Основные технологии переработки полимерных материалов. Экструзия

Изготовление изделий из полимерных материалов (ПМ) осуществляется различными методами. В зависимости от состояния полимера (связующего) при формовании изделий, метода переработки полимерных материалов можно разделить на несколько групп:

· переработка в ВТС − формование изделий из литьевых и прессовочных композиций литьем под давлением, экструзией, каландрированием, горячим прессованием;

· переработка в БЭС − формование изделий из подогретых листов и труб пневматическими методами (вакуум-формованием, раздуванием, выдуванием) и горячим штампованием;

· переработка в твердом состоянии − механическая обработка на станках (вырубное штампование, вырезание, вытачивание, высверливание и др.);

· изготовление изделий непосредственно из жидкого мономера. Его применяют при изготовлении листов полиметилметакрилата (органическое стекло) полимеризацией мономера непосредственно в плоской форме. Таким же способом получают пенополиуретан, прочие методы переработки − сварку, спекание, склеивание.

Выбор метода переработки обусловлен конструкцией изделия и характером изменений ПМ при нагревании. Так, термопласты могут быть переработаны любым методом пластической деформации, а реактопласты в основном методом горячего прессования.

Экструзия (шприцевание, выдавливание) – это способ переработки полимерных материалов непрерывным продавливанием их расплава через формующую головку, геометрическая форма выходного канала которой определяет профиль получаемого изделия или полуфабриката. Около половины производимых термопластов перерабатываются в изделия этим способом. Экструзия является одним из самых дешевых методов производства, широко распространенных пластических изделий, таких, как пленки, во­локна, трубы, листы, стержни, шланги и ремни, причем профиль этих изде­лий задается формой выходного отверстия головки экструдера. Расплав­ленный пластик при определенных условиях выдавливают через выходное отверстие головки экструдера, что и придает желаемый профиль экструдеру.

Переработка термопластов осуществляется на поршневых и винтовых машинах (экструдерах) путем выдавливания материала. Схема простейшей экструзионной машины показана на рисунке 1

В этой машине порошок или гранулы компаундированного пластиче­ского материала загружают из бункера в цилиндр с электрическим обо­гревом для размягчения полимера. Спиралевидный вращающийся шнек обеспечивает движение горячей пластической массы по цилиндру. По­скольку при движении полимерной массы между вращающимся шнеком и цилиндром возникает трение, это приводит к выделению тепла и, следо­вательно, к повышению температуры перерабатываемого полимера. В про­цессе этого движения от бункера к выходному отверстию головки экстру­дера, пластическая масса переходит три четко разделенные зоны: зону загрузки (а), зону сжатия (б) и зону гомогенизации (в).

Каждая из этих зон вносит свой вклад в процесс экструзии. Зона за­грузки, например, принимает полимерную массу из бункера и направляет ее в зону сжатия, эта операция проходит без нагревания. В зоне сжатия нагревательные элементы обеспечивают плавление порошкообраз­ной загрузки, а вращающийся шнек сдавливает ее. Затем пастообразный расплавленный пластический материал поступает в зону гомогенизации, где и приобретает постоянную скорость течения, обусловленную винтовой нарезкой шнека. Под действием давления, создаваемого в этой части экструдера, расплав полимера подается на выходное отверстие головки экструдера и выходит из него с желаемым профилем. Из-за высокой вяз­кости некоторых полимеров иногда требуется наличие еще одной зоны, называемой рабочей, где полимер подвергается воздействию высоких сдвиговых нагрузок для повышения эффективности смешения. Экструдированный материал требуемого профиля выходит из экструдера в сильно нагретом состоянии (его температура составляет от 125 до 350°С), и для сохранения формы требуется его быстрое охлаждение. Экструдат поступает на конвейерную ленту, проходящую через чан с холодной водой, и затверде­вает. Для охлаждения экструдата также применяют обдувку холодным воздухом и орошение холодной водой. Сформованный продукт в даль­нейшем или разрезается, или сматывается в катушки.

Процесс экструзии используют также для покрытия проволок и кабелей поливинилхлоридом или каучуком, а стержнеобразных металлических прутьев — подходящими термопластичными материалами.

Рисунок 1 Схематическое изображение простейшей экструзионной машины:

1 — загрузочная воронка; 2 - шнек; 3 - основной цилиндр; 4 — нагревательные элементы; 5 — выходное отверстие головки экструдера, а) — зона загрузки; б) — зона сжатия; в) - зона гомогенизации