熱可塑性押出成形の分野全体は、誰もが予想していたよりも複雑になっています。特定の温度で劣化する材料を扱う場合、処理範囲は驚くほど狭くなります。ほとんどのメーカーはこれについて十分に語っていません - 材料を加熱してダイに押し込むだけという思い込みがありますが、熱可塑性プラスチックの押出成形はそれよりもはるかに微妙です。
温度管理は人々が思っている以上に重要です。 LDPE を例に挙げると、-Plastics Technology の調査によると、せん断速度 100 秒で粘度は 700 Pa・s 程度にとどまりますが、温度変化は思ったほど粘度に影響を与えません。-1粘度曲線は異なる温度にわたって比較的近くにありますが、温度によって大きな違いが生じる HDPE や LLDPE と比較すると、これは奇妙です。これは単なる学術的なものではありません。押出ライン全体の設定方法が変わります。
誰も警告しない Windows の処理
これらの材料を処理するために必要なエネルギーは急速に増加します。 1 キログラムのLDPE を室温（約 25 度）から典型的な押出温度の 210 度まで加熱するには、約 138 キロカロリーが必要ですが、-現実世界の用途では通常、熱損失のためその 2 倍のカロリーが必要です-。出典: Plasticstoday.com。これはLDPEに限った話です。他のポリエチレンやより複雑な熱可塑性プラスチックに移行すると、すべてが変わります。
材料が異なれば、まったく異なるアプローチが必要になります。 pubs.acs.org で公開されているデータによると、LDPE とワックスのブレンドは Brabender Plastograph を使用して 140 度で溶融混合されましたが、LLDPE には 150 度、HDPE には 160 度が必要でした。{3}これらは単なる提案ではありません。- これらの温度を下回ると不完全な溶解が発生し、それを上回ると熱劣化の危険性があります。処理ウィンドウは現実のもので、ほとんどの機器サプライヤーが認めているよりも狭いです。
興味深いのは、業界がこれらの数値に関して標準化をほとんど行っていないことです。 1 つのプロセッサは 180 度でLDPE を実行し、もう 1 つのプロセッサは 240 度で実行しており、両方とも最適な結果を主張していることがわかります。真実は中間のどこかにあり、滞留時間、スクリューの設計、配合中にどのような添加剤が含まれているかに大きく依存します。
感熱材料がすべてを変える
熱可塑性樹脂の押出成形で熱に弱い材料を加工する場合、単に温度を上げるだけで流れを改善することはできません。一部の材料は、融点をわずかに超える温度で分解し始めます。 PVC は、-「固すぎる」と「塩酸の放出」の間の処理ウィンドウが不快なほど狭いことで有名です。同じことが、今誰もが興奮している特定のバイオ-ベースのポリマーにも当てはまります。素晴らしい環境ストーリーですが、一貫して処理するのは悪夢です。
機器側が材料科学に追いついていません。最新の押出機は、数十年前と同じ基本的なバレル ヒーター技術を依然として使用していますが、より高度なコントローラーが搭載されています。しかし、熱に敏感な配合物を扱う場合、-正確な温度の読み取りだけではなく、即時の応答時間と摩擦加熱をリアルタイムで補正する機能が必要です。-
現実世界のアプリケーションはギャップを示しています-
3M の道路標示部門は、試行錯誤を通じてこの問題の一部を見つけ出しました。同社の全天候型熱可塑性プラスチック システムは、サーモスタットで制御された加熱により 400-440 度 (204-227 度) の厳しい温度帯で動作します。これらの仕様は、3m.com の技術文書から直接引用したものです。華氏 400 度を下回ると、材料が塗布装置を適切に通過できなくなります。華氏 440 度を超えるとバインダー システムが劣化し始め、路面標示の長期耐久性が損なわれます。
academia.edu の調査によると、道路に設置した際の予備成形熱可塑性マーキングについて驚くべきことが記載されています。-車両のタイプに応じて、設置直後は 20-31% の速度低下効果があったが、1 年後には 9～17% に低下しました。これは押出プロセスとは直接関係ありませんが、加工による材料特性が数か月後の現実世界のパフォーマンスにどのように影響するかを示しています。
舗装マーキング業界は毎日大量の熱可塑性材料を処理しており、熱に敏感な配合物に対する興味深い回避策をいくつか開発しました。-移動用途のトラックは、移動中に一定の温度を維持する必要があります。これは、供給ラインの温度低下、周囲環境への熱損失、および材料自体の熱質量に対処することを意味します。現在、ほとんどのシステムでは直接火炎加熱ではなく、オイル-ベースの熱伝達が使用されています。これは、温度勾配が局所領域で材料の劣化を引き起こしているためです。
加工温度で粘度の挙動がおかしくなる
ポリマー溶融物は予測どおりに動作すると思われがちですが、それは特定のせん断速度範囲内でのみ当てはまります。低いせん断速度では、LDPE と HDPE は似ているように見えますが、せん断速度が上昇すると、突然、LDPE の方が 3 倍流れやすくなります。これは金型設計にとって非常に重要です - これらのレオロジーの違いを考慮しない限り、HDPE パイプ押出で機能するものは、LDPE では見事に失敗します。
そして、添加物がどのようにすべてを変えるかについても触れていません。着色剤、UV 安定剤、または難燃剤をベース樹脂に添加すると、粘度の挙動が変化します。時には劇的に。加工助剤を 2% 添加すると、必要な押出温度が 15 度低下する配合を見たことがあります。また、同じ加工助剤がベースポリマーと相溶しないため、ほとんど違いが生じない場合もありました。
材料科学者が無視している装置の制限
新しい熱に弱い熱可塑性プラスチックを開発している人々と、それを実際に加工しなければならない人々の間には断絶があります。{0}材料科学者は、実験室用二軸押出機で 5 kg/h で「微細」に加工する驚くべき新しいバイオポリマーを作成できます。{{2}その後、生産部門は 1 つのスクリュー ラインで 500 kg/h までスケールアップしようとしましたが、熱管理がまったく異なることが判明しました。{7}
単軸スクリュー押出機は、バレル ヒーターからではなく、摩擦からほとんどの熱を発生します。通常は問題ありませんが、熱に弱い素材の場合は問題が発生します。-最終的には、スクリューシャーによる過熱を防ぐために、バレルゾーンを目標溶融温度よりも低い温度で運転する必要があります。そうすると、供給ゾーンの温度が十分でないため、溶融が不安定になります。これはバランスを取る作業であり、多くの場合、カスタムのネジ設計が必要になります。
二軸押出機-は、理論上、熱に弱い材料の処理に優れています。- 混合が改善され、滞留時間が短くなり、温度制御ゾーンが増えます。-しかし、それらは高価で複雑です。そして依然として物理学を騙すことはできません。材料が 200 度で劣化し始め、ダイを通過するには 190 度にする必要がある場合、おそらく 10 度の範囲で作業できます。機器の精度は、ほとんどの作業が実行できるように設定されている以上に重要です。
感熱材料用の金型設計
金型は、熱に弱い材料の多くが故障する場所です。-ポリマーが圧縮されて狭いチャネルを移動し、流れ自体から熱が発生します。標準的な金型設計には、材料が長時間放置され劣化するデッドスポットが存在することがよくあります。熱に敏感な配合の場合、圧力損失を最小限に抑えた流線型の流路が必要ですが、これは通常、生産速度の一部を犠牲にすることを意味します。
シート押出用のコートハンガー ダイには特に問題があります。{0}マニホールドセクションは、材料が伝導だけで過熱する可能性がある低せん断領域を作成します。一部のメーカーは、ダイ内での滞留時間を短縮するためにスパイラル マンドレル設計や多層フィードブロックを採用していますが、これらは高価なソリューションであり、多くのプロセッサでは正当化できません。
多くの場合、ダイ内の温度監視は不十分です。ほとんどのセットアップではダイ本体に熱電対が備えられていますが、それらは実際のポリマー溶融温度ではなく、金属温度を測定します。ダイ本体の温度が警報を発するほどに上昇するまでに、どれくらいの時間、劣化した材料を押し出し続けていることになります。
業界はどこへ向かうのか
より熱に弱い素材、-バイオベースのポリマー、-、熱履歴が不明なリサイクル内容、特定の用途向けの特殊配合物などを処理するプレッシャーが高まっています。これを簡単に処理できるほど機器は急速に進化していません。
一部の企業は代替加熱方法を実験しています。ダイの誘導加熱により、応答時間が短縮され、制御がより正確になります。バレルゾーンの赤外線加熱により、バレル表面とポリマー溶融物の間の温度勾配を減少させることができます。これらは高価であり、大幅なプロセス開発が必要なため、まだ主流ではありません。
-リアルタイム監視は徐々に改善されてきています。インラインレオメーターは、重大な品質問題になる前に、熱劣化を示す粘度変化を捉えることができます。バレルとダイ全体の圧力トランスデューサーにより、加工上の問題を早期に特定できます。しかし、これにはすべて費用がかかり、データの意味を理解するオペレータが必要であり、これはテクノロジーそのものよりも大きな課題です。
根本的な問題は依然として残っています。それは、熱可塑性プラスチックの押出成形では、装置が本来維持するように設計されていない狭い窓内で熱に弱い材料を加工するということです。押出機メーカーと材料開発者がより緊密に協力するまで、これらの加工上の課題は今後も続くでしょう。材料の要求はますます厳しくなり、設備もそれに追いつくのに苦労しています。それがまさに今私たちがいるところです。
ニューヨーク市運輸省の押出熱可塑性マーキングの仕様では、押出シューで測定した塗布温度が 400-450 度の間であることが求められており、装置の能力と温度維持に関する特定の要件が nyc.gov に文書化されています -。このような厳密な仕様が存在するのは、熱に弱い熱可塑性プラスチックの加工パラメーターは近似できないことを政府機関が失敗を通じて学んだためです。温度を正確に制御しないと、パフォーマンスが不安定になります。
ここで、熱要件と材料の安定性のバランスをとるという中核的な課題に戻ります。-すべての熱可塑性プラスチックには、劣化せずによく流れるスイート スポットがあり、生産効率を維持しながらそのスポットを見つけることが、最新の機器やプロセス制御をすべて備えた場合でも、押出加工を科学というよりも芸術にしているのです。