Способы переработки полимеров экструзия

Способы переработки полимеров. Часть 1. Экструзия.

Пластик окружает нас в современном мире практически всюду, без пластмассовых изделий уже тяжело представить нашу жизнь. Мы уже много писали на нашем сайте статей по различной обработке полимеров и оборудованию для переработки пластика. Давайте в данной статье попробуем систематизировать все данные о способах обработки полимеров и оборудовании для этого. После прочтения вы поймете, какие же методы переработки полимеров существуют, и какие электронагреватели при этих методах должны использоваться.

Экструзия

Экструзией называется процесс в производстве, который заключается в механическом продавливании расплавленного полимера через калибрующее отверстие с соответствующим готовому изделию профилем.

В процессе производства пластиковых изделий на экструдере работы выполняются непрерывно, что позволяет обеспечить очень высокий уровень производительности, легкую автоматизацию процессов, экономичность и высокое качество продукции.

Оборудование для экструзионной обработки полимеров называется экструдером

. Типов экструдеров существует огромное множество, но наиболее распространенными все же являются поршневые и шнековые экструдеры.

Шнековые или червячные экструдеры – это оборудование с одно или двухшнековыми прессами, но чаще встречаются одношнековые экструдеры. Если же нужно в процессе производства обеспечить максимальное качество смешивания материала и нет нужды в высоком давлении при формовании, используют такие типы экструдеров, как дисковые или шнеково-дисковые.

Одношнековый экструдер, который вы можете рассмотреть на рисунке 1 состоит из цилиндрического корпуса (2), который должен нагреваться при помощи кольцевых электронагревателей (3). Внутрь него помещается шнек (4), который вращается в результате работы электрического двигателя (7) через редуктор (6). Редуктор нужен для ступенчатой регулировки частоты вращения шнека. Вращение шнека может регулироваться также и бесступенчатым способом, но для этого применяются дополнительные устройства.

В процессе работы экструдера в бункер для загрузки сырья (5) засыпают гранулированный полимер, после чего он поступает в цилиндр экструдера. Шнек при вращении продвигает материал по цилиндру. Такой же принцип реализован в обычной мясорубке, с устройством которой мы все знакомы. Только при горячей экструзии материал в цилиндре при движении дополнительно нагревается за счет внешних кольцевых электронагревателей.

Тот участок цилиндра, в котором гранулы полимера еще имеют твердое состояние, называют загрузочным сектором, а там где он начинает расплавляться наступает зона плавления. Участок, при котором наступает плавление пластика и формование из него профиля через формующую головку, называется зоной выдавливания. Формующая головка прикрепляется к фланцу (1). Избыточное тепло от нагревателей в каждой из зон обеспечивается воздушным или водяным охлаждением или специальными кольцевыми нагревателями с охлаждением для экструдеров.

Дефекты пленки и их устранение

Такой сложный процесс, как экструзия пластмасс и полимеров, нечасто может обойтись без погрешностей. В большинстве случаев возникают недочеты, которые необходимо устранить. Поэтому мы рассмотрим основные погрешности при экструзии полиэтилена, а также опишем способы их устранения:

1. Плохая прозрачность пленки. Эта проблема чаще всего решается повышением температуры плавки, а также повышением (или, наоборот, понижением) интенсивности охлаждения. Если ни один из способов не помогает, то остается только сменить марку полиэтилена.
2. Посторонние вкрапления. Для решения этой проблемы нужно проверить, правильно ли хранится сырье (гранулированный полиэтилен), а также протестировать его качество.
3. Полосы на пленке. Чаще всего они бывают продольными, реже – поперечными или хаотичными. Почти всегда это связано с плохим состоянием головки экструдера. Ее необходимо отполировать и очистить от нагара.
4. Потускнение поверхности пленки. Чтобы избавиться от этого неприятного эффекта, нужно снизить температуру плавки, поднять давление во время экструзии, снизить скорость вращения шнека, отполировать головку экструдера.
5. Шероховатость поверхности. Для избавления от этой проблемы можно отполировать головку и повысить температуру плавки, а также подсушить полиэтиленовые гранулы. Но это не всегда помогает, и тогда приходится заменять партию полимера.

Отдельного внимания заслуживает проблема разнотолщинности, которая уже была описана выше. Неравномерная толщина может иметь разный характер, и в зависимости от этого варьируется способ устранения проблемы:

• если раздутый рукав полностью асимметричен, то нужно изменить размер зазора по периметру, а также проверить, равномерно ли прогревается головка экструдера;
• если разнотолщинность проявляется только поперек рукава, то нужно также изменить размер зазора и отрегулировать температуру плавки;
• если разнотолщинность проявляется только вдоль рукава, то нужно изменить скорость его отвода, отрегулировать скорость вращения шнека, параметры температуры и охлаждения.

Нагревательные элементы для цилиндра экструдера

В качестве нагревательных элементов для экструдеров используются кольцевые нагреватели или, как они еще называются, хомутовые нагреватели. Кольцевые ТЭНы изготавливаются под заказ в форме колец или полуколец для более удобного монтажа на цилиндр экструдера. Существует несколько основных разновидностей кольцевых нагревателей для экструдеров:

• Кольцевые керамические нагреватели. Это электронагреватели резистивного типа, в которых нихромовая греющая спираль помещается в пазы керамических стеатитовых изоляторов. Наружный корпус из нержавейки защищает нагреватель от механических повреждений и удобно фиксирует ТЭН на цилиндре при помощи крепежных зажимов. Кольцевые керамические ТЭНы имеют мощность до 9 Вт на см2 и максимальную температуру нагрева в 700°C.
• Кольцевые миканитовые нагреватели. Миканитовые ТЭНы, в отличие от керамических, имеют в качестве изолятора слюдяной материал в виде прессованых пластин. Они характеризуются меньшей мощностью и имеют максимальную температуру нагрева в 350 градусов, однако кольцевые нагреватели данного вида можно изготавливать с различными отверстиями и вырезами для полного прилегания к поверхности цилиндра экструдера.
• Сопловые нагреватели для экструдера. Сопловые стальные и латунные ТЭНы разработаны специально для сопел экструдеров, они имеют совсем небольшие размеры и повышенную мощность и температуру нагрева.
• Кольцевые нагреватели с охлаждением. Миканитовые и керамические кольцевые ТЭНы могут оборудоваться специальными охладительными кожухами с вентиляторами, которые могут быстро охладить нагревательный элемент.
• Алюминиевые литые нагреватели. Литые нагреватели создаются путем заливки в специальной пресс-форме обычного трубчатого электронагревателя. Алюминиевые ТЭНы недорогие, но надежные элементы нагрева. В литых ТЭНах из алюминия может быть также встроенная водяная или воздушная система охлаждения.
• Утепленные кольцевые нагреватели. Кольцевые керамические ТЭНы можно также оборудовать утепляющими кожухами из минерального волокна. При этом потребление электроэнергии такими нагревателями уменьшается почти на 25%, что делает их самыми экономичными из всех кольцевых ТЭНов.

В компании Полимернагрев вы можете заказать изготовление кольцевых нагревателей для экструдера любого типа с индивидуальными характеристиками. Подробнее смотрите на страницах товара в разделе с кольцевыми нагревателями.

Формующие головки экструдера – это особый инструмент, который придает струе расплавленного полимера форму готового изделия. В зависимости от типа готовой продукции формующая готовка может быть круглой формы для выдавливания прутков, кольцевые для формования труб, щелевые для плоских стенок и листов и прочие для более сложных форм. Самыми популярными изделиями из пластика, которые изготавливают на экструдерах, являются пвх-пленки, пластиковые трубы и листы.

Особенности экструзии

Метод экструзии почти одинаков для большинства полимеров. Но температура плавки у каждого своя. Производители полиэтиленовой пленки пользуются расчетными номограммами, чтобы точно определять температуру, при которой плавятся те или иные термопласты. Чаще всего для плавки используются:

• полиэтилен;
• полипропилен;
• поливинилхлорид;
• полиформальдегид;
• полистирол.

В отличие от большинства плавящихся веществ, температура плавления полимеров может колебаться в довольно широком диапазоне. Так, полиэтилен плавится при температуре от 100 до 125°С, а различные виды полипропилена могут требовать температуру от 80 до 170°С. Это обуславливается составом полимеров, а также условиями проведения экструзии.

Экструзия полимеров требует от изготовителя пленки высоких профессиональных знаний. К примеру, поликарбонат и полиметилметакрилат – это полимеры с высокой вязкостью, которые при неосторожном превышении температуры могут потерять свои ключевые свойства.

Как известно, изначально полиэтилен существует в виде порошка. Но для того, чтобы загрузить его в экструдер, нужно сначала добиться гранулированной формы. Для этого проводятся следующие операции:

1. Литье или прессование (иногда применяются другие методы) для получения цельной массы полимера.
2. Плавка с последующим пропусканием через круглые отверстия (диаметр – от 1,5 до 2,5 мм).
3. Нарезка полученной толстой нити на небольшие гранулы.

Только после этого полиэтилен можно загружать в экструдер. Аналогичные операции нужно проделывать и с полипропиленом, а также с некоторыми другими полимерами. Практически любая линия экструзии может работать со всеми полимерами, но машины не в силах сами подстраиваться под изменение материала.

Экструзия рукава с дальнейшим раздувом

Рассмотрим подробнее процесс экструзии рукава пленки с раздувом. Чаще всего такой рукавный способ используют для получения полиэтиленовых пленок низкой плотности. На схеме рисунка 2 вы можете рассмотреть схему получения рукавной пленки методом экструзии с раздувом. Для экструзии рукава нам понадобится экструдер (1) с формующей головкой кольцевого типа, через который будет выдавливаться расплавленный пластик в форме трубы с тонкими стенками (4). Через устройство для подачи воздуха (2) в трубу подается воздух и она под его воздействием растягивается, образуя рукав (5).

Чтобы у полимерного рукава сохранялась постоянная величина толщины пленки и его цилиндрическая форма, пленка раздувается охлажденным воздухом, который поступает через охлаждающее кольцо (3). После раздува рукав из пвх нужно сложить и убрать из него воздух. Для этого используются сжимающие валки (7) и направляющие щеки (6). В дальнейшем пленка передается на наматывающее устройство (9).

Изготовление

Сырьем для пленочной продукции ПНД служит полимер, получаемый в реакции каталитической полимеризации при низком давлении. Изготовление тонких материалов из него при сравнительно малых затратах на производство стало возможно благодаря как его прочности, так и термопластичности: нагревание до определенной температуры позволяет создавать полиэтиленовые изделия практически любой формы и толщины.

Производственный процесс

Пленки из полиэтилена ПЭНД делают по одной из следующих технологий:

1. Прямой экструзией, проходящей методом выдавливания разогретого до плавления гранулированного сырья через плоскую щель экструдера с настройкой нужной толщины готового полотна. После этой операции полученный тонкий слой полиэтилена охлаждается до полного застывания в водяных ваннах либо поливом холодной воды на охлаждаемый вал.
2. Выдувом, а точнее экструзией с раздувом, получают пленку с воздействием воздушных масс, одновременно охлаждающих ее. Таким способом гораздо легче получать очень тонкие пленки, но при этом они получаются более мутные (полупрозрачные).

Виды пленок

Из ПНД делают пленки толщиной от 7-ми до 100 мкм. По толщине их делят на несколько групп, в каждой из которых изделия имеют отличные от других свойства:

1. Толщиной 7-10 мкм, похожие на папиросную бумагу (микротонкие), обладающие высокими изолирующими свойствами и очень малым весом, что требуется для упаковки готовых жирных продуктов.
2. Толщиной 20-30 мкм, способные заменить оберточную бумагу, имеющие большую прочность и защищающие от проникновения жидкостей и газов. Их можно использовать для сырых и замороженных продуктов – рыбы и мяса.
3. Толщиной 40-100 мкм, из которых делают очень прочные пакеты и сумки для супермаркетов.

Также пленочные материалы ПНД различают по конструкции. Это может быть полотно (поставляется листом или рулоном), рукав или полурукав, а также рукав с фальцем и пленка с перфорацией. Эти продукты могут изготавливаться из бесцветного либо окрашенного сырья, а еще иметь нанесенный на них многоцветный рисунок.

Экструзия пленок с поливом на охлаждающий барабан или валки

При данном способе изготовления пленки применяется экструдер (1) с формующей головкой щелевого типа (2), у которой ширина рабочей части составляет около 1,5-1,8 м. Выдавливаемый из формующей головки расплавленный пластик в виде тонкой пленки переходит на охлаждающиеся водой валки (3), где быстро остывает. Толщина пленки регулируется толщинометром (4) и переходит на намоточное устройство (6) через аппарат для обрезки кромок (5). При данном способе производства пленки, готовая пленка будет более прозрачной, чем при рукавном способе производства, плюс к этому тут нет риска склейки пленки и намного легче контролировать ее толщину и намотку.

Описание книги Теория и практика экструзии полимеров:

В учебном пособии рассмотрены теоретические основы и практические аспекты процесса экструзии полимеров. Описаны конструкции и дан расчет одношнековых, двухшнековых и дискошнековых экструдеров, формующего инструмента и агрегатов для производства пленок, листов, труб, и профильных изделий.

Для студентов, аспирантов и преподавателей ВУЗов, занимающихся подготовкой специалистов в области оборудования и технологии переработки полимерных материалов, а также для инженерно- технических работников КБ, НИИ и заводов по переработке пластмасс.

Автор:	Ким. В.С.
Издательство:	«Химия», «КолосС»
Издано:	Москва, 2005 год
Код УДК:	678.059.7(075.8)
ISBN	5-98109-019-7 («Химия»)
ISBN	5-9532-0231-8 («КолосС»)
ББК	35.710.я73
Скачать:	PDF

Экструзия пленок способом полива в ванну с водой

Такой метод еще больше повышает качество пластиковой пленки, в сравнении с предыдущими двумя способами. В этом случае при выходе пленки из формующей головки она попадает в ванну с водой, где моментально застывает и охлаждается.

Для повышения качества полученных методом плоскощелевой экструзии пленок из таких типов полимеров, как поливинилхлорид, полиолефин, сарана или другого типа термопластичных пластмасс, их нужно дополнительно подвергнуть процессу вытяжки. Вытяжка может быть продольной или поперечной. При поперечном типе вытяжки полимерной пленки устройство для вытягивания должно быть оборудовано захватными зажимами, которые должны растягивать пленку после нагревания. Продольный же тип вытяжки просто пропускает пленку через систему валов с нагревом, которые вращаются с разной скоростью. После растяжки пленка проходит термофиксацию при поддерживании заданных габаритов.

Применение

Химическая промышленность

В химической промышленности метод экструзии применяется для нагрева, пластификации, гомогенизации и придания необходимой формы исходному сырью. Химический состав конечного продукта при этом идентичен химическому составу исходного сырья, что позволяет добиваться стабильного качества продукта прибегая при этом к минимальному количеству настроек экструдера, этим объясняется относительная простота машин, работающих в химической промышленности.

Методом экструзии в химической промышленности изготавливают различные погонажные изделия, такие как трубы, листы, плёнки, оболочки кабелей, элементы оптических систем светильников — рассеиватели и т. д.

Пищевая промышленность

В пищевой промышленности метод экструзии применяется намного шире. В ходе процесса под действием значительных скоростей сдвига, высоких скоростей и давления, происходит переход механической энергии в тепловую, что приводит к различным по глубине изменениям в качественных показателях перерабатываемого сырья, например денатурация белка, клейстеризация и желатинизация крахмала, а также другие биохимические изменения. Простейший экструдер, применяемый в быту — кондитерский рукав, механический экструдер — ручная мясорубка.

Продукты, получаемые на пищевых экструдерах

• традиционная жевательная резинка[1]
• пельмени
• кукурузные палочки
• подушечки и трубочки с начинкой
• хрустящие хлебцы и соломка
• фигурные сухие завтраки
• хлопья кукурузные и из других злаков
• быстрозавариваемые каши
• детское питание
• фигурные чипсы
• экструзионные сухарики
• мелкий шарик из риса, кукурузы, гречи, пшеницы, для наполнения и обсыпки шоколадных изделий, мороженого и других кондитерских изделий
• пищевые отруби
• набухающая мука, панировка
• продукты вторичной переработки хлеба
• соевые продукты: соевый текстурат, концентрат (применяются в производстве колбасы, сосисок, котлет и т. д.), кусковые соевые продукты (фарш, гуляш, бифштекс, тушенка и т. д.)
• продукты переработки отходов животноводства
• модифицированный крахмал
• реагент на основе крахмала применяемый в нефте- и газодобыче
• строительные крахмалсодержащие смеси
• основы для клеев

Комбикормовая промышленность

Экструдирование — процесс происходящий в стволе экструдера, при котором происходит механическое перемалывание за счет трения, высокотемпературное воздействие при высоком давлении на кормовое сырье (температура от 110 до 160 градусов и давление от 20 до 30 атмосфер). В процессе такого воздействия, происходит расщепление сложных углеводов на простые сахара, что обеспечивает существенное улучшение органолептических показателей корма, а также повышает усвояемость кормов (от 45 % при традиционных видах обработки до 95 %).

• полножирная соя
• зерновые экструдаты
• корма для КРС, свиней, кроликов
• корма для кошек, собак, домашних грызунов, крупного рогатого скота
• корма для промысловых и аквариумных рыб

Производство твердого биотоплива

Одним из наиболее популярных методов получения топливных брикетов является использование специальных экструдеров. Процесс предствляет собой прессование шнеком отходов (шелухи подсолнечника, гречихи и т. п.) и мелко измельченных отходов древесины (опилок) под высоким давлением при нагревании от 250 до 350 С°. Получаемые топливные брикеты не включают в себя никаких связующих веществ, кроме одного натурального — лигнина, содержащегося в клетках растительных отходов. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится более прочной, что немаловажно для транспортировки брикета.

Производство многослойных полимерных пленок

Очень часто бывает необходимо получить пленки из полимеров, которые имеют несколько слоев. Такие многослойные пленки могут быть также комбинированными, когда в один из слоев закладывается неполимерный материал, к примеру, бумага или алюминиевая фольга.

В процессе изготовления многослойных пленок при нанесении полимера на подложку применяют плоскощелевые формующие головки. При размягчении пленка попадает на подложку и спрессовывается при прохождении через валки. Подложка должна при этом нагреваться для повышения адгезии к ней пленки. Такая технология применяется для производства многослойных пленок с полипропиленовыми, полиэтиленовыми, полиамидными и другими полимерными покрытиями.

Многослойные пленки могут производиться также комбинированным способом с сочетанием экструзии и нанесением клеевого, лакировочного или прочих типов покрытий другими способами. К примеру, так производится лакированный целлофаном поливинилхлорид, в итоге чего получается легкосвариваемый материал.

Экструзионная технология нанесения покрытия состоит из двух стадий:

1. Стадия нанесения тонкого слоя лака
2. Нанесение утолщенного слоя дисперсии поливинилхлорида, которое производится после полного высушивания лака

Такой способ производства применяют при покрытии фольги из алюминия или полистироловых и полипропиленовых толстых пленок для упаковки лекарств, молока или порошков.

Что такое экструзия при производстве пластиковых пакетов?

Экструзия – это изготовление полимерной пленки, заключающееся в плавлении полимера (например, полиэтилена), в результате которого он превращается в изделие заданной формы и размера, например, пакет-майка.

Применяется экструзия литой пленки и с выдуванием

Литая пленка используется для упаковки пищевых продуктов и текстиля, обертывания цветов, ламинации других материалов и т.п. Получение литой пленки сочетается с операцией соэкструзии, представляющей собой одновременную экструзию двух и более материалов из одной матрицы для образования многослойного материала. Применение пластиковой пленки требует высокого уровня прочности. Если пленка состоит только из одного материала, то необходимой прочности невозможно достигнуть.

Рекомендуемые товары

Процесс экструзии литой пленки заключается в прохождении расплавленного полимера через плоскую матрицу, чтобы принять нужную форму. Матричная система состоит из матрицы и блока подачи, если процесс основан на технологии соэкструзии, или обычной матрицы при монослойной экструзии.

Процесс заключается в подаче гранул с применением гравиметрической системы подачи на один или несколько экструдеров. После этого материалы расплавляют, перемешивают с экструдерами, фильтруют и подают в матричную систему. После выхода из матрицы расплавленное сырье поступает в охлаждающий блок, его температура снижается при взаимодействии с холодной водой через охлаждающий валик.

При получении литой пленки степень вытяжки и ориентации ниже, чем в процессе изготовления выдувной.

При изготовлении пакетов отсутствует необходимость в применении плотных пленок для первичного материала. Экструзия с выдуванием пленки — самый распространенный процесс, с помощью которого осуществляется изготовление материала именно для пакетов.

В производственной линии на начальном этапе применяется один или несколько экструдеров для нагрева гранул полиэтиленового пластика до высокой температуры и их расплавления.

После этого осуществляется непрерывное выдувание пластика до размеров, в несколько раз превышающих первоначальный диаметр матрицы с образованием тонкой трубчатой пленки.

Пластиковый расплав экструдируется через матрицу вертикально снизу наверх, а в полученный пузырь вводится воздух через отверстие в центре формующей головки для наполнения объема пузыря как воздушного шара.

Для охлаждения пленки сверху матрицы размещается воздушное кольцо, поступающее через каналы от мощного вентилятора. Трубчатый пузырь, внутри которого поддерживается постоянное атмосферное давление, передвигается вверх, остывает на открытом воздухе, затем проходит через прижимные валики, которые сплющивают трубку в полотно, образовывая единую ленту.

Коэффициент расширения между матрицей и выдувной трубой пленки в 1,5-4 раза больше диаметра матрицы.

При необходимости автоматическая линия производства пакетов оснащается машиной для флексографической печати для графического оформления упаковки. Для облегчения качественного прилипания красок на поверхность проводится предварительная поверхностная обработка. Коронирование самый распространенный метод, увеличивающий поверхностную энергию пленки и натяжение.

Намоточные машины применяются для преобразования экструдированной пленки в рулоны. Материал должен сохранять свои свойства и размеры, т.к. на следующем этапе из этих рулонов формируют пакеты.

Компонентами линии управляет компьютеризированная система.

Главный компьютер – центр, объединяющий и управляющий всеми компонентами линии в организованном порядке.

Основные задачи компьютера:

1. Управление запуском, выключением и скоростью линии.
2. Контроль массы материала, направляемой в экструдеры, контроль скорости работы экструдера, что важно для поддержания его постоянной пропускной способности.
3. Управление температурным режимом.
4. Контроль натяжения полотна.
5. Хранение и анализ данных.
6. Управление системой сигнализации.

Обработка пакетов после экструзии

С внешней стороны края такого рукава обрабатывает специальное устройство – коронатор, обрабатывающий поверхность рукавов коронными разрядами тока. Необходимо при последующем нанесении флексопечати.

При нанесении краски на поверхность пленки без применения коронаторов она не будет долго держаться. При обработке коронаторами между поверхностью и слоем наносимой краски возникает валентная связь, позволяющая удерживать краску в нужном месте пленки, и сохраняющая первоначально созданную форму.

Производство пластиковых труб

Термопласты часто используются при производстве пластиковых труб на экструдерах. Экструзионные машины для труб обычно имеют одношнековую или двухшнековую структуру с кольцевой формующей головкой. В оборудование для формовки труб входят также устройства калибровки и растяжки, пилы для нарезания труб определенной длины и оборудование для намотки труб.

Формующая головка экструдера для производства пластиковых труб имеет сложную конструкцию, которая обусловлена необходимостью размещения внутри нее дорна для формирования полости. Через дорн в трубу подается сжатый воздух, таким образом формируется нужный диаметр трубы.

Источник