Особенности конструкции экструзионного оборудования

Автор: Артем ТРЕТЬЯКОВ, к. т. н.

Экструзионное оборудование применяется для получения полимерных и полиэтиленовых пленок, листов, различных профильно-погонажных и выдувных изделий. При помощи экструдеров наносят тонкие полимерные покрытия на бумагу, изоляцию на провода и кабели проводят соэкструзию многослойных пленок, в частности,используемых при производстве полиэтиленовых пакетов.

Все экструзионное оборудование можно классифицировать на три группы: червячные экструдеры, бесчервячные и дисково-червячные. Внутри каждой группы существует огромное разнообразие конструкционных решений.

Червячные экструдеры

Благодаря своей универсальности наиболее широкое распространение получили червячные экструдеры. Основными характеристиками экструдеров этого типа являются диаметр и скорость вращения шнека, отношение его длины к диаметру (L/D), его геометрические характеристики. Большинство универсальных экструдеров имеют L/D в интервале 20–25. При увеличении длины червяка повышается время, а также интенсивность теплового воздействия на перерабатываемый материал. Короткие червяки применяют в экструдерах, производящих трубы, профильные изделия, листы, при экструзионно-выдувном формовании. Длинные шнеки используют в экструзионных установках для производства полиэтиленовой пленки, волокон, изоляции, гранулировании полимеров и нанесении полимерных покрытий на подложки. По геометрическим параметрам шнеки в экструдерах могут быть однозаходные, многозаходные, с постоянным или переменным шагом, с постоянной или переменной глубиной винтового канала. Это зависит от перерабатываемого материала и продукции, которая производится. При переработке термопластов в основном применяют червяки с постоянным шагом и переменной глубиной канала. Такая геометрия дает большую производительность, кроме того, червяки с постоянным шагом просты в изготовлении. Шнек можно разделить на три основные зоны: зону загрузки, зону сжатия и зону дозирования. Участок, где перемещаются нерасплавленные частицы полимера называют зоной загрузки; участок, где полимер плавится и гомогенизируется — зоной сжатия, а участок, который обеспечивает подачу расплава в головку экструдера, — зоной дозирования. Конструкция червяка определяет геометрию каждой из зон. Поэтому в зависимости от того, какой материал будет перерабатываться, подбирается шнек определенной конфигурации. Для переработки пластмасс (полиолефинов) применяют шнек с длинной зоной загрузки (13D), имеющей постоянную глубину винтового канала, короткой зоной сжатия длиной до 1D с переменной глубиной винтового канала, зоной дозирования длиной 10D с постоянной глубиной нарезки. Для переработки ПВХ и полистирола рекомендуется более глубокий канал в зоне загрузки.

Шнеки в одночервячных экструдерах применяют в основном одностадийные, двухстадийные используют для дегазации материала в процессе переработки. В двухстадийных шнеках выделяют следующие зоны: зона загрузки, зона сжатия, зона дозирования, зона дегазации, зона сжатия и зона дозирования. Степень декомпрессии, то есть отношение объема винтовых каналов (по длине в один шаг) в зоне дегазации к объему каналов в зоне дозирования, составляет 3–5.

Двучервячные экструдеры

При переработке порошкообразных и термочувствительных полимерных материалов, компаундировании термопластов с различными добавками и модификаторами, окрашивании полимеров в массе (то есть диспергировании пигментов в объеме полимера), удалении излишков влаги и мономеров из полимера применяют двухчервячные экструдеры. Также как одночервячные машины, многочервячные характеризуются отношением длины червяков к их диаметру. Это отношение может изменяться в пределах от 8 до 30 в зависимости от проводимого процесса и перерабатываемого материала. На двухчервячных экструдерах используют винтовые цилиндрические и конические червяки, а также червяки, в которых винтовые секции чередуются с кулачковыми. Известны экструдеры, у которых червяки с одинаковой нарезкой вращаются в одну сторону и экструдеры, у которых шнеки с разнонаправленной нарезкой вращаются в разные стороны. Машины, червяки которых вращаются в одну сторону, обеспечивают лучшее качество смешения, но имеют меньшую производительность по сравнению с экструдерами, у которых шнеки вращаются в разные стороны. По характеру зацепления разделяют зацепляющиеся и незацепляющиеся червяки.

У двухчервячных экструдеров зона загрузки имеет гораздо большую емкость нежели зона сжатия, что дает возможность перерабатывать не только гранулированный материал. Эти машины отличаются меньшей склонностью к налипанию материала на червяк, характерной для одночервячных экструдеров. Перемешивание в двухчервячном экструдере происходит достаточно интенсивно с выделением большого количества тепла и летучих веществ. Поэтому их снабжают несколькими вакуумными отсосами.

Помимо двухчервячных экструдеров встречаются трех- и четырехчервячные. Однако из-за сложности конструкции и, как следствие этого, сложности в обслуживании, они не нашли широкого применения.

Наряду с горизонтальными экструдерами выпускают вертикальные. Они имеют оптимальные условия загрузки полимерного материала, а, следовательно, высокую объемную производительность. Сырье загружается через воронку, которая установлена в самом верху материального цилиндра и тут же захватывается червяком, конец которого вращается в загрузочной воронке. Такой экструдер обеспечивает передачу больших крутящих моментов. Однако он имеет недостатки, связанные со сложностью уплотнения между хвостовиком шнека и материальным цилиндром, ведь расплав полимера движется именно в сторону хвостовика и создает давление в зоне уплотнения. Наряду с вертикальными существуют экструдеры с вертикальным и горизонтальным пересекающимися цилиндрами. Материал пластифицируется в вертикальном цилиндре, затем подается в горизонтальный. Такая конструкция позволяет достичь высокой производительности экструзионного оборудования, уменьшив размеры экструдера. В таком угловом экструдере удается провести дегазацию материала при подаче из вертикального цилиндра в горизонтальный и обеспечить высокую степень гомогенизации.

Для переработки ПВХ применяют экструдеры с коническим червяком и, соответственно, коническим материальным цилиндром. Угол в вершине конуса составляет 60°. Такой экструдер может использоваться в качестве смесителя.

При переработке эластомеров, некоторых термопластичных смол и каучука требуются повышенные деформации и напряжения сдвига. Для обеспечения таких условий переработки применяют планетарные экструдеры. В зоне загрузки такого экструдера червяк имеет глубокий винтовой канал; в зоне пластификации помимо центрального червяка вращаются несколько планетарных, которые имеют зацепление с центральным червяком и нарезанной частью материального цилиндра, в зоне дозирования находится только центральный червяк.

В пластифицирующих экструдерах плавление может идти по двум разным механизмам. В первом случае плавление полимера происходит за счет тепла, передаваемого от цилиндра экструдера к твердым частицам полимера. Это характерно для червячных экструдеров. Скорость и эффективность этого процесса зависит от площади поверхности цилиндра экструдера, передающей тепло полимеру, от теплопроводности самого полимера, а также от характера движения полимера внутри винтового канала шнека. Во втором случае тепловая энергия, необходимая для плавления полимера, образуется в результате превращения механической энергии, затраченной на деформацию твердых частиц полимера. При этом полимер в результате длительного механизма передачи ему тепла длительный промежуток времени находится в материальном цилиндре. Вследствие этого возможны перегревы полимера, которые приводят к деструкции в местах высоких температур.

Бесчервячные экструдеры дают возможность перерабатывать пластики за счет превращения механической энергии в тепловую, тем самым снижая время нахождения полимера в экструдере.

Дисковые экструдеры простые по конструкции, требуют низких энергозатрат, однако их недостатком является весьма низкое давление полимера, что ограничивает их применение в основном для грануляции и смешения.

На правах рекламы

Продажа полиэтиленовых пакетов типа фасовка и майка (ПНД)

Производитель полиэтиленовых пакетов продает пакеты типа майка и фасовочный (ПНД) по оптовым ценам со своего склада и с доставкой по Москве и области.

Дисково-червячные экструдеры

К комбинированным экструдерам относятся дисково-червячные экструдеры. Они совмещают в себе достоинства этих двух видов машин: высокую пластикационную и гомогенизирующую способности, малое время пластикации полимера, высокое давление расплава на выходе. Такие экструдеры в начале имеют диск, за которым находится шнек, причем приводы на шнек и диск могут быть раздельными.

Рабочими характеристиками экструдеров являются производительность, давление расплава, потребляемая мощность, скорость вращения. Производительность экструдера имеет линейную зависимость от скорости вращения червяка. То же касается и дисковых экструдеров. Чем выше скорость вращения, тем выше производительность. Однако, при этом следует учитывать всю совокупность факторов, влияющих на процесс. Например, для получения продукции методом экструзии расплав полимера продавливают через формующую головку. Она оказывает сопротивление проходящему через нее расплаву, следовательно, производительность экструдера зависит от головки, ее конфигурации и параметров.

Величина мощности экструдера важна для производителя, в первую очередь, с точки зрения предварительной оценки экономичности производства. Мощность экструдера разделяется на две составляющие: мощность обогрева и мощность привода. Скорость вращения червяка позволяет управлять процессом экструзии, повышая производительность без потери качества. В данном случае эффективная работа достигается при оптимальной скорости вращения, которая помимо производительности влияет на давление и температуру расплава.