Transcript EXTRUDERING - Plastforum

BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
A
Ö
EXTRUDERING DEL 1
TEKNIK
FÖR PROFILER
Kontinuerlig process hänger på skruven
Extrudern kan liknas vid en köttkvarn med sin cylinder och
roterande skruv. Plastens bearbetning i extrudern kallas extrudering. Processen är kontinuerlig i motsats till formsprutning,
som är diskontinuerlig. Genom extrudering tillverkas enkla
halvfabrikat, slangar, rör, plattor, planfolier, monofilament och
komplicerade profiler.
■ Extrudering är numer en vanligare
benämning än strängsprutning. Extrudering används också vid kompoundering (inblandning av tillsatsmedel och blandning av polymerer),
extruderingsbeläggning, omsprutning (kabelmantling) och tillverkning av cellulära produkter (cellplastfolier). Både termoplaster,
termoelaster och gummi kan extruderas. Extrudering av gummi och
kontinuerlig vulkning behandlas
ej här.
är mycket
komplicerat beroende på faktorer
som temperatur, tryck, skruvens rotationshastighet, materialets egenskaper etc. Plastens friktion mot cylinderytan måste under alla förhållanden vara större än mot skruvgängornas yta.
Om friktionen mot cylinderytan är
för låg i förhållande till skruven fylls
skruvkanalen (skruvgängan) mellan
skruvstegen med plast där den fastnar och plasten rör sig inte framåt.
Skruven fylld med plast fungerar som
en roterande cylinder. Beteendet kan
avhjälpas genom att höja cylinderytans temperatur eftersom friktionen
mellan de flesta plaster och stål ökar
med temperaturen. Tekniker som
film- och formblåsning behandlas i
nästa nummer av Plastforum.
PLASTICERINGSFÖRLOPPET
ges en schematisk
beskrivning av en extrusionsanläggning för till verkning av rör och enklare profiler, vilka kapas i längder och
staplas. Röret formas i ett munstycke,
kalibreras till rätt mått och kyls i vattenbad för att inte deformeras av
drivbanden i avdragsanordningen.
Flexibla rör och slangar samlas på
rulle.
I VIDSTÅENDE FIGUR
Lars-Erik Edshammar
Extruderanläggning för tillverkning av profiler
PLASTFORUM 9 2005
53
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
Extrudern
■ Extrudern är uppbyggd av en plasticeringsskruv och en cylinder (enkelskruvspruta) eller innehåller fler men vanligen
två plasticeringsskruvar (dubbelskruvspruta). Dubbelskruvsprutan får en särskild beskrivning nedan.
Plastmaterialet påfylls i granulat –
eller pulverform genom en matartratt i
bakre delen av cylindern. För att undvika
igensättning kan en vibrator monteras på
Enkelskruvens principiella uppbyggnad
Hålskiva och kontinuerligt matad silduk
matartratten. Skruven tar hand om det
fasta materialet vid tratten. Materialet
transporteras därefter framåt, komprimeras till smälta och homogeniseras.
MATERIALET I BAKRE DELEN av cylindern
måste vara i fast form för att kunna
trycka på den framförvarande smältan.
Skruvens vridhastighet kan varieras exempelvis mellan 4 till 100 varv/min. Cylindern tillförs värme med hjälp av värmeband men plasten värms också upp
genom inre skjuvning samt friktion mot
extruderns metalliska delar. Temperaturen måste kontrolleras noga och därför
kyls också cylindern vid behov med luft
eller vatten. Det smälta (plasticerade)
materialet homogeniseras och pressas
via en silduk och hålskiva (silduk +
hålskiva=screen-pack) genom ett munstycke, som har önskad profil. Hålen i
skivan har en diameter av 3 till 5 mm
och är avfasade för att minska tryckfallet.
Silduken, som är placerad bakom hålskivan fångar upp föroreningar och gel-
klumpar, som kan täppa igen munstycket. Normalt silas smältan genom en duk
med hål som är 120–150 µm.
Det förekommer emellertid att även
mycket små partiklar kan orsaka försvagningar i den extruderade produkten. Sådana försvagningar kan leda till sprickbildningar särskilt i högtrycksrör av polyeten. I så fall används en ännu finare
silduk.
efter en tid och måste bytas ut eller ersättas automatiskt
med vridbara filterskivor, silväxlare eller
på annat sätt. Silduken påverkas av
smältans tryck men stöds av hålskivan.
Hålskivans huvuduppgift är emellertid
att räta upp det spiralformiga flödet,
som orsakats av skruvens rotation.
Vid utsprutningen genom munstycket orienteras molekylerna i axiell led och
orienteringen fryser inne då extrudatet
stelnar. De mekaniska egenskaperna påverkas och en profil blir styv och stark i
längsriktningen. Molekylernas orientering förstärks med hjälp av hålskivan.
SILDUKEN TÄPPS IGEN
Skruven
■ Skruven tillverkas i nötnings- och korrosionshärdigt stål. Stålet ska ha hög
hållfasthet och får inte ge vika eller utmattas vid den kraftiga vridning och det
höga tryck, som utmärker processen.
Nötningsbeständigheten kan förbättras med ett ytskikt av krom-volfram eller
annan hårdbeläggning. Jonnitrerade
skruvar är vanliga. För bearbetning av
material, som avger korrosiva gaser
(PVC och fluorkolväten) rekommenderas särskilda material baserade på rostfritt stål.
har flera funktioner: inmatning, transport framåt, smältning och homogenisering av plastmassan.
DEN ROTERANDE SKRUVEN
Nylonskruv och PVC-skruv
En vanlig typ av skruv är tre-zons-skruven, som betraktas som en universalskruv.
Inmatningszonen matar fram det fasta
materialet, som komprimeras så pass
mycket att innesluten luft tvingas tillbaks till påfyllartratten. Skruvens skruvkanal närmast tratten fylls med fast material. Eftersom det fasta materialet ska
trycka det smältande material framåt i
cylindern kyls därför cylindern närmast
tratten.
Först bildas en smält film vid den
uppvärmda cylinderväggen. Filmen växer under det att materialet delvis smälter
och rörs om i skruvkanalen mellan gängorna.
Materialet trycks in i en omvandlingszon, som också kallas kompressions- eller
plasticeringzon. I denna zon minskar
gängdjupet successivt och materialet
komprimeras och smälter.
ska vara fullständigt smält och delvis homogeniserad
och ha nått den bearbetningstemperatur,
som ska gälla vid munstycket.
Inom zon III, utmatningszonen, är
PLASTEN, SOM LÄMNAR ZON II,
54
gängjupet konstant, smältan homogeniseras ytterligare och temperaturen stabiliseras.
Smältan trycks sedan ut genom munstycket som en sträng med önskad form
för att därefter kylas (eller vulkas när det
gäller gummi).
Om gängdjupet i inmatningzonen är
9 mm och 3 mm i utmatningszonen är
kompressionsförhållandet 3:1. Kompressionsförhållandet varierar mellan 2:1
och 6:1 beroende på den plast, som bearbetas.
DE OLIKA ZONERNAS LÄNGDER hos en skruv
är beroende på det material som bearbetas. Exempelvis visar nylon en snabb
övergång från fast fas till smälta på grund
av höga kristallinitet. Kompressionszonen behöver därför endast omfatta avståndet motsvarande två skruvsteg.
En helt annan profil gäller för skruvar
vid bearbetning av PVC, som är ett värmekänsligt material. PVC-skruven bör
ha en kontinuerlig minskning av gängdjupet från tratten och framåt det vill säga kompressionszonen ska motsvara hela skruvlängden.
PLASTFORUM 9 2005
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
Begrepp vid beskrivning av standardskruven
■ Skruvkanalen eller skruvgängan är det
utrymme som fylls med plast under extrudering.
■ Skruvsteget är den stålprofil, som skru
var sig runt skruvens kärna. Kärnans
diameter anges med d.
■ Skruvens ytterdiameter bestäms av
skruvstegets yttre yta och anges med D.
■ Flank kallas stegets båda sidor.
■ Stegflanken är den flank som driver
plasten framåt.
■ Stegbredden (land, flight width) är
vanligen 0,1D.
Gängdjupet är avståndet mellan
stegytan och kärnytan.
■ Gängstigningen (pitch) är avståndet
från en stegflank till motsvarande
i nästa gängsteg. Gängstigningen är
vanligen=D.
■
DE FLESTA SKRUVAR
håller relativt snäva
mått:
Total längd: 20D–30D
Inmatningszonens längd: 4D–8D
Utmatningzonens längd: 6D–10D
Spiralvinkeln: 17,66°
Gängdjup i inmatningszonen: 0,1D–0,2D
Benämning av skruvens delar
Gängdjupet i inmatningszonen beror på
det inkommande materialets korns form
och storlek. De flesta plastgranulat har
en skrymdensitet större än 50 % och då
är 0,1D–0,2D ett lämpligt gängdjup.
Om skrymdensiteten ligger mellan 30 %
och 50 % rekommenderas ett större
gängdjup.
Recirkulerat material har vanligen en
skrymdensitet lägre än 30 % och behöver
Avgasningsextrudern
0,1 MN/m2 och det kraftiga tryckfallet
resulterar i att vatten avgår som ånga.
Avgasningsskruven avlägsnar också andra gaser än absorberad vattenånga till
exempel monomerer samt kondens på
material beroende på omgivningens fuktighet.
■ Vissa extrudrar har en avgasningszon.
Flera plaster är liksom nylon hygroskopiska och absorberar luftens fuktighet.
Om plaster som innehåller vatten bearbetas i en konventionell extruder kommer extrudatet att innehålla porer. För
att undvika detta förtorkas materialet.
En annan möjlighet är att införa en så
kallad tvåstegsskruv med avluftningshål
i cylindern. I ett första steg bearbetas
plasten i tre zoner och den smälta plasten komprimeras och homogeniseras på
det sätt som beskrivits ovan. Vid avluftningshålet reduceras trycket i smältan
till atmosfärstryck och smältans flyktiga
komponenter avgår genom en öppning
i cylindern. Plasten förs sedan in i en andra komprimeringszon.
Vid en extrudringstemperatur av
250 °C är vattnet i plasten i gasform och
har ett tryck av cirka 4 MN/m2. Vid avluftningshålet råder atmosfärstrycket
Avgasningsextruder
56
Extra blandningsanordningar
■ Då smältprocessen och homogeniseringen är svåra att genomföra med den
konventionella skruven bygger man in
särskilda blandningszoner.
Det finns många typer av blandningselement och några få presenteras i figuren. Blandningselementen ökar plasticeringskapaciteten genom höjning av
skjuvvärmet. Barriärskruven infördes på
1960-talet och förbättrar smältans konExempel på blandningselement
en slags korvstoppare, som tvingar materialet genom tratten (crammer, stuffer).
hos skruven är dess
längd i förhållande till cylinderdiametern L/D. Förhållandet L/D är ett mått
på skruvens effektivitet. Om D=60 mm
är skruvlängden till exempel 20 D=1200
mm. Skruvlängderna kan variera från 8D
till 38D. Spelet mellan skruvens yttre diameter och cylinderns diameter ska vara
mycket snävt.
Vid bearbetning av abrasiva plaster,
som innehåller titandioxid eller korta
glasfibrer, ökar spelet snabbt om inte
skruv och cylinder tillverkas i nötningshärdiga material.
Det finns andra utformningar av skruvar för olika ändamål än tre-zons-skruven. Gemensamt för alla skruvar är
emellertid att de ska transportera plasten i en jämn ström, åstadkomma en
mekaniskt och termiskt homogen smälta
och processa materialet utan att det
bryts ned.
EN VIKTIG EGENSKAP
sistens i kompressionszonen särskilt vid
höga flöden.
Den första barriärskruven uppfanns
av Maillefer och skruvtypen brukar därför ofta kallas Mailleferskruv. Utmärkande för denna skruv är att spiralvinkeln för barriärflanken är större än för
huvudflanken.
I Mailleferskruven hamnar icke smält
material i en kanal med stort gängdjup
och överförs homogeniserat till en kanal
med litet gängdjup för att hindra icke
smält material att nå utmatningszonen.
Cylindern
■ Cylindern hos en enkelskruvextruder
kan vara av konventionell slät typ eller
ha en räfflad insida. Cylindern är tjockväggig och består av legerat stål.
Nitrerade skikt nöts snabbt av abrasiva plaster, som innehåller glasfiber eller
titandioxid. Därför används bimetallcylindrar med en nötningshärdig yta på insidan.
Det är mindre omständigt att byta en
skruv än en cylinder vid renovering.
Därför bör cylindern vara nötningshärdigare än skruven. Den kraftigaste nötningen sker i kompressionszonen.
Vid normal drift med ofylld plast bör
en bimetallcylinder klara sig i 5–10 år.
PLASTFORUM 9 2005
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
Dubbelskruvextrudern
■ Dubbelskruvextruderar är dyra maskiner och finns i ett stort antal utföranden
med raka eller koniska skruvar med eller
utan avtagande stigning och kanaldjup.
De enklaste innehåller två cylindriska
parallella skruvar (twin-screw extruders)
som roterar olikriktat eller likriktat.
Extrudrar med skruvar som roterar
olikriktat (counter-rotating) används vid
bearbetning av material i pulverform
och speciellt PVC. Fördelen med denna
typ av extruder är att man kan blanda
additiver och plast utan att plasten utsätts för större termiska påfrestningar på
grund av höga skjuvbelastningar.
rotation (co-rotating) används huvudsakligen vid kompoundering av plast. Skruvarna transporterar materialet genom
kontakten mellan skruvarna och cylindern. Skruvarna är så konstruerade att de
rengör varandra då de roterar.
Skruvarna i figurerna är tättkammade
ger en sen tryckuppbyggnad. Vanligare
är därför kammade skruvar med något
större spel mellan stegflankerna, vilket
ökar homogeniseringen.
Dubbelskruvar med olikriktad
och likriktad rotation
CYLINDERN SEDD I GENOMSKÄRNING är utformad som en åtta. Skruvarna är arrangerade så att de bildar slutna volymer mellan
flänsarna. Materialet tvingas fram i dessa
små volymer. I skruvarnas främre del
byggs trycket upp och det sker läckage
bakåt, vilket bidrar till att materialet
smälter på grund av friktionen.
Dubbelskruvextrudern med likriktad
Tvärsnitt av längsspruthuvud
för tillvekning av rör
Spiralhuvud
alla munstycken med elektriska värmeband.
Längsspruthuvuden (spider dies) används huvudsakligen för tillverkning av
slangar, rör och profiler och är i princip
uppbyggda enligt figurens beskrivning.
Plastsmältan från extrudern fördelas
först av kärnans spets (spider tip) och
leds sedan kring kärnan förbi fasta fenor
(spider fins, spider legs), som håller kärnan på plats, och når slutligen den ringformade munstycksspalten.
Fenorna är så utformade att de ger en
jämn strömning och de bör vara så tunna
som möjligt utan att hållfastheten riskeras och kärnans läge rubbas. Fördelen
med denna konstruktion är att plastflödet blir väl centrerat. Nackdelen är
emellertid att fenorna delar plastmassans strömning och orsakar sammanflytningar i flytriktningen.
efter fenorna
minskas kanalens tvärsnitt enligt figuren
fram till munstycksringen. Även om förbindelserna utformas väl uppstår det alltid längsgående försvagningar i extrudatet.
För undvika sammanflytningar används ett spiralhuvud (slurring threads
FÖR ATT SMÄLTA IHOP PLASTEN
58
■ Tempereringsystemet har en viktig
uppgift är att hålla rätt och konstant arbetstemperatur och kompletterar friktionsuppvärmningen. Cylinderns zoner
ska kunna ställas in på olika temperaturnivåer. Uppvärmningen sker vanligen
med elektriska värmeelement men även
vätska förekommer som värmemedium.
Till varje värmezon hör kylmöjligheter
med luft eller vatten. Cylinderzonen
närmast tratten kräver ständig kylning.
Skruvar, som är tempererade genom en
inre kanal, används vid bearbetning av
värmekänsliga material som PVC.
Plaster för extrudering
Munstycken och spruthuvuden
■ Munstycket monteras på cylinderns
fläns och formar den homogena smältan
till ett extrudat.
Alla munstycken innehåller en kanal
eller en förgrening (manifold) som ger
extrudatet dess form. Som regel värms
Cylinderuppvärmning
och kylning
■ Vid extrudering används material,
som även formsprutas. Det är emellertid
skillnad mellan de båda processerna och
det ställs olika krav på de materialen.
Vid formsprutning är låga viskositeter
och hög flytbarhet väsentliga egenskaper
hos smältan. Vid extrudering föredras
därför hög viskositet. Då den extruderade strängen lämnar munstycket får nämligen inte dess form ändras på grund av
flytning. Processtemperaturer och slutprodukter ges för ett antal plaster i följande tabell:
Plast
Processtem- Slutprodukter
peraturer °C
Polyeten
130–200
Rör, skivor,film, plastskydd
Polypropen 180–250
Rör, fibrer, biaxiellt
riktade filmer, skivor,
tejp
PVC
180–210
Rör, slang, fönsterprofiler, skivor
Polykarbonat 300–350
Varm formningsskivor,
fönsterglas, profiler
Kabelmantling
■ Stora mängder polymera material går
till den elektriska industrin för mantling
av kabel och tråd.
Inledningsvis upphettas den obelagda tråden eller också beläggs den med
en primer varefter den passerar ett speciellt munstycke anslutet till en extruder med vinkelhuvud (tvärspruthuvud
eller vinklat spruthuvud).
Då tråden lämnar munstycket beläggs den med extrudatet. Beläggningshastigheten varierar mellan 1 m/min
och 1000 m/min beroende på metalltrådens diameter. Sedan kyls den mantlade tråden varefter den upprullas.
PLASTFORUM 9 2005
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
eller spiral mandrel distributor die) som
saknar fenor. I spiralhuvudet övergår det
ursprungliga radiella flödet i ett axiellt
flöde. Spiralhuvudet har blivit helt dominerande vid filmblåsning, som beskriv
i nästa nummer.
Vid tillverkning av tjockare folier, skivor och plattor förgrenas extruderns
runda sträng och når munstyckets spalt
som ger en rektangulär profil (slit distributor die). Den extruderade skivan passerar en kalander bestående av tre valsar
för att få en jämn yta och för att avkylas.
utmatningshastighet regleras med ett strypelement i munstycket.
En enklare typ av munstycke har en fördelningskanal med konstant tvärsnittsyta.
Bättre resultat fås emellertid med en
fördelningskanal som har en avtagande
tvärsnittsyta. Denna typ av munstycke
är numer vanligare och kallas ”klädhängaremunstycket” (coathanger die). Utöver
nämnda munstycken förkommer andra i
specialtillämpningar (till exempel beläggning av kabel och flerskiktsmunstycken).
PLASTSMÄLTANS
Inställning av munstycke med strypelement
Kalibrering
■ Vid kabelmantling bestäms produktens yttre diameter av munstyckets inre
diameter samt extruderings- och avdragningshastigheten. Vid extrudering
av ett rör bestäms inte den inre diametern av en metallkärna som vid kabelmaltning utan röret måste kalibreras
till önskad dimension.
Man skiljer mellan inre och yttre kalibrering. Trots att en inre kalibrering av
ett rör är fördelaktigare när det gäller
spänningsfördelningen används den
sällan, eftersom den är komplicerad
och svårhanterlig. Vid rörtillverkning är
därför den yttre kalibreringen, det vill
säga kraven på den yttre diameterns
måttriktighet, viktigast. Det går inte att
kombinera en inre och en yttre kalibrering.
Principen för mantling av kabel
Vakuumkalibrering
Man använder sig huvudsakligen av
två system vid kalibrering: vakuumkalibrering och tryckkalibrering. Den förra
metoden är numer helt dominerande.
och baseras
på ett patent från 1958. Metoden används för olika typer av profiler och rör
kan ha en ytterdiametrar upp till 2 000
mm. Smältan dras in i kalibreringsenheten där den sugs mot kalla väggar
med hjälp av vakuum. Väggarna bestämmer den yttre dimensionen.
Då extrudatet förs in i vakuumanläggningen är plasten fortfarande varm
och mjuk men har kylts något under en
sträcka av några centimeter. För att hindra inträngning av luft har extrudatet,
som lämnar munstycket 10–20 % större rördiameter än kalibreringsspaltens
diameter. Extrudatet förs in i en vattenkyld metallhylsa och det sugs mot
hylsans yta med hjälp av vakuum.
Då röret lämnat kalibreringszonen
kyls det ytterligare i ett långt vattenbad
för att stabiliseras. Ökade produktionshastigheter och högre toleranskrav har
lett till långa kalibreringszoner av upp
till 12 m.
VAKUUMMETODEN ÄR SÄKRAST
ett inre tryck
är en äldre metod, som fortfarande är i
bruk. Ett övertrycket i röret pressar
dess yta mot en vattenkylda hylsa.
Tryckluften tillförs genom ett rörmunstycke och tryckfall förhindras med en
glidpropp.
Ett alternativ till hylsor, som används vid vakuumkalibrering är att införa skivliknande lameller med hål i
mitten. Det varma extrudatet passerar
först genom en mässings- eller teflonbelagd ring och passerar därefter lameller med hål som succesivt minskar.
KALIBRERING MED HJÄLP AV
Tryckkalibrering
Fördelningskanalens utformning
Samextrudering
Klädhängaremunstycke
60
■ Extrudering av ett enskilt material
möter inte alltid de krav som ställs när
det exempelvis gäller kombinationen
hög hållfasthet och gastäthet. Ett samextrudat av polypropen och EVOH kan
vara en lösning eftersom PP står för
hållfastheten och EVOH för gastätheten. Samextrudering kan också motiveras av ekonomiska skäl genom att laminera ett billigt material med ett högvärdigare. Det billiga materialet kan
exempelvis utgöras av ett återanvänt
material (recirkulat), som omges av ett
högvärdigare. Extruderingen leder då
till ett laminat med tre skikt, vilket det
vanliga när man tillverkar sopsäckar genom filmblåsning, som beskrivs i nästa
nummer.
Vid samextruderingen plasticeras
varje material i sin egen extruder. I ett
speciell utformat spruthuvud transporteras smältorna i sina separata fördelningskanaler. Smältorna förs samman
just innan de lämnar munstycket. Man
har idag åstadkommit laminat med upp
till sju skikt med denna metod.
FORTSÄTTNING I NÄSTA NUMMER
PLASTFORUM 9 2005