2024-01-23 / 行业新闻

推荐阅读丨挤出发泡工艺中混合及混合器的设计Mixing and Mixer Designs for Foam Extrusion

在挤出发泡中,在使用物理发泡剂的条件下制造高质量发泡产品会存在两个混合问题。一是如何使发泡剂在聚合物熔体中能实现饱和的密集混合二是熔体/发泡剂溶液的均化问题发泡产品的泡孔质量(即泡孔尺寸完整性和尺寸分布)与后者密切相关,即熔体温度分布,尤其是对于厚板产品。溶体温度相差几度,泡孔膨胀和泡孔强度就可能会出现很大的变化。在高产量的条件下,厚度方向上的温度变化是一个难以控制的参数。

In foam extrusion, there are two mixing concerns in making a high-quality foam product while using physical blowing agent. One is the intensive mixing for blowing agent to saturate in the polymeric melt. Two is the homogenizing the melt/blowing agent solution. Foam cell quality (i.e., cell size integrity and size distribution) is strongly related to the latter, namely, melt temperature distribution, especially for thick board products. A few degrees difference, the cell expansion and cell wall strength may show a big variation. At high throughput, the melt temperature difference across the thickness is a limiting parameter. 

众所周知,在挤出发泡中,同样存在熔体流动的温度变化很难控制的问题。聚合物本身是一种较差的热导体。在设计中,产生破碎以允许在厚度方向上进行混合的操作是非常具有挑战性的。对于分散混合,利用高剪切区是一种常见的做法。但是其伴随而来的剪切生热不仅会增加电机的扭矩,还会加大以稳定熔体发泡为目的的冷却设备的负载。而一个有效的解决方案是在流道上设置一个屏障螺纹,以达到强制缠绕和展开熔体的目的,使熔体可以分成一个长条从而连续接触冷却筒,如图1所示。尽管熔体泵送能力在一定程度上受到了影响,但总体上来说,利大于弊。

It has been well known that in foam extrusion the temperature variation across the melt flow is hard to control. Polymer itself is a poor thermal conductor. Generating disruption to allow mixing in the thickness direction is very challenging in design. For dispersive mixing, high shear zone is a common practice. The concomitant shear heat generation causes not only increased torque to the motor, but also more load in taking heat away to stabilize the melt foaming. One clever solution is to set up a barrier screw across the channel to force winding and unwinding that the melt bulk can be divided into a long strip to contact the cooling barrel continuously as shown in Fig. 1. Although melt pumping capability is somewhat compromised, overall it is more positive than negative.

图1: 流过屏障螺棱的流动方式

Fig. 1: Flow Pattern across the Barrier Flight
大约二十年前,高效的熔体冷却器或熔体热交换器受到了广泛的关注。经过挤出机后的熔体块可以被划分为不同的流动路径,从而在流动路径之间建立同向或逆向的冷却流。它可以像一个在金属管壁中有冷却流的静态混合器,因此冷却流设计变得非常关键。
About two decades ago, more attention was spent on a separate melt cooler, or melt heat exchanger. Melt bulk after the extruder can be divided into different flow paths, between which cooling flow is established co-currently or counter-currently. It could be like a static mixer with cooling flow in the metal tube wall. The cooling flow design became very critical.
我们可以设像,入口点和出口点应该可能表现出足够的温度变化,才能引起发泡均匀性问题。改进版本如图2所示。通冷却油的多孔外壳在发泡材料质量和产量方面表现出优势。由于它有两对90度转弯和停滞区域,剩余部分可能残留在死角上,这可能会需要额外的时间去清除残留的熔体。而在过去的十年里,我们在孔尺寸和冷却路径优化方面做出了更多的工作。最近,我们已经在研究孔的几何形状,以便进一步改善具有较少停滞区域的厚度方向上的熔体温度分布。

It can be imagined that the entry point and exit may exhibit enough temperature variation to cause foaming uniformity concerns. An improved version is illustrated in Fig. 2.The holed shell with cooling oil through it demonstrated benefits in foam quality and throughput. Since it has two pairs of 90 degree turns and stagnant areas, left over may be hanging on the corners, which can cause extra time in purging for color change. More efforts were made on hole size and cooling path optimization in the last decade. Lately, hole geometry has being investigated to further improve the melt temperature distribution in the thickness distribution with less stagnant areas.

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图2: 熔体冷却器DE专利号: 202005001985

Fig. 2: Melt Cooler DE patent: 202005001985

到目前为止,大多数成功的例子使用的的都是方便的物理发泡剂。对于无机发泡剂,如CO2和N2,由于其在大多数热塑性塑料中的高挥发性和低溶解度,所以效果更加明显。N2是一种理想的发泡剂。从技术上讲,它的分子比CO2小,且其在熔体中的溶解度仅为CO2的一小部分,所以这使得它很难实现超过五倍的发泡倍率。但是从环境的角度来看,使用水作为单独的发泡剂也是非常有吸引力的。
So far, most success was reported with convenient physical blowing agents. For inorganic blowing agent, such CO2, and N2, the bar is higher since its high volatility and low solubility in most thermoplastics. N2 is an ideal blowing agent. Technically, it is a smaller molecule than CO2, yet its solubility is only a fraction of CO2, which makes it very difficult to handle for over five times expansion. Using water as a solo blowing agent is also very appealing from environmental perspective. 
氢键化学反应通常需要较长时间来稳定,这个时间尺度远高于挤出加工尺度。这是一个很好的研发目标。最重要的是,环境友好性一直是一种强大的驱动力,发泡剂的选择可能会将不同的加工装置推向对环保有利的位置,从而在未来提供更安全的环境。
The hydrogen bonding chemistry usually takes time to stabilize, which time scale is much higher than the extrusion processing scale. This is a good R&D target. Above all, environmental friendliness has been a strong driving force, the choice blowing agent may push different processors into a favorable position to render a safer environment in the future.

翻译自北京化工大学-何亚东老师团队

Published by PFC Editorial Office
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