Что такое экструдер, как он устроен и где применяется

Содержание:

Экструзия – это технология изготовления изделий из полимерного сырья, основанная на продавливании расплавленных гранул через формующие отверстия (кольцевые, щелевые фильеры), чтобы придать материалу заданную форму или профиль. Промышленность выпускает большое количество электромеханических экструдеров, отличающихся по конструкции, производительности, назначению, типу сырья, технико-эксплуатационным характеристикам и другим важным признакам.

Виды экструдерных машин

Все экструдеры, независимо от области применения, состоят из основных рабочих механизмов:

1. Асинхронного электродвигателя.
2. Бункера загрузки.
3. Шнека.
4. Нагревательного элемента.
5. Экструдерной головки.

Современные экструдеры классифицируются по нескольким категориям, в зависимости от типа транспортирующего механизма они разделяются на:

Шнековые машины являются самыми простыми и востребованными. Шнек занимает центральную часть всего устройства. Его работа напоминает принцип обычной мясорубки.

Шнековые экструдеры бывают:

На сайте «Промышленные системы и компоненты» представлен широкий ассортимент экструдерных машин различного назначения.

Наиболее популярные модели:

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.

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:

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

Конструкция шнека и его роль в экструзии полимеров

Стандартный шнек экструдера представляет собой металлический стержень со спиральной канавкой, вырезанной по всей длине детали. Между наружным диаметром витков шнека и стенками рабочего цилиндра предусмотрен небольшой зазор. Главная задача шнековой пары (шнека+цилиндра) – беспрерывная подача расплавленной пластичной массы на формующую головку.

Рабочие характеристики шнека экструдера:

1. Диаметр.
2. Длина стержня.
3. Отношение L/D.
4. Высота витков на разных участках.
5. Длины этих участков.
6. Угол нарезки винта.
7. Ширина гребня.
8. Шаг витка (расстояние между витками).

При прохождении сырья внутри корпуса вращающийся шнек экструдера выполняет одновременно несколько функций:

В зависимости от конструкции, материалов и способов изготовления экструзионные шнеки и цилиндры бывают нескольких видов:

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.

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 валками 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:

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 t по 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.

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:

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.

Описание процесса соэкструзии

Полимеры, используемые при изготовлении коэкструзионных изделий, отличаются друг от друга температурой плавления, вязкостью и другими характеристиками. Для стабильной качественной пластификации каждого материала создаются определенные условия.

В состав соэкструзионной установки входит 2 – 3 и более экструдеров, в которые загружается сырье определенного типа. Причем каждый расплав обладает своей вязкостью и температурой. Материалы проходят по отдельности все стандартные технологические операции. Каждый расплав достигает нужной температуры. Расплавленные массы из отдельных экструдеров по мере готовности поступают в общую коэкструзионную головку под определенным давлением, где все фракции соединяются. После формирования слоев и выхода готового материала последующие операции по охлаждению и намотке проводятся по стандартным алгоритмам.

В соэкструзионном оборудовании применяются формующие инструменты наиболее сложных форм. Причем при расчете параметров головки экструдера за основу берутся полимеры, обладающие максимальной температурой плавления.

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.