз по потоку через боковой подающий прибор. Сопряженные винты взаимодействуют и самостоятельно очищаются, поэтому материал не застаивается и не деградирует, а модульные элементы винта и цилиндра позволяют инженеру регулировать срезание от входа до пресс-формы. Если обычный экструдер просто транспортирует смесь и оставляет агломераты нетронутыми, то секция смешивания с двумя шнеками разрушает комки наполнителя до уровня отдельных частиц, необходимого для работы связующего агента.

При высокой нагрузке наполнителя рекомендуемая стратегия подачи разделяет потоки: полимер и жидкие или низкодозированные добавки поступают в основную зону подачи, а крупнозернистый кальциев карбонат дозируется через боковую часть подачи примерно на половине длины цилиндра, чтобы зона подачи никогда не заполнялась и свободный объем использовался для плавления, а не для транспортировки сыпучего порошка. Затем вакуумный клапан вниз по потоку удаляет влагу, выделившуюся из наполнителя, и любые летучие вещества из смазки, что крайне важно, поскольку застрявшая вода вспыхивает в прессе и образует пустоты и расширение поверхности. Температурный профиль барабана поддерживается умеренным в зонах подачи и плавления и немного выше в местах сопряжения и гомогенизации, в то время как температура расплава должна быть ниже верхнего предела, при котором происходит пригорание стеарата или разложение связующего вещества. Компания Kerke поставляет серию экструдеров KTE с параллельным вращением двух винтов, предназначенных именно для этой задачи, с моделями, рассчитанными на лабораторный масштаб и высокопроизводительные производственные линии.

Screw Configuration and Process Settings

Архитектура винтовой конструкции заключается в том, что низковысококальциевый состав либо успевает, либо не успевает, поскольку одна и та же геометрия не может одновременно максимально повысить степень введения наполнителя и минимизировать удельное энергопотребление. Типичная схема кочесывания начинается с элементов транспортировки и мягкого измельчения в зонах подачи и плавления, затем переходит в блоки смешивания, где диспергируется карбонат кальция и происходит реакция связующего агента, и снова возвращается к элементам транспортировки и обратного измельчения, которые создают давление и способствуют деволатилизации перед насосом для расплавленного материала или формой. Соотношение длины к диаметру обычно составляет от сорока до сорока восьми для высоко заполненных композиций, поскольку дополнительная длина барабана обеспечивает время пребывания для смачивания и отвода газов, не вынуждая скорость вращения шнека до такой степени, чтобы расплав нагревался неконтролируемо.

Параметры настройки процесса выбираются в пределах допустимых значений материала, а не вблизи одного целевого результата. Скорость вращения увеличивается только до тех пор, пока наполнитель полностью не распределится, поскольку избыточная скорость добавляет специфическую механическую энергию, которую расплав должен отдавать в виде тепла, а это тепло может вытолкнуть покрытую стеаратом поверхность за пределы ее комфортной зоны и вызвать выделение паров в отверстие. Температура плавления поддерживается в пределах окна, которое позволяет полиолефину течь, но защищает пакет добавок, обычно в диапазоне от сто девяноста до двести тридцати градусов Цельсия для систем полипропилена, при этом точный верхний предел определяется в ходе заводских пробных испытаний компании Kerke. Конкретная механическая энергия является наиболее полезной переменной управления на линии с двумя винтами: отслеживание ее на килограмм продукта позволяет оператору определить, изменилась ли рецептура или синхронизация вращения винтов, еще до того как качество продукта начнет ухудшаться. Когда балансируются скорость подачи сбоку, отвод и вращение винта, семидесятипроцентный состав из карбоната кальция течет так же стабильно, как и слабо заполненный.

Применение низкодеформационных высококальциевых соединений в различных отраслях промышленности

Конечные рынки, которые получают наибольшую пользу от формулы с низким усадкой и высоким содержанием кальция, — это именно те, где размерная стабильность, жесткость и стоимость конкурируют на одной спецификации. В строительном секторе жесткие профили, стеновые панели и трубопроводные фитинги полагаются на низкую тепловую расширяемость и устойчивость к деформации, которые обеспечивает кальциев карбонат, а те же соединения используются в деревянно-пластиковых композитных настилах, где минерал уменьшает перемещение влаги и обеспечивает прямоту досок. В производстве мастик высококальциевая наполнительная мастика является экономичным средством, позволяющим производителям настраивать жесткость и усадку своих конечных композиций без переговоров о поставке смол. Automotive non-visible trims, appliance housings, and certain packaging components use these compounds to hold tight tolerances at a fraction of the pure-resin material cost.

Оборудование Kerke используется в производстве мастик, инженерных пластиковых смесей, биоразлагаемых пластиков, кабельных смесей, смесей ПВХ, термопластичных эластомеров и деревно-пластиковых композитов, и тема низкого усадки с высоким содержанием кальция встречается почти во всех из них, поскольку цель заказчика остается неизменной: заменить недорогой минерал дорогим полимером, сохраняя при этом соответствие детали требованиям, предъявляемым к ней. Поскольку платформа с двумя винтовыми элементами является модульной, то та же самая машина KTE, которая сегодня работает с сорокапроцентным наполнителем из полипропилена, завтра может быть переконфигурирована для использования восьмидесятипроцентного мастера, просто заменив винтовые элементы и настроив боковой подающий механизм. Поэтому компендиры рассматривают эту линию как гибкий производственный актив, а не как инструмент для производства одного продукта. Выбор подходящей модели зависит в первую очередь от пропускной способности и уровня наполнителя, а не только от химического состава.

Лаборатория Kerke и системы питания для разработки формул

Перед внедрением рецептуры с низким расширением и высоким содержанием кальция на производственную линию компоновщики проверяют ее на небольшом ко-обертывающемся двойном винтовом экструдере, где элементы винтов, подающие устройства и отводы можно изменить за один день, а не во время дорогостоящего остановки завода. Компания Kerke поставляет лабораторный двойной экструдер KTE-16B именно для этой цели и он имеет ту же модульную конструкцию барабана и винтов, что и производственные машины, поэтому рецепт, проверенный в лаборатории, может быть успешно применен в экструдерах KTE-75B, KTE-95B или KTE-135D. Лабораторный агрегат также поддерживает подачу по весу и боковую подачу, что позволяет отработать стратегию заполнения высокими материалами в реальных условиях, а не на бумаге.

Для производственных линий компания Kerke дополняет экструдер соответствующим комплексом подачи и гранулирования, который превращает смесь в однородные, свободно текущие гранулы. Опции подачи включают систему объемного измерения для грубых компонентов, подающий устройство с измерением массы для точного дозирования наполнителя, подающее устройство для крупногабаритного регминда и подающее устройство для жидких связующих или смазочных веществ, которые проще перекачивать, чем дозировать в виде твердых веществ. В нижнем потоке система резки предлагает водяное охлаждение пеллетного распыления полос, воздушное охлаждение пеллетного распыления полос, воздушное охлаждение горячего резания с лицевой стороны штампа, водяное охлаждение горячего резания с лицевой стороны штампа, эксцентричное горячее резание водяным туманом и подводную грануляцию, которые выбираются в зависимости от того, является ли композит теплочувствительным, пыльным или предназначенным для прямого экструдирования. Соответствие резца с композитом позволяет избежать штрафов и неправильной геометрии гранул, которые впоследствии могут нарушить процесс литья у заказчика.

Контроль качества и испытания на усадку

Довод о низком усадке является правдоподобным только тогда, когда он измеряется так, как это будет ощущать клиент, поэтому производители смесей проверяют формулу на усадку при формовании, а не на расчетную оценку. Стандартный подход заключается в том, чтобы отлить прямоугольную или круглую пробную пластинку при фиксированном давлении уплотнения и времени охлаждения, измерить холодное измерение и сравнить его с размером инструмента, чтобы сообщить о усадке в процентах; повторяя испытание в направлении потока и поперек направления потока, можно выявить любую анизотропию, вызванную ориентацией наполнителя. Для экструдированных профилей и труб эквивалентным проверкой является расширение формы и стабильность размеров после калибровки, поскольку профиль, который деформируется неравномерно, будет деформироваться на линии охлаждения и заклинивать транспортировочный механизм.

Помимо усадки, полная спецификация выпуска для высококальциевого соединения включает скорость течения расплава для подтверждения технологичности, ударный изгиб по методу Изод для подтверждения того, что связующее и модификатор удара выполняют свою работу, прочность на разрыв и модуль пруткообразования для подтверждения жесткости и содержание влаги в гранулах, поскольку поверхностная влага на необработанном наполнителе является наиболее распространенной причиной расхождения и пустот. Kerke factory acceptance runs the compound on the actual proposed screw configuration and records specific mechanical energy, vent behavior, and pellet quality so the customer receives a validated setpoint sheet rather than a generic starting point. Именно эта дисциплина позволяет компоновщику с уверенностью отправлять формулу, содержащую семьдесят процентов карбоната кальция, зная, что формы заказчика не внезапно выйдут из допустимого диапазона.

Обслуживание и поддержка от компаний Kerke и Wanplas

Выбор машины составляет лишь половину решения; эксплуатация ее в течение многих лет без неожиданностей – это другая половина, и компания Kerke поддерживает свои двухвинтовые смесители в рамках общей структуры обслуживания группы Wanplas. Каждая линия поставляется с бесплатными запасными частями на сумму 500 долларов США каждый год и бесплатной заменой поврежденных деталей в течение гарантийного срока, а политика открытого завода позволяет клиентам осматривать сборку, свидетельствовать о приемке испытаний и обучать своих операторов на месте перед отправкой. Инженеры компании Kerke занимаются установкой и пуском в эксплуатацию, передают проверенную рецептуру процесса и остаются доступными для дистанционного мониторинга, чтобы можно было диагностировать отклонения процесса без ожидания визита специалиста.

Группа Wanplas обещает бесплатную замену деталей, гарантию транспортировки, производственные мощности, соответствующие заданным целям, и стандарт качества, предусматривающий возврат средств и компенсацию в случае несоответствия оборудования спецификации. С более чем двенадцатилетним опытом работы с двойными шнеками, заводом площадью девятнадцать тысяч квадратных метров, более чем двумя тысячами машин, работающих по всему миру, и опытом работы в более чем семидесяти странах, компания Kerke рассматривает формулу с низким усадкой и высоким содержанием кальция как поддерживаемую продуктовую систему, а не как одноразовую продажу, поэтому компендиторы возвращаются, когда они расширяют производственные мощности или добавляют новый сорт мастичных порошков в свой портфель.

Часто задаваемые вопросы

Сколько карбоната кальция может обрабатывать двухшнековая смесительная машина?

Сопряженная двойная шнековая линия обрабатывает гораздо больше наполнителя, чем одношнековая экструдер, поскольку боковой питатель вводит порошок вниз по потоку, а зона смешивания распределяет его под действием высокого перемешивания. Производственные смеси обычно достигают 60–70% по весу, а специальные наполнители, изготавливаемые на установке KTE-135D, могут превышать 80% перед разбавлением при условии, что связывание и смазка сбалансированы, а вентиляция удаляет десорбированную влагу.

Осуществляет ли высокое насыщение кальцием всегда снижение усадки?

Более высокая нагрузка кальциевого карбоната, как правило, снижает усадку, поскольку жесткий минерал заменяет сокращающийся полимер, но преимущество этого достигает своего максимума и может даже перейти в отрицательное значение, если интерфейс слабый, поскольку плохое сцепление позволяет матрицу отходить от наполнителя и создавать микроскопические пустоты, которые приводят к видимым изменениям размеров. Правильное соединение с малеитированным полиолефином позволяет превратить высокую нагрузку в надежную низкую усадку.

Какое связывающее вещество лучше всего подходит для CaCO3 в полипропилене?

Полипропилен, модифицированный малеиновой кислотой, является наиболее повторяемым выбором для карбоната кальция в полипропилене и полиэтилене, поскольку он связывает полярный минерал с неполярным полимером и восстанавливает ударную прочность, потерянную в результате наполнения. Тианатные или циркониевые купола подходят для специальных матриц или при более низких температурах обработки, но они менее распространены в высоковольтных двухвинтовых соединениях.

Почему стоит использовать боковой кормопровод для высокой загрузки наполнителя?

Боковой питатель измеряет объем карбоната кальция примерно на половине длины цилиндра, чтобы основное отверстие подачи никогда не заполнялось порошком, освобождая объем для плавления и позволяя винту создавать необходимую силу трения для распыления наполнителя без перегрузки привода. Это также сокращает время пребывания смолы в горячей зоне, что защищает теплочувствительные добавки во время высокого заполнения.

Каков профиль температуры барабана для соединений с содержанием кальция?

Удерживайте зоны подачи и плавления в умеренном состоянии, чтобы защитить покрытие стеаратом и связывающее вещество, незначительно повышайте температуру там, где происходит дисперсия и гомогенизация, и поддерживайте температуру расплава ниже верхнего предела выгорания добавки, обычно в диапазоне от сто девяносто до двести тридцати градусов Цельсия для систем полипропилена, при этом точный диапазон подтверждается в ходе заводских испытаний.

Как я могу проверить усадку заполненного состава?

Выпекаем пробную пластину при фиксированном давлении упаковки и времени охлаждения, измеряем холодное измерение, сравниваем его с размером инструмента и сообщаем о усадке в процентах как в направлении потока, так и в поперечном направлении, чтобы выявить анизотропию. Для экструдированных профилей измеряйте стабильность охлажденных размеров после калибровки, поскольку неравномерное усадка в этом случае приводит к искривлению на линии охлаждения, а не в форме.

Может ли оборудование Kerke изготавливать как мастик-основу, так и конечный состав?

Да. Та же модульная платформа KTE использует слабо наполненный конечный состав и восемьдесятпроцентный заполнитель в виде мастерича, меняя элементы шнека, настраивая боковой подающий механизм и выбирая подходящий режущий инструмент; лабораторный агрегат KTE-16B сначала проверяет рецептуру, чтобы она четко масштабировалась на производственные модели, такие как KTE-75B, KTE-95B или KTE-135D.

Работа с Kerke над вашим композитом с низким коэффициентом усадки

Если ваша команда разрабатывает формулу с высоким содержанием кальция и низким усадкой и вам требуется линия комбинирования с двумя шнеками, которая может распределять наполнитель, отводить влагу и поддерживать стабильный выпуск в промышленных масштабах, отправьте в компанию Kerke информацию о целевой нагрузке, базовой смоле и требуемой допустимой погрешности части. Команда завода Wanplas предложит конфигурацию винтов, порекомендует подходящую модель KTE и пакет подачи, проведет испытательный пробный запуск и пригласит вас стать свидетелем пуско-наладочных работ и обучения на заводе перед отправкой, чтобы состав, который вы указываете, был тем составом, который будет выпускаться на линии.