Пластиковая экструзия - Plastic extrusion
Экструзия пластмасс - это крупносерийный производственный процесс, при котором сырой пластик плавится и формируется непрерывный профиль. Экструзия производит такие изделия, как трубы / трубки, уплотнители , ограждения, перила настила , оконные рамы , пластиковые пленки и защитное покрытие, термопластические покрытия и изоляцию 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 нагревателей, расположенных вдоль ствола. Затем расплавленный полимер нагнетают в фильеру, которая придает полимеру форму, которая затвердевает во время охлаждения.
История
Первые предшественники современного экструдера были разработаны в начале 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 резину . 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.
Процесс
При экструзии пластмасс сырьевая смесь обычно имеет форму гранул (маленьких шариков, часто называемых смолой), которые под действием силы тяжести загружаются 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 поступления в бункер. Этот процесс имеет много общего с литьем пластмасс под давлением с точки зрения технологии экструдера, хотя отличается тем, что обычно является непрерывным процессом. Хотя при пултрузии можно получить множество подобных 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 шнеком. 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 зоны нагрева с ПИД-регулированием постепенно повышают температуру ствола от задней части (куда входит пластик) к передней части. Это позволяет пластиковым шарикам постепенно плавиться по мере их проталкивания через цилиндр и снижает риск перегрева, который может вызвать деградацию полимера .
Дополнительный нагрев 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.
В передней части ствола расплавленный пластик покидает винт и проходит через сетчатый фильтр для удаления любых загрязнений из расплава. Экраны усилены отбойной пластиной (толстая металлическая шайба со множеством просверленных отверстий), поскольку давление в этой точке может превышать 5000 фунтов на квадратный дюйм (34 МПа ). Узел грохота / отбойной пластины также служит для создания противодавления в стволе. Противодавление требуется для равномерного плавления и правильного перемешивания полимера, а то, какое давление создается, можно «настроить», варьируя состав пакета сит (количество сит, размер их проволочного переплетения и другие параметры). Эта комбинация пластины прерывателя и пакета экрана также устраняет «память вращения» расплавленного пластика и вместо этого создает «продольную память».
После прохождения пластины прерывателя расплавленный пластик попадает в матрицу. Штамп - это то, что придает конечному продукту его профиль, и он должен быть спроектирован таким образом, чтобы расплавленный пластик равномерно перетекал от цилиндрического профиля к форме 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 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.
Пластиковые 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.
Винтовая конструкция
В термопластическом винте есть пять возможных зон. Поскольку терминология не стандартизирована в отрасли, эти зоны могут относиться к другим названиям. Различные типы полимеров имеют разную конструкцию шнеков, некоторые из которых не включают все возможные зоны.
У большинства шурупов есть три зоны:
- Зона подачи (также называемая зоной транспортировки твердых частиц): эта зона подает смолу в экструдер, и глубина канала обычно одинакова по всей зоне.
- Зона плавления (также называемая переходной зоной или зоной сжатия): большая часть полимера плавится в этой части, и глубина канала становится все меньше.
- Зона дозирования (также называемая зоной транспортировки расплава): в этой зоне плавятся последние частицы и смешиваются до однородной температуры и состава. Как и в зоне подачи, глубина канала постоянна по всей этой зоне.
Кроме того, вентилируемый (двухступенчатый) шнек имеет:
- Зона декомпрессии. В этой зоне, примерно на две трети ниже шнека, канал внезапно становится глубже, что снижает давление и позволяет всасывать любые захваченные газы (влага, воздух, растворители или реагенты) с помощью вакуума.
- Вторая зона учета. Эта зона аналогична первой зоне измерения, но с большей глубиной канала. Он служит для повышения давления в расплаве, чтобы он смог преодолеть сопротивление экранов и матрицы.
Часто длина винта относится к его диаметру как отношение 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 25: 1 является обычным явлением, но некоторые машины увеличивают его до 40: 1 для большего перемешивания и большей производительности при том же диаметре шнека. Двухступенчатые (вентилируемые) винты обычно имеют соотношение 36: 1 с учетом двух дополнительных зон.
Каждая зона оснащена 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.
Типичные экструзионные материалы
Типичные пластмассовые материалы, которые используются при экструзии, включают, помимо прочего: полиэтилен (PE), полипропилен , ацеталь , акрил , нейлон (полиамиды), полистирол , поливинилхлорид (PVC), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) и поликарбонат .
Типы штампов
Для экструзии пластмасс используются различные фильеры. Несмотря на то, что между типами фильер и их сложностью могут быть значительные различия, все фильеры позволяют осуществлять непрерывную экструзию расплава полимера, в отличие от прерывистой обработки, такой как литье под давлением .
Экструзия пленки с раздувом
Производство пластиковой пленки для таких продуктов, как пакеты для покупок и непрерывная пленка, осуществляется с использованием линии для производства пленки с раздувом .
Этот процесс аналогичен обычному процессу экструзии вплоть 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, ослабляющих пленку. Спиральные матрицы устраняют проблему линий шва и асимметричного потока, но на сегодняшний день являются наиболее сложными.
Перед выходом из фильеры расплав немного 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, чем экструдированная трубка, 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 по направлению вытяжки, создавая пленку, которая будет прочной в этом направлении, но слабой в поперечном направлении. . Пленка, диаметр которой значительно превышает диаметр 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 на так называемой линии замерзания . По мере того, как пленка продолжает охлаждаться, ее протягивают через несколько наборов прижимных роликов, чтобы сплющить ее в плоскую трубку, которую затем можно намотать или разрезать на два или более рулона пленки.
Экструзия листа / пленки
Экструзия листа / пленки используется для экструзии пластиковых листов или пленок , слишком толстых для выдувания. Используются два типа плашек: Т-образные и плечики. Назначение этих фильер - 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 ( каландровые или охлаждающие валки). При экструзии листов эти валки не только обеспечивают необходимое охлаждение, но также определяют толщину листа и текстуру поверхности. Часто совместная экструзия 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.
Распространенным 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.
Экструзия трубок
Экструдированные трубы , 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.
Многослойные трубки также широко используются в автомобильной, водопроводной и отопительной промышленности, а также в упаковочной промышленности.
Экструзия над оболочкой
Экструзия поверх оболочки позволяет наносить внешний слой пластика на существующий провод или кабель. Это типичный процесс изоляции проводов.
Существует два различных типа штампа, используемого для нанесения покрытия на проволоку, трубку (или оболочку) и давление. 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 достигнет кромки штампа; это делается под высоким давлением, чтобы обеспечить хорошее сцепление расплава. Если требуется плотный контакт или адгезия между новым слоем и существующей проволокой, используется инструмент для давления. Если адгезия нежелательна / необходима, вместо нее используется инструмент для изготовления кожухов.
Коэкструзия
Коэкструзия - это одновременная экструзия нескольких слоев материала. В этом типе экструзии используются два или более экструдера 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 формовка пленки, нанесение внешней оболочки, трубка, лист). Толщина слоя регулируется относительными скоростями и размерами отдельных экструдеров, доставляющих материалы.
Во многих реальных сценариях один полимер не может удовлетворить все требования приложения. Экструзия компаундов позволяет экструдировать смешанный материал, но при совместной экструзии отдельные материалы сохраняются в виде разных слоев в экструдированном продукте, что позволяет надлежащим образом размещать материалы с различными свойствами, такими как проницаемость для кислорода, прочность, жесткость и износостойкость.
Экструзионное покрытие
Для нанесения покрытия экструзией используется процесс экструзии с раздувом или литьем 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. Тетрапак - коммерческий пример этого процесса.
Составные экструзии
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.
Типы экструдеров
Есть 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, поскольку на валах расположены различные элементы транспортировки и перемешивания, что позволяет быстро реконфигурировать процесс при изменении процесса или замене 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]
Преимущества
Большим преимуществом экструзии является то, что профили, такие как трубы, можно изготавливать любой длины. Если материал достаточно гибкий, можно изготавливать трубы большой длины, даже наматывая их на катушку. Еще одно преимущество - экструзия труб со встроенной муфтой, включающей резиновое уплотнение.
Смотрите также
использованная литература
Библиография
- Тодд, Роберт Х .; Аллен, Делл К .; Алтинг, Лео (1994), Справочное руководство по производственным процессам , Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-3049-0.