Extrudarea materialelor plastice este un proces de producție de mare volum în care plasticul brut este topit și format într-un profil continuu. Extrudarea produce articole cum ar fi țevi/tuburi, burlane, garduri, balustrade de punte, rame de ferestre, folii și folii de plastic, acoperiri termoplastice și izolație de sârmă.
Acest proces începe prin introducerea materialului plastic (pelete, granule, fulgi sau pulberi) dintr-un buncăr în cilindrul extruderului. Materialul este topit treptat de energia mecanică generată de șuruburile rotitoare și de încălzitoarele dispuse de-a lungul butoiului. Polimerul topit este apoi forțat într-o matriță, care modelează polimerul într-o formă care se întărește în timpul răcirii.
ISTORIE
Extrudarea conductelor
Primii precursori ai extruderului modern au fost dezvoltați la începutul secolului al XIX-lea. În 1820, Thomas Hancock a inventat un „masticator” de cauciuc conceput pentru a recupera resturile de cauciuc procesate, iar în 1836 Edwin Chaffee a dezvoltat o mașină cu două role pentru a amesteca aditivii în cauciuc. Prima extrudare a termoplasticului a fost în 1935 de către Paul Troester și soția sa Ashley Gershoff în Hamburg, Germania. La scurt timp după, Roberto Colombo de la LMP a dezvoltat primele extrudere cu două șuruburi din Italia.
PROCES
În extrudarea materialelor plastice, materia primă compusă este în mod obișnuit sub formă de nurdles (mărgele mici, adesea numite rășină) care sunt alimentate prin gravitație dintr-un buncăr montat în partea superioară în cilindrul extruderului. Aditivi precum coloranții și inhibitorii UV (sub formă lichidă sau peletă) sunt adesea utilizați și pot fi amestecați în rășină înainte de a ajunge la buncăr. Procesul are multe în comun cu turnarea prin injecție a plasticului din punctul de vedere al tehnologiei extruderului, deși diferă prin faptul că este de obicei un proces continuu. În timp ce pultruzia poate oferi multe profile similare în lungimi continue, de obicei cu armare adăugată, acest lucru se realizează prin tragerea produsului finit dintr-o matriță în loc de extrudarea topiturii de polimer printr-o matriță.
Materialul intră prin gâtul de alimentare (o deschidere în apropierea spatelui cilindrului) și intră în contact cu șurubul. Șurubul care se rotește (în mod normal se rotește la 120 rpm) forțează mărgelele de plastic înainte în cilindrul încălzit. Temperatura de extrudare dorită este rareori egală cu temperatura setată a cilindrului din cauza încălzirii vâscoase și a altor efecte. În cele mai multe procese, un profil de încălzire este setat pentru butoi în care trei sau mai multe zone independente de încălzire controlate de PID cresc treptat temperatura cilindrului din spate (unde intră plasticul) spre față. Acest lucru permite ca granulele de plastic să se topească treptat pe măsură ce sunt împinse prin butoi și scade riscul de supraîncălzire care poate provoca degradarea polimerului.
Căldura suplimentară este contribuită de presiunea intensă și frecarea care are loc în interiorul butoiului. De fapt, dacă o linie de extrudare rulează anumite materiale suficient de repede, încălzitoarele pot fi oprite, iar temperatura de topire poate fi menținută doar prin presiune și frecare în interiorul butoiului. În majoritatea extruderelor, sunt prezente ventilatoare de răcire pentru a menține temperatura sub o valoare setată dacă se generează prea multă căldură. Dacă răcirea forțată cu aer se dovedește insuficientă, atunci se folosesc cămașe de răcire turnate.
Extruder din plastic tăiat în jumătate pentru a arăta componentele
În partea din față a cilindrului, plasticul topit părăsește șurubul și trece printr-un pachet de ecran pentru a îndepărta orice contaminanți din topitură. Ecranele sunt întărite de o placă de rupere (un disc gros de metal cu multe găuri perforate prin ea), deoarece presiunea în acest punct poate depăși 5.000 psi (34 MPa). Ansamblul pachet de ecran/placă de rupere servește, de asemenea, la crearea contrapresiunii în butoi. Contrapresiunea este necesară pentru topirea uniformă și amestecarea corectă a polimerului, iar cantitatea de presiune generată poate fi „ajustată” prin variarea compoziției pachetului de sită (numărul de sitări, dimensiunea țesăturii lor și alți parametri). Această combinație de placă de rupere și pachet de ecran elimină, de asemenea, „memoria de rotație” a plasticului topit și creează, în schimb, „memorie longitudinală”.
După trecerea prin placa de spargere, plasticul topit intră în matriță. Matrița este cea care conferă produsului final profilul și trebuie proiectată astfel încât plasticul topit să curgă uniform de la un profil cilindric, la forma profilului produsului. Curgerea neuniformă în această etapă poate produce un produs cu tensiuni reziduale nedorite în anumite puncte ale profilului, care poate provoca deformarea la răcire. Se poate crea o mare varietate de forme, limitate la profile continue.
Acum produsul trebuie să fie răcit și acest lucru se realizează de obicei prin tragerea extrudatului printr-o baie de apă. Materialele plastice sunt izolatoare termice foarte bune și, prin urmare, sunt greu de răcit rapid. În comparație cu oțelul, plasticul își conduce căldura de 2.000 de ori mai încet. Într-o linie de extrudare a țevilor sau a țevii, o baie de apă etanșă este acționată printr-un vid controlat cu atenție pentru a împiedica prăbușirea țevii sau țevii nou formate și încă topite. Pentru produse precum foliile de plastic, răcirea se realizează prin tragerea printr-un set de role de răcire. Pentru filme și folii foarte subțiri, răcirea cu aer poate fi eficientă ca etapă inițială de răcire, ca în extrudarea filmului suflat.
Extruderele din plastic sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă pentru a reprocesa deșeurile de plastic reciclate sau alte materii prime după curățare, sortare și/sau amestecare. Acest material este în mod obișnuit extrudat în filamente adecvate pentru tăierea în material de mărgele sau granule pentru a fi folosit ca precursor pentru prelucrarea ulterioară.
DESIGN șurub
Există cinci zone posibile într-un șurub termoplastic. Deoarece terminologia nu este standardizată în industrie, diferite nume se pot referi la aceste zone. Diferite tipuri de polimeri vor avea modele diferite de șuruburi, unele neîncorporând toate zonele posibile.
Un șurub simplu de extrudare din plastic
Șuruburi de extrudere De la Boston Matthews
Majoritatea șuruburilor au aceste trei zone:
● Zona de alimentare (numită și zonă de transport a solidelor): această zonă alimentează rășina în extruder, iar adâncimea canalului este de obicei aceeași în întreaga zonă.
● Zona de topire (numită și zonă de tranziție sau de compresie): cea mai mare parte a polimerului este topit în această secțiune, iar adâncimea canalului devine progresiv mai mică.
● Zona de dozare (numită și zonă de transport al topiturii): această zonă topește ultimele particule și se amestecă la o temperatură și compoziție uniforme. La fel ca zona de alimentare, adâncimea canalului este constantă în toată această zonă.
În plus, un șurub ventilat (în două trepte) are:
● Zona de decompresie. În această zonă, la aproximativ două treimi în josul șurubului, canalul devine brusc mai adânc, ceea ce eliberează presiunea și permite ca orice gaz prins (umiditate, aer, solvenți sau reactanți) să fie extras prin vid.
● A doua zonă de măsurare. Această zonă este similară cu prima zonă de măsurare, dar cu adâncime mai mare a canalului. Servește la represurizarea topiturii pentru a trece prin rezistența ecranelor și a matriței.
Adesea, lungimea șurubului este referită la diametrul său ca raport L:D. De exemplu, un șurub cu diametrul de 6 inchi (150 mm) la 24:1 va avea 144 inchi (12 ft) lungime, iar la 32:1 are 192 inchi (16 ft) lungime. Un raport L:D de 25:1 este obișnuit, dar unele mașini ajung până la 40:1 pentru mai multă amestecare și mai multă ieșire la același diametru șurub. Șuruburile în două etape (aerisite) sunt de obicei 36:1 pentru a ține cont de cele două zone suplimentare.
Fiecare zonă este echipată cu unul sau mai multe termocupluri sau RTD-uri în peretele butoiului pentru controlul temperaturii. „Profilul de temperatură”, adică temperatura fiecărei zone este foarte importantă pentru calitatea și caracteristicile extrudatului final.
MATERIALE TIPICE DE EXTRUDIE
Teava HDPE in timpul extrudarii. Materialul HDPE vine de la încălzitor, în matriță, apoi în rezervorul de răcire. Această țeavă de conducte Acu-Power este coextrudată – neagră în interior cu o manta subțire portocalie, pentru a desemna cablurile de alimentare.
Materialele plastice tipice care sunt utilizate în extrudare includ, dar nu se limitează la: polietilenă (PE), polipropilenă, acetal, acrilic, nailon (poliamide), polistiren, clorură de polivinil (PVC), acrilonitril butadien stiren (ABS) și policarbonat.[4 ]
TIPURI DE MATRICE
Există o varietate de matrițe utilizate în extrudarea materialelor plastice. Deși pot exista diferențe semnificative între tipurile de matrițe și complexitate, toate matrițele permit extrudarea continuă a topiturii de polimer, spre deosebire de procesarea necontinuă, cum ar fi turnarea prin injecție.
Extrudarea filmului suflat
Extrudarea prin suflare a foliei de plastic
Fabricarea foliei de plastic pentru produse precum pungi de cumpărături și folii continue se realizează folosind o linie de film suflat.
Acest proces este același cu un proces obișnuit de extrudare până la matriță. Există trei tipuri principale de matrițe utilizate în acest proces: inelar (sau cruce), păianjen și spirală. Matrițele inelare sunt cele mai simple și se bazează pe canalizarea topiturii polimerului în jurul întregii secțiuni transversale a matriței înainte de a ieși din matriță; acest lucru poate duce la un flux neuniform. Matricele de păianjen constau dintr-un dorn central atașat la inelul matriței exterior printr-un număr de „picioare”; în timp ce curgerea este mai simetrică decât în matrițele inelare, sunt produse o serie de linii de sudură care slăbesc filmul. Matrițele spiralate elimină problema liniilor de sudură și a curgerii asimetrice, dar sunt de departe cele mai complexe.
Topitura se răcește oarecum înainte de a părăsi matrița pentru a da un tub semisolid slab. Diametrul acestui tub este extins rapid prin presiunea aerului, iar tubul este tras în sus cu role, întinzând plasticul atât în direcția transversală, cât și în direcția de tragere. Tragerea și suflarea fac ca filmul să fie mai subțire decât tubul extrudat și, de asemenea, aliniază preferabil lanțurile moleculare de polimer în direcția care vede cea mai mare tensiune plastică. Dacă filmul este tras mai mult decât este suflat (diametrul final al tubului este aproape de diametrul extrudat), moleculele de polimer vor fi foarte aliniate cu direcția de tragere, formând un film care este puternic în acea direcție, dar slab în direcția transversală. . Un film care are un diametru semnificativ mai mare decât diametrul extrudat va avea mai multă rezistență în direcția transversală, dar mai puțin în direcția de tragere.
În cazul polietilenei și al altor polimeri semi-cristalini, pe măsură ce filmul se răcește, acesta cristalizează la ceea ce este cunoscut sub numele de linia de îngheț. Pe măsură ce filmul continuă să se răcească, acesta este tras prin mai multe seturi de role de fixare pentru a o aplatiza într-un tub plat, care poate fi apoi bobinat sau tăiat în două sau mai multe role de folie.
Extrudare folie/film
Extrudarea foliei/filmului este utilizată pentru extrudarea foliilor de plastic sau a filmelor care sunt prea groase pentru a fi suflate. Se folosesc două tipuri de matrițe: în formă de T și cuier. Scopul acestor matrițe este de a reorienta și ghida fluxul de topitură de polimer de la o singură ieșire rotundă de la extruder la un flux plan subțire, plat. În ambele tipuri de matriță, asigurați un flux constant și uniform pe întreaga suprafață a secțiunii transversale a matriței. Răcirea se face de obicei prin tragerea printr-un set de role de răcire (calandră sau role „chill”). În extrudarea foii, aceste role nu numai că furnizează răcirea necesară, ci și determină grosimea foii și textura suprafeței.[7] Adesea, coextrudarea este utilizată pentru a aplica unul sau mai multe straturi deasupra unui material de bază pentru a obține proprietăți specifice, cum ar fi absorbția UV, textura, rezistența la permeația oxigenului sau reflexia energiei.
Un proces obișnuit de post-extruziune pentru stocul de foi de plastic este termoformarea, în care foaia este încălzită până când este moale (plastic) și formată printr-o matriță într-o nouă formă. Când se utilizează vid, aceasta este adesea descrisă ca formare de vid. Orientarea (adică capacitatea/densitatea disponibilă a foii de a fi trasă în matriță, care poate varia în adâncime de la 1 la 36 inci în mod tipic) este foarte importantă și afectează foarte mult timpii ciclului de formare pentru majoritatea materialelor plastice.
Extrudarea tubulaturii
Tuburile extrudate, cum ar fi țevile din PVC, sunt fabricate folosind matrițe foarte asemănătoare celor utilizate în extrudarea filmului suflat. Presiunea pozitivă poate fi aplicată în cavitățile interioare prin știft, sau presiunea negativă poate fi aplicată pe diametrul exterior folosind un calibrator cu vid pentru a asigura dimensiunile finale corecte. Lumeni sau găuri suplimentare pot fi introduse prin adăugarea dornurilor interioare adecvate la matriță.
O linie de extrudare medicală Boston Matthews
Aplicațiile de țevi multistrat sunt, de asemenea, mereu prezente în industria auto, industria sanitară și termică și industria ambalajelor.
Extrudare peste manta
Extrudarea prin supravestire permite aplicarea unui strat exterior de plastic pe un fir sau un cablu existent. Acesta este procesul tipic pentru izolarea firelor.
Există două tipuri diferite de scule de matriță utilizate pentru acoperirea unui fir, tuburi (sau mantaș) și presiune. În sculele de înveliș, topitura polimerului nu atinge firul interior decât imediat înainte de buzele matriței. La sculele sub presiune, topitura intră în contact cu firul interior cu mult înainte de a ajunge la buzele matriței; aceasta se face la o presiune mare pentru a asigura o buna aderenta a topiturii. Dacă este necesar un contact intim sau o aderență între noul strat și firul existent, se utilizează unelte de presiune. Dacă aderența nu este dorită/necesară, se utilizează în schimb unelte de înveliș.
Coextrudarea
Coextrudarea este extrudarea mai multor straturi de material simultan. Acest tip de extrudare utilizează două sau mai multe extrudere pentru a topi și pentru a furniza un flux volumetric constant de diferite materiale plastice vâscoase la un singur cap de extrudare (matriță) care va extruda materialele în forma dorită. Această tehnologie este utilizată în oricare dintre procesele descrise mai sus (film suflat, suprajacketing, tubing, sheet). Grosimile straturilor sunt controlate de vitezele și dimensiunile relative ale extruderelor individuale care livrează materialele.
Coextrudarea stratului 5:5 a tubului cosmetic „strângere”.
În multe scenarii din lumea reală, un singur polimer nu poate satisface toate cerințele unei aplicații. Extrudarea compusă permite extrudarea unui material amestecat, dar coextrudarea reține materialele separate ca straturi diferite în produsul extrudat, permițând plasarea adecvată a materialelor cu proprietăți diferite, cum ar fi permeabilitatea la oxigen, rezistența, rigiditatea și rezistența la uzură.
Acoperire prin extrudare
Acoperirea prin extrudare utilizează un proces de film suflat sau turnat pentru a acoperi un strat suplimentar pe un material rulant existent de hârtie, folie sau film. De exemplu, acest proces poate fi folosit pentru a îmbunătăți caracteristicile hârtiei prin acoperirea acesteia cu polietilenă pentru a o face mai rezistentă la apă. Stratul extrudat poate fi folosit și ca adeziv pentru a aduce alte două materiale împreună. Tetrapak este un exemplu comercial al acestui proces.
EXTRUDII COMPUSE
Extrudarea compusă este un proces care amestecă unul sau mai mulți polimeri cu aditivi pentru a da compuși plastici. Furajele pot fi peleți, pulbere și/sau lichide, dar produsul este de obicei sub formă de pelete, pentru a fi utilizat în alte procese de formare a plasticului, cum ar fi extrudarea și turnarea prin injecție. Ca și în cazul extrudarii tradiționale, există o gamă largă de dimensiuni ale mașinii, în funcție de aplicație și de debitul dorit. În timp ce extruderele cu un singur sau dublu șurub pot fi utilizate în extrudarea tradițională, necesitatea unei amestecări adecvate în extrudarea combinată face ca extruderele cu două șuruburi să fie aproape obligatorii.
TIPURI DE EXTRUDOR
Există două subtipuri de extrudere cu două șuruburi: co-rotative și contra-rotative. Această nomenclatură se referă la direcția relativă de rotire a fiecărui șurub în comparație cu celălalt. În modul de co-rotație, ambele șuruburi se rotesc fie în sensul acelor de ceasornic, fie în sens invers acelor de ceasornic; în contrarotație, un șurub se rotește în sensul acelor de ceasornic, în timp ce celălalt se rotește în sens invers acelor de ceasornic. S-a demonstrat că, pentru o anumită arie de secțiune transversală și grad de suprapunere (intermetting), viteza axială și gradul de amestecare sunt mai mari în extruderele gemene co-rotative. Cu toate acestea, creșterea presiunii este mai mare la extruderele contrarotative. Designul șurubului este în mod obișnuit modular prin aceea că diferite elemente de transport și amestecare sunt aranjate pe arbori pentru a permite reconfigurarea rapidă pentru o schimbare a procesului sau înlocuirea componentelor individuale din cauza uzurii sau deteriorării corozive. Dimensiunile mașinii variază de la 12 mm până la 380 mm
AVANTAJE
Un mare avantaj al extrudarii este că profilele precum țevile pot fi realizate la orice lungime. Dacă materialul este suficient de flexibil, țevile pot fi realizate la lungimi mari chiar și înfășurându-se pe bobină. Un alt avantaj este extrudarea țevilor cu cuplaj integrat, inclusiv etanșare din cauciuc.
Ora postării: 25-feb-2022
