Екструзія пластику – це масштабний виробничий процес, під час якого необроблений пластик розплавляється та формується в безперервний профіль. Екструзія виробляє такі вироби, як труби/трубки, герметичні огорожі, огорожі, перила, віконні рами, пластикові плівки та листи, термопластичні покриття та ізоляцію дроту.
Цей процес починається з подачі пластикового матеріалу (гранул, гранул, пластівців або порошків) із бункера в стовбур екструдера. Матеріал поступово розплавляється за рахунок механічної енергії, що генерується поворотними гвинтами та нагрівачами, розташованими вздовж стовбура. Потім розплавлений полімер продавлюється в матрицю, яка надає полімеру форму, яка твердне під час охолодження.
ІСТОРІЯ
Екструзія труб
Перші попередники сучасного екструдера були розроблені на початку 19 століття. У 1820 році Томас Хенкок винайшов гумовий «жувальний апарат», призначений для відновлення оброблених залишків гуми, а в 1836 році Едвін Чаффі розробив двовалкову машину для змішування добавок у гуму. Перша термопластична екструзія була здійснена в 1935 році Полом Тростером і його дружиною Ешлі Гершофф у Гамбурзі, Німеччина. Незабаром Роберто Коломбо з LMP розробив перші в Італії двошнекові екструдери.
ПРОЦЕС
Під час екструзії пластмас сировинний композиційний матеріал зазвичай має форму гофр (маленьких кульок, які часто називають смолою), які самопливом подаються з бункера, встановленого зверху, у стовбур екструдера. Часто використовуються такі добавки, як барвники та інгібітори ультрафіолетового випромінювання (у формі рідини або гранул), які можна змішувати зі смолою перед надходженням у бункер. Процес має багато спільного з литтям пластмас під тиском з точки зору технології екструдера, хоча він відрізняється тим, що це зазвичай безперервний процес. Хоча пултрузія може запропонувати багато подібних профілів безперервної довжини, як правило, з додаванням армування, це досягається шляхом витягування готового продукту з матриці замість екструдування розплаву полімеру через матрицю.
Матеріал надходить через горловину подачі (отвір біля задньої частини стовбура) і контактує з гвинтом. Обертовий гвинт (зазвичай обертається зі швидкістю, наприклад, 120 обертів на хвилину) штовхає пластикові кульки вперед у нагріту бочку. Бажана температура екструзії рідко дорівнює заданій температурі стовбура через в'язке нагрівання та інші ефекти. У більшості процесів для стовбура встановлюється профіль нагріву, в якому три або більше незалежних зон нагріву з ПІД-регулюванням поступово підвищують температуру стовбура від задньої частини (куди входить пластик) до передньої частини. Це дозволяє пластиковим кулькам поступово плавитися, коли вони проштовхуються через стовбур, і знижує ризик перегріву, що може спричинити деградацію полімеру.
Додатковий нагрів створюється через інтенсивний тиск і тертя, що відбуваються всередині стовбура. Насправді, якщо екструзійна лінія обробляє певні матеріали достатньо швидко, нагрівачі можна вимкнути, а температуру розплаву підтримувати лише тиском і тертям усередині стовбура. У більшості екструдерів є охолоджуючі вентилятори, які підтримують температуру нижче встановленого значення, якщо виділяється занадто багато тепла. Якщо примусове повітряне охолодження виявляється недостатнім, то використовуються литі сорочки охолодження.
Пластиковий екструдер розрізаний навпіл, щоб показати компоненти
У передній частині стовбура розплавлений пластик виходить із шнека та проходить через сито, щоб видалити будь-які забруднення з розплаву. Екрани зміцнені розривною пластиною (товста металева шайба з багатьма просвердленими в ній отворами), оскільки тиск у цій точці може перевищувати 5000 psi (34 МПа). Блок ситового блоку/розривної пластини також служить для створення протитиску в стовбурі. Протитиск необхідний для рівномірного плавлення та належного змішування полімеру, і величину тиску, який створюється, можна «відкоригувати», змінюючи склад ситової упаковки (кількість сит, розмір їх дротяного переплетення та інші параметри). Ця комбінація розривної пластини та сита також усуває «ротаційну пам’ять» розплавленого пластику та створює натомість «поздовжню пам’ять».
Після проходження через пластину розриву розплавлений пластик надходить у фільєру. Фільєра — це те, що надає кінцевому продукту його профіль, і має бути сконструйовано таким чином, щоб розплавлений пластик рівномірно перетікав із циліндричного профілю в профіль виробу. Нерівномірний потік на цьому етапі може призвести до вироблення продукту з небажаними залишковими напругами в певних точках профілю, що може спричинити викривлення під час охолодження. Можна створювати різноманітні форми, обмежуючись суцільними профілями.
Тепер продукт потрібно охолодити, і це зазвичай досягається шляхом протягування екструдату через водяну баню. Пластмаси є дуже хорошими теплоізоляторами, тому їх важко швидко охолодити. Порівняно зі сталлю пластик відводить тепло у 2000 разів повільніше. У лінії екструзії труб або труб на герметичну водяну баню діє ретельно контрольований вакуум, щоб утримати щойно сформовану та ще розплавлену трубу чи трубу від руйнування. Для таких продуктів, як пластикова плівка, охолодження досягається шляхом протягування через набір охолоджуючих роликів. Для плівок і дуже тонких листів повітряне охолодження може бути ефективним як початковий етап охолодження, як при екструзії плівки з роздуванням.
Пластикові екструдери також широко використовуються для переробки перероблених пластикових відходів або іншої сировини після очищення, сортування та/або змішування. Цей матеріал зазвичай екструдується у вигляді волокон, придатних для подрібнення в бісер або гранули для використання в якості прекурсора для подальшої обробки.
КОНСТРУКЦІЯ ГВИНТА
У термопластичному гвинті є п'ять можливих зон. Оскільки термінологія не стандартизована в галузі, різні назви можуть стосуватися цих зон. Різні типи полімерів матимуть різні конструкції гвинтів, деякі з яких не включають усі можливі зони.
Простий пластиковий екструзійний гвинт
Шнеки екструдера від Boston Matthews
Більшість гвинтів мають ці три зони:
● Зона подачі (також називається зоною транспортування твердих речовин): ця зона подає смолу в екструдер, і глибина каналу зазвичай однакова по всій зоні.
● Зона плавлення (також називається перехідною зоною або зоною стиснення): більша частина полімеру розплавляється в цій частині, і глибина каналу поступово зменшується.
● Зона дозування (також називається зоною транспортування розплаву): ця зона розплавляє останні частинки та змішує до однорідної температури та складу. Подібно до живильної зони, глибина русла в цій зоні постійна.
Крім того, вентильований (двоступеневий) гвинт має:
● Зона декомпресії. У цій зоні, приблизно на дві третини гвинта, канал раптово стає глибшим, що скидає тиск і дозволяє будь-яким захопленим газам (волозі, повітрю, розчинникам або реагентам) витягуватися за допомогою вакууму.
● Друга зона вимірювання. Ця зона схожа на першу зону вимірювання, але з більшою глибиною русла. Він служить для відновлення тиску в розплаві, щоб він пройшов через опір сит і матриці.
Часто довжина гвинта відноситься до його діаметра як співвідношення L:D. Наприклад, гвинт діаметром 6 дюймів (150 мм) при 24:1 матиме довжину 144 дюйми (12 футів), а при 32:1 — 192 дюйми (16 футів). Співвідношення L:D 25:1 є звичайним, але деякі машини підвищують до 40:1 для більшого змішування та більшої продуктивності при тому самому діаметрі шнека. Двоступінчасті (вентильовані) гвинти зазвичай мають співвідношення 36:1 для врахування двох додаткових зон.
Кожна зона оснащена однією або декількома термопарами або термометрами RTD в стінці стовбура для контролю температури. «Температурний профіль», тобто температура кожної зони, дуже важлива для якості та характеристик кінцевого екструдату.
ТИПОВІ ЕКСТРУЗІЙНІ МАТЕРІАЛИ
ПНД труба під час екструзії. Матеріал HDPE надходить з нагрівача, в матрицю, потім в охолоджуючий бак. Ця труба Acu-Power коекструдована – чорна всередині з тонкою помаранчевою оболонкою для позначення силових кабелів.
Типові пластикові матеріали, які використовуються в екструзії, включають, але не обмежуються: поліетилен (РЕ), поліпропілен, ацеталь, акрил, нейлон (поліаміди), полістирол, полівінілхлорид (ПВХ), акрилонітрилбутадієнстирол (АБС) і полікарбонат.[4] ]
ТИПИ МАТРИЦІ
Для екструзії пластмас використовуються різноманітні матриці. Хоча можуть існувати значні відмінності між типами матриць і складністю, усі матриці дозволяють безперервну екструзію розплаву полімеру, на відміну від безперервної обробки, такої як лиття під тиском.
Екструзія плівки з роздуванням
Видувна екструзія пластикової плівки
Виробництво поліетиленової плівки для таких продуктів, як сумки для покупок і безперервне листове покриття, здійснюється за допомогою лінії роздування плівки.
Цей процес такий самий, як звичайний процес екструзії, аж до матриці. У цьому процесі використовуються три основних типи матриць: кільцеподібна (або хрестовина), павутинна та спіральна. Кільцеві матриці є найпростішими, і вони покладаються на те, що розплав полімеру протікає навколо всього поперечного перерізу матриці перед виходом з матриці; це може призвести до нерівномірного потоку. Матриці Spider складаються з центральної оправки, прикріпленої до зовнішнього кільця матриці за допомогою ряду «ніжок»; в той час як потік більш симетричний, ніж у кільцевих матрицях, утворюється ряд зварних ліній, які послаблюють плівку. Спіральні матриці усувають проблему ліній зварювання та асиметричного потоку, але вони, безумовно, найскладніші.
Розплав трохи охолоджується перед виходом з матриці, щоб отримати слабку напівтверду трубку. Діаметр цієї труби швидко розширюється за допомогою тиску повітря, і трубка тягнеться вгору за допомогою роликів, розтягуючи пластик як у поперечному, так і в напрямку витягування. Витягування та роздування призводять до того, що плівка стає тоншою, ніж екструдована трубка, а також переважно вирівнює молекулярні ланцюги полімеру в напрямку, де спостерігається найбільша пластична деформація. Якщо плівка витягується більше, ніж роздувається (кінцевий діаметр труби близький до діаметра екструдованого), молекули полімеру будуть точно узгоджені з напрямком витяжки, створюючи плівку, яка буде міцною в цьому напрямку, але слабкою в поперечному напрямку. . Плівка, яка має значно більший діаметр, ніж екструдований діаметр, матиме більшу міцність у поперечному напрямку, але меншу у напрямку витягування.
У випадку поліетилену та інших напівкристалічних полімерів, коли плівка охолоджується, вона кристалізується на так званій лінії замерзання. Коли плівка продовжує охолоджуватися, її протягують через кілька наборів притискних валиків, щоб сплющити її в плоску трубку, яку потім можна намотати або розрізати на два або більше рулонів листового матеріалу.
Екструзія листа/плівки
Екструзія листів/плівок використовується для екструдування пластикових листів або плівок, які занадто товсті, щоб їх роздувати. Використовуються два типи штампів: Т-подібні та плечики. Призначення цих головок полягає в тому, щоб переорієнтувати та спрямувати потік розплаву полімеру з одного круглого виходу з екструдера до тонкого плоского плоского потоку. В обох типах матриці забезпечується постійний рівномірний потік по всій площі поперечного перерізу матриці. Охолодження зазвичай відбувається шляхом протягування крізь набір охолоджуючих валків (каландр або «охолоджувальні» валки). При екструзії листів ці валки не тільки забезпечують необхідне охолодження, але й визначають товщину листа та текстуру поверхні.[7] Часто коекструзія використовується для нанесення одного або кількох шарів поверх основного матеріалу для отримання певних властивостей, таких як поглинання ультрафіолетового випромінювання, текстура, стійкість до проникнення кисню або відображення енергії.
Поширеним процесом після екструзії для листового пластику є термоформування, коли лист нагрівається до м’якості (пластику) і формується за допомогою форми в нову форму. Коли використовується вакуум, це часто описують як вакуумне формування. Орієнтація (тобто здатність/доступна щільність листа для витягування у прес-форму, глибина якої зазвичай може варіюватися від 1 до 36 дюймів) є дуже важливою та значною мірою впливає на тривалість циклу формування для більшості пластиків.
Екструзія труб
Екструдовані труби, такі як труби з ПВХ, виготовляються з використанням дуже схожих штампів, які використовуються при екструзії плівки з роздуванням. Позитивний тиск можна застосувати до внутрішніх порожнин через штифт або негативний тиск можна застосувати до зовнішнього діаметра за допомогою вакуумного розміру для забезпечення правильних кінцевих розмірів. Додаткові просвіти або отвори можуть бути введені шляхом додавання відповідних внутрішніх оправок до матриці.
Медична екструзійна лінія Boston Matthews
Застосування багатошарових труб також завжди присутні в автомобільній промисловості, сантехніці та опалювальній промисловості та пакувальній промисловості.
Екструзія верхньої оболонки
Екструзія поверхневої оболонки дозволяє наносити зовнішній шар пластику на наявний дріт або кабель. Це типовий процес для ізоляції проводів.
Існує два різних типи штампів, які використовуються для нанесення покриття на дріт, трубку (або кожух) і тиск. У інструментах для виготовлення оболонки розплав полімеру не торкається внутрішнього дроту до моменту, коли він знаходиться безпосередньо перед кромкою матриці. У інструментах під тиском розплав контактує з внутрішнім дротом задовго до того, як він досягне кромок матриці; це робиться під високим тиском, щоб забезпечити хороше зчеплення розплаву. Якщо необхідний тісний контакт або адгезія між новим шаром і наявним дротом, використовується інструмент тиску. Якщо адгезія не є бажаною/необхідною, замість неї використовується інструмент для оболонки.
Коекструзія
Коекструзія - це екструзія кількох шарів матеріалу одночасно. У цьому типі екструзії використовуються два або більше екструдерів для розплавлення та доставки постійної об’ємної пропускної здатності різних в’язких пластмас до однієї екструзійної головки (матриці), яка екструдує матеріали в бажаній формі. Ця технологія використовується в будь-якому з процесів, описаних вище (роздувна плівка, зовнішня оболонка, труби, лист). Товщина шару контролюється відносною швидкістю та розміром окремих екструдерів, що подають матеріали.
5 : 5 шарів коекструзії косметичного «стискуючого» тюбика
У багатьох сценаріях реального світу один полімер не може задовольнити всі вимоги застосування. Комбінована екструзія дозволяє екструдувати змішаний матеріал, але коекструзія зберігає окремі матеріали як різні шари в екструдованому продукті, дозволяючи відповідне розміщення матеріалів з різними властивостями, такими як киснепроникність, міцність, жорсткість і зносостійкість.
Екструзійне покриття
Екструзійне покриття — це використання процесу роздування або лиття плівки для нанесення додаткового шару на наявний рулон паперу, фольги або плівки. Наприклад, цей процес можна використовувати для покращення характеристик паперу шляхом покриття його поліетиленом, щоб зробити його більш стійким до води. Екструдований шар також можна використовувати як клей для з’єднання двох інших матеріалів. Тетрапак є комерційним прикладом цього процесу.
СКЛАДНІ ЕКСТРУЗІЇ
Екструзія компаундування — це процес змішування одного або кількох полімерів з добавками для отримання пластичних сполук. Кормом можуть бути гранули, порошок та/або рідини, але продукт зазвичай у формі гранул, який використовується в інших процесах формування пластмас, таких як екструзія та лиття під тиском. Як і у випадку з традиційною екструзією, існує широкий діапазон розмірів машин залежно від застосування та бажаної продуктивності. У той час як одношнекові або двошнекові екструдери можуть використовуватися в традиційній екструзії, необхідність адекватного змішування в компаундній екструзії робить двошнекові екструдери майже обов’язковими.
ТИПИ ЕКСТРУДЕРА
Існує два підтипи двошнекових екструдерів: одношнекові та зустрічні. Ця номенклатура стосується відносного напрямку обертання кожного гвинта порівняно з іншим. У режимі спільного обертання обидва гвинти обертаються за або проти годинникової стрілки; при протилежному обертанні один гвинт обертається за годинниковою стрілкою, а інший обертається проти годинникової стрілки. Було показано, що для заданої площі поперечного перерізу та ступеня перекриття (взаємозачеплення) осьова швидкість і ступінь змішування вищі в подвійних екструдерах, що обертаються одночасно. Однак підвищення тиску в екструдерах із протилежним обертанням вище. Конструкція шнека, як правило, є модульною, оскільки на валах розташовано різні транспортуючі та змішувальні елементи, що забезпечує швидку реконфігурацію для зміни процесу або заміни окремих компонентів через знос або корозійне пошкодження. Розміри машини варіюються від 12 мм до 380 мм
ПЕРЕВАГИ
Великою перевагою екструзії є те, що такі профілі, як труби, можна виготовляти будь-якої довжини. Якщо матеріал досить гнучкий, труби можна виготовляти великої довжини, навіть намотуючи їх на котушку. Ще однією перевагою є екструзія труб із вбудованою муфтою, включаючи гумове ущільнення.
Час публікації: 25 лютого 2022 р
