Экструдеры для пластика — принцип действия и сферы применения

Одной из основных технологий переработки пластмасс и изготовления из них разнообразных деталей и профильной продукции является экструзия. Заключается она в приготовлении расплава полимеров с последующим продавливанием его через формующие сопла – специальные насадки, придающие материалу заданную форму. Главным элементом производственной линии, использующей подобную методику, является экструдер для пластика.

Что такое экструзия полимеров?

Процесс экструзии происходит при нагреве полимеров максимум до 250 0С. Производство идет на скорости до 120 метров/минуту. Около 30 % всего объема полимеров перерабатывается по экструзионной технологии с помощью экструдеров. Попробуем разобраться в тонкостях этого процесса.

Экструзия полимеров — это технология получения формовочных изделий из термопластов и их композиций на шнековых прессах. Осуществляется путем продавливания (под давлением) однородного расплава через щель формовочной головки экструдера.

Щель имеет определенную форму, которая определяет геометрию изделия — сайдинг, пленка, оконный ПВХ профиль. В качестве сырья используются гранулы полиэтилена ПВД и ПНД, полипропилена, ПВХ, полистирола и других полимеров.

Экструзия включает в себя следующие этапы:

1. получение однородного расплава в экструдере;
2. формование;
3. охлаждение продукции;
4. натяжение и намотка (пленки), нарезка (профиль, труба).

Принцип действия и конструкция

Следует сказать, что экструзия является далеко не новой технологией. Ее история насчитывает более шести десятилетий. За это время было создано большое количество конструкций машин, с помощью которых обеспечивается ее реализация. Принцип действия этого прибора базируется на сути самого технологического процесса.

Технологический процесс экструзии является сложным физико-химическим процессом, на который оказывают воздействие механические усилия в условиях высокой температуры и влаги. Нагрев продуктов переработки происходит благодаря тому, что возникающая при борьбе с внутренним трением, а также при пластических деформациях механическая энергия превращается в тепло.

В процессе экструзионной обработки существует несколько сменных параметров. К числу наиболее важных следует отнести:

• состав сырья;
• влажность;
• его природа.

При протекании экструзионного технологического процесса может происходить изменение:

• температуры материала;
• давления;
• интенсивности и длительности воздействия на исходное сырье.

Устройство и принцип работы экструдера, что это такое

Уже по тому, что слова «экструдер» и «экструзия» являются однокоренными, становится понятным, что экструдер — это основной рабочий орган экструзионной линии.

По длине экструдер для полимеров условно делится на три зоны: загрузки, сжатия расплава и дозирования.

Экструдер для пленки
Схема экструдера для полиэтилена

• Зона загрузки. Гранулы (порошок, вторичное сырье) подаются в бункер самотеком или под напором сжатого компрессором воздуха. Шнек, который приводится в движение работой привода, вращается, и уплотняя полимер до состояния пробки, продвигает его к горячим секциям экструдера.
• Зона плавления. Здесь шаг между витками начинает уменьшаться. Как следствие один и тот же объем полимера пытается поместиться в уменьшившемся пространстве. Пробка прижимается к обогреваемым стенкам трубы экструдера, плавится, расплав перемешивается. Хотим уточнить, что плавление происходит, в основном, не за счет нагревателей (они лишь интенсифицируют процесс), а из-за огромных сдвиговых деформаций в уплотняющемся полимере.
• Зона дозирования. На выходе из экструдера полимер продавливается через систему фильтрующих сеток и проходит через формующее отверстие, профиль которого зависит от формы выпускаемой продукции.

Важно! Экструдер может различаться по типу и количеству шнеков. Выпускаются: одношнековые, двухшнековые и многошнековые, дисковые и многодисковые экструдеры.

О конструкции одношнекового экструдера.

Внутри толстостенного корпуса (трубы) вращается шнек — металлический стержень с винтовой навивкой. Шнек перемещает гранулы по направлению к экструзионной головке. Корпус опоясывают секции хомутовых нагревателей, которые греют металл и плавят полимер, прижимаемый винтом к внутренней поверхности трубы. «Горячую» часть оборудования помещают в водоохлаждаемый кожух, и сверху утепляют термочехлом.

Одношнековый экструдер, схема

Экструдеры со шнеками барьерного типа

Шнеки барьерного типа (рис. 21) – это шнеки с двойной нарезкой. В основном данный тип шнеков используется для высокопроизводительных экструдеров.

Принцип работы всех барьерных шнеков во многом схож. Барьерная зона начинается в месте, где барьерный виток размещен на шнеке. Зазор между барьерным витком и цилиндром больше, чем зазор между основным витком и цилиндром. Величина барьерного зазора должна обеспечивать перемещение расплава полимера над барьером и предотвращать перемещение твердых полимерных частиц. В результате твердый материал остается на активной стороне барьерного витка, а расплав полимера на пассивной стороне. Таким образом, барьерный виток приводит к фазовому разделению, отделяя твердый материал от расплава (рис. 22). Поскольку твердый материал может закупорить канал, плавление должно начинаться до начала барьерной зоны, чтобы можно было использовать барьерный виток.

По ходу шнека площадь поперечного сечения канала для перемещения твердого материала уменьшается, в то время как поперечное сечение канала для расплава увеличивается. В конце барьерной зоны канал для расплава занимает полностью все

Рис. 21. Шнек барьерного типа

Рис. 22. Фазовое разделение в барьерном шнеке

поперечное сечение. Такая геометрия обеспечивает полное плавление твердого материала. Пересечение твердым материалом барьерного зазора допустимо, но происходит лишь в том случае, если его частицы уменьшатся в размере настолько, что могут расплавиться достаточно быстро. Эта конфигурация обеспечивает оптимальное расплавление гранул. Другое преимущество барьерной конструкции заключается в том, что течение через барьерный зазор происходит при сравнительно высоком напряжении сдвига, что обеспечивает активное смешение расплава.

Экструзия пленки

Наиболее популярными формовочными изделиями, которые получают с применением экструзии, являются пленки. Их изготавливают из полистирола, полипропилена, полиамида, лавсана, поликарбоната, ПВХ, но самыми востребованными из них являются, конечно же, пленки из экструдированного полиэтилена высокого и низкого давления. Именно на их примере мы рассмотрим, какие этапы этот материал проходит на выходе из экструдера.

Существует два метода экструдирования пленок:

1. Метод раздува рукава.
2. Метод плоскощелевой экструзии.

Выполнение сварки экструдером

Если аппарат используется не впервые, тогда нужно удалить присадочный материал, используемый ранее. Даже если он того же состава. Повторный нагрев присадочного материала снижает его прочность.

Перед непосредственным началом сварки необходимо снять блокировки холодного пуска, нагреть аппарат и сварочный башмак до температуры, необходимой для работы, настроить производительность.

В процессе сварки необходимо поддерживать нужный угол наклона сварочного аппарата в зависимости от вида проделываемого шва. Если вам необходимо сделать перерыв, то экструдер нужно поставить на специальную подставку. Если перерыв планируется длительный – уменьшите температуру примерно на 40-50 градусов. Такое понижение температуры позволит приостановить нагревание присадочного материала и быстро возобновить работу.

Таким образом, сварка ручным сварочным экструдером является одной из самых несложных в применении среди остальных видов сварки и с применением других аппаратов. Совсем не необходимо быть профессионалом. Нужно лишь соблюдать инструкцию по эксплуатации экструдера и соблюдать вышеизложенные правила при работе с аппаратом и свариваемыми материалами.

Соэкструзия и коэкструзия.

Соэкструзия — это технология, использующаяся для получения многослойных пленок.

В качестве сырья может использоваться: полиэтилен низкой и высокой плотности, полипропилен, полиамидная пленка и др. полимеры. Гранулят этих пластических масс плавится в разных экструдерах, после чего соединяется и проходит через одну формовочную фильеру (головку). Для прочного склеивания нужно, чтобы молекулярная сетка полимеров была похожа по структуре. Но если нужно связать барьерный слой, например, EVOH и линейный полиэтилен, то потребуется специальные вяжущие сополимеры.

Соэкструзионные многослойные пленки используются для вакуумирования продуктов, как транспортная упаковка, с/х пленка (для мульчирования, пленка с эффектом антифог), упаковка фармацевтических препаратов.

По похожей технологии, которая получила название коэкструзия, изготавливают панели сайдинга и профиль ПВХ. Поливинилхлорид — основа профиля, занимает около 80% толщины панели, оставшиеся 20% — акрил. Как и в случае соэкструзии, используется работа двух коэкструдеров, где отдельно плавят ПВХ и акрил. Соединяются эти расплавы в щелевой филере, откуда выходят уже готовым спаянным изделием.

Описание процесса соэкструзии

Полимеры, используемые при соэкструзии, различаются по температуре плавления, вязкости и другим свойствам. Каждый материал должен соответствовать определенным условиям для достижения стабильно высокого качества пластификации.

Соэкструзионная установка состоит из 2-3 или более экструдеров, в которые загружается сырье определенного типа. И каждый расплав имеет свою вязкость и температуру. Материалы индивидуально проходят все стандартные этапы обработки. Каждый расплав достигает желаемой температуры. Расплавленные массы из отдельных экструдеров поступают под определенным давлением в общую соэкструзионную головку, где все фракции объединяются. После формирования слоев и выпуска готового материала последующие операции охлаждения и намотки выполняются по стандартным алгоритмам.

В соэкструзионном оборудовании используются формовочные инструменты самых сложных форм. А при расчете параметров головки экструдера за основу берутся полимеры с максимальной температурой плавления.

Коронарная обработка пленки после экструзии

Химическая инертность и малая поверхностная энергия пленки делают ее невосприимчивой к типографской или любой другой краске. Нанесение покрытия на поверхность полиэтилена станет возможным, если его поверхностная энергия будет хотя бы на 10 дин/см выше энергии наносимой краски. В ином случае краска будет просто собираться в капли. «Подзарядить» пленку можно коронированием. Каждая экструзивная линия оборудована активатором обработки коронным разрядом, который состоит из: генератора, трансформатора и электродов. При пропадании пленки в область электромагнитного поля растет ее поверхностная энергия и повреждается верхний слой макромолекул (микротравление).

В каких сферах применяют экструдеры?

Технология производства продукции методом экструзии нашла применение в областях, описанных ниже.

1. Химическая промышленность. Это область, где производятся пластмассы (резина, пластик и т.д.) и ферриты. Химический состав используемого сырья остается неизменным, экструдер в первую очередь предназначен для получения желаемой формы конечного продукта. Поэтому установка такого оборудования относительно проста.
2. Пищевая промышленность. Экструзия также может использоваться в производстве продуктов питания. Обычно это более сложный процесс, чем в предыдущем примере. Настройки оборудования предполагают тонкие изменения температуры, скорости, давления, которые приводят к изменению характеристик и свойств исходного сырья, например, денатурации белков, разложению углеводов или желатинизации крахмала.

Применение технологии экструзии

• Химическая промышленность. Почти все термопласты и их композиции могут перерабатываться экструзией в готовые изделия (пленки, трубы, оболочки изоляции, сайдинг, листы).
• Производство комбикорма. Измельченное сырье для производства комбикорма поступает в экструдер, где подвергается уплотнению, сжатию и температурной обработке при температуре до 200 0С. Этот способ переработки повышает питательность и усвояемость корма, сохраняет в нем витамины и препятствует размножению микроорганизмов.
• Брикетирование твердого биотоплива. Переработка биомассы (торфа, угольной пыли, шелухи подсолнечника, отходов сахарного производства, соломы сои, щепы) и прессование ее в гранулы или брикеты производится на экструдерах;
• Пищевая промышленность. Макароны, кукурузные палочки и хлопья, жевательная резинка и чипсы, соевые продукты— все эти продукты изготавливают с помощью пищевой экструзии.

Экструзия теста, экструдер для теста

Развитие экструзионного производства сейчас идет сейчас по трем направлениям. Это: усовершенствование существующего оборудования, применение новых композиций полимеров, совершенствование автоматизированных систем управления. Последнее направление представляется наиболее актуальным — уже сейчас в России появились установки оборудованные АСУ на основе микропроцессора. Они позволяют автоматически контролировать не только работу экструдера, но и системы подготовки сырья, калибровки и обрезки готовых изделий.

Экструзионные линии

В условиях промышленных предприятий экструзионное оборудование следует рассматривать в качестве главного компонента линии по осуществлению этого процесса. Помимо основного оборудования — экструдера она включает и целый набор других механизмов и устройств:

• намоточные и отрезочные механизмы. Они используются для приведения изделий в необходимый для складского хранения и транспортировки вид;
• маркирующие и ламинирующие системы различного принципа действия;
• механизмы протяжки готовых профилей;
• система охлаждения. Её установка выполняется на выходе экструдера, чтобы повысить скорость процесса полимеризации готовых изделий. Эти системы могут быть различного типа — воздушные или в виде охлаждающей ванны;
• система подготовки и загрузки сырья. В отдельных случаях полуфабрикат необходимо предварительно подвергнуть процедуре просушивания и последующей калибровке перед тем, как подавать его в загрузочный бункер.

В составе оборудования могут использоваться и другие механизмы, а также применяться технологические устройства для автоматизации непрерывного процесса производства.

Экструдеры от «Индустрии полимеров»: лучшие решения для бизнеса!

предлагает оборудование для вторичной переработки полимеров импортного и собственного производства. Использование качественных комплектующих, оригинальные технические решения, высокое качество механосборочных работ, квалифицированный персонал – далеко не полный перечень преимуществ сотрудничества с нами.

Срок производства экструдеров не превышает 20 дней. Сотрудники компании произведут пусконаладочные работы до выхода на режим, а при необходимости осуществят полный комплекс работ, предусмотренных регламентом сервисного обслуживания.

На складе всегда в наличии большой ассортимент комплектующих и запасных частей, что позволяет в короткий срок выполнить любые ремонтные работы. Вся техника сертифицирована и имеет гарантию. Цена экструдеров от «Индустрии полимеров» значительно ниже, чем у конкурентов.

Нужно уточнить стоимость, узнать технические характеристики или решение купить экструдер уже принято? Технические консультанты и менеджеры компании всегда на связи.

Области применения экструдеров

Технологии переработки материалов методом экструзии активно используются в самых разных сферах:

1. Сельское хозяйство (изготовление комбикормов для животных, парниковых пленок).
2. Пищевая промышленность (кондитерские изделия, макаронные, детское питание, жевательные резинки, кукурузные хлопья).
3. Изготовление упаковочных материалов, многослойных пакетов, термоусадочных пленок.
4. Канцтовары, полиграфия, ламинирование, принтерная печать, изготовление гидрогелей для 3D-печати.
5. Строительные материалы (экструзия пеноблоков, утеплителей, профилей ПВХ, полистирола, полипропилена).
6. Производство пластиковых трубопроводов.
7. Химическая промышленность (изготовление удобрений, изделий из силикона, резины).
8. Металлообработка (алюминиевый профиль).
9. Экструзия кабельных покрытий, термоусадочных трубок.
10. Альтернативная энергетика (твердое биотопливо).

Форма готового изделия зависит от типа сечения отверстия в калибрующем устройстве. Если экструдат проходит сквозь щелевидное сечение, на выходе будет получена листовая продукция. Если сечение канала имеет форму кольца, получаются трубы (макароны).

Технологии производства пластмассовых деталей методом соэкструзии

Современные технологии позволяют выпускать полимеры, строительные профили, листы, емкости, покрытия электропроводов, трубы и много других изделий из пластика, которые отвечают большому количеству требований. Они должны быть одновременно:

• прочными;
• легкими;
• экологичными;
• долговечными;
• устойчивыми против агрессивных сред;
• внешне привлекательными;
• водо-, газонепроницаемыми и пр.

Соэкструзия (другое название коэкструзия) является наиболее прогрессивным методом, при котором полимеры, обладающие разными свойствами, образуют многофункциональные многослойные материалы, в которых каждый слой сохраняет свои индивидуальные особенности.

Яркие примеры использования соэкструзионных материалов – упаковочная пленка для фармацевтических препаратов, вакуумирование скоропортящейся продукции с различными сроками хранения и т. п. Такие многослойные пленки состоят из нескольких слоев (от 3 до 11, а в отдельных случаях и больше). Минимальная толщина одного слоя составляет 2 мкм, максимальная – 2-3 миллиметра.

Технология соэкструзии предполагает одновременную работу нескольких экструдеров + наличие единого формующего узла. С помощью этого метода за один процесс получается полностью готовый материал. Это означает, что готовые детали и погонажные изделия не нужно отправлять на окрашивание, грунтование, склеивание и прочую дообработку.