Войти
Поперечное сечение экструдера пластика, чтобы показать шнек Экструзия пластика - это массовый производственный процесс в который необработанный пластик расплавляют и формуют в непрерывный профиль. Экструзия производит такие изделия, как трубы / трубки, уплотнители, ограждения, перила, оконные рамы, пластиковые пленки и листы термопластические покрытия и изоляция проводов.
Этот процесс начинается с подачи пластикового материала (гранул, гранул, хлопьев или порошков) из бункера в цилиндр экструдера. Материал постепенно плавится за счет механической энергии, генерируемой вращением винтов и нагревателями, расположенными вдоль ствола. Затем расплавленный полимер нагнетают в фильеру, которая придает полимеру форму, которая затвердевает во время охлаждения.
Экструзия труб Первые предшественники современного экструдера были разработаны в начало 19 века. В 1820 году Томас Хэнкок изобрел резиновый «мастикатор», предназначенный для регенерации переработанных обрезков резины, а в 1836 году Эдвин Чаффи разработал двухвалковую машину для смешивания добавок в каучук. Первая экструзия термопласта была произведена в 1935 году Полем Тростером и его женой Эшли Гершофф в Гамбурге, Германия. Вскоре после этого Роберто Коломбо из LMP разработал первые двухшнековые экструдеры в Италии.
.
При экструзии пластмасс исходный материал обычно имеет форму гранул (маленьких шариков, часто называемых смолой).), которые под действием силы тяжести подаются из установленного сверху бункера в цилиндр экструдера. Часто используются такие добавки, как красители и ингибиторы УФ-излучения (в жидкой или гранулированной форме), и их можно смешивать со смолой до того, как она попадет в бункер. Этот процесс имеет много общего с литьем пластика под давлением с точки зрения технологии экструдера, хотя отличается тем, что обычно является непрерывным процессом. Хотя пултрузия может предложить множество аналогичных профилей непрерывной длины, обычно с добавлением армирования, это достигается вытягиванием готового продукта из фильеры вместо экструзии расплава полимера через фильеру.
Материал входит через горловину подачи (отверстие в задней части ствола) и контактирует с винтом. Вращающийся винт (обычно вращающийся со скоростью, например, 120 об / мин) толкает пластиковые шарики вперед в нагретый цилиндр. Желаемая температура экструзии редко бывает равна заданной температуре цилиндра из-за вязкого нагрева и других эффектов. В большинстве процессов для ствола устанавливается профиль нагрева, в котором три или более независимых PID -управляемых зоны нагрева постепенно повышают температуру ствола от задней части (куда входит пластик) к передней части. Это позволяет пластиковым шарикам постепенно плавиться, когда они проталкиваются через цилиндр, и снижает риск перегрева, который может вызвать разрушение полимера.
Дополнительное тепло создается за счет сильного давления и трения внутри ствола. Фактически, если экструзионная линия работает с некоторыми материалами достаточно быстро, нагреватели могут быть отключены, а температура расплава поддерживается только за счет давления и трения внутри цилиндра. В большинстве экструдеров присутствуют охлаждающие вентиляторы, чтобы поддерживать температуру ниже установленного значения, если выделяется слишком много тепла. Если принудительного воздушного охлаждения оказывается недостаточно, используются 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 загрязняющих веществ в расплаве. Экраны усилены разрывной пластиной (толстая металлическая шайба с множеством просверленных отверстий), поскольку давление в этой точке может превышать 5000 psi (34 МПа ). Узел грохота / отбойной пластины также служит для создания противодавления в стволе. Противодавление требуется для равномерного плавления и надлежащего перемешивания полимера, а то, какое давление создается, можно «настроить», варьируя состав пакета сит (количество сит, размер их переплетения проволоки и другие параметры). Эта комбинация пластины прерывателя и блока сита также устраняет «память вращения» расплавленного пластика и вместо этого создает «продольную память».
После прохождения через пластину прерывателя расплавленный пластик попадает в матрицу. Штамп - это то, что придает конечному продукту его профиль, и он должен быть спроектирован так, чтобы расплавленный пластик равномерно стекал из цилиндрического профиля в форму профиля продукта. Неравномерный поток на этой стадии может привести к образованию продукта с нежелательными остаточными напряжениями в определенных точках профиля, которые могут вызвать коробление при охлаждении. Можно создавать самые разные формы, ограничиваясь непрерывными профилями.
Теперь продукт необходимо охладить, и это обычно достигается путем протягивания экструдата через водяную баню. Пластмассы - очень хорошие теплоизоляторы, поэтому их трудно быстро охладить. По сравнению со сталью сталь пластик отводит тепло в 2000 раз медленнее. В экструзионной линии для труб или труб на герметичную водяную баню воздействует тщательно контролируемый вакуум, чтобы не дать вновь сформированной и все еще расплавленной трубке или трубке разрушиться. Для таких продуктов, как пластиковая пленка, охлаждение достигается за счет 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.
Пластмассовые экструдеры также широко используются для переработки переработанных пластиковых отходов или другого сырья после очистки, сортировки и / или смешивания. Этот материал обычно экструдируют в нити, подходящие для измельчения в шарики или гранулы для использования в качестве прекурсора для дальнейшей обработки.
В термопластическом винте есть пять возможных зон. Поскольку терминология не стандартизирована в отрасли, эти зоны могут относиться к другим названиям. Различные типы полимеров будут иметь разную конструкцию шнеков, некоторые из которых не включают все возможные зоны.
Простой экструзионный шнек для пластика 
Шнеки экструдера от Boston Matthews Большинство шнеков имеют следующие три зоны:
Кроме того, вентилируемый (двухступенчатый) шнек имеет:
Часто длина винта зависит от его диаметра как отношения L: D. Например, винт диаметром 6 дюймов (150 мм) при 24: 1 будет иметь длину 144 дюйма (12 футов), а при 32: 1 - 192 дюйма (16 футов) в длину. Отношение 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) винты обычно имеют соотношение 36: 1 с учетом двух дополнительных зон.
Каждая зона оборудована одной или несколькими термопарами или RTD в стенке цилиндра для контроля температуры. «Температурный профиль», то есть температура каждой зоны, очень важен для качества и характеристик конечного экструдата.
Труба из ПНД во время экструзии. Материал HDPE поступает из нагревателя в матрицу, а затем в охлаждающую емкость. Эта труба Acu-Power изготовлена методом совместной экструзии - черная внутри с тонкой оранжевой оболочкой для обозначения силовых кабелей. Типичные пластмассовые материалы, которые используются при экструзии, включают, но не ограничиваются: полиэтилен ( PE), полипропилен, ацеталь, акрил, нейлон (полиамиды), полистирол, поливинил хлорид (ПВХ), акрилонитрилбутадиенстирол (АБС) и поликарбонат.
Для экструзии пластмасс используются различные штампы. Хотя между типами и сложностью фильер могут быть существенные различия, все фильеры позволяют осуществлять непрерывную экструзию полимерного расплава, в отличие от прерывистой обработки, такой как литье под давлением.
Экструзия пластмассы с раздувом пленка Производство полиэтиленовой пленки для таких продуктов, как пакеты для покупок и непрерывная пленка, осуществляется на линии.
Этот процесс аналогичен обычному процесс экструзии до штампа. В этом процессе используются три основных типа матриц: кольцевые (или крейцкопфные), крестовины и спиральные. Кольцевые фильеры являются самыми простыми и полагаются на то, что расплав полимера проходит по всему поперечному сечению фильеры перед выходом из фильеры; это может привести к неравномерному потоку. Матрицы Spider состоят из центральной оправки, прикрепленной к внешнему кольцу матрицы через ряд «ножек»; хотя поток более симметричен, чем в кольцевых фильерах, образуется ряд сварных линий, которые ослабляют пленку. Спиральные фильеры устраняют проблему линий сварного шва и асимметричного потока, но являются, безусловно, наиболее сложными.
Перед выходом из фильеры расплав несколько охлаждают, чтобы получить слабую полутвердую трубу. Диаметр этой трубки быстро увеличивается за счет давления воздуха, и трубка тянется вверх роликами, растягивая пластик как в поперечном направлении, так и в направлении вытяжки. Вытягивание и выдувание делают пленку тоньше экструдированной трубки, а также предпочтительно выравнивают молекулярные цепи полимера в направлении, в котором наблюдается наибольшая пластическая деформация. Если пленку вытягивают больше, чем выдувают (конечный диаметр трубы близок к диаметру экструдированной), молекулы полимера будут сильно выровнены с направлением вытяжки, создавая пленку, которая будет прочной в этом направлении, но слабой в поперечном направлении.. Пленка, диаметр которой значительно больше диаметра экструдированного материала, будет иметь большую прочность в поперечном направлении, но меньшую в направлении вытяжки.
В случае полиэтилена и других полукристаллических полимеров, когда пленка охлаждается, она кристаллизуется по так называемой линии замерзания. По мере того, как пленка продолжает охлаждаться, ее протягивают через несколько комплектов прижимных роликов, чтобы сплющить ее в плоскую трубку, которую затем можно намотать или разрезать на два или более рулона пленки.
Экструзия листа / пленки используется для экструзии пластиковых листов или пленок, которые слишком толстые для выдувания. Используются два типа плашек: Т-образные и плечики. Назначение этих матриц - переориентировать и направлять поток полимерного расплава от единственного круглого выхода из экструдера к тонкому плоскому плоскому потоку. Оба типа фильер обеспечивают постоянный равномерный поток по всей площади поперечного сечения фильеры. Охлаждение обычно осуществляется путем протягивания через набор охлаждающих валков (каландр или «охлаждающие» валки). При экструзии листов эти валки не только обеспечивают необходимое охлаждение, но также определяют толщину листа и текстуру поверхности. Часто коэкструзия используется для нанесения одного или нескольких слоев поверх основного материала для получения определенных свойств, таких как поглощение УФ-излучения, текстура, сопротивление проникновению кислорода или отражение энергии.
Обычным процессом постэкструзии пластиковых листов является термоформование, при котором лист нагревают до мягкости (пластика) и формуют с помощью пресс-формы в новую форму. Когда используется вакуум, это часто называют вакуумным формованием. Ориентация (то есть способность / доступная плотность листа для вытягивания в форму, которая обычно может варьироваться по глубине от 1 до 36 дюймов) очень важна и сильно влияет на время цикла формования для большинства пластиков.
Экструдированные трубки, такие как трубы из ПВХ, производятся с использованием штампов, очень похожих на те, что используются при экструзии пленки с раздувом. Положительное давление может быть приложено к внутренним полостям через штифт, или отрицательное давление может быть приложено к внешнему диаметру с помощью вакуумного калибратора, чтобы гарантировать правильные окончательные размеры. Дополнительные просветы или отверстия могут быть введены путем добавления соответствующих внутренних оправок в матрицу.
Медицинская экструзионная линия Boston Matthews Многослойные трубки также широко используются в автомобильной, водопроводной, отопительной и упаковочной промышленности.
Экструзия поверх оболочки позволяет наносить внешний слой пластика на существующий провод или кабель. Это типичный процесс изоляции проводов.
Существует два разных типа штампов, используемых для нанесения покрытия на проволоку, труб (или оболочки) и давления. При изготовлении оболочки расплав полимера касается внутренней проволоки только непосредственно перед кромкой штампа. В инструментах, работающих под давлением, расплав контактирует с внутренней проволокой задолго до того, как достигает кромки матрицы; это делается под высоким давлением, чтобы обеспечить хорошее сцепление расплава. Если требуется тесный контакт или адгезия между новым слоем и существующей проволокой, используется инструмент для давления. Если адгезия нежелательна / необходима, вместо нее используется инструмент для изготовления кожухов.
Соэкструзия - это одновременная экструзия нескольких слоев материала. В этом типе экструзии используются два или более экструдеров для плавления и доставки стабильного объемного расхода различных вязких пластмасс к одной экструзионной головке (фильере), которая будет экструдировать материалы в желаемой форме. Эта технология используется в любом из описанных выше процессов (экструзионная экструзия, оболочка, трубки, лист). Толщина слоя регулируется относительными скоростями и размерами отдельных экструдеров, доставляющих материалы.
5: 5-слойная совместная экструзия косметической "прессованной" тубы Во многих реальных сценариях единственный полимер не может удовлетворить все требования приложения. Экструзия компаундов позволяет экструдировать смешанный материал, но при совместной экструзии отдельные материалы сохраняются в виде различных слоев в экструдированном продукте, что позволяет соответствующим образом размещать материалы с различными свойствами, такими как проницаемость для кислорода, прочность, жесткость и износостойкость.
Экструзионное покрытие - это использование процесса экструзии или литья пленки для нанесения дополнительного слоя на существующий рулон из бумаги, фольги или пленки. Например, этот процесс можно использовать для улучшения характеристик бумаги, покрывая ее полиэтиленом, чтобы сделать ее более водостойкой. Экструдированный слой также можно использовать в качестве клея для соединения двух других материалов. Tetrapak - коммерческий пример этого процесса.
Экструзия компаундов - 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 находится в форме гранул для использования 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 области применения и желаемой производительности. В то время как в традиционной экструзии можно использовать одно- или двухшнековые экструдеры, необходимость адекватного перемешивания при экструзии с компаундированием делает двухшнековые экструдеры практически обязательными.
Существуют два подтипа двухшнековых экструдеров: вращающиеся в одном направлении и в противоположном направлении. 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 вращении против часовой стрелки один винт вращается по часовой стрелке, а другой - против часовой стрелки. Было показано, что для данной площади поперечного сечения и степени перекрытия (зацепления) осевая скорость и степень перемешивания выше в двойных экструдерах, вращающихся в одном направлении. Однако в экструдерах с противовращением давление выше. Конструкция шнека обычно является модульной, так как на валах расположены различные транспортирующие и смесительные элементы, позволяющие быстро реконфигурировать процесс для изменения процесса или замены отдельных компонентов из-за износа или коррозионного повреждения. Размеры машин варьируются от 12 мм до 380 мм [12- Смешивание полимеров Джеймсом Уайтом, страницы 129-140]
Большим преимуществом экструзии является то, что профили например трубы могут быть изготовлены любой длины. Если материал достаточно гибкий, можно изготавливать трубы большой длины, даже наматывая их на катушку. Еще одним преимуществом является экструзия труб со встроенной муфтой, включающей резиновое уплотнение.
