Основные процессы переработки: экструзия и каландрование

Экструзия

Процессы экструзии предназначены для непрерывного производства изделий высокого качества и точных раз­меров с требуемой производительностью. В экструдере исходный материал, подаваемый в виде гранул, порош­ка, лент, а иногда и расплава, превращается в гомоген­ный расплав с заданной температурой. Экструдер, в ко­тором полимер расплавляется и гомогенизируется, яв­ляется основной машиной промышленных линий, на ко­торых осуществляется ряд взаимосвязанных операций технологического процесса переработки. Некоторые из этих операций приводятся на рис. 32.

Все стадии про­цессов, базирующихся на экструзии, несмотря на значи­тельные различия между этими процессами, можно раз­делить на следующие стадии: а) пластикация материала в экструдере; б) процесс формования расплава, заклю­чающийся в том, что материалу с помощью головки (фильеры) придается определенная форма (в некоторых случаях материал подается на дальнейшую переработ­ку); в) приемка (отвод), отделка, резка и намотка про­дукта; г) вторичная переработка отходов производства.

Краткое описание конструкции экструдера

Экструзия — достаточно старый и хорошо известный тех­нологический процесс. Ее применяют в различных отра­слях производства для переработки самых разных мате­риалов — от изготовления макарон до изготовления ке­рамических труб. Любой, кто выдавливал зубную пасту из тюбика или пользовался мясорубкой, воспроизводил экструзионные процессы, в первом случае — плунжер­ную, периодическую экструзию, а во втором — червяч­ную (шнековую), непрерывную.

Для переработки полимерных материалов экструде-ры начали применять в 1845—1850 гг. С их помощью на медную проволоку наносили гуттаперчу для получе­ния изолированных проводов и кабелей.

Первые экструзионные машины были плунжерными и имели существенный недостаток, состоящий в дискрет­ности рабочего процесса. В настоящее время плунжер­ные машины используют лишь в редких случаях, напри­мер, когда необходимо обеспечить очень высокие дав­ления. Применение так называемых многокаскадных машин (экструдеров с несколькими плунжерами, рабо­тающими последовательно) частично решает вопрос обе­спечения непрерывности процесса, однако при этом резко возрастает стоимость и усложняется конструкция обору­дования.

Переход к червячной, или шнековой, экструзии озна­чал переход от периодического процесса переработки к непрерывному. Первый патент на экструзионную маши­ну с винтом Архимеда был выдан в 1879 г. Грею в Анг­лии. Почти в то же время шнековая машина была создана

в США. А уже в конце XIX — начале XX века фирмы «Shaw and Iddon» в Англии и «Troester» в Гер­мании начали промышленный выпуск червячных (шнековых) экструдеров. Первые серийные машины мало от­личались по конструкции от экструдера, запатентован­ного Греем в 1879 г. Исходное сырье подавали в виде предварительно разогретых полосок, для обогрева мате­риального цилиндра применяли пар.

В 1920—1930 гг. появилось большое количество но­вых полимерных материалов, и существовавшее экструзионное оборудование перестало отвечать предъявляе­мым к нему требованиям. В частности, шнеки машин были слишком короткими, чтобы обеспечить нужную температуру расплава. Одной из первых машин, скон­струированных специально для переработки термопла­стов, был экструдер, построенный в 1935 г. Тростером. Несколько лет спустя, в 1937—1938 гг., аналогичная ма­шина была изготовлена Ф. Шоу. Этот экструдер обла­дал более длинным шнеком, нагрев осуществлялся элек­трическими нагревателями или с использованием масла в качестве теплоносителя. Приблизительно в это же время стали использовать шнеки с переменной частотой вращения и системы автоматического регулирования температуры. Экструдеры,

изготовленные в 1938 г. Тро­стером, уже мало отличались от современных машин.

Одношнековый экструдер

Одно из основных достоинств машин этого типа — отно­сительная простота конструкции и, как следствие этого, низкая стоимость. В связи с этим одношнековые экструдеры очень широко используются в современной хими­ческой технологии. Одношнековый экструдер (рис. V. 2) состоит из шнека специальное профиля 1, который пе­ремещает полимер, загружаемый обычно в виде гранул или порошка, от загрузочной воронки в зону питания и далее, вдоль нагретого материального цилиндра. Во время этого продвижения полимер плавится. Плавление происходит как за счет тепла нагретых стенок цилиндра, так и за счет тепла, диссипированного при механической работе шнека. Расплав полимера продавливается через экструзионную головку и приобретает заданную форму. Для того чтобы получить расплав с высокой степенью гомогенизации, работа экструзионной установки должна быть идеально стабильной и протекать в равновесном режиме. Это, однако, практически никогда не реали­зуется, и существует ряд факторов, от которых зависят производительность экструдера и качество экструдата. Эти факторы (или параметры) можно разделить на два типа: а) конструктивные параметры; б) динамические, или рабочие, параметры, которые определяют режим работы экструдера.

Оценить и учесть степень влияния всех параметров на процесс экструзии крайне сложно. Вследствие этого большинство экструзионных установок работает с произ­водительностью, намного меньшей максимально возмож­ной. Естественно, это снижает эффект от использо­вания шнеков оптимальных конструкций. Во многих процессах, например в выдувном формовании или экстру­зии пленок, производительность линии определяется вре­менем, необходимым для охлаждения отформованных заготовок. При очень высоких скоростях экструзии могут возникать колебания расхода (производительности). В этих условиях особую важность приобретают такие вопросы, как правильный выбор исходного сырья и кон­струкции оборудования.

Конструктивные параметры

Значения этих параметров заранее подбираются такими, чтобы обеспечить максимально возможную эффектив­ность работы установки. Они не могут быть изменены без остановки процесса. Эти параметры определяют гео­метрию узлов и деталей. К ним относятся диаметр, длина шнека и глубина его нарезки, конструкции загру­зочной воронки, головки, материального цилиндра, а также природа и фазовое состояние перерабатываемого полимера.

Перерабатываемые термопласты существенно разли­чаются по своим механическим и теплофизическим свой­ствам. Очевидно, что конструкция шнека, оптимальная для переработки одного полимера, может не подходить для другого. Идеально было бы располагать специаль­ными шнеками для всех типов полимеров.

Типичный шнек состоит из трех зон: зоны питания, зоны сжатия, или пластикации, и зоны дозирования, или зоны нагнетания расплава (рис.33 , а).

На рис. 33, б и в показаны профили шнеков специальной конструкции, предназначенные для переработки полимеров, обладающих специфическими характеристиками. На рис. Б изображен шнек для экструзии найлона и других материалов с узким интервалом температьур плавления и низкой вязкостью расплава. Шнек для переработки ПВХ, изображенный на рис.33 в,

используют также для экструзии других материалов с повышенной чувствительностью к тепловым воздействиям.

Рисунок 33 Основные типы шнеков (D – наружный диаметр шнека):

а – шнек общего назначения, с тремя геометрическими зонами («каскадами»); б – шнек для переработки полиамида (найлона); в – шнек для экструзии ПВХ