Метод экструзии и его применение

Задача технологии изготовления изделий из термопластичных древесно-полимерных композиционных материалов принципиально проста - соединить все ингридиенты будущего композита в однородный материал и сформировать из него изделие нужой формы. Однако, для ее реализации требуется некоторый набор достаточно сложного технологического оборудования.

1. Общие принципы технологии.

Исходным сырьем для производства ДПК является древесная мука (или волокно), базовая смола в виде суспензии или гранул и до 6-7 видов необходимых добавок (аддитивов).

Сушествует две принципиально различающихся схемы получения экструзионных изделий из термопластичных ДПК:

Двухстадийный процесс (компаундирование + экструзия),

Одностадийный процесс (прямая экструзия).

В двухстадийном процессе сначала из исходных ингридиентов изготавливается древеснополимерный компаунд.

Смола и мука находятся в двух силосах. Мука, подсушенная в специальной установке и смола направляются в весовой дозатор, и поступает в смеситель, где тщательно перемешивается в горячем виде с добавлением необходимых аддитивов. Полученная смесь далее формируется в виде некрупных гранул (пеллет), которые затем охлаждается в специальном устройстве (охладителе).

Рис. 1. Схема получения гранулированного древеснополимерного компаунда

Затем, этот компаунд используется для экструзии профильных изделий, см. схему экструзионного участка, Рис. 2.

Рис. 2. Схема экструзионного участка

Гранулят подается в экструдер, разогревается до пластичного состояния и продавливается через фильеру. Выдавленный профиль калибруется, распиливается поперек ( а при необходимости и вдоль) и укладывается на приемный стол.

Древеснополимерный компаунд используется также для литья или прессования изделий из термопластичных ДПК.

В случае прямой экструзии ингриденты направляются непосредственно в экструдер, см., например, одну из схем организации процесса прямой экструзии ДПК на Рис. 3.

Рис. 3. Схема прямой экструзии древеснополимерных композитов.

В данном случае, древесная мука подается из бункера в сушильную установку, подсушивается до влажности менее 1 % и поступает в бункер-накопитель. Затем мука и добавки из поступают в дозатор, а из него - в миксер (смеситель). Подготовленный в миксере смесь (компаунд) при помощи транспортной системы подается в накопительную емкость экструдера. Смола, пигмент и смазывающий агент из соответствующих емкостей подаются в экструдер, где происходит их окончательное перемешивание, нагрев и выдавливание через фильеру. Далее происходит охлаждение ( и при необходимости ) калибровка полученного профиля, а затем обрезка на нужную длину. Такая схема называется прямой экструзией.

В настоящее время в промышленности широко используются обе схемы, хотя многие считают более прогрессивной прямую экструзию.

За рубежом существуют предприятия, специализирующиеся только на производстве гранулята для ДПК, т. е. на продажу. Например, на фирме WTL International мощности установок такого типа составляют до 4500-9000 кгчас.

Примерное расположение оборудования экструзионного участка (линии) для прямой экструзии профильных деталей см. на следующей схеме.

В зависимости от цели проекта, производство экструзионных ДПК может быть реализовано в виде компактного участка на одной установке, либо в форме цеха (завода с большим или меньшим количеством технологических линий.

На крупных предприятиях могут стоять десятки экструзионных установок.

Предельные температуры процесса экструзии для разных видов базовых смол, показаны на диаграмме рис.6.

Рис.6. Предельные температуры рабочей смеси (линия 228 градусов - температура воспламенения древесины)

Примечание. Большинство природных и синтетических полимеров при температуре выше 100 град. С склонно к деградации. Это связано с тем, что энергия отдельных молекул становится достаточной для разрушения межмолекулярных связей. Чем выше температура, тем таких молекул становится больше. В результате сокращается длина полимерных молекулярных цепочек, происходит окисление полимера и существенно ухудшаются физико-механические свойства полимера. При достижении предельных температур деградация молекул полимера происходит в массовом порядке. Поэтому, при горячем компаундировании и экструзии необходимо тщательно контролировать температуру смеси и стремиться к ее снижению и к сокращению операционного времени. Деградация полимеров происходит и во время естественного старения композита при воздействии ультрафиолетового излучения. Деградации подвержен не только пластик, но и молекулы полимеров, составляющих структуру древесной компоненты композита.

Давление расплавленной смеси в цилиндре экструдера обычно составляет от 50 до 300 бар. Оно зависит от состава смеси, конструкции экструдера, формы экструдируемого профиля и скорости истечения расплава. Современные мощные экструдеры создаются с расчетом на рабочее давление до 700 бар.

Давление расплавленной смеси в цилиндре экструдера обычно составляет от 50 до 300 бар. Оно зависит от состава смеси, конструкции экструдера, формы экструдируемого профиля и скорости истечения расплава. Современные мощные экструдеры создаются с расчетом на рабочее давление до 700 бар.

Скорость экструзии ДПК ( т. е. скорость истечения расплава из фильеры ) находится в пределах от 1 до 5 метров в минуту.

Главной частью этого технологического процесса является экструдер. Поэтому ниже мы рассмотрим некоторые виды экструдеров.

2. Виды экструдеров

В отечественной литературе экструдеры часто именуются червячными прессами. Принцип работы экструдера - это хорошо известный каждому "принцип мясорубки". Вращающийся шнек (червяк) захватывает из приемного отверстия материал, уплотняет его в рабочем цилиндре и под давлением выталкивает в фильеру. Кроме того, в экструдере происходит окончательное перемешивание и уплотнение материала.

Движение материала в экструдере при вращении шнека происходит вследствие разницы в коэффициентах трения материала о щнек и цилиндр. Как образно высказался один зарубежный специалист: " полимер прилипает к цилиндру и скользит по шнеку".

Основное тепло в рабочем цилиндре выделяется вследствие сжатия рабочей смеси и работы значительных сил трения ее частиц о поверхности экструдера и друг об друга. Для переработки термопластов экструдеры снабжаются дополнительными устройствами для разогрева рабочей смеси, измерения температуры и ее поддержания ( нагреватели и охладители).

В пластиковой индустрии наиболее распространенными, в силу относительной простоты и сравнительно низкой цены, являются одноцилиндровые ( одношнековые) экструдеры, см. схему и фото, рис. 7.

Рис. 7. Стандартная схема и внешний вид одноцилиндрового экструдера: 1- бункер; 2- шнек; 3- цилиндр; 4- полость для циркуляции воды; 5- нагреватель; 6- решетка; 7- формующая головка. Фазы процесса (I - подача материала, II - нагрев, III - сжатие)

Основные характеристиками экструдера являются :

Диаметр цилиндра, мм

Отношение длины цилиндра к его диаметру, L/D

Скорость вращения шнека, об/мин

Мощности двигателя и нагревателя, квт

Производительность, кг/час

Примечание. Паспортная производительность экструдера является величиной условной. Фактическая производительность экструдера может значительно отличаться от паспортной в конкретном технологическом процессе в зависимости от перерабатываемого материала, конструкции фильер, пост-экструзионного оборудования и т. д. Показателями эффективности конкретного экструзионного процесса являются отношения производительности к потребляемой мощности, стоимости оборудования, численности персонала и т. п.

На следующей диаграмме показаны различия в производительности экструдеров серии TEM английской фирмы NFM Iddon Ltd при изготовлении гранул и профиля на разных композициях ДПК.

Следующим видом является экструдер с коническим шнеком. Конструктивно он похож на цилиндрический экструдер, но шнек и рабочая полость выполнены в форме конуса. Это дает возможность более энергично захватывать и проталкивать рыхлый материал в рабочую зону, уплотнять его и быстрее поднимать давление в районе фильеры до необходимого уровня.

Примечание. Цилиндрические и конические одношнековые экструдеры могут использоваться в производстве профилей из термопластичных ДПК в двухстадийном процессе, т. е. при переработке готового ДПК компаунда.

Более производительными являются экструдеры с двумя цилиндрическим или коническими шнеками, см. рис. 8. Кроме того, они обладают существенно лучшими смесительными свойствами. Шнеки экструдера могут вращаться в одну сторону или в противополжных направлениях.

Рис. 8. Схемы шнеков двухцилиндрового и двухконусного экструдеров: зона подачи, зона сжатия, зона вентиляции, зона дозирования

Конструкция двухшнековой машины много сложнее и она дороже.

Шнеки современных экструдеров представляют собой сложную конструкцию, см. рис 6.9.а. и рис. 6.9.б.

Рис.1.9. Окно для реального

Наблюдения процесса в экструдере.

В рабочей полости экструдера происходят различные механические, гидравлические и химические процессы, наблюдение и точное описание которых затруднено. На Рис. 9 показано специальное бронированное стеклянное окно для непосредственного наблюдения за экструзионным процессом (фирма FTI)

Благодаря высокой производительности и хорошим смесительным свойствам именно двухшнековые мащины применяются для реализации схемы прямой экструзии термопластичных ДПК. Т. е. в них осуществляется и смешивание компонентов и подача приготовленной рабочей смеси в фильеру. Кроме того, двухшнековые экструдеры часто применяются в двухстадийном процессе в качестве компаундеров для получения ДПК в гранулах.

Шнеки двухшнековых машин не обязательно имеют только винтовые поверхности. Для улучшения их смесительных свойств на шнеках могут быть выполены специальные смесительные участки с другими типами поверхностей, которые обеспечивают существенное изменение направления и характера движения рабочей смеси т тем самым лучшее ее перемешивание.

Недавно японской фирмой Creative Technology & Extruder Co. Ltd для переработки древесно-полимерных композиций была предложена комбинированная схема конструкции экструдера, в котором в одном корпусе цилиндре совмещены двухшнековый и одношнековый экструдеры.

Основные механизмы явлений происходящих при экструзии термопластичных материалов хорошо изучены. В общих чертах см. например приложение " Введение в экструзию "

Примечание. В установке для производства древесно-полимерного листа Ростхиммаша использован дисковый экструдер. В некоторых случаях в производстве ДПКТ вместо шнековой экструзии может использоваться поршневая экструзия.

Существуют специальные методы математического компьютерного моделирования экструзионных процессов, используемые для расчета и конструирования экструдеров и фильер, см Рис. 10. и в системах компъютерного управления экструдерами.

Рис. 10. Система компьютерного моделирования экструзионных процессов.

Экструдеры применяемые производстве ДПК должны быть снабжены эффективным устройством дегазации для отвода паров и газов и иметь износостойкие рабочие поверхности, например, цилиндр с глубоким азотированием и шнек, упрочненный молибденом.

Традиционно, в технологии производства ДПК используется древесная мука влажностью менее 1%. Однако, новые современные экструдеры, разработанные специально для производства ДПК, способны перерабатывать муку влажностью до 8 %, так как снабжены мощной системой дегазации. Некоторые считают, что образующийся в экструдере водяной пар в какой-то степени способствует облегчению процесса экструзии, хотя это спорное утверждение. Например, фирма Cincinnati Extrusion указывает, что выпускаемой фирмой экструдер мод. Fiberex A135 при влажности муки 1-4% будет иметь производительность 700 - 1250 кг/час, а при 5-8 % только 500- 700 кг/час. Таким образом, стандартный экструдер даже оборудованный системой дегазации, все же не является сушилкой, а просто способен более или менее эффективно удалять из рабочкй смеси небольшое количество влаги. Однако, есть и исключения из этого положения, например - описанный далее финский экструдер Conex, способный работать и на влажных материалах.

Как правило, в ходе экструзии вода должна быть полностью удалена из материала для обеспечения получения плотной и долговечной структуры композита. Однако, если изделие будет эксплуатироваться внутри помещения, то оно может быть и более пористым и, соответственно, менее плотным.

Один из экструдеров, разработанный специально для производства древесно-полимерных композитов, показан на Рис. 11.

Рис. 11. Экструдер модели DS 13.27 фирмы Hans Weber Gmbh, технология "Fiberex"

Экструдеры используемые двухстадийном процессе для предварительного гранулирования ДПК вместо профильной фильеры снабжаются специальной гранулирующей головкой. В гранулирующей головке, выходящий из экструдера поток рабочей смеси разделяется на несколько ручейков малого диаметра (стренгов) и разрезается ножом на короткие отрезки.

После охлаждения они превращаются в гранулы. Охлаждение гранул осуществляется на воздухе или в воде. Влажные гранулы высушиваются. Гранулированные ДПК пригодны для хранения, транспортировки и дальнейшей переработки в детали на следующей стадии технологического процесса или на другом предприятии методом экструзии, литья под давлением или прессования.

Раньше экструдеры имели одну зону загрузки. Новые модели экструдеров, разрабатываемые для переработки композиционных материалов могут иметь две или более зон загрузки - отдельно для смолы, отдельно для наполнителей и аддитивов. С целью лучшего приспособления к работе на разных композициях экструдеры - компаундеры часто выполняются разборной секционной конструкции, что позволяет изменять соотношение L/D

3. Фильеры (головки) экструдеров

Фильера (т. н. "головка экструдера") является сменным инструментом экструдера, которая придает расплаву, покидающему рабочую полость экструдера, необходимую форму. Конструктивно фильера представляет собой щель, через которую продавливается (истекает) расплав.

Рис. 12. Фильера, профиль, калибратор.

В фильере происходит окончательное формирование структуры материала. Она в значительной степени определяет точность поперечного сечения профиля, качество его поверхности, механические свойства и т. п. Фильера является важнейшей составной частью динамической системы экструдер-фильера и фактически определяет производительность экструдера. Т. е. с разными фильерами один и тот же экструдер способен произвести различное количество профиля в килограммах или погонных метрах ( даже для одного и того же профиля). Это зависит от степени совершенства реологического и теплотехнического расчёта системы (скорость экструзии, коэффициента разбухания экструдата, вязкоэластичные деформации, сбалансированность отдельных потоков экструдата и т. п.)

На фотографии рис. 6.13. изображена фильера (слева) из которой выходит горячий профиль (в центре) и направляется в калибратор (справа).

Для получения изделий сложного профиля применяют фильеры, имеющие относительно большое сопротивление движению расплава. Основная задача, которая должна быть решена внутри фильеры в процессе экструзии, и особенно для сложной профильной детали, - выравнивание объемной скорости различных потоков расплава в головке по всему сечению профиля. Поэтому, скорость экструзии сложных профилей меньше, чем простых. Это обстоятельство необходимо учитывать уже на стадии конструировании самого профиля, т. е. изделия (симметрия, толщины, расположение ребер, радиусы переходов и др.).

Рис.13. Сборная двухручьевая фильера для производства оконных профилей.

Экструзионный процесс позволяет на одном экструдере производить одновременно два или более, как правило одинаковых профилей, что позволяет максимально использовать производительность экструдера при производстве некрупных профилей. Для этого используются двухручьевые или многоручьевые фильеры. На фотографии показан внешний вид двухручьевой фильеры, см Рис. 13

Фильеры изготавливаются из прочных и износостойких сталей. Стоимость одной фильеры может находиться в пределах от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч долларов ( в зависимости от размеров, сложности конструкции и точности и применяемых материалов ).

Кажется, что техническая сложность мощных современных экструдеров и фильер для них ( по точности, технологиям производства и применяемым материалам ) приближается к сложности авиационных двигателей и далеко не всякому машиностроительному заводу это по плечу. Однако, вполне можно рассматривать возможность организации производства отечественной экструзионной техники, - если использовать готовые комплектующие изделия импортного производства (рабочие цилиндры, шнеки, редукторы и пр.). За рубежом существуют компании, которые специализируются на изготовлении именно такой продукции.

4. Дозаторы и смесители.

В производстве конструкционных материалов вопросы однородности (равномерности структуры) и постоянства состава имеют, как известно, первоочередное значение. Важность этого для древесно-полимерных композитов даже не требует специальных пояснений. Поэтому в технологии ДПК большое внимание уделяется средствам дозирования, перемешивания и подачи материалов. В производстве ДПК реализуются разнообразные технологические приемы и схемы решения этих процессов.

Дозирование материалов осуществляется 5 способами:

Простое обьемные дозирование, когда материал насыпается в емкость определенного размера (мерное ведро, бочку или емкость смесителя)

Простое весовое дозирование, когда материал насыпается в емкость, расположенную на весах.

Непрерывное обьемное дозирование, например при помощи шнекового дозатора. Регулирование осуществляется изменением скорости подачи устройства.

Непрерывное весовое (гравиметрическое) дозирование при помощи специальных электронных устройств.

Комбинированное дозирование, когда одни компоненты дозируются одним способом, а другие - другим.

Средства обьемного дозирования дешевле, средства весового дозирования точнее. Средства непрерывного дозирования проще организовать в автоматизированную систему.

Смешивание компонентов может осуществляться холодным и горячим способами. Горячий компаунд направляется непосредственно в экструдер для формирования профиля или в гранулятор и охладитель для получения гранул. В роли горячего смесителя может выступать специальный экструдер-гранулятор.

Примечания :

Гранулированные материалы имеют обычно стабильную насыпную массу и могут быть достаточно точно дозированы обьемными методами. С порошками, и тем более с древесной мукой, дело обстоит противоположным образом.

Органические жидкие и пылевидные материалы склонны к возгорания и взрыву. В нашем случае это относится, особенно, к древесной муке.

Смешивание компонентов может быть выполнено различными способами. Для этого существуют сотни различных устройств, как простейших мешалок, так и автоматических смесительных установок, см. , например, смесители лопастного типа для холодного и горячего смешивания.

Рис. 14. Компьютеризированная смесительно-дозирующая станция фирмы Colortonic

На рис. 14. изображена гравиметрическая система автоматического дозирования и смешивания компонентов, разработанная специально для изготовления древесно-полимерных композитов. Модульная конструкция позволяет формировать систему для смешивания любых компонентов в любой последовательности.

5. Питатели

Особенностью древесной муки является ее очень маленькая насыпная плотность и не очень хорошая сыпучесть.

Рис. 15. Конструктивная схема питателя

Как бы быстро не вращался шнек экструдера, - он не всегда в состоянии захватить достаточное количество ( по весу) рыхлой смеси. Поэтому, для легких смесей и муки разработаны системы принудительного питания экструдеров. Питатель подает муку в зону загрузки экструдера под некоторым давлением и обеспечивает, тем самым, достаточную плотность материала. Схема устройства такого питателя показана на Рис. 15.

Обычно, принудительные питатели поставляются изготовителем вместе с экструдером по специальному заказу под конкретную смесь, см. например схему организации процесса прямой экструзии, предлагаемую фирмой Coperion, Рис. 16.

Рис. 16. Схема прямой экструзии ДПК с принудительным питанием, фирма Coperion.

Схема предусматривает загрузку отдельных компонентов композита в разные зоны экструдера. Внешний вид подобной установки фирмы Milacron, см. рис.1.17.а.

Рис. 17.а. Двухшнековый конический экструдер TimberEx TC92 c системой принудительного питания производительностью 680 кг/час.

6. Охладитель.

В простейших случаях процесс экструзии ДПК может быть закончен охлаждением профиля. Для этого используется несложный водяной охладитель, например - корыто с душевой головкой. Горячий профиль попадает под струи воды, охлаждается и принимает окончательную форму и размеры. Длина корыта определяется из условия достаточного охлаждения профиля до температуры стеклования смолы. Эта технология рекомендуется, например, фирмами Strandex и TechWood. Она применяется там, где требования к качеству поверхности и точности формы профиля не слишком высоки ( строительные конструкции, некоторые декинг-продукты и т. п. ) или предполагается последующая обработка, например - шлифование, облицовывание и т. д..

Для изделий с повышенными требованиями к точности размеров изделия (сборные конструкции, элементы интерьера, окна, двери, мебель и т. п. ) рекомендуется использовать калибрационные устройства ( калибраторs).

Промежуточное положение по точности размеров получаемых изделий занимает технология естественного воздушного охлаждения профиля на рольганге, применяемая, например, немецкой фирмой Pro-Poly-Tec ( и кажется одной из корейской фирм).

7. Калибраторы.

Выходящий из фильеры профиль имеет температуру до 200 градусов. При охлаждении происходит температурная усадка материала и профиль обязательно изменяет свои размеры и форму. Задача калибратора - обеспечить принудительную стабилизацию профиля в процессе охлаждения.

Калибраторы бывают воздушного и водяного охлаждения. Существуют комбинированные водо-воздушные калибраторы, обеспечивающего лучший прижим экструдата к формующим поверхностям калибратора. Наиболее точными считаются вакуумные калибраторы, в которых движущиеся поверхности формируемого профиля подсасываются вакуумом к поверхностям формующего инструмента.

Австрийская фирма Технопласт недавно разработала специальную систему водяного калибрования и охлаждения древесно-полимерных профилей, получившую название Лигнум, см. рис. 18.

Рис. 18. Система калибрования Лигнум фирмы Technoplast, Австрия

В этой системе калибрование профиля происходит при помощи специальной приставки к фильере, в которой происходит водяное вихревое охлаждение поверхности профиля.

8. Тянущее устройство и отрезная пила.

На выходе из экструдера горячий композит имеет малую прочность и может быть легко деформирован. Поэтому для облегчения его движения через калибратор часто используется тянущее устройство, обычно гусеничного типа.

Рис. 19. Тянущее устройство с отрезной пилой фирмы Greiner

Профиль деликатно захватывается траками гусениц и уводится из калибратора с заданной стабильной скоростью. В некоторых случаях могут быть использованы и валковые машины.

Для деления профиля на отрезки нужной длины используются подвижные дисковые маятниковые пилы, которые в процессе пиления двигаются вместе с профилем, а затем возвращаются в исходное положение. Пильное устройство, при необходимости, может быть снабжено и продольной пилой. Тянущее устройство может быть выполнено в одной машине с отрезной пилой, см. фотографию на Рис. 19.

9. Приемный стол

Mожет иметь различную конструкцию и степень механизации. Чаще всего используется простейший гравитационный сбрасыватель. Внешний вид см., например, Рис. 20.

Рис. 20. Автоматизированный разгрузочный стол.

Все эти устройства смонтированные вместе, снабженные общей системой управления, образуют экструзионную линию, см. Рис. 21.

Рис. 21. Экструзионная линия для производства ДПК (приемный стол, пила, тянущее устройство, калибратор, экструдер)

Для перемещения профилей по предприятию используются различные тележки, транспортеры и погрузчики.

10. Отделочные работы.

Во многих случаях профиль, изготовленный из ДПК не требует дополнительной обработки. Но есть много применений, в которых по эстетическим соображениям отделочные работы необходимы.

11. Упаковка

Готовые профили собирают в транспортные пакеты и обвязывают полипропиленовой или металлической лентой. Ответственные детали для защиты от повреждений могут быть дополнительно укрыты, например, полиэтиленовой пленкой, картонными прокладками).

Мелкие профили для предохранения от поломки могут требовать жесткой упаковки (картонные ящики, обрешетки).

Отечественные аналоги.

В ходе информационных исследований в области экструзии ДПК был проведен и поиск отечественных технологий. Единственную линию для производства древесно-полимерного листа предлагает завод "Ростхиммаш", сайт http://ggg13.narod. ru

Технические характеристики линии:

Вид продукции - лист 1000 х 800 мм, толщина 2 - 5 мм

Производительность 125 - 150 кг в час

Состав линии:

Экструдер двухшнековый

Дисковый экструдер

Головка и калибр

Вакуум-калибровочная ванна

Тянущее устройство

Режущее устройство, для обрезки кромок и обрезки по длине

Накопитель-автомат

Габаритные размеры, мм, не более (габарит указан без тепловой станции и комплекта устройств управления – уточняется при расстановке оборудования у заказчика)

Длина, 22500 мм

Ширина, 6000 мм

Высота, 3040 мм

Масса - 30 620 кг

Установленная мощность электрооборудования около 200 квт

Данную установку можно оценить следующим образом:

Имеет невысокую производительность

Не приспособлена к производству профильных деталей

Крайне низкая точность ( +/- 10 % по толщине )

Большая удельная материалоемкость и энергопотребление