Основы экструзии



Chris Rauwendaal








            Understanding extrusion


2nd Edition

HANSER

Hanser Publishers, Munich

Hanser Publications, Cincinnati

Крис Раувендааль


        ОСНОВЫ ЭКСТРУЗИИ

Перевод с английского 2-го издания

ЦЕНТР
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ

ПРОФЕССИЯ

Санкт-Петербург
201 1

УДК 678.027.26
ББК 35.710Англ
Р27


        Раувендааль К.
Р27 Основы экструзии / Пер. 2-го англ. изд. — СПб.: ЦОП «Профессия», 2011. — 280 с., цв. ил., табл.
        ISBN 978-5-91884-020-7
        ISBN 978-3-446-41686-4 (англ.)

        В книге рассмотрены все аспекты важного процесса переработки пластмасс — экструзии, начиная от описания основного оборудования, материалов и применяемых технологий, заканчивая рекомендациями по повышению эффективности процесса и данными о современных разработках в рассматриваемой отрасли. Особенностью этого издания является простота и доступность изложения, а также большое количество качественных иллюстраций. Материал книги будет особенно полезен наладчикам оборудования, операторам технологических линий и машин, механикам, мастерам смены, занимающимся переработкой пластмасс экструзией, а также для специалистов, студентов и аспирантов, интересующихся темой.

УДК 678.027.26
ББК 35.710Англ



All right reserved. Carl Hanser Verlag, Munich/FRG Authorized translation from the original English edition published by Carl Hanser Verlag, Munich/FRG

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Информация, содержащаяся вданной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту’ приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.



ISBN 978-5-91884-020-7       © Carl Hanser Verlag, Munich/FRG, 2009
ISBN 978-3-446-41686-4 (англ.)          © цоп «Профессия», 2011
                                         © Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2011

СОДЕРЖАНИЕ



5

1. Экструзионное оборудование....................................9
   1.1. Что такое экструдер?.......................................9
   1.2. Типы экструдеров..........................................10
       1.2.1. Одно шнековые экструдеры............................10
       1.2.2. Двухшнековые экструдеры.............................10
       1.2.3. Плунжерные экструдеры...............................13
   1.3. Компоненты экструдера.....................................14
       1.3.1. Шнек экструдера.....................................14
       1.3.2. Материальный цилиндр экструдера.....................14
       1.3.3. Загрузочное отверстие...............................15
       1.3.4. Загрузочный бункер..................................16
       1.3.5. Системы нагрева и охлаждения материального цилиндра.17
       1.3.6. Нагрев и охлаждение шнека...........................19
       1.3.7. Распределительная решетка...........................20
       1.3.8. Набор фильтрующих сеток.............................20
       1.3.9. Экструзионная головка...............................24
       1.3.10. Привод экструдера..................................27
       1.3.11. Редуктор...........................................29
       1.3.12. Шестеренчатый насос................................31
2. Контрольно-измерительные приборы и управление ими.............33
   2.1. Контрольно-измерительные приборы..........................33
   2.2. Наиболее важные параметры процесса........................33
       2.2.1. Давление расплава...................................34
       2.2.2. Датчики давления....................................36
       2.2.3. Измерение температуры...............................37
       2.2.4. Измерение температуры расплава......................39
       2.2.5. Измерение температуры материального цилиндра........40
   2.3. Контроль температурного режима...........................42
       2.3.1. Импульсный метод управления.........................42
       2.3.2. Пропорциональное управление.........................43
       2.3.3. Управление средствами «размытой логики» ............46
3. Экструзионные линии...........................................47
   3.1. Экструзионные линии по производству труб и трубок.........47
   3.2. Линии по производству пленок и листов методом щелевой экструзии.... 49
   3.3. Линии по производству пленки щелевым методом с охлаждением на валке......................................................50
   3.4. Сочетание материалов......................................51
       3.4.1. Соэкструзия.........................................52
       3.4.2. Экструзионное нанесение покрытия....................53
       3.4.3. Экструзионное ламинирование.........................53
   3.5. Линии по производству пленки рукавным методом.............55

  3.6. Линии экструзионного компаундирования....................56
  3.7. Экструзионные линии по производству профилей.............58
4. Используемые полимерные материалы и их свойства..............59
  4.1. Термопластичные и термореакгивные пластмассы.............59
  4.2. Аморфные и частично кристаллизующиеся полимерные материалы...60
  4.3. Жидкокристаллические полимеры ...........................62
  4.4. Эластомеры...............................................64
  4.5. Реология расплавов полимеров.............................64
  4.6. Показатель текучести расплава............................66
  4.7. Влияние напряжений сдвига................................67
  4.8. Уменьшение вязкости при сдвиге или псевдопластическое поведение.... 68
  4.9. Влияние температуры на вязкость..........................69
  4.10. Тепловыделение при течении вязкой жидкости..............70
  4.11. Теплофизические свойства................................70
       4.11.1. Теплопроводность.................................70
       4.11.2. Удельная теплоемкость и энтальпия................72
       4.11.3. Термическая стойкость и индукционный период......73
       4.11.4. Плотность........................................75
       4.11.5. Температура плавления............................76
       4.11.6. Температура стеклования..........................77
5. Принцип работы экструдера....................................78
  5.1. Движение твердых частиц..................................79
       5.1.1. Движение твердых частиц под действием гравитационных сил... 79
       5.1.2. Движение твердых частиц под действием сил трения..83
       5.1.3. Метод недостаточного питания......................85
       5.1.4. Экструдеры с канавками в зоне питания.............86
  5.2. Плавление................................................89
       5.2.1. Плавление соприкасающихся твердых частиц..........90
       5.2.2. Плавление диспергированных твердых частиц.........90
  5.3. Течение расплава.........................................96
       5.3.1. Температуры расплава..............................97
  5.4. Смешение................................................101
       5.4.1. Распределительное смешение.......................101
       5.4.2. Зоны смешения шнеков.............................108
  5.5. Дегазация...............................................123
  5.6. Формование в экструзионной головке......................127
       5.6.1. Изменения размеров и формы.......................127
       5.6.2. Трубные экструзионные головки....................132
       5.6.3. Экструзионные головки для производства пленок и листов плоско щелевым методом...................................137
       5.6.4. Профильные экструзионные головки.................139
  Список использованных источников..............................141
6. Как запустить экструдер.....................................142
  6.1. Введение.................................................142

   6.2. Перед запуском..........................................142
   6.3. Подготовка к запуску....................................143
   6.4. Запуск экструдера.......................................146
   6.5. Работа экструдера.......................................148
   6.6. Остановка...............................................150
       6.6.1. Очистка...........................................151
   6.7. Техника безопасности....................................153
       6.7.1. Тепло.............................................153
       6.7.2. Подвижные элементы................................154
       6.7.3. Электричество.....................................154
       6.7.4. Тяжелые грузы.....................................155
       6.7.5. Давление..........................................155
   6.8. Обучение и проверка знаний..............................156
7. Выявление и устранение неисправностей экструзионного процесса.161
   7.1. Задачи..................................................161
   7.2. Эффективный поиск неисправностей........................161
       7.2.1. Приборное обеспечение.............................161
       7.2.2. Понимание процесса экструзии......................162
       7.2.3. Сбор и анализ статистических данных...............162
       7.2.4. Формирование команды..............................163
   7.3. Основные типы неисправностей............................163
       7.3.1. Проблемы с производительностью....................163
       7.3.2. Проблемы с внешним видом..........................172
       7.3.3. Проблемы с функциональностью изделия..............180
       7.3.4. Высокая температура расплава......................180
       7.3.5. Высокая нагрузка на электродвигатель..............181
       7.3.6. Проблемы с износом................................182
   7.4. Систематическое решение проблем.........................184
   7.5. Выявление и устранение неисправностей оборудования и поддержание его в рабочем состоянии........................186
       7.5.1. Проверка масла....................................187
       7.5.2. Нехарактерные шумы................................187
       7.5.3. Приводные двигатели и ременные передачи...........190
       7.5.4. Запасные детали...................................191
       7.5.5. Шнек и материальный цилиндр.......................191
       7.5.6. Контрольный лист проверки технического состояния экструдера.. 192
   7.6. Причины и возможные методы устранения неисправностей.....197
8. Новые разработки в области экструзионных процессов и методы увеличения эффективности процессов.........................................203
   8.1. Общие тенденции развития................................203
   8.2. Высокоскоростная экструзия..............................203
       8.2.1. Температура расплава..............................204
       8.2.2. Экструдеры без зубчатых редукторов................205
       8.2.3. Потребление энергии................................205

      8.2.4. Переход на потребление другого полимера...........206
      8.2.5. Время перехода на потребление другого полимера и время пребывания материала в материальном цилиндре.....207
   8.3. Многоручьевая экструзия................................208
   8.4. Снижение стоимости материала...........................210
      8.4.1. Дешевые наполнители...............................211
      8.4.2. Вторичные пластмассы..............................214
      8.4.3. Вспененные пластмассы.............................214
      8.4.4. Сравнение предварительного компаундирования материала на сторонних предприятиях и компаундирования своими силами.215
      8.4.5. Запуск, переход на другие параметры и остановка...216
      8.4.6. Технологические добавки к полимерам...............216
   8.5. Повышение уровня автоматизации.........................221
   8.6. Увеличение эффективности процесса экструзии............221
      8.6.1. Контрольно-измерительные приборы..................222
      8.6.2. Сбор и обработка данных...........................223
      8.6.3. Непостоянство и изменчивость характеристик сырья....224
      8.6.4. Сравнение ограниченной и свободной загрузки экструдера ....225
      8.6.5. Очистка...........................................227
      8.6.6. Методы уменьшения потребления энергии.............240
      8.6.7. Гибкое автоматизированное производство............246
   8.7. Статистическое управление технологическим процессом и планирование эксперимента..................................251
   8.8. Причины колебаний параметров процесса..................253
      8.8.1. Непостоянство температуры расплава................253
      8.8.2. Нестабильность процесса плавления.................255
   8.9. Экструзия с проточками в зоне питания..................256
      8.9.1. Экструдеры с регулируемыми канавками в зоне питания.257
   8.10. Насос с поворотным каналом..............................258
   8.11. Новые разработки в области смешения и конструкции шнека.259
      8.11.1. Растягивающие перемешивающие устройства............259
      8.11.2. Барьерные шнеки с растягивающим перемешивающим действием... 260
      8.11.3. Смеситель с плавающей втулкой и перекрещивающимися стержнями ...............................................262
      8.11.4. Технология конструкции шнека с высокой теплопередачей...263
      8.11.5. Одношнековый компаундирующий экструдер...........264
   8.12. Армированные волокнами пластмассы.....................266
      8.12.1. Традиционные методы изготовления изделий из армированных волокнами пластмасс......................266
      8.12.2. Технология Nexxus................................267
   8.13. Заключение............................................268
      Список использованных источников.........................268
Приложение 1. Список рекомендуемой дополнительной литературы...271
Приложение 2. Теоретические основы процесса экструзии..........272

ЭКСТРУЗИОННОЕ
    ОБОРУДОВАНИЕ



В этой главе обсуждается экструзионное оборудование, включая его:
  ♦ описание;
  • типы;
  ♦ компоненты.

1.1.  Что такое экструдер?

Определение Для описания того, что такое экструдер, необходимо сначала определить некоторые связанные термины. Во-первых, термин «экструзия» означает вытеснение или выдавливание. При экструдировании материал выдавливается через отверстие, называемое фильерой или экструзионной головкой. Например, при нажатии на тюбик зубной пасты происходит выдавливание этой зубной пасты. При течении через экструзионную головку материал приобретает необходимую форму. Оборудование, используемое для выдавливания материала, называется экструдером. На практике можно осуществлять экструдирование множества различных материалов, таких как глина, керамические материалы, пищевые продукты, металлы и, конечно, пластмассы.
Функция Основной функцией экструдера является обеспечение достаточного по величине давления в материале, которое позволит протолкнуть материал через экструзионную головку. Давление, необходимое для проталкивания материала через экструзионную головку, зависит от ее геометрии, свойств текучести материала и от скорости потока материала. Обычно экструдер представляет собой машину, способную создавать и наращивать давление. Другими словами, экструдер — это своеобразный насос. Экструдер для переработки пластмасс — это насос для пластмассовых материалов. Однако не следует путать это понятие с понятием пластицирующего экструдера, представляющего собой машину, которая не только экструдирует, но также и пластицирует и расплавляет материал. В пластицирутощий экструдер подаются твердые частицы пластмассового материала, а из экструдера в фильеру нагнетается полностью проплавленная пластмасса. С другой стороны, машина, которая позволяет выдавливать разогретую пластмассу без осуществления ее плавления, называется экструдером, нагнетающим расплав.

  Экструдеры являются самым типичным оборудованием промышленности переработки пластмасс. Экструдеры используются не только при экструзии, но и при литье под давлением и раздувном формовании. По существу при формовании любого пластмассового изделия пластмассовый материал хотя бы раз (а во многих случаях несколько раз) проходит через экструдер.


1.2.  Типы экструдеров
В этом разделе обсуждаются экструдеры:
  •  одношнековые;
  •  двухшнековые;
  •  плунжерные.


1.2.1. Одношнековые экструдеры


Типы       В промышленности пластмасс используются экструэкструдеров деры трех основных типов: шнековые, плунжерные и дисковые. Наиболее распространенными среди них являются шнековые экструдеры. В таком экструдере (рис. 1.1) шнек вращается в материальном цилиндре; вращение шнека обеспечивает нагнетающее действие.



Рис. 1.1. Одношнековый экструдер

1.2.2. Двухшнековые экструдеры
Шнековый экструдер может иметь один или несколько шнеков. Экструдер с одним шнеком называется одношнековым экструдером; этот экструдер является наиболее типичным и распространенным в про

мышленности переработки пластмасс. Экструдер с несколькими шнеками называется многошнековым экструдером. Наиболее распространенным многошнековым экструдером является двухшнековый.


1.2.2.1. Двухшнековые экструдеры со шнеками, вращающимися в одном направлении


Вращение шнека

  В большинстве двухшнековых экструдеров шнеки располагаются рядом. Если оба шнека вращаются в одинаковом направлении, то экструдер называется двухшнековым экструдером со шнеками, вращающимися в одном направлении (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Двухшнековый экструдер со шнеками, вращающимися в одном направлении

1.2.2.2. Двухшнековые экструдеры со шнеками, вращающимися в противоположном направлении
Если шнеки двухшнекового экструдера вращаются в противоположном направлении, то такой экструдер называется двухшнековым экструдером со шнеками, вращающимися в противоположном направлении. Двухшнековые экструдеры могут вращаться с высокой или низкой скоростью, в зависимости от- конкретного случая применения. Шнеки высокоскоростных экструдеров вращаются со скоростью в пределах 200—500 об/мин, а иногда даже и быстрее; такие экструдеры в основном используются для компаундирования. Шнеки низкоскоростных экструдеров вращаются со скоростью приблизительно 10—40 об/мин; такие экструдеры используются в основном для экструдирования профильных изделий.

Степень перекрещивания

У большинства двухшнековых экструдеров, используемых для экструдирования профилей, шнеки вращаются в противоположных направлениях. Это объясняется тем, что такие экструдеры обычно имеют лучшие характеристики передачи материала, чем экструдеры со шнеками, вращающимися в одном направлении. Шнеки большинства двухшнековых экструдеров располагаются параллельно друг другу, но существуют конструкции экструдеров с коническими шнеками, которые размещены не параллельно друг другу (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Конический двухшнековый экструдер

  Другим отличительным признаком двухшнековых экструдеров является степень перекрещивания шнеков между собой. Шнеки могут быть полностью перекрещивающимися (рис. 1.4, а), частично перекрещивающимся (рис. 1.4, Ь) и неперекрещивающимися (рис. 1.4, с).

Рис. 1.4. Конструкции вращающихся в противоположном направлении шнеков: а — полностью перекрещивающиеся; b — частично перекрещивающиеся;
с — неперекрещивающиеся (тангенциальные)

Отношение длины шнека к его диаметру

Большинство двухшнековых экструдеров являются перекрещивающимися. Преимуществом непере-крещивающихся двухшнековых экструдеров является то, что при их использовании в течение довольно длительного времени не возникает никаких проблем, связанных с контактом металлических поверхностей шнеков. Величина отношения длины шнека к его диаметру (L/D) в таких экструдерах может достигать 100:1, а иногда даже и большего значения. Величина L/D

шнеков в перекрещивающихся двухшнековых экструдерах обычно не превышает 50:1. Недостатком современных неперекрещивающихся двухшнековых экструдеров является то, что они обладают ограниченной диспергирующей и смешивающей способностью; однако за счет использования новой технологии дисперсионного смешивания, описанной в главе 5, можно существенно компенсировать это ограничение.


1.2.3. Плунжерные экструдеры
В плунжерном (поршневом) экструдере поршень нагнетает материал через фильеру (отверстие), как это показано на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Схематическое изображение плунжерного экструдера

Высокое давление, низкая проплавляющая способность

Плунжерные экструдеры обладают очень хорошими характеристиками передачи материала и могут обеспечивать очень высокое давление. Недостаток плунжерных экструдеров состоит в том, что они обладают очень низкой проплавляющей способностью. Поэтому такие экструдеры очень редко используются для переработки обычных пластмасс. Однако известно некоторое количество пластмасс специального назначения, которые часто перерабатываются на плунжерном экструдере, например, так называемые «неподатливые» пластмассы, которые не могут быть переработаны на обычных экструдерах. Примерами являются ПТФЭ (политетрафторэтилен) и сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Такие пластмассы не плавятся как обычные, а поэтому формуются методом спекания. Из этих материалов на плунжерном экструдере могут быть изготовлены погонажные изделия, даже несмотря на то, что линейные скорости экструдирования при этом методе довольно невысокие — в диапазоне от 25 до 75 см в час (10—30 дюймов в час).

  1.3. Компоненты экструдера
  В этом разделе обсуждаются:
    • шнек экструдера;
    • материальный цилиндр экструдера;
    • загрузочное отверстие;
    • загрузочный бункер;
    • системы нагрева и охлаждения материального цилиндра;
    • системы нагрева и охлаждения шнека;
    • распределительная решетка;
    • набор фильтрующих сеток;
    • экструзионная головка;
    • привод экструдера;
    • редуктор;
    • шестеренчатые насосы.

  1.3.1. Шнек экструдера


  «Сердцем» экструдера является его шнек. Шнек представляет собой длинный цилиндр со спирально нарезанным вокруг него гребнем (рис. 1.6). Шнек является очень важным элементом, потому что процессы передачи, нагревания, плавления и смешения пластмассы в основном определяются его конструкцией. Стабильность процесса и качество экструдируемого изделия также в очень большой степени зависят от конструкции шнека. Шнек вращается в материальном цилиндре, плотно прилегающем к нему.


Рис. 1.6. Шнек экструдера с одним гребнем

  1.3.2. Материальный цилиндр экструдера
  Цилиндр, в котором вращается шнек, называется материальным цилиндром экструдера. Материальный цилиндр — это прямой цилиндр, обычно оборудованный биметаллическими гильзами; такие гильзы представляют собой деталь с твердой, высокоизносостойкой составной поверхностью. В большинстве случаев износостойкость материального цилиндра должна быть больше, чем износостойкость шнека. Причина