TEKNIK FÖR PROFILER A Ö. Kontinuerlig process hänger på skruven

Transkript

1 EXTRUDERING DEL 1 A Ö 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. PLASTICERINGSFÖRLOPPET 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. I VIDSTÅENDE FIGUR 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. Lars-Erik Edshammar Extruderanläggning för tillverkning av profiler PLASTFORUM

2 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 gelklumpar, som kan täppa igen munstycket. Normalt silas smältan genom en duk med hål som är 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. SILDUKEN TÄPPS IGEN 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. 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. DEN ROTERANDE SKRUVEN har flera funktioner: inmatning, transport framåt, smältning och homogenisering av plastmassan. 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. PLASTEN, SOM LÄMNAR ZON II, ska vara fullständigt smält och delvis homogeniserad och ha nått den bearbetningstemperatur, som ska gälla vid munstycket. Inom zon III, utmatningszonen, är 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. 54 PLASTFORUM

3 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. Benämning av skruvens delar 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 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 en slags korvstoppare, som tvingar materialet genom tratten (crammer, stuffer). EN VIKTIG EGENSKAP 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. Avgasningsextrudern 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/m 2. Vid avluftningshålet råder atmosfärstrycket Avgasningsextruder 0,1 MN/m 2 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. Extra blandningsanordningar Exempel på blandningselement 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 konsistens 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. 56 PLASTFORUM

4 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. 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 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 Tvärsnitt av längsspruthuvud för tillvekning av rör Spiralhuvud 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 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. FÖR ATT SMÄLTA IHOP PLASTEN 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 Cylinderuppvärmning och kylning 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 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 Rör, skivor,fi lm, plastskydd Polypropen Rör, fi brer, biaxiellt riktade fi lmer, skivor, tejp PVC Rör, slang, fönsterprofi ler, skivor Polykarbonat Varm formningsskivor, fönsterglas, profi ler 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. 58 PLASTFORUM

5 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. PLASTSMÄLTANS 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). Inställning av munstycke med strypelement Fördelningskanalens utformning 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 Tryckkalibrering Man använder sig huvudsakligen av två system vid kalibrering: vakuumkalibrering och tryckkalibrering. Den förra metoden är numer helt dominerande. VAKUUMMETODEN ÄR SÄKRAST och baseras på ett patent från Metoden används för olika typer av profiler och rör kan ha en ytterdiametrar upp till 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 % 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. KALIBRERING MED HJÄLP AV 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. Klädhängaremunstycke Samextrudering 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 60 PLASTFORUM