Экструзия пластмасс — это крупносерийный производственный процесс, при котором необработанный пластик плавится и формируется в непрерывный профиль. Экструзия производит такие изделия, как трубы/трубки, уплотнители, ограждения, перила, оконные рамы, пластиковые пленки и листы, термопластические покрытия и изоляцию проводов.
Этот процесс начинается с подачи пластикового материала (пеллет, гранул, хлопьев или порошков) из бункера в цилиндр экструдера. Материал постепенно расплавляется за счет механической энергии, генерируемой вращающимися винтами и нагревателями, расположенными вдоль ствола. Затем расплавленный полимер подается в матрицу, которая придает полимеру форму, затвердевающую при охлаждении.
ИСТОРИЯ
Экструзия труб
Первые предшественники современного экструдера были разработаны в начале 19 века. В 1820 году Томас Хэнкок изобрел резиновый «мастикатор», предназначенный для переработки обработанных резиновых отходов, а в 1836 году Эдвин Чаффи разработал двухвалковую машину для смешивания добавок с резиной. Первую экструзию термопласта осуществили в 1935 году Пол Трёстер и его жена Эшли Гершофф в Гамбурге, Германия. Вскоре после этого Роберто Коломбо из LMP разработал первые двухшнековые экструдеры в Италии.
ПРОЦЕСС
При экструзии пластмасс сырьевой материал обычно имеет форму гранул (маленьких шариков, часто называемых смолой), которые самотеком подаются из бункера, установленного сверху, в цилиндр экструдера. Часто используются такие добавки, как красители и ингибиторы УФ-излучения (в жидкой форме или в форме гранул), которые можно смешивать со смолой до ее поступления в бункер. Этот процесс имеет много общего с литьем пластмасс под давлением с точки зрения экструдерной технологии, хотя отличается тем, что обычно представляет собой непрерывный процесс. Хотя пултрузия может предложить множество аналогичных профилей непрерывной длины, обычно с дополнительным армированием, это достигается за счет вытягивания готового продукта из матрицы вместо экструзии расплава полимера через головку.
Материал поступает через загрузочное отверстие (отверстие в задней части ствола) и вступает в контакт с шнеком. Вращающийся винт (обычно вращающийся со скоростью, например, 120 об/мин) проталкивает пластиковые шарики вперед в нагретый цилиндр. Желаемая температура экструзии редко бывает равна заданной температуре цилиндра из-за вязкостного нагрева и других эффектов. В большинстве процессов для цилиндра устанавливается профиль нагрева, в котором три или более независимых зон нагрева с ПИД-управлением постепенно повышают температуру цилиндра от задней части (куда поступает пластик) к передней. Это позволяет пластиковым шарикам плавиться постепенно, когда они проталкиваются через цилиндр, и снижает риск перегрева, который может привести к разрушению полимера.
Дополнительному нагреву способствуют сильное давление и трение, происходящие внутри ствола. Фактически, если экструзионная линия пропускает определенные материалы достаточно быстро, нагреватели можно отключить и поддерживать температуру расплава только за счет давления и трения внутри цилиндра. В большинстве экструдеров имеются охлаждающие вентиляторы, которые поддерживают температуру ниже заданного значения, если выделяется слишком много тепла. Если принудительного воздушного охлаждения оказывается недостаточно, применяют залитые рубашки охлаждения.
Пластиковый экструдер разрезан пополам, чтобы показать компоненты.
В передней части цилиндра расплавленный пластик выходит из шнека и проходит через сетчатый фильтр для удаления любых загрязнений из расплава. Экраны усилены предохранительной пластиной (толстой металлической шайбой с множеством просверленных в ней отверстий), поскольку давление в этой точке может превышать 5000 фунтов на квадратный дюйм (34 МПа). Узел сита/отбойной пластины также служит для создания противодавления в стволе. Противодавление необходимо для равномерного плавления и правильного перемешивания полимера, а величину создаваемого давления можно «регулировать», варьируя состав ситового пакета (количество сит, размер их переплетения и другие параметры). Эта комбинация разделительной пластины и пакета сит также устраняет «вращательную память» расплавленного пластика и вместо этого создает «продольную память».
После прохождения пластины прерывателя расплавленный пластик попадает в матрицу. Матрица – это то, что придает конечному изделию профиль, и она должна быть спроектирована так, чтобы расплавленный пластик равномерно перетекал из цилиндрического профиля в форму профиля продукта. Неравномерный поток на этом этапе может привести к образованию продукта с нежелательными остаточными напряжениями в определенных точках профиля, которые могут вызвать коробление при охлаждении. Можно создавать самые разнообразные формы, ограничиваясь непрерывными профилями.
Теперь продукт необходимо охладить, что обычно достигается путем пропускания экструдата через водяную баню. Пластмассы являются очень хорошими теплоизоляторами, поэтому их трудно быстро охладить. По сравнению со сталью пластик отводит тепло в 2000 раз медленнее. В линии экструзии труб или труб на герметичную водяную баню воздействует тщательно контролируемый вакуум, чтобы предотвратить разрушение вновь сформированной и все еще расплавленной трубы или трубы. Для таких продуктов, как пластиковая пленка, охлаждение достигается путем протягивания через набор охлаждающих валков. Для пленок и очень тонких листов воздушное охлаждение может быть эффективным в качестве начальной стадии охлаждения, как при экструзии пленки с раздувом.
Экструдеры для пластмасс также широко используются для переработки переработанных пластиковых отходов или другого сырья после очистки, сортировки и/или смешивания. Этот материал обычно экструдируют в нити, пригодные для измельчения в шарики или гранулы, чтобы использовать их в качестве предшественника для дальнейшей обработки.
ВИНТОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ
В термопластическом шнеке имеется пять возможных зон. Поскольку терминология в отрасли не стандартизирована, этим зонам могут относиться разные названия. Различные типы полимеров будут иметь разные конструкции шнеков, некоторые из которых не включают в себя все возможные зоны.
Простой пластиковый экструзионный винт.
Шнеки экструдера от Boston Matthews
Большинство винтов имеют следующие три зоны:
● Зона подачи (также называемая зоной транспортировки твердых частиц): эта зона подает смолу в экструдер, и глубина канала обычно одинакова по всей зоне.
● Зона плавления (также называемая переходной зоной или зоной сжатия): большая часть полимера расплавляется в этой секции, и глубина канала постепенно уменьшается.
● Зона дозирования (также называемая зоной транспортировки расплава): в этой зоне плавятся последние частицы и перемешиваются до однородной температуры и состава. Как и зона питания, глубина канала постоянна во всей этой зоне.
Кроме того, вентилируемый (двухступенчатый) шнек имеет:
● Зона декомпрессии. В этой зоне, примерно на две трети вниз по шнеку, канал внезапно становится глубже, что снижает давление и позволяет любым захваченным газам (влаге, воздуху, растворителям или реагентам) вытягиваться с помощью вакуума.
● Вторая зона дозирования. Эта зона аналогична первой зоне замера, но с большей глубиной канала. Он служит для повторного повышения давления расплава, чтобы он смог преодолеть сопротивление сит и фильеры.
Часто длину винта называют его диаметром как соотношение L:D. Например, винт диаметром 6 дюймов (150 мм) при соотношении 24:1 будет иметь длину 144 дюйма (12 футов), а при соотношении 32:1 — 192 дюйма (16 футов). Обычно соотношение L:D составляет 25:1, но некоторые машины увеличивают его до 40:1 для большего смешивания и большей производительности при том же диаметре шнека. Двухступенчатые (вентилируемые) шнеки обычно имеют соотношение 36:1 для учета двух дополнительных зон.
Каждая зона оборудована одной или несколькими термопарами или термометрами сопротивления в стенке цилиндра для контроля температуры. «Температурный профиль», т.е. температура каждой зоны, очень важен для качества и характеристик конечного экструдата.
ТИПИЧНЫЕ ЭКСТРУЗИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Труба ПНД во время экструзии. Материал HDPE поступает из нагревателя в матрицу, а затем в охлаждающий резервуар. Эта кабелепроводная труба Acu-Power изготовлена методом совместной экструзии: внутри она черная, с тонкой оранжевой оболочкой для обозначения силовых кабелей.
Типичные пластиковые материалы, которые используются при экструзии, включают, помимо прочего: полиэтилен (ПЭ), полипропилен, ацеталь, акрил, нейлон (полиамиды), полистирол, поливинилхлорид (ПВХ), акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС) и поликарбонат.[4] ]
ТИПЫ МАТЕРИ
При экструзии пластмасс используются различные матрицы. Хотя между типами и сложностью штампов могут быть существенные различия, все штампы позволяют осуществлять непрерывную экструзию расплава полимера, в отличие от прерывистой обработки, такой как литье под давлением.
Экструзия пленки с раздувом
Выдувная экструзия полиэтиленовой пленки
Производство полиэтиленовой пленки для таких продуктов, как сумки для покупок и непрерывная пленка, осуществляется с помощью линии по производству пленки с раздувом.
Этот процесс аналогичен обычному процессу экструзии вплоть до матрицы. В этом процессе используются три основных типа штампов: кольцевые (или траверсы), крестовины и спиральные. Кольцевые матрицы являются самыми простыми, в них расплав полимера проходит по всему поперечному сечению матрицы перед выходом из матрицы; это может привести к неравномерному потоку. Паутинные матрицы состоят из центральной оправки, прикрепленной к внешнему кольцу матрицы посредством ряда «ножек»; хотя поток более симметричен, чем в кольцевых матрицах, образуется ряд линий сварки, которые ослабляют пленку. Спиральные штампы устраняют проблему линий сварки и асимметричного потока, но они, безусловно, являются наиболее сложными.
Расплав несколько охлаждают перед выходом из головки, чтобы получить слабую полутвердую трубку. Диаметр этой трубки быстро увеличивается за счет давления воздуха, и трубка вытягивается вверх с помощью роликов, растягивая пластик как в поперечном направлении, так и в направлении вытяжки. Вытягивание и выдувание делают пленку тоньше, чем экструдированная трубка, а также преимущественно выравнивают молекулярные цепи полимера в направлении, в котором наблюдается наибольшая пластическая деформация. Если пленка вытягивается больше, чем выдувается (конечный диаметр трубки близок к экструдированному диаметру), молекулы полимера будут строго ориентированы в направлении вытягивания, в результате чего пленка будет прочной в этом направлении, но слабой в поперечном направлении. . Пленка, диаметр которой значительно превышает диаметр экструзии, будет иметь большую прочность в поперечном направлении, но меньшую в направлении вытягивания.
В случае полиэтилена и других полукристаллических полимеров по мере охлаждения пленка кристаллизуется на так называемой линии замерзания. По мере того как пленка продолжает остывать, ее протягивают через несколько комплектов прижимных роликов, чтобы расплющить ее в уложенную трубку, которую затем можно намотать на катушку или разрезать на два или более рулона листового материала.
Экструзия листов/пленок
Экструзия листов/пленок используется для экструзии пластиковых листов или пленок, которые слишком толсты для выдувания. Используются плашки двух типов: Т-образные и вешалки. Целью этих фильер является переориентация и направление потока расплава полимера от единственного круглого выхода из экструдера к тонкому плоскому потоку. В обоих типах головок обеспечивается постоянный и равномерный поток по всей площади поперечного сечения головки. Охлаждение обычно осуществляется путем протягивания через набор охлаждающих валков (каландровых или «охлаждающих» валков). При экструзии листов эти валки не только обеспечивают необходимое охлаждение, но также определяют толщину листа и текстуру поверхности.[7] Часто совместная экструзия используется для нанесения одного или нескольких слоев поверх основного материала для получения определенных свойств, таких как поглощение УФ-излучения, текстура, устойчивость к проникновению кислорода или отражение энергии.
Обычным процессом постэкструзии листового пластика является термоформование, при котором лист нагревается до мягкости (пластика) и формуется с помощью формы в новую форму. Когда используется вакуум, это часто называют вакуумной формовкой. Ориентация (т.е. способность/доступная плотность листа для вытягивания в форму, глубина которой обычно может варьироваться от 1 до 36 дюймов) очень важна и сильно влияет на время цикла формования большинства пластмасс.
Экструзия трубок
Экструдированные трубы, такие как трубы из ПВХ, производятся с использованием матриц, очень похожих на те, которые используются при экструзии пленки с раздувом. Положительное давление можно приложить к внутренним полостям через штифт, или отрицательное давление можно приложить к наружному диаметру с помощью вакуумного калибратора, чтобы обеспечить правильные окончательные размеры. Дополнительные просветы или отверстия могут быть созданы путем добавления к штампу соответствующих внутренних оправок.
Медицинская экструзионная линия Boston Matthews
Применение многослойных трубок также постоянно присутствует в автомобильной промышленности, сантехнической и отопительной промышленности, а также в упаковочной промышленности.
Экструзия оболочки
Экструзия оболочки позволяет наносить внешний слой пластика на существующий провод или кабель. Это типичный процесс изоляции проводов.
Существует два различных типа штампов, используемых для нанесения покрытия на проволоку, трубку (или оболочку) и давление. В инструментах для изготовления оболочек расплав полимера не касается внутренней проволоки до тех пор, пока она не окажется непосредственно перед кромками матрицы. В инструментах, работающих под давлением, расплав контактирует с внутренней проволокой задолго до того, как он достигнет кромок матрицы; это делается под высоким давлением, чтобы обеспечить хорошее прилипание расплава. Если требуется плотный контакт или адгезия между новым слоем и существующей проволокой, используется инструмент, работающий под давлением. Если адгезия нежелательна/необходима, вместо нее используется инструмент для нанесения оболочки.
Коэкструзия
Коэкструзия – это экструзия нескольких слоев материала одновременно. В этом типе экструзии используются два или более экструдеров для плавления и подачи различных вязких пластиков с постоянной объемной производительностью к одной экструзионной головке (матрице), которая экструдирует материалы в желаемой форме. Эта технология используется в любом из процессов, описанных выше (выдувная пленка, оболочка, трубка, лист). Толщина слоя контролируется относительными скоростями и размерами отдельных экструдеров, подающих материалы.
Коэкструзия 5 :5 слоев косметического «сжатого» тюбика
Во многих реальных сценариях один полимер не может удовлетворить все требования применения. Комбинированная экструзия позволяет экструдировать смешанный материал, но совместная экструзия сохраняет отдельные материалы в виде разных слоев в экструдированном продукте, что позволяет правильно размещать материалы с разными свойствами, такими как кислородопроницаемость, прочность, жесткость и износостойкость.
Экструзионное покрытие
Экструзионное покрытие — это процесс нанесения пленки с раздувом или литьем для нанесения дополнительного слоя на существующий рулон бумаги, фольги или пленки. Например, этот процесс можно использовать для улучшения характеристик бумаги, покрывая ее полиэтиленом, чтобы сделать ее более устойчивой к воде. Экструдированный слой также можно использовать в качестве клея для соединения двух других материалов. Тетрапак является коммерческим примером этого процесса.
СОЕДИНЕННЫЕ ЭКСТРУЗИИ
Экструзия компаунда — это процесс, при котором один или несколько полимеров смешиваются с добавками для получения пластиковых компаундов. Сырьем могут быть гранулы, порошок и/или жидкости, но продукт обычно имеет форму гранул, которые можно использовать в других процессах формования пластмасс, таких как экструзия и литье под давлением. Как и в случае с традиционной экструзией, существует широкий диапазон размеров машин в зависимости от применения и желаемой производительности. Хотя при традиционной экструзии можно использовать как одношнековые, так и двухшнековые экструдеры, необходимость адекватного смешивания при экструзии компаундирования делает двухшнековые экструдеры практически обязательными.
ТИПЫ ЭКСТРУДЕРА
Существует два подтипа двухшнековых экструдеров: с однонаправленным и встречным вращением. Эта номенклатура относится к относительному направлению вращения каждого винта по сравнению с другим. В режиме совместного вращения оба винта вращаются либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки; при противоположном вращении один винт вращается по часовой стрелке, а другой - против часовой стрелки. Было показано, что для заданной площади поперечного сечения и степени перекрытия (переплетения) осевая скорость и степень смешивания выше в сдвоенных экструдерах с однонаправленным вращением. Однако повышение давления выше в экструдерах с встречным вращением. Конструкция шнека обычно является модульной, поскольку на валах расположены различные транспортирующие и смешивающие элементы, позволяющие быстро реконфигурировать систему для изменения технологического процесса или замены отдельных компонентов из-за износа или коррозионного повреждения. Размеры машин варьируются от 12 мм до 380 мм.
ПРЕИМУЩЕСТВА
Большим преимуществом экструзии является то, что профили, такие как трубы, можно изготавливать любой длины. Если материал достаточно гибкий, трубы можно изготавливать большой длины, даже наматывая их на катушку. Еще одним преимуществом является экструзия труб со встроенной муфтой, включая резиновое уплотнение.
Время публикации: 25 февраля 2022 г.
