Почему сушка смолы имеет значение при экструзии пластмасс

Шаг, на который не обращают внимания, пока он не разрушает весь производственный цикл

Высыхание смолы при экструзии пластика - одна из самых малозаметных причин брака продукции. При появлении пузырей, разводов или необъяснимой хрупкости первый инстинкт обычно заключается в проверке экструдера. Во многих случаях операторы тратят часы на устранение неполадок в работе машины, прежде чем приходят к неутешительному выводу: проблема никогда не была в экструдере. Она была в материале еще до того, как он попал в ствол.

Когда пластиковые гранулы попадают в высокотемпературный экструдер с избытком влаги, эта влага превращается в пар, а пар, попавший внутрь расплавленного полимера, создает дефекты, которые не исправить никакими настройками параметров. Для гигроскопичных пластиков, таких как ПК, ПММА, АБС и ПА, сушка смолы перед экструзией пластика не является необязательным этапом подготовки. Это обязательное условие для получения приемлемой продукции.

Это не означает, что каждый пластик требует сушки. Негигроскопичные материалы, такие как полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид, обычно не нуждаются в осушении. Решение о сушке и способе сушки полностью зависит от материала, условий хранения и требований к продукту. В этой статье рассказывается о том, откуда берется влага, как она повреждает экструдированные изделия и что на самом деле требуется для эффективной сушки пластика перед экструзией.

Многие из материалов, о которых идет речь в этой статье - ПК, ПММА, АБС, ПА, ПЭ, ПП - более подробно рассматриваются в Распространенные пластмассы, используемые в экструзии..

Два способа, которыми пластики удерживают воду, и почему это меняет все представления о сушке

Не все пластмассы ведут себя одинаково при воздействии влаги. Критический вопрос заключается не в том, присутствует ли влага - она присутствует почти всегда, - а в том, где она находится: на поверхности гранул или заперта внутри их молекулярной структуры.

Негигроскопичные пластики - только поверхностная влага

Материалы, похожие на ПЭ, ПП и ПВХ не впитывают влагу в свою молекулярную структуру. Любая влага, которую они переносят, находится на поверхности гранул - результат конденсации, влажности при хранении или изменения температуры при транспортировке.

Эта поверхностная влага может быть удалена с помощью стандартного бункерная сушилка горячего воздуха. Нагретый воздух испаряет воду с поверхности гранул и уносит ее с собой. Этот процесс относительно прост, и эти материалы, как правило, не требуют особого внимания, если условия сушки не совсем оптимальны. Во многих случаях только правильное хранение и обработка позволяют поддерживать влажность поверхности на приемлемом уровне.

Гигроскопичные пластики - влага заперта внутри

Материалы, похожие на PC, PMMA, ABS, PA (нейлон), PET и TPU ведут себя совершенно по-другому. Эти полимеры активно поглощают влагу из окружающего воздуха. Молекулы воды мигрируют в промежутки между полимерными цепочками и задерживаются - как вода, впитавшаяся в губку, а не просто сидящая на ее поверхности.

A Бункерная сушилка горячего воздуха не может эффективно удалять внутреннюю влагу из гигроскопичных пластмасс. Горячий воздух может испарить воду с поверхности, но влага, запертая внутри гранул, требует принципиально иного подхода.

A осушительная сушилка (также называемый осушителем с влагопоглотителем) циркулирует воздух с чрезвычайно низкой точкой росы - обычно ниже -30°C (-22°F). Такой сухой воздух создает сильный градиент влажности, который заставляет молекулы воды мигрировать изнутри гранул на поверхность, где они могут быть унесены. Без такой низкой точки росы “сушильный” воздух сам по себе содержит слишком много влаги, чтобы извлечь что-либо из внутреннего пространства гранул.

Это не просто незначительное предпочтение оборудования - это фундаментальное требование процесса. При использовании сушилки горячего воздуха на гигроскопичном материале может показаться, что она работает, но внутренняя влага остается практически нетронутой. Гранулы поступают в экструдер сухими, но содержат достаточно воды, чтобы вызвать серьезные дефекты.

Имеет значение еще один фактор: условия хранения. Даже правильно упакованные материалы могут впитать значительное количество влаги, если их хранить на влажном складе или оставить в открытом пакете на несколько дней. Гигроскопичный по своей природе материал, но правильно упакованный, может не нуждаться в длительной сушке, в то время как тот же самый материал, хранившийся небрежно, может потребовать максимального времени сушки. Решение никогда не зависит только от типа материала.

Определение гигроскопичности или негигроскопичности вашего материала, а также оценка его фактической истории хранения - это первый пункт принятия решения при конфигурировании сушильной системы. Если вы еще не знакомы с тем, как эти материалы различаются в реальных условиях экструзии, Распространенные пластмассы, используемые в экструзии содержит практическую карту материалов, охватывающую ПВХ, ПЭ, ПП, АБС, ПК, ПММА, ТПУ и ПА.

Дополнительную информацию о том, как различные полимеры взаимодействуют с влагой, можно найти в журнале Plastics Technology Понимание содержания влаги в смоле предлагает подробный анализ поведения гигроскопичных и негигроскопичных материалов.

Что происходит, когда влага попадает в высокотемпературный экструдер

Влага в пластиковых гранулах, не удаленная перед переработкой, подвергается быстрой и разрушительной трансформации, когда материал попадает в ствол экструдера, где температура может превышать 200°C (392°F). Повреждение происходит по двум различным путям, причем оба могут происходить одновременно.

Видимый путь - дефекты поверхности

Вода, попавшая в гранулы, практически мгновенно испаряется при температуре экструдера. Расширяющийся пар создает газовые карманы, которые оказываются в расплавленном полимере. Когда расплав проходит через фильеру и охлаждается, эти газовые карманы образуют целый ряд видимых дефектов:

• Пузырьки и пустоты - воздушные карманы в стенках или поперечном сечении изделия
• Следы от сплита (серебристые полосы) - характерные прожилки серебристого цвета на поверхности изделия, вызванные выходом газа через расплав
• Точечная коррозия и шероховатость поверхности - небольшие кратеры или неровные текстуры, где газ нарушил течение расплава

Для стандартных непрозрачных изделий некоторые из этих дефектов могут быть терпимыми или не столь очевидными. Но ситуация кардинально меняется с прозрачными материалами.

Из реального производственного опыта работы с ПК и ПММА: Тот же уровень недостаточной сушки, который может привести к появлению небольшого, едва заметного пузырька в полиэтиленовой трубе, приведет к появлению хорошо заметных следов расслоения и помутнения в прозрачном профиле из ПК или ПММА. Прозрачные изделия не имеют цвета для маскировки дефектов - каждый след влаги, каждый микропузырек, каждое нарушение потока сразу видны невооруженным глазом. Вот почему требования к сушке прозрачных экструзионных изделий значительно жестче и почему брак, связанный с влажностью, в этой категории часто означает отказ от всего производства.

Невидимый путь - необратимая потеря производительности

Второй тип повреждений более коварен, поскольку может не проявляться визуально. При высоких температурах обработки молекулы воды вступают в реакцию с определенными полимерными цепями в процессе, который называется гидролиз. Эта реакция разрывает молекулярные цепи, уменьшая молекулярную массу полимера.

Последствия реальны и измеримы:

• Повышенная хрупкость - материал теряет способность поглощать удары
• Снижение прочности на разрыв и ударной вязкости - механические свойства значительно ухудшаются
• Снижение долговечности - изделие может пройти первичный визуальный осмотр, но выйти из строя под действием реальных нагрузок

ПК, ПА и ПЭТ особенно подвержены гидролитической деградации. Критическая точка: Повреждение при гидролизе необратимо. После разрыва молекулярных цепочек их невозможно восстановить. Никакие последующие корректировки процесса - снижение температуры расплава, замедление скорости шнека, замена фильеры - не могут устранить повреждение. Материал навсегда ослаблен на молекулярном уровне.

A melt pump will not fix that either: it stabilizes metering, not melt quality.

Влага в экструдере наносит два вида вреда: дефекты, которые можно увидеть на поверхности, и снижение производительности, которое невозможно заметить, пока продукт не выйдет из строя.

Правильная сушка - это не просто “нагрев пеллет” - четыре параметра должны работать вместе

Когда дело доходит до сушка пластиковых гранул, Одно из самых распространенных заблуждений заключается в том, что это означает просто “нагревание материала”. На самом деле эффективная сушка смолы - это результат совместной работы четырех параметров. Если хотя бы один из них недостаточен, процесс сушки может быть неудачным - даже если остальные три параметра верны.

Температура сушки

У каждого материала есть оптимальное температурное окно для сушки. Слишком низкая, и молекулы воды внутри гранул не получают достаточно энергии для миграции на поверхность - процесс сушки останавливается. Слишком высокая - и гранулы могут начать размягчаться, слипаться, окисляться или обесцвечиваться.

Правильная температура обеспечивает активную миграцию влаги без повреждения материала. Этот параметр значительно отличается для разных материалов, поэтому полагаться на единый температурный режим “по умолчанию” для всех смол - надежный способ создать проблемы.

Время высыхания

Молекулы воды внутри гигроскопической гранулы не достигают поверхности мгновенно. Они должны диффундировать наружу изнутри - процесс, требующий времени даже при правильной температуре.

Одной из наиболее частых ошибок оператора является пополнение бункера свежими, недосушенными гранулами незадолго до начала производства. Вновь добавленные гранулы не успели достаточно продержаться в сушилке. Они поступают в экструдер с первоначальным содержанием влаги, в то время как оператор считает, что материал был высушен должным образом. В результате получается бракованный продукт из материала, который технически “находился” в сушилке, но фактически так и не был высушен.

Поток воздуха

Нагретый или осушенный воздух должен непрерывно проходить через пеллетный слой в достаточном объеме. Воздух передает тепло пеллетам и уносит влагу, попавшую на поверхность пеллет.

Если поток воздуха недостаточен, влага, испаряющаяся из гранул, скапливается в окружающем воздухе, снижая движущую силу сушки. По сути, материал находится в своей собственной влажной микросреде, даже если сушилка работает.

Точка росы - самый недооцененный параметр

Для гигроскопичных материалов, точка росы - самый важный параметр сушки - и наиболее часто игнорируемый.

Точка росы определяет, сколько влаги содержит сам осушаемый воздух. Обычный окружающий воздух имеет точку росы где-то между +10°C и +20°C. Для негигроскопичных материалов, из которых нужно удалить только поверхностную воду, это приемлемо. Но для гигроскопичных пластиков окружающий воздух слишком влажный, чтобы удалить внутреннюю воду.

Эффективные осушители подают воздух с точкой росы -30°C (-22°F) или ниже. Только такой сухой воздух может создать достаточно сильный градиент влажности, чтобы вытянуть воду из внутренней части гранул. Если точка росы смещается вверх - из-за насыщения влагопоглотителя, проблем с обслуживанием или просто при использовании неправильного типа сушилки - воздух теряет способность сушить гигроскопичный материал, независимо от того, насколько жарко или как долго материал находится в бункере.

Из четырех параметров наибольшее внимание уделяется температуре и времени. Меньше всего внимания уделяется потоку воздуха и точке росы - а ведь именно они часто являются реальной причиной неудач при сушке.

Для получения более подробной технической информации о параметрах сушки и выборе оборудования, Novatec's Основы сушки смолы содержит дополнительные сведения о температурных профилях, расчетах воздушного потока и управлении точкой росы.

Ловушка после сушки - восстановление влажности

Для сильно гигроскопичных материалов, таких как ПК, ПММА и ПА, успешная сушка гранул - это только половина дела. Что происходит между Сушилка и экструдер могут в считанные минуты отменить часы тщательной сушки.

Почему свежевысушенные гранулы быстро впитывают влагу

Правильно высушенная гигроскопичная гранула имеет очень низкое внутреннее содержание влаги - значительно ниже, чем равновесный уровень для окружающего воздуха в цехе. Это создает крутой градиент влажности: сухие гранулы, по сути, “хотят пить” и начинают поглощать влагу из окружающего воздуха сразу после воздействия.

С практической точки зрения, свежевысушенные гранулы ПК или ПММА, находящиеся в обычных условиях цеха, могут повторно впитать достаточно влаги, чтобы вызвать дефекты обработки в течение 30-60 минут. Многочасовая работа по сушке может быть сведена на нет коротким периодом незащищенного воздействия.

Лучшая практика - минимизация времени экспозиции

Наиболее эффективный подход заключается в следующем устанавливайте сушилку непосредственно над загрузочной горловиной экструдера, Таким образом, высушенные гранулы попадают из сушилки прямо в шнек с минимальным воздействием воздуха. Это самый короткий путь и самый низкий риск повторного попадания влаги.

Если используется централизованная система сушки, а гранулы должны подаваться в экструдер, сама система транспортировки становится критической переменной. Использование обычного сжатого воздуха для подачи высушенного гигроскопичного материала - распространенная и дорогостоящая ошибка. Стандартный сжатый воздух содержит гораздо больше влаги, чем могут выдержать высушенные гранулы. Решение заключается в использовании конвейерные линии с осушенным воздухом - поддержание низкого уровня влажности от выхода сушилки до входа в экструдер.

Поиск и устранение неисправностей: Если программа сушки на бумаге выглядит правильно - правильная температура, достаточное время, правильная точка росы, - но в продукте все равно появляются пузырьки или разводы, наиболее распространенными скрытыми причинами являются: (1) только что добавленные гранулы, которые не успели достаточно задержаться в бункере, и (2) система транспортировки, использующая стандартный сжатый воздух, который повторно увлажнил материал во время транспортировки. Эти две проблемы встречаются чаще, чем реальная неисправность сушилки, и их легко пропустить, поскольку сама сушилка, как кажется, работает нормально.

Сушка - это процесс, который необходимо поддерживать до последнего момента перед тем, как материал попадет в экструдер, - это не тот этап, который можно выполнить заранее и отложить на потом.

Заключение - относитесь к сушке как к первому контрольному пункту качества на вашей производственной линии

Неисправности сушки - это тихий источник брака. Они не вызывают аварийных сигналов на станке. На панели управления не мигают коды ошибок. Экструдер работает нормально, скорость линии стабильна, а последующее оборудование работает без нареканий. Но продукция, сходящая с линии, имеет дефекты - видимые или невидимые - которые связаны с влагой, которая должна была быть удалена еще до того, как материал попал в бочку.

Для негигроскопичных материалов, таких как полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид, с этой задачей справляется правильно обслуживаемая бункерная сушилка горячего воздуха, а во многих случаях достаточно только правильного хранения. Для гигроскопичных материалов, таких как ПК, ПММА, АБС, ПА и ПЭТ, осушительная сушилка с проверенными характеристиками точки росы не является дополнительным оборудованием - это базовое требование для приемлемого производства.

С точки зрения компании Jinxin как производителя экструзионных линий: Производственные проблемы, связанные с сушкой, обычно возникают во время пусконаладочных работ и пробных запусков, а не во время приемочных испытаний отдельного оборудования. Сушилка может пройти автономную проверку производительности, но проблемы возникают, когда вся линия работает с реальным материалом в реальных условиях цеха. Именно поэтому при конфигурировании экструзионных линий для гигроскопичных материалов мы рассматриваем спецификацию сушильной системы и место установки как часть общего решения для линии, а не как компонент, который заказчик должен приобрести отдельно. Правильная установка сушильной системы с самого начала позволяет избежать целого ряда проблем, которые сложно диагностировать и дорого устранять после того, как линия уже установлена.

Если вы хотите продолжить знакомство с процессом экструзии - от сырья до готового продукта - следующий шаг: Что такое экструзия пластмассы? →

Если вы уже подбираете экструзионную линию, вам нужна помощь в выборе подходящей конфигурации сушки для вашего материала, свяжитесь с нашей командой инженеров укажите тип материала, требования к продукту и любые дефекты, с которыми вы сталкиваетесь.