Экструзия

Экструзия — технология получения изделий путем продавливания расплава материала через формующее отверстие. Обычно используется в производстве полимерных (резиновых смесей, пластмасс, крахмалсодержащих и белоксодержащих смесей), ферритовых изделий (сердечники), а также в пищевой промышленности (макароны, лапша и тп.), путем продавливания расплава материала через формующее отверстие экструдера.

Под экструзионным производством понимают способ переработки полимерных материалов непрерывным продавливанием их расплава через формующую головку, геометрическая форма выходного канала которой определяет профиль получаемого изделия пли полуфабриката.

Основным оборудованием  экструзионного процесса является червячный пресс или экструдер, оснащенный формующей головкой. В экструдере полимерный материал расплавляется, пластицируется и затем нагнетается в головку. В абсолютном большинстве случаев используются различные модификации одно- и двухчервячных экструдеров, называемых также червячными прессами. Иногда применяют дисковые и поршневые пластикаторы.

Различают два основных метода экструзии пленки: экструзия с  раздувом рукава и плоскощелевая  экструзия. Первый метод позволяет  получить пленочный рукав, который  может быть сложен или разрезан, а по второму методу получают плоскую  пленку. Агрегат для экструзии  пленки включает в себя экструдер, снабженный соответствующей головкой (фильерой), узел охлаждения расплавленной пленки, тянущий механизм и наматывающее устройство.

 

 

Экструдер состоит из: корпуса  с нагревательными элементами; рабочего органа (шнека (винт Архимеда), диска, поршня), размещённого в корпусе; узла загрузки перерабатываемого материала; силового привода; системы задания и поддержания  температурного режима, других контрольно-измерительных и регулирующих устройств.

По типу основного рабочего органа (органов) экструдеры подразделяют на одно-, двух- или многошнековые (червячные), дисковые, поршневые (плунжерные) и др. Двухшнековые экструдеры в зависимости от конфигурации шнеков могут быть параллельными или коническими. В зависимости от направления вращения — с сонаправленным или противонаправленным вращением шнеков.

Виды экструзии:

Холодная синяя экструзия  — возможны только механические изменения  в материале вследствие медленного его перемещения под давлением  и формованием этого продукта с образованием заданных форм.

Теплая экструзия —  сухие компоненты сырья смешиваются  с определенным количеством воды и подают в экструдер, где наряду с механическим его подвергают еще  и тепловому воздействию. Продукт  нагревается извне. Получаемый экструдат отличается небольшой плотностью, незначительным увеличением в объёме, пластичностью, а также ячеистым строением. Иногда экструдату необходимо подсушивание.

Горячая экструзия — процесс  протекает при высоких скоростях  и давлениях, значительном переходе механической энергии в тепловую, что приводит к различным по глубине изменениям в качественных показателях материала. Кроме того, может иметь место регулируемый подвод тепла как непосредственно к продукту, так и через наружные стенки экструдера. Массовая доля влаги в сырье при горячей экструзии составляет 10…20 %, а температура превышает 120 °C.

Для разных методов экструзии  используют различные конструкции  экструзионных головок и типы охлаждения пленки.

Тянущие устройства и узлы намотки также различаются.

Последовательность стадий процесса приведена ниже:

1) пластикация сырья в  виде гранул или порошка;

2) дозирование пластицированного расплава через фильеру, которая придает ему требуемую форму (например, рукава или плоской пленки);

3) охлаждение и фиксирование  требуемой формы;

4) намотка в рулоны.

Стадии 1 и 2 происходят в  экструдере, стадии 3 и 4 являются вспомогательными.

Типичный экструдер содержит главный рабочий орган - архимедов  винт (шнек), который вращается внутри нагретого цилиндра. Полимерные гранулы  поступают через загрузочную  воронку, установленную на одном  конце цилиндра, и перемещаются с  помощью шнека вперед, вдоль цилиндра к головке. При движении вперед гранулы  расплавляются за счет контакта tf горячими стенками цилиндра и за счет тепла, выделяющегося от трения. Разогрев за счет трения (экзотермическое тепло) весьма ощутим в современных высокоскоростных машинах и может обеспечить все тепло, требуемое для устойчивого течения, наружный обогрев нужен только для предотвращения остановки машины при пуске, когда материал холодный. Шнек затем продавливает расплавленный полимер через фильеру, которая определяет конечную форму.

Обычно конструкция шнека  выбирается в соответствии с видом  перерабатываемого полимера. Шнеки  характеризуются отношением их длины  к диаметру L / D и степенью сжатия. Степень сжатия - это отношение  объема витка шнека у загрузочного отверстия к объему витка со стороны  головки. Как правило, в одношнековых экструдерах применяют шнеки  с отношением L/D от 15: 1 до 30: 1 и степенью сжатия от 2:1 до 4:1.

Шнек экструдера обычно состоит  из трех зон: загрузки, сжатия и дозирования. Зона загрузки транспортирует полимер  от отверстия под бункером к более  горячим секциям цилиндра. Зона сжатия - это зона, где уменьшается глубина  нарезки, а значит, и объем витка, что приводит к сжатию плавящихся гранул. Главный эффект сжатия - увеличение сдвигового воздействия на расплавленный  полимер, обусловленного взаимным движением  поверхности шнека относительно стенки цилиндра. Это улучшает смешение, увеличивает разогрев от трения и  приводит к более однородному  распределению тепла в расплаве. Назначение последней зоны шнека - дальнейшая гомогенизация расплава, однородное дозирование его через формующую  головку, сглаживание пульсации на выходе.

Перед головкой расположена  решетка, поддерживающая пакет сеток  с крупными и мелкими отверстиями. Эти фильтрующие сетки удаляют  загрязнения, которые содержатся в  сырье. Это особенно важно в случае получения тонких экструзионных пле­нок, где даже мельчайшие загрязняющие частицы могут образовывать дырки и даже разрушать пленку. Пакет сеток увеличивает также противодавление в экструдере, что улучшает перемешивание и гомогенизацию расплава.

В шнеке обычно есть канал  для обогрева его паром или  охлаждения водой. Когда требуется  максимальное смешение, шнек охлаждают. Это улучшает качество экструдата, но немного понижает производительность.

Выбор правильной конструкции  фильеры — важнейшее условие  течения материала без «мертвых зон», где материал может застаиваться и разлагаться из-за перегрева. Это  особенно важно в случае ПВХ, у  которого точка разложения материала  близка к температуре, необходимой для нормального течения.

Одно из последних новшеств в конструкции экструдеров - зона дегазации, позволяющая удалять  из расплава все летучие компоненты до выхода из головки. Это достигается  освобождением расплава от состояния  сжатия, в котором он находился, в  результате чего вода и другие летучие  испаряются, а расплав вспенивается. Фактически используется система как  бы из двух шнеков, разделенных зоной  дегазации. Первый имеет три секции - загрузки, сжатия и дозирования, причем последняя имеет мелкую нарезку  и обычно заполнена. Второй шнек имеет  зону дегазации, заполняемую расплавом  первого шнека, за которой снова  следует зона дозирования. Зона дегазации  имеет более глубокую нарезку, чем  последний виток первого шнека; таким образом, полимер внезапно попадает в больший объем, вследствие чего давление падает.

Образующаяся при выделении  летучих пена снова сжимается и подается в головку. Летучие пары удаляют или через вентиляционные отверстия в цилиндре, или через полость в шнеке и отверстие в одном из гребней шнека в зоне дегазации. Иногда используют вакуум для облегчения удаления газов. Вакуумные воронки можно использовать для сухосмешанных порошков с целью уменьшения пористости, когда шнек должен быть уплотнен, чтобы предотвратить просыпание порошка.

Выпускают и многошнековые экструдеры, чаще - двухшнековые, которые имеют свои преимущества и недостатки. В целом многошнековые машины дороже из-за более сложной конструкции и менее устойчивы в работе, однако обладают лучшими свойствами транспортировки и смешения. Из-за более высокого напорного эффекта многошнековые экструдеры производят меньше сдвигового тепла, что делает их очень подходящими для материалов, чувствительных к перегревам, имеющих низкий коэффициент трения и тех, что должны выходить из головки при низких температурах.

 

Однослойные молочные пленки

 

Основным преимуществом  однослойных пленок является цена –  каждый производитель заинтересован  в снижении издержек при производстве продукции. Однако на этом положительные  стороны этого упаковочного материала  заканчиваются. В отношении недостатков  можно отметить следующее. В первую очередь невысокое сопротивление  «раздиру», когда наличие даже небольшого надрыва может привести к катастрофическому разрушению упаковки. Невысокая прочность сварного шва, которая может возникнуть в результате термической усадки пленки в момент сварки. А если пленка расклеивается и молоко течет, то экономия мнимая. Она грозит потерей рынка. Одна из глобальных задач производителей молочных продуктов - сделать срок хранения молокопродуктов как можно более длительным, но в однослойной пленке, например, пастеризованное молоко хранится не более 36 часов, тогда как в многослойной - этот период составляет 72 часа и более. Но одним из главных недостатков однослойной молочной пленки является отсутствие черного слоя, способного защитить молокопродукты от  воздействия ультрафиолетовых лучей и спасти продукцию от прогоркания. То есть данная пленка не обладант барьерными свойствами. В данном случае на помощь приходят современные многослойные пленки.

 

 

 

Двухслойная молочная пленка 

 

Двухслойная молочная пленка привлекает своей дешевизной, как  и монопленка. При этом она обладает главным преимуществом перед однослойной пленкой – наличием черного слоя, который позволяет защитить содержимое от ультрафиолетовых лучей.

Кроме того, двухслойная  молочняа пленка прочнее однослойной пленки. Сравнение данной пленки с трехслойной позволяет выявить ее недостатки. Как было рассмотрено выше, промежуточный слой в молочной пленке несет определенную функциональную нагрузку. В двухслойной пленке он отсутствует. Что это означает? При наличии промежуточного слоя черный и белый слои значительно тоньше, чем в двухслойной пленке. Поэтому в них требуется вводить намного меньше дорогих суперконцентратов, окрашивающих пленку в соответствующий цвет. Это существенно снижает стоимость пленки. Кроме того, трехслойная пленка позволяет вводить в ее промежуточный слой большое количество вторичного полиэтилена, что также удешевляет готовую продукцию.

 

Соэкструзионная трехслойная черно-белая полиэтиленовая пленка для упаковки молока и молочных продуктов.

 

 

Соэкструзионные молочные черно-белые пленки обладают рядом преимуществ. Каждый слой в пленке выполняет свою функцию:

— идеально белый с глянцевым  блеском внешний слой придает  привлекательный вид упаковке, выделяя  насыщенность цветного рисунка. В этот слой вводится специальная добавка, которая повышает скольжение пленки, что важно для работы на современном  упаковочном оборудовании;

 — средний слой  защищает содержимое от видимого  света;

 — внутренний (термосвариваемый) слой благодаря специальным добавкам (линейным и металлоценовым полиэтиленам) обеспечивает высокую прочность и отличное качество сварных швов. Черный пигмент этого слоя делает пленку абсолютно светонепроницаемой и защищает содержимое от ультрафиолетовых лучей и тем самым снижает их губительное воздействие на упаковываемую продукцию, не давая молочному жиру прогорать. Это позволяет продлить срок хранения молочной продукции.

За счет используемых полимерных материалов пленка прекрасно сваривается  при широком диапазоне температур, что делает процесс сварки легким и экономичным, существенно снижая затраты по браку из-за протечек молочных продуктов при некачественном шве на фасовочном автомате.

Многослойная пленка обладает следующими физико-механическими показателями:

         прочность при растяжении (не  менее), МПа: 

                 — в продольном направлении  — 14,0 — 21;

                 — в поперечном направлении  — 12,2 — 20;

         относительное удлинение при  разрыве (не менее), %

                 —  в продольном направлении  — 300 — 900;

                 — в поперечном направлении-400-900;

         статический коэффициент трения 0,1 — 0,25;

Для повышения адгезии  печатных красок полиэтиленовые пленки подвергают предварительной обработке, в данном случае коронной.

При упаковке жидких пищевых  продуктов необходима полная герметичность. Эти свойства являются стандартными.

Преимущества молочной пленки:

Прочность при растяжении в долевом и поперечном направлении  в среднем в два с половиной  раза превышает установленную для  обычного ПВД и в два раза средне-фактическую.

Относительное удлинение  при разрыве также в среднем  в три раза превышает установленные  значения для ПВД и более чем  в два раза превосходит фактические  показатели ПВД.

Энергия на прокол для пленки на основе бимодального материала в  два раза выше чем для базовых полиэтиленов. Свойства сопротивления ударным нагрузкам в два раза превышают аналогичные свойства ПВД при обычных температурах и почти в три раза при температуре -20°С.