Экструдеры и полимеры

03.11.2021

Полимерная продукция насчитывает тысячи наименований: плёнки, трубы, продукция для бытовой химии, теплоизоляционные материалы и многое другое. Чтобы каждому из них придать определённую форму и размеры, необходимо преобразовать сырьё в размягчённую массу и сформовать из неё нужный ассортимент.

Приоритетной технологией получения изделий из пластмасс является экструзия. Название ей дал агрегат, имеющий расширенный функционал.

Экструзия представляет собой пропускание вязкого полимера, полученного методом расплавления, через формообразующее отверстие, конфигурация и основные размеры которого соответствуют выпускаемой продукции.

Особенностью процесса является непрерывность цикла, поэтому производительность установок считается высокой. Автоматизация технологической линии облегчает выпуск линейки товаров, а минимальное задействование человеческого фактора снижает процент брака в готовых изделиях.

Какие различают типы экструдеров

При работе с однородным сырьём выбирают шнековые (червячные) экструдеры. Внутри оборудования осуществляется термический расплав исходного материала, затем его уплотнение на пути к выходному отверстию. Длинная полость с лопастями необходима для того, чтобы полуфабрикат приобрёл пластифицирующие свойства. Бывает с одним и двумя червячными механизмами.
Когда требуется создать новый продукт из нескольких составляющих, выбирают дисковый экструдер. С его помощью получается однородная смесь, где каждый компонент дополняет друг друга с целью приобретения улучшенных параметров. Однако качество конечной продукции получается чуть хуже, чем в шнековом аналоге. Это выражается в меньшей прочности и небольшом нарушении размеров товаров.
Комбинированное червячно-дисковое оборудование вобрало в себя лучшие качества упрощённых моделей. Идёт отличное смешение, качественное формование и достижение проектных характеристик. Для такого экструдера не вызывает труда с повышенной эластичностью и малой вязкостью.

Три рабочих участка системы изготовления продукции

Дозировочно-загрузочный. Сырьё задувается в бункер пневматическим способом. В процессе производства используют гранулы, порошки ленты, причём это может быть первичный материал или тот, что был направлен на переработку. Шнек начинает уплотнять всё, т поступило сверху, комкая и спрессовывая в единый комок. Постепенно сырьё перемещается к горячей зоне.
Плавильный. В этой секции шаг между витками уменьшен, в результате чего продвигаемый материал начинает сжиматься, чтобы успеть за движением шнека. Он прилипает к внутренней поверхности трубы, которая уже нагрета. Начинается этап плавления. Повышение начальной температуры массы обусловлено внутренними напряжениями, которые преодолевает вращающийся шнек, буквально раздавливая шарики и перемешивая их. К выделяющейся тепловой энергии добавляется температура нагретых стенок экструдера. Зона дегазации просто необходима при наличии сырья, активно впитывающего влагу. При технологическом процессе появляются пузырьки, которые создают посторонние примеси. Дегазация позволяет методом выпаривания отделить их от основной массы.
Профилирования. Здесь находится отверстие, которое из полуфабриката через фильтрующие сетки создаёт готовое изделие.

Какие нагреватели применяют для повышения температуры в экструдере

Оборудование имеет форму цилиндра, поэтому здесь востребованы только тепловые устройства круглой и полукруглой конфигурации. Они плотно прилегают к поверхности, чтобы качественно передать экструдеру продуцируемую энергию.

Миканитовые кольцевые. Теплоудерживающей прослойкой служит прессованная слюда. Пластинки способны работать при t= +350˚С. Изготавливаются сплошными, с вырезами под нестандартное место крепления, могут иметь отверстия.
Керамические кольцевые. Токопроводящим элементом служит резистивная проволока, уложенная в пазы керамического утеплителя. Снаружи сделан металлический корпус. Керамика не боится термических дисбалансов, выдерживает до +700˚С.
Кольцевые модели с охлаждением. Изолятором делают керамику или миканит. Добавление вентилятора формирует условия для частичного охлаждения в спокойном и быстром режиме (зависит от технологии производства и настроек параметров охлаждения).
Соплового типа. Изготовлены из стали, латуни, фиксируются на соплах экструдера. Несмотря на малые размеры, обеспечивают хорошие мощностные показатели и стабильную термопозицию.
Кольцевые керамические, с утеплением. Имеют чехол (кожух), снижающий тепловые потери и, соответственно, потребление энергоресурсов примерно на ¼.
Алюминиевые, произведенные способом литья. Недорогие, но имеют ограничение в термических показателях. При необходимости дополняются охлаждающими системами.

Помимо кольцевых, на экструдерных линиях используют патронные и плоские нагреватели. Они востребованы в месте нахождения фильер, которые бывают и круглыми, и щелевыми. Если патронные монтируют в головку шнека, то плоские располагают на ровных участках полимер-плавильной машины.

Разница между одно- и двухшнековыми экструдерами

Перемещение сырья в одношнековой конструкции осуществляется с помощью силы трения. Некоторые виды сырья по пути движения к зоне расплава создают помехи, будто сопротивляясь этой транспортировки. Хорошо справляются с этой проблемой двухчервячные экструдеры, у которых происходит взаимодействие лопастей: элементы первого шнека заходят в каналы второго. Тогда даже с сыпучим сырьём не возникают транспортные неприятности. А объясняется это просто: шнеки, работая в паре, двигаются в противоположных направлениях.
При загрузке сырья в бункер вводят добавки, у некоторых из них ─ достаточно скользкая поверхность. Экструдер с 1 шнеком не всегда хорошо перемешает такую сыпучую субстанцию. А 2-хшнековый справляется и с порошком, и с гранулами, и с жидким составом.
2-хшнековая система лучше подготавливает массу к термической процедуре, образуя более однородную дисперсию. В одношнековой расплав получается менее качественным, так как в смеси находятся компоненты с разной температурой плавления.
В одношнековом аппарате очищаются только стенки экструдера. В двухшнековом остатки хорошо снимаются с обоих движущихся механизмов.

Почему важно правильно подобрать температуру для плавления

Способом экструдирования изготавливают почти все полимеры. Наибольшая потребность в изготовлении полистирола, полиэтилена, ПВХ, полипропилена. При этом термический показатель плавления у них отличается.

Чтобы правильно выставить температуру, используют готовые графики под названием «номограммы». Граничный показатель для полиэтилена равняется +125˚С, а для полипропилена он достигает +170˚С. Если для поликарбоната случайно повысить температуру более +290˚С, у него исчезнут важные свойства.

Какие виды брака возникают в процессе производства полимеров

Недогрев

Сюда относится недостаточное перемешивание и ошибочно выбранная заниженная температура для создания расплава. Рассмотрим это на примере производства полимерной плёнки.

Выходящий через фильеры материал рвётся, если его растянуть чуть больше, чем надо, а также расслаивается.
Искажается ровность кромок, получаются небольшие надрывы, разрушающие целостность.
Отсутствие слабого глянца, перекос в сторону матовости.
Вместо гладкой поверхности шероховатая.
При резком сжатии инструментом материал сохраняет упругость и возвращает прежнюю форму.

Выпустив пробную партию, необходимо более интенсивно перемешать сырьё шнеком и повысить температуру для получения качественного расплава.

Перегрев

Комки, утолщения, которые невозможно убрать способом калибровки.
Повышенная пластичность сохраняет и увеличивает по длине следы воздействия после сжатия материала пальцами.
После прохождения дегазации остаются пузыри.
Желтоватый оттенок продукции «намекает» на пережёг.

Недопущение последующего брака делается уменьшением интенсивности перемешивания сырья и снижением температуры поверхности экструдера.

Как выбрать для покупки экструдер

Для выбора экструдера учитывают потребность в выпуске определённого количества продукции за единицу времени (1-300 кг/ч). Это называется производительностью оборудования. Она зависит от размера витков червяка, длины проходимого пути, скорости вращения перемещающего элемента и длительности производственного цикла.
Важно значение мощности, ведь именно этот показатель отвечает за качество выполняемых операций. Слабый шнековый привод не сможет полноценно подготовить сырьевой объём для расплавления. Хорошим значением является диапазон 3-3,5 кВт.
Вариативность, то есть возможность работать с разными сырьевыми материалами. В этом смысле предпочтительнее 2-хшнековая конструкция.
Наличие дегазатора. Он нужен не везде, но, к примеру, при изготовлении разных типов плёнок и труб, должен быть в обязательном порядке.
Управление агрегатом. В дешёвых моделях предусмотрено только ручное управление скоростью загрузки сырья в бункер, а также выставление нужной температуры. Современные и дорогие модели используют цифровую автоматику.
Самым эксплуатируемым компонентом является шнек. Хорошо, когда он в защитных целях азотирован, а в зоне приёма покрыт слоем твёрдых металлов. Когда экструдер установлен для переработки на вторсырьё абразивных отходов, лучше всего выбирать шнек, покрытый слоем твёрдых металлов по всей длине.

Обслуживание экструдера

Плановый сервис заключается в удалении старых и установке новых фильтрующих сеток (в первые месяцы работы оборудования их можно просто очищать от налипаний). Также нужно периодически доливать масло в приводной механизм, проверять состояние проводов, подключений, предохранителей тока.

По завершении срока эксплуатации, указанном в техпаспорте, нужно осмотреть цилиндр и шнеки на предмет замены. Установка и демонтаж выполняются в соответствии с прилагаемыми производителем чертежами, схемами и представленным описанием.

В каких отраслях востребованы экструдеры

Химическая. Создание строительной изоляции, труб, плёнок, игрушек, хозяйственной утвари, посуды, деталей транспорта – перечислять долго.
Пищевая. Чипсы, вермишель, конфеты типа «подушечки», крупяные хлопья, шоколадные батончики, кукурузные палочки, некоторые виды печенья.
Создание прессованного биотоплива. Используются отходы растений, торфяные остатки, пыль угольная.
Еда для животных. При производстве комбикорма продукция измельчается, сильно уплотняется и обжигается для удаления насекомых-вредителей.
Фармакология. Изготовление твёрдых медикаментов в виде таблеток.

Экструдеры востребованы из-за того, что они просты в применении, не тратят много энергии, служат длительный период времени. Все детали и узлы сделаны из металла, поэтому остаются прочными и крепкими в течение всего срока эксплуатации.

Переработка вторсырья

Пластиковые бутылки, одноразовую посуду и прочие ненужные уже предметы в большом количестве можно найти на свалках и под водой. Если подойти к этому вопросу с рациональной точки зрения, то полимерный мусор способен служить и дальше.

Использованные полимерные материалы предлагается переработать, то есть измельчить и создать новые, востребованные изделия. Этот метод давно нашёл отклик в развитых странах. Он помогает удешевлять процесс производства и приносить пользу членам общества, затрачивая на это меньше средств.

Утилизация проводится на экструдере. Подготовив использованные предметы, удастся создать из них профили для пластиковых окон, полимерные отделочные материалы, кабели, люки для канализации, упаковку, одежду, погонажную продукцию, мебель и пр..

Срок окупаемости экструдера

Приобретая оборудование, хочется знать, когда вернутся вложения? Можно просчитать это ориентировочно, зная, какая сумма была потрачена и сколько часов в сутки фактически работает экструдер. При значительно загрузке выход на чистую прибыль составит 4-6 месяцев, а если факторы использования иные, то окупаемость может затянуться на 1-2 года.