Plastekstrudering er en produksjonsprosess med høyt volum der råplast smeltes og formes til en kontinuerlig profil. Ekstrudering produserer gjenstander som rør/rør, værlister, gjerder, dekkrekkverk, vindusrammer, plastfilmer og -plater, termoplastiske belegg og ledningsisolasjon.
Denne prosessen starter ved å mate plastmateriale (pellets, granulat, flak eller pulver) fra en trakt inn i sylinderen til ekstruderen. Materialet smeltes gradvis av den mekaniske energien som genereres ved å skru skruer og av varmeovner anordnet langs tønnen. Den smeltede polymeren tvinges deretter inn i en dyse, som former polymeren til en form som stivner under avkjøling.
HISTORIE
Rørekstrudering
De første forløperne til den moderne ekstruderen ble utviklet på begynnelsen av 1800-tallet. I 1820 oppfant Thomas Hancock en gummi-"masticator" designet for å gjenvinne bearbeidet gummirester, og i 1836 utviklet Edwin Chaffee en to-rullemaskin for å blande tilsetningsstoffer i gummi. Den første termoplastiske ekstruderingen var i 1935 av Paul Troester og hans kone Ashley Gershoff i Hamburg, Tyskland. Kort tid etter utviklet Roberto Colombo fra LMP de første dobbeltskrueekstruderne i Italia.
BEHANDLE
Ved ekstrudering av plast er råmaterialet vanligvis i form av nurdler (små perler, ofte kalt harpiks) som tyngdekraften mates fra en toppmontert trakt inn i sylinderen til ekstruderen. Tilsetningsstoffer som fargestoffer og UV-hemmere (i enten flytende eller pelletsform) brukes ofte og kan blandes inn i harpiksen før de kommer til beholderen. Prosessen har mye til felles med plastsprøytestøping fra ekstruderteknologien, selv om den skiller seg ved at det vanligvis er en kontinuerlig prosess. Mens pultrudering kan tilby mange lignende profiler i kontinuerlige lengder, vanligvis med ekstra forsterkning, oppnås dette ved å trekke det ferdige produktet ut av en dyse i stedet for å ekstrudere polymersmelten gjennom en dyse.
Materialet kommer inn gjennom matehalsen (en åpning nær baksiden av tønnen) og kommer i kontakt med skruen. Den roterende skruen (som normalt dreier med f.eks. 120 rpm) tvinger plastkulene fremover inn i den oppvarmede tønnen. Ønsket ekstruderingstemperatur er sjelden lik den innstilte temperaturen på fatet på grunn av tyktflytende oppvarming og andre effekter. I de fleste prosesser er det satt en varmeprofil for tønnen der tre eller flere uavhengige PID-kontrollerte varmesoner gradvis øker temperaturen på tønnen fra baksiden (der plasten kommer inn) til fronten. Dette gjør at plastkulene kan smelte gradvis når de presses gjennom tønnen og reduserer risikoen for overoppheting som kan forårsake nedbrytning i polymeren.
Ekstra varme er bidratt av det intense trykket og friksjonen som finner sted inne i tønnen. Faktisk, hvis en ekstruderingslinje kjører visse materialer raskt nok, kan varmeovnene slås av og smeltetemperaturen opprettholdes av trykk og friksjon alene inne i fatet. I de fleste ekstrudere er det kjølevifter for å holde temperaturen under en innstilt verdi hvis det genereres for mye varme. Hvis tvungen luftkjøling viser seg utilstrekkelig, brukes innstøpte kjølekapper.
Plastekstruder kuttet i to for å vise komponentene
På forsiden av tønnen forlater den smeltede plasten skruen og går gjennom en silpakke for å fjerne eventuelle forurensninger i smelten. Skjermene er forsterket av en bryteplate (en tykk metallpuck med mange hull boret gjennom den) siden trykket på dette punktet kan overstige 5000 psi (34 MPa). Silpakken/bryterplaten tjener også til å skape mottrykk i løpet. Mottrykk er nødvendig for jevn smelting og riktig blanding av polymeren, og hvor mye trykk som genereres kan "justeres" ved å variere skjermpakningssammensetningen (antall sikter, deres trådvevstørrelse og andre parametere). Denne bryterplaten og skjermpakken eliminerer også "rotasjonsminnet" til den smeltede plasten og skaper i stedet "langsgående minne".
Etter å ha passert gjennom bryteplaten kommer smeltet plast inn i dysen. Dysen er det som gir sluttproduktet sin profil og må utformes slik at den smeltede plasten flyter jevnt fra en sylindrisk profil, til produktets profilform. Ujevn strømning på dette stadiet kan gi et produkt med uønskede restspenninger på visse punkter i profilen som kan forårsake vridning ved avkjøling. Et bredt utvalg av former kan lages, begrenset til kontinuerlige profiler.
Produktet må nå avkjøles og dette oppnås vanligvis ved å trekke ekstrudatet gjennom et vannbad. Plast er svært gode varmeisolatorer og er derfor vanskelig å avkjøle raskt. Sammenlignet med stål leder plast bort varmen 2000 ganger langsommere. I en rør- eller rørekstruderingslinje blir et forseglet vannbad påvirket av et nøye kontrollert vakuum for å forhindre at det nydannede og fortsatt smeltede røret eller røret kollapser. For produkter som plastfolie oppnås kjølingen ved å trekke gjennom et sett med kjølevalser. For filmer og svært tynne plater kan luftkjøling være effektiv som et innledende kjøletrinn, som ved ekstrudering av blåsefilm.
Plastekstrudere er også mye brukt til å reprosessere resirkulert plastavfall eller andre råvarer etter rengjøring, sortering og/eller blanding. Dette materialet ekstruderes vanligvis til filamenter som er egnet for å kuttes inn i perlen eller pelletsmassen for bruk som en forløper for videre bearbeiding.
SKRUDESIGN
Det er fem mulige soner i en termoplastskrue. Siden terminologi ikke er standardisert i bransjen, kan forskjellige navn referere til disse sonene. Ulike typer polymer vil ha ulik skruedesign, noen inkluderer ikke alle mulige soner.
En enkel plastekstruderingsskrue
Ekstruderskruer fra Boston Matthews
De fleste skruer har disse tre sonene:
● Matingssone (også kalt faststofftransportsonen): denne sonen mater harpiksen inn i ekstruderen, og kanaldybden er vanligvis den samme i hele sonen.
● Smeltesone (også kalt overgangs- eller kompresjonssonen): det meste av polymeren smeltes i denne delen, og kanaldybden blir gradvis mindre.
● Målingssone (også kalt smeltetransportsonen): denne sonen smelter de siste partiklene og blander til en jevn temperatur og sammensetning. I likhet med matesonen er kanaldybden konstant i hele denne sonen.
I tillegg har en ventilert (to-trinns) skrue:
● Dekompresjonssone. I denne sonen, omtrent to tredjedeler ned skruen, blir kanalen plutselig dypere, noe som avlaster trykket og lar eventuelle innestengte gasser (fuktighet, luft, løsemidler eller reaktanter) trekkes ut av vakuum.
● Andre målesone. Denne sonen ligner den første målesonen, men med større kanaldybde. Det tjener til å sette smelten under trykk for å få den gjennom motstanden til skjermene og dysen.
Ofte refereres skruelengden til diameteren som L:D-forhold. For eksempel vil en 6-tommers (150 mm) diameter skrue ved 24:1 være 144 tommer (12 fot) lang, og ved 32:1 er den 192 tommer (16 fot) lang. Et L:D-forhold på 25:1 er vanlig, men noen maskiner går opp til 40:1 for mer blanding og mer effekt ved samme skruediameter. To-trinns (ventilerte) skruer er vanligvis 36:1 for å ta hensyn til de to ekstra sonene.
Hver sone er utstyrt med ett eller flere termoelementer eller RTDer i tønneveggen for temperaturkontroll. "Temperaturprofilen", dvs. temperaturen i hver sone er svært viktig for kvaliteten og egenskapene til det endelige ekstrudatet.
TYPISKE EKSTRUSJONSMATERIALER
HDPE-rør under ekstrudering. HDPE-materialet kommer fra varmeren, inn i dysen og deretter inn i kjøletanken. Dette Acu-Power-røret er ko-ekstrudert – svart innvendig med en tynn oransje kappe, for å betegne strømkabler.
Typiske plastmaterialer som brukes i ekstrudering inkluderer, men er ikke begrenset til: polyetylen (PE), polypropylen, acetal, akryl, nylon (polyamider), polystyren, polyvinylklorid (PVC), akrylnitrilbutadienstyren (ABS) og polykarbonat.[4 ]
DØTYPER
Det finnes en rekke matriser som brukes i plastekstrudering. Selv om det kan være betydelige forskjeller mellom dysetyper og kompleksitet, tillater alle dyser kontinuerlig ekstrudering av polymersmelte, i motsetning til ikke-kontinuerlig prosessering som sprøytestøping.
Blåst filmekstrudering
Blåseekstrudering av plastfilm
Produksjonen av plastfilm for produkter som handleposer og kontinuerlig folie skjer ved hjelp av en blåst filmlinje.
Denne prosessen er den samme som en vanlig ekstruderingsprosess frem til dysen. Det er tre hovedtyper av dyser som brukes i denne prosessen: ringformet (eller krysshode), edderkopp og spiral. Ringformede dyser er de enkleste, og er avhengige av at polymersmelten kanaliseres rundt hele tverrsnittet av dysen før den går ut av dysen; dette kan føre til ujevn flyt. Edderkoppdyser består av en sentral dor festet til den ytre dysringen via et antall "ben"; mens flyten er mer symmetrisk enn i ringformede dyser, produseres en rekke sveiselinjer som svekker filmen. Spiraldyser fjerner problemet med sveiselinjer og asymmetrisk flyt, men er de klart mest komplekse.
Smelten avkjøles noe før den forlater dysen for å gi et svakt halvfast rør. Dette rørets diameter utvides raskt via lufttrykk, og røret trekkes oppover med ruller, og strekker plasten i både tverr- og trekkretningen. Trekningen og blåsingen fører til at filmen blir tynnere enn det ekstruderte røret, og justerer også fortrinnsvis polymermolekylkjedene i retningen som ser mest plastisk belastning. Hvis filmen trekkes mer enn den blåses (den endelige rørdiameteren er nær den ekstruderte diameteren) vil polymermolekylene være svært på linje med trekkretningen, og lage en film som er sterk i den retningen, men svak i tverrretningen . En film som har betydelig større diameter enn den ekstruderte diameteren vil ha mer styrke i tverrretningen, men mindre i trekkretningen.
Når det gjelder polyetylen og andre semi-krystallinske polymerer, når filmen avkjøles, krystalliserer den ved det som er kjent som frostlinjen. Når filmen fortsetter å avkjøles, trekkes den gjennom flere sett med nip-valser for å flate den ut til et flatt rør, som deretter kan spoles eller spaltes i to eller flere ruller med ark.
Ekstrudering av ark/film
Ekstrudering av ark/film brukes til å ekstrudere plastplater eller filmer som er for tykke til å blåses. Det er to typer dyser som brukes: T-formet og kleshenger. Hensikten med disse dysene er å reorientere og lede strømmen av polymersmelte fra en enkelt rund utgang fra ekstruderen til en tynn, flat plan strømning. I begge dysetyper sikre konstant, jevn strømning over hele tverrsnittsarealet av dysen. Avkjøling er vanligvis ved å trekke gjennom et sett med kjøleruller (kalender eller "chill" ruller). Ved arkekstrudering leverer disse rullene ikke bare den nødvendige kjølingen, men bestemmer også arktykkelse og overflatetekstur.[7] Ofte brukes co-ekstrudering for å påføre ett eller flere lag på toppen av et basismateriale for å oppnå spesifikke egenskaper som UV-absorpsjon, tekstur, oksygengjennomtrengningsmotstand eller energirefleksjon.
En vanlig etterekstruderingsprosess for plastfolie er termoforming, hvor platen varmes opp til den er myk (plast), og formes via en form til en ny form. Når vakuum brukes, beskrives dette ofte som vakuumforming. Orientering (dvs. evne/tilgjengelig tetthet av arket til å trekkes til formen, som vanligvis kan variere i dybder fra 1 til 36 tommer) er svært viktig og påvirker i stor grad formingssyklustidene for de fleste plastmaterialer.
Ekstrudering av rør
Ekstruderte rør, for eksempel PVC-rør, er produsert ved å bruke svært lignende dyser som brukes i blåst filmekstrudering. Positivt trykk kan påføres de indre hulrommene gjennom pinnen, eller negativt trykk kan påføres den ytre diameteren ved hjelp av en vakuummåler for å sikre korrekte sluttdimensjoner. Ytterligere lumen eller hull kan innføres ved å legge de passende indre dorene til dysen.
En Boston Matthews medisinsk ekstruderingslinje
Flerlagsrørapplikasjoner er også alltid til stede innen bilindustrien, rørlegger- og varmeindustrien og emballasjeindustrien.
Over jacketing ekstrudering
Ekstrudering av overkappe gjør det mulig å påføre et ytre lag av plast på en eksisterende ledning eller kabel. Dette er den typiske prosessen for isolering av ledninger.
Det er to forskjellige typer dyseverktøy som brukes til å belegge en wire, rør (eller mantel) og trykk. Ved kappeverktøy berører ikke polymersmelten den indre tråden før rett før dyseleppene. Ved trykkverktøy kommer smelten i kontakt med den indre tråden lenge før den når dyseleppene; dette gjøres ved høyt trykk for å sikre god vedheft av smelten. Hvis det er nødvendig med intim kontakt eller vedheft mellom det nye laget og eksisterende ledning, brukes trykkverktøy. Dersom vedheft ikke er ønsket/nødvendig, benyttes i stedet kappeverktøy.
Koekstrudering
Koekstrudering er ekstrudering av flere lag med materiale samtidig. Denne typen ekstrudering bruker to eller flere ekstrudere for å smelte og levere en jevn volumetrisk gjennomstrømning av forskjellige viskøse plaster til et enkelt ekstruderingshode (dyse) som vil ekstrudere materialene i ønsket form. Denne teknologien brukes på alle prosessene beskrevet ovenfor (blåst film, overkapping, rør, ark). Lagtykkelsene styres av de relative hastighetene og størrelsene til de individuelle ekstruderene som leverer materialene.
5:5 Lag co-ekstrudering av kosmetisk "squeeze" tube
I mange scenarier i den virkelige verden kan ikke en enkelt polymer oppfylle alle kravene til en applikasjon. Sammensatt ekstrudering gjør at et blandet materiale kan ekstruderes, men koekstrudering beholder de separate materialene som forskjellige lag i det ekstruderte produktet, noe som tillater passende plassering av materialer med forskjellige egenskaper som oksygenpermeabilitet, styrke, stivhet og slitestyrke.
Ekstrudert belegg
Ekstruderingsbelegg bruker en blåst eller støpt filmprosess for å belegge et ekstra lag på en eksisterende rullemasse av papir, folie eller film. For eksempel kan denne prosessen brukes til å forbedre egenskapene til papir ved å belegge det med polyetylen for å gjøre det mer motstandsdyktig mot vann. Det ekstruderte laget kan også brukes som et lim for å bringe to andre materialer sammen. Tetrapak er et kommersielt eksempel på denne prosessen.
SAMMENSATTE EKSTRUSJONER
Compounding ekstrudering er en prosess som blander en eller flere polymerer med tilsetningsstoffer for å gi plastforbindelser. Fôrene kan være pellets, pulver og/eller væsker, men produktet er vanligvis i pelletform, for bruk i andre plastformingsprosesser som ekstrudering og sprøytestøping. Som med tradisjonell ekstrudering er det et bredt spekter i maskinstørrelser avhengig av bruksområde og ønsket gjennomstrømning. Mens enten enkelt- eller dobbelskrueekstrudere kan brukes i tradisjonell ekstrudering, gjør nødvendigheten av tilstrekkelig blanding i sammensatte ekstrudering dobbeltskrueekstrudere nesten obligatoriske.
TYPER EKSTRADER
Det er to undertyper av dobbeltskrueekstrudere: samroterende og motroterende. Denne nomenklaturen refererer til den relative retningen hver skrue spinner sammenlignet med den andre. I samrotasjonsmodus spinner begge skruene enten med eller mot klokken; i motrotasjon snurrer den ene skruen med klokken mens den andre snurrer mot klokken. Det har vist seg at for et gitt tverrsnittsareal og grad av overlapping (sammengripende), er aksialhastigheten og blandingsgraden høyere i samroterende tvillingekstrudere. Imidlertid er trykkoppbygging høyere i motroterende ekstrudere. Skrudesignen er vanligvis modulær ved at ulike transport- og blandeelementer er anordnet på akslingene for å tillate rask rekonfigurering for en prosessendring eller utskifting av individuelle komponenter på grunn av slitasje eller korrosiv skade. Maskinstørrelsene varierer fra så små som 12 mm til så store som 380 mm
FORDELER
En stor fordel med ekstrudering er at profiler som rør kan lages i alle lengder. Hvis materialet er tilstrekkelig fleksibelt, kan rør lages i lange lengder, til og med kveiling på en snelle. En annen fordel er ekstrudering av rør med integrert kobling inkludert gummipakning.
Innleggstid: 25. februar 2022
