Основы экструзии

Chris Rauwendaal








            Understanding extrusion


2nd Edition

HANSER

Hanser Publishers, Munich

Hanser Publications, Cincinnati

Крис Раувендааль


        ОСНОВЫ ЭКСТРУЗИИ

Перевод с английского 2-го издания

ЦЕНТР
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ

ПРОФЕССИЯ

Санкт-Петербург
201 1

УДК 678.027.26
ББК 35.710Англ
Р27


        Раувендааль К.
Р27 Основы экструзии / Пер. 2-го англ. изд. — СПб.: ЦОП «Профессия», 2011. — 280 с., цв. ил., табл.
        ISBN 978-5-91884-020-7
        ISBN 978-3-446-41686-4 (англ.)

        В книге рассмотрены все аспекты важного процесса переработки пластмасс — экструзии, начиная от описания основного оборудования, материалов и применяемых технологий, заканчивая рекомендациями по повышению эффективности процесса и данными о современных разработках в рассматриваемой отрасли. Особенностью этого издания является простота и доступность изложения, а также большое количество качественных иллюстраций. Материал книги будет особенно полезен наладчикам оборудования, операторам технологических линий и машин, механикам, мастерам смены, занимающимся переработкой пластмасс экструзией, а также для специалистов, студентов и аспирантов, интересующихся темой.

УДК 678.027.26
ББК 35.710Англ



All right reserved. Carl Hanser Verlag, Munich/FRG Authorized translation from the original English edition published by Carl Hanser Verlag, Munich/FRG

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Информация, содержащаяся вданной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту’ приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.



ISBN 978-5-91884-020-7       © Carl Hanser Verlag, Munich/FRG, 2009
ISBN 978-3-446-41686-4 (англ.)          © цоп «Профессия», 2011
                                         © Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2011

СОДЕРЖАНИЕ



5

1. Экструзионное оборудование....................................9
   1.1. Что такое экструдер?.......................................9
   1.2. Типы экструдеров..........................................10
       1.2.1. Одно шнековые экструдеры............................10
       1.2.2. Двухшнековые экструдеры.............................10
       1.2.3. Плунжерные экструдеры...............................13
   1.3. Компоненты экструдера.....................................14
       1.3.1. Шнек экструдера.....................................14
       1.3.2. Материальный цилиндр экструдера.....................14
       1.3.3. Загрузочное отверстие...............................15
       1.3.4. Загрузочный бункер..................................16
       1.3.5. Системы нагрева и охлаждения материального цилиндра.17
       1.3.6. Нагрев и охлаждение шнека...........................19
       1.3.7. Распределительная решетка...........................20
       1.3.8. Набор фильтрующих сеток.............................20
       1.3.9. Экструзионная головка...............................24
       1.3.10. Привод экструдера..................................27
       1.3.11. Редуктор...........................................29
       1.3.12. Шестеренчатый насос................................31
2. Контрольно-измерительные приборы и управление ими.............33
   2.1. Контрольно-измерительные приборы..........................33
   2.2. Наиболее важные параметры процесса........................33
       2.2.1. Давление расплава...................................34
       2.2.2. Датчики давления....................................36
       2.2.3. Измерение температуры...............................37
       2.2.4. Измерение температуры расплава......................39
       2.2.5. Измерение температуры материального цилиндра........40
   2.3. Контроль температурного режима...........................42
       2.3.1. Импульсный метод управления.........................42
       2.3.2. Пропорциональное управление.........................43
       2.3.3. Управление средствами «размытой логики» ............46
3. Экструзионные линии...........................................47
   3.1. Экструзионные линии по производству труб и трубок.........47
   3.2. Линии по производству пленок и листов методом щелевой экструзии.... 49
   3.3. Линии по производству пленки щелевым методом с охлаждением на валке......................................................50
   3.4. Сочетание материалов......................................51
       3.4.1. Соэкструзия.........................................52
       3.4.2. Экструзионное нанесение покрытия....................53
       3.4.3. Экструзионное ламинирование.........................53
   3.5. Линии по производству пленки рукавным методом.............55

  3.6. Линии экструзионного компаундирования....................56
  3.7. Экструзионные линии по производству профилей.............58
4. Используемые полимерные материалы и их свойства..............59
  4.1. Термопластичные и термореакгивные пластмассы.............59
  4.2. Аморфные и частично кристаллизующиеся полимерные материалы...60
  4.3. Жидкокристаллические полимеры ...........................62
  4.4. Эластомеры...............................................64
  4.5. Реология расплавов полимеров.............................64
  4.6. Показатель текучести расплава............................66
  4.7. Влияние напряжений сдвига................................67
  4.8. Уменьшение вязкости при сдвиге или псевдопластическое поведение.... 68
  4.9. Влияние температуры на вязкость..........................69
  4.10. Тепловыделение при течении вязкой жидкости..............70
  4.11. Теплофизические свойства................................70
       4.11.1. Теплопроводность.................................70
       4.11.2. Удельная теплоемкость и энтальпия................72
       4.11.3. Термическая стойкость и индукционный период......73
       4.11.4. Плотность........................................75
       4.11.5. Температура плавления............................76
       4.11.6. Температура стеклования..........................77
5. Принцип работы экструдера....................................78
  5.1. Движение твердых частиц..................................79
       5.1.1. Движение твердых частиц под действием гравитационных сил... 79
       5.1.2. Движение твердых частиц под действием сил трения..83
       5.1.3. Метод недостаточного питания......................85
       5.1.4. Экструдеры с канавками в зоне питания.............86
  5.2. Плавление................................................89
       5.2.1. Плавление соприкасающихся твердых частиц..........90
       5.2.2. Плавление диспергированных твердых частиц.........90
  5.3. Течение расплава.........................................96
       5.3.1. Температуры расплава..............................97
  5.4. Смешение................................................101
       5.4.1. Распределительное смешение.......................101
       5.4.2. Зоны смешения шнеков.............................108
  5.5. Дегазация...............................................123
  5.6. Формование в экструзионной головке......................127
       5.6.1. Изменения размеров и формы.......................127
       5.6.2. Трубные экструзионные головки....................132
       5.6.3. Экструзионные головки для производства пленок и листов плоско щелевым методом...................................137
       5.6.4. Профильные экструзионные головки.................139
  Список использованных источников..............................141
6. Как запустить экструдер.....................................142
  6.1. Введение.................................................142

   6.2. Перед запуском..........................................142
   6.3. Подготовка к запуску....................................143
   6.4. Запуск экструдера.......................................146
   6.5. Работа экструдера.......................................148
   6.6. Остановка...............................................150
       6.6.1. Очистка...........................................151
   6.7. Техника безопасности....................................153
       6.7.1. Тепло.............................................153
       6.7.2. Подвижные элементы................................154
       6.7.3. Электричество.....................................154
       6.7.4. Тяжелые грузы.....................................155
       6.7.5. Давление..........................................155
   6.8. Обучение и проверка знаний..............................156
7. Выявление и устранение неисправностей экструзионного процесса.161
   7.1. Задачи..................................................161
   7.2. Эффективный поиск неисправностей........................161
       7.2.1. Приборное обеспечение.............................161
       7.2.2. Понимание процесса экструзии......................162
       7.2.3. Сбор и анализ статистических данных...............162
       7.2.4. Формирование команды..............................163
   7.3. Основные типы неисправностей............................163
       7.3.1. Проблемы с производительностью....................163
       7.3.2. Проблемы с внешним видом..........................172
       7.3.3. Проблемы с функциональностью изделия..............180
       7.3.4. Высокая температура расплава......................180
       7.3.5. Высокая нагрузка на электродвигатель..............181
       7.3.6. Проблемы с износом................................182
   7.4. Систематическое решение проблем.........................184
   7.5. Выявление и устранение неисправностей оборудования и поддержание его в рабочем состоянии........................186
       7.5.1. Проверка масла....................................187
       7.5.2. Нехарактерные шумы................................187
       7.5.3. Приводные двигатели и ременные передачи...........190
       7.5.4. Запасные детали...................................191
       7.5.5. Шнек и материальный цилиндр.......................191
       7.5.6. Контрольный лист проверки технического состояния экструдера.. 192
   7.6. Причины и возможные методы устранения неисправностей.....197
8. Новые разработки в области экструзионных процессов и методы увеличения эффективности процессов.........................................203
   8.1. Общие тенденции развития................................203
   8.2. Высокоскоростная экструзия..............................203
       8.2.1. Температура расплава..............................204
       8.2.2. Экструдеры без зубчатых редукторов................205
       8.2.3. Потребление энергии................................205

      8.2.4. Переход на потребление другого полимера...........206
      8.2.5. Время перехода на потребление другого полимера и время пребывания материала в материальном цилиндре.....207
   8.3. Многоручьевая экструзия................................208
   8.4. Снижение стоимости материала...........................210
      8.4.1. Дешевые наполнители...............................211
      8.4.2. Вторичные пластмассы..............................214
      8.4.3. Вспененные пластмассы.............................214
      8.4.4. Сравнение предварительного компаундирования материала на сторонних предприятиях и компаундирования своими силами.215
      8.4.5. Запуск, переход на другие параметры и остановка...216
      8.4.6. Технологические добавки к полимерам...............216
   8.5. Повышение уровня автоматизации.........................221
   8.6. Увеличение эффективности процесса экструзии............221
      8.6.1. Контрольно-измерительные приборы..................222
      8.6.2. Сбор и обработка данных...........................223
      8.6.3. Непостоянство и изменчивость характеристик сырья....224
      8.6.4. Сравнение ограниченной и свободной загрузки экструдера ....225
      8.6.5. Очистка...........................................227
      8.6.6. Методы уменьшения потребления энергии.............240
      8.6.7. Гибкое автоматизированное производство............246
   8.7. Статистическое управление технологическим процессом и планирование эксперимента..................................251
   8.8. Причины колебаний параметров процесса..................253
      8.8.1. Непостоянство температуры расплава................253
      8.8.2. Нестабильность процесса плавления.................255
   8.9. Экструзия с проточками в зоне питания..................256
      8.9.1. Экструдеры с регулируемыми канавками в зоне питания.257
   8.10. Насос с поворотным каналом..............................258
   8.11. Новые разработки в области смешения и конструкции шнека.259
      8.11.1. Растягивающие перемешивающие устройства............259
      8.11.2. Барьерные шнеки с растягивающим перемешивающим действием... 260
      8.11.3. Смеситель с плавающей втулкой и перекрещивающимися стержнями ...............................................262
      8.11.4. Технология конструкции шнека с высокой теплопередачей...263
      8.11.5. Одношнековый компаундирующий экструдер...........264
   8.12. Армированные волокнами пластмассы.....................266
      8.12.1. Традиционные методы изготовления изделий из армированных волокнами пластмасс......................266
      8.12.2. Технология Nexxus................................267
   8.13. Заключение............................................268
      Список использованных источников.........................268
Приложение 1. Список рекомендуемой дополнительной литературы...271
Приложение 2. Теоретические основы процесса экструзии..........272

ЭКСТРУЗИОННОЕ
    ОБОРУДОВАНИЕ



В этой главе обсуждается экструзионное оборудование, включая его:
  ♦ описание;
  • типы;
  ♦ компоненты.

1.1.  Что такое экструдер?

Определение Для описания того, что такое экструдер, необходимо сначала определить некоторые связанные термины. Во-первых, термин «экструзия» означает вытеснение или выдавливание. При экструдировании материал выдавливается через отверстие, называемое фильерой или экструзионной головкой. Например, при нажатии на тюбик зубной пасты происходит выдавливание этой зубной пасты. При течении через экструзионную головку материал приобретает необходимую форму. Оборудование, используемое для выдавливания материала, называется экструдером. На практике можно осуществлять экструдирование множества различных материалов, таких как глина, керамические материалы, пищевые продукты, металлы и, конечно, пластмассы.
Функция Основной функцией экструдера является обеспечение достаточного по величине давления в материале, которое позволит протолкнуть материал через экструзионную головку. Давление, необходимое для проталкивания материала через экструзионную головку, зависит от ее геометрии, свойств текучести материала и от скорости потока материала. Обычно экструдер представляет собой машину, способную создавать и наращивать давление. Другими словами, экструдер — это своеобразный насос. Экструдер для переработки пластмасс — это насос для пластмассовых материалов. Однако не следует путать это понятие с понятием пластицирующего экструдера, представляющего собой машину, которая не только экструдирует, но также и пластицирует и расплавляет материал. В пластицирутощий экструдер подаются твердые частицы пластмассового материала, а из экструдера в фильеру нагнетается полностью проплавленная пластмасса. С другой стороны, машина, которая позволяет выдавливать разогретую пластмассу без осуществления ее плавления, называется экструдером, нагнетающим расплав.

  Экструдеры являются самым типичным оборудованием промышленности переработки пластмасс. Экструдеры используются не только при экструзии, но и при литье под давлением и раздувном формовании. По существу при формовании любого пластмассового изделия пластмассовый материал хотя бы раз (а во многих случаях несколько раз) проходит через экструдер.


1.2.  Типы экструдеров
В этом разделе обсуждаются экструдеры:
  •  одношнековые;
  •  двухшнековые;
  •  плунжерные.


1.2.1. Одношнековые экструдеры


Типы       В промышленности пластмасс используются экструэкструдеров деры трех основных типов: шнековые, плунжерные и дисковые. Наиболее распространенными среди них являются шнековые экструдеры. В таком экструдере (рис. 1.1) шнек вращается в материальном цилиндре; вращение шнека обеспечивает нагнетающее действие.



Рис. 1.1. Одношнековый экструдер

1.2.2. Двухшнековые экструдеры
Шнековый экструдер может иметь один или несколько шнеков. Экструдер с одним шнеком называется одношнековым экструдером; этот экструдер является наиболее типичным и распространенным в про