1. Процесс экструзии полимерных материалов
Экструзия - способ получения изделий или полуфабрикатов из полимерных материалов (в виде гранул или порошка) неограниченной длины путем выдавливания расплава полимера через формующую головку (фильеру) нужного профиля. Методом экструзии производятся любые изделия, начиная от полимерных пленок и заканчивая дренажными трубами диаметром до 3 м. В состав любой экструзионной линии обязательно входит экструдер, формующий инструмент (фильера), устройство охлаждения и устройство непрерывной протяжки изделия, а также отрезающая машина и укладчик (укладчик).
2. Экструдер
Экструдер - это машина для размягчения материалов и придания им формы путём продавливания через профилирующий инструмент (т. е. экструзионную головку), сечение которого соответствует конфигурации изделия. Экструдер в простейшем виде представляет собой трубу, в которой свободно вращается шнек, приводимый в движение электродвигателем через редуктор.
На трубе закреплены электрические нагреватели, обеспечивающие первоначальный разогрев материала и поддержание температуры в процессе работы. У каждого типа экструдера определенное количество зон нагрева.
Шнек экструдера имеет определенное количество функциональных зон. Обычно хорошее оборудование включает зону загрузки материала, зону расплава, барьерную зону, зону перемешивания. Основная функция шнека - транспортировка материала. Нагреватели разогревают материал до состояния расплава. Наиболее распространенная ошибка начинающих производителей – разогрев экструдера при запуске на высоких температурах ( «выше температура – быстрее разогреем»). При этом забывают, что процесс разогрева материала медленный - ТЭНы разогревают цилиндр, который передает тепло материалу, находящемуся внутри, а датчики температуры показывают не температуру материала, а температуру цилиндра. Поэтому разогрев экструдера следует производить медленно, в течение 3-4 часов при температуре на 20-30°С ниже требуемой по технологическому процессу, а затем в течение 30-60 мин в рабочем режиме. В этом случае достигается уравновешенный режим - температура материала уравнивается с температурой цилиндра и оператор наблюдает реальную картину процесса. При быстром разогреве на повышенных температурах и последующем снижении до рабочих режимов и последующем запуске экструдера, как правило, возникает аварийная ситуация:
- в лучшем случае экструдер начинает работать и продавливать материал через головку, но последствия такого ускоренного запуска проявляются в течение нескольких часов в виде черных вкраплений на поверхности изделия - с поверхности цилиндра отслаивается нагар, появившийся в результате действия повышенных температур.
- в худшем случае нерасплавленный материал из внутренней полости цилиндра и из шнека продавливает фильтр, который устанавливается на выходе экструдера перед экструзионной головкой и представляет собой мелкоячеистую сетку из металлической проволоки. Фильтр препятствует выходу из экструдера недорасплавленных частиц материала и создает дополнительное сопротивление потоку, обеспечивающее более полное перемешивание и получение высокогомогенного расплава.
3. Экструзионные головки (фильера)
Экструзионная головка (фильера) - это профилирующий инструмент, придающий расплаву полимера, покидающего рабочий цилиндр экструдера, необходимую форму. Экструзионные головки изготавливаются под каждый конкретный вид изделия и подразделяются на трубные головки, головки для выдува пленки, плоскощелевые головки для пленки, листовых материалов и ламинаторов, фильеры сложной формы для профилей панелей и пр. К головке предъявляются определенные требования, основные из которых: обеспечение равномерности подачи гомогенизированного расплава к формующему каналу; отсутствие зон «застоя» в каналах; жесткость и размерная стабильность профилирующих элементов; возможность регулирования теплового и реологического режимов перерабатываемых расплавов, простота и надежность присоединения пластикаторов. Головки изготавливаются из высококачественной инструментальной стали с хромированием и полировкой внутренних поверхностей. Наиболее часто используются головки спиральной структуры. В них материал из входного отверстия распределяется по нескольким спиральным каналам специально подобранного профиля, которые создают вихревые потоки на выходе (в камере расширения или сброса давления) для еще более лучшего перемешивания расплава. Затем материал продавливается через кольцевую фильеру строго заданного сечения и на выходе головки получается непрерывная заготовка трубы.
Обычно трубные головы комплектуются сменным инструментом - дорном (внутренний цилиндр) и матрицей (внешний цилиндр) для каждого диаметра трубы. Для труб с различной толщиной стенки (например PN10, PN16, PN20) каждый типоразмер матрицы комплектуется тремя дорнами для задания разных сечений фильеры. Это необходимо для того, чтобы более рационально согласовать параметры работы линии. Кроме того, следует учитывать тот факт, что при большом сечении фильеры можно изготавливать как трубы с большой толщиной стенки, так и тонкостенные. При малом сечении фильеры трубу с толщиной стенки больше, чем сечение фильеры, получить практически невозможно.
4. Калибраторы
Для калибровки внешней поверхности изделий применяются вакуумные калибраторы. При вакуумной калибровке заготовка изделия выдавливается из фильеры при температуре расплава 200 - 230°С и протягивается через калибровочную головку.
На входе в калибровочную головку заготовка по всей поверхности смачивается водой, которая выполняет роль смазки, улучшая скольжение материала по поверхности головки.
Регулировкой подачи воды добиваются оптимального режима на входе материала в головку. За счет создаваемого в ванне калибратора вакуума заготовка плотно прижимается к полированной поверхности калибровочной головки и интенсивно охлаждается водой до температуры около 80°С (ниже точки кристаллизации) и сохраняет в дальнейшем требуемую форму внешней поверхности.
Дальнейшее охлаждение материала происходит в ванне калибратора за счет поверхностного контакта с распыляемой форсунками водой. При необходимости устанавливаются дополнительные ванны охлаждения.
Такой метод калибровки применяется при производстве труб, профилей, панелей и других погонажных изделий.
На качество калибровки оказывают влияние четыре фактора - уровень вакуума в ванне, расход воды для смазки, температура воды и интенсивность охлаждения.
При производстве гофрированных труб с гладкой внутренней поверхностью применяется способ калибровки под давлением - калибровка внутренней поверхности. В этом случае внутрь трубы подается сжатый воздух для создания давления и лучшего прижима к внешним формующим тракам. Внутри трубы располагается калибровочная насадка, которая обеспечивает подпор воздуха для создания давления, а также калибровку и полировку внутренней поверхности трубы.
