Пластическое формование при производстве изделий из пластмасс

Экструзия (от позднелат. extrusio — выталкивание) — технология получения изделий путем продавливания расплава материала через формующее отверстие. Обычно используется в производстве полимерных ферритовых изделий путем продавливания расплава материала через формующее отверстие экструдера.

Экструзия представляет собой непрерывный технологический процесс, заключающийся в продавливании материала, обладающего высокой вязкостью в жидком состоянии, через формующий инструмент (экструзионную головку,фильеру), с целью получения изделия с поперечным сечением нужной формы. В промышленности переработки полимеров методом экструзии изготавливают различные погонажные изделия, такие, как трубы, листы, плёнки, оболочки кабелей, элементы оптических систем светильников- рассеиватели и т. д. Основным технологическим оборудованием для переработки полимеров в изделия методом экструзии являются одночервячные, многочервячные, поршневые и дисковые экструдеры.

      Пластическое  формование основано на двух основных положениях. Одно из них – уравнение  Кулона.

      [2]

где - предельное сопротивление сдвигу, - нормальное сжимающее напряжение, – коэффициент внутреннего трения, с – сила сцепления – сопротивления сдвигу, не зависящее от нормального напряжения.

      Второе  положение – уравнение Бингама:

    [2]

где - общее напряжение сдвига при постоянной температуре и влажности массы, - вязкость, характеризующая внутреннее трение, - градиент скорости.

      Расчет  давления, необходимого для достижения достаточного уплотнения пластической массы, должен учитывать и силы внутреннего  трения и силы трения массы о стенки формующего приспособления. В общем  виде критериальное уравнение для  экструзии в изометрических условиях можно записать так:

    [2]

где  

Г – критерий геометрического  подобия

Экструдер состоит из нескольких основных узлов: корпуса(3), оснащенного нагревательными элементами; рабочего органа(5) (шнека, диска, поршня), размещенного в корпусе; узла загрузки перерабатываемого материала(6); силового привода(8); экструзионна головка(2),системы задания и поддержания температурного режима, других контрольно-измерительных и регулирующих устройств.

Процессы, происходящие при  экструзии 
Зона питания (или зона загрузки) — участок, на котором перерабатываемый полимер находится в твердом состоянии; 
Зона сжатия (или зона плавления) — участок, на котором почти полностью происходит плавление полимера; 
Зона дозирования — участок, на котором полимер находится в расплавленном вязкотекучем состоянии

Зона  питания. Полимер в виде гранул, порошка или непрерывной ленты (экструзия резиновых смесей или отходов пленки) поступает через загрузочный бункер в цилиндр экструдера и увлекается шнеком. В местах контактирования полимера с цилиндром и шнеком экструдера возникают силы трения, которые при движении полимера создают работу трения. В результате выделяется теплота, которая идет на нагрев полимера. При правильно подобранном температурном режиме вначале образуется длинная пробка из полимера, которая проталкивается силами трения по винтовому каналу шнека. По мере продвижения твердой пробки по каналу шнека давление в ней возрастает, пробка уплотняется; поверхность пробки, соприкасающаяся с внутренней стенкой цилиндра, нагревается, и на ней образуется тонкий слой расплава. Постепенно толщина этого слоя увеличивается; когда она сравняется с размером зазора между стенкой корпуса и гребнем шнека, он начинает соскребать слой расплава со стенки, собирая его перед своей толкающей гранью. Это сечение шнека является фактически концом зоны питания и началом зоны плавления.

Зона  плавления. В пределах зоны плавления полимерная пробка расплавляется под действием тепла, подводимого от стенки корпуса, и тепла, выделяющегося в тонком слое расплава за счет вязкого трения. По мере продвижения к экструзионной головке происходит дальнейшее увеличение количества расплава и уменьшение полимерной пробки. При этом высота пробки остается примерно постоянной, а ее ширина по мере продвижения по шнеку постепенно уменьшается. Так продолжается до тех пор, пока ширина пробки не станет достаточно малой, и циркуляционное течение в потоке расплава, собирающемся перед толкающей стенкой, разрушает остатки пробки, дробя ее на мелкие кусочки. Сечение шнека, в котором начинается дробление пробки, можно считать концом зоны плавления и началом зоны дозирования.

Зона  дозирования. Течение расплава в зоне дозирования возникает под действием сил вязкого трения, развивающихся вследствие относительного движения шнека и стенок. В начале зоны дозирования температура расплава равна температуре плавления. Продвигаясь по винтовому каналу в зоне дозирования, полимер продолжает разогреваться как за счет подвода тепла извне, так и за счет тепла, выделяющегося вследствие интенсивной деформации сдвига. Происходит окончательное расплавление мелких включений и выравнивание температурного поля. Для нормальной работы экструдера необходимо, чтобы поступающий к рабочему инструменту (к головке) расплав имел заданную однородную по сечению температуру. Поэтому время пребывания расплава в зоне дозирования должно быть достаточным для его прогрева и гомогенизации.

Течение расплава через фильтрующие  сетки и формующую  головку. Расплав полимера продвигается далее к экструзионной головке. Как правило, перед формующим инструментом установлен пакет фильтрующих сеток. Сетки задерживают инородные включения и примеси. А также непроплавившиеся частички полимера. Непроплавленные частички продолжают нагреваться на сетки, плавятся и проходят сквозь нее. А посторонние включения удаляются вместе с сеткой при плановой смене фильтра. Далее расплав попадает с экструзионную головку и, продавливаясь сквозь формующий канал, приобретает геометрию конечного изделия. После чего полимер необходимо охладить и зафиксировать полученную геометрию. Эти задачи решает участок охлаждения и калибровки готового изделия.

Полная  экструзионная линия включает в себя: устройство экструдеры, калибровочный стол, вытяжное устройство профилей, штабелирующее устройство, отрезное устройство.

Оборудование экструдер - это главный элемент экструзионной  линии по переработке полимерных материалов. Экструдеры для полимеров  подразделяют на одношнековые и двухшнековые. Экструдеры с одним шнеком применяются для изготовления различных видов погонажных изделий из PVC, предназначенных для внутренней отделки помещений ( фурнитура, плинтус, багет для монтажа пластиковых панелей ), декорирования мебели ( мебельный кант из пластифицированного и непластифицированного поливинилхлорида ). В качестве сырья можно использовать вторичное сырье и гранулы. Двухшнековые экструдеры отличаются высокой производительностью и широким спектром используемого исходного материала. В качестве сырья используются порошковые смеси, вторичное сырье и гранулы. Двухшнековый экструдер позволяют производить крупные погонажные изделия из поливинилхлорида: панели, оконный профиль, панели и трубы. Также возможно изготовление небольшого профиля в три ручья.