押出冷却について知りたかったことすべて

Nov 12, 2023

アラングリップ | 2023 年 1 月 12 日

今月の押し出しコラムは、1月にふさわしい寒さについてです。 押出成形では寒くて湿気が多いことがよくありますが、今年はさらに適切です。

熱可塑性プラスチックを押し出せるほど柔らかくするには、熱可塑性プラスチックの熱を加熱する必要があります。 次に進む前に、2 つのことを明確にしておきます。

初め、熱はエネルギーの一種です , したがって、数えたり測定したりすることができます。 エネルギーにはさまざまな形がありますが、現れたり消えたりすることはありません。 魔法はありません。 それはカロリー、つまり1グラムの水の温度を1℃上昇させる熱量で測定できます。 これは微量であるため、1,000 の少量カロリーを表すには、カロリー (Cal) またはカロリー (Kal または Kcal) という大文字を使用するのが一般的です。 ジュールを使用する場合: 4.2 ジュール = 1 カロリー。

この数字は長い間知られていましたが、数えることが望ましくない場合には無視されたり、避けられたりすることがあります。 食べ物のカロリーを数えたくない人も同様で、これは非科学的ではありますが、味や、「緑色なら体に良い」といった衝動やイメージに従う「自由」など、食べることの他の楽しみが認められます。 」

私たち科学者も、カロリーを計算しても食べ物を楽しむことができます。脂肪や油は 9 Kcal/グラム、タンパク質と炭水化物 (デンプン、糖) は、消化されて利用できる場合、1 グラムあたり 4 Kcal です。 確かに、脂肪はエネルギー源としての栄養素であり、タンパク質はでんぷんや糖と同じですが、世間のイメージはそうではありません。 水（肉には80％、野菜には変動します）も体には良いですが、エネルギー源ではありません。 したがって、それはカウントされません。 インターネットや食品ラベルにはこのような情報が溢れていますが、それはグラム単位なので、どれだけ食べるかが重要であることを覚えておいてください。 約 30 グラム = 1 オンス、454 グラム = 1 ポンドなので、グラムにとらわれないでください。

2番目に明確にしなければならない項目は、温度スケール 。 C と F の両方を話す必要があり、ゲージまたはデータ ポイントがある場合は、単位が何であるかを知っておく必要があります。 それは簡単です。5°C = 9°F、0°C は 32°F です (水は凍って氷になります。同じ分子ですが組織化された構造です)。 華氏 (F) は 1717 年に温度計を発明しましたが、摂氏 (C) は海面の米国と同じ、海辺のスウェーデンの水が凍ったり沸騰したりするスケールに基づいています (高度によって異なりますが、彼はそれを知りませんでした)。

プラスチックの話に戻ります。 冷却を理解するには、加熱について理解する必要があります。 冷たいというものは存在しません。冷却とはエネルギーの除去を意味します。 2.2 ポンド (1 キログラム) の低密度ポリエチレン (LDPE) を室温 73°F (25°C) から押出温度 410°F (210°C) まで加熱するには、約 138 Kcal (0.16 kWhr) が必要です。 ）。 これは、1 ポンドあたり約 0.61 Kcal です。これらの数値は理想的ですが、現実の世界では実際の損失が発生します。 他に情報がない場合は、これの 2 倍が必要だと思います。 通常、コストを心配するにはまだ少なすぎますが、過熱については心配する必要はありません。

このエネルギーのほとんどは、モーターが摩擦を克服して粘着性の溶融物内でスクリューを前進させる際に発生します。 一部はダイ ヒーターからのものであり、PET やナイロンなどの高温プラスチック用のバレル ヒーターからのものもあります。 これらの数値には、温度の上昇と結晶化度の破壊の両方が含まれており、LDPE の場合は約 40% です。

このようなデータはインターネット上でも見つけるのが困難です。 私は Rao & O'Brien (Hanser、1998) を使用します。ポリマー科学者は他の情報源を知っているでしょうが、ほとんどの機械は十分以上の熱を加えることができるため、押出機はそれをあまり心配しません。 ただし、バレル ヒーターと空冷または水冷の両方で温度を調整しているため、ほとんどの熱はバレル ヒーターから得られるという誤解が生じます。

しかし、バレル熱の顕著な影響は、上で述べたように、非常に小型の機械、または低速で動作する機械、一部の押出コーティング、一部のツイン、および高温ポリマーにのみ当てはまります。 ヒーターは起動時に必要で、安定した状態に保つのに役立ちますが、通常は主要な熱源ではありません。 後部バレル温度は、別の理由で重要です。それは、最初のゾーンのバレル壁でのペレットの滑りを制御し、したがって、入口/出口速度を制御します。

溝付きバレル押出機は重要な特殊なケースであり、高密度 (HD) PE によく使用されます。 持っている場合は、その仕組みについて詳しく学んでください。 最初のゾーンは水冷されており、そこでの固着や溶解を防ぎます。 プレーンバレルの場合も、飼料入口通路での固着を避けるために冷却が行われる場合がありますが、溝がない限り、これが厳密に制御されることはほとんどありません。

プラスチックが金型から取り出せるほど熱くなったら、製品の寸法を歪めずに熱を取り出す必要があります。 主な冷却剤には、水、空気、ロールなどの冷却された金属表面の 3 つがあります。 熱伝達流体は、シートラインの一部のロール内部など、100°C を超える温度が必要な場所で使用されます。

パイプやチューブを含むほとんどのプロファイルでは、入口にサイジング装置と、プーラー、カッター、またはワインダーに供給する長い水タンク (トラフ) があれば、水で十分です。 プリンターもそのラインにある場合があります。

このような製品は通常、出てくる溶融物の外面で水によって冷却されます。 一部のポリマーは浮遊し、浸漬するとすべてのチューブが押し上げられることに注意してください。そのため、全周スプレーを使用すると全周均一が可能になります。 完全に浸漬すると完全に接触しますが、ある程度の押し込みが必要な場合があり、製品が歪む可能性があります。

熱はプラスチック中をゆっくりと移動し、温度差に比例するため、厚さが重要です。つまり、厚ければ厚いほど遅くなります。 すべてのプラスチック、特に半結晶性のプラスチックは冷却すると収縮します。 冷却が速すぎると、製品にさらに多くの応力がかかりますが、それが問題になる場合もあれば、問題にならない場合もあります (これは熱収縮でテストできます)。

サイジングデバイスには、製品の寸法をその場で変更できるものであっても、別個の冷却機能が備わっている場合があります。 製品がサイザーに入るときに水の輪を製品に適用して、わずかな収縮を引き起こし、製品の入り口を潤滑することができます。

サイジングでは真空を使用して、高温のプラスチックを一定の金属寸法（サイジング スリーブ）まで引き抜きます。また、パイプなどの中空製品の場合は、空気層の圧力を下げて中空製品内の空気圧によって押し出して適合させます。サイザーハードウェアに。 真空度が高すぎると、スライド動作が遅くなったり停止したりする可能性があるため、適切な圧力制御と潤滑性のある材料が必要です。

コンパウンドと一部のフィラメントが水タンク内に下方に押し出される場合があります。 レベル調整はダイから水までの距離を制御し、ダイ、溶融物、水の温度がすべて重要になります。

最高出力の配合機には内部冷却が備わっている場合があり、丸いダイの内側と下に水があり、内側に回転する切断ブレードがあり、高温のペレットを水流に投げ込みます。 ライン ダイ (1 列または 2 列の穴) は通常、外部の水槽を通してストランドとして描画されますが、丸ダイからのストランドも同様に冷却することができます。

冷却剤として空気を最も多く使用するのは、ブロー（管状）薄膜です。この場合、熱い管がダイから上向きに出てきて（いくつかは下向きまたは横向きに）、エアリングが出てくる表面に空気を吹き付けます。内部の空気圧により薄くなる。 生産を速くするために、外気を冷却する場合があります。 これは大きな市場であるため、この原理には多くのバリエーションがあり、特に内部バブル冷却と冷却剤として水と空気を使用した下方への押し出しが挙げられます。 アイリスは表面から熱い空気を取り除き、冷たい空気が入ってきて速度を高めることができます。

金属ロール表面は、ほとんどの平らなシート、押出コーティング、および一部のフィルムの冷却に一般的です。 シートで最も一般的なのは、複数ロールのスタックです。 ほとんどは垂直に設置されていますが、いくつかは角度があり、場合によっては水平であり、溶融物がニップに落ちる可能性があります。 薄いフィルムやコーティングには、プラスチックがダイから離れるときに接触する大きな冷却ロールが 1 つしかない場合があります (距離は調整可能)。

多くの場合、垂直方向はスタックを下っていき、プラスチックの下面が最初に中央のロールに当たり、その周りを回り、次に最初のロールの下のロールのもう一方の面を冷却します。 トップロールはあまり冷却されませんが、出てくる押出物に圧力を加えます。 また、予熱、エンボス加工、および/またはラミネート層の適用も可能です。 上面が重要な場合、システムはスタックを駆け上がることができ、最初の冷却面を常に上側に保ち、サポート ローラーと接触しません。

ロール冷却では、必要に応じて水温が熱交換器で厳密に制御されます。 ダイの中心と端の温度の違いに注意してください。フラット ダイでは、冷却よりもダイ内/ダイ上での処理 (ギャップ、スポット断熱と加熱、および設定) が容易になる場合があります。 このようなダイの変更は、平らなダイだけでなく他のダイにも役立つ可能性があり、すべてに狭角赤外線温度計が必要になる場合があります。

トリミングされる平らな製品のエッジは、冷却が遅くなるのを避け、再研磨に送られるトリミングの量を減らすために密閉して空冷するか、薄くすることができます。 また、露出した表面 (下面を含む) に空気ファンを設置すると、冷却効果が高まる可能性があります。

ブロー成形の多くは押出機によって供給されますが、以前のコメントの一部、特にパイプを扱うものに当てはまります。 ただし、冷却は金型内で行われ、パイプの押出成形よりも射出成形に関係します。

冷却液は冷却効果を高めるために冷蔵される場合がありますが、冷たすぎるとその搬送路が大気中の水分を結露させて温度が上昇する可能性があるため、断熱材は十分に元が取れる可能性があります。 インフレーションフィルム用の冷気は、（温度測定と既知の目標値を使用して）適切に管理しない限り、多大な運転コストになります。

飼料の温度は無視されることが多く、飼料を屋外で保管する場合は特に重要です。 このような変動（昼夜、季節、または太陽による）は、水分を除去する必要がない場合でも、飼料を予熱することで回避できます。均一な飼料温度はコストを正当化するのに十分な利点であるためです。 放射損失を減らすために、ホッパーとおそらく一部の伝送線を絶縁します。 粉末飼料は現実的ですが、克服できる問題です。

予熱は、モーターが十分な熱を生成せず、バレルとダイがそれを補うことができない、または完全に利用できないシステムの救済策でもあります。

フィードの予冷は、フィードの温度を一定に保つのに役立つ場合がありますが、実際の押出ではより多くの熱が必要になるだけであるため、まれです。

一部のラインでは、熱風をバレルの周囲からフィードに直接送り込むことができます。 一般的ではありませんが、極寒の気候や電力コストが異常に高い場合には魅力的です。 北米の多くの地域では、そのような節約を妨げるほど電力コストが低いが、経営者が系統電力への依存を削減しようと努めれば、将来、あるいは現在でも状況が変わる可能性がある。 どれだけの利益が得られるかを誰かが知っているはずであり、推測する必要はありません。

これは冷却水を使って行うこともできますが、水冷押出機の数は少なく、コスト削減だけでは正当化できない可能性があります。

製品の冷却による熱の再利用は一般的ではありませんが可能であり、生産速度を向上させ、その増加分を利益を上げて販売できる場合は注目に値します。 水冷ラインの効率は、多くの場合、製品の周囲の熱水の層を除去するカットアウトに製品を通過させることで最適化でき、これにより製品表面近くまで冷たい水の流れが促進されます。

印刷やトリミングの寸法に影響を与える可能性がある冷却後の収縮を忘れないでください。 プラスチックの中にはオンライン冷却後に数時間以上にわたって収縮するものもありますが、その一部は冷却速度に依存します。

最後に重要なことですが、多くのネジは動作中に熱交換器を使用して内部で流体冷却され、入力温度を一定に保つことができます。 これによりシステムから熱があまり放出されませんが、混合は改善されます。 可逆的であり、新しい機械は必要ありませんが、rpm あたりの出力が低下します。 スクリュー速度を上げることで損失を取り戻せるとしたら、双方にとって有利です。

著者について

アラン・グリフはベテランの押出成形エンジニアで、大手樹脂サプライヤー向けの技術サービスからスタートし、現在はコンサルタントとして、訴訟の専門証人として、そして特に公開ウェビナーやセミナーを通じて教育者として長年働いています。そして社内で、そして今では彼の仮想バージョンです。 彼は、米国初の実用的な押出成形本である「プラスチック押出技術」と、ほぼ毎年更新され、英語だけでなくスペイン語とフランス語でも入手できる「プラスチック押出操作マニュアル」を執筆しました。 詳細については、彼の Web サイト www.griffex.com をご覧いただくか、[email protected] まで電子メールでお問い合わせください。

グリフ氏によると、バーチャル視聴覚セミナーはライブよりも優れているため、近い将来、あるいは今後もライブセミナーの予定はありません。 移動やライブ日程を待つ必要はなく、同じ PowerPoint スライドですが、音声説明と書面によるガイドが付いています。 自分のペースで見てください。 グループ参加は、電子メールで質問し、徹底的な回答を得る権利を含む単一料金で提供されます。 詳細については、301/758-7788 に電話するか、電子メール [email protected] でお問い合わせください。

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