Екструзията на пластмаса е производствен процес с голям обем, при който сурова пластмаса се разтопява и оформя в непрекъснат профил. Екструзията произвежда артикули като тръби/тръби, защитни ленти, огради, парапети на палуби, рамки за прозорци, пластмасови филми и листове, термопластични покрития и изолация на проводници.
Този процес започва с подаване на пластмасов материал (пелети, гранули, люспи или прахове) от бункер в цевта на екструдера. Материалът постепенно се разтопява от механичната енергия, генерирана от въртене на винтове и от нагреватели, разположени по дължината на цевта. След това разтопеният полимер се вкарва в матрица, която оформя полимера във форма, която се втвърдява по време на охлаждане.
ИСТОРИЯ
Екструдиране на тръби
Първите предшественици на модерния екструдер са разработени в началото на 19 век. През 1820 г. Томас Хенкок изобретява каучукова „дъвкачка“, предназначена да регенерира обработени каучукови отпадъци, а през 1836 г. Едуин Чафи разработва двуролкова машина за смесване на добавки в каучук. Първата термопластична екструзия е през 1935 г. от Paul Troester и съпругата му Ashley Gershoff в Хамбург, Германия. Малко след това Роберто Коломбо от LMP разработи първите двушнекови екструдери в Италия.
ПРОЦЕС
При екструдирането на пластмаси, суровият съставен материал обикновено е под формата на нудли (малки перли, често наричани смола), които се подават гравитационно от монтиран отгоре бункер в цевта на екструдера. Добавки като оцветители и UV инхибитори (в течна или пелетна форма) често се използват и могат да се смесят със смолата преди да пристигне в бункера. Процесът има много общо с шприцоването на пластмаса от гледна точка на екструдерната технология, въпреки че се различава по това, че обикновено е непрекъснат процес. Докато пултрузията може да предложи много подобни профили в непрекъснати дължини, обикновено с добавено усилване, това се постига чрез изтегляне на крайния продукт от матрица, вместо екструдиране на полимерната стопилка през матрица.
Материалът влиза през захранващото гърло (отвор близо до задната част на цевта) и влиза в контакт с винта. Въртящият се винт (обикновено въртящ се напр. със 120 оборота в минута) принуждава пластмасовите перли напред в нагрятия варел. Желаната температура на екструдиране рядко е равна на зададената температура на цевта поради вискозно нагряване и други ефекти. В повечето процеси се задава профил на нагряване за цевта, в който три или повече независими PID-контролирани нагревателни зони постепенно повишават температурата на цевта от задната (където влиза пластмасата) към предната част. Това позволява на пластмасовите перли да се стопят постепенно, докато се избутват през цевта и намалява риска от прегряване, което може да причини разграждане на полимера.
Допълнителната топлина се осигурява от интензивното налягане и триене, протичащи вътре в цевта. Всъщност, ако линията за екструдиране работи с определени материали достатъчно бързо, нагревателите могат да бъдат изключени и температурата на стопилката да се поддържа само чрез налягане и триене вътре в цевта. В повечето екструдери има охлаждащи вентилатори, които поддържат температурата под зададена стойност, ако се генерира твърде много топлина. Ако принудителното въздушно охлаждане се окаже недостатъчно, тогава се използват отлети охлаждащи ризи.
Пластмасов екструдер, разрязан наполовина, за да се покажат компонентите
В предната част на цевта разтопената пластмаса напуска шнека и преминава през сито за отстраняване на всякакви замърсители в стопилката. Екраните са подсилени от прекъсваща плоча (дебела метална шайба с много дупки, пробити през нея), тъй като налягането в тази точка може да надхвърли 5000 psi (34 MPa). Комплектът екранен пакет/прекъсваща плоча също служи за създаване на обратно налягане в цевта. Противоналягането е необходимо за равномерно топене и правилно смесване на полимера и колко налягане се генерира може да бъде „променено“ чрез промяна на състава на ситовата опаковка (броя на ситата, размера на тяхната телена тъкан и други параметри). Тази комбинация от разбиваща плоча и екранен пакет също елиминира „ротационната памет“ на разтопената пластмаса и вместо това създава „надлъжна памет“.
След преминаване през разбиващата плоча разтопената пластмаса навлиза в матрицата. Матрицата е това, което придава на крайния продукт неговия профил и трябва да бъде проектирана така, че разтопената пластмаса да тече равномерно от цилиндричен профил към формата на профила на продукта. Неравномерният поток на този етап може да произведе продукт с нежелани остатъчни напрежения в определени точки на профила, което може да причини изкривяване при охлаждане. Могат да бъдат създадени голямо разнообразие от форми, ограничени до непрекъснати профили.
Сега продуктът трябва да се охлади и това обикновено се постига чрез изтегляне на екструдата през водна баня. Пластмасите са много добри топлоизолатори и затова трудно се охлаждат бързо. В сравнение със стоманата, пластмасата отвежда топлината си 2000 пъти по-бавно. В линията за екструдиране на тръби или тръби, запечатана водна баня се въздейства от внимателно контролиран вакуум, за да се предпази новоформираната и все още разтопена тръба или тръба от срутване. За продукти като пластмасови листове, охлаждането се постига чрез издърпване през набор от охлаждащи ролки. За филми и много тънки листове, въздушното охлаждане може да бъде ефективно като начален етап на охлаждане, както при екструзията на раздуто фолио.
Пластмасовите екструдери също се използват широко за преработка на рециклирани пластмасови отпадъци или други суровини след почистване, сортиране и/или смесване. Този материал обикновено се екструдира във влакна, подходящи за нарязване на перли или пелети, които да се използват като прекурсор за по-нататъшна обработка.
ДИЗАЙН НА ВИНТОВЕ
Има пет възможни зони в термопластичния винт. Тъй като терминологията не е стандартизирана в индустрията, различни имена могат да се отнасят за тези зони. Различните видове полимери ще имат различен дизайн на винтовете, някои от които не включват всички възможни зони.
Обикновен пластмасов винт за екструдиране
Шнекове за екструдер от Boston Matthews
Повечето винтове имат тези три зони:
● Захранваща зона (наричана още зона за транспортиране на твърди вещества): тази зона захранва смолата в екструдера и дълбочината на канала обикновено е еднаква в цялата зона.
● Зона на топене (наричана още преходна или компресионна зона): по-голямата част от полимера се стопява в тази секция и дълбочината на канала прогресивно намалява.
● Дозираща зона (наричана още зона за транспортиране на стопилка): тази зона разтапя последните частици и се смесва до еднаква температура и състав. Подобно на захранващата зона, дълбочината на канала е постоянна в цялата тази зона.
В допълнение, вентилираният (двустепенен) винт има:
● Декомпресионна зона. В тази зона, около две трети надолу по винта, каналът внезапно става по-дълбок, което облекчава налягането и позволява всички уловени газове (влага, въздух, разтворители или реагенти) да бъдат изтеглени чрез вакуум.
● Втора зона на измерване. Тази зона е подобна на първата зона на измерване, но с по-голяма дълбочина на канала. Той служи за повторно херметизиране на стопилката, за да премине през съпротивлението на ситата и матрицата.
Често дължината на винта се отнася до неговия диаметър като съотношение L:D. Например винт с диаметър 6 инча (150 мм) при 24:1 ще бъде дълъг 144 инча (12 фута), а при 32:1 е дълъг 192 инча (16 фута). Съотношението L:D от 25:1 е обичайно, но някои машини достигат до 40:1 за повече смесване и повече производителност при същия диаметър на шнека. Двустепенните (вентилирани) винтове обикновено са 36:1, за да се отчетат двете допълнителни зони.
Всяка зона е оборудвана с една или повече термодвойки или RTD в стената на цевта за контрол на температурата. „Температурният профил“, т.е. температурата на всяка зона е много важна за качеството и характеристиките на крайния екструдат.
ТИПИЧНИ ЕКСТРУЗИОННИ МАТЕРИАЛИ
HDPE тръба по време на екструзия. HDPE материалът идва от нагревателя, в матрицата, след това в охладителния резервоар. Тази тръбна тръба Acu-Power е коекструдирана – черна отвътре с тънка оранжева обвивка, за обозначаване на захранващи кабели.
Типичните пластмасови материали, които се използват при екструдирането, включват, но не се ограничават до: полиетилен (PE), полипропилен, ацетал, акрил, найлон (полиамиди), полистирен, поливинилхлорид (PVC), акрилонитрил бутадиен стирен (ABS) и поликарбонат.[4] ]
ВИДОВЕ МАТРИЦИ
Има различни матрици, използвани при екструдиране на пластмаси. Въпреки че може да има значителни разлики между типовете матрици и сложността, всички матрици позволяват непрекъснато екструдиране на полимерна стопилка, за разлика от непрекъсната обработка, като например леене под налягане.
Екструзия на раздуто фолио
Раздухване на пластмасово фолио
Производството на пластмасово фолио за продукти като пазарски чанти и непрекъснати листове се постига с помощта на линия за издухано фолио.
Този процес е същият като обикновен процес на екструдиране до матрицата. Има три основни типа матрици, използвани в този процес: пръстеновидна (или кръстосана глава), паяжина и спирала. Пръстенообразните матрици са най-простите и разчитат на канализирането на полимерната стопилка около цялото напречно сечение на матрицата, преди да излезе от матрицата; това може да доведе до неравномерен поток. Паякообразните матрици се състоят от централен дорник, прикрепен към външния пръстен на матрицата чрез няколко „крака“; докато потокът е по-симетричен, отколкото в пръстеновидните матрици, се получават редица заваръчни линии, които отслабват филма. Спиралните матрици премахват проблема със заваръчните линии и асиметричния поток, но са най-сложните.
Стопилката се охлажда малко преди да напусне матрицата, за да се получи слаба полутвърда тръба. Диаметърът на тази тръба се разширява бързо чрез въздушно налягане и тръбата се изтегля нагоре с ролки, разтягайки пластмасата както в напречната посока, така и в посоките на изтегляне. Изтеглянето и раздуването карат филма да бъде по-тънък от екструдираната тръба и също така преференциално подравнява полимерните молекулни вериги в посоката, която вижда най-пластичното напрежение. Ако филмът се изтегля повече, отколкото се издухва (крайният диаметър на тръбата е близък до екструдирания диаметър), полимерните молекули ще бъдат силно подравнени с посоката на изтегляне, правейки филм, който е силен в тази посока, но слаб в напречната посока . Филм, който има значително по-голям диаметър от екструдирания диаметър, ще има повече якост в напречна посока, но по-малко в посока на изтегляне.
В случай на полиетилен и други полукристални полимери, докато филмът се охлажда, той кристализира на това, което е известно като линията на замръзване. Тъй като фолиото продължава да се охлажда, то се изтегля през няколко комплекта захващащи ролки, за да се изравни в плоска тръба, която след това може да бъде навита на макара или нарязана на две или повече ролки от лист.
Екструдиране на лист/фолио
Екструзията на лист/филм се използва за екструдиране на пластмасови листове или филми, които са твърде дебели, за да бъдат издухани. Използват се два вида матрици: Т-образна и закачалка. Целта на тези матрици е да преориентират и насочват потока от полимерна стопилка от един кръгъл изход от екструдера към тънък, плосък планарен поток. И в двата вида матрици се осигурява постоянен, равномерен поток по цялото напречно сечение на матрицата. Охлаждането обикновено е чрез издърпване през набор от охлаждащи ролки (каландър или „охлаждащи“ ролки). При екструдиране на листове тези ролки не само осигуряват необходимото охлаждане, но и определят дебелината на листа и повърхностната текстура.[7] Често ко-екструзията се използва за нанасяне на един или повече слоя върху основен материал, за да се получат специфични свойства като UV-абсорбция, текстура, устойчивост на проникване на кислород или отразяване на енергията.
Често срещан процес след екструдиране за пластмасов лист е термоформоването, при което листът се нагрява до омекване (пластмаса) и се оформя чрез матрица в нова форма. Когато се използва вакуум, това често се описва като вакуумно формоване. Ориентацията (т.е. способността/наличната плътност на листа да бъде изтеглен към матрицата, която обикновено може да варира в дълбочини от 1 до 36 инча) е изключително важна и силно влияе върху времената на цикъла на формоване за повечето пластмаси.
Екструзия на тръби
Екструдираните тръби, като например PVC тръбите, се произвеждат с помощта на много подобни матрици, които се използват при екструзията с раздухано фолио. Положително налягане може да се приложи към вътрешните кухини чрез щифта или отрицателно налягане може да се приложи към външния диаметър с помощта на вакуумен размер, за да се осигурят правилни крайни размери. Допълнителни лумени или отвори могат да бъдат въведени чрез добавяне на подходящи вътрешни дорници към матрицата.
Медицинска екструзионна линия Boston Matthews
Приложенията за многослойни тръби също винаги присъстват в автомобилната индустрия, водопроводната и отоплителна индустрия и опаковъчната индустрия.
Екструдиране на над кожуха
Екструдирането на над кожуха позволява нанасянето на външен слой пластмаса върху съществуващ проводник или кабел. Това е типичният процес за изолиране на проводници.
Има два различни вида инструменти за матрици, използвани за нанасяне на покритие върху тел, тръби (или кожух) и налягане. При инструментите за обвивка полимерната стопилка не докосва вътрешния проводник до непосредствено преди устните на матрицата. При инструментите под налягане стопилката контактува с вътрешната жица много преди да достигне устните на матрицата; това се прави при високо налягане, за да се осигури добра адхезия на стопилката. Ако се изисква плътен контакт или адхезия между новия слой и съществуващия проводник, се използва инструмент за натиск. Ако адхезията не е желана/необходима, вместо това се използва инструмент за покриване.
Коекструзия
Коекструзията е екструдирането на множество слоеве материал едновременно. Този тип екструдиране използва два или повече екструдера за разтопяване и доставяне на постоянна обемна производителност на различни вискозни пластмаси към една екструдираща глава (матрица), която ще екструдира материалите в желаната форма. Тази технология се използва при който и да е от процесите, описани по-горе (раздухано фолио, обвивка, тръби, листове). Дебелините на слоя се контролират от относителните скорости и размери на отделните екструдери, доставящи материалите.
5:5 слой ко-екструзия на козметична „изстискваща“ тръба
В много сценарии от реалния свят един полимер не може да отговори на всички изисквания на дадено приложение. Комбинираната екструзия позволява смесен материал да бъде екструдиран, но коекструзията запазва отделните материали като различни слоеве в екструдирания продукт, което позволява подходящо поставяне на материали с различни свойства като пропускливост на кислород, здравина, твърдост и устойчивост на износване.
Екструзионно покритие
Екструзионното покритие е използване на процес на издухване или леене на филм за покриване на допълнителен слой върху съществуваща ролка от хартия, фолио или филм. Например, този процес може да се използва за подобряване на характеристиките на хартията, като се покрие с полиетилен, за да стане по-устойчива на вода. Екструдираният слой може да се използва и като лепило за свързване на два други материала. Tetrapak е търговски пример за този процес.
СЪЕДИНЕН ЕКСТРУЗИЯ
Екструзията на компаундиране е процес, който смесва един или повече полимери с добавки, за да се получат пластмасови съединения. Захранванията могат да бъдат пелети, прах и/или течности, но продуктът обикновено е под формата на пелети, за да се използва в други процеси на формоване на пластмаса, като екструзия и леене под налягане. Както при традиционното екструдиране, има широка гама от размери на машината в зависимост от приложението и желаната производителност. Въпреки че при традиционното екструдиране могат да се използват едно- или двушнекови екструдери, необходимостта от адекватно смесване при екструдирането на смеси прави двушнековите екструдери почти задължителни.
ВИДОВЕ ЕКСТРУДЕРИ
Има два подвида двушнекови екструдери: въртящи се едновременно и въртящи се в обратна посока. Тази номенклатура се отнася до относителната посока на въртене на всеки винт в сравнение с другия. В режим на съвместно въртене и двата винта се въртят по или обратно на часовниковата стрелка; при обратно въртене единият винт се върти по посока на часовниковата стрелка, докато другият се върти обратно на часовниковата стрелка. Доказано е, че за дадена площ на напречното сечение и степен на припокриване (зацепване), аксиалната скорост и степента на смесване са по-високи в съвместно въртящите се двойни екструдери. Натрупването на налягане обаче е по-високо при противоположно въртящите се екструдери. Конструкцията на шнека обикновено е модулна, тъй като различни елементи за транспортиране и смесване са разположени на валовете, за да позволят бързо преконфигуриране за промяна на процеса или замяна на отделни компоненти поради износване или корозионно увреждане. Размерите на машината варират от 12 mm до 380 mm
ПРЕДИМСТВА
Голямо предимство на екструдирането е, че профили като тръби могат да бъдат направени с всякаква дължина. Ако материалът е достатъчно гъвкав, тръбите могат да бъдат направени на дълги дължини, дори навити на макара. Друго предимство е екструдирането на тръби с интегриран съединител, включително гумено уплътнение.
Време на публикуване: 25 февруари 2022 г
