«Эксимпак-Оборудование» — российский поставщик оборудования для упаковочной и перерабатывающей индустрии с 1997 года
Главная / Статьи / Экструзия. Общее представление об экструзии

Экструзия. Общее представление об экструзии

Рейтинг: 4.5/5 из 30

Экструзия - метод формования в экструдере изделий или полуфабрикатов неограниченной длины продавливанием расплава полимера через формующую головку с каналами необходимого профиля.

Термопластичный полимер в процессе экструзии, не претерпевая химических превращений, последовательно переходит сначала из твердого состояния (в виде гранул или порошка) в расплав, а затем вновь в твердое состояние - после выхода из формующей оснастки.
Структуру твердого полимера составляют длинные молекулы (макромолекулы), свернутые в клубок или переплетенные между собой, формирующие высокоупорядоченные кристаллические или неупорядоченные аморфные образования. Отдельные фрагменты полимерных цепей находятся в непрерывном движении под действием тепловой энергии.

При нагреве, с возрастанием температуры, увеличивается подвижность молекул, разрушаются кристаллические образования, молекулы принимают клубкообразную или спиральную форму и начинают смещаться относительно друг друга. Полимер из твердого состояния переходит в расплав. У полимеров кристаллической структуры этот переход отвечает узкому интервалу температур, а у аморфных - широкому. В интервале между температурами плавления и разложения полимер находится в вязкотекучем состоянии. Именно в состоянии расплава материал экструдируется. Реальный интервал температур переработки несколько уже, чем интервал между температурой плавления и разложения, так как, с одной стороны, необходимо иметь достаточно подвижный расплав, а с другой стороны, необходимо избежать разложения полимера при экструзии.

Переработка полимерного материала экструзией осуществляется на специальных машинах - экструдерах.

Схема агрегата для производства рукавной пленки представлена на рисунке ниже:

Схема агрегата для получения рукавной пленки

Основными элементами экструдера являются обогреваемый цилиндр, шнек (с охлаждением или без него), сетки, размещаемые на решетке, и формующая головка.
Технологический процесс экструзии складывается из последовательного перемещения материала вращающимся шнеком в его зонах: питания (I), пластикации (II), дозирования расплава (III), а затем продвижения расплава в каналах формующей головки.

Схема одношнекового экструдера

Схема одношнекового экструдера

Основные типы шнеков

Основные типы шнеков

Деление шнека на зоны I-III осуществляется по технологическому признаку и указывает на то, какую операцию в основном выполняет данный участок шнека. Разделение шнека на зоны условно, поскольку в зависимости от природы перерабатываемого полимера, температурно-скоростного режима процесса и других факторов, начало и окончание определенных операций могут смещаться вдоль шнека, захватывая различные зоны или переходя из одного участка в другой.

Цилиндр также имеет определенные длины зон обогрева. Длина этих зон определяется расположением нагревателей на его поверхности и их температурой. Границы зон шнека I-III и зон обогрева цилиндра могут не совпадать. Для обеспечения успешного перемещения материала большое значение имеют условия продвижения твердого материала из загрузочного бункера и заполнение межвиткового пространства, находящегося под воронкой бункера.

Питание шнека зависит от формы частиц сырья и их плотности. Гранулы, полученные резкой заготовки на горячей решетке гранулятора, не имеют острых углов и ребер, что способствует их лучшей сыпучести. Гранулы, полученные холодной рубкой прутка-заготовки, имеют острые углы, плоское сечение среза, что способствует их сцеплению и, как следствие, худшей сыпучести. При длительной работе экструдера возможен перегрев цилиндра под воронкой бункера и самого бункера. В этом случае гранулы начнут слипаться и прекратится их подача на шнек. Для предотвращения перегрева этой части цилиндра в нем могут быть сделаны полости для циркуляции охлаждающей воды.

Зона питания I

Поступающие из бункера гранулы заполняют межвитковое пространство шнека зоны I и уплотняются. Продвижение гранул осуществляется вследствие разности значений силы трения полимера о внутреннюю поверхность корпуса цилиндра и о поверхность шнека. Поскольку поверхность контакта полимера с поверхностью шнека больше, чем с поверхностью цилиндра, необходимо уменьшить коэффициент трения полимера о шнек, так как в противном случае материал перестанет двигаться вдоль оси шнека, а начнет вращаться вместе с ним. В ряде случаев это достигается повышением температуры стенки цилиндра (нагревом) и понижением температуры шнека (охлаждением водой в зоне I).

В зоне I вследствие большого внешнего и внутреннего трения выделяется тепло, которое также расходуется на нагрев материала. В эту же зону подается тепло от нагревателей, расположенных по периметру цилиндра.

Если температура цилиндра такова, что начинается преждевременное плавление полимера у его стенки, то материал будет проскальзывать по этой поверхности, т.е. вращаться вместе со шнеком. Поступательное движение материала прекращается. При оптимальной температуре полимер спрессован, уплотнен и образует в межвитковом пространстве твердую пробку. Лучше всего, если такая скользящая пробка образуется и сохраняется на границе зон I и II. Свойства пробки во многом определяют производительность машины, стабильность транспортировки полимера, величину максимального давления и т.д.

Зона пластикации и плавления II

В начале зоны II происходит подплавление полимера, примыкающего к поверхности цилиндра. Расплав постепенно накапливается и воздействует на убывающую по ширине пробку. Поскольку глубина нарезки шнека уменьшается по мере продвижения материала от зоны I к зоне III, то возникающее давление заставляет пробку плотно прижиматься к горячей стенке цилиндра, где и происходит плавление полимера.

Схема плавления пробки материала в зоне II в межвитковом сечении шнека

Схема плавления пробки материала в зоне в межвитковом сечении шнека

Схема плавления пробки материала в зоне II в межвитковом сечении шнека

В зоне пластикации пробка плавится также и под действием тепла, выделяющегося вследствие внутреннего, вязкого трения в материале в тонком слое расплава, где происходят интенсивные сдвиговые деформации, - материал пластицируется, интенсивно гомогенизируется.

Конец зоны II характеризуется распадом пробки на отдельные фрагменты. Далее расплав полимера с остатками твердых частиц попадает в зону дозирования.

Зона дозирования III

Продвижение гетерогенного материала (расплав, частички твердого полимера) продолжает сопровождаться выделением внутреннего тепла, которое является результатом интенсивных сдвиговых деформаций в полимере. Расплавленная масса продолжает гомогенизироваться, что проявляется в окончательном плавлении остатков твердого полимера, усреднении вязкости и температуры расплавленной части. В межвитковом пространстве расплав имеет ряд потоков, основными из которых являются продольный и циркуляционный.

Величина продольного (вдоль оси шнека) потока определяет производительность экструдера, а циркуляционного - качество гомогенности полимера или смешения компонентов. В свою очередь продольный поток складывается из трех потоков расплава: прямого, обратного (обусловлен наличием сеток, оснастки, трения о поверхность цилиндра и шнека) и потока утечек (часть материала перетекает в направлении противотока в зазор между гребнем шнека и поверхностью цилиндра).

Течение расплава через сетки и формующую оснастку

Расплав вращающимся шнеком продавливается через фильеру, к которой прижаты металлические сетки. Сетки фильтруют, гомогенизируют и создают сопротивление движению расплава, на них теряется часть давления. Проходя через систему фильтрующих сеток, порции полимерного расплава с большей вязкостью задерживаются на сетках. Этого времени должно хватить для того, чтобы порция расплава достигла нужной температуры. Сверхвысокомолекулярные фракции полимера и различные примеси задерживаются сетками и через некоторое время они вместе с сеткой удаляются из цилиндра экструдера. Перепад давления на фильтрующих сетках служит показателем засорения, т. е. увеличения сопротивления сеток, и, следовательно, служит сигналом к их замене.

После прохождения сеток гомогенизированный расплав под остаточным давлением (5,0/35 МПа) продавливается в формующую оснастку и, приобретая определенный профиль, выходит практически под очень небольшим избыточным давлением из кольцевого зазора головки. Сменный инструмент (формующая оснастка) устанавливается на выходе из отверстия цилиндра. Материал продавливается через каналы экструзионной головки под действием давления, развивающегося в пространстве винтового канала шнека.
Основные конструктивные элементы головок рассмотрим на примерах головок для производства рукавной пленки.

Любая головка имеет формующий канал, в данном примере кольцевой. Наружная поверхность рукава оформляется деталью, называемой мундштуком 3 (реже используют термины матрица, фильера). Внутренняя поверхность рукава оформляется дорном 1. Мундштук и дорн являются сменными инструментами головки.

Монтажная схема экструзионной головки

Монтажная схема экструзионной головки

Экструзионная головка для экструзии ПЭНД

Экструзионная головка для экструзии ПЭНД

  1. дорн,
  2. рассекатель,
  3. мундштук,
  4. регулировочное кольцо,
  5. регулировочный болт.

Экструзионная головка для экструзии ПЭВД

Экструзионная головка для экструзии ПЭВД

 

  1. дорн,
  2. рассекатель,
  3. мундштук,
  4. регулировочное кольцо,
  5. регулировочный болт.

Расплав из экструдера через фильтр (набор сеток на фильере) подается в центральный канал головки 1, соединенный с несколькими расходящимися от него в радиальных направлениях цилиндрическими каналами 2. Из каждого радиального канала расплав попадает в кольцевую щель 4, по периметру которой распределяется коллекторным каналом 6, выполненным в теле дорна 3 по винтовой линии. Длина коллекторов такова, что распределенные по периметру щели осевые потоки от каждого из коллекторов взаимно перекрываются. Совмещаясь (суммируясь) на начальном участке щели 4а, в конце его (т. е. собственно в щели 4) они образуют единый монолитный кольцевой поток.

Как видно, поверхность стыка отдельных потоков ориентирована не радиально, а тангенциально, т.е. не пронизывает насквозь всю толщину стенки выходящего из головки рукава, что является важным преимуществом данной конструкции.

Схема головки с винтовыми коллекторами

Схема головки с винтовыми коллекторами

Второе преимущество головки - развитая опора дорна 3 на корпусе 5 по большой поверхности с большим диаметром D. Это обеспечивает большую жесткость крепления дорна и, следовательно, соблюдение равенства высоты формующего канала по всему его периметру с большой точностью.

Наконец, третье преимущество - отсутствие развитого конического подводящего канала. Следовательно, в сотни раз меньше распределенное осевое усилие, действующее на дорн, и практически отсутствуют изгибающие моменты на нем из-за возможной неоднородности распределения этого усилия.

На рисунках представлены экструзионные головки, для производства пленок из ПЭНД и ПЭВД. Очевидно, что основное отличие этих конструкций заключается в том, что при экструзии ПЭНД дорн сужается в направлении выхода рукава из формующего канала, а в случае ПЭВД дорн, соответственно, расширяется.

Регулировка зазора формующего канала обеспечивается шестью и более в зависимости от диаметра головки болтами 5.

Источник: Линия по производству рукавной пленки: инструкция пользователя. Лебедев П.Г., Лебедева Т.М., Митина Л.Н.,

 

 
Консультация технолога