Не впервые немецкие компании Coperion и Herbold Meckesheim сообща представляют на отраслевых выставках свои совместные разработки в области рециклинга (компетенция Herbold Meckesheim) и компаундирования (компетенция Coperion). Вот и сейчас ими была продемонстрирована – не «вживую», конечно, а с помощью виртуальной анимации – комплексная производственная линия по переработке отходов пластмасс в высококачественный регранулят (рис. 1). Тем не менее посетители могли, хотя и в цифровом формате, но наглядно и подробно познакомиться с отдельными ключевыми узлами линии и с тем, как они работают. От механической обработки отходов – измельчения, мойки, сортировки и сушки – до их переработки путем дозирования, экструзии, смешивания и гранулирования – эта линия охватывает всю технологическую цепочку процесса.
Кроме того, компания Coperion продемонстрировала на выставке новые возможности применения своих двухшнековых экструдеров серий ZSK и STS, а также технологии дозирования и транспортировки в классических задачах компаундирования. Примером служит обновленная версия лабораторного экструдера ZSK 18 MEGAlab с оптимизированным дизайном, повышающим удобство и безопасность в обращении, а также с более гибкой и интуитивно понятной системой управления (рис. 2). А недавно разработанная и запатентованная стойка дозирования позволяет размещать до четырех дозаторов над загрузочной зоной экструдера с различными вариантами расположения. Это позволяет более гибко добавлять ингредиенты в процесс приготовления рецептур.
Экспонатами Coperion были также усовершенствованные одно- и двухшнековые гравиметрические дозаторы непрерывного действия серии ProRate PLUS, способные теперь дозировать порошковые добавки (рис. 3).
Компания Herbold Meckesheim, в свою очередь, представила новую серию роторов различных типоразмеров для своих ножевых дробилок (рис. 4). Геометрия их режущей кромки оптимизирована с учетом вида и формы измельчаемых отходов пластмасс.
Что касается дозаторов, то новые гравиметрические устройства серии Gravicolor med, представленные на выставке группой компаний Motan (г. Констанц, Германия) и соответствующие требованиям FDA, могут не только точно дозировать, но и смешивать компоненты компаундов (рис. 5). Они разработаны для применения в производстве главным образом изделий для медицинской и фармацевтической промышленности и могут использоваться в процессах экструзии, литья под давлением и выдувного формования. По словам разработчиков, эти самооптимизирующиеся системы постоянно обеспечивают достижение наилучшей рабочей точки и являются частью расширенного ассортимента надежных и точных дозаторов и смесителей, действующих по принципу набора веса (Gain-in-Weight). Все устройства Gravicolor оснащены расширенной функцией анализа Intelliblend, которая записывает и документирует рецептуры дозируемых материалов и режимы дозирования.
Немецкая компания battenfeld-cincinnati со штаб-квартирой в г. Бад Ойенхаузене отмечает в этом году 20-летний юбилей своих высокоскоростных экструдеров, которые постоянно совершенствуются и сегодня подходят для производства пленок с глубокой вытяжкой из ПЭ или ПП, промышленных плит и других экструдатов вплоть до подачи в пиролизные реакторы полимерных ТКО для их переработки (рис. 6). В соответствии с девизом «One size fits all» («Один размер подходит всем») сегодня выпускается шесть типоразмеров экструдеров с оптимальным диаметром шнека 3 дюйма (75 мм), отличающихся только скоростью вращения шнека и мощностью привода. Это обеспечивает широкий спектр их применения в качестве отдельного экструдера или соэкструдера с производительностью от 180 до 1800 кг/ч. Поскольку мощность привода преобразуется непосредственно в тепло во время переработки полимерного материала, то нет необходимости в его дополнительном внешнем нагреве, что экономит электроэнергию. Как заявляют в компании, операторы ценят в первую очередь простоту в обращении и техобслуживании, а также короткое время запуска и переоснащения.
К преимуществам серии экструдеров solEX NG в battenfeld-cincinnati относят высокую производительность при низких скоростях вращения шнека и температурах переработки, а также пониженный профиль давления и, следовательно, низкий износ машины. В дополнение к 4 существующим моделям серии solEX NG с диаметром шнека 60, 75, 90 и 120 мм теперь предлагается самая маленькая модель – solEX NG 45, оснащенная цилиндром с внутренним пазом и шнеком с соответствующей геометрией, как и большие модели этой серии (рис. 7). По словам разработчиков, эти экструдеры по сравнению с традиционными обеспечивают примерно на 25 % более высокую производительность при переработке ПЭВП и до 40 % при переработке ПП, причем при более низких (примерно на 10 °C) температурах. Еще одним преимуществом серии solEX нового поколения (NG) является уменьшенное энергопотребление, которое примерно на 15 % ниже, чем у предыдущей серии solEX.
Гибкость, стабильность процесса и минимизация износа – вот лишь некоторые из преимуществ производства труб из высоконаполненнго ПВХ на двухшнековом экструдере twinEX 93-34 с сонаправленными шнеками и с прямым гравиметрическим дозированием вплоть до 100 мас. ч. мела без его предварительного смешивания с ПВХ (рис. 8). Высокое содержание мела делает трубы из ПВХ, которые в основном используются в качестве канализационных, не только более дешевыми, но и более экологичными с точки зрения меньшего потребления невозобновляемого сырья. Компоненты смеси подаются на экструдер по отдельности, объединяются в сборном бункере и смешиваются затем друг с другом в холодном смесителе, после чего смесь подается в загрузочное отверстие экструдера с помощью вертикальной дозирующей установки. При этом как рецептура смеси, так и общий объемный расход контролируются и регулируются гравиметрически. Все емкости для сбора и дозирования мела вдоль линии подачи и дозирования оснащены мешалками, что помогает поддерживать движение наполнителя по всей его трассе и предотвращает образование мостиков. Экструдер оснащен износостойким шнеком с геометрией, специально адаптированной к равномерной подаче и пластикации смеси с содержанием мела от 30 до 100 мас. ч. Дополнительным преимуществом прямого дозирования мела является высокая технологическая стабильность, обеспечивающая получение высококачественного конечного продукта. Наконец, данный способ устраняет необходимость в предварительном смешивании ПВХ и мела в отдельном смесителе.
Рекордной в battenfeld-cincinnati считают экструзионную линию, разработанную для производства труб из ПЭ диаметром 2,7 м (рис. 9). Одной из решенных проблем здесь стало предотвращение провисания таких габаритных труб. Подобные пластиковые трубы, используемые в высокопроизводительных системах водоснабжения и канализации, обладают повышенной химической стойкостью, долговечностью и гораздо меньшим весом по сравнению с бетонными аналогами, что существенно облегчает монтаж трубопроводных систем. Для производства труб таких размеров необходимы мощные экструдеры, способные гомогенно пластицировать расплавленную массу полимера. Для этих целей был выбран экструдер упомянутой выше серии solEX NG, которая обеспечивает до 25 % более высокую производительность по сравнению с предыдущими версиями. При этом спирально-трубчатая двухступенчатая экструзионная головка обеспечивает оптимальное распределение расплава при сравнительно низком давлении. Наконец, эффективное внутреннее охлаждение трубы сводит к минимуму эффект ее провисания в целях предотвращения ее овальности и неравнотолщинности стенки.
Еще одним экспонатом на стенде компании была система быстрого изменения размеров FDC (Fast Dimension Change), которая, по словам разработчиков, может быть интегрирована в любую трубную линию и позволяет автоматически изменять поперечные размеры труб во время непрерывной работы.
Несмотря на напряженную рыночную ситуацию в сфере переработки пластмасс в Европе, новые законодательные решения дают основания для оптимизма, считают в австрийской компании Erema из г. Ансфельдена, известной своим оборудованием для переработки отходов пластмасс. Дело в том, что новый регламент ЕС в отношении упаковки и ее отходов PPWR (Packaging and Packaging Waste Regulation) требует значительного увеличения к 2030 г. доли вторсырья в упаковке, в том числе пищевой. Из этих соображений в последние годы компания инвестировала в самые современные технологии переработки полимерных отходов, чтобы создать условия для замкнутого цикла производства пластмасс. Так, для производства вторичного ПЭТ (rPET), пригодного для пищевых продуктов, Erema предлагает линейку машин Vacurema. Для производства вторичных полиолефинов существует комбинация машин Intarema TVE plus с модулем Refrehsher, которая с разрешения FDA позволяет в производстве пищевой упаковки регрануляты полиолефинов из определенных входных потоков в количестве до 100 % (рис. 9). Возможны и другие варианты применения rPET. Например, благодаря дезактивации и удалению нежелательных запахов, это становится возможным и в производстве бытовых изделий или деликатных предметов личной гигиены.
Цифровые системы-помощники также способствуют повышению эффективности переработки отходов пластмасс. Примером служит продемонстрированная на выставке онлайн-платформа Blu-Port, которая объединяет приложения для контроля качества и технического обслуживания машин. Так, приложение Predict On собирает данные в режиме реального времени об оборудовании и позволяет прогнозировать требуемое техобслуживание, в то время как приложение Spare Parts Online упрощает заказ запасных частей.
Институт химической технологии Fraunhofer ICT (Institut für Chemische Technologie) из г. Пфинцталя (Германия) представил на выставке Fakuma-2024 результаты выполнения двух НИР, связанных с экструзионными технологиями.
Первая НИР выполнялась в рамках европейского проекта Surpass, посвященного разработке многослойных полимерных пленок, пригодных к повторной переработке. Известно, что обычные многослойные пленки используются для упаковывания пищевых продуктов благодаря своим хорошим барьерным свойствам. При этом каждый слой выполняет свою функцию. Например, внешний слой, обычно изготавливаемый из полиолефинов (ПЭНП, ПП, ПЭВП) или ПЭТ, обеспечивает свариваемость, герметичность и стойкость к истиранию, а внутренний – из ПА или EVOH – служит барьером по отношению к кислороду. Для прочного сцепления этих разнородных слоев используют, как правило, еще один – адгезионный. Однако именно из-за своей многослойности эти пленки создают проблемы при их переработке, которая, кроме того, затрудняется из-за отсутствие эффективных технологий сортировки и рециклинга. В связи с этим институтом была предложена специальная технология соэкструзии, когда блок питания экструдера комбинируется с многоканальной экструзионной головкой для получения от двух- до пятислойных пленок. Технология позволяет изготавливать пленки без адгезионных слоев, обладающие пониженной стоимостью и в то же время хорошими барьерными, механическими и оптическими свойствами.
Вторая НИР была посвящена переходу от нефтепроизводных компонентов к возобновляемым альтернативным в рамках известного процесса реакционной экструзии, что является многообещающей перспективой для производства экологически чистых термопластичных полиуретановых эластомеров (ТПУ) (рис. 11). Реакционная экструзия – это нечто большее, чем просто компаундирование. Экструдер при этом выполняет функцию реактора непрерывного действия, который позволяет синтезировать и химически модифицировать синтезируемый полимер. Кроме того, этот процесс можно интенсифицировать и контролировать с помощью встроенных средств мониторинга. Успешному завершению НИР способствовало то, что исследователи из Fraunhofer ICT обладают многолетним опытом в области реакционной экструзии и пониманием взаимодействия между химическими и физическими процессами, протекающими в экструдере. Это включает в себя знание влияния тепла и деформаций сдвига на полимеризацию и последующую переработку расплава, подкрепленное широким набором методов исследования (спектроскопия, вискозиметрия и др.), а также сбором и анализом обширных полученных данных.
На двух крупных отраслевых выставках этого года – NPE 2024 (г. Орландо, США) и Fakuma-2024 (г. Фридрихсхафен, Германия) – компания Kuhne Anlagenbau из г. Санкт-Аугустина (100%-ная «дочка» Kuhne) представила крупногабаритные экструзионно-раздувные линии, предназначенные для производства двухосноориентированных барьерных термоусадочных пленок, которые не обязательно должны содержать в своей структуре, помимо слоя ПЭ, упрочняющий слой ПА или ПЭТ (рис. 12). Благодаря этому они могут быть легко использованы вместе с барьерным слоем EVOH, толщина которого составляет максимум 5 % от всей толщины пленки, в потоке отходов ПЭ, направляемых на переработку. Пленки приобретают необходимую прочность при растяжении и на прокалывание во время переработки по технологии Triple-Bubble (зарегистрированная торговая марка Kuhne) за счет щадящей сшивающей обработки излучением, которое воздействует извне на небольшую глубину, всего от 5 до 10 мкм, не повреждая при этом слой EVOH и не снижая его пригодности для повторной переработки. Полученные пленки мягкие и достаточно эластичные, чтобы выдерживать высокие значения термоусадки, но в то же время они обладают необходимой механической прочностью для надежного наполнения пакетов продуктами весом в несколько килограммов.
Типичная толщина пленки совсем невелика из соображений экономии материала и составляет от 20 мкм для покрывных пленок до 50 мкм для термоусадочных. При этом при упаковывании продуктов достигается термоусадка пленки более чем на 60 %. Благодаря высокой скорости охлаждения производительность установок достигает 250 кг/ч и более 100 кг/ч соответственно. При этом годовой объем производства термоусадочной упаковочной пленки может быть более 1500 т. В зависимости от региональных требований и назначения пленок возможно использование слоя ПВХ вместо барьерного EVOH, а также наружного слоя из ПУ или ПЭТ для повышения стойкости к проколам.
В настоящее время линии Triple-Bubble позволяют производить термоусадочную пленку, содержащую до 13 слоев, шириной до 3000 мм в сложенном виде. Последовательное расположение трех пленочных «пузырей» при производстве пленки, собственно, и дало название технологии Triple-Bubble. Сначала выходящая из многоручьевой экструзионной головки пленка очень быстро охлаждается холодной водой по принципу «водяной закалки», которая эффективно предотвращает процессы кристаллизации, что является необходимым условием для равномерной двухосной вытяжки на следующей, второй стадии процесса. Достигнутая при этом высокая ориентация на молекулярном уровне является ключевой предпосылкой высоких механических и барьерных свойств пленок. Термическая релаксация в третьем «пузыре» служит для регулировки желаемых усадочных свойств, при которых могут быть реализованы даже очень низкие силы усадки.
Компания Leistritz Extrusionstechnik из г. Нюрнберга сделала на выставке упор на цифровое управление и визуализацию процесса экструзии, что облегчает повседневную работу оператора. Речь идет о новой системе управления Linxx, которая, помимо визуализации, может выполнять мониторинг процесса и содержит инструкции по техническому обслуживанию экструдера (рис. 13). В целом Linxx обеспечивает четкий обзор всей экструзионной линии, быстрый доступ ко всем основным агрегатам, интуитивно понятную структуру и индивидуальную конфигурацию панели управления, хранение в своей памяти рецептур перерабатываемых материалов для воспроизводимости процесса, интерфейс OPC-UA и веб-технологию бесперебойной интеграции с другими инструментами Industry 4.0 и связь с поставщиком оборудования.
«Одновременно мы предлагаем нашим клиентам решение проблемы текущей нехватки квалифицированных кадров: В результате даже менее опытные операторы могут достичь оптимальных результатов»
говорит Айке Веделл (Eike Wedell), генеральный директор Leistritz Extrusionstechnik.
На выставке Fakuma-2024 компания Excelitas Noblelight представила ИК- излучатели и системы, которые могут быть точно адаптированы к полимерным пленкам при их тепловой постобработке (рис. 14). Традиционные методы нагрева быстро достигают своих пределов. Так, большие тяжелые рулоны требуют длительного прогрева и медленно остывают при неожиданной остановке движения пленки. А при конвективном нагреве печи должны быть очень протяженными, чтобы соответствовать высоким скоростям пленки, которая к тому же вибрирует под действием потока горячего воздуха. Если покрытие или печать на пленках требуют эффективной сушки, часто оказывается, что конвекционные печи не подходят для тонких пленок. Напротив, ИК-нагрев с помощью средневолновых углеродных излучателей помогает решить эти проблемы, отличаясь высоким быстродействием и малым энергопотреблением: ИК-излучатели включаются только тогда, когда требуется тепло.
На производстве, в том числе экструзионном, может возникнуть вопрос, когда самое подходящее время для контроля качества? Например, до начала процесса экструзии качество сырья может быть оценено с помощью входного выборочного контроля, после чего сырье принимается или бракуется. В случае проверки готовой продукции 100%-ный приемочный контроль является сложной и дорогостоящей операцией, а иногда слишком поздней, поскольку часто обнаруженный дефект не может быть устранен. Это приводит к дополнительным затратам и, при необходимости, к повторному производству целой партии продукции.
В ходе процесса экструзии регистрируются и оцениваются при необходимости такие показатели, как давление и температура в массе перерабатываемого полимера, число оборотов электродвигателя привода, толщина экструдата и др. Однако фактические свойства расплава, которые могут изменяться в зависимости от его состава, содержания добавок и красителей, температуры, давления и скорости сдвига, не измеряются и, следовательно, не могут использоваться для обеспечения качества продукции. Часть этих проблем решается с помощью нового вискозиметра Visco-P швейцарской компании Promix Solutions из г. Винтертура, который полезен для обеспечения качества экструзии и экструдата в двойном смысле (рис. 15). С одной стороны, встроенный измерительный модуль гомогенизирует полимерный расплав, включая добавки, красители и вторичный полимер, если таковой имеется. С другой стороны, он измеряет реальную вязкость расплава в технологических условиях и в режиме реального времени. Другим побочным позитивным эффектом является равномерное регулирование температуры по всему сечению измерительного канала течения. По словам разработчиков, Visco-P совместим со всеми типами стандартных экструдеров, прост в обращении и может использоваться практически со всеми полимерами.
Измерительный модуль Visco-P служит капилляром для онлайн-измерения реальной вязкости расплава, которая определяется для определенного типа перерабатываемого термопласта с помощью известных технологических параметров, таких как расход, температура в массе и потери давления в измерительном модуле, и выводится в виде кривой с числовыми значениями в режиме реального времени (см. рис. 15, б). Помимо вязкости, графически отображаются текущая температура и скорость сдвига. Все остальные важные параметры отображаются и сохраняются в виде числовых значений.
Преобразование значения реальной вязкости расплава в характеристическую IV в случае ПЭТ или в ПТР в случае других термопластов осуществляется автоматически, что упрощает пользователю сравнение отображаемых значений со спецификациями. Произвольно выбираемые пользователем верхний и нижний пределы вязкости вызывают сигнал тревоги и показывают оператору текущие отклонения от заданного значения. Выполненные впоследствии корректировки и их влияние на технологический процесс и, следовательно, на вязкость расплава, видны непосредственно на дисплее Visco-P и облегчают оператору машины корректирующие действия.
Наконец, Visco-P напрямую генерирует отчет для произведенной партии экструзионной продукции, который может быть приложен к сопроводительной документации и, таким образом, дополняет данные о качестве поставленной продукции.
Немецкая компания Pixargus из г. Вюрзелена продолжает совершенствовать свою базовую оптическую систему iProfilControl (iPC) контроля качества профильно-погонажных изделий (ППИ), делая упор на расширение ее возможностей и компактность (рис. 16). Эту систему, по словам разработчиков, можно без проблем масштабировать и встраивать в соответствующие экструзионные линии.
Для измерения геометрических параметров ППИ используется версия iPC Dimension, основанная на технологии ProfilControl 7. В этом случае система проецирует на испытуемый объект непрерывную лазерную световую линию, которую принимают по периметру до восьми высокопроизводительных камер. Контур, расстояния, углы, радиусы и прочие геометрические параметры ППИ любой формы, какой бы сложной она ни была, фиксируются за доли секунды и сравниваются с шаблоном заданного профиля САПР. При этом система сигнализирует о малейших отклонениях от эталонного контура на самой ранней стадии, еще до того, как достигается допустимый уровень брака, что позволяет оптимально контролировать производственный процесс.
Версия iPC Surface с производительностью до 400 млн измерительных кадров в секунду(!) фиксирует мельчайшие дефекты поверхности, такие как царапины, вздутия, трещины, включения и многое другое.
Новая версия «двойного видения» (iPC DualVision) сочетает в себе измерение геометрии и контроль поверхности ППИ. с оптимизированными затратами. При этом два модуля мониторинга встроены в одну сенсорную головку и могут быть подключены отдельно или параллельно.
Подготовил канд. техн. наук В. Н. Мымрин с использованием пресс-материалов упомянутых в обзоре компаний
Extrusion at Fakuma-2024: New Developments
The international industry exhibition Fakuma-2024 has ended (15–19.10.2024), which is considered the second most important in Europe after the K-Show. The largest part of the exhibitors of this exhibition are companies from German-speaking countries – Germany, Austria and Switzerland, adjacent to Lake Constance, on the shore of which – in the German Friedrichshafen town – this exhibition event is traditionally held. This fact explains the choice of the participating companies Fakuma-2024, whose new developments in the field of extrusion technologies are presented in this brief overview.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 11 (306) 2024 г., с. 14-23.
