Plasttek, Корисна інформація
Екструзія
Метод екструзії полімерів
Екструзія – спосіб отримання виробів або напівфабрикатів із полімерних матеріалів необмеженої довжини шляхом видавлювання розплаву полімеру через формуючу головку (філ'єру) потрібного профілю. Екструзія, поряд з литтям пластмас під тиском, є одним із найпопулярніших методів виготовлення пластмасових виробів. Екструзії піддаються практично всі основні типи полімерних матеріалів, як термопласти, так і реактопласти, а також еластомери.
В основному для екструзії пластмас застосовують шнекові, або черв'якові, екструдери. Також є дискові екструдери. Для успішного виробництва продукції методом екструзії недостатньо лише одного екструдера. Крім нього необхідно мати ще кілька одиниць обладнання, що разом складають екструзійну лінію. Крім того, існують видувні екструдери, які застосовуються в установках з одержання виробів методом екструзійно-видувного формування. Їх опис не входить до цієї статті. Практично не зустрічаються екструдери з вертикальними шнеками.
1. Черв'якові екструдери поділяються на одношнекові, двошнекові та багатошнекові.
Найпростішим обладнанням для екструзії є одношнековий (одночерв'яковий) екструдер без зони дегазації (рис. 1). Такі екструдери широко застосовуються для виробництва плівок, листів, труб, профілів як одну зі складових частин ліній-грануляторів і т.д. Основними елементами екструдера є циліндр, що обігрівається, гвинтовий шнек (з охолодженням або без нього), сітки, що розміщуються на решітці, і адаптер.
Залежно від природи полімеру, технологічних режимів переробки застосовуються шнеки різного профілю з різним крокомта глибиною витків. Залежно ж від виду виробленого застосовують або коротко-, або довгошнекові машини, тобто з малим або великим ставленням довжини L до діаметру D шнека (L/D). Значення D та L/D є основними характеристиками одношнекового екструдера. Типорозмірний ряд екструдерів, що випускалися в Радянському Союзі, був заснований на діаметрах шнека: D = 20; 32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250 і 320 мм.
2. Двошнекові екструдери можуть застосовуватися як у тих же випадках, що і одношнекові, так і в спеціальних умовах, коли одношнекові екструдери не справляються із завданнями. В українських реаліях двошнекові екструдери в переважній більшості випадків використовуються для екструзії ПВХ (полівінілхлориду) у вироби будівельного призначення. Технологія процесу екструзії ПВХ часто має на увазі застосування порошкоподібної основної сировини (ПВХ-композиції), яку неможливо переробити на стандартній одношнековій екструзійній лінії. Як правило, двошнекові екструдери обов'язково оснащуються пристроєм дегазації. Двошнекові екструдери розрізняють двох основних типів:екструдери зі шнеками, що знаходяться в зачепленні (з односпрямованим або протилежно спрямованим обертанням шнеків); (З односпрямованим або протилежно спрямованим обертанням шнеків).
3. Багатошнекові екструдери застосовуються порівняно рідко. До таких екструдерів можна віднести чотиришнековий екструдер, а також планетарний екструдер. Черв'якова система останнього складається з одного центрального черв'яка та ще, як правило, 6 додаткових шнеків, розташованого навколо основного на однаковій радіальній відстані. Ці шнеки називають планетарними, звідси й назва екструдера. Такаконструкція дозволяє переробляти матеріали, схильні до швидкої термічної деструкції (часто – композиції ПВХ) без застосування високих температур, але із значним змішувальним ефектом та інтенсивною дегазацією розплаву.
4. Дискові екструдери відносяться до досить рідкісного типу екструзійних машин сучасності. Робота дискового екструдера заснована на переміщенні полімерного матеріалу та створенні тиску за рахунок адгезії полімеру до рухомих частин екструдера. Такі екструдери можуть бути як однодисковими, так і багатодисковими. Останній є найсучаснішим варіантом і дозволяють давати тиск розплаву на виході в кілька разів перевищує тиск розплаву стандартного екструдера одношнекового. Однак, зазвичай, ця перевага нівелюється високою вартістю багатодискового екструдера внаслідок його конструкційної складності.
Поведінка полімеру при екструзії
Поведінка полімеру всередині екструдера розглянемо на прикладі одношнекової екструзії гранульованого матеріалу. Технологічний процес екструзії складається з послідовної пластикації і переміщення матеріалу шнеком, що обертається в зонах матеріального циліндра. Розрізняють такі зони - живлення (I), пластикації (II), дозування розплаву (III).
Можна сказати, що розподіл шнека на зони I-III досить умовно, воно здійснюється за технологічною ознакою і вказує на те, яку операцію переважно виконує ця ділянка шнека. Циліндр також має певні довжини зон обігріву. Довжина цих зон визначається розташуванням нагрівачів з його поверхні та його температурою. Межі зон шнека I-III та зон обігріву циліндра можуть не збігатися. Для забезпечення успішного переміщення матеріалу велике значення мають умови просування твердогоматеріалу із завантажувального бункера та заповнення міжвиткового простору, що знаходиться під лійкою бункера.
Завантаження сировини. Полімерний матеріал для екструзії, який подається в бункер, може бути у вигляді порошку, гранул, стрічок. Останній вид сировини характерний для переробки відходів промислового виробництва плівок і здійснюється на спеціальних екструдерах, з примусовими живильниками-дозаторами, що встановлюються в бункерах. Рівномірне дозування матеріалу з бункера забезпечує хорошу якість екструдату.
Найчастіше екструзією переробляються гранульовані пластики. Переробка полімеру у вигляді гранул – оптимальний варіант живлення екструдера. Гранули полімеру менше схильні до «зависання» та утворення пробок у бункері, ніж порошок, а також гранули легше пластицюються та гомогенізуються.
Завантаження міжвиткового простору щнека під лійкою бункера відбувається на відрізку довжини шнека, що дорівнює (1 - 1,5)D. При переробці багатокомпонентних матеріалів для завантаження їх у бункер застосовуються індивідуальні дозатори: шнекові (об'ємні), вібраційні, вагові тощо. Тому гігроскопічні матеріали необхідно сушити перед завантаженням в екструдер.
Застосовуючи пристосування для примусової подачі матеріалу з бункера в матеріальний циліндр, також вдається суттєво підвищити продуктивність машини. При ущільненні матеріалу в міжвитковому просторі шнека витіснене повітря виходить через бункер. Якщо видалення повітря буде неповним, то він залишиться в розплаві і після проходження через головку утворить у виробі небажані порожнини.
При тривалій роботі екструдера можливий перегрівциліндра під лійкою бункера і самого бункера. У цьому випадку гранули почнуть злипатися і припиниться їхнє подання на шнек. Для запобігання перегріву цієї частини циліндра в ньому робляться порожнини для циркуляції води, що охолоджує. Зазвичай зона завантаження є єдиною зоною, що охолоджується, сучасних екструдерів.
1. Зона живлення (І). Гранули або порошок полімеру, що надходять з бункера, заповнює міжвитковий простір шнека зони I і ущільнюється.
2. Зона пластикації та плавлення (II). У зоні II відбувається підплавлення полімеру, що примикає до поверхні циліндра. У тонкому шарі розплаву полімеру відбуваються інтенсивні зсувні деформації, як наслідок матеріал пластицируется, що призводить до інтенсивного змішувального ефекту.
Основний підйом тиску P розплаву відбувається на межі зон I та II. На цій межі пробка, що утворюється, з спресованого матеріалу як би ковзає по шнеку: в зоні I це твердий матеріал, в зоні II - плавиться. Наявність цієї пробки створює основний внесок у підвищення тиску розплаву. Запасений на виході з циліндра тиск витрачається на подолання опору сіток, течії розплаву в каналах головки та формування екструдованого профілю.
3. Зона дозування (ІІІ). Розплавлена маса полімеру продовжує гомогенізуватися, проте вона все ще не є однофазною і складається з розплавлених та твердих частинок. В кінці зони III пластик стає повністю гомогенним і готовим до продавлювання через сітки, що чистять, і формуючу головку.
Основні параметри процесу екструзії :
До технологічних параметрів переробки пластмас методом екструзії відносяться:температура по зонах екструдератиск розплаву,температура зон головкирежими охолодження екструдованого профілю
Основними технологічними характеристиками екструдера є довжина шнека L, діаметр шнека D, співвідношення L/D, швидкість обертання шнека N, а також профіль шнека та ступінь зміни обсягу каналу шнека.
Основною характеристикою формуючого інструменту, що складається як правило з екструзійної головки (разом з фільтруючими сітками) і калібруючого вузла, є коефіцієнт опору течії розплаву K. Перепад тиску на сітках, що фільтрують, служить показником засмічення, тобто збільшення опору сіток і, отже , Сигналом до їх заміни.
Укрупненим показником роботи будь-якого екструдера можна назвати його ефективність, що вимірюється як відношення продуктивності екструдера до його споживаної потужності.
Обслуговування екструдерів
Обслуговувати стандартний одношнековий екструдер нескладно. Для підготовки оператора екструдера зазвичай потрібно від одного до кількох місяців. Ремонт та обслуговування одношнекового екструдера зводиться до заміни та прочищення фільтруючих сіток, заміни трансмісійного масла в приводі, заміни електричних запобіжників, ремонт або заміна нагрівачів циліндра. Після напрацювання прописаної виробником екструдера кількості машино-годин необхідно розібрати екструдер і замінити при необхідності шнек та циліндр.
До необхідної технічної документації на екструдер відноситься:Паспорт на екструдер, що випускається заводом-виробникомЕлектрична схема екструдераОпис роботи екструдера (часто входить до складу паспорта)Складальний креслення екструдера
Висновок
Наприкінці варто знову зупинитися на тому, що в сучасних умовах екструдер як такийрідко здатний вирішити завдання, що стоять перед переробниками пластмас. Відповідно до технологічних схем, що використовуються в наші дні, необхідне застосування екструзійних ліній. У них, крім екструдера, можуть входити:Калібрувальний пристрійСо-екструдериОхолоджувальні ванниТянучий пристрійМаркувальний пристрійЛамінуючий пристрійВідрізний/намотувальний пристрійІнші допоміжні технологічні одиниці
На жаль, промислове виробництво екструдерів та екструзійних ліній в Україні практично згорнуте. Компанії, що пропонують екструзійне обладнання на нашому ринку, як правило, займаються купівлею обладнання за кордоном та подальшим продажем в Україні. Дещо інша ситуація спостерігається в Україні, де ще зберігаються спеціалізовані машинобудівні підприємства.