Екстру́зія (лат. extrusio — «виштовхування») — спосіб отримання виробів шляхом продавлювання (екструдування) матеріалу крізь формувальний отвір у матриці або вервечки матриць. Зазвичай використовується для виготовлення будівельних матеріалів, виробів з полімерних матеріалів, конструкційних металевих профілів а також, у харчовій промисловості, шляхом протискування пластифікованого матеріалу крізь отвір екструзійної головки преса. Різновид екструзії, що полягає у вичавлюванні металу із замкненої порожнини (контейнера) крізь отвір матриці, називають пресуванням.
Історична довідка
1797 року, Джозеф Брама (англ. Joseph Brahma) запатентував перший процес екструзії для виготовлення свинцевої труби. У ньому попередньо нагрітий метал протискували крізь матрицю за допомогою плунжера з ручним приводом. У розробленій технології нових ідей не було аж до 1820 року, коли Томас Бур (англ. Thomas Burr) створив перший прес з гідравлічним приводом. На той час процес називали «сквиртінг» (від англ. squirting — витискання). У 1894 році Олександр Дік (англ. Alexander Dick) застосував процес екструзії для мідних і латунних сплавів. На початку 70 років того ж століття вперше з'явилися шнекові (черв'ячні) екструдери з паровим обігрівом і водяним охолодженням для переробки гуми. А в 1892—1912 рр. фірма «Troester» (Німеччина) освоїла їх серійне виробництво і поставила близько 600 шнекових пресів для потреб промисловості. До кінця 20-х років почали екструдувати такі термопласти як полівінілхлорид і полістирол. 1935 року, Фірмою «Troester» був створений екструдер для переробки пластмас, який мав суміщений (електро-паровий) обігрів і значно довший черв'як, ніж у шнекових пресах для гуми. А вже 1936 року, було виготовлено машину з електрообігрівом для прямої переробки порошкоподібних і гранульованих пластмас.
1950 року Ежен Сежурн з Франції, винайшов спосіб використання скла як мастила для екструзії сталі. Це називається методом Юджина-Сежурна або способом Сежурна, і зараз він застосовується для матеріалів з високою температурою плавлення, відмінних від сталі, та матеріалів з вузьким діапазоном температур під час екструзії. Спочатку матеріал нагрівають до температури за якої він вичавлюється, і поверхню присипають скло-порошком. Згодом скло плавиться, утворюючи тонку плівку від 0,5 мм до 0,75 мм, яка відокремлює матеріал від внутрішньої поверхні посудини під тиском і діє як мастило. Крім того, в посудину під тиском біля прес-форми встановлюється скляне кільце товщиною 6...18 мм яке так само застосовується як мастило. Це також має ту перевагу, що запобігає безпосередньому передаванню тепла від матеріалу до форми.
Загальні визначення
Екструзія є безперервним технологічним процесом, який полягає у продавлюванні матеріалу, що має високу в'язкість у пластифікованому стані, крізь формувальне приладдя (екструзійну головку, матрицю з фільєрами), задля отримання виробу з поперечним перерізом потрібної форми. У промисловості переробки полімерів методом екструзії виготовляють різні погонні вироби, такі, як труби, листи, плівки, оболонки кабелів, профілі, а також наносять тонкошарові покриття (на папір, картон, тканину, фольгу) та ізоляцію (на провідники і кабелі) тощо. Основним технологічним устаткуванням для переробки сировини у вироби методом екструзії, є одно-шнекові та двошнекові екструдери.
Екструдери
Екструдер (екструзійний прес) — машина для формування пластичних матеріалів, шляхом надання їм різних обрисів, за допомогою продавлювання (екструзії) крізь профілювальне пристосування — екструзійну головку.
Екструдер складається з: корпусу з нагрівальними елементами; основного робочого органу, розміщеного в корпусі; вузла завантаження матеріалу, що переробляється; силового приводу; системи задання і підтримки температурного режиму та інших контрольно-вимірювальних і регулювальних пристроїв. За типом основного робочого органу (органів) екструдери поділяють на: одно-, дво- або багатошнекові (черв'ячні чи гвинтові), дискові, поршневі (плунжерні) та інше. Двошнекові екструдери залежно від улаштування шнеків, можуть бути з паралельними або конічними шнеками, а стосовно напрямку обертання — з одно-направленим чи протилежним обертанням шнеків.
Обладнання
Існують деякі різновиди обладнання для екструзії, що відрізняються чотирма основними властивостями:
- Хід екструзії щодо екструдованого матеріалу: якщо головка (штамп) утримується нерухомо, а вихідний матеріал рухається до неї, це «пряма екструзія». Якщо вихідний матеріал нерухомий, а матриця рухається до вихідного матеріалу, це «непряма екструзія».
- Положення преса: вертикальне або горизонтальне.
- Тип приводу: гідравлічний або механічний.
- Вид навантаження, що застосовується: звичайний (змінний) або гідравлічний.
- Фільєри для гарячої екструзії алюмінієвого сплаву
Пере́д формотворної матриці (діаметром 228 мм і завтовшки 3 мм) екструзійної головки з фільєрами
Збільшене зображення фільєри
Зворотній бік формотворної матриці екструзійної головки з фільєрами.
Види екструзії
Залежно від виду матеріалу, що переробляється та особливостей формування з нього виробу, за рівнем температури розрізняють такі види екструзії: холодна екструзія (без підведення тепла), тепла екструзія (попередній підігрів сировини) і гаряча екструзія (нагрівання сировини забезпечується в зоні шнека та екструзійної головки). У багатьох галузях поширення набув метод «гарячої» екструзії, який здійснюється за високих швидкостей і тиску, при значному перетворенні механічної енергії у теплову.
Екструдований виріб (екструдат) необхідного профілю виходить з екструдера в дуже нагрітому стані (його температура становить від 125 до 350 °С), і для збереження форми потрібно його швидке охолодження. Екструдат надходить на конвеєрну стрічку, що проходить крізь чан з холодною водою де він твердне. Для охолодження екструдата також застосовують обдування холодним повітрям і зрошення холодною водою. Створений продукт надалі розрізається чи змотується в котушки.
Виділяють також гідроекструзію (гідростатичне пресування) — обробку металів тиском, за якої заготовка, поміщена у замкнутий контейнер, вичавлюється крізь канал матриці під дією рідини високого тиску (0,5…3 ГПа). Застосовується для отримання металургійних напівфабрикатів (дріт, прутки і профілі із важкообробних і жаростійких металів) або заготовок деталей (свердел, мітчиків тощо)
Холодна екструзія
Холодну екструзію здійснюють за кімнатної температури. Перевагою цього способу порівняно з гарячою екструзією, є відсутність окиснення, що забезпечує більшу міцність завдяки холодній обробці, жорсткі допуски, хорошу якість поверхні та високу швидкість екструзії, якщо гарячий матеріал піддається короткочасному нагріванню.
Матеріали, які зазвичай обробляються холодною екструзією: свинець, олово, алюміній, мідь, цирконій, титан, молібден, берилій, ванадій, ніобій та сталь, не забуваючи про речовини, отримані з глини або цементного розчину для будівельних виробів.
Деякими прикладами виробів, отриманих за допомогою цього процесу, є: складані труби, вогнегасники, циліндри амортизаторів, автомобільні поршні та інше.
Гаряча екструзія
Гаряча екструзія здійснюється за температури вищої ніж кімнатна, але нижчої від температури рекристалізації матеріалу, у межах від 424°C до 975°C. Цей процес зазвичай, використовується для досягнення належної рівноваги необхідних зусиль, пластичності та кінцевих властивостей екструзії.
Гаряча/тепла екструзія має низку переваг порівняно з холодною: вона дозволяє знизити тиск, який треба прикладати до матеріалу, і підвищує пластичність сталі. За дуже гарячої екструзії, можна навіть відмовитись від подальшої термічної обробки виробу, потрібної у разі холодної екструзії.
Екструзія «способом обертання»
Спосіб прядіння з розплаву
Сировина, нагріта до 250-300 °С і розплавлена до рідкого стану, вичавлюється з насадки для утворення заданої форми поперечного перерізу, а волокна, схожі на крохмальний сироп, піддають впливу холодного повітря і охолоджують. Волокна, які затверділи під час охолодження, змотуються з легким натягом в жмут з великої кількості сопел. Використовується для прядіння нейлону, поліестеру та поліпропілену, які вимагають високого тиску, оскільки їх важко псевдо-зріджувати.
Метод мокрого прядіння
Сировина не нагрівається під час розведення в розчиннику, а вичавлюється безпосередньо у вмістище, яке називається коагуляційною ванною, з насадки що має заздалегідь заданий вигляд поперечного перерізу. Під час дифузії розчинника, який розчинив полімер, у коагуляційній ванні залишається тільки полімер, який застигає. З торця коагуляційної ванни намотується жмут коагульованих волокон. Використовується для прядіння віскози, вінілових та акрилових волокон.
Спосіб сухого прядіння
Сировина не нагрівається під час перебування в розчиннику який легко випаровується, вичавлюється з насадки, що має задану форму поперечного перерізу, і піддається впливу високотемпературного газу для випаровування та висушування розчинника. З країв намотується пучок висушених волокон. Використовується для прядіння ацетату, спандексу та різних акрилових волокон. Для екструзійного утворення порожнистих текстильних виробів, насадка має просту будову на відміну від матриці з металу. Оскільки полімер залишається текучим відразу після виходу з сопла, протилежні кінці довільно з’єднуються, утворюючи трубку.
Застосування
За допомогою екструзії можуть перероблятись різноманітні матеріали, наприклад, метали та їх сплави (алюміній, бронза, мідь, титан, сталь); будівельні матеріали (виготовлення цегли); глинисті відходи від збагачення корисних копалин; пластмаси; крупи, макаронні і кондитерські вироби в харчовій промисловості та зернові компоненти — для виготовлення комбікормів.
- Алюміній є найбільш поширеним матеріалом для екструзії. Екструзія алюмінію може бути гарячою або холодною. Якщо алюміній піддається гарячої екструзії, його нагрівають до 300…600 °C. Приклади продукції: профілі, рами, стійки і радіатори.
- Латунь використовується для екструдування нержавіючих стрижнів, автомобільних деталей та трубопровідної арматури.
- Мідні труби, дріт, прутки, бруски, труби та зварювальні електроди (температура нагріву від 600 до 1000 °C).
- Свинцеві і олов'яні труби, дроти, трубки й оболонки кабелів (найбільша температура нагріву 300 °C).
- Магнієві деталі для літаків та атомної промисловості (температура нагріву від 300 до 600 °C).
- Цинкові стрижні, прутки, труби, деталі обладнання, фітинги і поручні.
- Титанові компоненти літака, кільця циліндрів (температура нагріву від 600 до 1000 °C).
Використовувані пластмаси та композити
Деякі матеріали, які можна обробляти на екструдерах, належать до групи термопластів:
- ПВХ: полівінілхлорид
- PE: поліетилени, такі як HDPE і LDPE
- ПП: поліпропілен
- PA: поліамід
- ПК: полікарбонат
- SB: бутадієн-стирол
- PMMA: поліметилметакрилат
- PUR: поліуретан
- ПЕТ: поліетилентерефталат
- PSU: полісульфон
інноваційні біоматеріали, такі як
- Термопластичний крохмаль, крохмаль
- CA: ацетилцелюлоза
- PLA: полілактид
- PHB: полігідроксибутірат
композитні матеріали, такі як
Див. також
Література
- Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — ISBN 966-7804-14-3.
- Лукашова В. В. Екструзія пінополімерів: монографія / В. В. Лукашова, І. О. Мікульонок, Л. Б. Радченко. — К.: НТУУ «КПІ», 2011. — 175 с.
- Герман Х. Шнековые машины в технологии. Пер. с нем. под ред. Л. М. Фридмана, Л.: «Химия», 1975. — 232 с.
- Володин В. П. Экструзия пластмассовых труб и профилей. СПб.: Профессия, 2010. — 256 c. — ISBN 978-5-91884-002-3
- Раувендааль К. Экструзия полимеров: Экструзионное оборудование. Анализ процесса. Практические приложения / К. Раувендааль; Пер. с англ. А. Я. Малкина. — 4-e изд. — СПб.: Профессия, 2008. — 768 с. — ISBN 978-5-93913-102-5
- Остриков А. Н. Экструзия в пищевой технологии / Остриков А. Н., Абрамов О. В., Рудометкин А. С. — СПб.: ГИОРД, 2004. — 288 с.
Посилання
- Екструдер: конструкція і принцип дії (відео)
- «Екструзія» [Архівовано 4 березня 2016 у Wayback Machine.] // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
|
