Пластиковая экструзия - Plastic extrusion

Поперечное сечение экструдера для пластика с изображением шнека

Экструзия пластмасс это крупносерийный производственный процесс, в котором сырье пластик плавится и формируется непрерывный профиль. Экструзия производит такие изделия, как трубы / трубки, уплотнитель, ограждение, перила палубы, оконные рамы, пластиковые пленки и защитное покрытие, термопласт покрытия и изоляция 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 нагревателями, расположенными вдоль ствола. Затем расплавленный полимер нагнетают в фильеру, которая придает полимеру форму, которая затвердевает во время охлаждения.[1]

История

Экструзия труб

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 резинка.[2] Первая экструзия термопласта была произведена в 1935 году Полем Тростером и его женой Эшли Гершофф в Гамбург, Германия. Вскоре после этого Роберто Коломбо из LMP разработал первые двухшнековые экструдеры в Италии.[3]


Процесс

При экструзии пластмасс сырьевой материал обычно имеет форму гранул (маленьких шариков, часто называемых смолой), которые подаются под действием силы тяжести из установленного сверху бункер 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 того, как она попадет в бункер. Этот процесс имеет много общего с литье пластмасс под давлением с точки зрения технологии экструдера, хотя отличается тем, что обычно представляет собой непрерывный процесс. Пока пултрузия может предложить множество аналогичных 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 установленной температуре цилиндра из-за вязкого нагрева и других эффектов. В большинстве процессов для ствола устанавливается профиль нагрева, в котором три или более независимых PID -управляемые зоны подогрева постепенно повышают температуру ствола от задней части (куда входит пластик) к передней. Это позволяет пластиковым шарикам постепенно плавиться, когда они проталкиваются через цилиндр, и снижает риск перегрева, который может вызвать разрушение 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.

Пластиковый экструдер разрезан пополам, чтобы показать компоненты

В передней части ствола расплавленный пластик покидает винт и проходит через сетку для удаления любых загрязнений в расплаве. Экраны усилены отбойной пластиной (толстая металлическая шайба со множеством просверленных отверстий), поскольку давление в этой точке может превышать 5000. psi (34 МПа ). Узел грохота / отбойной пластины также служит для создания обратное давление в бочке. Противодавление требуется для равномерного плавления и надлежащего 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 блока сита также устраняет «память вращения» расплавленного пластика и вместо этого создает «продольную память».

После прохождения через пластину 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 из цилиндрического профиля в форму 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. В сравнении с стали пластик отводит тепло в 2 000 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 вторичного сырья. пластиковые отходы или другое сырье 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 будут иметь разную конструкцию шнеков, некоторые из которых не включают все возможные зоны.

Простой пластиковый экструзионный шнек
Шнековые экструдеры от Boston Matthews

Большинство винтов имеют эти 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 расплавляется в этой секции, 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 удалить любые захваченные газы (влагу, воздух, растворители или реагенты) с помощью вакуума.
  • Вторая зона учета. Эта зона аналогична первой зоне измерения, но с большей глубиной канала. Он служит для повторного повышения давления в расплаве, чтобы он выдержал сопротивление экранов и матрицы.

Часто длина винта соотносится с его диаметром 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 составляет 25: 1, но некоторые машины увеличивают его до 40: 1 для большего смешивания и большей производительности при том же диаметре шнека. Двухступенчатые (вентилируемые) винты обычно имеют соотношение 36: 1 с учетом двух дополнительных зон.

Каждая зона оборудована одним или несколькими термопары или же RTD в стенке бочки для контроля температуры. «Температурный профиль», то есть температура каждой зоны, очень важен для качества и характеристик конечного экструдата.

Типичные экструзионные материалы

Труба ПНД при экструзии. Материал HDPE поступает из нагревателя в матрицу, а затем в охлаждающую емкость. Эта труба Acu-Power изготовлена ​​методом совместной экструзии - черная внутри с тонкой оранжевой оболочкой для обозначения силовых кабелей.

Типичные пластиковые материалы, которые используются при экструзии, включают, но не ограничиваются: полиэтилен (PE), полипропилен, ацеталь, акрил, нейлон (полиамиды), полистирол, поливинил хлорид (ПВХ), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) и поликарбонат.[4]

Типы штампов

Основная статья: Штамповка (пластмассы)

При экструзии пластмасс используются различные фильеры. Хотя между типами и сложностью фильер 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

Выдувная экструзия пластиковой пленки

Изготовление пластиковая пленка для таких продуктов, как сумки для покупок и непрерывное листовое покрытие достигается с помощью выдувная пленка линия.[5]

Этот процесс аналогичен обычному процессу экструзии вплоть до штампа. В этом процессе используются три основных типа штампов: 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, которые ослабляют пленку. Спиральные матрицы устраняют проблему линий шва и асимметричного потока, но на сегодняшний день являются наиболее сложными.[6]

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, наиболее видимом. пластическая деформация. Если пленку вытягивают больше, чем выдувают (конечный диаметр трубы близок к диаметру экструдированной), молекулы полимера будут сильно выровнены с направлением вытяжки, создавая пленку, которая будет прочной в этом направлении, но слабой в поперечном направлении. . Пленка, диаметр которой значительно больше диаметра 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 с так называемой линия мороза. По мере того, как пленка продолжает охлаждаться, ее протягивают через несколько комплектов 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 фильмы которые слишком толстые, чтобы их можно было раздуть. Используются два типа плашек: Т-образные и плечики. Назначение этих матриц - 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 (календарь или "холодные" роллы). При экструзии листов эти валки не только обеспечивают необходимое охлаждение, но также определяют толщину листа и текстуру поверхности.[7] Часто коэкструзия 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.

Обычный процесс постэкструзии пластиковых листов: термоформование, где лист нагревают до мягкости (пластика) и придают ему новую форму. Когда используется вакуум, это часто описывается как вакуумное формование. 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

Экструдированный трубка, такие как трубы из ПВХ, производятся с использованием штампов, очень похожих на экструзию 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.

Медицинская экструзионная линия Boston Matthews

Многослойные трубки также широко используются в автомобильной, водопроводной, отопительной и упаковочной промышленности.

Экструзия поверх оболочки

Экструзия поверх оболочки позволяет нанести 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 достигает кромки матрицы; это делается под высоким давлением, чтобы обеспечить хорошее сцепление расплава. Если требуется тесный 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 экструдеров 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 экструзия, оболочка, трубки, лист). Толщина слоя регулируется относительными скоростями и размерами отдельных экструдеров, доставляющих материалы.

5: 5-слойная коэкструзия косметической "отжимной" тубы

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 различных слоев в экструдированном продукте, что позволяет надлежащим образом размещать материалы с различными свойствами, такими как проницаемость для кислорода, прочность, жесткость и износостойкость.

Экструзионное покрытие

Экструзионное покрытие использует процесс раздувания или литья пленки для нанесения дополнительного слоя на существующий рулон 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. Тетра Пак 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. Хотя в традиционной экструзии можно использовать одно- или двухшнековые экструдеры, необходимость адекватного перемешивания при экструзии с компаундированием делает двухшнековые экструдеры почти обязательными.[8][9]

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.[10] Конструкция шнека обычно имеет модульную конструкцию, в которой на валах расположены различные транспортирующие и смесительные элементы, позволяющие быстро реконфигурировать процесс для изменения процесса или замены 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 с резиновым уплотнением.[11]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ TEPPFA, Европейская ассоциация пластиковых труб и фитингов. "Производственные процессы".
  2. ^ Тадмор и Гогос (2006). «Принципы переработки полимеров». Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-38770-1
  3. ^ Раувендал, Крис (2001), Полимерная экструзия, 4-е изд., Хансер, ISBN  3-446-21774-6.
  4. ^ Тодд, Аллен и Элтинг, 1994 г. С. 223–227.
  5. ^ "КАК РЕШИТЬ ПРОБЛЕМЫ ПРОДУВКИ ПЛЕНКИ" (PDF). Lyondell Chemical Company. Получено 31 августа 2012.
  6. ^ Джон Фоглер (1984). Мелкомасштабная переработка пластмасс. Публикация промежуточных технологий. С. 6–7.
  7. ^ Процесс, методы и особенности технологии экструзии пластмасс, заархивировано из оригинал на 2013-02-02, получено 2012-08-01
  8. ^ Розато, Марлен Г. (2000), Краткая энциклопедия пластики, Springer, стр. 245, ISBN  978-0-7923-8496-0.
  9. ^ Джайлз, Гарольд Ф .; Вагнер, Джон Р .; Маунт, Элдридж М. (2005), Экструзия: подробное руководство и справочник по обработке, Уильям Эндрю, стр. 151, ISBN  978-0-8155-1473-2.
  10. ^ Шах, А. и Гупта, М. (2004). «Сравнение потока в двухшнековых экструдерах, вращающихся в одном направлении и в противоположных направлениях». ANTEC, www.plasticflow.com.
  11. ^ TEPPFA, Европейская ассоциация пластиковых труб и фитингов. "Производственные процессы".

Библиография