Список тематических статей

Экструзия полимеров

Экструзия представляет собой непрерывный технологический процесс, в результате которого готовые изделия получаются посредством продавливания расплавленного материала сквозь формующий инструмент (фильеру, экструзионную головку, отверстие). Материал, который используется в процессе экструзии, характеризуется высоким уровнем вязкости, а изделия получаются с поперечным сечением нужной формы.

Экструзию, другими словами, можно опередить как комплексный физико-химический процесс, протекающий под воздействием механических усилий, высокой температуры и влаги. Перерабатываемое сырье нагревается за счет тепла, которое выделяется в процессе преодоления внутреннего трения и деформации материала, а также благодаря внешнему нагреву. Переменными параметрами процесса экструзии является состав и влажность перерабатываемого материала, а также давление, температура, интенсивность и продолжительность воздействия на сырье. К основным методам экструзии можно отнести холодное формование, тепловую обработку и метод «горячей экструзии» (формовки).

Метод экструзии, также как и литье пластмасс под давлением, относится к одному из самых популярных методов производства пластмассовых изделий. Экструзионной обработке могут подвергаться почти все основные виды полимеров: термопласты, эластомеры, реактопласты.

В области переработки полимерных материалов экструзия используется для производства труб, пленки, оболочек для кабелей, элементов оптических систем, резиновых смесей, пластмасс, ферритовых изделий и тому подобное. Помимо этого, данная технология широко используется для производства тепловых изоляционных материалов. Материал пенополистирол, полученный методом экструзии, применяется для изоляции железных дорог, фундаментов, бетона. Использование данного типа изоляции снижает возможность изменения поверхности грунта в результате промерзания.

Формование изделий осуществляется на экструзионных линиях, самом распространенном типе оборудования по переработке пластмасс. Линия, как правило, включает в себя несколько экструдеров, специальные экструзионные инструменты и ряд дополнительных устройств.

К основным типам оборудования для переработки полимерных материалов посредством метода экструзии можно отнести одношнековые, двухшнековые, поршневые и дисковые экструдеры. Существует также выдувной тип экструдера, который работает в составе одноименных установок.

Поведение полимерного материала при экструзии

Схематично принцип действия экструдера можно описать следующим образом. Перерабатываемый полимер подается в зону приема сырья, а конкретно поступает в пазухи между витками шнека. По мере поступления новой порции материала, он уплотняется. Далее, шнек вращается и перемещает материал в зону пластификации, где материал подплавляется и пластифицируется, что способствует смешиванию. Спрессованный материал, образовав пробку, скользит по шнеку. В результате образования пробки уровень давления растет. Давление расходуется на преодоление сопротивления сеток и формование профиля. В зоне выпрессовывания продукта сырье полностью гомогенизируется и продавливается через формующую головку.

В качестве примера поведения полимера, рассмотрим гранулированное сырье в процессе экструзии на одношнековом агрегате. Данный технологический процесс, включает в себя последовательную пластификацию и перемещение материала шнеком за счет вращения внутри материального цилиндра. Материальный цилиндр имеет три зоны:

Зона питания.

Гранулы или порошок перерабатываемого полимера поступают в пространство между витками шнека и уплотняются;

Зона пластификации и плавления.

Здесь перерабатываемое сырье подплавляется в местах примыкания к поверхности цилиндра, как результат пластифицируется, что обеспечивает смесительный эффект. Повышение уровня давления, в основном, происходит в пограничном пространстве между зоной питания и зоной пластификации и плавления. Здесь спрессованный материал образует пробку и скользит по шнеку (в зоне питания материал твердый, в зоне пластификации – плавящийся). Данная пробка и является причиной повышения уровня давления, которое расходуется на преодоление сопротивления сеток и формование профиля.

Дозирования расплава.

Расплавленный полимер гомогенизируется, но еще состоит из твердых и расплавленных частиц. К концу зоны сырье становится полностью гомогенной массой и продавливается сквозь формующую головку.
Деление на зоны материального цилиндра условно и указывает на определенную функцию данного участка шнека. Цилиндр также оснащен зонами обогрева, границы которых могут не совпадать с границами зон шнека. При перемещении материала большое значение имеют условия продвижения твердого сырья из бункера загрузки и заполнение пространства между витками, которое находится под воронкой бункера.

Полимерное сырье, подвергаемое процессу экструзии, может быть представлено порошком, гранулами или лентами. Использование лент характерно для области переработки промышленных отходов и осуществляется на экструдерах, оснащенных дозаторами. Хороший уровень качества сырья обеспечивается равномерным дозированием. Чаще всего методом экструзии перерабатывается гранулированный материал, именно данный вид сырья является оптимальным вариантом для питания агрегата. Гранулы не зависают и не образуют пробки в бункере, кроме того легче гомогенизируются и пластифицируются.

В процессе переработки многокомпонентных материалов используются специальные дозаторы для загрузки в бункер:

Шнековые (объемные);

Вибрационные;

Весовые.

Такая характеристика как сыпучесть материала сильно зависит от влажности (чем выше уровень влажности, тем хуже сыпучесть). По этой причине, рекомендуется сушить гигроскопичные материалы перед загрузкой в экструдер.
Существенно повысить производительность машины позволяет использование механизмов для принудительной подачи сырья в материальный цилиндр из бункера. В процессе уплотнения сырья, в пространстве между витками шнека, воздух вытесняется и выходит обратно через бункер. Если воздух выйдет не полностью, в готовом продукте возникнут нежелательные полости.

Если цилиндр работает длительное время, возможен перегрев бункера и цилиндра под воронкой бункера. Если это происходит, гранулы слипаются и перестают подаваться в шнек. Для снижения температуры цилиндра в нем делают полости для охлаждающей воды. Как правило, единственной охлаждаемой зоной экструдеров, является зона загрузки.

Основные параметры процесса экструзии

К основным параметрам метода экструзии принято относить: температуру по зонам агрегата, уровень давления расплава, температура зон головки, а также режимы охлаждения экструдированного профиля.

Виды экструзии

Существуют три основных метода экструзии: холодная, теплая и горячая.

Метод холодной экструзии предполагает использование исключительно механических изменений в перерабатываемом материале при его медленном передвижении под воздействием давления и формованием изделия посредством головки.

Метод теплой экструзии предполагает смешения сухого сырья и воды, после чего данная смесь подается в экструдер. В экструдере смесь повергается механическому и тепловому воздействию. Готовый продукт характеризуется невысоким

уровнем плотности, увеличенным объемом, пластичностью и ячеистому строению. В некоторых случаях готовые изделия сушат.
Метод горячей экструзии предполагает протекание процессов на высокой скорости и при температуре около 20°C. Структура материала подвергается различным изменениям. Тепло поступает к продукту посредством нагревательных элементов, а также через наружные стенки экструдера. Уровень влажности сырья колеблется в диапазоне 10-20%. В последнее время метод горячей экструзии получил широкое распространение.

Применение экструзионной технологии в химической промышленности

В химической промышленности метод экструзии используется для нагрева, пластификации, гомогенизации и придания нужной формы исходному материалу. Химический состав полученного изделия не отличается от химического состава исходного сырья. Благодаря этому обстоятельству достигается стабильное качество сырья при минимальных настройках экструдера. При помощи метода экструзии в химическом производстве изготавливаются различные виды погонажных изделий (трубы, листы, пленки, оболочки кабелей, элементы оптических систем и тому подобное).

Гладкова Наталья