Что такое экструдер и экструзия, принципы работы

Общая информация

Экструдер — это машина, которая превращает сырьё в виде мелких частиц в расплав определённой формы. В качестве таких частиц могут использоваться гранулы, порошок, разнообразные пасты или лом.

Процесс заключается в прохождении сырья через специальный формующий инструмент (экструзионную головку, фильерную пластину). Форму готового продукта задаёт калибрующее устройство с определённым сечением. Она будет зависеть от вида отверстия в формующем устройстве. Если это щель, на выходе получится листовой материал, если кольцо, то изделие будет иметь форму трубы.

Процесс, происходящий с использованием этого оборудования, называется экструзией. В зависимости от конструкции машины её делят на несколько видов:

• холодное синее формование, при котором на материал оказывается только механическое воздействие;
• тёплая экструзия, заключающаяся в механических преобразованиях, которые сопровождаются тепловой обработкой;
• горячая формовка — скоростной процесс, предполагающий использование высоких температур и давления.

Области применения

Технология изготовления изделий путём применения экструзии нашла своё применение в областях, описываемых далее.

• Химическая промышленность. Эта область предполагает изготовление полимерных изделий (резиновых, пластмассовых и так далее), а также получение ферритов. При этом химический состав используемого сырья остаётся неизменным, экструдер предназначен в первую очередь для получения необходимой формы конечного изделия. Поэтому настройки такого оборудования относительно просты.
экструдер для пластика
• Пищевая промышленность. При производстве продуктов питания также может использоваться экструзия. Обычно, она представляет собой более сложный процесс, чем в предыдущем примере. Настройки оборудования предполагают тонкое изменение показателей температуры, скорости, давления, что приводит к изменениям характеристик и свойств первоначального сырья, например, денатурации белка, расщеплению углеводов или желатинизации крахмала.

Классификация оборудования

Свет увидел первый экструдер ещё в XIX веке, а уже к XX было создано множество модификаций этого оборудования. Современные экструдеры имеют несколько классификаций. По типу транспортирующего устройства они делятся на следующие виды:

• одношнековые;
• двухшнековые;
• многошнековые;
• дисковые;
• поршневые;
• комбинированные.

По расположению шнеков:

• параллельные;
• конические.

По частоте вращения:

• нормальные;
• быстроходные.

По направлению вращения:

• сонаправленные;
• противонаправленные.

Виды экструдеров

Экструдер для профиля из поливинилхлорида (ПВХ)

Самым простым и дешёвым способом производства полимерного или композитного профиля является, как раз экструзия. Характер используемого сырья и сложность получаемого изделия определяют необходимость выбора одношнекового или двухшнекового экструдера, а также соответствующих фильерных пластин.

Таким способом производят тончайшие нити, полосы, листы, панели и профили сложной геометрии. Принцип везде одинаков. Иногда в полимерную основу добавляют различные примеси, которые позволяют производить композитные материалы различного назначения.

Трубный экструдер

Пластиковые трубы также производят на похожих линиях. Особенность их изготовления заключается в специальном требовании к полимерной смеси. В готовой смеси не должно быть пузырьков газа, которые могут сделать стенки труб неоднородными и непрочными. С этой целью в данных экструдерах устанавливается специальный дегазатор. Кроме того, в экструдерах для труб применяются двухшнековые установки с барьерными шнеками, которые позволяют добиться однородного и равномерно прогретого до нужной температуры сырья.

Изготовление полиэтилена

Экструзионным способом производятся и все виды полимерных плёнок. На производстве с этой целью используют выдувной экструдер, который позволяет устанавливать необходимую толщину и ширину продукта. Формирующий узел представлен тонкой щелью. Иногда применяются щелевые фильеры, выдувающие плёнку в форме рукава. Аппараты для изготовления плёнки небольшой ширины компактны и не потребляют много энергии.

Технологическая линия

На производстве экструдер является основным элементом экструзионной линии, которую также составляет ряд прочих устройств.

Производственные линии также включают:

Систему приготовления сырьевых материалов и их подачи. Особенно важен этот узел при производстве материала из композита. Порой сырьё нуждается в дополнительной просушке, калибровке, дроблении.
Систему охлаждения. Сырьё, покидая экструдер, всё ещё разогрето до высокой температуры. Для его скорейшего охлаждения применяются системы воздушного или водяного охлаждения. К примеру, ПВХ профиль может охлаждаться при помощи воздушных или водяных ванн. Обязательное охлаждение предусмотрено и при использовании пресс-форм. В противном случае формы могут разогреваться до высоких температур, и готовое изделие может потерять заданную форму, если не снизить достаточно его температуру.

Типы экструдеров для пластика

С помощью экструдера изготавливают:

• пленки;
• трубы;
• ПВХ;
• полимерные нити;
• гранулы;
• шланги и ряд других продуктов.

При этом применяются разные типы приборов, которые различаются по схеме рабочего органа. Экструдеры бывают:

• одношнековые;
• двухшнековые
• выдувные;
• дисковые.

Одношнековые — наиболее простые и доступные по цене устройства. Они предназначены для изготовления пленок, листов, профилей и труб. Рабочим органом здесь выступает шнек.

Двухшнековые могут использоваться для создания тех же изделий, но преимущественно применяются для производства строительного ПВХ и деталей сложной конфигурации. Дело в том, что при экструзии поливинилхлорида задействуется порошкообразное сырье, которое невозможно переработать на одношнековом приборе. Также двухшнековые экструдеры оснащены дегазацией, что позволяет полностью исключить пузырьки в гомогенизированной массе.

Выдувные создают пленки, так как оборудованы узкими щелевыми фильерами. В зависимости от модели можно получить однослойную пленку или в виде рукава. Дисковые устройства — самые дорогие и конструкционно сложные. Их работа заключается в перемещении остатков под давлением за счет адгезии. Подвижные части такого типа могут состоять из одного и нескольких дисков.

В промышленных условиях целесообразнее всего применять экструзионную линию, которая кроме одного из видов перечисленных установок также включает:

• систему подготовки сырья;
• отсек охлаждения;
• транспортировочные ленты;
• маркирующие и ламинирующие системы.

Устройство экструдера

Устройство такого оборудования удобнее всего объяснить на примере самого простого из типов этой машины — одношнекового экструдера, также называемого одночервячным или одновинтовым. Он оснащён одним шнеком, и машина имеет одну сварную раму, в которую встроен вертикальный редуктор с упорным подшипником.

Через специальную муфту к редуктору подсоединяется электрический двигатель. Таким образом, он располагается под узлом пластификации. Нагрев происходит с помощью электрического шкафа, который автоматический регулирует температуру. Коррозионная стойкость обеспечивается путём насыщения элементов экструдера парами азота. Благодаря этому они не выходят из строя и являются довольно долговечными.

Кроме перечисленных выше, к раме подсоединены приборы, позволяющие осуществлять контроль над ходом производства. Они управляются пультом оператора. Благодаря компактным размерам получающегося устройства шнек можно вставлять прямо в выходной вал редуктора.

Процесс дегазации

Немаловажным этапом производства является дегазация. Сырьё, перерабатываемое экструдером, не всегда является идеальным, оно содержит примеси, излишнюю влагу и воздух. Чтобы качество материала не снижалось из-за несовершенства гранул, в машине осуществляется процесс дегазации. Он заключается в выпаривании воды, остаточного растворителя и мономеров из сырья под воздействием высоких температур или искусственно созданного вакуума. Осуществляется процесс либо шнеком, если в оборудовании предусмотрен только один винт, либо специальной камерой, если рассматривается многочервячный экструдер.

Роль шнека

Шнек имеет несколько функций, в зависимости от которых цилиндр можно условно разделить на несколько важных зон:

• в зоне питания исходное сырьё уплотняется за счёт попадания в шнековую область, но всё ещё остаётся твёрдым;
• в зоне пластификации гранулы плавятся, смешиваются и спрессовываются под давлением, чтобы далее продвигаться по винту;
• в зоне дозирования материал, состоящий из смеси плавящихся гранул с твёрдыми, перемешивается до однородности и поступает к формующему инструменту.

Все процессы происходят при нагреве, температура которого может различаться от зоны к зоне. Качество получаемого материала будет зависеть от условий и полноты прохождения сырьём перечисленных этапов.

Преимущества одношнекового и двухшнекового экструдеров

Главная характеристика машины — количество и вид шнеков. Самым распространённым типом является одношнековый экструдер. Он прост в обслуживании по сравнению с другими видами этой машины. Для его работы необходим только один оператор, поскольку все важные органы управления локализированы в одном месте. Но если машина входит в состав крупной экструзионной линии, может понадобиться подсобный рабочий. Конечное количество операторов и рабочих определяется технологией и целями производства.

Ещё одним немаловажным достоинством одношнекового экструдера является лёгкость транспортировки. Его можно перевезти с одного производства на другое или переустановить в новом месте.

Но иногда такой экструдер не позволяет получить необходимого качества плавления готового продукта, и в производстве применяют двухшнековую машину. Она позволяет лучше транспортировать сырьё, подходит для гигроскопичных гранул. Зачастую оборудование с двумя винтами обладает функцией самоочищения, что также удобно для эксплуатации.

Использование

Экструдер зерновых работает за счет того, что в частицах зерна, находящихся в камере закрытого типа, при нагревании происходит нарастание внутреннего давления за счет испарений влаги. Из-за мгновенной разгерметизации камеры происходит расширение паровоздушной смеси, что приводит к увеличению объема зерновых частиц.

В комбикормовой промышленности чаще всего используются одношнековые механизмы с постоянным шагом и цилиндрической формой шнека. Производство экструдеров такой конструкции использует набор шнеков, а между ними в четко определенной последовательности находится несколько подпорных шайб, а шнеки и шайбы на шпильке закрепляются при помощи болта с конусной головкой. Кожух рабочей части изнутри оснащается несколькими продольными каналами, которые гарантируют, что продукт не будет перекручиваться во время перемещения. На выходе кожуха имеется обычная конусная гайка, снабженная отверстием. Регулирование зазора между конусами болта крепления шнеков с выходной гайкой позволяет регулировать температуру продукта. Так устроен экструдер. Что это такое, вам уже понятно, теперь осталось разобраться с иными моментами.

Экструзия пленки

Наиболее популярными формовочными изделиями, которые получают с применением экструзии, являются пленки. Их изготавливают из полистирола, полипропилена, полиамида, лавсана, поликарбоната, ПВХ, но самыми востребованными из них являются, конечно же, пленки из экструдированного полиэтилена высокого и низкого давления. Именно на их примере мы рассмотрим, какие этапы этот материал проходит на выходе из экструдера.

Существует два метода экструдирования пленок:

1. Метод раздува рукава.
2. Метод плоскощелевой экструзии.

какие дефекты могут возникнуть при экструзии пленки и как их устранить.

Метод раздува рукава

Полимер выдувается из экструдера для пленки через кольцевую щель в формующей головке. Визуально это выглядит, как из фильеры поднимается сплошной пленочный цилиндр, раздуваемый изнутри воздухом. Воздух подается под давлением через дорн — отверстие в центре головки.

Охлаждение при экструзии полиэтилена, в зависимости от ориентации рукава, может производиться по двум схемам:

1. Если рукав направлен вертикально вверх или горизонтально, то пленка обдувается воздухом, поступающим через охлаждающие кольца по периметру рукава;

   Раздувной экструдер

2. При отводе рукава вниз используется водяное охлаждение — такая схема сокращает время кристаллизации.

После остывания пленка складывается с помощью специальных «щек» в полотно и протягивается через отжимающие воздух валки. Готовый материал отправляется на намотку.

Чем быстрее охладить расплав полиэтилена на выходе из экструдера, тем выше будет прозрачность и блеск пленки. Почему так происходит? Дело в том, что при остывании в пленке образуется два вида молекулярных структур — кристаллическая и амфорная. Когда материал охлаждают медленно, то макромолекулы полимера успеют сформироваться в кристаллы, и экструдированная пленка будет мутной и неэластичной, но прочной. При быстром охлаждении кристаллы не успевают соединиться и пространство между ними заполняют амфорные связи, придающие пленке прозрачность, хорошую эластичность и гибкость.

Метод плоскощелевой экструзии

Отверстие в фильере плоскощелевого экструдера протачивают в виде тончайшей щели. Пленка из формовочной головки выходит в виде непрерывного полотна определенной толщины и ширины.

Плоскощелевой экструдер для производства стрейч-пленки

Существует два варианта охлаждения пленки полученной плоскощелевым методом:

1. Первый, это когда экструзионный полиэтилен сразу же после формования подается на охлаждающий барабан, температура поверхности которого поддерживается на уровне 30…50 0С.
2. Второй вариант — пленку пропускают через ванну с проточной водой. Такое шоковое охлаждение позволяет получать блестящий и прозрачный материал, но есть свои нюансы. Когда пленка заходит в воду, она вызывает рябь на ее поверхности, из-за которой на полиэтилене появляются пятна.

После охлаждения и сушки полиэтилен протягивается через натягивающие валы и идет на намотку.

Самодельное устройство

Сварочный экструдер относится к сложным механизмам для профессионального использования. Его цена начинается от 30 тысяч рублей за самую простую модель, и может доходить до ста тысяч и более за мощную и высокопроизводительную. Отечественные разработки также представлены на рынке, они на 10-20% дешевле импортных, но все равно стоят достаточно дорого.

Поэтому при возникновении разовой необходимости сварить, к примеру, две водопроводных трубы (их обычный материал изготовления — полипропилен) проще воспользоваться экструдером, сделанным своими руками. Самый простой вариант конструкции представляет собой мощный строительный фен, снабженный насадкой для прутка — либо самодельной, из жести, либо промышленного изготовления.

Подача прутка в этом случае будет производиться вручную. Мощности фена хватит для его расплавления, но качество шва, конечно, будет ниже, чем у промышленных моделей.

Если позволяют возможности, фен можно соединить со шнековым или плунжерным приводом для подачи питания. В этом случае, если смонтировать приемную камеру, можно будет использовать гранулированное сырье.

Двигатель для привода рекомендуется коллекторный, так как работа экструдера подразумевает постоянное изменение крутящего момента. Двигатели других типов хуже выдерживают такой режим работы.

Технология сварки пластмасс экструдером

Из всех горячих методов самым экономичным и удобным считается соединение пластиковых элементов контактным экструдером, когда расплавленная масса, подаваемая в стык, прижимается направляющим соплом. Этот метод применяется для деталей с толстой стенкой. Экструдер подает уже размягченный материал. При таком способе:

• уменьшается расход энергии;
• улучшается теплопередача;
• нет необходимости использовать прижимные устройства;
• легче контролировать качество шва.

Основные этапы технологического процесса:

1. Разогрев свариваемых кромок до состояния вязкости разогретой массой;
2. Стыковка силой рук или специальными устройствами;
3. Естественное охлаждение соединенных деталей (их нельзя сдвигать до полного затвердевания).

Подготовительный этап

Момент подготовки перед экструзионной сварки отличается от такого для других типов. Но, как и в других случаях, поверхности деталей нужно очистить от грязи и пыли, иначе шов получится некачественным.

Также пластмассы легко окисляются из-за воздействия воздуха. Очистить кромки нужно не более чем за двадцать минут до начала пайки.

Если вы сделаете это раньше, детали всё равно придется расчищать заново. Не пробуйте использовать для очистки растворитель, он может деформировать пластмассу.

Выбор сварочных прутков

Присадочный материал выбирается под тип свариваемого пластика. Он указывается в маркировке. Присадочные полипропиленовые стержни выпускаются разного сечения: треугольные, круглые. Если детали скрепляются под прямым углом, лучше выбирать треугольный стержень. Они различаются по цвету. Большим спросом пользуются черные и серые. Полиэтиленовые прутки для сварки пластика мягче, чем полипропиленовые, температура плавления ниже (от +160°C).

Присадочные материалы используются при температуре окружающей среды выше +15°C. На холоде они теряют пластичность, становятся хрупкими.

При выборе присадки необходимо обращать внимание на температуру плавления прутка или стержней. Допустимо использование незначительно отличающихся полимеров, если они сходны по режиму пластичности. Важно, чтобы присадочный материал хорошо входил в экструдер, подходил по диаметру загрузочного отверстия и выходного сопла. Для ручных экструдеров применяются прутки или стержни от 2 до 7 мм.

Правила эксплуатации и выбор модели

Прежде чем приступить к сварке пластиковых изделий, необходимо выполнить ряд условий, обусловленных особенностями материала. С поверхности соединяемых изделий необходимо удалить все имеющиеся загрязнения и позаботиться, чтобы во время работы они не контактировали с влажным материалом.

Для надлежащего выполнения работы необходимо учитывать разницу температур плавления соединяемых материалов, если они отличаются между собой химическим составом. Так, ручной экструдер можно использовать для сварки ПНД и полипропилена, так как у этих материалов диапазон температуры их плавления полностью или частично перекрывается. Когда же необходимо соединить материалы из ПВХ и ПНД или полипропилена, часто возникают сложности. При работе с такими материалами ручной экструдер допустимо использовать исключительно для соединения изделий, которые выполнены из идентичных материалов.

Поскольку ручной экструдер обладает компактными размерами, сварку пластиковых элементов можно проводить с помощью этого устройства, не прекращая работы соединяемых изделий. Так, трубы из полипропилена можно сваривать без предварительного отключения подачи воды по ним.

До начала работ по сварке пластиковых изделий необходимо провести ряд обязательных проверок:

• Убедиться, что присадочный пруток будет доставлен до втулки экструдера прямолинейным путём. Иногда, когда присутствует сильная шероховатость, пруток начинает двигаться по винтовой траектории, а это негативным образом влияет на функционирование шнекового дробильного механизма и нередко приводит к появлению гранулята неоднородного состава.
• Проверка оптимальности температуры нагрева прутка, который должен перед подачей быть доведен до состояния вязкой текучести. При проверке обязательно учитывается производитель материалов, так как у пластика разных марок диапазон температур плавления может отличаться.
• Проверка надежности прижима сварочного сопла к соединяемым поверхностям. В первую очередь это актуально для изделий, имеющих сложную форму. Для предотвращения подобной проблемы производители оснащают свои экструдеры для сварки набором сменных насадок.
• Проверка возможности расплавления материалов при помощи горячей струи воздуха, поступаемой от термонагревателя, без использования присадочного прутка. Необходимость в этом возникает, когда нет точной информации о материале изделий, которые планируется соединять экструдером.

Чтобы подобрать наиболее подходящую модель устройства, необходимо учитывать ряд характеристик:

• диапазон диаметр прутка;
• наличие в комплектации сменных приспособлений;
• толщину соединяемых изделий;
• удобство настройки параметров процесса;
• производительность за единицу времени.

Многие производители выпускают экструдеры вместе с фирменными присадочными материалами, дополнительно указывая, что для создания надежного соединения расходный материал должен соответствовать изготовителю инструмента.

В принципе всегда можно рассмотреть возможность изготовления экструдера для домашнего использования своими руками. В качестве основы для него используется обычный промышленный фен, к которому подключают шнековый привод, а затем видоизменяют конструкцию для придания обоим узлам компактного вида. В некоторых случаях шнек можно заменить плунжерным приводом, однако надежным такой вариант считать нельзя. Такой самодельный экструдер для сварочных работ по-разному может себя вести с посадочными прутками из-за того, что они могут быть изготовлены из разных материалов. В качестве привода лучше всего использовать мотор коллекторного типа, поскольку он более стабилен при постоянных изменениях показателей крутящего момента.

Технология сегодня

Итак, можно рассмотреть, как работает экструдер. Что это такое, было описано ранее, а теперь стоит определиться с некоторыми важными моментами. Современные конструкции механизмов реализуют технологию сухой экструзии. Она так названа из-за того, что весь процесс осуществляется при помощи тепла, выделяемого в процессе прохождения продукта сквозь рабочую часть механизма. Имеется возможность использования пара при экструдировании. Для этого у прибора имеется камера предварительной паровой обработки сырья. Использование пара позволяет увеличить производительность и уменьшить износ основных частей и узлов механизма.

Итог

Приобретение экструдера, несомненно, является выгодным вложением средств. Помимо того, что количество скармливаемого животным корма уменьшается, а его пищевая ценность возрастает, экструдация позволяет изготовить высококачественные корма без химических примесей. Корма, изготовленные при помощи экструдеров, позволяют увеличить производительность хозяйств без добавления в пищу животных химических и гормональных препаратов.

Экструдация позволяет добавлять в изначальное сырье до 30% примесей (сено, силос, солома, отходы мясопереработки), не понижая качество и энергетическую ценность производимого корма.

Кроме того, приобретение экструдера положительно скажется на экономическом состоянии производителей зерновых. Готовый высококачественный корм намного превосходит по цене необработанное зерно, а спрос на него практически не снижается.

То есть, экструдация позволяет увеличить стоимость конечного продукта без больших энергетических и трудозатрат. Процесс полностью автоматизирован и проходит буквально за несколько секунд!

При производстве кормов по данной технологии можно использовать пораженные плесенью или насекомыми зерна для получения годного конечного продукта. Это позволяет избежать потерь урожая, которые даже при правильном хранении зерна составляют не менее 20%. Это одна из немногих технологий, позволяющая получить высокую прибыль при минимальных затратах.

Как вам статья?