Zgodovina strojev za iztiskanje plastike

Ekstrudiranje plastike je obsežni proizvodni proces, pri katerem se surova plastika stopi in oblikuje v neprekinjen profil. Extrusion proizvaja predmete, kot so cevi/cevi, vremenski trakovi, ograje, krovne ograje, okenski okvirji, plastične folije in folije, termoplastični premazi in žična izolacija.
Ta postopek se začne z dovajanjem plastičnega materiala (peleti, granule, kosmiči ali prah) iz lijaka v cev ekstruderja. Material se postopoma stopi z mehansko energijo, ki nastane pri vrtenju vijakov in grelcih, nameščenih vzdolž cevi. Staljeni polimer se nato potisne v matrico, ki polimer oblikuje v obliko, ki se med ohlajanjem strdi.

ZGODOVINA

Ekstrudiranje cevi
Prvi predhodniki sodobnega ekstruderja so bili razviti v začetku 19. stoletja. Leta 1820 je Thomas Hancock izumil "žvečilni stroj" za gumo, zasnovan za predelavo predelanih ostankov kavčuka, leta 1836 pa je Edwin Chaffee razvil stroj z dvema valjema za mešanje aditivov v kavčuk. Prvo termoplastično ekstruzijo sta leta 1935 izdelala Paul Troester in njegova žena Ashley Gershoff v Hamburgu v Nemčiji. Kmalu zatem je Roberto Colombo iz LMP razvil prve dvopolžne ekstruderje v Italiji.

PROCES
Pri iztiskanju plastike je surov sestavljeni material običajno v obliki gomoljev (majhnih kroglic, pogosto imenovanih smola), ki se gravitacijsko dovajajo iz zgoraj nameščenega lijaka v cev ekstruderja. Pogosto se uporabljajo dodatki, kot so barvila in zaviralci UV (v obliki tekočine ali peletov), ​​ki jih je mogoče vmešati v smolo, preden prispe v lijak. Postopek ima veliko skupnega z brizganjem plastike z vidika tehnologije ekstruderja, razlikuje pa se po tem, da je običajno kontinuiran proces. Medtem ko lahko pultruzija ponudi veliko podobnih profilov v neprekinjenih dolžinah, običajno z dodano ojačitvijo, se to doseže z izvlekom končnega izdelka iz matrice namesto ekstrudiranja polimerne taline skozi matrico.

Material vstopi skozi dovodno grlo (odprtina blizu zadnjega dela cevi) in pride v stik z vijakom. Vrtljivi vijak (običajno se vrti pri npr. 120 obratih na minuto) potisne plastične kroglice naprej v ogrevan sod. Želena temperatura iztiskanja je redko enaka nastavljeni temperaturi soda zaradi viskoznega segrevanja in drugih učinkov. Pri večini procesov je za sod nastavljen ogrevalni profil, v katerem tri ali več neodvisnih PID-krmiljenih grelnih območij postopoma povečujejo temperaturo soda od zadaj (kamor vstopi plastika) proti sprednji strani. To omogoča, da se plastične kroglice postopoma stopijo, ko jih potisnemo skozi cev, in zmanjša tveganje pregrevanja, ki lahko povzroči degradacijo polimera.

Dodatno toploto prispevata močan pritisk in trenje, ki potekata znotraj cevi. Če ekstruzijska linija dovolj hitro poganja določene materiale, je mogoče grelnike izklopiti in temperaturo taline vzdrževati samo s pritiskom in trenjem znotraj cevi. V večini ekstruderjev so prisotni hladilni ventilatorji, ki ohranjajo temperaturo pod nastavljeno vrednostjo, če se ustvari preveč toplote. Če se prisilno zračno hlajenje izkaže za nezadostnega, se uporabijo uliti hladilni plašči.

Plastični ekstruder, prerezan na pol, da se prikažejo komponente
Na sprednjem delu cevi staljena plastika zapusti vijak in potuje skozi sito, da odstrani vse onesnaževalce v talini. Zasloni so ojačani z odklopno ploščo (debela kovinska plošča s številnimi izvrtanimi luknjami), saj lahko tlak na tej točki preseže 5000 psi (34 MPa). Sklop zaslonskega paketa/razbijalne plošče služi tudi za ustvarjanje protitlaka v cevi. Protitlak je potreben za enakomerno taljenje in pravilno mešanje polimera, količino ustvarjenega tlaka pa je mogoče "prilagoditi" s spreminjanjem sestave sita (število sitov, velikost njihovega prepletanja žice in drugi parametri). Ta kombinacija prelomne plošče in sita prav tako odpravlja "rotacijski spomin" staljene plastike in namesto tega ustvarja "vzdolžni spomin".
Po prehodu skozi lomilno ploščo staljena plastika vstopi v matrico. Matrica je tista, ki daje končnemu izdelku njegov profil in mora biti oblikovana tako, da staljena plastika enakomerno teče od cilindričnega profila do oblike profila izdelka. Neenakomeren tok na tej stopnji lahko proizvede izdelek z neželenimi preostalimi napetostmi na določenih točkah v profilu, kar lahko povzroči zvijanje pri ohlajanju. Ustvarite lahko široko paleto oblik, omejenih na neprekinjene profile.

Izdelek je treba zdaj ohladiti, kar običajno dosežemo s potegom ekstrudata skozi vodno kopel. Umetne mase so zelo dobri toplotni izolatorji, zato jih je težko hitro ohladiti. V primerjavi z jeklom plastika odvaja toploto 2000-krat počasneje. V liniji za ekstrudiranje cevi skrbno nadzorovan vakuum deluje na zaprto vodno kopel, da se na novo oblikovana in še staljena cev ali cev ne zruši. Pri izdelkih, kot so plastične folije, se hlajenje doseže s potegom skozi niz hladilnih valjev. Za filme in zelo tanke folije je lahko zračno hlajenje učinkovito kot začetna stopnja hlajenja, kot pri ekstruziji s pihanim filmom.
Plastični ekstruderji se v veliki meri uporabljajo tudi za ponovno predelavo recikliranih plastičnih odpadkov ali drugih surovin po čiščenju, sortiranju in/ali mešanju. Ta material se običajno ekstrudira v filamente, primerne za sekljanje v kroglice ali pelete, ki se uporabljajo kot predhodnik za nadaljnjo predelavo.

DIZAJN VIJAKA
V termoplastičnem vijaku je pet možnih območij. Ker terminologija v panogi ni standardizirana, se lahko ta območja nanašajo na različna imena. Različne vrste polimerov bodo imele različne oblike vijakov, pri čemer nekateri ne bodo vključevali vseh možnih območij.

Preprost vijak za iztiskanje plastike

Vijaki za ekstruderje Boston Matthews
Večina vijakov ima te tri cone:
● Območje dovajanja (imenovano tudi območje transporta trdnih snovi): to območje dovaja smolo v ekstruder, globina kanala pa je običajno enaka v celotnem območju.
● Območje taljenja (imenovano tudi prehodno ali kompresijsko območje): večina polimera se stopi v tem delu, globina kanala pa se postopoma manjša.
● Merilno območje (imenovano tudi območje transporta taline): to območje stopi zadnje delce in zmeša do enotne temperature in sestave. Tako kot napajalno območje je tudi globina kanala v tem območju konstantna.
Poleg tega ima ventilirani (dvostopenjski) vijak:
● Dekompresijska cona. V tem območju, približno dve tretjini navzdol po vijaku, se kanal nenadoma poglobi, kar sprosti pritisk in omogoči, da se morebitni ujeti plini (vlaga, zrak, topila ali reaktanti) izvlečejo z vakuumom.
● Drugo merilno območje. To območje je podobno prvemu merilnemu območju, vendar z večjo globino kanala. Služi za ponovno ustvarjanje tlaka v talini, da se prebije skozi upor sita in matrice.
Dolžina vijaka se pogosto nanaša na njegov premer kot razmerje L:D. Na primer, vijak s premerom 6 palcev (150 mm) pri 24:1 bo dolg 144 palcev (12 čevljev), pri 32:1 pa 192 palcev (16 čevljev). Običajno je razmerje L:D 25:1, vendar nekateri stroji dosežejo razmerje do 40:1 za več mešanja in večji učinek pri enakem premeru vijaka. Dvostopenjski (ventilirani) vijaki so običajno 36:1, da upoštevajo dve dodatni coni.
Vsako območje je opremljeno z enim ali več termočleni ali RTD-ji v steni cevi za nadzor temperature. "Temperaturni profil", tj. temperatura vsake cone, je zelo pomembna za kakovost in značilnosti končnega ekstrudata.

TIPIČNI EKSTRUDIJSKI MATERIALI

HDPE cev med iztiskanjem. Material HDPE prihaja iz grelnika, v matrico in nato v hladilni rezervoar. Ta vodna cev Acu-Power je koekstrudirana – črna znotraj s tankim oranžnim plaščem za označevanje napajalnih kablov.
Tipični plastični materiali, ki se uporabljajo pri iztiskanju, vključujejo, vendar niso omejeni na: polietilen (PE), polipropilen, acetal, akril, najlon (poliamidi), polistiren, polivinilklorid (PVC), akrilonitril butadien stiren (ABS) in polikarbonat.[4] ]

VRSTE MATIC
Pri ekstrudiranju plastike se uporabljajo različne matrice. Medtem ko so med vrstami in kompleksnostjo matric lahko precejšnje razlike, vse matrice omogočajo neprekinjeno ekstrudiranje polimerne taline v nasprotju z neprekinjeno obdelavo, kot je brizganje.
Ekstrudiranje pihanega filma

Ekstrudiranje plastične folije s pihanjem

Proizvodnja plastične folije za izdelke, kot so nakupovalne vrečke in neprekinjene folije, poteka z uporabo linije za pihano folijo.
Ta postopek je enak običajnemu postopku ekstrudiranja do matrice. V tem procesu se uporabljajo tri glavne vrste matric: obročasta (ali križna glava), pajek in spirala. Obročaste matrice so najpreprostejše in temeljijo na kanaliziranju polimerne taline okoli celotnega preseka matrice, preden zapusti matrico; to lahko povzroči neenakomeren pretok. Spider matrice so sestavljene iz osrednjega trna, pritrjenega na zunanji obroč matrice prek številnih "nog"; medtem ko je tok bolj simetričen kot pri obročastih matricah, nastanejo številne zvarne črte, ki oslabijo film. Spiralne matrice odpravljajo problem zvarnih linij in asimetričnega toka, vendar so daleč najbolj zapletene.

Talino nekoliko ohladimo, preden zapustimo matrico, da dobimo šibko poltrdno cev. Premer te cevi se hitro razširi z zračnim pritiskom, cev pa se vleče navzgor z valji, pri čemer se plastika raztegne tako v prečni smeri kot v smeri vlečenja. Vlečenje in pihanje povzroči, da je film tanjši od ekstrudirane cevi, poleg tega pa prednostno poravna polimerne molekularne verige v smeri, v kateri je najbolj plastična obremenitev. Če film vlečemo bolj kot ga pihamo (končni premer cevi je blizu ekstrudiranega premera), bodo molekule polimera zelo poravnane s smerjo vlečenja, zaradi česar je film močan v tej smeri, a šibak v prečni smeri. . Film, ki ima bistveno večji premer od ekstrudiranega premera, bo imel večjo trdnost v prečni smeri, manj pa v smeri vlečenja.
V primeru polietilena in drugih polkristalnih polimerov, ko se film ohlaja, kristalizira na tako imenovani meji zmrzovanja. Ko se folija še naprej ohlaja, se vleče skozi več sklopov stiskalnih valjev, da se splošči v ploske cevi, ki jih je nato mogoče naviti ali razrezati na dva ali več zvitkov folije.

Ekstrudiranje pločevine/filma
Ekstrudiranje listov/filmov se uporablja za iztiskanje plastičnih listov ali filmov, ki so predebeli za pihanje. Uporabljata se dve vrsti matric: v obliki črke T in obešalniki. Namen teh matric je preusmeriti in voditi tok polimerne taline iz enega samega okroglega izhoda iz ekstruderja v tanek, raven ravninski tok. Pri obeh vrstah matrice zagotavlja stalen, enakomeren pretok po celotnem preseku matrice. Hlajenje običajno poteka s potegom skozi niz hladilnih valjev (kalandr ali "hladilni" valji). Pri iztiskanju pločevine ti zvitki ne zagotavljajo samo potrebnega hlajenja, ampak tudi določajo debelino pločevine in teksturo površine.[7] Koekstruzija se pogosto uporablja za nanos ene ali več plasti na vrh osnovnega materiala, da se pridobijo posebne lastnosti, kot so UV-absorpcija, tekstura, odpornost na prepustnost kisika ali odboj energije.
Običajen postekstruzijski postopek za plastične plošče je termoformiranje, pri katerem se plošče segrejejo do mehkega (plastičnega) in prek kalupa oblikujejo v novo obliko. Ko se uporablja vakuum, se to pogosto opisuje kot vakuumsko oblikovanje. Usmerjenost (tj. zmožnost/razpoložljiva gostota plošče, ki jo je treba povleči v kalup, ki se običajno lahko razlikuje po globinah od 1 do 36 palcev) je zelo pomembna in močno vpliva na čase oblikovanja večine plastike.

Ekstrudiranje cevi
Ekstrudirane cevi, kot so PVC cevi, se proizvajajo z uporabo zelo podobnih matric, kot se uporabljajo pri ekstruziji s pihanim filmom. Pozitiven tlak je mogoče uporabiti v notranjih votlinah skozi zatič ali pa se lahko podtlak uporabi na zunanjem premeru z uporabo vakuumskega merilnika, da se zagotovijo pravilne končne mere. Dodatne lumne ali luknje je mogoče uvesti z dodajanjem ustreznih notranjih trnov v matrico.

Boston Matthews Medical Extrusion Line
Uporaba večplastnih cevi je vedno prisotna tudi v avtomobilski industriji, vodovodni in ogrevalni industriji ter industriji embalaže.

Ekstrudiranje preko plašča
Ekstrudiranje preko plašča omogoča nanos zunanje plasti plastike na obstoječo žico ali kabel. To je tipičen postopek za izolacijo žic.
Obstajata dve različni vrsti orodij za izrezovanje, ki se uporabljata za prevleko preko žice, cevi (ali plašča) in tlak. Pri orodju za plašč se talina polimera ne dotakne notranje žice do tik pred robovi matrice. Pri tlačnem orodju stopi talina v stik z notranjo žico dolgo preden doseže robove matrice; to poteka pri visokem tlaku, da se zagotovi dober oprijem taline. Če je potreben tesen stik ali oprijem med novo plastjo in obstoječo žico, se uporabi tlačno orodje. Če oprijem ni zaželen/potreben, se namesto tega uporabi orodje za plašč.

Koekstruzija
Koekstruzija je ekstrudiranje več plasti materiala hkrati. Ta vrsta iztiskanja uporablja dva ali več ekstrudorjev za taljenje in zagotavljanje enakomernega volumetričnega pretoka različnih viskoznih plastičnih mas v eno samo ekstruzijsko glavo (matrico), ki iztisne materiale v želeni obliki. Ta tehnologija se uporablja pri katerem koli od zgoraj opisanih postopkov (pihan film, plašč, cevje, pločevina). Debeline plasti se nadzorujejo z relativno hitrostjo in velikostjo posameznih ekstruderjev, ki dovajajo materiale.

5 : 5 plastna koekstruzija kozmetične "stiskane" cevi
V mnogih realnih scenarijih en sam polimer ne more zadostiti vsem zahtevam aplikacije. Sestavljeno ekstrudiranje omogoča ekstrudiranje mešanega materiala, koekstrudiranje pa obdrži ločene materiale kot različne plasti v ekstrudiranem izdelku, kar omogoča ustrezno namestitev materialov z različnimi lastnostmi, kot so prepustnost kisika, trdnost, togost in odpornost proti obrabi.
Ekstruzijski premaz
Prevleka z ekstruzijo je uporaba postopka pihanja ali litja filma za prevleko dodatnega sloja na obstoječi tovor papirja, folije ali filma. Ta postopek je na primer mogoče uporabiti za izboljšanje lastnosti papirja tako, da ga premažemo s polietilenom, da postane bolj odporen na vodo. Ekstrudirana plast se lahko uporablja tudi kot lepilo za združevanje dveh drugih materialov. Tetrapak je komercialni primer tega postopka.

SESTAVLJENI IZTISKI
Ekstrudiranje spojin je postopek, pri katerem se zmeša eden ali več polimerov z dodatki, da se dobijo plastične spojine. Krmila so lahko peleti, prah in/ali tekočine, vendar je izdelek običajno v obliki peletov, ki se uporablja v drugih postopkih oblikovanja plastike, kot sta ekstrudiranje in brizganje. Tako kot pri tradicionalnem ekstrudiranju obstaja širok razpon velikosti strojev, odvisno od uporabe in želenega pretoka. Medtem ko se pri tradicionalnem iztiskanju lahko uporabljajo ekstrudorji z enim ali dvojnim polžem, so zaradi potrebe po ustreznem mešanju pri iztiskanju z mešanjem dvovijačni ekstruderji skorajda obvezni.

VRSTE EKSTRUDERJA
Obstajata dve podvrsti dvovijačnih ekstrudorjev: so-rotacijski in nasprotno-rotacijski. Ta nomenklatura se nanaša na relativno smer vrtenja vsakega vijaka v primerjavi z drugim. V načinu ko-rotacije se oba vijaka vrtita v smeri urnega kazalca ali nasprotni smeri urnega kazalca; pri nasprotnem vrtenju se en vijak vrti v smeri urinega kazalca, medtem ko se drugi vrti v nasprotni smeri urinega kazalca. Pokazalo se je, da sta za določeno površino prečnega prereza in stopnjo prekrivanja (prepletanje) aksialna hitrost in stopnja mešanja večji pri sorotacijskih dvojnih ekstrudorjih. Vendar pa je povečanje tlaka večje pri nasprotno vrtečih se ekstrudorjih. Zasnova polža je običajno modularna, saj so na gredi razporejeni različni transportni in mešalni elementi, ki omogočajo hitro rekonfiguracijo za spremembo postopka ali zamenjavo posameznih komponent zaradi obrabe ali korozivnih poškodb. Velikosti stroja segajo od 12 mm do 380 mm

PREDNOSTI
Velika prednost ekstruzije je, da je mogoče profile, kot so cevi, izdelati na poljubno dolžino. Če je material dovolj prožen, je mogoče cevi izdelati na velike dolžine, tudi z navijanjem na kolutu. Druga prednost je iztiskanje cevi z integrirano spojko, vključno z gumijastim tesnilom.