Екструдиране на термопластични полимери
Начало > Машини > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 5, 2011
Характеристики и приложна област на шнековите екструдери
Екструдирането е широко използван процес при обработването на термопластични полимери и за изработването на изделия с различни профили, на които дължината многократно превишава размерите на напречното сечение като тръби, плочи, фолиа. Използва се също за нанасянето на тънкослойни покрития върху хартия, картон, а така също и на изолация на кабели. Самият процес представлява екструдиране на пластична маса под високо налягане през формоваща глава, а използваните машини са познати като екструдери. Екструдираният материал обикновено е под формата на гранули, ленти, прах и други. Преди да бъде подаден към екструдера, той често бива смесван с различни добавки като оцветители и UV инхибитори.
Конструктивни особености на екструдерите
Конструкцията на екструдерите обикновено включва корпус, най-често под формата на цилиндър, оборудван с нагревателни елементи, които биват захранвани предимно с електрическа енергия. В корпуса се намира работно тяло, което може да бъде шнеково устройство, бутало или дисково устройство. В зависимост от вида на работното тяло екструдерите се подразделят на шнекови, като могат да бъдат с един, два или повече на брой шнекови устройства, дискови, бутални и други. Обработваният материал се подава от бункер, разположен в началото на екструдера. В края е разположена формоваща глава или матрица за оформяне на крайния продукт. Към елементите на екструдера се включват още задвижване, система за задаване и поддържане на температурния режим, както и други контролно-измервателни и регулиращи устройства.
В практиката буталните екструдери, поради ниската им производителност, са с ограничено приложение. По-широко приложение намират дисковите екструдери, основен елемент в конструкцията на които се явяват два плоски паралелни диска, единият от които е подвижен и се върти, а другият е неподвижен. В центъра на неподвижния диск има отвор, през който се екструдира разтопеният материал. Дисковите екструдери се характеризират с много висока степен на хомогенизиране и пластифициране на материала, по-добра от тази на шнековите екструдери. Шнековите екструдери, от своя страна, са най-широко разпространените и използвани в практиката. Единствената подвижна част в редица конструкции шнекови екструдери се явява шнековото устройство, предназначението на което е придвижване на изходния полимерен материал през корпуса на екструдера. По време на това придвижване материалът се компресира, загрява, пластифицира и хомогенизира, като основно изискване е да се осигури стабилност на процеса. Необходимо е шнекът да може да осигури висока производителност и добро хомогенизиране на материала. Тези фактори определят и трудностите при неговото конструиране.
В зависимост от честотата на въртене на шнека, екструдерите сe подразделят на нормални с периферна скорост до 0,5 m/min и бързоходни със скорост до 7 m/min, а в зависимост от конструктивното си изпълнение биват стационарни и с въртящ се корпус, с хоризонтално или вертикално разположение на шнека. Съществуват и екструдери с шнекове, извършващи не само въртеливо, но и възвратно-постъпателно движение.
Специфики на шнековите екструдери
Обикновено, при шнековите екструдери върху шнека се обособяват три работни зони, като в зависимост от конкретните изисквания и поставените цели е възможно обособяването и на допълнителни такива. Стандартните работни зони включват захранваща, компресираща и дозираща.
В първата зона - захранващата, полимерният материал от бункера се подава към шнека, с помощта на който бива придвижван по дължината на цилиндъра. По време на придвижването частиците полимерен материал са подложени на въздействие от силите на триене, възникващи между тях и повърхността на шнека, между самите частици и между тях и повърхността на цилиндъра. В резултат от механичното триене може да се получи до около 85% от необходимата за разтапянето на полимера топлина. Някои конструкции екструдери могат да продължат да пластифицират материала, дълго след като се прекрати подаването на топлина от външните източници.
Следващата зона е зоната на компресиране. Тук дълбочината на каналите на шнека намалява, което рефлектира съответно в по-силно притискане на разтопения материал. Целта е в тази зона, в резултат от механичното триене, допълнителното загряване на цилиндъра и компресирането да се завърши процесът по разтопяване на материала. Добре е да се има предвид, че с тази зона е свързано определянето на два основни конструктивни параметъра. Единият е свързан със степента на компресия, която се измерва, като дълбочината на канала в края на тази зона се раздели на дълбочината на канала в захранващата зона. Различните смеси или работни налягания изискват различна степен на компресия. Вторият параметър е свързан с дължината на зоната за сгъстяване, която също оказва влияние върху нивото на компресия. Тези два параметъра обикновено са различни за различните смеси.
Третата зона е т. нар. дозираща зона. Характерното за нея е постоянната дълбочина на каналите на шнека. Основното й предназначение е по-нататъшното смесване на разтопения материал, така че крайният резултат да е еднородна хомогенна смес с еднаква температура.
В някои производствени процеси се препоръчва предвиждането и на допълнителна зона за дегазиране или изпарение. Това е по-къса зона, която следва веднага след компресиращата. Тук дълбочината на канала изведнъж нараства и в резултат от пада на налягането, намиращи се в материала нежелани газове се отстраняват чрез вентилиране или чрез изхвърлянето им посредством вакуум помпа. След това, разтопеният полимерен материал отново се подлага на компресиране и дозиране.
Добре е да се има предвид, че при проектирането и изработването на шнековото устройство се препоръчва избор на висококачествени материали и прецизна обработка. Необходимо е да се осигури плътно прилягане на шнека към цилиндъра с цел предотвратяване на проблеми с пренасянето на потока полимерен материал, следствие от разминаване в конструкциите на шнековото устройство и цилиндъра. В същото време той не трябва да бъде твърде прилепен към цилиндъра, с което да създава опасност от контакт и, съответно, надраскване или други повреди.
За постигане на ефективното хомогенизиране на материала могат да се използват и допълнителни устройства към шнека.
Условия за висока производителност
Сам по себе си шнекът не може да гарантира получаване на висококачествена сплав. Влияние върху качеството оказват както неразривното съединение шнек-цилиндъра, така и сравнително сложната система на регулиране на температурата по няколко отделни зони за сметка на работата на нагревателите и охлаждащите устройства, конструкцията на зоната за подаване на твърдия гранулат, конструкцията на опорните лагери, възприемащи осовото натоварване на противоналягането при въртенето на шнека и конструкцията на съединенията на екструдера с формоващата глава, включваща филтриращата част. Конструкцията на разпределителните канали във формоващата глава също може да окаже влияние върху производителността на екструдера в определени случаи. Не на последно място следва да се отчетат и реологичните свойства на сплавта на преработвания полимерен материал. Това налага при подбора и определянето на геометрията на каналите на шнека за преработването на конкретен тип полимерен материал да се вземат под внимание всички конструктивни особености на екструдера като цяло.
Корпус
Корпусът на екструдера обикновено е под формата на цилиндър, изработен от стомана, който се проектира така, че да издържа на високи налягания. За ефективното и безпроблемно функциониране на екструдера е необходимо да се осигури плътно прилягане на шнека към цилиндъра. За предотвратяване на възможността от корозия, често вътрешността на цилиндъра е от легирана стомана. Независимо, че основна роля за топенето на материала играе триенето, за да се улесни топенето, обикновено цилиндърът също бива загряван. Температурата, до която се нагрява цилиндъра варира в диапазона от 200 °C до 275 °C, в зависимост от вида на екструдирания полимер. Загряването обикновено е посредством електрическа енергия. Посочваните причини електроенергията да е предпочитана, са възможността за обособяване на няколко температурни зони, както и температурните профили да бъдат съобразени с изискванията на материала. Друг възможен и използван източник на топлина е парата.
При голяма част от екструдерите с цел да се предотврати получаването на по-голямо от необходимото количество топлина, се използват охлаждащи вентилатори, с които температурата се поддържа на нива по-ниски от зададените. Възможно е и използването на водно охлаждане, ако охлаждането с въздушна струя се окаже недостатъчно.
Формоваща глава
Формоващата глава е елементът от екструдера, даващ специфичния профил на крайния продукт. Преди да постъпи във формоващата глава, разтопената пластмаса преминава през сито за отстраняване на замърсители и през перфорирана шайба за подпомагане на разделянето на полимера. Самата формоваща глава е проектирана така, че потокът разтопена пластмаса да се оформи от цилиндричен профил във формата на профила на продукта. Необходимо е формоващата глава да е без дефекти и драскотини, тъй като те могат да се отразят в крайния продукт.
Задвижващо оборудване
Както вече бе отбелязано, шнекът често е единствената подвижна част в екструдера, съответно е необходимо той да бъде задвижен. В същото време работата му в постоянен режим е от особено значение за качеството на крайния продукт. Тъй като голяма част от необходимата за разтапянето на полимера топлина се получава следствие от механичното триене, задвижващото оборудване следва да гарантира достатъчна мощност за преодоляване на силите на триене. От особено значение е и добрият контрол на скоростта.
За много подходящи се считат постояннотоковите задвижвания и електродвигатели. Това се дължи на няколко техни предимства като например широк диапазон на постоянен въртящ момент, по-елементарно устройство в сравнение с променливотоковите или сервозадвижванията, по-малки размери при по-голяма мощност и т. н.
Предимства на променливотоковите задвижвания и двигатели се явяват необходимостта от минимална поддръжка, възможността за работа при тежки условия и други.
Екструдиране на тръби, плочи, фолиа и раздувни изделия
Екструдирането е широко използвано при производството на безшевни пластмасови тръби от поливинилхлорид, полиетилен, полипропилен. Образуването на вътрешния диаметър на тръбата обикновено е посредством екструдираща дюза с помощта на дорник, а външният диаметър се получава посредством калибратор. При производството на пластмасови плочи, екструдерът е снабден с плоска дюза, която подава непрекъснато пластифициран материал към един каландър. Необходимата дебелина и гладкост на плочата се получава с помощта на валяци. Процесът е непрекъснат, а плочите се нарязват автоматично. Обикновено плочите са с дебелина до 5 mm, а използваните материали поливинилхлорид, полиетилен, както и други термопластични материали. Екструдирането е основен метод и за производство на пластмасови фолиа. Използват се няколко метода. Най-широко приложение намира екструзията през кръгла дюза и следващо раздуване с въздух до получаване на необходима дебелина. Получава се фолио с почти еднакво ориентирана структура надлъжно и напречно на сечението и практически еднакви свойства и в двете направления, но с влошени оптични свойства. Друг използван метод е екструзия през плоска дюза и следващо валиране с охладени полирани валяци. Ориентацията на структурата на полученото фолио е основно в едно направление, но се получава разлика в механичните свойства в надлъжно и напречно направление. Фолиото е с добри оптични свойства. Използван метод е и екструдирането през тесен процеп, последвано от бързо охлаждане на фолиото във вана със студена вода.
Най-широко използваният материал за екструдиране на фолиа се явява полиетиленът.
Екструдирането се използва и за изработване на кухи пластмасови изделия като бутилки, туби и други. Процесът обикновено включва два етапа: изработване на тръбна заготовка и оформяне на изделието в прес-форма. Използваните материали са полиетилен, полипропилен и други.
Вижте още от Машини
Ключови думи: Екструдиране, термопластични полимери, шнековите екструдери, Екструдиране на тръби, раздувни изделия
Новият брой 5/2024
