L'extrusió de plàstics és un procés de fabricació de gran volum en què el plàstic en brut es fon i es forma en un perfil continu. L'extrusió produeix articles com ara canonades/tubs, burletes, tanques, baranes de coberta, marcs de finestres, pel·lícules i làmines de plàstic, recobriments termoplàstics i aïllament de filferro.
Aquest procés comença alimentant material plàstic (pellets, grànuls, escates o pols) des d'una tremuja al barril de l'extrusora. El material es fon gradualment per l'energia mecànica generada pels cargols giratoris i pels escalfadors disposats al llarg del canó. Aleshores, el polímer fos es força a una matriu, que dóna forma al polímer en una forma que s'endureix durant el refredament.
HISTÒRIA
Extrusió de canonades
Els primers precursors de l'extrusora moderna es van desenvolupar a principis del segle XIX. El 1820, Thomas Hancock va inventar un "masticador" de cautxú dissenyat per recuperar les restes de cautxú processades, i el 1836 Edwin Chaffee va desenvolupar una màquina de dos rodets per barrejar additius amb cautxú. La primera extrusió de termoplàstics va ser l'any 1935 per Paul Troester i la seva dona Ashley Gershoff a Hamburg, Alemanya. Poc després, Roberto Colombo de LMP va desenvolupar les primeres extrusores de doble cargol a Itàlia.
PROCÉS
En l'extrusió de plàstics, la matèria primera composta es presenta habitualment en forma de nudles (petites perles, sovint anomenades resina) que s'alimenten per gravetat des d'una tremuja muntada a la part superior al barril de l'extrusora. Sovint s'utilitzen additius com ara colorants i inhibidors UV (en forma líquida o en pellets) i es poden barrejar a la resina abans d'arribar a la tremuja. El procés té molt en comú amb l'emmotllament per injecció de plàstic des del punt de la tecnologia de l'extrusora, encara que es diferencia en que sol ser un procés continu. Tot i que la pultrusió pot oferir molts perfils similars en longituds contínues, normalment amb reforç afegit, això s'aconsegueix traient el producte acabat d'una matriu en lloc d'extruir el polímer fos a través d'una matriu.
El material entra per la gola d'alimentació (una obertura prop de la part posterior del canó) i entra en contacte amb el cargol. El cargol giratori (normalment gira a 120 rpm) força les perles de plàstic cap endavant cap al canó escalfat. La temperatura d'extrusió desitjada rarament és igual a la temperatura establerta del barril a causa de l'escalfament viscós i altres efectes. En la majoria dels processos, s'estableix un perfil de calefacció per al barril en el qual tres o més zones de calefacció independents controlades per PID augmenten gradualment la temperatura del barril des de la part posterior (on entra el plàstic) cap a la part davantera. Això permet que les perles de plàstic es fonguin gradualment a mesura que s'empenyen a través del barril i redueix el risc de sobreescalfament que pot provocar la degradació del polímer.
La calor extra és aportada per la pressió intensa i la fricció que es produeixen a l'interior del canó. De fet, si una línia d'extrusió funciona amb certs materials prou ràpid, els escalfadors es poden apagar i la temperatura de fusió es pot mantenir només per pressió i fricció dins del barril. A la majoria d'extrusores, hi ha ventiladors de refrigeració per mantenir la temperatura per sota d'un valor establert si es genera massa calor. Si la refrigeració per aire forçat resulta insuficient, s'utilitzen jaquetes de refrigeració colades.
Extrusora de plàstic tallada per la meitat per mostrar els components
A la part davantera del barril, el plàstic fos surt del cargol i viatja a través d'un paquet de pantalla per eliminar els contaminants de la fosa. Les pantalles estan reforçades per una placa trencadora (un disco metàl·lic gruixut amb molts forats perforats) ja que la pressió en aquest punt pot superar els 5.000 psi (34 MPa). El conjunt del paquet de pantalla/placa trencadora també serveix per crear contrapressió al canó. La contrapressió és necessària per a una fusió uniforme i una barreja adequada del polímer, i la quantitat de pressió que es genera es pot "ajustar" variant la composició del paquet de pantalla (el nombre de pantalles, la seva mida de teixit de filferro i altres paràmetres). Aquesta combinació de placa trencadora i paquet de pantalla també elimina la "memòria de rotació" del plàstic fos i crea, en canvi, "memòria longitudinal".
Després de passar per la placa trencadora, el plàstic fos entra a la matriu. La matriu és la que dóna el seu perfil al producte final i s'ha de dissenyar de manera que el plàstic fos flueixi uniformement des d'un perfil cilíndric fins a la forma del perfil del producte. El flux desigual en aquesta etapa pot produir un producte amb tensions residuals no desitjades en determinats punts del perfil que poden provocar deformacions en refredar-se. Es poden crear una gran varietat de formes, restringides a perfils continus.
Ara s'ha de refredar el producte i això s'aconsegueix normalment estirant l'extrudat a través d'un bany maria. Els plàstics són molt bons aïllants tèrmics i, per tant, són difícils de refredar ràpidament. En comparació amb l'acer, el plàstic allunya la seva calor 2.000 vegades més lentament. En una línia d'extrusió de tubs o canonades, s'actua sobre un bany d'aigua segellat mitjançant un buit controlat amb cura per evitar que el tub o canonada acabat de formar i encara fos s'esfondri. Per a productes com ara làmines de plàstic, el refredament s'aconsegueix traient un conjunt de rotlles de refrigeració. Per a pel·lícules i làmines molt primes, la refrigeració per aire pot ser eficaç com a etapa de refredament inicial, com en l'extrusió de pel·lícula bufada.
Les extrusores de plàstic també s'utilitzen àmpliament per reprocessar residus plàstics reciclats o altres matèries primeres després de netejar, classificar i/o barrejar. Aquest material s'extrudeix habitualment en filaments adequats per tallar-los a la perla o el material de pellets per utilitzar-los com a precursor per a un processament posterior.
DISSENY DE CARGOL
Hi ha cinc zones possibles en un cargol termoplàstic. Com que la terminologia no està estandarditzada a la indústria, diferents noms poden fer referència a aquestes zones. Els diferents tipus de polímer tindran diferents dissenys de cargols, alguns no incorporant totes les zones possibles.
Un simple cargol d'extrusió de plàstic
Cargols d'extrusora de Boston Matthews
La majoria dels cargols tenen aquestes tres zones:
● Zona d'alimentació (també anomenada zona de transport de sòlids): aquesta zona alimenta la resina a l'extrusora, i la profunditat del canal sol ser la mateixa a tota la zona.
● Zona de fusió (també anomenada zona de transició o compressió): la major part del polímer es fon en aquesta secció, i la profunditat del canal es redueix progressivament.
● Zona de dosificació (també anomenada zona de transport de la fosa): aquesta zona fon les últimes partícules i es barregen a una temperatura i composició uniformes. Igual que la zona d'alimentació, la profunditat del canal és constant en tota aquesta zona.
A més, un cargol ventilat (de dues etapes) té:
● Zona de descompressió. En aquesta zona, a uns dos terços cap avall del cargol, el canal s'enfonsa sobtadament, cosa que alleuja la pressió i permet que els gasos atrapats (humitat, aire, dissolvents o reactius) siguin extrets pel buit.
● Segona zona de mesura. Aquesta zona és similar a la primera zona de mesura, però amb una profunditat de canal més gran. Serveix per repressuritzar la fosa per fer-la passar per la resistència de les pantalles i la matriu.
Sovint, la longitud del cargol es fa referència al seu diàmetre com a relació L:D. Per exemple, un cargol de 6 polzades (150 mm) de diàmetre a 24:1 tindrà 144 polzades (12 peus) de llarg, i a 32:1 té 192 polzades (16 peus) de llarg. És habitual una relació L:D de 25:1, però algunes màquines arriben a 40:1 per obtenir més barreja i més sortida amb el mateix diàmetre del cargol. Els cargols de dues etapes (ventilades) solen ser de 36:1 per tenir en compte les dues zones addicionals.
Cada zona està equipada amb un o més termoparells o RTD a la paret del canó per al control de la temperatura. El "perfil de temperatura", és a dir, la temperatura de cada zona és molt important per a la qualitat i les característiques de l'extrudat final.
MATERIALS TÍPICS D'EXTRUSIÓ
Tub de HDPE durant l'extrusió. El material HDPE prové de l'escalfador, a la matriu i després al dipòsit de refrigeració. Aquesta canonada de conducte Acu-Power està coextruïda: a l'interior negre amb una fina jaqueta taronja, per designar els cables d'alimentació.
Els materials plàstics típics que s'utilitzen en extrusió inclouen, entre d'altres: polietilè (PE), polipropilè, acetal, acrílic, niló (poliamides), poliestirè, clorur de polivinil (PVC), acrilonitril butadiè estirè (ABS) i policarbonat.[4] ]
TIPUS DE TROQUELS
Hi ha una varietat de matrius utilitzades en l'extrusió de plàstics. Tot i que hi pot haver diferències significatives entre els tipus de matriu i la complexitat, totes les matrius permeten l'extrusió contínua del polímer fos, a diferència del processament no continu com ara l'emmotllament per injecció.
Extrusió de pel·lícula bufada
Extrusió per bufat de film plàstic
La fabricació de film plàstic per a productes com bosses de la compra i làmines contínues s'aconsegueix mitjançant una línia de film bufat.
Aquest procés és el mateix que un procés normal d'extrusió fins a la matriu. Hi ha tres tipus principals de matrius que s'utilitzen en aquest procés: anulars (o creu), aranya i espiral. Les matrius anulars són les més senzilles i es basen en la canalització de la fusió del polímer al voltant de tota la secció transversal de la matriu abans de sortir de la matriu; això pot provocar un flux desigual. Les matrius d'aranya consisteixen en un mandril central unit a l'anell de matriu exterior mitjançant una sèrie de "potes"; mentre que el flux és més simètric que en matrius anulars, es produeixen una sèrie de línies de soldadura que debiliten la pel·lícula. Els matrius espirals eliminen el problema de les línies de soldadura i el flux asimètric, però són, amb diferència, els més complexos.
La massa fosa es refreda una mica abans de sortir de la matriu per produir un tub semisòlid feble. El diàmetre d'aquest tub s'expandeix ràpidament mitjançant la pressió de l'aire, i el tub s'estira cap amunt amb rodets, estirant el plàstic tant en sentit transversal com en direcció de dibuix. El dibuix i el bufat fan que la pel·lícula sigui més fina que el tub extruït, i també alinea preferentment les cadenes moleculars del polímer en la direcció que veu més tensió plàstica. Si la pel·lícula s'estira més del que es bufa (el diàmetre final del tub s'aproxima al diàmetre extruït), les molècules del polímer estaran molt alineades amb la direcció de dibuix, fent una pel·lícula que sigui forta en aquesta direcció, però feble en la direcció transversal. . Una pel·lícula que tingui un diàmetre significativament més gran que el diàmetre extruït tindrà més resistència en la direcció transversal, però menys en la direcció de dibuix.
En el cas del polietilè i altres polímers semicristal·lins, a mesura que la pel·lícula es refreda, cristal·litza en el que es coneix com a línia de gelades. A mesura que la pel·lícula continua refredant-se, s'enfila a través de diversos jocs de rodets de pinça per aplanar-la en un tub pla, que després es pot enrotllar o tallar en dos o més rotlles de làmina.
Extrusió de làmina/pel·lícula
L'extrusió de làmina/pel·lícula s'utilitza per extruir làmines de plàstic o pel·lícules massa gruixudes per ser bufades. S'utilitzen dos tipus de matrius: en forma de T i penjadors. L'objectiu d'aquestes matrius és reorientar i guiar el flux de polímer fos d'una única sortida rodona de l'extrusora a un flux pla i prim. En ambdós tipus de matriu, assegureu un flux constant i uniforme a tota l'àrea de la secció transversal de la matriu. El refredament es fa generalment tirant a través d'un conjunt de rotlles de refrigeració (calandra o rotllos "refrigerats"). En l'extrusió de làmines, aquests rotlles no només proporcionen el refredament necessari sinó que també determinen el gruix de la làmina i la textura superficial.[7] Sovint, la coextrusió s'utilitza per aplicar una o més capes a la part superior d'un material base per obtenir propietats específiques com ara l'absorció UV, la textura, la resistència a la penetració d'oxigen o la reflexió d'energia.
Un procés comú de post-extrusió per a material de làmina de plàstic és el termoconformat, on la làmina s'escalfa fins que s'estufa (plàstic) i es forma mitjançant un motlle en una nova forma. Quan s'utilitza el buit, sovint es descriu com a formació de buit. L'orientació (és a dir, la capacitat/densitat disponible de la làmina que s'ha de dibuixar al motlle, que pot variar en profunditats d'1 a 36 polzades normalment) és molt important i afecta molt els temps de cicle de formació de la majoria dels plàstics.
Extrusió de tubs
Els tubs extrusats, com els tubs de PVC, es fabriquen amb matrius molt similars a les que s'utilitzen en l'extrusió de pel·lícula bufada. Es pot aplicar pressió positiva a les cavitats internes a través del passador, o es pot aplicar pressió negativa al diàmetre exterior mitjançant un mesurador de buit per garantir les dimensions finals correctes. Es poden introduir llums o forats addicionals afegint els mandrils interiors adequats a la matriu.
Una línia d'extrusió mèdica de Boston Matthews
Les aplicacions de tubs multicapa també estan sempre presents a la indústria de l'automòbil, la indústria de fontaneria i calefacció i la indústria de l'embalatge.
Sobre extrusió de jaqueta
L'extrusió de la coberta superior permet l'aplicació d'una capa exterior de plàstic sobre un cable o cable existent. Aquest és el procés típic per aïllar cables.
Hi ha dos tipus diferents d'eines de matriu que s'utilitzen per revestir un cable, tubs (o encamisat) i pressió. En les eines de revestiment, el polímer fos no toca el cable interior fins immediatament abans dels llavis de la matriu. En eines a pressió, la massa fosa entra en contacte amb el cable interior molt abans que arribi als llavis de la matriu; això es fa a alta pressió per assegurar una bona adherència de la massa fosa. Si es requereix un contacte íntim o una adhesió entre la nova capa i el cable existent, s'utilitzen eines de pressió. Si l'adhesió no és desitjada/necessària, s'utilitzen eines de revestiment.
Coextrusió
La coextrusió és l'extrusió de múltiples capes de material simultàniament. Aquest tipus d'extrusió utilitza dues o més extrusores per fondre i oferir un rendiment volumètric constant de diferents plàstics viscosos a un sol capçal d'extrusió (matriu) que extruirà els materials en la forma desitjada. Aquesta tecnologia s'utilitza en qualsevol dels processos descrits anteriorment (pel·lícula bufada, overjacketing, tubing, sheet). Els gruixos de la capa estan controlats per les velocitats relatives i les mides de les extrusores individuals que entreguen els materials.
Coextrusió de capes de 5:5 del tub cosmètic de "compressió".
En molts escenaris del món real, un sol polímer no pot satisfer totes les demandes d'una aplicació. L'extrusió composta permet extruir un material barrejat, però la coextrusió reté els materials separats com a diferents capes en el producte extruït, permetent la col·locació adequada de materials amb diferents propietats, com ara permeabilitat a l'oxigen, força, rigidesa i resistència al desgast.
Recobriment per extrusió
El recobriment d'extrusió utilitza un procés de pel·lícula bufat o fosa per cobrir una capa addicional sobre un material de paper, paper d'alumini o pel·lícula existent. Per exemple, aquest procés es pot utilitzar per millorar les característiques del paper recobrint-lo amb polietilè per fer-lo més resistent a l'aigua. La capa extruïda també es pot utilitzar com a adhesiu per unir altres dos materials. Tetrapak és un exemple comercial d'aquest procés.
EXTRUSSIONS COMPOSTES
L'extrusió composta és un procés que barreja un o més polímers amb additius per donar compostos plàstics. Els aliments poden ser pellets, pols i/o líquids, però el producte sol ser en forma de pellets, per ser utilitzat en altres processos de conformació de plàstics com l'extrusió i el modelat per injecció. Igual que amb l'extrusió tradicional, hi ha una àmplia gamma de mides de màquina depenent de l'aplicació i el rendiment desitjat. Tot i que es poden utilitzar extrusores d'un sol o de doble cargol en l'extrusió tradicional, la necessitat d'una barreja adequada en l'extrusió composta fa que les extrusores de doble cargol siguin obligatòries.
TIPUS D'EXTRUSORA
Hi ha dos subtipus d'extrusores de doble cargol: co-rotatives i contra-rotatives. Aquesta nomenclatura fa referència a la direcció relativa que cada cargol gira en comparació amb l'altre. En el mode de co-rotació, els dos cargols giren en sentit horari o en sentit contrari; en contra-rotació, un cargol gira en sentit horari mentre que l'altre gira en sentit contrari. S'ha demostrat que, per a una àrea de secció transversal i un grau de solapament determinats, la velocitat axial i el grau de mescla són més alts en extrusores bessones co-rotatives. Tanmateix, l'acumulació de pressió és més alta a les extrusores de rotació inversa. El disseny del cargol és generalment modular, ja que diversos elements de transport i barreja es disposen als eixos per permetre una reconfiguració ràpida per a un canvi de procés o la substitució de components individuals a causa del desgast o danys corrosius. Les mides de la màquina oscil·len entre els 12 mm i els 380 mm
AVANTATGES
Un gran avantatge de l'extrusió és que els perfils com les canonades es poden fer a qualsevol longitud. Si el material és prou flexible, les canonades es poden fabricar a llargs llargs fins i tot enrotllant-se en una bobina. Un altre avantatge és l'extrusió de canonades amb acoblament integrat inclòs segell de goma.
Hora de publicació: 25-feb-2022
