Что такое экструдер и экструзия

Экструзия исключает из производственного цикла трудоемкую механическую обработку. Это быстрый и недорогой способ получения пленок, труб, профиля и других изделий, выпускаемых погонажом из полимерного сырья. В статье расскажем, что такое экструдер, как происходит процесс экструзии полиэтилена, разберем тонкости экструзионной технологии.

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).

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
Экструдер для пленки
экструдер для полиэтилена
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.

Схема одношнекового экструдера
Одношнековый экструдер, схема

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.

Читайте также какие дефекты могут возникнуть при экструзии пленки и как их устранить.

Метод раздува рукава.

Полимер выдувается из экструдера для пленки через кольцевую щель в формующей головке. Визуально это выглядит, как из фильеры поднимается сплошной пленочный цилиндр, раздуваемый изнутри воздухом. Воздух подается под давлением через дорн — отверстие в центре головки.

Охлаждение при экструзии полиэтилена, в зависимости от ориентации рукава, может производиться по двум схемам:

  1. Если рукав направлен вертикально вверх или горизонтально, то пленка обдувается воздухом, поступающим через охлаждающие кольца по периметру рукава;

    Раздувной экструдер
    Раздувной экструдер
  2. При отводе рукава вниз используется водяное охлаждение — такая схема сокращает время кристаллизации.

После остывания пленка складывается с помощью специальных «щек» в полотно и протягивается через отжимающие воздух валки. Готовый материал отправляется на намотку.

Чем быстрее охладить расплав полиэтилена на выходе из экструдера, тем выше будет прозрачность и блеск пленки. Почему так происходит? Дело в том, что при остывании в пленке образуется два вида молекулярных структур — кристаллическая и амфорная. Когда материал охлаждают медленно, то макромолекулы полимера успеют сформироваться в кристаллы, и экструдированная пленка будет мутной и неэластичной, но прочной. При быстром охлаждении кристаллы не успевают соединиться и пространство между ними заполняют амфорные связи, придающие пленке прозрачность, хорошую эластичность и гибкость.

 Метод плоскощелевой экструзии.

Отверстие в фильере плоскощелевого экструдера протачивают в виде тончайшей щели. Пленка из формовочной головки выходит в виде непрерывного полотна определенной толщины и ширины.

Плоскощелевой экструдер
Плоскощелевой экструдер для производства стрейч-пленки

Существует два варианта охлаждения пленки полученной плоскощелевым методом:

  1. Первый, это когда экструзионный полиэтилен сразу же после формования подается на охлаждающий барабан, температура поверхности которого поддерживается на уровне 30…50 0С.
  2. Второй вариант — пленку пропускают через ванну с проточной водой. Такое шоковое охлаждение позволяет получать блестящий и прозрачный материал, но есть свои нюансы. Когда пленка заходит в воду, она вызывает рябь на ее поверхности, из-за которой на полиэтилене появляются пятна.

После охлаждения и сушки полиэтилен протягивается через натягивающие валы и идет на намотку.

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.

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).

 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.
Экструдер теста
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.

 

Ссылка на основную публикацию

This site is protected by wp-copyrightpro.com