Kunststofextrusie is een hoogvolumeproductieproces waarbij ruw plastic wordt gesmolten en tot een continu profiel wordt gevormd. Extrusie produceert artikelen zoals buizen, tochtstrips, hekwerken, dekleuningen, raamkozijnen, plastic films en platen, thermoplastische coatings en draadisolatie.
Dit proces begint met het toevoeren van plastic materiaal (pellets, korrels, vlokken of poeders) vanuit een trechter in de loop van de extruder. Het materiaal wordt geleidelijk gesmolten door de mechanische energie die wordt gegenereerd door het draaien van schroeven en door langs de loop aangebrachte verwarmingselementen. Het gesmolten polymeer wordt vervolgens in een matrijs geperst, waardoor het polymeer een vorm krijgt die tijdens het afkoelen uithardt.
GESCHIEDENIS
Extrusie van pijpen
De eerste voorlopers van de moderne extruder werden begin 19e eeuw ontwikkeld. In 1820 vond Thomas Hancock een rubberen ‘kauwmachine’ uit, ontworpen om verwerkte rubberresten terug te winnen, en in 1836 ontwikkelde Edwin Chaffee een machine met twee rollen om additieven tot rubber te mengen. De eerste thermoplastische extrusie vond plaats in 1935 door Paul Troester en zijn vrouw Ashley Gershoff in Hamburg, Duitsland. Kort daarna ontwikkelde Roberto Colombo van LMP de eerste dubbelschroefsextruders in Italië.
PROCES
Bij de extrusie van kunststoffen heeft het ruwe samengestelde materiaal gewoonlijk de vorm van nurdles (kleine kralen, vaak hars genoemd) die door de zwaartekracht vanuit een aan de bovenkant gemonteerde trechter in de loop van de extruder worden gevoerd. Additieven zoals kleurstoffen en UV-remmers (in vloeibare of pelletvorm) worden vaak gebruikt en kunnen in de hars worden gemengd voordat ze in de trechter aankomen. Het proces heeft veel gemeen met het spuitgieten van kunststof wat betreft de extrudertechnologie, hoewel het verschilt doordat het meestal een continu proces is. Hoewel pultrusie veel vergelijkbare profielen in doorlopende lengtes kan bieden, meestal met extra versterking, wordt dit bereikt door het eindproduct uit een matrijs te trekken in plaats van de polymeersmelt door een matrijs te extruderen.
Het materiaal komt binnen via de invoeropening (een opening aan de achterkant van de loop) en komt in contact met de schroef. De roterende schroef (normaal gesproken met een toerental van bijvoorbeeld 120 tpm) dwingt de plastic kralen naar voren in het verwarmde vat. De gewenste extrusietemperatuur is zelden gelijk aan de ingestelde temperatuur van het vat vanwege viskeuze verwarming en andere effecten. Bij de meeste processen wordt een verwarmingsprofiel ingesteld voor het vat waarin drie of meer onafhankelijke PID-gestuurde verwarmingszones de temperatuur van het vat geleidelijk verhogen vanaf de achterkant (waar het plastic binnenkomt) naar de voorkant. Hierdoor kunnen de plastic kralen geleidelijk smelten terwijl ze door de cilinder worden geduwd, en wordt het risico op oververhitting, wat afbraak van het polymeer kan veroorzaken, verminderd.
Extra warmte wordt bijgedragen door de intense druk en wrijving die plaatsvindt in het vat. Als een extrusielijn bepaalde materialen snel genoeg laat stromen, kunnen de verwarmingselementen worden uitgeschakeld en kan de smelttemperatuur op peil worden gehouden door alleen druk en wrijving in het vat. In de meeste extruders zijn koelventilatoren aanwezig om de temperatuur onder een ingestelde waarde te houden als er teveel warmte wordt gegenereerd. Indien geforceerde luchtkoeling onvoldoende blijkt, worden ingegoten koelmantels toegepast.
Plastic extruder doormidden gesneden om de componenten te laten zien
Aan de voorkant van het vat verlaat het gesmolten plastic de schroef en gaat door een zeefpakket om eventuele verontreinigingen in de smelt te verwijderen. De schermen zijn versterkt door een breekplaat (een dikke metalen puck waar veel gaten doorheen zijn geboord), aangezien de druk op dit punt hoger kan zijn dan 5.000 psi (34 MPa). Het schermpakket/brekerplaatsamenstel dient ook om tegendruk in de loop te creëren. Tegendruk is vereist voor uniform smelten en goed mengen van het polymeer, en hoeveel druk er wordt gegenereerd, kan worden "geknepen" door de samenstelling van het zeefpakket te variëren (het aantal zeven, hun draadweefselgrootte en andere parameters). Deze combinatie van breekplaat en zeefpakket elimineert ook het “rotatiegeheugen” van het gesmolten plastic en creëert in plaats daarvan een “longitudinaal geheugen”.
Na het passeren van de breekplaat komt gesmolten plastic de matrijs binnen. De matrijs geeft het eindproduct zijn profiel en moet zo worden ontworpen dat het gesmolten plastic gelijkmatig van een cilindrisch profiel naar de profielvorm van het product vloeit. Een ongelijkmatige stroming in dit stadium kan een product opleveren met ongewenste restspanningen op bepaalde punten in het profiel, wat bij afkoeling kromtrekken kan veroorzaken. Er kan een grote verscheidenheid aan vormen worden gecreëerd, beperkt tot doorlopende profielen.
Het product moet nu worden gekoeld en dit wordt meestal bereikt door het extrudaat door een waterbad te trekken. Kunststoffen zijn zeer goede thermische isolatoren en zijn daarom moeilijk snel af te koelen. Vergeleken met staal geleidt kunststof zijn warmte 2000 keer langzamer weg. In een extrusielijn voor buizen of pijpen wordt een afgesloten waterbad in werking gesteld door een zorgvuldig gecontroleerd vacuüm om te voorkomen dat de nieuw gevormde en nog steeds gesmolten buis of pijp instort. Bij producten als kunststoffolie wordt de koeling gerealiseerd door het doortrekken van een set koelrollen. Voor films en zeer dunne platen kan luchtkoeling effectief zijn als eerste koelfase, zoals bij geblazen filmextrusie.
Plastic extruders worden ook veelvuldig gebruikt om gerecycleerd plastic afval of andere grondstoffen te herverwerken na het reinigen, sorteren en/of mengen. Dit materiaal wordt gewoonlijk geëxtrudeerd tot filamenten die geschikt zijn om in de kralen- of pelletvoorraad te hakken en als voorloper voor verdere verwerking te gebruiken.
SCHROEF ONTWERP
Er zijn vijf mogelijke zones in een thermoplastische schroef. Omdat de terminologie in de branche niet gestandaardiseerd is, kunnen er verschillende namen naar deze zones verwijzen. Verschillende soorten polymeer hebben verschillende schroefontwerpen, waarbij sommige niet alle mogelijke zones bevatten.
Een eenvoudige plastic extrusieschroef
Extruderschroeven van Boston Matthews
De meeste schroeven hebben deze drie zones:
● Toevoerzone (ook wel de transportzone voor vaste stoffen genoemd): deze zone voert de hars naar de extruder en de kanaaldiepte is doorgaans in de hele zone hetzelfde.
● Smeltzone (ook wel de overgangs- of compressiezone genoemd): het grootste deel van het polymeer wordt in dit gedeelte gesmolten en de kanaaldiepte wordt steeds kleiner.
● Doseerzone (ook wel smelttransportzone genoemd): deze zone smelt de laatste deeltjes en mengt tot een uniforme temperatuur en samenstelling. Net als in de voedingszone is de kanaaldiepte in deze zone constant.
Bovendien heeft een geventileerde (tweetraps) schroef:
● Decompressiezone. In deze zone, ongeveer tweederde van de schroef, wordt het kanaal plotseling dieper, waardoor de druk wordt verlicht en eventuele opgesloten gassen (vocht, lucht, oplosmiddelen of reactanten) door middel van vacuüm kunnen worden weggezogen.
● Tweede meetzone. Deze zone is vergelijkbaar met de eerste meetzone, maar met een grotere kanaaldiepte. Het dient om de smelt opnieuw onder druk te brengen om deze door de weerstand van de zeven en de matrijs te krijgen.
Vaak wordt de schroeflengte gerelateerd aan de diameter ervan als L:D-verhouding. Een schroef met een diameter van 6 inch (150 mm) bij een verhouding van 24:1 zal bijvoorbeeld 144 inch (12 ft) lang zijn, en bij een verhouding van 32:1 is deze 192 inch (16 ft) lang. Een L:D-verhouding van 25:1 is gebruikelijk, maar sommige machines gaan tot 40:1 voor meer menging en meer output bij dezelfde schroefdiameter. Tweetraps (geventileerde) schroeven zijn doorgaans 36:1 om rekening te houden met de twee extra zones.
Elke zone is uitgerust met één of meer thermokoppels of RTD's in de vatwand voor temperatuurregeling. Het “temperatuurprofiel”, dwz de temperatuur van elke zone, is erg belangrijk voor de kwaliteit en kenmerken van het uiteindelijke extrudaat.
TYPISCHE EXTRUSIEMATERIALEN
HDPE-buis tijdens extrusie. Het HDPE-materiaal komt van de verwarming, in de matrijs en vervolgens in de koeltank. Deze Acu-Power-doorvoerbuis is gecoëxtrudeerd – zwart van binnen met een dunne oranje mantel, ter aanduiding van stroomkabels.
Typische plastic materialen die worden gebruikt bij extrusie omvatten, maar zijn niet beperkt tot: polyethyleen (PE), polypropyleen, acetaal, acryl, nylon (polyamiden), polystyreen, polyvinylchloride (PVC), acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) en polycarbonaat. ]
STERFTYPES
Er worden verschillende matrijzen gebruikt bij de extrusie van kunststoffen. Hoewel er aanzienlijke verschillen kunnen bestaan tussen matrijstypen en complexiteit, maken alle matrijzen de continue extrusie van polymeersmelt mogelijk, in tegenstelling tot niet-continue verwerking zoals spuitgieten.
Extrusie van geblazen film
Blaasextrusie van plastic folie
De vervaardiging van kunststoffolie voor producten als boodschappentassen en continufolie gebeurt met behulp van een blaasfolielijn.
Dit proces is hetzelfde als een regulier extrusieproces tot aan de matrijs. Er worden bij dit proces drie hoofdtypen matrijzen gebruikt: ringvormig (of kruiskop), spin en spiraal. Ringvormige matrijzen zijn de eenvoudigste en vertrouwen erop dat de polymeersmelt rond de gehele dwarsdoorsnede van de matrijs kanaliseert voordat deze de matrijs verlaat; Dit kan resulteren in een ongelijkmatige stroming. Spinmatrijzen bestaan uit een centrale doorn die via een aantal "poten" aan de buitenste matrijsring is bevestigd; terwijl de stroming symmetrischer is dan bij ringvormige matrijzen, worden een aantal laslijnen geproduceerd die de film verzwakken. Spiraalmatrijzen nemen het probleem van laslijnen en asymmetrische stroming weg, maar zijn veruit het meest complex.
De smelt wordt enigszins afgekoeld voordat deze de matrijs verlaat, waardoor een zwakke, halfvaste buis ontstaat. De diameter van deze buis wordt snel vergroot door middel van luchtdruk, en de buis wordt met rollen naar boven getrokken, waardoor het plastic zowel in de dwars- als in de trekrichting wordt uitgerekt. Het trekken en blazen zorgt ervoor dat de film dunner is dan de geëxtrudeerde buis, en lijnt ook bij voorkeur de moleculaire ketens van het polymeer uit in de richting waarin de meest plastische spanning optreedt. Als de film meer wordt getrokken dan geblazen (de uiteindelijke buisdiameter ligt dicht bij de geëxtrudeerde diameter), zullen de polymeermoleculen sterk uitgelijnd zijn met de trekrichting, waardoor een film ontstaat die sterk is in die richting, maar zwak in de dwarsrichting. . Een film die een aanzienlijk grotere diameter heeft dan de geëxtrudeerde diameter zal meer sterkte hebben in de dwarsrichting, maar minder in de trekrichting.
In het geval van polyethyleen en andere semi-kristallijne polymeren kristalliseert de film, terwijl deze afkoelt, op wat bekend staat als de vrieslijn. Terwijl de film verder afkoelt, wordt deze door verschillende sets knijprollen getrokken om deze plat te leggen tot platliggende buizen, die vervolgens in twee of meer rollen folie kunnen worden opgerold of gesneden.
Extrusie van platen/films
Vellen-/filmextrusie wordt gebruikt voor het extruderen van kunststofplaten of films die te dik zijn om te worden geblazen. Er worden twee soorten matrijzen gebruikt: T-vormig en kleerhanger. Het doel van deze matrijzen is het heroriënteren en geleiden van de stroom polymeersmelt van een enkele ronde uitvoer van de extruder naar een dunne, vlakke vlakke stroom. Zorg bij beide matrijstypen voor een constante, uniforme stroom over het gehele dwarsdoorsnedeoppervlak van de matrijs. Het koelen gebeurt doorgaans door een set koelrollen (kalander- of "koelrollen") er doorheen te trekken. Bij plaatextrusie zorgen deze rollen niet alleen voor de nodige koeling, maar bepalen ze ook de plaatdikte en oppervlaktetextuur.[7] Vaak wordt co-extrusie gebruikt om één of meerdere lagen bovenop een basismateriaal aan te brengen om specifieke eigenschappen te verkrijgen, zoals UV-absorptie, textuur, weerstand tegen zuurstofpermeatie of energiereflectie.
Een gebruikelijk post-extrusieproces voor kunststofplaten is thermovormen, waarbij de plaat wordt verwarmd tot ze zacht is (plastic) en via een mal in een nieuwe vorm wordt gevormd. Wanneer vacuüm wordt gebruikt, wordt dit vaak omschreven als vacuümvormen. Oriëntatie (dat wil zeggen het vermogen/beschikbare dichtheid van de plaat om naar de mal te worden getrokken, die doorgaans in diepte kan variëren van 1 tot 36 inch) is zeer belangrijk en heeft een grote invloed op de vormingscyclustijden voor de meeste kunststoffen.
Extrusie van buizen
Geëxtrudeerde buizen, zoals PVC-buizen, worden vervaardigd met behulp van zeer vergelijkbare matrijzen als die worden gebruikt bij extrusie van geblazen films. Er kan via de pen positieve druk worden uitgeoefend op de interne holtes, of er kan negatieve druk worden uitgeoefend op de buitendiameter met behulp van een vacuümmeter om de juiste eindafmetingen te garanderen. Extra lumina of gaten kunnen worden geïntroduceerd door de juiste binnendoorns aan de matrijs toe te voegen.
Een medische extrusielijn van Boston Matthews
Meerlaagse buistoepassingen zijn ook altijd aanwezig in de automobielindustrie, de sanitair- en verwarmingsindustrie en de verpakkingsindustrie.
Extrusie van overmanteling
Overmantelextrusie maakt het mogelijk een buitenlaag van plastic op een bestaande draad of kabel aan te brengen. Dit is het typische proces voor het isoleren van draden.
Er zijn twee verschillende soorten matrijsgereedschappen die worden gebruikt voor het coaten van een draad: buizen (of mantels) en druk. Bij het ommantelen van gereedschappen raakt de polymeersmelt de binnendraad pas vlak voor de matrijslippen. Bij drukgereedschap maakt de smelt contact met de binnendraad lang voordat deze de matrijslippen bereikt; dit gebeurt onder hoge druk om een goede hechting van de smelt te garanderen. Als intiem contact of hechting nodig is tussen de nieuwe laag en de bestaande draad, wordt drukgereedschap gebruikt. Als hechting niet gewenst/noodzakelijk is, wordt in plaats daarvan ommantelingsgereedschap gebruikt.
Co-extrusie
Co-extrusie is het gelijktijdig extruderen van meerdere lagen materiaal. Bij dit type extrusie worden twee of meer extruders gebruikt om te smelten en een constante volumetrische doorvoer van verschillende viskeuze kunststoffen af te leveren aan een enkele extrusiekop (matrijs) die de materialen in de gewenste vorm zal extruderen. Deze technologie wordt gebruikt bij elk van de hierboven beschreven processen (geblazen film, ommanteling, buizen, platen). De laagdiktes worden bepaald door de relatieve snelheden en afmetingen van de individuele extruders die de materialen aanleveren.
5:5-laagco-extrusie van een cosmetische “knijp”-buis
In veel praktijkscenario's kan één enkel polymeer niet aan alle eisen van een toepassing voldoen. Samengestelde extrusie maakt het mogelijk dat een gemengd materiaal wordt geëxtrudeerd, maar co-extrusie houdt de afzonderlijke materialen als verschillende lagen in het geëxtrudeerde product vast, waardoor de juiste plaatsing van materialen met verschillende eigenschappen zoals zuurstofdoorlaatbaarheid, sterkte, stijfheid en slijtvastheid mogelijk is.
Extrusie coating
Extrusiecoating maakt gebruik van een blaas- of gegoten filmproces om een extra laag op een bestaande rol papier, folie of film aan te brengen. Dit proces kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de eigenschappen van papier te verbeteren door het te coaten met polyethyleen om het beter bestand te maken tegen water. De geëxtrudeerde laag kan ook worden gebruikt als lijm om twee andere materialen bij elkaar te brengen. Tetrapak is een commercieel voorbeeld van dit proces.
SAMENGESTELDE EXTRUSIES
Compounding-extrusie is een proces waarbij een of meer polymeren met additieven worden gemengd om plastic verbindingen te verkrijgen. De voedingen kunnen pellets, poeder en/of vloeistoffen zijn, maar het product is meestal in pelletvorm, voor gebruik in andere kunststofvormingsprocessen zoals extrusie en spuitgieten. Net als bij traditionele extrusie is er een breed scala aan machinegroottes, afhankelijk van de toepassing en de gewenste doorvoer. Hoewel zowel enkel- als dubbelschroefsextruders kunnen worden gebruikt bij traditionele extrusie, maakt de noodzaak van voldoende menging bij samengestelde extrusie dubbelschroefsextruders vrijwel verplicht.
SOORTEN EXTRUDER
Er zijn twee subtypen dubbelschroefsextruders: meedraaiend en tegendraaiend. Deze nomenclatuur verwijst naar de relatieve richting waarin elke schroef draait in vergelijking met de andere. In de co-rotatiemodus draaien beide schroeven met de klok mee of tegen de klok in; bij tegenrotatie draait de ene schroef met de klok mee, terwijl de andere tegen de klok in draait. Er is aangetoond dat, voor een gegeven dwarsdoorsnedeoppervlak en mate van overlap (in elkaar grijpende), de axiale snelheid en de mate van menging hoger zijn in co-roterende dubbele extruders. De drukopbouw is echter hoger in tegengesteld draaiende extruders. Het schroefontwerp is doorgaans modulair doordat verschillende transport- en mengelementen op de assen zijn aangebracht om een snelle herconfiguratie mogelijk te maken voor een procesverandering of vervanging van afzonderlijke componenten als gevolg van slijtage of corrosieve schade. De machinegroottes variëren van zo klein als 12 mm tot zo groot als 380 mm
VOORDELEN
Een groot voordeel van extrusie is dat profielen zoals buizen op iedere lengte gemaakt kunnen worden. Als het materiaal voldoende flexibel is, kunnen pijpen op lange lengtes worden gemaakt, zelfs opgerold op een haspel. Een ander voordeel is de extrusie van buizen met geïntegreerde koppeling inclusief rubberen afdichting.
Posttijd: 25 februari 2022
