Екструзія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
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.[1] 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[ред. | ред. код]

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[2]. 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[3]. 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[4]. 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.[5]

Загальні визначення[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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.


Види екструзії[ред. | ред. код]

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)[6]

Холодна екструзія[ред. | ред. код]

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.[7]

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[ред. | ред. код]

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.[8]

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»[ред. | ред. код]

Спосіб прядіння з розплаву[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[9].

Застосування[ред. | ред. код]

Макаронні вироби, які отримані за допомогою екструзії

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[ред. | ред. код]

Деякі матеріали, які можна обробляти на екструдерах, належать до групи термопластів:

  •     SB: бутадієн-стирол
  •     PSU: полісульфон

інноваційні біоматеріали, такі як

композитні матеріали, такі як

Див. також[ред. | ред. код]

Примітки[ред. | ред. код]

  1. [[https://web.archive.org/web/20190401093311/https://www.britannica.com/technology/extrusion-industrial-process Архівовано 1 квітня 2019 у Wayback Machine.] Extrusion (INDUSTRIAL PROCESS) / Encyclopaedia Britannica]
  2. Drozda, Tom; Wick, Charles; Bakerjian, Ramon; Veilleux, Raymond F.; Petro, Louis (1984). Tool and manufacturing engineers handbook: Forming 2. SME. ISBN 0-87263-135-4.  pp. 13-11 & 13-12.
  3. Шенкель Г. Шнековые прессы для пластмасс. — СПб: Госхимиздат, 1962. — 467 с.
  4. Bauser, M., ред. (1 грудня 2006). Extrusion. doi:10.31399/asm.tb.ex2.9781627083423. Процитовано 28 травня 2022. 
  5. Avitzur, B.; Gordon, W.; Talbert, S. (1 листопада 1987). Analysis of Strip Rolling by the Upper Bound Approach. Journal of Engineering for Industry 109 (4). с. 338–346. ISSN 0022-0817. doi:10.1115/1.3187137. Процитовано 28 травня 2022. 
  6. Белошенко В. А. Теория и практика гидроэкструзии / Белошенко В. А., Варюхин В. Н., Спусканюк В. З. — К.: Наукова думка, 2007. — 246 c. — ISBN 978-966-00-0658-4
  7. Oberg et al., 2000, pp. 1348–1349
  8. Avitzur, Betzalel (2003). Metal Forming. Encyclopedia of Physical Science and Technology. Elsevier. с. 411–440. 
  9. 図解 よくわかる「ナノファイバー」本宮達也著 日刊工業新聞社. Sen'i Gakkaishi 62 (7). 2006. с. P.214–P.214. ISSN 0037-9875. doi:10.2115/fiber.62.p_214. Процитовано 28 травня 2022. 

Література[ред. | ред. код]

  • 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[ред. | ред. код]