Что такое экструдер, как он устроен и где применяется

Незаменимым оборудованием при изготовлении изделий из пластмассы является экструдер.

Внутри этого аппарата происходит расплав полимерной основы, которая, приобретя нужную консистенцию, проходит через сопла (фильеры), формирующие изделия заданной формы. Таким образом, изготавливаются и профили, и самые разнообразные детали.

Области применения экструдеров

Технологии переработки материалов методом экструзии активно используются в самых разных сферах:

1. Сельское хозяйство (изготовление комбикормов для животных, парниковых пленок).
2. Пищевая промышленность (кондитерские изделия, макаронные, детское питание, жевательные резинки, кукурузные хлопья).
3. Изготовление упаковочных материалов, многослойных пакетов, термоусадочных пленок.
4. Канцтовары, полиграфия, ламинирование, принтерная печать, изготовление гидрогелей для 3D-печати.
5. Строительные материалы (экструзия пеноблоков, утеплителей, профилей ПВХ, полистирола, полипропилена).
6. Производство пластиковых трубопроводов.
7. Химическая промышленность (изготовление удобрений, изделий из силикона, резины).
8. Металлообработка (алюминиевый профиль).
9. Экструзия кабельных покрытий, термоусадочных трубок.
10. Альтернативная энергетика (твердое биотопливо).

Форма готового изделия зависит от типа сечения отверстия в калибрующем устройстве. Если экструдат проходит сквозь щелевидное сечение, на выходе будет получена листовая продукция. Если сечение канала имеет форму кольца, получаются трубы (макароны).

Принцип работы экструдеров

Схема устройства экструдера
Конструктивно машина разделена на три отсека:

1. Зону загрузки.
2. Плавления.
3. Дозирования.

В первом отсеке экструдера – зоне питания — гранулированное сырье, полимерный порошок, либо отходы вторичного сырья засыпаются в бункер и подаются на лопасти шнека, вращающегося от электропривода. Загрузка гранул происходит самотеком или принудительно под воздействием сжатого воздуха, поступающего от компрессора. По мере поступления все новых и новых порций полимер постепенно перемещается к горячим секциям и оказывается в зоне плавления. В этом месте глубина винтовой нарезки и расстояния между витками шнека намного меньше, чем на других участках. Под воздействием повышенного давления полимерная пробка прижимается к горячим стенкам и интенсивно уплотняется.

Далее, в зоне дозирования экструдера расплавленная масса продавливается сквозь сетчатые фильтры с мелкими и крупными отверстиями, расположенные перед головкой. Главная задача пакета сеток – улучшение гомогенизации расплава и удаление мельчайших загрязняющих частиц. Это особенно важно при изготовлении тончайших супер прозрачных пленок, которые при наличии инородных частиц склонны к разрушениям структуры и образованию дырок в полотне.

На конечном этапе экструдированный материал выходит наружу через формующее сопло с отверстием определенного сечения в зависимости от конфигурации выпускаемого изделия.

Расплавление полимерного гранулята в основном происходит вследствие мощных деформаций сдвига уплотненного сырья. Нагревательные элементы экструдера всего лишь ускоряют процесс плавления. Если при внутреннем трении массы выделяется настолько большое количество тепла, что его становится достаточно для стабильного расплавления полимера, то электронагреватели автоматически отключаются, и система входит в термодинамический адиабатный режим.

Устройство и принцип работы экструдера, что это такое

Уже по тому, что слова «экструдер» и «экструзия» являются однокоренными, становится понятным, что экструдер — это основной рабочий орган экструзионной линии.

По длине экструдер для полимеров условно делится на три зоны: загрузки, сжатия расплава и дозирования.

Экструдер для пленки
Схема экструдера для полиэтилена

• Зона загрузки. Гранулы (порошок, вторичное сырье) подаются в бункер самотеком или под напором сжатого компрессором воздуха. Шнек, который приводится в движение работой привода, вращается, и уплотняя полимер до состояния пробки, продвигает его к горячим секциям экструдера.
• Зона плавления. Здесь шаг между витками начинает уменьшаться. Как следствие один и тот же объем полимера пытается поместиться в уменьшившемся пространстве. Пробка прижимается к обогреваемым стенкам трубы экструдера, плавится, расплав перемешивается. Хотим уточнить, что плавление происходит, в основном, не за счет нагревателей (они лишь интенсифицируют процесс), а из-за огромных сдвиговых деформаций в уплотняющемся полимере.
• Зона дозирования. На выходе из экструдера полимер продавливается через систему фильтрующих сеток и проходит через формующее отверстие, профиль которого зависит от формы выпускаемой продукции.

Важно! Экструдер может различаться по типу и количеству шнеков. Выпускаются: одношнековые, двухшнековые и многошнековые, дисковые и многодисковые экструдеры.

О конструкции одношнекового экструдера.

Внутри толстостенного корпуса (трубы) вращается шнек — металлический стержень с винтовой навивкой. Шнек перемещает гранулы по направлению к экструзионной головке. Корпус опоясывают секции хомутовых нагревателей, которые греют металл и плавят полимер, прижимаемый винтом к внутренней поверхности трубы. «Горячую» часть оборудования помещают в водоохлаждаемый кожух, и сверху утепляют термочехлом.

Одношнековый экструдер, схема

Зачем проводится дегазация при экструзии

Качество готовой продукции зависит от химического состава и кондиции сырья, загружаемого в экструдер. Термическая обработка и выпаривание полимеров в вакуумных камерах называется дегазацией. После прохождения дегазации в гранулах существенно снижается количество воздуха, уменьшается процент влаги, сырье максимально избавляется от вредных примесей.

В экструдерных машинах, оснащенных шнековыми парами с системами дегазации, предусмотрены специальные зоны сжатия и расширения. Газообразные компоненты в зоне расширения выводятся через отверстия в самом шнеке или цилиндре с помощью вакуумных насосов. Использование таких шнеков позволяет совмещать этапы экструзии с одновременным отводом газов без прерывания всего технологического процесса.

Последовательность операций следующая:

• загрузка;
• пластификация (доведение до однородного состояния);
• плавление;
• сжатие;
• разрыхление;
• удаление летучих соединений;
• повторное сжатие;
• выдавливание готовой массы без содержания газов.

Если дегазация будет неполной, пузырьки воздуха останутся в расплавленной массе. В результате чего в готовых изделиях образуются полости, пустоты, раковины. Такая продукция является бракованной.

Особенности экструзии полимеров

Технология экструзии проходит по следующему алгоритму:

1. Гранулы засыпаются в бункер машины.
2. Включается нагрев.
3. Частицы плавятся и образуют однородную вязкую массу, которая является прототипом будущей ПЭ пленки.

Для плавки используются разные виды полимеров, отличающиеся температурой плавления. В частности, полиэтилен расплавляется при 100-125 °С. Полипропилен – при 80-170°С. Такой широкий диапазон t плавления обусловлен наличием в его составе различных добавок.

Что такое экструзия полимеров?

Процесс экструзии происходит при нагреве полимеров максимум до 250 0С. Производство идет на скорости до 120 метров/минуту. Около 30 % всего объема полимеров перерабатывается по экструзионной технологии с помощью экструдеров. Попробуем разобраться в тонкостях этого процесса.

Экструзия полимеров — это технология получения формовочных изделий из термопластов и их композиций на шнековых прессах. Осуществляется путем продавливания (под давлением) однородного расплава через щель формовочной головки экструдера.

Щель имеет определенную форму, которая определяет геометрию изделия — сайдинг, пленка, оконный ПВХ профиль. В качестве сырья используются гранулы полиэтилена ПВД и ПНД, полипропилена, ПВХ, полистирола и других полимеров.

Экструзия включает в себя следующие этапы:

1. получение однородного расплава в экструдере;
2. формование;
3. охлаждение продукции;
4. натяжение и намотка (пленки), нарезка (профиль, труба).

Как происходит раздув рукава

Чтобы получить рукавную пленку, масса продавливается сквозь отверстие в форме кольца, в результате чего появляется узкая трубка определенного диаметра. В экструдере имеется функция расширения трубы: по шлангам от воздуходувки внутрь заготовки подается сжатый воздух под напором 0,13 Мпа. Полая труба вытягивается вверх, расширяется в объеме, становится похожей на огромный вертикальный пузырь нужного размера.

Схема процесса получения рукавных пленок методом раздува в вертикальном направлении:

1. Рукавная пленка. 2. Режущее приспособление. 3. Направляющий вал. 4. Тянущие валки. 5. Направляющие щеки. 7. Экструзионная головка. 8. Цилиндрическая рукавная заготовка. 10. Регулировочный вентиль. 11. Шланг. 12. Приемные катушки. 13. Воздуходувка. 14. Ресивер. 15. Экструдер.

В верхней части рукав охлаждается воздушными потоками. Стенки рукава становятся плоскими, противоположные стороны соединяются с помощью направляющих щек, подаются на приемно-намоточное устройство, разглаживаются валкамии и наматываются на приемные катушки. Этот технологический процесс длится непрерывно.

Кольцевой зазор является одним из наиболее популярных способов экструзии полиэтилена. Эта технология чаще всего применяется при изготовлении полиэтиленовой продукции рукавного типа, которая широко используется в быту, строительстве, на производственных предприятиях и т. п.

Чтобы у полученной пленки по всей поверхности были равномерные толщины с минимальным количеством складок, наружные и внутренние цилиндры кольцевой головки экструдера должны постоянно вращаться.

Преимущества технологии получения раздувной пленки:

• механическая прочность полотна;
• минимальные потери при обрезании пленок;
• сравнительно невысокая стоимость производства;
• удобство использования (чтобы превратить рукав в мешок, достаточно заварить всего один край).

Экструзия плоскощелевым методом

Этот метод используется при работе с кристаллизующимися полимерами, образующими расплавы пониженной вязкости. По сравнению с рукавными, структура плоских пленок менее прочная и плотная, зато они прозрачны и эластичны. Экструдирование плоскощелевым методом происходит при высоких температурах, благодаря чему в таких пленках намного меньше дефектов.

Принципиальная схема изготовления полиэтиленовых пленок плоскощелевым методом:

1 – экструдер; 2 – щелевая головка, 3 – охлаждающие барабаны, 4 – механизм обрезки кромок, 5 и 6 — тянущие валки, 7 – направляющие валки, 8 – узел намотки.

Полимерный расплав выдавливается через щелевидное отверстие листовальной головки экструдера. Толщина зазора регулируется с помощью формующих губок, одна из которых закреплена неподвижно, а вторая устанавливается на нужное расстояние в зависимости от заданного размера.

На выходе получается непрерывное полотно, которое подается на гладкую поверхность барабана для охлаждения. Охлаждающий барабан экструдера изготовлен из хромистой стали. Полированные поверхности с поступающей ПЭ пленкой орошаются водой и охлаждаются до 40 – 70 градусов. Далее пленка протягивается между тянущими валками, обрезается и, с помощью намоточного устройства, сматывается в рулоны. Чтобы полотно по всей площади имело одинаковую толщину, по всей длине формующей щели обеспечивается одинаковое значение вязкости экструдата.

В современном производстве большое распространение получили головки экструдера коллекторного типа. Здесь экструдированный расплав выходит одновременно из нескольких точек, за счет чего растекается более равномерно. Распределительный канал выполнен в форме удлиненного цилиндра, внутри которого размещен распределительный шнек, обеспечивающий равномерное растекание расплава по всей ширине щелевой фильеры и не допускающий застоя внутри канала.

При этом плоскость охлаждающего барабана также должна иметь одинаковую температуру. Перепад tпо всему объему не должен быть больше двух градусов. Для получения супер блестящих и прозрачных полиэтиленовых пленок расплавленный экструдат, выдавливаемый через щель, направляется в ванную с ледяной водой для более форсированного охлаждения.

Преимущества плоскощелевого метода:

1. Высокая производительность процесса.
2. Полиэтиленовые пленки обладают отличными оптическими свойствами.
3. Практически отсутствуют разнотолщинные участки.

Виды экструдеров

Современные экструзионные установки различаются как по схеме рабочего органа, так и по своему целевому предназначению.

Экструдеры одношнековые и двухшнековые

Шнековые (червячные) экструдеры – наиболее распространенные, так как практически в полной мере отвечают всем требованиям технологического процесса. Рабочим органом выступает шнек экструдера (винт Архимеда, известный каждому хотя бы по домашним мясорубкам).

Лопасть шнека экструдера захватывает сырье в области загрузки и перемещает последовательно по всей длине цилиндра корпуса, через зону нагрева, гомогенизации и формовки. В зависимости от технологической карты и вида исходного материала шнеки могут быть нормальными или быстроходными, цилиндрической или конической формы, сужающиеся к выходу. Одним из главных параметров является соотношение рабочего диаметра шнека к его длине. Различаются также шнеки шагом витков и их глубиной.

Однако одношнековые экструдеры не всегда применимы. Например, если в качестве сырья используется порошковый полуфабрикат, один винт не справится с тщательным его перемешиванием в ходе расплавления и гомогенизации.

В подобных случаях применяют двухшнековые экструдеры, винты которых могут находиться во взаимном зацеплении, совершать параллельное или встречное вращательное движение, иметь прямую или коническую форму.

В результате процессы разогрева, смешения и гомогенизации проводятся более тщательно, и на головку поступает полностью однородная и дегазированная масса.

Нельзя не отметить, что в некоторых технологических процессах применяются экструдеры и с большим количеством шнеков – до четырех, а кроме того, существуют и планетарные автоматы, когда вокруг центрального винта вращается до 12 сателлитных.

Это бывает необходимым при работе с некоторыми видами пластиков, которые под действием высоких температур имеют свойство к деструкции – потере физических качеств. Таким образом, их нагрев в подобных экструдерах осуществляется за счет силы трения и создаваемого высокого давления.

Экструдер для ПВХ профиля

Производство пластиковых или композитных профилей в большинстве случаев производится именно методом экструзии. Для этого, в зависимости от материала и сложности формы изделия, используют одно- или двухшнековые аппараты с соответствующими формующими головками.

Ассортимент весьма обширен – от тонких нитей или полос до листов, крупных панелей и сложных по геометрии профилей. Ставшие всем привычные пластиковые оконные и дверные системы собираются из ПВХ-профилей, изготовленных именно таким способом.

Добавка в полимер специальных компонентов позволяет выпускать сложные композиты, например, дерево-пластиковые конструкции, которые также часто применяются при изготовлении различных строительных конструкций.

Экструдер для производства труб

При производстве трубной продукции очень важным условием является отсутствие в гомогенизированной смеси пузырьков газа, поэтому экструдеры для труб в обязательном порядке оснащаются системой дегазации. Обычно это – двухшнековые установки, в которых, помимо прочего, применяются так называемые барьерные шнеки, надежно разделяющие еще твердый полуфабрикат от полностью расплавленного. Это обеспечивает полную однородность состава, что очень важно для эксплуатационных качеств выпускаемой трубы.

Экструдеры для полиэтилена

Все полимерные пленки изготавливаются исключительно способом экструзии. Для производства плёнок используется выдувной экструдер. Формующий узел экструдера для стрейч пленки может быть выполнен в виде узкой щели –на выходе получается однослойная пленка необходимой толщины и ширины.

В некоторых моделях используются круглые щелевые фильеры большого диаметра – пленка получается в виде рукава.

Мини экструдеры для пленки производят полиэтилен шириной рукава до 300мм и толщиной до 600 мкм. Небольшой размер устройства позволяет установить его даже в обычном помещении.

Технологии производства пластмассовых деталей методом соэкструзии

Современные технологии позволяют выпускать полимеры, строительные профили, листы, емкости, покрытия электропроводов, трубы и много других изделий из пластика, которые отвечают большому количеству требований. Они должны быть одновременно:

• прочными;
• легкими;
• экологичными;
• долговечными;
• устойчивыми против агрессивных сред;
• внешне привлекательными;
• водо-, газонепроницаемыми и пр.

Соэкструзия (другое название коэкструзия) является наиболее прогрессивным методом, при котором полимеры, обладающие разными свойствами, образуют многофункциональные многослойные материалы, в которых каждый слой сохраняет свои индивидуальные особенности.

Яркие примеры использования соэкструзионных материалов – упаковочная пленка для фармацевтических препаратов, вакуумирование скоропортящейся продукции с различными сроками хранения и т. п. Такие многослойные пленки состоят из нескольких слоев (от 3 до 11, а в отдельных случаях и больше). Минимальная толщина одного слоя составляет 2 мкм, максимальная – 2-3 миллиметра.

Технология соэкструзии предполагает одновременную работу нескольких экструдеров + наличие единого формующего узла. С помощью этого метода за один процесс получается полностью готовый материал. Это означает, что готовые детали и погонажные изделия не нужно отправлять на окрашивание, грунтование, склеивание и прочую дообработку.

Соэкструзия и коэкструзия.

Соэкструзия — это технология, использующаяся для получения многослойных пленок.

В качестве сырья может использоваться: полиэтилен низкой и высокой плотности, полипропилен, полиамидная пленка и др. полимеры. Гранулят этих пластических масс плавится в разных экструдерах, после чего соединяется и проходит через одну формовочную фильеру (головку). Для прочного склеивания нужно, чтобы молекулярная сетка полимеров была похожа по структуре. Но если нужно связать барьерный слой, например, EVOH и линейный полиэтилен, то потребуется специальные вяжущие сополимеры.

Соэкструзионные многослойные пленки используются для вакуумирования продуктов, как транспортная упаковка, с/х пленка (для мульчирования, пленка с эффектом антифог), упаковка фармацевтических препаратов.

По похожей технологии, которая получила название коэкструзия, изготавливают панели сайдинга и профиль ПВХ. Поливинилхлорид — основа профиля, занимает около 80% толщины панели, оставшиеся 20% — акрил. Как и в случае соэкструзии, используется работа двух коэкструдеров, где отдельно плавят ПВХ и акрил. Соединяются эти расплавы в щелевой филере, откуда выходят уже готовым спаянным изделием.

Коронарная обработка полимеров

Химически инертные поверхности полимерных изделий, полученных методом экструзии, как правило, не образуют прочных соединений с типографскими красками. При нанесении на непористые поверхности чернил, клеев или красителей жидкость не впитывается, а собирается в капли и мгновенно стекает.

Для изготовления полиэтиленовых упаковок с рисунками и рекламными надписями экструзивные линии оборудуются специальными устройствами по обработке пленки коронным разрядом с целью увеличения ее адгезивных свойств. Поверхностная энергия пленок, прошедших электромагнитное коронирование, возрастает и становится на 7-10 дин/см выше поверхностного натяжения жидких сред. В результате микротравления гладкие поверхности с активированной структурой хорошо смачиваются и готовы к окрашиванию, склеиванию, флексопечати, нанесению ярких узоров и другим видам обработки.

Что делает машинист-оператор экструдера

Под руководством машиниста, который управляет экструдером, находится весь процесс изготовления полимерных изделий. Квалифицированный работник должен знать, что такое экструзия, какие процессы происходят в машине, какими параметрами должна обладать выпускаемая продукция и т. п.

Основные функции оператора экструдера:

1. Ежедневный осмотр машин и механизмов.
2. Чистка рабочих деталей и узлов от грязи и налипаний.
3. Ремонт, наладка, замена запчастей, регулировка программ и режимов.
4. Контроль загрузки гранул.
5. Температуры плавления сырья.
6. Регулировка вращения шнека.
7. Изменение диаметра сопла и формы головки экструдера.

Машинист также работает с выпущенной продукцией: проверяет готовые пленки на соответствие стандартам, замеряет размеры, толщину. Следит за качеством намотки.

В его обязанности входит не только контроль технического состояния экструдерного оборудования, но и обеспечение безопасности рабочего места. Перед началом смены оператор должен проверить, как работают вентиляционные системы, исправность источников освещения, работу электрооборудования, наличие заземления.

Типы экструдеров

Как было упомянуто выше, шнековые экструдеры иногда называются «червячными». Это название происходит от того, что полимерная масса в цилиндре перемешивается и перемещается при помощи винта Архимеда.

В большинстве своём экструдеры имеют один шнек и работают по тому же принципу, что и мясорубка. Однако, производство некоторых видов продукции требует более тщательного перемешивания сырья, и в этом случае используются механизмы с двумя (а иногда и больше) шнеками. Это необходимо, например, в том случае, если сырьё подаётся в порошковом состоянии. В таком случае одношнековый экструдер не сможет достаточно хорошо перемешать его и соответственно создать нужное давление на выходе.