Соэкструдер

Соэкструдер - это оборудование для получения многослойных изделий путем одновременной экструзии нескольких полимеров. Сам процесс называется совместной экструзией или соэкструзией. Его суть сводится к дублированию основного профиля изделия дополнительным полимером для придания декоративных или функциональных свойств. Дублирование полимера может производиться как по наружной, так и по внутренней поверхности. Возможна комбинация не только полимеров, но и разнородных материалов, например, металла и полимера. Соэкструзию используют для нанесения маркирующих полос на трубы, клеевой основы на различные декоративные элементы.

Особенности технологии

В процессе соэкструзии используется специальное оборудование – соэкструдер. В нем происходят процессы, схожие с классической экструзией. Отличие в раздельной пластикации полимерных компонентов в одночервячных экструдерах с их последующим смешиванием в формующей головке.

Одночервячный экструдер имеет стандартную конструкцию и условно делится на несколько зон. Здесь происходит процесс загрузки каждого отдельного компонента будущего изделия, его транспортировка к зоне формования с промежуточным нагревом и гомогенизацией расплава. Основной процесс соэкструзии происходит в формующей головке. Здесь осуществляется соединение расплавов из нескольких одношнековых экструдеров. На выходе из формующей головки протекают процессы, характерные для классического процесса экструзии.

Главной особенностью соэкструзии является совмещение температур различных компонентов смеси. Поскольку процесс совместной экструзии направлен на смешивание полимеров с различной температурой пластификации, теплофизическими и реологическими свойствами, температура в головке устанавливается по параметру материала с наиболее высокой температурой переработки. Иными словами, необходимо обеспечить течение по каналам материала с наибольшим показанием вязкости.

При этом в одношнековых экструдерах каждый полимер пластифицируется в оптимальных именно для него условиях. Важно, чтобы все полимеры, используемые в данном процессе совмещенной экструзии, были термостабильными при выбранной температуре переработки. В противном случае может наступить деструкция полимерного расплава (перегрев). Такие широко используемые материалы, как ПЭНП, ПЭВП, ПВХ, имеют хорошую температурную совместимость при соэкструзии.

При наступлении деструкции в расплаве одного из компонентов может быть снижена формоустойчивость экструдата на выходе из головки, нарушена текстура поверхности готового изделия, цвет, шероховатость, физико-механические свойства.

Для улучшения прочности на границе слоев в исходное сырье могут вводиться праймеры – адгезирующие добавки. Слоистость материалов в головке сохраняется за счет разности в вязкости расплавов различных компонентов. Важным требованием к используемым материалам является устойчивость материалов к расслаиванию после формования изделия.

Конструкция

В конструкцию соэкструзионной машины входят следующие узлы:

• экструдер с установленной на нем формующей головкой;

• второстепенные примыкающие экструдеры;

• шнек и цилиндр;

• привод;

• система нагрева;

• система охлаждения;

• система контроля.

Шнек и цилиндр

Важнейшим параметром является диаметр используемого шнека для основного и вспомогательных экструдеров. Геометрические параметры шнека определяются типом материала и его объемной составляющей в общей массе изделия. Соэкструдер в подавляющем большинстве случаев меньше главного. Его диаметр составляет 16-32 мм. Для крупногабаритных изделий диаметр шнека соэкструдера может составлять 45 мм.

Шнеки изготавливаются из высоколегированной стали с последующим азотированием. Требуемая прочность на внутренней поверхности цилиндра составляет 62HRC, на шнеке - 68HRC.

В процессе соэкструзии важно обеспечить гибкую регулировку скорости электродвигателя, приводящего во вращение червяк одношнекового цилиндра. Оптимальных результатов при производстве изделий методом совместной экструзии можно достичь, используя шнеки с барьерной нарезкой и двойным шагом. Внутренняя поверхность цилиндра, как правило, шероховатая.

Соэкструзионная головка

Основной элемент соэкструдера – формующая головка. Она одна, но имеет несколько каналов. Через каналы головки протекают разнородные материалы. Их может быть два и более. В определенный момент они совмещаются и формуют будущее изделие.

Тип головки определяют параметры процесса. Минимальная толщина слоя материала при совмещенной экструзии составляет 2 мкм, максимальная – 3000 мкм. При этом количество слоев материала колеблется от 2 до 9.

Каналы головки должны быть сконструированы таким образом, чтобы входящие потоки расплавленных полимеров не влияли друг на друга и не искажали форму экструдата на выходе их фильеры. Для контроля давления, температуры, расхода расплава в каналах устанавливают высокочувствительные датчики.

Система контроля

Важным элементом конструкции соэкструдера является система контроля и регулирования параметров технологического процесса. Поскольку в соэкструзии участвует два и более экструдеров, каждый из них должен находиться под управлением компьютера для возможности быстрой корректировки температуры расплава и иных рабочих параметров. Датчики температуры и давления расплава передают информацию на главный компьютер, который регулирует требуемые значения в соответствии с заданными алгоритмами.

Классификация соэкструдеров

В условиях производственных заводов процесс совмещенной экструзии реализуется на специальном оборудовании – соэструдере. Возможно производство изделий по данной технологии на стандартных экструдерах.

При совмещенной подаче материалов в одну головку для каждого компонента используется отдельный стандартный одношнековый экструдер. При этом в конструкции различают главный экструдер, на котором непосредственно смонтирована головка, и примыкающиеэкструдеры. Соэкструдеры могут располагаться вокруг головка под углом к ней. Если соэкструдер один, часто его располагают под прямым углом к основному экструдеру.

К основным критериям, позволяющим классифицировать оборудование для соэкструзии, относятся:

• расположение соэкструдеров;

• тип соэкструзионной головки;

• система крепления примыкающих экструдеров.

Расположение соэкструдера

Соэкструдер может быть горизонтального или вертикального типа. Тип определятся направлением движения шнека и расположением осей цилиндров относительно главной оси. Также имеются модели соэкструдеров, в которых цилиндр может менять положение относительно главного цилиндра и головки. Это наиболее удобный и компактный вариант.

Тип соэкструзионной головки

Тип соэкструзионной головки определяет формат будущего изделия, количество и толщину слоев. Головка может иметь одну из следующих форм:

• рукавная;

• плоская;

• листовая;

• трубная.

Рукавная соэкструзионная головка используется для производства многослойной рукавной пленки. При необходимости изготовления профильных изделий плоской формы выбирают плоскую фильеру. Листовая соэкструзионная головка применяется для формования многослойных листовых изделий. При производстве труд применима трубная головка.

Помимо отличий в форме соэкструзионные головки отличаются количеством каналов. Самые простые конструкции насчитывают два или три канала. Для более сложных изделий используются четырехслойные и пятислойные головки. Они комплектуются системами микропроцессорного управления, подходят для производства изделий пищевого и медицинского назначения.

При соэкструзии имеет значение расположение каналов. Схема подачи потоков расплава может быть различной и определяться конструкцией будущего изделия.

К многоканальным головкам относятся, в первую очередь, рукавные, трубные фильеры. В них потоки расплавов соединяются вблизи оформляющей кольцевой щели. Также используется спиральная схема распределения расплавов, когда потоки движутся по спирали, равномерно распределяясь в продольном и поперечном направлении. При угловом распределении потоков расплав подается не по центру, а сбоку. Этот метод менее востребован, поскольку могут возникать линии стыковки расплавов.

Отдельные головки могут комплектоваться инфракрасными датчиками для измерения толщины слоев с точностью до ± 0,01 мкм. В более дорогих моделях соэкструзионных головок осуществляется термоизоляция каналов для предотвращения влияния одного расплава на другой в процессе формования.

Система крепления

Качество соэкструдируемых изделий после окончания технологического процесса во многом зависит от того, насколько надежно выполнено сочленение соэкструдера с основной головкой. Используют два типа соединения: гибкое и жесткое. Независимо от типа соединения место стыка должно хорошо обогреваться, быть в свободном доступе для обслуживания и предотвращения чрезвычайных ситуаций, крепления датчиков и контроля отображаемых результатов.

При жестком соединении необходимо добиться четкого позиционирования соэкструдера относительно головки. При этом фиксация осуществляется в жестком формате при помощи крепежных элементов. Это трудоемкий процесс. Недостатком является возможность протечки в месте стыка.

При гибком соединении дополнительно используются гибкие подводки, например, полимерные толстостенные шланги из теплостойкого материала в металлической оплетке. Чаще всего такие полимерные шланги производят из фторопластов. Металлическая оплетка необходима для предохранения полимерного шланга от воздействия высокого давления. Она нагревается снаружи стандартными нагревателями. Важным преимуществом гибкой подводки является возможность облегчить процесс сборки и демонтажа при высокой надежности соединения.

Особенности применения метода соэкструзии

Большинство изделий, полученных методом соэкструзии, имеют многослойную структуру. При этом каждый слой изделия формирует определенные свойства или отвечает за улучшение товарного вида изделия.

В пищевой промышленности метод совместной экструзии чаще применяется для выпуска упаковки, обеспечивающей длительное хранение продукции. В сфере производства пластиковых изделий соэкструзия позволяет совмещать материалы, которые раньше не совмещали. Например, методом совместной экструзии можно получать тару, устойчивую к химикатам, горюче-смазочным материалам. При этом можно получить емкости достаточно большого объема из таких материалов, как ПА и ПЭВП, ПП, ПК, ПА и ПВДХ, ПП и ПВХ.

Изготовленные методом совместной экструзии листовые многослойные материалы используются как заготовки для последующего термоформования изделий в автомобилестроении и строительстве. Число слоев может достигать 2-9.

Погонажные изделия типа труб, шлангов, в том числе, медицинского, пищевого, технического назначения, производят соэкструзией. При совмещении ПП и стеклонаполненного ПА изготавливают газовые и напорные шланги, трубы для горячего и холодного водоснабжения. В отдельных случаях в исходное сырье также вводят вторично переработанные полимеры.

Важной особенностью соэкструзии является возможность получения многослойных пленок с толщиной слоев до 2-5 мкм. Для нанесения слоев малопрочных полимеров на твердую подложку метод соэкструзии также подходит оптимально. Толщина покрытия будет минимальной, чего не позволяют другие методы производства многослойных изделий, например, кэширование или ламинирование. Так пленка СЭВА имеет толщину 20 мкм, но при соэкструзии ее толщина в виде компонента многослойного изделия уменьшается до 5 мкм. Технология совместной экструзии позволяет наносить дорогостоящие материалы на поверхность недорогого изделия, чем самым снижая его себестоимость.