Historia maszyn do wytłaczania tworzyw sztucznych

Wytłaczanie tworzyw sztucznych to wielkoseryjny proces produkcyjny, w którym surowe tworzywo sztuczne jest topione i formowane w ciągły profil.Wytłaczanie wytwarza takie elementy, jak rury, uszczelnienia, ogrodzenia, balustrady pokładowe, ramy okienne, folie i arkusze z tworzyw sztucznych, powłoki termoplastyczne i izolacje przewodów.
Proces ten rozpoczyna się od podania materiału z tworzywa sztucznego (pelletów, granulek, płatków lub proszków) z leja zasypowego do bębna wytłaczarki.Materiał jest stopniowo topiony przez energię mechaniczną generowaną przez obracające się śruby oraz przez grzałki rozmieszczone wzdłuż lufy.Stopiony polimer jest następnie wtłaczany do matrycy, która nadaje mu kształt twardniejący podczas chłodzenia.

HISTORIA

news1 (1)

Wytłaczanie rur
Pierwsze prekursory nowoczesnej wytłaczarki zostały opracowane na początku XIX wieku.W 1820 r. Thomas Hancock wynalazł gumowy „mastykator” przeznaczony do odzyskiwania przetworzonych resztek gumy, aw 1836 r. Edwin Chaffee opracował dwuwalcową maszynę do mieszania dodatków z gumą.Pierwsze wytłaczanie termoplastyczne zostało wykonane 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
W procesie wytłaczania tworzyw sztucznych surowy materiał kompozytowy ma zwykle postać nurdle (małych kulek, często nazywanych żywicą), które są podawane grawitacyjnie z górnego leja zasypowego do bębna wytłaczarki.Często stosuje się dodatki, takie jak barwniki i inhibitory UV (w postaci płynnej lub granulowanej), które można zmieszać z żywicą przed dotarciem do leja samowyładowczego.Proces ten ma wiele wspólnego z formowaniem wtryskowym tworzyw sztucznych z punktu widzenia technologii ekstrudera, choć różni się tym, że jest to zwykle proces ciągły.Podczas gdy pultruzja może oferować wiele podobnych profili o ciągłej długości, zwykle z dodatkowym wzmocnieniem, osiąga się to poprzez wyciąganie gotowego produktu z matrycy zamiast wytłaczania stopionego polimeru przez matrycę.

Materiał wchodzi przez gardziel podający (otwór w tylnej części beczki) i wchodzi w kontakt ze ślimakiem.Obracająca się śruba (zwykle obracająca się np. z prędkością 120 obr./min) wpycha plastikowe kulki do przodu do ogrzanej beczki.Pożądana temperatura wytłaczania rzadko jest równa ustawionej temperaturze beczki z powodu lepkiego ogrzewania i innych efektów.W większości procesów dla beczki ustawiany jest profil grzania, w którym trzy lub więcej niezależnych stref podgrzewania sterowanych PID stopniowo zwiększa temperaturę beczki od tyłu (miejsce wnikania tworzywa) do przodu.Umożliwia to stopniowe topienie plastikowych kulek w miarę ich przepychania przez cylinder i zmniejsza ryzyko przegrzania, które może spowodować degradację polimeru.

Dodatkowe ciepło jest dostarczane przez wysokie ciśnienie i tarcie zachodzące wewnątrz lufy.W rzeczywistości, jeśli linia do wytłaczania przepuszcza pewne materiały wystarczająco szybko, grzałki mogą zostać wyłączone, a temperatura stopu utrzymywana przez samo ciśnienie i tarcie wewnątrz beczki.W większości wytłaczarek znajdują się wentylatory chłodzące, które utrzymują temperaturę poniżej ustawionej wartości, jeśli generowane jest zbyt dużo ciepła.Jeżeli wymuszone chłodzenie powietrzem okaże się niewystarczające, stosuje się odlewane płaszcze chłodzące.

news1 (2)

Wytłaczarka z tworzywa sztucznego przecięta na pół, aby pokazać komponenty
Z przodu beczki stopiony plastik opuszcza ślimak i przechodzi przez pakiet sit, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia ze stopionego materiału.Ekrany są wzmocnione płytą łamacza (gruby metalowy krążek z wieloma wywierconymi w nim otworami), ponieważ ciśnienie w tym miejscu może przekroczyć 5000 psi (34 MPa).Zespół osłony/płyty łamacza służy również do wytworzenia ciśnienia wstecznego w lufie.Ciśnienie wsteczne jest wymagane do równomiernego topnienia i prawidłowego mieszania polimeru, a poziom generowanego ciśnienia można „dostosować” poprzez zmienny skład pakietu sit (liczba sit, ich rozmiar splotu drutu i inne parametry).Ta kombinacja płyty łamacza i pakietu sit eliminuje również „pamięć obrotową” stopionego tworzywa sztucznego i zamiast tego tworzy „pamięć wzdłużną”.
Po przejściu przez płytę łamacza stopiony plastik dostaje się do matrycy.Matryca jest tym, co nadaje produktowi końcowemu jego profil i musi być zaprojektowana tak, aby roztopione tworzywo sztuczne spływało równomiernie z profilu cylindrycznego do kształtu profilu produktu.Nierównomierny przepływ na tym etapie może wytworzyć produkt z niepożądanymi naprężeniami szczątkowymi w pewnych punktach profilu, które mogą powodować wypaczenie podczas chłodzenia.Można tworzyć różnorodne kształty, ograniczone do profili ciągłych.

Produkt musi być teraz schłodzony, co zwykle osiąga się przez przeciągnięcie ekstrudatu przez łaźnię wodną.Tworzywa sztuczne są bardzo dobrymi izolatorami termicznymi i dlatego trudno je szybko schłodzić.W porównaniu ze stalą plastik odprowadza ciepło 2000 razy wolniej.W linii do wytłaczania rur lub rurek na szczelną kąpiel wodną działa dokładnie kontrolowana próżnia, aby zapobiec zapadaniu się nowo utworzonej i wciąż stopionej rury lub rury.W przypadku produktów, takich jak folie z tworzywa sztucznego, chłodzenie uzyskuje się poprzez przeciąganie przez zestaw rolek chłodzących.W przypadku folii i bardzo cienkich arkuszy chłodzenie powietrzem może być skuteczne jako początkowy etap chłodzenia, tak jak w przypadku wytłaczania folii metodą rozdmuchiwania.
Wytłaczarki do tworzyw sztucznych są również szeroko stosowane do ponownego przetwarzania przetworzonych odpadów z tworzyw sztucznych lub innych surowców po czyszczeniu, sortowaniu i/lub mieszaniu.Materiał ten jest powszechnie wytłaczany we włókna odpowiednie do posiekania na kulki lub peletki w celu wykorzystania jako prekursor do dalszego przetwarzania.

KONSTRUKCJA ŚRUB
W śrubie termoplastycznej istnieje pięć możliwych stref.Ponieważ terminologia nie jest znormalizowana w branży, różne nazwy mogą odnosić się do tych stref.Różne typy polimerów będą miały różne konstrukcje ślimaków, niektóre nie obejmują wszystkich możliwych stref.

news1 (3)

Prosta plastikowa śruba do wytłaczania

news1 (4)

Śruby wytłaczarki z Bostonu Matthews
Większość śrub ma te trzy strefy:
● Strefa podawania (nazywana również strefą transportu ciał stałych): ta strefa podaje żywicę do ekstrudera, a głębokość kanału jest zwykle taka sama w całej strefie.
● Strefa topienia (nazywana również strefą przejściową lub strefą ściskania): większość polimeru topi się w tej sekcji, a głębokość kanału stopniowo się zmniejsza.
● Strefa dozowania (nazywana również strefą przenoszenia stopu): ta strefa topi ostatnie cząstki i miesza do jednolitej temperatury i składu.Podobnie jak strefa zasilania, głębokość kanału jest stała w całej tej strefie.
Dodatkowo śruba odpowietrzana (dwustopniowa) posiada:
● Strefa dekompresji.W tej strefie, około dwóch trzecich w dół śruby, kanał nagle się pogłębia, co zmniejsza ciśnienie i umożliwia wyciągnięcie wszelkich uwięzionych gazów (wilgoci, powietrza, rozpuszczalników lub reagentów) przez podciśnienie.
● Druga strefa dozowania.Ta strefa jest podobna do pierwszej strefy pomiaru, ale z większą głębokością kanału.Służy do ponownego zwiększenia ciśnienia stopu, aby przejść przez opór sit i matrycy.
Często długość śruby jest określana jako jej średnica jako stosunek L:D.Na przykład śruba o średnicy 6 cali (150 mm) przy 24:1 będzie miała długość 144 cali (12 stóp), a przy 32:1 będzie miała długość 192 cali (16 stóp).Stosunek L:D 25:1 jest powszechny, ale niektóre maszyny osiągają nawet 40:1, aby uzyskać więcej mieszania i większą wydajność przy tej samej średnicy ślimaka.Śruby dwustopniowe (wentylowane) to zazwyczaj 36:1, aby uwzględnić dwie dodatkowe strefy.
Każda strefa jest wyposażona w jedną lub więcej termopar lub RTD w ścianie beczki do kontroli temperatury.„Profil temperatury”, tj. temperatura każdej strefy, jest bardzo ważny dla jakości i charakterystyki końcowego ekstrudatu.

TYPOWE MATERIAŁY DO WYTŁACZANIA

news1 (5)

Rura HDPE podczas wytłaczania.Materiał HDPE wychodzi z grzałki do matrycy, a następnie do zbiornika chłodzącego.Ta rura kablowa Acu-Power jest współwytłaczana – czarna wewnątrz z cienką pomarańczową osłoną, do oznaczania kabli zasilających.
Typowe tworzywa sztuczne, które są używane w wytłaczaniu to między innymi: polietylen (PE), polipropylen, acetal, akryl, nylon (poliamidy), polistyren, polichlorek winylu (PVC), akrylonitryl-butadien-styren (ABS) i poliwęglan. ]

TYPY MATRYC
Do wytłaczania tworzyw sztucznych stosuje się różne matryce.Chociaż mogą istnieć znaczne różnice między typami matryc i ich złożonością, wszystkie matryce umożliwiają ciągłe wytłaczanie stopionego polimeru, w przeciwieństwie do przetwarzania nieciągłego, takiego jak formowanie wtryskowe.
Wytłaczanie folii metodą rozdmuchiwania

news1 (6)

Wytłaczanie z rozdmuchem folii z tworzywa sztucznego

Produkcja folii z tworzyw sztucznych do produktów takich jak torby na zakupy i ciągłe arkuszowanie odbywa się za pomocą linii do folii rozdmuchiwanej.
Ten proces jest taki sam jak zwykły proces wytłaczania aż do matrycy.W tym procesie stosuje się trzy główne typy matryc: pierścieniowe (lub krzyżowe), pająka i spiralne.Matryce pierścieniowe są najprostsze i opierają się na przepływie stopionego polimeru wokół całego przekroju matrycy przed opuszczeniem matrycy;może to spowodować nierównomierny przepływ.Matryce pająka składają się z centralnego trzpienia przymocowanego do zewnętrznego pierścienia matrycy za pomocą kilku „nóg”;podczas gdy przepływ jest bardziej symetryczny niż w matrycach pierścieniowych, powstaje wiele linii zgrzewania, które osłabiają folię.Spiralne matryce eliminują problem linii spawania i asymetrycznego przepływu, ale są zdecydowanie najbardziej złożone.

Stopiony materiał chłodzi się nieco przed opuszczeniem matrycy, aby uzyskać słabą półstałą rurkę.Średnica tej rurki szybko się zwiększa pod wpływem ciśnienia powietrza, a rurka jest ciągnięta do góry za pomocą rolek, rozciągając plastik zarówno w kierunku poprzecznym, jak i ciągnącym.Ciągnienie i rozdmuchiwanie powoduje, że folia jest cieńsza niż wytłaczana rura, a także preferencyjnie wyrównuje łańcuchy molekularne polimeru w kierunku, w którym widać najbardziej plastyczne naprężenie.Jeśli folia jest rozciągana bardziej niż jest rozdmuchiwana (ostateczna średnica rury jest zbliżona do średnicy wytłaczanej), cząsteczki polimeru będą wysoce wyrównane z kierunkiem rozciągania, tworząc folię mocną w tym kierunku, ale słabą w kierunku poprzecznym .Folia, która ma znacznie większą średnicę 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 ona na tak zwanej linii szronu.W miarę ochładzania się folii, jest ona przeciągana przez kilka zestawów rolek dociskowych, aby spłaszczyć ją do płasko ułożonej rury, którą następnie można 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 wieszak na ubrania.Celem tych matryc jest zmiana orientacji i kierowanie przepływu stopionego polimeru z pojedynczego okrągłego wyjścia z wytłaczarki do cienkiego, płaskiego przepływu płaskiego.W obu typach matryc zapewniają stały, równomierny przepływ na całej powierzchni przekroju matrycy.Chłodzenie zazwyczaj polega na przeciąganiu przez zestaw rolek chłodzących (wałki kalandra lub rolki „chill”).Podczas wytłaczania arkuszy rolki te nie tylko zapewniają niezbędne chłodzenie, ale także określają grubość arkusza i teksturę powierzchni.[7]Często współwytłaczanie stosuje się do nakładania jednej lub więcej warstw na wierzch materiału bazowego w celu uzyskania określonych właściwości, takich jak absorpcja UV, tekstura, odporność na przenikanie tlenu lub odbicie energii.
Powszechnym procesem po wytłaczaniu w przypadku arkuszy z tworzywa sztucznego jest formowanie termiczne, w którym arkusz jest podgrzewany do miękkości (plastik) i formowany w nowy kształt za pomocą formy.Kiedy używana jest próżnia, jest to często określane jako formowanie próżniowe.Orientacja (tj. zdolność/dostępna gęstość arkusza do wyciągania do formy, która może zmieniać się na głębokości zwykle od 1 do 36 cali) jest bardzo ważna i ma duży wpływ na czasy cyklu formowania dla większości tworzyw sztucznych.

Wytłaczanie rur
Wytłaczane przewody rurowe, takie jak rury PVC, są wytwarzane przy użyciu bardzo podobnych matryc, jakie stosuje się w wytłaczaniu folii rozdmuchiwanej.Nadciśnienie można przyłożyć do wnęk wewnętrznych przez kołek lub podciśnienie można przyłożyć do średnicy zewnętrznej za pomocą miernika próżniowego, aby zapewnić prawidłowe wymiary końcowe.Dodatkowe prześwity lub otwory można wprowadzić, dodając do matrycy odpowiednie trzpienie wewnętrzne.

news1 (7)

Linia do wytłaczania medycznego Boston Matthews
Zastosowania rur wielowarstwowych są również stale obecne w przemyśle motoryzacyjnym, hydraulicznym i grzewczym oraz w przemyśle opakowaniowym.

Wytłaczanie płaszcza
Wytłaczanie płaszcza zewnętrznego pozwala na nałożenie zewnętrznej warstwy tworzywa sztucznego na istniejący przewód lub kabel.Jest to typowy proces izolacji przewodów.
Istnieją dwa różne rodzaje oprzyrządowania matrycowego używanego do powlekania drutu, rur (lub płaszcza) i ciśnienia.W oprzyrządowaniu z płaszczem stopiony polimer dotyka drutu wewnętrznego dopiero bezpośrednio przed krawędziami matrycy.W oprzyrządowaniu ciśnieniowym stopiony materiał 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 bliski kontakt lub przyczepność między nową warstwą a istniejącym drutem, stosuje się oprzyrządowanie dociskowe.Jeśli przyczepność nie jest pożądana/konieczna, zamiast tego stosuje się oprzyrządowanie do płaszcza.

Współwytłaczanie
Koekstruzja to wytłaczanie wielu warstw materiału jednocześnie.Ten typ wytłaczania wykorzystuje dwie lub więcej wytłaczarek do topienia i dostarczania stałej objętościowej przepustowości różnych lepkich tworzyw sztucznych do pojedynczej głowicy wytłaczarki (matrycy), która będzie wytłaczać materiały w pożądanej formie.Ta technologia jest stosowana w każdym z procesów opisanych powyżej (rozdmuchiwanie folii, obciąganie, rurki, arkusze).Grubość warstw jest kontrolowana przez względne prędkości i rozmiary poszczególnych ekstruderów dostarczających materiały.

5 : 5 warstwa współwytłaczania kosmetycznej tuby "wyciskania"
W wielu rzeczywistych scenariuszach pojedynczy polimer nie może spełnić wszystkich wymagań aplikacji.Wytłaczanie złożone umożliwia wytłaczanie zmieszanego materiału, ale wytłaczanie współbieżne zachowuje oddzielne materiały jako różne warstwy w wytłoczonym produkcie, umożliwiając odpowiednie rozmieszczenie materiałów o różnych właściwościach, takich jak przepuszczalność tlenu, wytrzymałość, sztywność i odporność na zużycie.
Powłoka wytłaczana
Powlekanie przez wytłaczanie polega na zastosowaniu procesu rozdmuchiwania lub wylewania folii w celu nałożenia dodatkowej warstwy na istniejący wałek papieru, folii lub folii.Na przykład proces ten można wykorzystać do poprawy właściwości papieru poprzez powlekanie go polietylenem, aby uczynić go bardziej odpornym na wodę.Wytłaczaną warstwę można również stosować jako klej do łączenia dwóch innych materiałów.Tetrapak jest komercyjnym przykładem tego procesu.

WYTŁACZANIA MIESZANE
Wytłaczanie złożone to proces, w którym miesza się jeden lub więcej polimerów z dodatkami, aby uzyskać związki z tworzywa sztucznego.Pasze mogą być peletkami, proszkiem i/lub płynami, ale produkt jest zwykle w formie peletek do wykorzystania w innych procesach formowania tworzyw sztucznych, takich jak wytłaczanie i formowanie wtryskowe.Podobnie jak w przypadku tradycyjnego wytłaczania, istnieje szeroka gama rozmiarów maszyn w zależności od zastosowania i pożądanej przepustowości.Podczas gdy wytłaczarki jedno- lub dwuślimakowe mogą być stosowane w tradycyjnym wytłaczaniu, konieczność odpowiedniego mieszania w wytłaczaniu mieszającym sprawia, że ​​wytłaczarki dwuślimakowe są prawie obowiązkowe.

RODZAJE WYTŁACZARKI
Istnieją dwa podtypy wytłaczarek dwuślimakowych: współbieżne i przeciwbieżne.Ta nomenklatura odnosi się do względnego kierunku wirowania każdej śruby w porównaniu z drugą.W trybie współobrotowym obie śruby obracają się w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara;w obrocie przeciwnym jedna śruba obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a druga przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.Wykazano, że dla danej powierzchni przekroju poprzecznego i stopnia zachodzenia na siebie (zazębienia) prędkość osiowa i stopień mieszania są większe w wytłaczarkach dwuobrotowych współbieżnych.Jednak wzrost ciśnienia jest wyższy w wytłaczarkach przeciwbieżnych.Konstrukcja ślimaka jest zwykle modułowa, ponieważ różne elementy przenoszące i mieszające są rozmieszczone na wałach, aby umożliwić szybką rekonfigurację w celu zmiany procesu lub wymiany poszczególnych elementów z powodu zużycia lub uszkodzeń korozyjnych.Rozmiary maszyn wahają się od 12 mm do 380 mm

ZALETY
Wielką zaletą wytłaczania jest to, że profile takie jak rury mogą być wykonane na dowolną długość.Jeśli materiał jest wystarczająco elastyczny, rury można wytwarzać na długich odcinkach, nawet zwijając je na szpuli.Kolejną zaletą jest wytłaczanie rur ze zintegrowaną złączką z gumową uszczelką.


Czas publikacji: 25 lutego-2022