Экструзия пластических масс. Основные понятия
Существует большое
число методов переработки пластических масс в готовые
изделия. Однако в
последние годы особую популярность приобретает
экструзия. По оценкам
экспертов более 30% изделий из пластмасс
изготавливается методом
экструзии.
Экструзия (extrusion
- англ.,
нем.) представляет собой процесс непрерывного
литья под давлением
в бездонную литейную форму - фильеру, позволяющую
получать
изделия бесконечной длины с разнообразными
поперечными
сечениями. В промышленных целях экструзионные
технологии
используют с середины 19 века.
В н.вр. экструзия
широко
применяется в различных отраслях
промышленности для
переработки разнообразных материалов - пищевых
продуктов и
кондитерских изделий, комбикормов, топливных брикетов,
металлов,
керамики, бетонов, но в особенности - полимеров и
композиционных
материалов.
Экструзионными
методами
получают как материалы и полуфабрикаты, так и
полностью готовые
изделия. Экструзией из пластических масс
изготавливают
трубы, листы, плиты, панели, пленки, электрические
кабели и различные
виды профильных изделий, как малых, так и больших
сечений.
Экструзией получают также некоторые изделия
переменного
сечения - например, гофрированные трубы.
В зависимости от вида перерабатываемого материала, а также
от
устройства экструдера и дополнительного оборудования
скорость экструзии
может находиться в пределах от нескольких сантиметров до
нескольких
метров в минуту.
В мебельной промышленности экструзия традиционно
используется для
изготовления пластиковых полозков для стекол, деталей
выдвижных ящиков
и направляющих элементов для них, шторных дверей,
кромочного пластика и
кромочных профилей, декоративных раскладок, рамочных
дверей, карнизов и
т.д. Экструзией из ПВХ иногда изготавливают легкие и
водостойкие
мебельные панели.
Виды
пластических масс, перерабатываемых экструзией
Экструзией
можно
перерабатывать как
термопластичные полимеры (термопласты), так и пластические
массы на
основе
термореактивных смол (реактопласты). Экструзия часто
используется
и в переработке эластичных материалов (
каучуков, резин,
эластомеров).
Наиболее широко осуществляется экструзия
полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП),
полистирола (ПС), поликарбоната (ПК), полиамида (ПА),
поливинилхлорида
(ПВХ) , полиэтилентерефталата (ПЭТФ).
За рубежом Быстро развивается экструзия высоконаполненных
полимеров
и различных композиционных материалов.
В последние годы становится популярной экструзия
биопластиков,
получаемых на основе природных полимеров, например
экструзия
термопластичных древесно-полимерных композитов.
Оборудование,
применяемое для экструзии
В процессе экструзии нагнетание
материала в формующий
инструмент (фильеру) осуществляется с помощью специальной
машины,
называемой экструдером. Наиболее часто в
переработке
пластмасс применяют
шнековые (винтовые) экструдеры, именуемые также червячными
прессами.
Для
переработки трудноформуемых малопластичных материалов
используют
поршневые (плунжерные) экструдеры. Существуют также
дисковые,
барабанные и шестеренчатые экструдеры, но они не нашли
широкого
применения в промышленности.
Нагнетание материала - это основная функция
экструдера,
но далеко не единственная. Современные экструдеры
позволяют
эффективно смешивать различные материалы, тщательно их
компаундировать, производить сушку рабочей смеси,
осуществлять
химическую модификацию (химические реакции) и т.д.
Как правило, оборудование применяемое в
экструзии
выстраивается в виде автоматизированной технологической
линии,
состоящей из
загрузочных и дозирующих устройств, экструдера с фильерой,
калибрационно-охлаждающих устройств, тянущих машин,
пильных агрегатов,
укладывающих устройств. В состав линии могут
включаться также и
некоторые другие виды оборудования и машин - оборудование
для хранения
и
предварительной обработки материалов, отделочные
машины,
маркировочное и упаковочное оборудование,
Устройство
одношнекового
экструдера
В
настоящее время в переработке пластических масс
наиболее широко используют одношнековые экструдеры.
Принципиальная схема одношнекового
экструдера (червячного пресса)
Термопластичный материал из бункера 4 поступает в
зону загрузки
экструдера
5. Вращающийся шнек 6 увлекает и продвигает материал вдоль
цилиндра. За счет трения материала о стенки
цилиндра и поверхность
шнека, а также
при помощи нагревателей 7 материал
разогревается до
температуры
плавления полимера (~150-200 C), перемешивается и
уплотняется. Высокое
давление, возникающее в уплотненной зоне, позволяет
продавить вязкий
компаунд через фильеру 8. Выдавленный материал (экструдат)
9 выходит из
фильеры.
Основные узлы экструдера монтируются на станине 1.
Вращение шнека
осуществляется при помощи электродвигателя 2 и трансмиссии
3.
Выдавленное изделие охлаждается
и приобретает окончательные форму и размеры,
например в
калибраторе.
Стабилизировать и протянуть профиль через калибратор
помогает тянущее
устройство.
Шнеки современных экструдеров часто имеют сложную
геометрическую форму
и неравномерную нарезку,
подбираемую специально под конкретный материал и режим
работы.
Одношнековые экструдеры могут иметь
не только цилиндрическое, но и коническое исполнение шнека
и гильзы.
Конический шнек позволяет
эффективнее осуществить перемешивание компаунда, быстрее
поднять
давление расплава и сделать
машину более компактной и производительной.
По характеру протекающих в канале
экструдера
процессов можно условно разделить шнек на несколько зон:
- зона питания цилиндра (транспортировка еще
твердого
материала),
- зона плавления полимера
(пластикация смеси),
- зона дозирования (выдавливание расплава).
Ключевую роль в механике движения материала внутри
экструдера
во всех его фазах играют силы трения материала и
расплава о
стенки
цилиндра и шнека. Процессы эти весьма сложные,
описываются
системами
дифференциальных уравнений, которые сегодня решаются при
помощи
математических компьютерных моделей.
Выходящий из фильеры расплавленный горячий материал в
физическом смысле
представляет собой высоковязкую жидкость. Поэтому скорость
его
выхода определяется давлением расплава и
сопротивлением его
движению в фильере. На выходе из
фильеры скорости
движения отдельных
потоков расплава на выходе из фильеры должны быть
одинаковы. Динамические
свойства материала и его расплава
определяются его физическим и химическим составом, а также
температурой. Поэтому современные экструдеры снабжаются
эффективными
системами автоматического контроля и
управления загрузкой
компонентов, температурой, давлением расплава (скоростью
вращения
шнека).
Важнейшими свойствами материалов, влияющими на работу
экструдера в твердой фазе являются насыпная
плотность,
сжимаемость, размеры и форма частиц, внутреннее и внешнее
трение,
склонность к агломерации, в расплавленном состоянии
- комплекса
вязкостных характеристик.
В последние годы в экструзии пластических масс и,
особенно, композиционных материалов стали популярными
двухшнековые
машины. Для удаления попадающего в
экструдер воздуха,
паров влаги и
др. летучих веществ газов, они снабжаются дегазационными
отверстиями и,
при необходимости, вакуумными насосами.
Появляются и
разнообразные многошнековые машины. В некоторых машинах с
успехом могут
перерабатываться не только твердые, но и жидкие
компоненты, в т.ч.
содержащие большое количество растворителей.
Достоинством двух- и многошнековых экструдеров являются их
превосходные
смесительные свойства и возможность устройства эффективной
дегазации. В
ходе взаимного однонаправленного или
встречного вращения шнеков (цилиндрических или конических)
можно быстро
достигнуть высокой степени
гомогенизации рабочей смеси.
Поэтому они используются не только
для экструзии труб, профильных изделий и пленок, но также
в качестве
компаундирующих машин - для получения компаундов и
композиционных
материалов в
гранулированном виде.
На основе двухшнековых и одношнековых машин иногда
создаются
ступенчатые (тандемные) экструзионные
установки,
используемые в производстве композиционных материалов. В
этом случае одношнековый экструдер используется либо
в начале
процесса, либо в качестве выходной машины. .
Внешне экструдер представляет собой не слишком сложную
машину.
Одношнековый экструдер для
перереработки ДПКТ, Интервесп
Однако в конструкциях современных
экструдеров имеется много тонкостей и сложностей (выбор
схемы машины,
подбор конструкционных материалов и комплектующих
изделий, методы проектирования шнеков, методы обработки
шнеков,
цилиндров, фильер, разработка системы дегазации, методы
нагрева и
охлаждения элементов экструдера, организация системы
контроля и
управления
параметрами процесса и т.д. и т.п.). Репутация
производителя
экструдеров на мировом рынке оборудования завоевывается
годами успешной
работы.
Важнейшие
параметры
экструдеров
для переработки пластических масс
Тип и назначение
экструдера ( для термопластов, для реактопластов,
универсальные,
специальные и т.д.)
Производительность ( от нескольких
килограммов до
нескольких тонн в час)
Тип и мощность главного привода экструдера ( ~ 5 -
20 000
квт, регулируемый, нерегулируемый)
Тип и характеристики трансмиссии ( механическая,
электрическая, гидравлическая, нерегулируемая,
регулируемая, пределы регулирования, КПД,
надежность)
Крутящий момент
Давление расплава на выходе из экструдера
Частота вращения шнека и пределы
регулирования (
~ до 1200 - 1500
об/мин)
Диаметр шнека (~30 - 400 мм)
Отношение длины шнека к диаметру (~3 - 80)
Количество загрузочных зон
Эффективность гомогенизации материала в экструдере
Время нахождения материала в экструдере
Тип, конструкция и материал шнека
Конструкция и материал цилиндра
Тип нагревателей и охладителей, количество
управляемых зон, тип и
система управления обогревом и охлаждением зонами
экструдера
Тип и характеристики системы управления
параметрами процесса экструзии ( ручное управление,
программируемый
контроллер,
компьютерное управление)
Удобство обслуживания и ремонта
Существуют
небольшие
настольные лабораторные экструдеры. Промышленные
машины могут
весить от нескольких сотен килограммов до нескольких
сотен тонн и иметь
длину до 20 м.
Экструзионные
фильеры
(головки экструдеров)
Фильеры являются сменным инструментом
экструдера. От качества расчета и
изготовления
фильеры зависит производительность экструзионной установки
и качество
экструдируемых изделий. Фильеры
изготавливаются из
прочных инструментальных сталей, хорошо
сопротивляющихся износу и коррозии.
Наиболее сложные фильеры
изготавливают компании, специализированные на этом виде
продукции.
Нередко они же изготавливают шнеки и цилиндры для
экструдеров. Видов
и конструкций фильер существует
довольно много.
Фильеры изготавливаются из очень прочных сталей, способных
выдерживать
давление, высокую температуру и противостоять длительное
время факторам
износа.
Лучше если фильера проектируется под конкретный
технологический
процесс, осуществляемый на конкретном экструдере. В силу
сложностей
теоретического расчета течения смеси каждая новая фильера,
как
правило, нуждается в подгонке и настройке.
Ремонтом
изношенных фильер обычно занимаются их
изготовители.
Большие экструдеры позволяют выдавливать
через
одну фильеру одновременно несколько изделий.
Предэкструзионное
и
постэкструзионное оборудование
Производительность
труда
в экструзии и качество
выпускаемой продукции во многом зависит не только от
экструдера и фильеры, но и от системы машин,
образующих
экструзионную линию
или экструзионный участок.
Указанная система не является стандартной или
универсальной, а
подбирается специально исходя из характера, особенностей
выпускаемой
продукции и др.
факторов. Общая длина экструзионной линии может составлять
от
нескольких метров до нескольких десятков метров.
Автоматическая линия для экструзии панелей из
древесно-полимерных
композитов, Интервесп
Сегодня существует все технические решения для создания
полностью
автоматизированных экструзионных производств. В
производстве
композиционных материалов следует стремиться к наиболее
точным методам
дозирования сырья и компонентов. В калибрационных
устройствах можно
руководствоваться принципом разумной достаточности,
подбирая тип
охладительно-калибрационного устройства исходя из
особенностей
выпускаемых профилей (материал, масса, требования к
точности изделия и
качества получаемых поверхностей).
Многие изделия используются в том виде, в котором они
выходят из
фильеры (калибратора). Для других необходима
дополнительная
обработка - шлифование, тиснение, облицовывание,
лакокрасочная отделка,
печать. В этих случаях применяются дополнительные машины,
которые могут
быть встроены в экструзионную линию или
использоваться отдельно.
Некоторые
проблемы, возникающие
при экструзии пластических масс
В силу
сложностей экструзинной технологии проблем
может быть много. Но разделять их следует на две
группы: наладочные проблемы, возникающие при запуске новых
машин,
материалов и изделий, и эксплуатационные, возникающие
неожиданно в ходе
работы.
Наладочные проблемы разрешаются как правило поставщиком
оборудования и
инструментов в ходе разработки экструзионной линии и
пуско-наладочных
работ. Для решения
эксплуатационные проблем целесообразно
использовать
специальное обучение персонала,
эксплуатационные
инструкции на поставленные машины, помощь изготовителя
оборудования и
инструментов, специальную литературу,
консультации специалистов.
Хорошо налаженная экструзионная линия может работать
безостановочно
многие дни и недели. Но экструзионное оборудование требует
систематического наблюдения с фиксацией результатов в
журнале. В обязательном порядке
должно быть
организовано проведение регламентных работ.
Желательно
также осуществлять входной контроль сырья и материалов.
Многие проблемы в работе современных экструдеров
могут быть
связаны с неправильным управлением экструдером ( неточная
работа
датчиков,
ошибочные установки регуляторов и т.п.).
Наиболее частыми или неприятными проблемами в работе
экструдера
могут быть следующие четыре:
1. Нестабильность истечения расплава
(экструдата).
Существует большое количество причин к нестабильному
течению расплава,
приводящих к ухудшению качества получаемых
продуктов. Особенно
много их может быть в наладочных режимах. Тем не
менее истинная
причина должна быть установлена.
В эксплуатационных режимах нестабильность может быть
связана с
нестабильностью сырья, нестабильной работой загрузочного
устройства, сбоях в датчиках и системе управления, в
загрязнении
экструдера.
2. Нарушения качества поверхностей и формы
изделий
Эти отклонения также могут иметь много причин. В частности
-
нестабильное истечение расплава, загрязнение или износ
экструдера и
фильеры, нарушение режима калибрации, нарушение в
работе тянущего
устройства, нарушение соосности экструдера и
постэкструзионных
машин и др.
3.
Деструкция материала
В силу особенностей структуры полимеры в той или иной
степени
склонны к деструкции - разрыву длинных главных полимерных
цепочек и
отрыву боковых групп. При экструзии причинами
деструкции могут
быть повышенные температуры, механические усилия,
химические
взаимодействия или совместное действие этих факторов. При
этом они
могут проявляться локально, - в местах резкого
изменения
течения потока или, напротив - в застойных зонах.
Выявить такие
моменты можно при помощи наблюдения (изменение цвета,
запаха, качества
поверхности), типовых и периодических испытаний продукции,
проверки
датчиков.
4. Повышенный износ экструдера
Поскольку большинство процессов, протекающих в экструдерах
основываются
на трении - факторы износостойкости имеют большое
значение.
Экструдеры эксплуатируются круглосуточно и безостановочно.
Поэтому
экструдеры проектируются с расчетом на многолетнюю работу.
Шнеки и цилиндры экструдеров исполняются из специальных
износостойких
материалов, а часто и специальную обработку. Тем не
менее за
состоянием трансмиссии, шнеков и цилиндров
экструдеров необходим
контроль. Причинами повышенного износа могут быть -
перегрузка
экструдеров, попадание абразивных материалов,
термохимическая
коррозия. Некоторые экструдеры имеют съемные заменяемые
элементы шнеков и цилиндров. В настоящее
время
достаточно распространены услуги в восстановлении
изношенных деталей
экструдеров.
В целом, успешное разрешение возникающих проблем
основывается на
хорошем знании физики и химии процессов экструзии, а также
на
наблюдательности.
Контроль
качества экструзионных
продуктов
Качество
получаемых при экструзии продуктов в первую
очередь зависит от сырья, вида и состояния
применяемого
экструзионного оборудования. Проверка качества
экструзионных продуктов
осуществляется в соответствии со стандартами и
техническими
условиями действующими в отношении этих продуктов.
В большинстве случаев контролируется внешний
вид, точность
размеров, прочностные показатели и специальные
показатели (
влагопоглощение, пожарные свойства, устойчивость к
внешним
воздействиям и т.д.).
Поэтому на экструзионном предприятии желательно иметь
испытательное
оборудование (лабораторию).
Некоторые эксперты сравнивают наладку экструзионного
участка с наладкой
музыкального инструмента. Наверное это правильное
сравнение, по крайней
мере, - в части получения удовлетворения и прибыли.
Некоторые
особые виды экструзии пластических масс
- Современную
переработку
пластических
масс невозможно представить без
использования экструдеров
для получения гранулированных материалов. В виде
гранул поставляются
пигменты и др. виды добавок, используемых в
переработке
пластмасс,
а также готовые полимерные компаунды и
многие виды
композиционных материалов , используемые для
дальнейшей переработки
экструзией, литьем и прессованием.
В этом случае
одношнековый или многошнековый экструдер используется
в
качестве смесителя-компаундера. Смесь выдавливается
через специальную
многоручьевую фильеру и разрезается в специальной
головке на отдельные
гранулы. Гранулы охлаждаются в специальных
устройствах и
могут храниться долгое время.
- Со-экструзия применяется для производства
двухслойных и многослойных
материалов и изделий. При со-экструзии ядро
изделия
экструдируется
при помощи одного экструдера, а поверхностные слой при
помощи другого
экструдера. Объединение слоев расплава происходит в
специальной
фильере.
- Экструзия кабельной продукции осуществляется в
специальных кабельных
экструдерах. Сходным способом получают
металло-пластиковые трубы.
- Реактивная экструзия используется для
термо-механо-химической модификации полимеров и
материалов.
Модификация происходит в связи с активацией молекул
материала в связи с
механическими и термическими воздействиями
происходящими под
воздействием трения в экструдере.
- Экструзия древесностружечных плит
осуществляется при
помощи экструзионных установок плунжерного типа
Декорирование
экструзионных продуктов
Большая часть экструзионных продуктов используется в
том
виде, в котором она выходит из экструзионных установок.
Такие продукты
имеют гладкую матовую или глянцевую поверхность. Их цвет
определяется
цветом используемого пигмента или нескольких пигментов.
Часто экструзионные продукты имеют полосатый декор
(сочетание глянцевых
и матовых или рифленых участков), что достигается
соответствующим
устройством фильеры. В некоторых случаях декоративные
эффекты
получаются при шлифовании.
Внедрение цветных полос осуществляется методом
со-экструзии.
Для декорирования изделий часто применяется
тиснение, например,
- в проходных тиснильных станках вальцового типа.
Высокое качество поверхностей экструзионных продуктов
позволяет
использовать для их декорирования различные виды прямой и
трансферной
печати.
Широко распространено облицовывание погонажных изделий
бумажными и
полимерными декоративными пленками. В необходимых случаях
применяют и
натуральный шпон.
Предположительно некоторые декоративные эффекты могут быть
достигнуты
лазерной обработкой. Вероятно в будущем для
декорирования
профильных изделий будут разработаны и цифровые
принтеры.
Производственные
структуры, тенденции
Экструзионное
оборудование
может эксплуатироваться в виде
отдельных участков или отдельных предприятий.
За рубежом существуют специализированные экструзионные
компании имеющие
в наличии десятки и сотни экструзионных линий, покрывающих
целые
сегменты рынка экструзионных продуктов.
Экструзионные продукты из пластических масс, наполненных
полимеров и
композиционных материалов расширяют свое присутствие
практически
во всех областях строительства, машиностроения,
потребительских товаров
- особенно там, где требуются большие объемы выпуска
и
интенсивные методы
производства.
Постоянно расширяется ассортимент применяемых для
экструзии полимеров;
последние тенденции - применение
биоматериалов,
биокомпозитов и нанокомпозитов. В последние годы за
рубежом
наблюдается появление десятков новых компаний, осваивающих
нишу
термопластичных древесно-полимерных композитов (ДПКТ).
Общие объем их
изготовления уже приблизился к 1 200 000 тн. На фотографии
показаны
некоторые образцы ДПКТ китайского производства
Жесткая конкуренция на рынке экструзионного
оборудования и
аддитивов для переработки пластических масс заставляет
их производителей ежегодно предлагать
усовершенствованные
и новые продукты. На рынке экструзионных машин
значительную роль
начинают
играть китайские производители, работающие
под
известными западными и собственными брэндами.
Таким образом, экструзия представляет собой самое
широкое
поле для новаторской
деятельности в области высоких технологий, направленной
как на
получение прибыли, так и на решение научно-технических,
дизайнерских,
архитектурных и др. задач в строительстве, в производстве
конструкционных материалов и элементов разнообразного
назначения,
производстве товаров народного потребления, включая
мебель.
Литература
по экструзии
пластических масс
По
экструзии
пластических масс и полимеров имеется
огромная литература. Для практического использования
рекомендуются
преимущественно зарубежные книги, в т.ч. издаваемые в
последнее время и
в русских переводах. Они актуальны, содержательны и хорошо
иллюстрированы. Для изучения новейших вопросов необходимо
пользоваться журнальными публикациями и сетевыми
источниками.
окт
2009
|
