Введение
Производственный процесс плавленого пластика Экструзия пластмасс - это процесс производства большого объема, в котором сырой пластик плавится и образуется в непрерывный профиль. Экструзия производит такие изделия, как трубы/трубы, обшивка, ограждение, перила на палубе, оконные рамы, пластиковые пленки и листы, термопластические покрытия и изоляция проволоки. Этот процесс начинается с подачи пластикового материала (пеллет, гранул, хлопьев или порошков) из трещины в ствол экструдера. Материал постепенно плавится механической энергией, вырабатываемой поворотом винтов и нагревателями, расположенными вдоль ствола. Затем расплавленный полимер вставляется в штамп, который придает полимеру форму, которая затвердевает при охлаждении.
Plastics extrusion is a high volume manufacturing process in which raw plastic is melted and formed into a continuous profile. Extrusion produces items such as pipe/tubing, weatherstripping, fencing, deck railings, window frames, plastic films and sheeting, thermoplastic coatings, and wire insulation. This process starts by feeding plastic material (pellets, granules, flakes or powders) from a hopper into the barrel of the extruder. The material is gradually melted by the mechanical energy generated by turning screws and by heaters arranged along the barrel. The molten polymer is then forced into a die, which shapes the polymer into a shape that hardens during cooling.
История
Первые предшественники современного экструдера были разработаны в начале 19 века. В 1820 году Томас Хэнкок изобрел резиновый "мастикатор", предназначенный для восстановления обработанных резиновых отходов, а в 1836 году Эдвин Чаффи разработал двухроликовую машину для смешивания добавок в резину. Первая термопластическая экструзия была сделана в 1935 году Полом Тройстером и его женой Эшли Гершофф в Гамбурге, Германия. Вскоре после этого Роберто Коломбо из LMP разработал первые в Италии двойные винтовые экструдеры.
Процесс
При экструзии пластмасс, сырье соединения обычно в виде нордулей (маленьких бусин, часто называемых смолой), которые под действием гравитации подаются из верхней установки в бочку экструдера. Часто используются добавки, такие как красители и ингибиторы УФ (в виде жидкости или гранул), которые могут быть смешаны с смолой до прибытия в трепетку. Этот процесс имеет много общего с пластиковой литьевой формованием с точки зрения технологии экструдера, хотя он отличается тем, что обычно это непрерывный процесс. В то время как пультрузия может предложить много подобных профилей в непрерывных длинах, обычно с добавлением армирования, это достигается путем вытягивания готового продукта из штампа вместо экструдирования расплавленного полимера через штамп. Материал проникает через горло (отверстие вблизи задней части ствола) и вступает в контакт с винтом. Ротационный винт (обычно вращающийся, например, со скоростью 120 оборотов в минуту) выталкивает пластиковые шарики вперед в нагретую ствол. Желаемая температура экструзии редко равна установленной температуре ствола из-за нагрева вязкой жидкости и других эффектов. В большинстве процессов на ствол устанавливается профиль нагрева, в котором три или более независимых PID-управляемых зон нагрева постепенно повышают температуру ствола с задней стороны (где входит пластик) вперед. Это позволяет пластиковым шарикам плавно плавиться, когда они проталкиваются через бочку, и снижает риск перегрева, который может вызвать деградацию полимера. Дополнительное тепло приводит к интенсивному давлению и трению внутри ствола. На самом деле, если экструзионная линия достаточно быстро перекачивает определенные материалы, нагреватели могут быть отключены, а температура плавления поддерживается только давлением и трением внутри бочки. В большинстве экструдеров есть охлаждающие вентиляторы, чтобы поддерживать температуру ниже установленного значения, если генерируется слишком много тепла. Если принудительное воздушное охлаждение оказывается недостаточным, используются литые охлаждающие жилеты. В передней части ствола плавленый пластик покидает винт и проходит через экранную упаковку, чтобы удалить любые загрязнители в расплаве. Экраны усиливаются с помощью прерывающей пластины (толстой металлической шайбы с множеством просверленных отверстий), поскольку давление в этой точке может превышать 5000 psi (34 МПа). Сборка пластин с экраном/разъемником также служит для создания противодавления в стволе. Для равномерного плавления и правильного смешивания полимера требуется обратное давление, а количество давления, создаваемого, может быть "настроено" путем изменения состава экрановой упаковки (количество экранов, размер их проволочной ткани и другие параметры). Эта комбинация прерывателя и экрана также устраняет "ротационную память" расплавленного пластика и создает вместо этого "продольную память". После прохождения через пластинку прерывателя расплавленный пластик попадает в матрицу. Стройка - это то, что придает конечному продукту его профиль, и должна быть спроектирована таким образом, чтобы расплавленный пластик равномерно течет от цилиндрического профиля к форме профиля продукта. Неравномерный поток на этой стадии может привести к образованию продукта с нежелательными остаточными напряжениями в определенных точках профиля, которые могут вызвать деформацию при охлаждении. Можно создать широкий спектр форм, ограничиваясь непрерывными профилями. Теперь продукт должен быть охлажден, и это обычно достигается путем протяжения экструдата через водяную ванну. Пластмассы очень хорошо теплоизолируют, поэтому их трудно быстро охладить. По сравнению с сталью, пластик отводит тепло в 2000 раз медленнее. В трубной или трубной экструзионной линии на герметичную водяную ванну воздействует тщательно контролируемый вакуум, чтобы предотвратить обвал только что сформированной и еще расплавленной трубы. Для таких изделий, как пластиковые листы, охлаждение достигается путем протяжения через набор охлаждающих роликов. Для пленок и очень тонких листов воздушное охлаждение может быть эффективным в качестве начальной стадии охлаждения, как при экструзии пленки. Пластиковые экструдеры также широко используются для переработки переработанных пластиковых отходов или других сырья после очистки, сортировки и/или смешивания. Этот материал обычно экструдируется в нити, ...
Типичные материалы для экструзии
Типичные пластиковые материалы, используемые при экструзии, включают, но не ограничиваются ими: полиэтилен (PE), полипропилен, полиацетал, акрил, нейлон (полиамиды), полистирол, поливинилхлорид (PVC), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) и поликарбонат.
Типы штампов
В экструзии пластмасс используется множество штампов. Хотя могут быть значительные различия между типами штампов и сложностью, все штампы позволяют непрерывно экструдировать полимерный плав, в отличие от непериодической обработки, такой как литье впрыска.
Экструзия надувной пленки
Производство пластиковой пленки для таких продуктов, как упаковка продуктов питания, пакеты для покупок и непрерывная пленка, осуществляется с использованием продувленной пленки. Этот процесс такой же, как и обычный процесс экструзии до штампа. В этом процессе используются три основных типа штампов: кольцевые (или крестообразные), паукообразные и спиральные. Кольцевые штампы являются самыми простыми и полагаются на полимерный расплав, проходящий вокруг всего поперечного сечения штампа, прежде чем выходить из штампа; это может привести к неравномерному потоку. Спиральные штампы состоят из центрального мандрила, прикрепленного к внешнему кольцу штампа с помощью ряда "ножек"; в то время как поток более симметричен, чем в кольцевых штампах, образуется ряд сварных линий, которые ослабляют пленку. Спиральные штампы устраняют проблему сварных линий и асимметричного потока, но являются, безусловно, наиболее сложными. Раствор немного охлаждается, прежде чем покинуть штамп, чтобы получить слабую полутвердую трубку. Диаметр этой трубки быстро расширяется при помощи давления воздуха, и трубка тянется вверх с помощью роликов, растягивая пластик как поперечно, так и в направлении тяги. Натяжение и дуновение приводят к тому, что пленка становится тоньше экструдированной трубки, а также предпочтительно выравнивает молекулярные цепи полимера в направлении, которое видит наибольшее пластическое напряжение. Если пленка натягивается больше, чем она вздувается (конечный диаметр трубки близок к экструдированному диаметру), молекулы полимера будут сильно выравниваться с направлением натяжения, создавая пленку, которая сильна в этом направлении, но слаба в поперечном направлении. Пленка, диаметр которой значительно больше, чем диаметр экструдированной пленки, будет иметь большую прочность в поперечном направлении, но меньшую в направлении тяги. В случае полиэтилена и других полукристаллических полимеров, по мере охлаждения пленки она кристаллизуется на так называемой линии заморозки. По мере того, как пленка продолжает остывать, ее протягивают через несколько комплектов роликов для сглаживания, чтобы сгладить ее в плоскую трубку, которую затем можно скручивать или разрезать на два или более рулона листа.
Экструзия листов/пленок
Экструзия листового/пленочного материала используется для экструзии пластиковых листов или пленок, которые слишком толсты для вздувания. Используются два типа штампов: Т-образные и висячие. Цель этих штампов - переориентировать и направлять поток полимерного пластика от одного круглого выхода из экструдера к тонкому, плоскому плоскому потоку. При обоих типах штампов обеспечивается постоянный, равномерный поток по всей площади поперечного сечения штампа. Охлаждение обычно осуществляется путем протяжения через набор охлаждающих рулонов (календарных или "охлаждающих" рулонов). При экструзии листового листа эти рулоны не только обеспечивают необходимое охлаждение, но и определяют толщину листа и текстуру поверхности. Часто коэкструзия используется для нанесения одного или нескольких слоев поверх базового материала для получения определенных свойств, таких как поглощение УФ-лучей, текстура, сопротивление проникновению кислорода или отражение энергии. Общим процессом после экструзии для пластиковых листов является термоформинг, когда лист нагревается до тех пор, пока не станет мягким (пластиком), и формируется через форму в новую форму. При использовании вакуума это часто описывается как вакуумное формирование. Ориентация (т.е. способность/доступная плотность листа, который может быть натянут на форму, которая может варьироваться в глубинах от 1 до 36 дюймов, как правило) очень важна и сильно влияет на время цикла формирования для большинства пластмасс.
Экструзия труб
Экструдированные трубы, такие как трубы из ПВХ, изготавливаются с использованием очень похожих штампов, используемых при экструзии надувной пленки. Положительное давление может быть применено к внутренним полостям через штифт, или отрицательное давление может быть применено к внешнему диаметру с помощью вакуумного измерителя, чтобы обеспечить правильные конечные размеры. Дополнительные просвечи или отверстия могут быть введены путем добавления соответствующих внутренних мандрил к штампу. Многослойные трубки применяются также в автомобильной промышленности, сантехнике и отопительной промышленности и упаковочной промышленности.
Экструзия с покрытием
Экструзия с покрытием позволяет наносить внешний слой пластика на существующий провод или кабель. Это типичный процесс изоляции проводов. Существует два различных типа инструмента, используемых для покрытия провода, трубки (или обшивки) и давления. При обшивании инструмента полимерный расплав не касается внутреннего провода до момента, когда он начинает обрабатываться. При обработке инструментов под давлением расплавленный металл соприкасается с внутренним проводом задолго до того, как он достигнет губ штампа; это делается при высоком давлении, чтобы обеспечить хорошую адгезию расплава. Если требуется тесный контакт или сцепление между новым слоем и существующим проводом, используются инструменты под давлением. Если адгезия нежелательна/необходима, вместо этого используется инструмент для обшивания.
Коэкструзия
Коэкструзия - это экструзия нескольких слоев материала одновременно. Этот тип экструзии использует два или более экструдеров для плавления и доставки постоянной объемной пропускной способности различных вязких пластмасс к одной экструдирующей головке (кроне), которая будет экструдировать материалы в желаемой форме. Эта технология используется для любого из описанных выше процессов (дубленная пленка, обшивка, трубки, листовые). Толщина слоя определяется относительной скоростью и размером отдельных экструдеров, доставляющих материалы. Во многих реальных сценариях один полимер не может удовлетворить всем требованиям приложения. Соединенная экструзия позволяет экструдировать смешанный материал, но коэкструзия сохраняет отдельные материалы в виде различных слоев в экструдированном продукте, позволяя соответствующе размещать материалы с различными свойствами, такими как проницаемость кислорода, прочность, жесткость и износостойкость.
Экструзионное покрытие
Экструзионное покрытие - это процесс, при котором на существующую бумагу, фольгу или пленку наносится дополнительный слой с использованием продувленной или литой пленки. Например, этот процесс может быть использован для улучшения характеристик бумаги путем нанесения на нее полиэтилена, чтобы сделать ее более устойчивой к воде. Экструдированный слой также может использоваться в качестве клея для слияния двух других материалов. Tetrapak является коммерческим примером этого процесса.
Соединенные экструзии
Композиционная экструзия - это процесс, при котором один или несколько полимеров смешиваются с добавками для получения пластических соединений. Кормом могут быть гранулы, порошок и/или жидкости, но продукт обычно представлен в форме гранул, которые используются в других процессах формования пластмасс, таких как экструзия и литье впрыска. Как и в случае с традиционной экструзией, существует широкий диапазон размеров машин в зависимости от применения и желаемой пропускной способности. В то время как в традиционной экструзии могут использоваться одновинтовые или двухвинтовые экструдеры, необходимость адекватного смешивания при комбинированной экструзии делает двухвинтовые экструдеры практически обязательными.
Типы экструдеров
Существует два подтипа двойных винтовых экструдеров: ко-ротационные и контр-ротационные. 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; в противоположном вращении один винт вращается по часовой стрелке, а другой вращается против часовой стрелки. Было показано, что для данной площади поперечного сечения и степени перекрытия (межсечения) осевая скорость и степень смешивания выше в совместно вращающихся экструдерах-близнецах. Однако, нагрев давления выше в экструдерах с обратным вращением. Конструкция винтов обычно модульная, в том смысле, что различные переносные и смешивающие элементы расположены на валах, чтобы обеспечить быструю перестройку для изменения процесса или замены отдельных компонентов из-за износа или коррозионного повреждения. Размеры машин варьируются от 12 мм до 380 мм [12 Polymer Mixing, James White, стр. 129 140]
Преимущества
Большим преимуществом экструзии является то, что профили, такие как трубы, могут быть изготовлены на любую длину. Если материал достаточно гибкий, трубы могут быть сделаны на длинных длинах, даже накручивая на катушке. Еще одним преимуществом является экструзия труб с интегрированным сцеплением, включая резиновое уплотнение.