Экструзия – это технология переработки пластических масс

Экструзия – важный технологический процесс, который применяется в разных сферах промышленного производства и занимает центральное место среди способов переработки пластика. Можно с уверенностью сказать, что в будущем будет наблюдаться огромный спрос на полимерные материалы благодаря их превосходным свойствам, таким как высокая удельная прочность, легкость формирования, устойчивость к воздействию факторов окружающей среды и т.д. Здесь экструзия полимеров служит одним из фундаментальных подходов к переработке пластмасс/полимерных материалов.

Оглавление

Экструзия – это что за технология?
- Что такое экструзия полимеров?
- Процесс экструзии: проблема мониторинга
Метод экструзии: специфика и разновидности
- Коэкструзия (соэкстрзия)
Виды и способы экструзии
Применение экструзионной технологии обработки полимеров

Экструзия – это что за технология?

Экструзия (от лат. extrusio, выдавливать, выталкивать) – это технология получения разнообразных изделий путем механического выдавливания вязкого вещества (расплава) сквозь фильеру (формующий элемент) с последующим охлаждением и отвердеванием изделия. Профиль фильеры (формующей головки, формовочного элемента) определяет размеры окончательного изделия.

Технология применяется в разных сферах промышленности. Например, в металлургии экструзия используется для изготовления металлопроката, а в пищевой отрасли для изготовления жевательной резинки и конфет, макаронных изделий и колбас. Не меньшую востребованность экструзионный метод нашел в сфере переработки пластика и производства полимерных материалов. Наряду с методом литья пластмасс под давлением экструзионный метод является самым популярным способом обработки пластических масс.

Метод экструзии впервые был применен в производстве в XVIII веке в Европе на волне идей индустриализации. Экструзия сильно упрощала процесс изготовления множества вещей, и даже создавала новые типы товаров. Так, благодаря экструзионному формованию появились готовые завтраки (подушечки с начинкой) и порционные закуски (снеки, хлебцы). Метод экструзии был применен для производства металлических труб еще в 1797 году. С середины XX века метод экструзии присутствовал уже практически повсеместно в промышленных циклах. Его преимущества состоят в возможности непрерывного производства и безотходности рабочего процесса.

Экструдат – это продукт экструзии.

Что такое экструзия полимеров?

Экструзия полимеров (пластиков) – это непрерывный технологический процесс температурной обработки пластикового сырья (порошка, лент или гранул) с целью превращения сырья в расплав, которому впоследствии будет придана определенная форма (готовое изделие или пластиковый полуфабрикат для дальнейшего использования). Процесс осуществляется при помощи специального оборудования – экструдера.

В основе шнекового экструдера лежит элемент, известный с древности как винт Архимеда.

Экструдеры (экструдинг-прессы) бывают следующих типов:

Одношнековые (одночервячные)
Двух или трех шнековые (многочервячные)
Планетарные (многошнековые)
Поршневые (плунжерные)
Дисковые
Смешанные типы экструдеров (шнеково-дисковые)

Устройство типового одношнекового экструдера представлено на схеме:

Самый простой пример экструдера – бытовая механическая мясорубка.

Производственная линия как правило состоит из нескольких единиц оборудования: со-экструдеров, охлаждающих и ламинирующих устройств, приборов автоматической маркировки и многого другого. Устройство экструзионной производственной линии может позволить производить полимерное полотно практически не ограниченной длины.

Экструзия как метод хорошо подходит для производства погонажных пластиковых изделий, полимерных пленок, пластиковых труб, листов и стержней из пластика. Методом экструдирования обрабатывают любые виды пластиков: термопласты и реактопласты, эластомеры и композитные материалы.

Процесс экструзии: проблема мониторинга

Процесс экструзии осуществляется внутри закрытого оборудования и, следовательно, мониторинг процесса в реальном времени является довольно трудным делом. Большинство установок по переработке полимеров представляют собой своего рода "черные ящики", и потому довольно сложно контролировать состояние расплава внутри перерабатывающего устройства во время переработки. Современное состояние основных методов мониторинга процесса экструзии мало чем отличается от подходов вековой давности, доступные параметры мониторинга по-прежнему таковы:

температура расплава
давление расплава
массовая производительность
крутящий момент шнека
вязкость расплава

Современные вычислительные мощности позволяют диагностировать мельчайшие отклонения в параметрах. Наблюдение за основными параметрами процесса дает возможность оценить состояние процесса и, следовательно, качество продукции. Важнее то, что ранняя диагностика колебаний процесса является существенным фактором для эффективного управления процессом, чтобы избежать возможных дефектов продукта.

Некоторые из подходов к мониторингу температуры в процессах экструзии имеют высокую точность, но пока не подходят для практического использования, в основном из-за некоторых ограничений, таких как сложность их конструкции, инвазивность, низкая долговечность и проблемы с обслуживанием.

Поэтому желательно разработать неинвазивные, точные, информативные (например, измерение теплового профиля), простые и индустриально совместимые датчики температуры расплава для улучшения процесса теплового мониторинга.

Метод экструзии: специфика и разновидности

Сегодня существуют четыре основных метода экструзии:

холодная (синяя) формовка
теплая формовка
горячая формовка
гидроформовка (гидроэкструдия)

В зависимости от исходного сырья и свойств получаемого вязкого расплава в процессах экструзии пластиков возможны существенные различия в температурном режиме и коридоре давления.

Главные технологические параметры:

температура (замеряется зонально)
давление(замеряется зонально)
температура зон головки
скорость охлаждения экструдата

Коэкструзия (соэкстрзия)

Коэкструзия – это производственный процесс, в котором совместно участвуют два и более экструдера для создания многослойного изделия из разных пластиков (например, ПВХ и акрил). Название коэкструзия происходит от латинского co-extrudio, что можно перевести примерно как «совместное выдавливание».

Вариант названия соэкструзия – всего лишь русская калька со слова коэкструзия. Хотя смысл со-единения в данном процессе передается здесь в точности.

Коэкструзия применяется для создания материалов с улучшенными качествами. Данным методом производят усиленную упаковочную пленку, строительные листовые материалы, профили изделий. Коэструзия позволяет сочетать различные цвета и фактуры полимерных материалов.

Виды и способы экструзии

Виды и способы экструзии напрямую связаны с веществом, с сырьем для обработки, поскольку температура плавления у всех пластмасс различается. Следует заметить, что любая экструзионная линия может быть настроена под работу с разными видами полимерного сырья.

Самые распространенные полимеры для экструзионной технологии:

полиэтилен
полистирол
полипропилен
полиолефин
поливинилхлорид
полиформальдегид

Экструзия полиэтилена

Экструзия полиэтилена как правило производится на одношнековых или двухшнековых экструдерах. Продукт данного процесса – пленки различных толщин.

Сырье (полиэтиленовые гранулы) под воздействием нагрева плавятся в вязкую прозрачную массу, причем уровень нагрева неоднороден по длине шнека. Обычно экструзия полиэтилена производится при следующих температурах:

в загрузочной не выше 80 градусов,
на входе в цилиндр около 110 градусов,
на выходе из цилиндра около 155 градусов
в мундштуке не выше 170 градусов

Особенностью экструзии полиэтилена принято считать неоднородность структуры полимера в поперечном сечении. На расположение макромолекул полимера оказывает воздействие скорость перемещения массы расплава: вдоль оси полимерные цепи располагаются по направлению потока, а у стенок формируются участки с поперечным расположением молекулярных цепочек.

Производство пленки на экструдерах

Самая объемная доля продукция, получаемой экструдированием полиэтилена – это пленка (пищевая, непищевая). Полиэтиленовые пленки получают следующими способами:

раздув рукава
щелевая экструзия
полив заготовки на охлаждающие валки
полив в ванну с водой

Экструзия рукава с дальнейшим раздувом

Метод раздува рукава применяют при производстве пленок низкой плотности. Полимерный расплав подается через кольцевую щель формующей головки и под давлением воздушного потока растягивается в форме рукава. Подача воздуха охлаждает расплав и пленка может быть сложена в два слоя. Далее готовая пленка либо наматывается в рулон, либо режется в соответствии с технологическими задачами.

Экструзия пленок методом поливом на охлаждающий барабан

Для данного метода производства пленки используют экструзионную машину с щелевой головкой. Толщина щели определяет толщину будущего изделия. Ширина рабочей части головки составляет от 1,5 до 1,8 м – такова будет ширина пленочного полотна .

Расплав выдавливается через щель и подается на валки, где быстро охлаждается водой. Готовая пленка переходит в наматывающее/упаковывающее устройство .

Преимущество данного способа перед рукавным состоит в том, что экструзия пленки методом поливом на охлаждающий барабан позволяет точнее устанавливать параметры изделия с помощью толщинометра. Готовая плека отличается более высоким качеством: прозрачностью, равномерностью, отсутствием склеек и заломов.

Экструзия пленок методом полива в ванну с водой

Метод полива в ванну с водой используется для создания пленок самого высшего качества. Суть этого метода сводится к быстрому охлаждению полимерной пленки водой: расплав подается через плоскую щель фильеры и попадает в водяную емкость, где мгновенно охлаждается.

Экструзия пластиковых труб

Полимеры – например, полипропилен, – используются для производства труб методом экструзии. Экструзионные машины для ПП-труб оснащаются кольцевым формующим элементом. Его устройство является довольно сложным, так как должно обеспечивать постоянные параметры изделия с заданными внешним и внутренним диаметрами и толщиной стенки. Внутренний диаметр обеспечивает поток воздуха под давлением, проходящий через дорн, а внешний диаметр регулируется матрицей формующего эхлемента.

В производственную линию входит также оборудование для формовки и калибровки изделий, тянущие устройства, пилы (гильонтинные, дисковые) для нарезания труб определенной длины, а также сортировочное и маркировочное оборудование.

Экструзия пенополистирола

Востребованный строительный материал пенополистирол получают методом экструзии. Экструзионный пенополистирол успешно применяется для теплоизоляции различных поверхностей, поскольку плита монолитна и не содержит швов и мест склеивания. Метод экструзии позволяет повысить прочность на изгиб и сжатие в пять раз.

Применение экструзионной технологии обработки полимеров

Экструзия пластиков применяется при изготовлении строительных и отделочных материалов, конструкционных профилей, ПВХ труб, полимерных стержней, сайдинга, листов пластмассы, всевозможных полимерных пленок. Рынок сбыта подобной продукции поистине необъятен и спрос продолжает расти. Благодаря цифровой модернизации производственных линий удается повысить эффективность работы экструдеров и получить изделия более высокого качества.

Смотрите также по теме «Экструзия – это технология переработки пластических масс»: