En

Новые разработки в области экструзионных технологий

Прошло всего чуть более полугода с момента публикации подобного обзора в апрельском номере журнала «Полимерные материалы», но развитие экструзионных технологий, с помощью которых в настоящее время перерабатывается до 40 % всех полимерных материалов, продолжается, о чем свидетельствуют приведенные ниже примеры некоторых разработок. Часть из них была представлена на недавно прошедшей крупной отраслевой выставке Fakuma-2023 (г. Фридрихсхафен, Германия).
В. Н. Мымрин, кандидат технических наук
Опубликовано в рубрике «Экструзия»
462 просмотров
Новые разработки в области экструзионных технологий

Полимерные материалы являются незаменимыми для защиты продуктов питания в упаковочной промышленности. При этом углеродный след упаковок из пластика зачастую значительно ниже, чем из других материалов. Кроме того, успешно решается задача переработки отходов в виде использованной упаковки. Тем не менее ее производители прикладывают значительные усилия по дальнейшему сокращению потребления полимерного сырья и, следовательно, углеродного следа. Итак, как можно создать легкую, прочную и пригодную для последующей переработки полимерную упаковку, оберегая при этом окружающую среду и сберегая ресурсы? Ответ на этот вопрос, как считают в компании Promix Solutions AG (г. Винтертур, Швейцария), заключается в простом и экономичном решении — уменьшить массу упаковки на 20–30 % и более и сохранить при этом ее заданные прочность и защитные свойства. Это стало возможным благодаря технологии Promix, которая с помощью экологически чистых газов, таких как CO2 или N2, создает в пленочном полимере вспененную микроячеистую структуру. Причем, как показывает практика, инвестиции в соответствующую модерниза- цию уже имеющегося на предприятии экструзионного оборудования окупаются в течение нескольких месяцев. Так, при использовании обычной, но затем модернизированной экструзионной линии производительностью 500 кг/ч можно сэкономить до 3,6 т пластика в день, что в денежном выражении составляет в среднем (при современных ценах) 3600 евро в день или почти 80 тыс. евро в месяц. Таким образом, ежегодное сокращение потребления пластмасс составит тысячу тонн (!) на одну производственную линию. При этом размеры ячеек, а также их распределение во вспененном полимере являются решающим фактором, определяющим механические свойства упаковки. Наилучшие результаты дают микроячеистые пены с равномерно распределенными по объему материала ячейками (рис. 1). В результате при снижении массы на 20 % могут быть достигнуты почти такие же механические характеристики, как и у невспененных изделий.

Рис. 1. Электронно- микроскопические снимки вспененных полимеров с грубой неоднородной (а) и тонкой однородной (б) микроячеистой структурой

Поскольку вспениватели в виде CO2 и N2 являются экологически чистыми, то таковой же является и технология физического вспенивания, которую с успехом можно использовать для производства розничной упаковки, контейнеров, стаканчиков, лотков и многих других изделий, изготавливаемых термоформованием из пленок или листов, полученных, в свою очередь, из вспененного полимерного материала на модернизированных экструзионных линиях (рис. 2).

Рис. 2. Лоток, изготовленный термоформованием из вспененного листового пластика

Предлагаемая технология основана на использовании принципа введения вспенивателя с помощью инжекционного сопла, расположенного перед узлом статического смешивания газа и расплава полимера. Вся система встраивается непосредственно перед экструзионной головкой (рис. 3). В этом случае обеспечивается получение гомогенного (по температуре и распределению вспенивателя) расплава, что является основным условием для производства высококачественных изделий. Преимуществом этого запатентованного технического решения является отсутствие необходимости внесения изменений в шнековую пару экструдера. Вспениватель вводится под высоким давлением с помощью дозирующей станции с регулированием его количества по массе. Следует заметить, что для формирования пен с малой и средней степенями вспенивания требуется очень небольшое количество вспенивающего агента, и потому дозирующая станция должна обеспечивать достаточно высокую точность дозирования даже при введении этого вещества в самых малых количествах, вплоть до 1 г/мин.

Рис. 3. Схема экструзионной установки с дооснащением (выделено бордовым цветом) для вспенивания с применением СО2– станция подачи и дозирования СО2– узел смешивания СО2 и расплава
Рис. 4. Сложность конструкции современных оконных профилей (а) предопределяет сложность экструзионного инструмента для их производства (б)

Из видов продукции экструзионного производства пластиковые оконные профили отличаются особенно широким разнообразием предъявляемых к ним требований, среди которых высокая размерная точность, герметичность, хорошие звуко- и теплоизоляционные свойства, максимальная легкость и экологичность материала. Требуемые изолирующие свойства остекления достигаются зачастую путем использования от трех до восьми воздушных камер, что определяет сложность внутренней конструкции профилей, размерная стабильность которых поддерживается внутренними ребрами жесткости толщиной до 0,7 мм (рис. 4). Все это, в свою очередь, накладывает ряд требований к выбору экструзионного оборудования, оснастки и перерабатываемого материала.

Немецкая компания Gealan, известный производитель оконных профилей, в качестве материала использует порошкообразный первичный ПВХ в виде его сухой смеси с диоксидом титана для защиты от УФ-излучения и бессвинцовым стабилизатором, а также измельченный вторичный ПВХ. Первичный используется для высококачественных видимых внешних стенок профиля, вторичный — для внутренних стенок, так что к экструзионной головке подключаются три двухшнековых экструдера с разнонаправленными шнеками, два — для формования внешних стенок, один — внутренних. Около двух третей необходимой тепловой энергии поступает в ПВХ за счет механических сил сдвига между шнеком и материалом и около одной трети — за счет внешнего нагрева с помощью нагревательных лент. Оптимальная температура перерабатываемого ПВХ составляет от 190 до 200 °C, давление экструзии — до 450 бар. При этом важно добиться одинаковой скорости течения расплава через отверстия фильеры разного сечения. Это достигается в основном за счет специальной конструкции фильеры и встроенных в нее зон индивидуального нагрева потоков расплава различной толщины. Вслед за экструзионной головкой располагаются участки вакуумного калибрования и водяного охлаждения профиля длиной 20 м, во многом определяющие его размерную точность и производительность экструзии, максимальное значение которой составляет 6 м/мин (рис. 5).

Рис. 5. Секция калибрования экструзионной линии по производству оконных профилей из ПВХ

Проблемой является абразивное воздействие перерабатываемого ПВХ, особенно вторичного, на рабочие элементы экструдеров и участка калибрования, что приводит к их ускоренному износу и, как следствие, ухудшению размерной точности профиля. Для предотвращения этой опасности Gealan использует износостойкие покрытия этих элементов на основе нитрида хрома толщиной от 5 до 7 мкм, что обеспечивает производство качественного профиля общей погонной длиной около 1,5 млн м. При этом процесс повторного нанесения покрытия может быть проведен три раза, так что общая длина профиля, производимого на одном экструзионном инструменте без его замены, достигает 6 млн м.

В основе всех компаундеров компании Buss AG (г. Праттельн, Швейцария) лежит смеситель серии Compeo, предназначенный для тщательного и бережного смешивания значительного количества добавок с основным полимером и выпускаемый в пяти типоразмерах с производительностью от 100 до 12 000 кг/ч и более (рис. 6).

Рис. 6. Смеситель модели Compeo 88-18 F с диаметром шнека 88 мм, обладающий производительностью до 850 кг/ч

В компании уверены, что модульная конструкция данного оборудования является настолько гибкой, что позволяет подобрать его для любой индивидуально сконфигурированной линии компаундирования пластмасс с температурой переработки до 400 °C — как для технических и конструкционных термопластов, так и для реактопластов.

Указанную серию дополняет новый компактный и простой в использовании лабораторный компаундер Compeo LAB с производительностью от 50 до 100 кг/ч, предназначенный для отработки и оптимизации технологических режимов компаундирования, а также для серийного производства небольших партий компаундов. Он обладает всеми преимуществами крупногабаритных смесителей, включая комбинацию двух, трех или четырех смесительных элементов, и позволяет масштабировать режим переработки на компаундеры более крупного типоразмера.

Благодаря многим преимуществам композитные трубы из пластика и металла приобретают все большее значение, в частности, в системах газоснабжения, а также горячего и холодного, в том числе питьевого, водоснабжения. Две немецкие компании — battenfeld-cincinnati GmbH (г. Бад-Эйнхаузен) и Templet Deutschland GmbH (г. Зелигенштадт), развивая данное направление, предлагают соответствующее, полностью автоматизированное, оборудование, которое, благодаря модульному принципу его проектирования, может иметь индивидуальное исполнение, отвечающее требованиям заказчика (см. фото у заголовка статьи). При этом производство этих труб, которые обычно имеют пятислойную структуру со слоем из алюминия, барьерным по отношению к кислороду, требует высокоточной согласованности между процессами экструзии полимера (зона ответственности battenfeld-cincinnati) и намотки алюминиевой ленты (зона ответственности Templet). Ключевым решением, позволившим не только добиться указанной согласованности, но и повысить производительность выпуска металлопластиковых труб, стало применение лазерной сварки кромок наматываемой алюминиевой ленты. В настоящее время данная технология используется в 80 % поставляемых линий.

Итальянская компания Gamma Meccanica S.p.A. (г. Биббиано, Италия), специализирующаяся на разработке и производстве оборудования для вторичной переработки пластмасс, продолжает развивать свои двухкаскадные экструзионные технологии, названные Tandem и Tandem Plus. Первая хорошо справляется с трудноперерабатываемыми материалами, в том числе очень влажными и сильно загрязненными, вторая — обладает дополнительными преимуществами. Так, в состав линии Tandem Plus входят одношнековый и двухшнековый экструдеры, станция дегазации, две системы фильтрации расплава и узел резки экструдата на гранулы. Еще одной недавней разработкой компании является компактная линия модели GM100 Compac, которая за счет эффективной теплоизоляции экструдера обеспечивает меньшее тепловыделение и лучший контроль температуры в различных зонах (рис. 7). Производительность линии составляет до 500 кг/ч в зависимости от типа материала и режима переработки. Ее конструкция аналогична таковой для других установок из модельного ряда Compac: материал может подаваться через конвейерную ленту или размотчик рулонов, за которыми следует шнек принудительной подачи материала в один или два (в случае тандемных моделей) экструдера, оснащенных одной или несколькими дегазационными камерами. На конце экструдера установлен сменный фильтр. Гранулирование и охлаждение материала осуществляются с помощью узла резки TDA, обеспечивающего, по словам производителя, высокое качество гранулята и пригодного к быстрой очистке и простому обслуживанию.

Рис. 7. Новая установка модели GM100 Compac для вторичной переработки пластмасс производительностью до 500 кг/ч

Группа компаний Maag предлагает узел водокольцевой резки экструдата на гранулы, состоящий из перфорированной пластины диаметром 1500 мм, ножей и центральной системы подачи охлаждающей воды (CIS: Central Injection System), которая была разработана французской фирмой AMN, вошедшей недавно в состав Maag (рис. 8).

Рис. 8. Узел водокольцевой резки с системой CIS

Эта система улучшает условия охлаждения гранул и является эффективным решением для гранулирования термопластов с высоким значением ПТР при производительности до 100 т/ч. Кроме того, удалось существенно снизить износ режущей поверхности. Так, по словам производителя, благодаря использованию высокопрочной стали в конструкции перфорированной пластины вместо дорогостоящей обработки ее поверхности, а также интенсивному охлаждению в процессе работы, срок ее службы увеличивается на 30 % и более.

Поделиться материалом:

Другие статьи раздела

En