Экструдеры и фильера для экструдера

Если вы решили купить экструдер, прежде всего, рекомендуем разобраться, что представляет собой данное устройство, какие типы экструдеров являются наиболее востребованными, а также для чего применяются различные виды экструдеров. В этом вам поможет наш сегодняшний краткий обзор.

Чтобы четко уяснить, что представляет собой экструдер, для чего он необходим, и какие процессы в нем протекают, прежде всего, необходимо определиться с происхождением самого названия.

Итак, слово «Экструдер» произошло от латинского слова «Еxtrudo» (выталкиваю). Сегодня так называют машины, предназначенные для пластикации (размягчения) различных типов материала, с последующим приданием им требуемой формы при помощи выдавливания через профилирующие инструменты, которые называют экструзионными головками (фильерами). Отметим, что сечение экструзионных головок (фильер) соответствует конфигурации конечного изделия.

Несмотря на то, что первые экструдеры появились сравнительно недавно, их развитие и совершенствование происходило достаточно быстро. Так, первые экструдеры были сконструированы в конце XIX века в Америке, их единственным назначением являлось нанесение на электрические провода изоляции. Серийное производство экструдеров начинается в начале XX века, а уже в 1931 году экструдеры впервые применяются для переработки пластмасс. В 1937 г. на смену паровому нагреванию корпуса экструдера приходит электрическое, а в 1939 г. появляется прототип современных экструдеров – экструдер с увеличенной длиной шнека, а также двухшнековый экструдер. В 1963 году был разработан первый дисковый экструдер. Современные экструдеры представляют собой автоматизированные, высокопроизводительные комплексы, производительностью 3-3,5 тонн/час. Сегодня часть перерабатываемых в экструдерах полимерных термопластичных материалов достигает 50%.

Процесс, который происходит в экструдере с момента попадания в него исходного материала, до получения требуемого (размягченного) изделия, называется экструзия.

Чаще всего экструдер используется для производства полимерных изделий (пластмасс, белоксодержащих и крахмалосодержащих смесей, а также резиновых смесей) и ферритовых изделий (сердечников). Еще одной отраслью, где экструдер нашел широкое применение, стала пищевая промышленность – здесь данное устройство используется для изготовления таких привычных для нас продуктов, как, например, лапша и макароны. Несмотря на различные области применения, принцип работы экструдера остается неизменным как при производстве пластмасс, так и при производстве макарон: расплав материала продавливается через формующее отверстие, благодаря чему образуется готовое изделие.

Процесс экструзии является непрерывным технологическим процессом, во время которого происходит продавливание материала (обязательно обладающего высоким показателем вязкости в жидком состоянии) сквозь формующий инструмент (фильеру, экструзионную головку). Конечным результатом экструзии является получение изделия, обладающего требуемой формой поперечного сечения. Конкретное промышленное применение экструдеров сводится к переработке полимеров методом экструзии. При помощи экструдеров осуществляют изготовление разнообразных погонажных изделий (труб, пленки, листов, кабельной обмотки, рассеивателей, элементов оптических систем, светильников, и т. д.). Несмотря на достаточно большое разнообразие типов экструдеров, основными технологическими типами данных устройств, получившими наибольшее распространение при промышленной переработке полимеров в готовые изделия с помощью экструзии, стали одночервячные экструдеры, многочервячные экструдеры, а также дисковые и поршневые экструдеры.

На выбор экструдера для конкретной операции экструзии влияют характеристики исходного материала, которые также определяют и типы экструзии, которые целесообразно использовать при переработке различных материалов.

Основными типами экструзии, протекающими внутри экструдера, являются:

— теплая экструзия: исходные компоненты, находящиеся в сухом состоянии, смешиваются с некоторым количеством воды, после чего осуществляется их подача в экструдер, где вместе с механическим воздействием материал также подвергается тепловому влиянию. Получаемое изделие (экструдат), как правило, обладает небольшой плотностью, ячеистым строением и пластичностью, а также может немного увеличиваться в размерах. Чаще всего экструдату, полученному путем теплой экструзии, требуется просушивание;

— холодная экструзия – предусматривает исключительно механические изменения исходного материала, которые происходят за счет его медленного перемещения при воздействии давления с последующим формованием на выходе из фильеры (экструзионной головки) готового изделия требуемой формы;

— горячая экструзия – данный процесс получил наиболее широкое распространение в промышленном производстве. Процесс экструзии осуществляется с большой скоростью, при высоком давлении, благодаря чему происходит преобразование энергии механической в энергию тепловую. Это вызывает изменения в характеристиках материала, которые могут различаться в зависимости от величин давления, скорости и температуры, при которых осуществляется обработка материала. Также может применяться контролируемый подвод тепла – либо напрямую к продукту, либо через наружную оболочку экструдера. Следует заметить, что температура сырья в случае горячей экструзии, как правило, превышает 120C, а показатели влажности достигают 10-20%.

Экструдер состоит из следующих узлов (элементов):

— корпус, оснащенный различным типом нагревательных элементов;
— рабочий орган (поршень, диск, шнек), размещаемый внутри корпуса;
— узел, через который осуществляется загрузка перерабатываемого материала;
— силовой привод;
— система выбора и последующей поддержки заданной температуры;
— различных регулировочных и контрольно-измерительных приспособлений и устройств (датчиков давления, температуры расплава, и т.д.).

Важнейшим элементом экструдера является экструзионная головка, которая состоит из крепящегося к экструдеру обогреваемого корпуса, а также формующего инструмента, имеющего отверстие. Форма такого отверстия различается зависимо от формы (типа) изделия, которое необходимо получить. Например, для получения пленок и листов используют щелевидные фильеры (экструзионные головки), а при производстве труб применяются экструзионные головки, форма которых соответствует кольцевому каналу.

По типу шнека (являющегося основным рабочим органом экструдера), разделяют одношнековые экструдеры, многошнековые экструдеры (червячные), поршневые экструдеры (плунжерные), дисковые экструдеры, и т.д.

Сегодня наиболее распространенными в промышленном производстве являются одношнековые экструдеры (червячные). Принцип их работы достаточно прост: после захвата из загрузочного бункера исходного материала (гранул, частиц, и т.д.), шнек осуществляет его перемещение вдоль корпуса экструдера, одновременно с перемещением происходит сжатие материала (в некоторых экструдерах давление может достигать 500 кг*с/см²), его разогрев, пластификация, а также гомогенизация. В соответствии с частотой вращения шнека, шнековые экструдеры разделяют на нормальные (с окружной скоростью до 0,5м/мин), а также быстроходные (до 7м/мин). Вдобавок шнековые экструдеры разделяют (в зависимости от конструктивного исполнения) на стационарные экструдеры, а также экструдеры с вращающимся корпусом; с вертикальным, либо горизонтальным размещением шнека. К отдельной категории относят экструдеры, которые помимо вращательных движений, выполняют и возвратно-поступательные движения. Помимо этого, для более эффективного выполнения гомогенизации подаваемого в экструдер материала, на шнеке могут быть установлены различные дополнительные приспособления и устройства: шлицы, зубья, кулачки, диски, и т.п. В последнее время все более распространенными становятся планетарно-вальцевые экструдеры, отличительной особенностью которых является наличие нескольких дополнительных шнеков (4-12), расположенных вокруг основного шнека.

Двухшнековые экструдеры являются более универсальными (по сравнению с одношнековыми). Их можно использовать для выполнения таких же задач, как и одношнековые экструдеры, либо в особых условиях, когда одношнековые экструдеры не могут справиться с переработкой материала. Наиболее распространенным применением двухшнековых экструдеров стала  экструзия ПВХ (поливинилхлорида) в готовые изделия, предназначенные для строительства. В двухшнековом экструдере ПВХ в качестве исходного сырья чаще всего используют ПВХ-композиции, переработку которых невозможно осуществить на экструзионной одношнековой линии.

Многошнековые экструдеры (к которым относят четырехшнековые экструдеры, планетарные экструдеры) являются наименее распространенными в промышленном производстве. Однако, многошнековые экструдеры являются наиболее эффективными при переработке материалов, склонных к быстрому термическому разрушению (деструкции).

Дисковые экструдеры осуществляют переработку материала, используя напряжения, возникающие в вязко-упругом материале. Основой таких экструдеров являются два плоских диска, расположенных параллельно. Один их дисков непрерывно вращается, благодаря чему создаются нормальные и сдвиговые напряжения, второй остается неподвижным. В середине неподвижного диска находится отверстие, сквозь которое происходит выдавливание размягченного материала. Основными преимуществами дисковых экструдеров является более высокая пластицирующая и гомогенизирующая способности, по сравнению со шнековыми экструдерами. Однако, шнековые экструдеры развивают меньшее формовочное давление, поэтому их чаще всего используют в качестве смесителей-грануляторов, либо для предварительной подготовки (измельчения) материала.

Сравнительно недавно появились комбинированные экструдеры, в которых сочетаются достоинства шнековых и дисковых экструдеров. Такие экструдеры обладают независимыми друг от друга приводами диска и шнека. Поршневые экструдеры обладают небольшой производительностью, поэтому их применение в основном ограничено производством профилей и труб из реактопластов.