Выбор экструдеров для производства пластикового оконного профиля

На выбор того или иного типа экструдера влияют многие факторы – требуемая производительность, характеристики потребляемого сырья, сложность конфигурации экструдируемого профиля и т.д. Для того, чтобы сделать этот выбор более обоснованным, неплохо знать хотя бы в общих чертах те процессы, которые происходят в экструдерах.
В середине двадцатых годов нынешнего века первые опыты по экструзии различных типов ПВХ положили начало современной экструзионной технологии. Примерно в это же время Роввел и Финлазин вели первые теоретические исследования шнековых экструдеров. Первый шнековый экструдер, созданный специально для переработки появившихся термопластических материалов был создан в Германии в 1935 г.

Шнековый экструдер эффективно и непрерывно превращает твердый полимер в расплав и нагнетает высоковязкий расплав в профильную головку под большим давлением. Иначе говоря экструдер совмещает свойства расплавителя и насоса.

В целом работа экструдера в физическом понимании и математическом описании достаточно сложна. На сегодняшний день не существует единой теории экструзии, имеются лишь упрощенные модели процессов движения, плавления и смещения для каждой из зон шнека.

Область применения экструдеров для переработки термопластических пластмасс весьма широка: оболочки кабелей, пленка, пластины, трубы, строительные материалы (стеновые панели, электрокороба, сайдинги, плинтуса), профили самой различной конфигурации, в том числе и оконные. Перерабатываться могут такие материалы как полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид (ПВХ).

Поскольку ПВХ после полимеризации принимает порошкообразную форму и нуждается в перемешивании с различными добавками, то это привело к разработке и широкому применению двухшнековых экструдеров. На одношнековых экструдерах применяется почти исключительно гранулят. Кроме того переработка гранулята значительно более дорогая. В Европе в настоящее время в год изготавливается примерно 1100 одношнековых и 600 двухшнековых экструдеров (не считая малых коэкструдеров и лабораторных экструдеров). На сегодняшний день выпускаются экструдеры с диаметрами шнеков от 25 до 500 мм. Создан экструдер с диаметром 900 мм. Различают экструдеры горизонтального и вертикального направлений.

Зазор между шнеками и цилиндром экструдера составляет в среднем 0,2 - 0,3 мм. Шнеки в процессе работы определенным образом центрируются самой массой пластического материала.

Для шнеков и цилиндров используются марки стали, которые при высоких и меняющихся температурах практически не подвергаются деформации. Для снижения износа верхние кромки витков шнеков и стенки цилиндров нитрируются, т.е. “пропитываются” азотом на глубину нескольких мкм. Износу препятствует также “смазка” пластическим материалом, при работе “в сухую” вращающийся шнек может быть выведен из строя в самое короткое время.

Для переработки ПВХ применяются в основном двухшнековые экструдеры со шнеками, вращающимися в противоположных направлениях и витками плотно входящими друг в друга (плотного зацепления). Они наилучшим образом подходят для этого с точки зрения создания необходимого давления, скоростей резания и продолжительности пребывания смеси в экструдере. Чем уже зазор между двумя шнеками, тем меньше материала проходит через этот зазор и очень большая часть его скапливается в нижней части цилиндра экструдера и заполняет свободное междувитковое пространство. Таким образом та часть материала, которая не проходит через междушнековый зазор, принудительно продавливается вперед.

В результате использования шнеков плотного зацепления двухшнековый экструдер работает как насос. В замкнутых С-образных камерах (полостях между витками шнека) в результате подвода тепла и механической энергии смесь расплавляется. Перемешивание расплава происходит только в результате обратного потока через узкий зазор между шнеками. Доля энергии, идущая на расплавление через теплопередачу, однако невелика. Основная часть энергии для пластификации обусловливается через механическую энергию привода, преобразуемую в тепловую энергию (85% для конических шнеков и 65% для цилиндрических).

В зоне входа осуществляется захват смеси и ее предварительный разогрев через внутреннее и внешнее трение, а также теплопередачу. В зоне пластификации этот процесс продолжается до того состояния, когда порошок смеси на поверхности настолько нагревается, что под влиянием механической энергии он начинает агломерироваться. После начала процесса агломерации начинают быстро образовываться крупные агломераты, создающие большее сопротивление процессу резания.

Важным элементом экструдера является дозатор, имеющий как правило дозирующий шнек, с помощью которого осуществляется точная регулировка подачи сырья.

Зона сжатия поддерживает процесс пластификации путем того, что осуществляется дальнейшее уплотнение агломерата и возрастает обратное давление в направлении зоны пластификации. В результате этого давления усиливается обратный поток смеси через зазор обоих шнеков. Кроме того зона сжатия служит уплотнением перед зоной дегазации.

Функция зоны дегазации в удалении из пластифицированного (агломерированного) пластического материала газообразных включений и захваченного воздуха. Для этой цели шаг винтовой линии в этой зоне увеличен, в результате чего пространство между витками шнеков здесь заполнено лишь на 60 - 80% и для процесса дегазации образуется большая поверхность. Весьма важно, чтобы пластический материал проходил эту зону в требуемом агрегатном состоянии. В результате слишком слабой или неравномерной предварительной пластификации может иметь место всасывание порошкообразного ПВХ. В случае же слишком сильной пластификации газообразные включения могут захватываться расплавом и в связи со слишком большой вязкостью ПВХ больше уже не смогут быть отсосаны.

После зоны дегазации пластический материал в зоне выхода проходит окончательную пластификацию и в нем создается достаточное давление для продавливания через фильеру. При этом по возможности не должно происходить дальнейшего подвода энергии, а осуществляться лишь уплотнение агломерата (начинающего пластифицироваться материала) до однородной массы. В этой зоне почти всегда необходимо осуществлять отвод энергии через охлаждение цилиндра, чтобы не происходило перегрева расплава в результате трения. Избыток тепловой энергии отводится от острия шнека и подается в то место, где материал должен нагреваться. У острия шнека межвитковое пространство должно быть заполнено полностью и создаваться определенное высокое давление.

По сравнению с другими термопластическими материалами процесс агломерации порошкообразного ПВХ является важным компонентом процесса пластификации. Порошкообразная сухая смесь ПВХ (dry blend) не может быть расплавлена без механического сдвига (резания). Лишь в результате достаточного предварительного разогрева и подвода механической энергии из порошкообразного сырья образуется однородный (гомогенный) продукт. Одновременно с этим необходимо однако избегать подвода слишком большой механической энергии через резание, чтобы не происходило повреждение полимеров через локальный перегрев, приводящий к термическому их повреждению. Это проявляется в виде появления желтого или даже коричневого оттенка в результате расщепления хлора и выхода его их ПВХ.

Конфигурации самих шнеков (форма витков и междувиткового пространства и т.п.) могут быть самыми различными - практически у каждого изготовителя шнеков они свои. Главная задача здесь - создать необходимое давление для сдвига материала. Процесс сдвига, возникающий из-за того, что вместе с вращением шнека в массе возникают усилия сдвига, еще не достаточен для хорошей пластификации. Поскольку у острия шнека требуется большое давление и определенный обмен между соседними камерами, то в зоне выхода в основном отказываются от принудительного продвижения массы и создают витки с хорошими зазорами. В этом случае можно создать давление в обратном направлении и сдвиг будет больше. Если расплав неоднороден и недостаточно подвергнут процессу сдвига, то экструдат может быть ломким.

Высокие требования предъявляются к приводам экструдеров. Мощность его определяется произведением числа оборотов на момент вращения. А поскольку скорость вращения не может быть слишком высокой, иначе ПВХ будет слишком “перемолот”, то нужно повышать момент вращения, в результате чего привод, с одной стороны, должен быть очень мощным, но, с другой стороны, вписываться в очень узкое пространство, что приводит к созданию очень сложных конструкций.

У экструдеров с цилиндрическими шнеками межосевое расстояние и диаметр шнеков остаются одинаковыми по всей длине экструдера. У экструдеров с коническими шнеками межосевое расстояние уменьшается от входной до выходной зоны. Исключение образуют “суперконические” экструдеры, у которых угол конуса больше, чем межосевой угол. Это достигается за счет уменьшения глубины витков от входной до выходной зоны. процесса экструзии профиля и в настоящий период играет в этом одну из ведущих ролей во всём мире.

При конических шнеках имеет место увеличение подвода энергии через трение и теплопроводность в связи с большой круговой скоростью в зоне пластификации. Поэтому у цилиндрических шнеков должна быть очень протяженная зона пластификации для достижения той же мощности пластификации.

Поликондпласт