Ekstruzija plastike je proizvodni proces velike količine u kojem se sirova plastika topi i oblikuje u kontinuirani profil. Ekstruzija proizvodi artikle kao što su cijevi/cijevi, vodootporne trake, ograde, ograde na palubi, okviri prozora, plastične folije i folije, termoplastični premazi i žičane izolacije.
Ovaj proces počinje ubacivanjem plastičnog materijala (peleta, granula, pahuljica ili praha) iz spremnika u cijev ekstrudera. Materijal se postupno topi mehaničkom energijom koja se stvara okretanjem vijaka i grijačima postavljenim duž cijevi. Rastaljeni polimer se zatim gura u kalup, koji oblikuje polimer u oblik koji se stvrdnjava tijekom hlađenja.
POVIJEST
Ekstruzija cijevi
Prvi prethodnici modernog ekstrudera razvijeni su početkom 19. stoljeća. Godine 1820. Thomas Hancock izumio je gumeni "žvakač" dizajniran za vraćanje prerađenih ostataka gume, a 1836. Edwin Chaffee razvio je stroj s dva valjka za miješanje aditiva u gumu. Prvu ekstruziju termoplasta izveli su 1935. Paul Troester i njegova supruga Ashley Gershoff u Hamburgu, Njemačka. Ubrzo nakon toga, Roberto Colombo iz LMP-a razvio je prve dvopužne ekstrudere u Italiji.
PROCES
U ekstruziji plastike, sirovi složeni materijal obično je u obliku zrnca (malih kuglica, često zvanih smola) koje se gravitacijom dovode iz gornjeg lijevka u cijev ekstrudera. Aditivi kao što su bojila i UV inhibitori (bilo u tekućem obliku ili u obliku kuglica) često se koriste i mogu se umiješati u smolu prije nego što stignu u spremnik. Proces ima mnogo toga zajedničkog s brizganjem plastike s aspekta tehnologije ekstrudera, iako se razlikuje po tome što je obično kontinuirani proces. Dok pultruzija može ponuditi mnoge slične profile u kontinuiranim duljinama, obično s dodatnim ojačanjem, to se postiže izvlačenjem gotovog proizvoda iz matrice umjesto istiskivanjem taline polimera kroz matricu.
Materijal ulazi kroz ulazno grlo (otvor blizu stražnjeg dijela cijevi) i dolazi u kontakt s vijkom. Rotirajući vijak (obično se okreće npr. 120 okretaja u minuti) tjera plastične kuglice naprijed u zagrijanu bačvu. Željena temperatura ekstruzije rijetko je jednaka postavljenoj temperaturi bačve zbog viskoznog zagrijavanja i drugih učinaka. U većini procesa, profil grijanja postavljen je za bačvu u kojoj tri ili više neovisnih PID-kontroliranih zona grijača postupno povećavaju temperaturu bačve od stražnje strane (gdje ulazi plastika) prema prednjoj strani. To omogućuje da se plastične kuglice postupno tope dok se guraju kroz cijev i smanjuje rizik od pregrijavanja koje može uzrokovati degradaciju polimera.
Dodatnu toplinu doprinosi intenzivan pritisak i trenje unutar cijevi. Zapravo, ako linija za ekstruziju pokreće određene materijale dovoljno brzo, grijači se mogu isključiti i temperatura taline održavati samo pritiskom i trenjem unutar bačve. U većini ekstrudera prisutni su ventilatori za hlađenje koji održavaju temperaturu ispod zadane vrijednosti ako se stvara previše topline. Ako se prisilno hlađenje zrakom pokaže nedostatnim, upotrebljavaju se uliveni rashladni plašti.
Plastični ekstruder prerezan na pola da se vide komponente
Na prednjem dijelu bačve rastaljena plastika napušta vijak i putuje kroz sito kako bi uklonila sve onečišćenja u talini. Zasloni su ojačani prekidnom pločom (debela metalna pločica s mnogo rupa izbušenih kroz nju) budući da tlak u ovoj točki može premašiti 5000 psi (34 MPa). Sklop rešetkastog paketa/razbijajuće ploče također služi za stvaranje protutlaka u cijevi. Protivpritisak je potreban za ravnomjerno taljenje i pravilno miješanje polimera, a koliki se pritisak stvara može se "podešavati" promjenom sastava paketa sita (broj sita, veličina njihove žice i drugi parametri). Ova kombinacija razbijajuće ploče i sita također eliminira "rotacijsku memoriju" rastaljene plastike i umjesto toga stvara "uzdužnu memoriju".
Nakon prolaska kroz razbijajuću ploču rastaljena plastika ulazi u matricu. Matrica je ono što konačnom proizvodu daje njegov profil i mora biti dizajnirana tako da rastaljena plastika ravnomjerno teče od cilindričnog profila do oblika profila proizvoda. Neravnomjerno strujanje u ovoj fazi može proizvesti proizvod s neželjenim zaostalim naprezanjem na određenim točkama u profilu što može uzrokovati savijanje nakon hlađenja. Moguće je izraditi širok izbor oblika, ograničenih na kontinuirane profile.
Proizvod se sada mora ohladiti, a to se obično postiže provlačenjem ekstrudata kroz vodenu kupelj. Plastika je vrlo dobar toplinski izolator i stoga ju je teško brzo ohladiti. U usporedbi s čelikom, plastika odvodi toplinu 2000 puta sporije. U liniji za ekstruziju cijevi, na zatvorenu vodenu kupelj djeluje pažljivo kontrolirani vakuum kako bi se novoformirana i još rastaljena cijev ili cijev spriječila od kolapsa. Za proizvode kao što su plastične folije, hlađenje se postiže provlačenjem kroz set rashladnih valjaka. Za filmove i vrlo tanke folije, hlađenje zrakom može biti učinkovito kao početni stupanj hlađenja, kao kod ekstruzije puhanim filmom.
Plastični ekstruderi također se intenzivno koriste za ponovnu obradu recikliranog plastičnog otpada ili drugih sirovina nakon čišćenja, sortiranja i/ili miješanja. Ovaj se materijal obično ekstrudira u filamente prikladne za usitnjavanje u kuglice ili zalihe peleta koji se koriste kao prekursor za daljnju obradu.
DIZAJN VIJAKA
Postoji pet mogućih zona u termoplastičnom vijku. Budući da terminologija nije standardizirana u industriji, različita imena mogu se odnositi na ove zone. Različite vrste polimera imat će različite dizajne vijaka, neki neće uključivati sve moguće zone.
Jednostavan vijak za ekstruziju plastike
Vijci ekstrudera iz Boston Matthewsa
Većina vijaka ima ove tri zone:
● Zona punjenja (koja se naziva i zona prijenosa krutih tvari): ova zona dovodi smolu u ekstruder, a dubina kanala obično je ista u cijeloj zoni.
● Zona taljenja (također nazvana prijelazna ili kompresijska zona): većina polimera se rastali u ovom dijelu, a dubina kanala postupno se smanjuje.
● Zona mjerenja (također nazvana zona prijenosa taline): ova zona topi posljednje čestice i miješa do jednolike temperature i sastava. Kao i zona napajanja, dubina kanala je konstantna u cijeloj ovoj zoni.
Osim toga, ventilirani (dvostupanjski) vijak ima:
● Zona dekompresije. U ovoj zoni, oko dvije trećine niz vijak, kanal iznenada postaje dublji, što smanjuje pritisak i omogućuje da svi zarobljeni plinovi (vlaga, zrak, otapala ili reaktanti) budu izvučeni pomoću vakuuma.
● Druga zona mjerenja. Ova zona je slična prvoj zoni mjerenja, ali s većom dubinom kanala. Služi za ponovno stvaranje tlaka taline kako bi prošla kroz otpor sita i matrice.
Često se duljina vijka odnosi na njegov promjer kao L:D omjer. Na primjer, vijak promjera 6 inča (150 mm) pri 24:1 bit će dugačak 144 inča (12 stopa), a pri 32:1 dugačak je 192 inča (16 stopa). L:D omjer od 25:1 je uobičajen, ali neki strojevi idu do 40:1 za više miješanja i više izlaza pri istom promjeru puža. Dvostupanjski (ventilirani) vijci su obično 36:1 kako bi se uzele u obzir dvije dodatne zone.
Svaka zona je opremljena s jednim ili više termoparova ili RTD-ova u stijenci bačve za kontrolu temperature. “Profil temperature” tj. temperatura svake zone vrlo je važna za kvalitetu i karakteristike konačnog ekstrudata.
TIPIČNI MATERIJALI ZA EKSTRUDIJU
HDPE cijev tijekom ekstruzije. HDPE materijal dolazi iz grijača, u kalup, zatim u spremnik za hlađenje. Ova Acu-Power cijev je koekstrudirana – crna iznutra s tankim narančastim omotačem, za označavanje energetskih kabela.
Tipični plastični materijali koji se koriste u ekstruziji uključuju, ali nisu ograničeni na: polietilen (PE), polipropilen, acetal, akril, najlon (poliamidi), polistiren, polivinil klorid (PVC), akrilonitril butadien stiren (ABS) i polikarbonat.[4] ]
VRSTE MATICA
Postoje različite matrice koje se koriste u ekstruziji plastike. Iako mogu postojati značajne razlike između vrsta matrica i složenosti, sve matrice omogućuju kontinuiranu ekstruziju taline polimera, za razliku od nekontinuirane obrade kao što je injekcijsko prešanje.
Ekstruzija puhanim filmom
Ekstruzija plastične folije puhanjem
Proizvodnja plastične folije za proizvode kao što su torbe za kupnju i neprekinuta folija postiže se pomoću linije za puhanje folije.
Ovaj proces je isti kao redoviti proces ekstruzije sve do matrice. Postoje tri glavne vrste matrica koje se koriste u ovom procesu: prstenaste (ili križne), paukove i spiralne. Prstenaste matrice su najjednostavnije i oslanjaju se na kanaliziranje taline polimera oko cijelog presjeka matrice prije izlaska iz matrice; to može rezultirati neravnomjernim protokom. Spider matrice sastoje se od središnjeg trna pričvršćenog na vanjski prsten matrice preko niza "nogica"; dok je protok simetričniji nego u prstenastim kalupima, stvara se niz linija zavara koje slabe film. Spiralne matrice uklanjaju problem linija zavara i asimetričnog protoka, ali su daleko najsloženije.
Talina se malo ohladi prije napuštanja kalupa da bi se dobila slaba polučvrsta cijev. Promjer ove cijevi brzo se širi pomoću tlaka zraka, a cijev se povlači prema gore s valjcima, istežući plastiku u poprečnom smjeru i smjeru izvlačenja. Izvlačenje i puhanje uzrokuje da film bude tanji od ekstrudirane cijevi, a također preferirano poravnava polimerne molekularne lance u smjeru u kojem se vidi najveća plastična napetost. Ako se film izvlači više nego što se puše (konačni promjer cijevi je blizu ekstrudiranog promjera), molekule polimera će biti visoko poravnate sa smjerom izvlačenja, stvarajući film koji je jak u tom smjeru, ali slab u poprečnom smjeru. . Film koji ima značajno veći promjer od ekstrudiranog promjera imat će veću čvrstoću u poprečnom smjeru, ali manju u smjeru izvlačenja.
U slučaju polietilena i drugih polukristaliničnih polimera, kako se film hladi, kristalizira na onome što je poznato kao linija smrzavanja. Kako se film nastavlja hladiti, provlači se kroz nekoliko kompleta valjaka za stezanje kako bi se spljoštio u ravnu cijev, koja se zatim može namotati ili razrezati u dvije ili više rola folije.
Ekstruzija lista/filma
Ekstruzija lista/filma koristi se za ekstruziju plastičnih ploča ili filmova koji su predebeli da bi se mogli puhati. Koriste se dvije vrste matrica: T-oblika i vješalica. Svrha ovih matrica je preusmjeravanje i vođenje toka polimerne taline od jednog okruglog izlaza iz ekstrudera do tankog, ravnog planarnog toka. U oba tipa matrice osigurajte konstantan, ravnomjeran protok preko cijele površine poprečnog presjeka matrice. Hlađenje se obično provodi provlačenjem kroz set rashladnih valjaka (kalandera ili "hladnih" valjaka). U ekstruziji listova, ovi valjci ne samo da daju potrebno hlađenje, već također određuju debljinu lista i teksturu površine.[7] Koekstruzija se često koristi za nanošenje jednog ili više slojeva na osnovni materijal kako bi se postigla specifična svojstva kao što su UV apsorpcija, tekstura, otpornost na prodiranje kisika ili refleksija energije.
Uobičajeni postupak nakon ekstruzije za materijal od plastičnih ploča je termooblikovanje, gdje se ploča zagrijava dok ne postane mekana (plastična) i oblikuje se putem kalupa u novi oblik. Kada se koristi vakuum, to se često opisuje kao vakuumsko oblikovanje. Orijentacija (tj. sposobnost/dostupna gustoća ploče da se povuče u kalup koja može varirati u dubini od 1 do 36 inča tipično) vrlo je važna i uvelike utječe na vrijeme ciklusa oblikovanja za većinu plastike.
Ekstruzija cijevi
Ekstrudirane cijevi, kao što su PVC cijevi, proizvode se korištenjem vrlo sličnih kalupa koji se koriste u ekstruziji puhanim filmom. Pozitivni tlak se može primijeniti na unutarnje šupljine kroz klin, ili se negativni tlak može primijeniti na vanjski promjer pomoću vakuumske veličine kako bi se osigurale točne konačne dimenzije. Dodatni lumeni ili rupe mogu se uvesti dodavanjem odgovarajućih unutarnjih igala u matricu.
Linija za medicinsku ekstruziju Boston Matthews
Primjene višeslojnih cijevi također su uvijek prisutne u automobilskoj industriji, industriji vodovoda i grijanja te industriji pakiranja.
Ekstruzija preko omotača
Ekstruzija preko plašta omogućuje nanošenje vanjskog sloja plastike na postojeću žicu ili kabel. Ovo je tipičan postupak za izolaciju žica.
Postoje dvije različite vrste alata za matrice koje se koriste za nanošenje premaza preko žice, cijevi (ili omotača) i tlaka. Kod alata za oblaganje, talina polimera ne dodiruje unutarnju žicu sve do neposredno prije rubova matrice. Kod alata pod pritiskom, talina dolazi u kontakt s unutarnjom žicom mnogo prije nego što stigne do rubova matrice; to se radi pod visokim tlakom kako bi se osiguralo dobro prianjanje taline. Ako je potreban tijesan kontakt ili prianjanje između novog sloja i postojeće žice, koristi se alat za pritisak. Ako prianjanje nije poželjno/potrebno, umjesto toga koristi se alat za oblaganje.
Koekstruzija
Koekstruzija je istiskivanje više slojeva materijala istovremeno. Ova vrsta ekstruzije koristi dva ili više ekstrudera za topljenje i isporuku stabilnog volumetrijskog protoka različite viskozne plastike u jednu ekstruzijsku glavu (matricu) koja će istisnuti materijale u željenom obliku. Ova se tehnologija koristi u bilo kojem od gore opisanih procesa (puhani film, omotač, cijevi, listovi). Debljine slojeva kontroliraju se relativnim brzinama i veličinama pojedinačnih ekstrudera koji isporučuju materijale.
5 : 5 slojna koekstruzija kozmetičke "stiskane" cijevi
U mnogim stvarnim scenarijima, jedan polimer ne može zadovoljiti sve zahtjeve primjene. Složena ekstruzija omogućuje ekstruziju miješanog materijala, ali koekstruzija zadržava odvojene materijale kao različite slojeve u ekstrudiranom proizvodu, dopuštajući odgovarajuće postavljanje materijala s različitim svojstvima kao što su propusnost kisika, čvrstoća, krutost i otpornost na trošenje.
Premaz ekstruzijom
Ekstruzijsko premazivanje koristi se postupkom puhanja ili lijevanog filma za nanošenje dodatnog sloja na postojeći papir, foliju ili film. Na primjer, ovaj se postupak može koristiti za poboljšanje karakteristika papira tako da se obloži polietilenom kako bi bio otporniji na vodu. Ekstrudirani sloj također se može koristiti kao ljepilo za spajanje dva druga materijala. Tetrapak je komercijalni primjer ovog procesa.
SLOŽENI EKSTRUZIJE
Ekstruzija kompaundiranja je proces koji miješa jedan ili više polimera s aditivima kako bi se dobili plastični spojevi. Zalihe mogu biti peleti, prah i/ili tekućine, ali proizvod je obično u obliku peleta koji se koristi u drugim procesima oblikovanja plastike kao što su ekstruzija i injekcijsko prešanje. Kao i kod tradicionalne ekstruzije, postoji širok raspon veličina strojeva ovisno o primjeni i željenoj propusnosti. Iako se u tradicionalnoj ekstruziji mogu koristiti ekstruderi s jednim ili dva puža, potreba za odgovarajućim miješanjem u ekstruziji miješanja čini dvopužne ekstrudere gotovo obaveznima.
VRSTE EKSTRUDERA
Postoje dvije podvrste dvopužnih ekstrudera: ko-rotirajući i suprotno-rotirajući. Ova se nomenklatura odnosi na relativni smjer vrtnje svakog vijka u usporedbi s drugim. U načinu ko-rotacije, oba se vijka okreću ili u smjeru kazaljke na satu ili u suprotnom smjeru; u suprotnoj rotaciji, jedan vijak se okreće u smjeru kazaljke na satu, dok se drugi vrti suprotno od kazaljke na satu. Pokazalo se da su, za danu površinu poprečnog presjeka i stupanj preklapanja (međusobno spajanje), aksijalna brzina i stupanj miješanja veći u ko-rotirajućim dvostrukim ekstruderima. Međutim, povećanje tlaka je veće u suprotno rotirajućim ekstruderima. Dizajn puža je obično modularan u smislu da su različiti elementi za transport i miješanje raspoređeni na osovinama kako bi se omogućila brza rekonfiguracija za promjenu procesa ili zamjenu pojedinačnih komponenti zbog istrošenosti ili korozivnog oštećenja. Veličine stroja kreću se od 12 mm do 380 mm
PREDNOSTI
Velika prednost ekstruzije je što se profili poput cijevi mogu izraditi na bilo koju duljinu. Ako je materijal dovoljno fleksibilan, cijevi se mogu izrađivati na velikim duljinama čak i namotavanjem na kolut. Još jedna prednost je ekstruzija cijevi s integriranom spojnicom uključujući gumenu brtvu.
Vrijeme objave: 25. veljače 2022
