Екструзія

Схема процесу екструзії: 1 — шнек (гвинт, черв'як); 2 — вмістище з сировиною; 3 — матриця ; 4 — продукт

Профілі з алюмінієвого матеріалу, отримані методом екструзії

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 полімерів, конструкційних металевих профілів, а також у харчовій промисловості, шляхом протискування пластифікованої їстівної речовини 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.

Горизонтальний прес для гарячої екструзії алюмінію

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, як-от 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 способом 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 налаштувальних 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 спосіб «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 виріб надалі розрізається чи змотується в котушки.

Вирізняють також гідроекструзію (гідростатичне пресування) — обробку металів тиском, за якої заготовка, поміщена у замкнений 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, належну якість поверхні та високу швидкість екструзії, якщо гаряча речовина 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.

Водопропускна труба (дренажна) виготовлена шляхом екструзії

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 спосіб 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 речовини, 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

Макаронні вироби, які отримані за допомогою екструзії

За допомогою екструзії можуть перероблятись різноманітні матеріали, наприклад, метали та їхні 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 складники — для виготовлення комбікормів.

• Алюміній є найпоширенішим матеріалом для екструзії. Екструзія алюмінію може бути гарячою або холодною. Якщо алюміній піддається гарячій 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 складові 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

•     АБС: акрилонітрил-бутадієн-стироловий сополімер

•     ПК: полікарбонат

•     SB: бутадієн-стирол

•     PMMA: поліметилметакрилат

•     PUR: поліуретан

•     ПЕТ: поліетилентерефталат

•     PSU: полісульфон

інноваційні біоматеріали, як-от

•     Термопластичний крохмаль, крохмаль

•     CA: ацетилцелюлоза

•     PLA: полілактид

•     PHB: полігідроксибутірат

композитні матеріали, як-от

•     WPC: дерево-полімерний композит

Див. також

• Пресування металу
• Гідроекструзія
• Екструзія (геологія)
• Гідравлічний прес

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.