Muovien ekstruusiokoneiden historia

Muovien suulakepuristus on suuren volyymin valmistusprosessi, jossa raakamuovi sulatetaan ja muotoillaan jatkuvaksi profiiliksi. Extrusion valmistaa tuotteita, kuten putkia/putkia, tiivisteitä, aitauksia, kannen kaiteita, ikkunoiden kehyksiä, muovikalvoja ja -levyjä, termoplastisia pinnoitteita ja lankaeristeitä.
Tämä prosessi alkaa syöttämällä muovimateriaalia (pelletit, rakeet, hiutaleet tai jauheet) suppilosta ekstruuderin tynnyriin. Materiaali sulatetaan vähitellen kierrettävien ruuvien ja piippua pitkin sijoitettujen lämmittimien tuottaman mekaanisen energian vaikutuksesta. Sula polymeeri pakotetaan sitten suulakkeeseen, joka muotoilee polymeerin muotoon, joka kovettuu jäähtyessään.

HISTORIA

Putken suulakepuristus
Ensimmäiset nykyaikaisen ekstruuderin esiasteet kehitettiin 1800-luvun alussa. Vuonna 1820 Thomas Hancock keksi kumin "puristimen", joka oli suunniteltu kierrättämään prosessoituja kumijätteitä, ja vuonna 1836 Edwin Chaffee kehitti kaksirullakoneen lisäaineiden sekoittamiseksi kumiin. Ensimmäisen termoplastisen suulakepuristuksen teki vuonna 1935 Paul Troester ja hänen vaimonsa Ashley Gershoff Hampurissa, Saksassa. Pian tämän jälkeen LMP:n Roberto Colombo kehitti ensimmäiset kaksoisruuvipuristimet Italiassa.

KÄSITELLÄ
Muovien suulakepuristuksessa raaka-aine on tavallisesti naarmujen (pienten helmien, usein kutsuttu hartsiksi) muodossa, jotka syötetään painovoiman avulla ylhäältä asennetusta suppilosta ekstruuderin tynnyriin. Lisäaineita, kuten väriaineita ja UV-estäjiä (joko nestemäisessä tai pellettimuodossa), käytetään usein, ja ne voidaan sekoittaa hartsiin ennen kuin ne saapuvat suppiloon. Prosessilla on paljon yhteistä muovin ruiskupuristuksen kanssa ekstruuderiteknologian kannalta, vaikka se eroaakin siinä, että se on yleensä jatkuva prosessi. Vaikka pultruusio voi tarjota monia samanlaisia ​​profiileja jatkuvina pituuksina, yleensä lisättynä vahvistuksen kanssa, tämä saavutetaan vetämällä lopputuote ulos muotista sen sijaan, että polymeerisulaa suulakepuristettaisiin muotin läpi.

Materiaali tulee sisään syöttökurkun kautta (aukko lähellä piipun takaosaa) ja joutuu kosketuksiin ruuvin kanssa. Pyörivä ruuvi (normaalisti pyörivä esim. 120 rpm) pakottaa muovihelmet eteenpäin lämmitettyyn tynnyriin. Haluttu suulakepuristuslämpötila on harvoin sama kuin tynnyrin asetettu lämpötila viskoosin kuumenemisen ja muiden vaikutusten vuoksi. Useimmissa prosesseissa piipulle asetetaan lämmitysprofiili, jossa kolme tai useampi riippumaton PID-ohjattu lämmitysvyöhyke lisää vähitellen tynnyrin lämpötilaa takaa (johon muovi tulee) eteen. Tämä mahdollistaa muovihelmien sulamisen asteittain, kun ne työnnetään tynnyrin läpi, ja vähentää ylikuumenemisen riskiä, ​​joka voi aiheuttaa polymeerin hajoamista.

Ylimääräistä lämpöä lisää tynnyrin sisällä tapahtuva voimakas paine ja kitka. Itse asiassa, jos suulakepuristuslinja käyttää tiettyjä materiaaleja riittävän nopeasti, lämmittimet voidaan sulkea ja sulatuslämpötilaa pitää yllä pelkällä paineella ja kitkalla tynnyrin sisällä. Useimmissa ekstruudereissa on jäähdytystuulettimet, jotka pitävät lämpötilan asetetun arvon alapuolella, jos lämpöä syntyy liikaa. Jos pakotettu ilmajäähdytys osoittautuu riittämättömäksi, käytetään sisäänvalettuja jäähdytysvaippaa.

Muoviekstruuderi leikattu puoliksi näyttääkseen komponentit
Tynnyrin etuosassa sula muovi poistuu ruuvista ja kulkee seulapaketin läpi poistaakseen sulatteessa olevat epäpuhtaudet. Seulat on vahvistettu murtolevyllä (paksu metallikiekko, jonka läpi on porattu useita reikiä), koska paine voi tässä kohdassa ylittää 5000 psi (34 MPa). Seulapakkaus/katkaisijalevykokoonpano toimii myös vastapaineen luomisessa piippuun. Vastapainetta tarvitaan tasaiseen sulamiseen ja polymeerin oikeaan sekoittumiseen, ja sitä, kuinka paljon painetta syntyy, voidaan "säätää" vaihtelemalla seulapakkauksen koostumusta (seulojen lukumäärä, niiden lankakudoksen koko ja muut parametrit). Tämä katkaisulevyn ja seulapakkauksen yhdistelmä poistaa myös sulan muovin "kiertomuistin" ja luo sen sijaan "pitkittäismuistin".
Kulkittuaan katkaisijalevyn läpi sula muovi tulee suulakkeeseen. Suulake antaa lopputuotteelle profiilin ja se on suunniteltava siten, että sula muovi virtaa tasaisesti sylinterimäisestä profiilista tuotteen profiilin muotoon. Epätasainen virtaus tässä vaiheessa voi tuottaa tuotteen, jossa on ei-toivottuja jäännösjännityksiä tietyissä profiilin kohdissa, mikä voi aiheuttaa vääntymistä jäähtyessään. Voidaan luoda monenlaisia ​​muotoja, jotka on rajoitettu jatkuviin profiileihin.

Tuote on nyt jäähdytettävä ja tämä saavutetaan yleensä vetämällä suulakepuriste vesihauteen läpi. Muovit ovat erittäin hyviä lämmöneristysaineita ja siksi niitä on vaikea jäähdyttää nopeasti. Teräkseen verrattuna muovi johtaa lämpönsä pois 2000 kertaa hitaammin. Putken tai putken suulakepuristuslinjassa suljettuun vesihauteeseen vaikuttaa huolellisesti valvottu tyhjiö, jotta vastamuodostunut ja vielä sulanut putki tai putki ei romahdu. Muovilevyjen kaltaisissa tuotteissa jäähdytys saadaan aikaan vetämällä jäähdytystelojen läpi. Kalvoille ja erittäin ohuille levyille ilmajäähdytys voi olla tehokas alkujäähdytysvaiheena, kuten puhalluskalvoekstruusiossa.
Muoviekstruudereita käytetään laajalti myös kierrätetyn muovijätteen tai muiden raaka-aineiden uudelleenkäsittelyyn puhdistuksen, lajittelun ja/tai sekoituksen jälkeen. Tämä materiaali ekstrudoidaan tavallisesti filamenteiksi, jotka soveltuvat pilkkomiseen helmi- tai pellettimassaksi käytettäväksi edeltäjänä jatkokäsittelyssä.

RUUVIEN SUUNNITTELU
Kestomuoviruuvissa on viisi mahdollista vyöhykettä. Koska terminologiaa ei ole standardoitu alalla, eri nimet voivat viitata näihin vyöhykkeisiin. Erityyppisillä polymeereillä on erilaiset ruuvimallit, joista osa ei sisällä kaikkia mahdollisia vyöhykkeitä.

Yksinkertainen muovinen ekstruusioruuvi

Ekstruuderin ruuvit Boston Matthewsilta
Useimmissa ruuveissa on nämä kolme vyöhykettä:
● Syöttövyöhyke (kutsutaan myös kiintoaineen siirtovyöhykkeeksi): tämä vyöhyke syöttää hartsin ekstruuderiin, ja kanavan syvyys on yleensä sama koko vyöhykkeellä.
● Sulamisvyöhyke (kutsutaan myös siirtymä- tai puristusvyöhykkeeksi): suurin osa polymeeristä sulaa tässä osassa ja kanavan syvyys pienenee asteittain.
● Annosteluvyöhyke (kutsutaan myös sulatteen siirtovyöhykkeeksi): tämä vyöhyke sulattaa viimeiset hiukkaset ja sekoittuu tasaiseen lämpötilaan ja koostumukseen. Kuten syöttövyöhykkeessä, kanavan syvyys on vakio koko tällä vyöhykkeellä.
Lisäksi tuuletetussa (kaksivaiheisessa) ruuvissa on:
● Dekompressiovyöhyke. Tällä alueella, noin kaksi kolmasosaa ruuvia alaspäin, kanava yhtäkkiä syvenee, mikä vähentää painetta ja mahdollistaa loukkuun jääneiden kaasujen (kosteuden, ilman, liuottimien tai reagoivien aineiden) imeytymisen ulos tyhjiön avulla.
● Toinen mittausalue. Tämä vyöhyke on samanlainen kuin ensimmäinen mittausvyöhyke, mutta kanavan syvyys on suurempi. Sen tehtävänä on uudelleenpaineistaa sulatetta, jotta se saadaan läpi seulojen ja suuttimen vastuksen.
Usein ruuvin pituutta viitataan sen halkaisijaan L:D-suhteena. Esimerkiksi 6 tuuman (150 mm) halkaisijaltaan 24:1 oleva ruuvi on 144 tuumaa (12 jalkaa) pitkä ja 32:1 kohdalla se on 192 tuumaa (16 jalkaa). L:D-suhde 25:1 on yleinen, mutta jotkin koneet nostavat 40:1:een saadakseen lisää sekoitusta ja tehoa samalla ruuvin halkaisijalla. Kaksivaiheiset (ilmatut) ruuvit ovat tyypillisesti 36:1 kahden ylimääräisen alueen huomioon ottamiseksi.
Jokainen vyöhyke on varustettu yhdellä tai useammalla lämpöparilla tai RTD:llä tynnyrin seinämässä lämpötilan säätelyä varten. "Lämpötilaprofiili" eli kunkin vyöhykkeen lämpötila on erittäin tärkeä lopullisen ekstrudaatin laadulle ja ominaisuuksille.

TYYPILLISET EXTRUUSIOMATERIAALIT

HDPE-putki suulakepuristuksen aikana. HDPE-materiaali tulee lämmittimestä suuttimeen ja sitten jäähdytyssäiliöön. Tämä Acu-Power-putkiputki on koekstrudoitu – musta sisältä ja ohut oranssi vaippa virtakaapeleiden osoittamiseksi.
Tyypillisiä muovimateriaaleja, joita käytetään suulakepuristuksessa, ovat muun muassa polyeteeni (PE), polypropeeni, asetaali, akryyli, nailon (polyamidit), polystyreeni, polyvinyylikloridi (PVC), akryylinitriilibutadieenistyreeni (ABS) ja polykarbonaatti.[4] ]

MUOTIN TYYPIT
Muovien suulakepuristuksessa käytetään useita erilaisia ​​muotteja. Vaikka muottityyppien ja monimutkaisuuden välillä voi olla merkittäviä eroja, kaikki suulakkeet mahdollistavat polymeerisulan jatkuvan suulakepuristuksen, toisin kuin ei-jatkuva prosessointi, kuten ruiskupuristus.
Puhalluskalvon suulakepuristus

Muovikalvon puhallusekstruusio

Muovikalvon valmistus tuotteille, kuten ostoskasseille ja jatkuvatoimisille levyille, toteutetaan puhalluskalvolinjalla.
Tämä prosessi on sama kuin tavallinen suulakepuristusprosessi suulakkeeseen asti. Tässä prosessissa käytetään kolmea päätyyppiä: rengasmainen (tai ristipää), hämähäkki ja kierre. Rengasmaiset suulakkeet ovat yksinkertaisimpia ja luottavat siihen, että polymeerisulan kanavoiminen muotin koko poikkileikkauksen ympärillä ennen poistumista suulakkeesta; tämä voi johtaa epätasaiseen virtaukseen. Hämähäkkisuut koostuvat keskikarasta, joka on kiinnitetty ulompaan muotirenkaaseen useiden "jalkojen" kautta; vaikka virtaus on symmetrisempi kuin rengasmaisissa muotteissa, syntyy useita hitsauslinjoja, jotka heikentävät kalvoa. Spiraalisuuttimet poistavat hitsauslinjojen ja epäsymmetrisen virtauksen ongelman, mutta ovat ylivoimaisesti monimutkaisimpia.

Sulatetta jäähdytetään jonkin verran ennen kuin se poistuu muotista, jolloin saadaan heikko puolikiinteä putki. Tämän putken halkaisija laajenee nopeasti ilmanpaineella ja putkia vedetään ylöspäin teloilla venyttäen muovia sekä poikittais- että vetosuunnassa. Veto ja puhallus saavat kalvon olemaan ohuempia kuin suulakepuristettu putki, ja se myös suuntaa polymeerin molekyyliketjut ensisijaisesti siihen suuntaan, joka näkee plastisimman jännityksen. Jos kalvoa vedetään enemmän kuin sitä puhalletaan (lopullinen putken halkaisija on lähellä suulakepuristettua halkaisijaa), polymeerimolekyylit ovat hyvin kohdakkain vetosuunnan kanssa, jolloin muodostuu kalvo, joka on vahva kyseisessä suunnassa, mutta heikko poikittaissuunnassa. . Kalvolla, jonka halkaisija on huomattavasti suurempi kuin ekstrudoitu halkaisija, on enemmän lujuutta poikittaissuunnassa, mutta vähemmän vetosuunnassa.
Polyeteenin ja muiden puolikiteisten polymeerien tapauksessa kalvo kiteytyy jäähtyessään niin kutsutulla huurreviivalla. Kun kalvo jatkaa jäähtymistä, se vedetään useiden nippitelasarjan läpi litistääkseen sen litteäksi putkeksi, joka voidaan sitten kelata tai leikata kahdeksi tai useammaksi levyrullaksi.

Arkin/kalvon suulakepuristus
Arkki-/kalvoekstruusiota käytetään muovilevyjen tai kalvojen suulakepuristamiseen, jotka ovat liian paksuja puhallettavaksi. Käytössä on kahden tyyppisiä muotteja: T-muotoinen ja vaateripustin. Näiden suulakkeiden tarkoitus on suunnata uudelleen ja ohjata polymeerisulan virtaus yhdestä pyöreästä ulostulosta suulakepuristimesta ohueksi, tasaiseksi tasomaiseksi virtaukseksi. Molemmissa muottityypeissä varmistat jatkuvan, tasaisen virtauksen muotin koko poikkileikkausalueella. Jäähdytys tapahtuu tyypillisesti vetämällä jäähdytystelojen (kalanteri- tai jäähdytystelojen) läpi. Levyjen suulakepuristuksessa nämä telat eivät ainoastaan ​​tarjoa tarvittavaa jäähdytystä, vaan myös määrittävät levyn paksuuden ja pintarakenteen.[7] Usein koekstruusiota käytetään yhden tai useamman kerroksen levittämiseen perusmateriaalin päälle, jotta saavutetaan erityisiä ominaisuuksia, kuten UV-absorptio, rakenne, hapen läpäisevestävyys tai energian heijastus.
Muovilevymassan tavallinen jälkiekstruusioprosessi on lämpömuovaus, jossa levy kuumennetaan pehmeäksi (muoviksi) ja muotoillaan muotin kautta uuteen muotoon. Kun käytetään tyhjiötä, sitä kuvataan usein tyhjiömuovaukseksi. Suunta (eli muottiin vedettävän arkin kyky/käytettävissä oleva tiheys, jonka syvyys voi vaihdella tyypillisesti 1 - 36 tuumaa) on erittäin tärkeä ja vaikuttaa suuresti useimpien muovien muovausjaksoaikoihin.

Putkien suulakepuristus
Suulakepuristetut putket, kuten PVC-putket, valmistetaan käyttämällä hyvin samanlaisia ​​suulakkeita kuin puhalluskalvoekstruusiossa. Positiivista painetta voidaan kohdistaa sisäonteloihin tapin kautta tai alipainetta voidaan kohdistaa ulkohalkaisijaan tyhjiömiittimellä oikean loppumitan varmistamiseksi. Lisää onteloita tai reikiä voidaan lisätä lisäämällä sopivat sisäkarat suulakkeeseen.

Boston Matthewsin lääketieteellinen ekstruusiolinja
Monikerroksisia letkusovelluksia on myös jatkuvasti autoteollisuudessa, vesi- ja lämpöteollisuudessa sekä pakkausteollisuudessa.

Vaipan ylipuristus
Päällysvaipan ekstruusio mahdollistaa muovisen ulomman kerroksen levittämisen olemassa olevaan johtoon tai kaapeliin. Tämä on tyypillinen johtojen eristysprosessi.
Langan, letkun (tai vaipan) ja paineen päällystämiseen käytetään kahta erilaista stanssaustyökalua. Päällystystyökaluissa polymeerisula ei kosketa sisälankaa ennen kuin välittömästi ennen muotin huulia. Painetyökaluissa sula koskettaa sisempää lankaa kauan ennen kuin se saavuttaa muotin huulet; tämä tehdään korkeassa paineessa sulatteen hyvän tarttuvuuden varmistamiseksi. Jos uuden kerroksen ja olemassa olevan langan välillä tarvitaan läheistä kosketusta tai tarttumista, käytetään painetyökaluja. Jos tarttuvuutta ei haluta/tarpee, käytetään sen sijaan päällystystyökaluja.

Koekstruusio
Koekstruusio on useiden materiaalikerrosten ekstruusio samanaikaisesti. Tämän tyyppisessä suulakepuristuksessa käytetään kahta tai useampaa ekstruuderia erilaisten viskoosien muovien sulattamiseksi ja tasaisen tilavuuden tuottamiseksi yhteen suulakepuristuspäähän (suulake), joka ekstrudoi materiaalit halutussa muodossa. Tätä tekniikkaa käytetään missä tahansa edellä kuvatuista prosesseista (puhallettu kalvo, päällystys, letkut, levyt). Kerrospaksuudet säätelevät materiaalia toimittavien yksittäisten ekstruuderien suhteellisia nopeuksia ja kokoja.

5:5 Kosmeettisen "puristus" putken kerros koekstruusio
Monissa tosielämän skenaarioissa yksi polymeeri ei voi täyttää kaikkia sovelluksen vaatimuksia. Yhdistelmäekstruusio mahdollistaa sekoitettu materiaalin ekstrudoinnin, mutta koekstruusio säilyttää erilliset materiaalit eri kerroksina ekstrudoidussa tuotteessa, mikä mahdollistaa materiaalien sopivan sijoittamisen, joilla on erilaiset ominaisuudet, kuten hapenläpäisevyys, lujuus, jäykkyys ja kulutuskestävyys.
Ekstruusiopinnoite
Ekstruusiopäällystys käyttää puhallettua tai valettua kalvoprosessia lisäkerroksen päällystämiseksi olemassa olevalle paperi-, folio- tai kalvorullalle. Tällä menetelmällä voidaan esimerkiksi parantaa paperin ominaisuuksia pinnoittamalla se polyeteenillä, jotta se kestää paremmin vettä. Ekstrudoitua kerrosta voidaan käyttää myös liimana kahden muun materiaalin yhdistämiseen. Tetrapak on kaupallinen esimerkki tästä prosessista.

Yhdistelmäekstruusio
Yhdistelmäekstruusio on prosessi, jossa sekoitetaan yksi tai useampi polymeeri lisäaineiden kanssa muoviyhdisteiden muodostamiseksi. Syötteet voivat olla pellettejä, jauhetta ja/tai nesteitä, mutta tuote on yleensä pellettimuodossa käytettäväksi muissa muovinmuodostusprosesseissa, kuten suulakepuristuksessa ja ruiskuvalussa. Kuten perinteisessä suulakepuristuksessa, konekokoja on laaja valikoima riippuen sovelluksesta ja halutusta suorituskyvystä. Vaikka perinteisessä suulakepuristuksessa voidaan käyttää joko yksi- tai kaksiruuviekstruudereita, riittävän sekoituksen tarve kompaundoivassa ekstruusiossa tekee kaksoisruuviekstruudereista kaikki paitsi pakollisia.

EKRUUDERITYYPIT
Kaksoisruuviekstruudereita on kahta alatyyppiä: yhdessä pyörivät ja vastakkain pyörivät. Tämä nimikkeistö viittaa kunkin ruuvin suhteelliseen pyörimissuuntaan verrattuna toiseen. Yhteiskiertotilassa molemmat ruuvit pyörivät joko myötä- tai vastapäivään; vastakkaisessa kierrossa yksi ruuvi pyörii myötäpäivään ja toinen vastapäivään. On osoitettu, että tietyllä poikkileikkausalalla ja limittymisasteella (keskeytys) aksiaalinen nopeus ja sekoitusaste on korkeampi yhdessä pyörivissä kaksoisekstruudereissa. Paineen muodostuminen on kuitenkin suurempi vastakkaiseen suuntaan pyörivissä ekstruudereissa. Ruuvirakenne on yleensä modulaarinen siinä mielessä, että akseleille on järjestetty erilaisia ​​kuljetus- ja sekoituselementtejä, jotka mahdollistavat nopean uudelleenkonfiguroinnin kulumisesta tai syövyttävistä vaurioista johtuvia prosessimuutoksia tai yksittäisten komponenttien vaihtoa varten. Koneiden koot vaihtelevat 12 mm:stä aina 380 mm:iin asti

EDUT
Suulakepuristuksen suuri etu on, että profiileja, kuten putkia, voidaan valmistaa minkä pituisiksi tahansa. Jos materiaali on riittävän taipuisaa, voidaan putkia valmistaa pitkiä pitkiä jopa kelalle kiertyneinä. Toinen etu on putkien ekstruusio integroidulla liittimellä ja kumitiivisteellä.