4.2.2 Экструзия

Экструзия – процесс непрерывного продавливания материала в вязкотекучем состоянии через отверстия заданной формы.

Этим методом перерабатывается большинство термопластом. Таким образом получают листы, пленки, сетки, трубы, профили, провода. Изготовление осуществляется с помощью экструдеров. Для получения разных изделий экструдера могут оснащать различным оборудованием: разнообразными экструзионными головками, охлаждающими, тянущими, наматывающими и другими устройствами. Соответствующие комплекты оборудования представляют собой экструзионные агрегаты или линии.

Экструзия вязкотекучих материалов как способ изготовления давно известна. Изначально этот метотд применялся для изготовления изделий из цветных металлов (из свинца). Им получают пищевые продукты, например, макароны, строительные изделия, мыло. Для этих целей используются экструдеры поршневого типа. Определенное количество материала помещают в цилиндр машины и с виде того или иного профиля выдавливают. Длина получаемого материала зависит от количества материала в цилиндре.

Со второй половины 19 века стали разрабатывать экструзионное оборудование специально для пластмасс. Эти пресса были приспособлены для нанесения электроизоляции на провода. Первыми прессами были установки плунжерного типа.

В соответствии с конструкцией основного рабочего органа экструдеры могут быть:

1. Шнековые (червячные) - одно- и многошнековые;

2. Безшнековые:

   1. плунжерные (поршневые)

   2. дисковые

3. Комбинированные (дисково-червячные).

Одношнековые экструдеры могут создавать давление расплава перед головкой (формующей оснасткой) до 50 МПа (в интервале 10-50 МПа), двухшнековые -в интервале 10-35 МПа, дисковые не более 5 МПа (в интервале 0,5 - 5 МПа) и плунжерные более 100 МПа.

В соответствии с этим свойством и различные области применения экструдеров для получения различных видов изделий из разных материалов: для высоковязких расплавов и изделий с высокими требованиями к точности геометрических размеров применяются плунжерные машины; для изделий с невысокими требованиями к геометрической точности - дисковые; для всех остальных - шнековые (червячные).

Основным рабочим органом этого класса экструдеров является шнек или червяк, благодаря вращению которого осуществляется транспортировка и продавливание пластической массы в формующую головку (оснастку). Поэтому основой классификации служит принцип количества, конструкции, расположения и т. п. шнека (шнеков) в машине. Червячные экструдеры бывают следующих видов:

1. Одношнековые,

2. Двух- и более шнековые,

3. Одно-, двух- или многоцилиндровые (каждый шнек может бытьразмещен в общем или индивидуальном цилиндре),

4. Одно- и двухстадийные (пластикация и выдавливание расплаваосуществляются соответственно в одну или две стадии),

5. По расположению шнека- горизонтальные и верти¬кальные (в двухшнековых экструдерах один шнек может быть горизонтальным, другой - вертикальным),

6. Цилиндры и шнеки с зоной дегазации и без неё,

7. Экструдеры с модульной (сменной секцией цилиндров и шнеков)конструкцией.

Двухшнековые могут иметь цилиндрические или конические шнеки зацепляющиеся (совмещаемые) и без зацепления (не совмещаемые); с зонами дегазации и без них; модульной конструкции и т. д.Наиболее распространены экструдеры с одним шнеком.

Двухшнековые экструдеры с зацепляющимися шнеками применяются для переработки полимерных композиций, полимеров с плохой термостабильностью (ПВХ).Для них характерны свойства самоочищения после окончания экструзии иулучшенная дозирующая способность (отсутствие пульсаций) расплава.Двухшнековые экструдеры с незацепляющимися шнеками имеютпревосходную смесительную способность благодаря сложной конфигурациипотоков расплава полимера, большим сдвиговым напряжениям и т. д. Опасны для переработки нетермостабильных полимеров (термомеханическая деструкция).

Обогрев экструдеров осуществляется с помощью электронагревателей или теплоносителей, которые подаются в рубашку цилиндра. Охлаждение зон цилиндра, шнека может быть водяным, воздушным и комбинированным. Датчиками температуры служат термопары и термометры сопротивления. Привод шнека может быть электрическим (с помощью двигателей постоянного и переменного тока) или гидравлическим.

Шнековые экструдеры, как правило, работают в диапазонах изменения скорости и напряжения сдвига расплава полимера 100 - 500 с^"1 и 0,1 МПа и давлении расплава перед решеткой с сетками (максимальное) 10 - 20 (30) МПа.

Рис. 1. Одношнековый экструдер для переработки термопластов.

Рис.2. Вертикальный экструдер с питанием со стороны открытого конца червяка: а –общий вид; б, в – варианты загрузочной части экструдера; г – вариант зоны выдавливания.

Технологический процесс экструзии складывается из последовательной пластификации и перемещения материала вращающимся шнеком внутри материального цилиндра. Различают три зоны в экструдере – зону питания (I), зону пластификации (II) и зону дозирования расплава (III).

Можно сказать, что деление шнека на зоны I-III условно, оно осуществляется по технологическому признаку и указывает на то, какую задачу выполняет на данном участке шнек. Цилиндр так же имеет определенные зоны обогрева. Длина этих зон определяется расположением нагревателей на его поверхности и их температурой. Границы зон шнека I-III и зон обогрева 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.

Загрузка сырья. Полимерный материал для экструзии, подаваемый в бункер, может быть в виде гранул, порошка, лент. Последний вид характерен для переработки отходов промышленного производства пленок и осуществляется на специальных экструдерах, оснащенных принудительными питателями-дозаторами. Наиболее часто экструзией перерабатываются гранулированные пластики. Переработки полимера в виде гранул – оптимальный вариант питания экструдера. Гранулы полимера меньше склонны к зависанию и образованию пробок в бункере, чем порошок, а так же легче пластифицируются и гомогенизируются.

Загрузка межвитнового пространства под воронкой бункера происходит на отрезке длины шнека, равном 1 - 1.5D. При переработке многокомпонентных материалов для загрузки их в бункер применяются индивидуальные дозаторы – шнековые, вибрационные, весовые и другие. Сыпучесть материала сильно зависит от его влажности, поэтому гигроскопичные материалы необходимо сушить перед загрузкой в экструдер.

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 в этой части цилиндра производится охлаждение. Это осуществляется циркулирующей водой в специальных полостях.

В первой зоне поступающие из бункера гранулы заполняют межвитковое пространство шнека и уплотняются.

Во второй зоне происходит подплавливание полимера, примыкающего к стенкам цилиндра. В тонком слое полимера происходят интенсивные сдвиговые деформации, что приводит к интенсивному смешению.

Основной подъем давления расплава происходит на границе зон I и II. На этой границе образующаяся пробка скользит по цилиндру. Наличие этой пробки и создает основной вклад в повышение давления расплава. Запасенное на выходе их цилиндра давление расходуется на преодоление сопротивления сеток, течения расплава в каналах головки и формирования профиля.

В третьей зоне, зоне дозирования, расплавленная масса полимера продолжает гомогенизироваться, но все еще не является однофазной и состоит из расплава и твердых частиц в расплаве. К концу зоны пластик полностью проплавляется и становится гомогенным. После чего продавливается через чистящие сетки и формующую головку.