Wytłaczanie tworzyw sztucznych to proces produkcyjny na dużą skalę, podczas którego surowe tworzywo sztuczne jest topione i formowane w ciągły profil. W wyniku wytłaczania powstają takie elementy, jak rury, taśmy uszczelniające, ogrodzenia, balustrady pokładowe, ramy okienne, folie i blachy z tworzyw sztucznych, powłoki termoplastyczne i izolacja przewodów.
Proces ten rozpoczyna się od wprowadzenia tworzywa sztucznego (peletki, granulki, płatki lub proszki) z leja zasypowego do cylindra wytłaczarki. Materiał stopniowo topi się pod wpływem energii mechanicznej generowanej przez obracające się śruby i grzejniki rozmieszczone wzdłuż cylindra. Stopiony polimer jest następnie wtłaczany do matrycy, która nadaje mu kształt, który twardnieje podczas chłodzenia.
HISTORIA
Wytłaczanie rur
Pierwsze prekursory nowoczesnej wytłaczarki powstały na początku XIX wieku. W 1820 roku Thomas Hancock wynalazł gumowy „przeżuwacz” przeznaczony do odzyskiwania przetworzonych resztek gumy, a w 1836 roku Edwin Chaffee opracował maszynę dwuwalcową do mieszania dodatków z gumą. Pierwsza metoda wytłaczania tworzyw termoplastycznych została wykonana w 1935 roku przez Paula Troestera i jego żonę Ashley Gershoff w Hamburgu w Niemczech. Wkrótce potem Roberto Colombo z LMP opracował pierwsze wytłaczarki dwuślimakowe we Włoszech.
PROCES
Podczas wytłaczania tworzyw sztucznych surowiec ma zwykle postać kulek (małych kulek, często nazywanych żywicą), które są podawane grawitacyjnie z zamontowanego od góry leja zasypowego do cylindra wytłaczarki. Często stosuje się dodatki, takie jak barwniki i inhibitory UV (w postaci cieczy lub granulek), które można zmieszać z żywicą przed dotarciem do leja samowyładowczego. Proces ten ma wiele wspólnego z wtryskiem tworzyw sztucznych z punktu widzenia technologii wytłaczarki, choć różni się tym, że jest to zwykle proces ciągły. Chociaż metodą pultruzji można uzyskać wiele podobnych profili o ciągłych długościach, zwykle z dodatkiem wzmocnienia, osiąga się to poprzez wyciąganie gotowego produktu z matrycy zamiast wytłaczania stopionego polimeru przez matrycę.
Materiał wchodzi przez gardziel podającą (otwór w tylnej części cylindra) i styka się ze ślimakiem. Obracająca się śruba (zwykle obracająca się z prędkością np. 120 obr/min) wpycha plastikowe kulki do przodu do nagrzanej beczki. Pożądana temperatura wytłaczania rzadko jest równa ustawionej temperaturze cylindra z powodu nagrzewania lepkiego i innych efektów. W większości procesów dla beczki ustawiany jest profil ogrzewania, w którym trzy lub więcej niezależnych stref grzewczych sterowanych PID stopniowo zwiększa temperaturę beczki od tyłu (w miejscu, gdzie wchodzi tworzywo sztuczne) do przodu. Umożliwia to stopniowe topienie kulek tworzywa sztucznego podczas ich przepychania przez cylinder i zmniejsza ryzyko przegrzania, które może spowodować degradację polimeru.
Dodatkowe ciepło jest wytwarzane przez intensywne ciśnienie i tarcie zachodzące wewnątrz lufy. W rzeczywistości, jeśli linia wytłaczania przepuszcza określone materiały wystarczająco szybko, grzejniki można wyłączyć, a temperaturę stopu utrzymywać wyłącznie za pomocą ciśnienia i tarcia wewnątrz cylindra. W większości wytłaczarek znajdują się wentylatory chłodzące, które utrzymują temperaturę poniżej ustawionej wartości, jeśli wytwarza się zbyt dużo ciepła. Jeśli wymuszone chłodzenie powietrzem okaże się niewystarczające, stosuje się odlewane płaszcze chłodzące.
Wytłaczarka z tworzywa sztucznego przecięta na pół, aby pokazać komponenty
Z przodu cylindra stopiony plastik opuszcza ślimak i przechodzi przez pakiet sit, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia ze stopu. Sita są wzmocnione płytą przerywającą (grubym metalowym krążkiem z wieloma wywierconymi otworami), ponieważ ciśnienie w tym miejscu może przekraczać 34 MPa (5000 psi). Zespół sita/płyty przerywającej służy również do wytworzenia przeciwciśnienia w lufie. Do równomiernego stopienia i prawidłowego wymieszania polimeru wymagane jest przeciwciśnienie, a wielkość generowanego ciśnienia można „dostosować” poprzez zmianę składu pakietu sit (liczba sit, wielkość splotu drutu i inne parametry). To połączenie płyty łamającej i pakietu sit eliminuje również „pamięć obrotową” stopionego tworzywa sztucznego i zamiast tego tworzy „pamięć podłużną”.
Po przejściu przez płytę łamacza, stopione tworzywo sztuczne dostaje się do matrycy. Matryca nadaje produktowi końcowemu profil i musi być zaprojektowana w taki sposób, aby stopione tworzywo sztuczne równomiernie przepływało z profilu cylindrycznego do kształtu profilu produktu. Nierównomierny przepływ na tym etapie może spowodować powstanie produktu z niepożądanymi naprężeniami szczątkowymi w pewnych punktach profilu, co może powodować wypaczenia podczas chłodzenia. Można tworzyć szeroką gamę kształtów, ograniczonych do profili ciągłych.
Produkt należy teraz schłodzić, co zwykle osiąga się poprzez przeciągnięcie ekstrudatu przez łaźnię wodną. Tworzywa sztuczne są bardzo dobrymi izolatorami termicznymi i dlatego trudno je szybko schłodzić. W porównaniu ze stalą tworzywo sztuczne odprowadza ciepło 2000 razy wolniej. W linii do wytłaczania rur lub rurek na szczelną kąpiel wodną działa starannie kontrolowane podciśnienie, aby zapobiec zapadnięciu się nowo utworzonej i wciąż stopionej rury lub rury. W przypadku produktów takich jak folie z tworzyw sztucznych chłodzenie osiąga się poprzez przeciąganie zestawu rolek chłodzących. W przypadku folii i bardzo cienkich arkuszy chłodzenie powietrzem może być skuteczne jako początkowy etap chłodzenia, jak w przypadku wytłaczania folii z rozdmuchiwaniem.
Wytłaczarki do tworzyw sztucznych są również szeroko stosowane do ponownego przetwarzania przetworzonych odpadów z tworzyw sztucznych lub innych surowców po oczyszczeniu, sortowaniu i/lub mieszaniu. Materiał ten jest powszechnie wytłaczany w postaci włókien nadających się do siekania na kulki lub peletki w celu wykorzystania jako prekursor do dalszego przetwarzania.
KONSTRUKCJA ŚRUBY
W śrubie termoplastycznej istnieje pięć możliwych stref. Ponieważ terminologia nie jest ujednolicona w branży, do tych stref mogą odnosić się różne nazwy. Różne typy polimerów będą miały różne konstrukcje śrub, niektóre nie obejmują wszystkich możliwych stref.
Prosta plastikowa śruba do wytłaczania
Ślimaki do wytłaczarek firmy Boston Matthews
Większość śrub ma trzy strefy:
● Strefa zasilania (zwana także strefą transportu ciał stałych): ta strefa podaje żywicę do wytłaczarki, a głębokość kanału jest zwykle taka sama w całej strefie.
● Strefa topienia (zwana także strefą przejściową lub kompresyjną): w tej sekcji topi się większość polimeru, a głębokość kanału stopniowo się zmniejsza.
● Strefa dozowania (zwana także strefą przenoszenia stopu): w tej strefie topią się ostatnie cząstki i mieszają się do uzyskania jednolitej temperatury i składu. Podobnie jak w strefie zasilania, głębokość kanału jest stała w całej tej strefie.
Dodatkowo śruba wentylowana (dwustopniowa) posiada:
● Strefa dekompresji. W tej strefie, około dwóch trzecich śruby, kanał nagle staje się głębszy, co zmniejsza ciśnienie i umożliwia usunięcie wszelkich uwięzionych gazów (wilgoci, powietrza, rozpuszczalników lub reagentów) przez podciśnienie.
● Druga strefa dozowania. Strefa ta jest podobna do pierwszej strefy dozowania, lecz ma większą głębokość kanału. Służy do ponownego zwiększenia ciśnienia stopu w celu przepuszczenia go przez opór sit i matrycy.
Często długość śruby odnosi się do jej średnicy jako stosunku L:D. Na przykład śruba o średnicy 6 cali (150 mm) przy proporcji 24:1 będzie miała długość 144 cali (12 stóp), a przy proporcji 32:1 będzie miała długość 192 cali (16 stóp). Powszechny jest stosunek L:D wynoszący 25:1, ale w niektórych maszynach można go zwiększyć do 40:1, aby uzyskać lepsze mieszanie i większą wydajność przy tej samej średnicy ślimaka. Śruby dwustopniowe (wentylowane) mają zazwyczaj współczynnik 36:1, aby uwzględnić dwie dodatkowe strefy.
Każda strefa jest wyposażona w jedną lub więcej termopar lub czujników RTD w ścianie cylindra w celu kontroli temperatury. „Profil temperaturowy”, tj. temperatura każdej strefy, jest bardzo ważny dla jakości i właściwości końcowego ekstrudatu.
TYPOWE MATERIAŁY WYCISKANE
Rura HDPE podczas wytłaczania. Materiał HDPE przechodzi z grzejnika do matrycy, a następnie do zbiornika chłodzącego. Ta rura przewodowa Acu-Power jest współwytłaczana – czarna wewnątrz z cienką pomarańczową osłoną, aby oznaczyć kable zasilające.
Typowe tworzywa sztuczne stosowane w procesie wytłaczania obejmują między innymi: polietylen (PE), polipropylen, acetal, akryl, nylon (poliamidy), polistyren, polichlorek winylu (PVC), akrylonitryl-butadien-styren (ABS) i poliwęglan. ]
TYPY MATRYCY
Istnieje wiele matryc stosowanych w wytłaczaniu tworzyw sztucznych. Chociaż mogą występować znaczne różnice między typami matryc i ich złożonością, wszystkie matryce umożliwiają ciągłe wytłaczanie stopionego polimeru, w przeciwieństwie do nieciągłego przetwarzania, takiego jak formowanie wtryskowe.
Wytłaczanie folii rozdmuchowej
Wytłaczanie z rozdmuchem folii z tworzywa sztucznego
Produkcja folii z tworzyw sztucznych na produkty takie jak torby na zakupy i arkusze ciągłe odbywa się za pomocą linii do folii rozdmuchiwanej.
Proces ten jest taki sam jak zwykły proces wytłaczania aż do matrycy. W tym procesie stosowane są trzy główne typy matryc: pierścieniowe (lub poprzeczne), pająkowe i spiralne. Dysze pierścieniowe są najprostsze i polegają na tym, że stopiony polimer rozprowadza się po całym przekroju poprzecznym formy przed jej opuszczeniem; może to skutkować nierównym przepływem. Matryce pająkowe składają się z centralnego trzpienia przymocowanego do zewnętrznego pierścienia matrycy za pomocą szeregu „nog”; podczas gdy przepływ jest bardziej symetryczny niż w matrycach pierścieniowych, powstaje wiele linii spawów, które osłabiają folię. Matryce spiralne eliminują problem linii spawania i asymetrycznego przepływu, ale są zdecydowanie najbardziej złożone.
Stop chłodzi się nieco przed opuszczeniem dyszy, w wyniku czego otrzymuje się słabą, półstałą rurkę. Średnica tej rurki szybko się zwiększa pod wpływem ciśnienia powietrza, a rura jest wciągana do góry za pomocą rolek, rozciągając tworzywo sztuczne zarówno w kierunku poprzecznym, jak i rozciągającym. Ciągnienie i rozdmuchiwanie powoduje, że folia jest cieńsza niż wytłaczana rura, a także preferencyjnie ustawia łańcuchy molekularne polimeru w kierunku, w którym występuje największe odkształcenie plastyczne. Jeżeli folia jest bardziej ciągniona niż dmuchana (końcowa średnica rury jest zbliżona do średnicy wytłaczanej), cząsteczki polimeru będą ściśle dopasowane do kierunku rozciągania, tworząc folię mocną w tym kierunku, ale słabą w kierunku poprzecznym . Folia o znacznie większej średnicy niż średnica wytłaczana będzie miała większą wytrzymałość w kierunku poprzecznym, ale mniejszą w kierunku rozciągania.
W przypadku polietylenu i innych polimerów półkrystalicznych, gdy folia stygnie, krystalizuje na tak zwanej linii szronu. W miarę dalszego schładzania folia jest przeciągana przez kilka zestawów rolek dociskowych w celu spłaszczenia jej w postaci płasko ułożonych rurek, które można następnie nawinąć lub pociąć na dwie lub więcej rolek folii.
Wytłaczanie arkuszy/folii
Wytłaczanie arkuszy/folii służy do wytłaczania arkuszy lub folii z tworzyw sztucznych, które są zbyt grube, aby można je było rozdmuchać. Stosowane są dwa rodzaje wykrojników: w kształcie litery T i wieszakowe. Celem tych dysz jest zmiana orientacji i prowadzenie przepływu stopionego polimeru z pojedynczego okrągłego wylotu z wytłaczarki do cienkiego, płaskiego strumienia. W obu typach matryc zapewniają stały, równomierny przepływ na całej powierzchni przekroju poprzecznego matrycy. Chłodzenie zazwyczaj polega na przeciąganiu zestawu rolek chłodzących (walców kalandrujących lub „chłodzących”). Podczas wytłaczania arkuszy rolki te nie tylko zapewniają niezbędne chłodzenie, ale także określają grubość arkusza i teksturę powierzchni.[7] Często stosuje się współwytłaczanie w celu nałożenia jednej lub więcej warstw na materiał bazowy w celu uzyskania określonych właściwości, takich jak absorpcja promieni UV, tekstura, odporność na przenikanie tlenu lub odbijanie energii.
Powszechnym procesem po wytłaczaniu arkuszy z tworzywa sztucznego jest termoformowanie, podczas którego arkusz jest podgrzewany do miękkości (plastiku) i formowany za pomocą formy w nowy kształt. Kiedy stosuje się próżnię, często określa się to jako formowanie próżniowe. Orientacja (tj. zdolność/dostępna gęstość arkusza do wciągnięcia do formy, która może zmieniać się na głębokości typowo od 1 do 36 cali) jest bardzo ważna i ma ogromny wpływ na czas cykli formowania w przypadku większości tworzyw sztucznych.
Wytłaczanie rur
Rury wytłaczane, takie jak rury PCV, są produkowane przy użyciu bardzo podobnych matryc, jakie są stosowane w wytłaczaniu folii z rozdmuchiwaniem. Do wewnętrznych wnęk poprzez sworzeń można przyłożyć nadciśnienie lub do średnicy zewnętrznej można zastosować podciśnienie za pomocą miernika próżniowego, aby zapewnić prawidłowe wymiary końcowe. Dodatkowe prześwity lub otwory można wprowadzić poprzez dodanie odpowiednich wewnętrznych trzpieni do matrycy.
Linia do wytłaczania medycznego Boston Matthews
Zastosowania rur wielowarstwowych są również zawsze obecne w przemyśle motoryzacyjnym, branży wodno-kanalizacyjnej i grzewczej oraz przemyśle opakowaniowym.
Wytłaczanie płaszcza
Wytłaczanie płaszcza umożliwia nałożenie zewnętrznej warstwy tworzywa sztucznego na istniejący przewód lub kabel. Jest to typowy proces izolowania przewodów.
Istnieją dwa różne typy narzędzi matrycowych stosowanych do powlekania drutu, rurki (lub płaszcza) i ciśnienia. W przypadku oprzyrządowania osłonowego stopiony polimer styka się z drutem wewnętrznym dopiero bezpośrednio przed krawędziami matrycy. W obróbce ciśnieniowej stop styka się z drutem wewnętrznym na długo przed dotarciem do krawędzi matrycy; odbywa się to pod wysokim ciśnieniem, aby zapewnić dobrą przyczepność stopu. Jeśli wymagany jest ścisły kontakt lub przyczepność pomiędzy nową warstwą a istniejącym drutem, stosuje się narzędzia ciśnieniowe. Jeśli przyczepność nie jest pożądana/konieczna, zamiast tego stosuje się narzędzia do osłony.
Współwytłaczanie
Współwytłaczanie to jednoczesne wytłaczanie wielu warstw materiału. Ten typ wytłaczania wykorzystuje dwie lub więcej wytłaczarek do topienia i dostarczania stałego wolumetrycznego przepływu różnych lepkich tworzyw sztucznych do pojedynczej głowicy wytłaczającej (matrycy), która będzie wytłaczać materiały w pożądanej formie. Technologia ta jest stosowana w każdym z procesów opisanych powyżej (folia rozdmuchiwana, płaszcz ochronny, rura, arkusz). Grubość warstw jest kontrolowana przez względne prędkości i rozmiary poszczególnych wytłaczarek dostarczających materiały.
Współwytłaczanie warstwowe 5:5 tubki kosmetycznej „wyciskanej”.
W wielu rzeczywistych scenariuszach pojedynczy polimer nie jest w stanie spełnić wszystkich wymagań aplikacji. Wytłaczanie złożone umożliwia wytłaczanie zmieszanego materiału, ale w procesie współwytłaczania oddzielne materiały są zachowywane jako różne warstwy w wytłaczanym produkcie, umożliwiając odpowiednie rozmieszczenie materiałów o różnych właściwościach, takich jak przepuszczalność tlenu, wytrzymałość, sztywność i odporność na zużycie.
Powłoka wytłaczana
Powlekanie przez wytłaczanie wykorzystuje proces folii rozdmuchiwanej lub odlewanej w celu pokrycia dodatkowej warstwy istniejącego surowca z papieru, folii lub folii. Na przykład proces ten można zastosować do poprawy właściwości papieru poprzez powlekanie go polietylenem, aby uczynić go bardziej odpornym na wodę. Wytłaczaną warstwę można również zastosować jako klej do połączenia dwóch innych materiałów. Tetrapak jest komercyjnym przykładem tego procesu.
WYCIĄGNIĘCIA ZŁOŻONE
Wytłaczanie mieszane to proces polegający na mieszaniu jednego lub większej liczby polimerów z dodatkami w celu uzyskania mieszanek tworzyw sztucznych. Surowcem mogą być granulki, proszki i/lub ciecze, lecz produkt ma zazwyczaj postać peletek, które można stosować w innych procesach formowania tworzyw sztucznych, takich jak wytłaczanie i formowanie wtryskowe. Podobnie jak w przypadku tradycyjnego wytłaczania, istnieje szeroki zakres rozmiarów maszyn w zależności od zastosowania i pożądanej wydajności. Chociaż w tradycyjnym wytłaczaniu można stosować wytłaczarki jedno- lub dwuślimakowe, konieczność odpowiedniego mieszania podczas wytłaczania mieszanego sprawia, że wytłaczarki dwuślimakowe są prawie obowiązkowe.
RODZAJE WYCIĄGARKI
Istnieją dwa podtypy wytłaczarek dwuślimakowych: współbieżne i przeciwbieżne. Nazewnictwo to odnosi się do względnego kierunku obrotu każdej śruby w porównaniu z drugą. W trybie współrotacji obie śruby obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara; przy obrocie przeciwnym jedna śruba obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a druga przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Wykazano, że dla danego pola przekroju poprzecznego i stopnia zachodzenia na siebie (zazębienia) prędkość osiowa i stopień wymieszania są większe w wytłaczarkach współbieżnych bliźniaczych. Jednakże wzrost ciśnienia jest wyższy w wytłaczarkach przeciwbieżnych. Konstrukcja ślimaka jest zwykle modułowa, ponieważ na wałach rozmieszczone są różne elementy przenoszące i mieszające, aby umożliwić szybką rekonfigurację w celu zmiany procesu lub wymiany poszczególnych elementów ze względu na zużycie lub uszkodzenie korozyjne. Rozmiary maszyn wahają się od tak małych jak 12 mm do tak dużych, jak 380 mm
ZALETY
Ogromną zaletą wytłaczania jest to, że profile takie jak rury można wykonać na dowolną długość. Jeśli materiał jest wystarczająco elastyczny, rury można wytwarzać na długich odcinkach, nawet zwijając je na szpulę. Kolejną zaletą jest wytłaczanie rur ze zintegrowaną złączką zawierającą gumową uszczelkę.
Czas publikacji: 25 lutego 2022 r
