Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

8. fejezet - EXTRÚZIÓ

8. fejezet - EXTRÚZIÓ

Ahogyan a kalanderezés eljárása a polimertechnikában a fémek lemezhengerlési technikájához hasonlít, úgy a polimerek extrúziójának technikáját is kapcsolhatjuk a fémek rúdsajtolásához. Valóban, a polietilén cső extrúziójához hasonló technológiával extrudált ólomcsövet használtak a vízvezetékeknél már több mint 200 évvel ezelőtt is. A PVC ablakszárny-profilhoz hasonló extrudált alumíniumprofilok ma is használatosak, főleg ipari építményekben. A fémek szakaszos, viszonylag alacsony hőmérsékletű rúdsajtolása és a polimer ömledékek folyamatos üzemű extrúziója között azonban igen sok különbség van, főleg a technikai, gépészeti megoldásokban.

Az extrúzió a polimerfeldolgozás leghatékonyabb, legjelentősebb technológiája, amelynek során a (tipikusan hőre lágyuló) polimert az extruder

  • képlékeny állapotba hozza, majd a viszkózus ömledéket

  • homogenizálja, s ha kell, gáztalanítja, ezután

  • nyomás alá helyezi (komprimálja),

  • adott, változatlan keresztmetszetű, nyitott szerszámon keresztülsajtolja, a továbbiakban a követő-berendezésekkel

  • méretállandóságot biztosítva lehűti, s így

  • állandó keresztmetszetű polimerterméket gyárt tetszőleges hosszúságban, folytonos üzemben.

Az extrúzió terméke lehet lemez, fólia, cső, szál, vagy többszörösen összetett üreges termék, amilyen pl. egy többszekrényes, hőszigetelő PVC ablakprofil.

A korai elektrotechnika megjelenése a 19. század közepén hozta magával a polimer extrúzió technikáját: dugattyús extruderrel készítettek gumibevonatot rézhuzalra már 1849-ben. Az első csigás extruder (ld. 1.1 ábra, 16. oldal) is elektromos vezetékek bevonására volt hivatott. A hőre lágyuló polimerek extrúziójának technológiája a PVC megjelenéséhez kötődik az 1930-as évek közepén. Ekkortájt bontakozott ki az extrudercsiga szerepe a folyamatos üzemű, ömledékállapotú keverésben, ekkortájt kezdték megismerni és leírni a viszkoelasztikus polimer ömledék áramlási jellegzetességeit, folyadék-mechanikáját, és innentől kezdve lépett mindez gyümölcsöző kölcsönhatásba az extruder gépkonstruktőrök munkájával. Az extruder szerkezetét a 8.1 ábra, távlati képét a 8.2 ábra mutatja be. Figyeljük meg a 8.1 ábrán az alul beépített meghajtómotort, a jobboldalon helyet foglaló hajtóművet és a tipikusan jobbról bal felé szállító csigát.

Az egycsigás extruder felépítése

8.1 ábra: Az egycsigás extruder felépítése [8.8] fent: külső megjelenés; lent: belső szerkezet Alul a gépalapban: meghajtómotor, jobboldalt: hajtómű, a tölcsér alatt: garat (vízzel hűtve), az öt fűtőzóna fűtése: elektromos, hűtése: légbefúvással

Tipikus egycsigás extruder „3D” képe

8.2 ábra: Tipikus egycsigás extruder „3D” képe [8.10]

8.1 Az extrudálás technikájának alapfogalmai

Az extruder tehát nem egyszerűen olvasztó-ömlesztő és az ömledéket szállító szivattyú, ill. kompresszor szerepű gép. A folyamatos üzemben – mégpedig akár hetekig – hónapokig megállás nélkül – működő extrudercsiga (extruder screw, Extruder-Schnecke) egymás utáni szakaszai (zónái) valósítják meg az extruder legfontosabb funkcióit.

Ahogyan azt a 8.3 ábrán láthatjuk, a legegyszerűbb extrudercsigán három zónát figyelhetünk meg (ismét az anyagszállítás irányában, jobbról balra):

8.1. táblázat - Extrudercsigák zónái és funkciói

Csiga zónákFunkciók
etető vagy „behúzó” zóna a polimer granulátum betáplálása, az ömlesztés kezdete,
sűrítő (kompressziós) zóna az ömlesztés folytatása, befejezése, sűrítés (komprimálás), homogenizálás,
homogenizáló, kiszállító zóna a homogenizálás befejezése, kisajtolás megemelt nyomáson

Az extrudercsiga tehát lényegében egy menetes orsó, (többnyire jobbmenetű), „ritka vágású”, nagy menetemelkedéssel, a menetemelkedés egy fordulatra általában megegyezik a csiga külső átmérőjével. Ez a csiga laza illesztéssel forog az extruder hengerben (a rés mérete tipikusan 0,005 D) amelyet több szakaszra osztva villamos fűtéssel fűtenek, és amelynek temperálásához szükséges hűtést rendszerint levegőhűtés adja (ezek a hűtő-befúvó csonkok láthatók a 8.1 ábrán is). Az extruder henger etetőnyílásának (garatjának) környékét vízhűtéssel hűtik a csapágyazás túlmelegedésének elkerülése céljából.

A 8.3 ábrán látható sematikus extrudercsiga a három zóna három fő funkcióját úgy valósítja meg, hogy a csavarorsó magátmérője a középső zónában határozottan megnövekszik. A kompresszió funkciója természetesen nemcsak

  • mag-progresszív, hanem

  • szög-degresszív csigával is, sőt

  • a menetszárny szélességének megváltoztatásával

is megvalósítható. A második esetben a menetemelkedés szögét csökkentjük, a harmadik esetben a menetárok „térfogatát” a vállszélesség növelésével csökkentjük.

Az extrudercsiga zónái

8.3 ábra: Az extrudercsiga zónái. (Jobbról balra: behúzó zóna; kompressziós zóna; kiszállító zóna) [8.5]

A 8.4 ábra fotóján tipikus kiszállító zónák, különféle csiga-végződések láthatók. Feltűnő, hogy ebben a zónában a menetárok mélysége csak egy tizede a menetszélességnek. A kiszállító zóna hossza tipikusan 5...7 D, a teljes csigahosszat pedig L/D = 20...30 arány jellemzi. A D=25 mm-es átmérőjű extrudercsiga laboratóriumi extrudert jellemez. Ilyen méretű csigája van a BME Polimertechnika és Textiltechnológia Tanszék extruderének is (6.8 ábra, 175. old.) Az ipari extrudercsiga átmérője akár 250 mm-t is elérheti (ld. 8.30 ábra, 221 oldal). A laborextruder ömlesztőteljesítménye néhány kg/ó, míg a legnagyobb extruderek gyártókapacitása az 1500 kg/ó-t is meghaladhatja.

A 8.4 ábra fotója nemcsak eltérő csigavégződéseket, hanem keverőelemeket is bemutat, amelyekből sokféle konstrukciós változatot láttunk az ömledékkeverő extruderek esetében is (6.10 ábra).

Extrudercsigák tipikus végződése

8.4 ábra: Extrudercsigák tipikus végződése: (felülről) [8.6] lekerekített csiga, csúcsos csigavégződés, nyíróelemekkel végződő csiga (keverést, homogenizálást javító elem)

Az átmeneti, kompressziós zóna hossza (ld. 8.3 ábra), aránya a behúzó- és kiszállító zónához mérten, összefügg az extrudált polimer megömlesztésének időbeli lefutásával. Amint tudjuk, az amorf hőre lágyuló polimer széles hőmérséklet-tartományban lágyul és olvad meg, míg a kristályos hőre lágyulóknál ez a hőmérséklettartomány szűkebb, (lásd 5.20 ábra, 133. oldal). Ennélfogva az amorf hőre lágyuló polimert extrudáló csiga hosszabb kompressziós zónát tartalmaz, mint a kristályos hőre lágyuló polimerhez használt csigáé. Az extrudercsiga geometriája tehát a felhasználandó polimerhez illeszkedik, ilyen értelemben akár beszélhetünk PVC-hez való csigáról, és PP- csigáról is. Egy extruderhez természetesen több csigát vásárolhatunk, ha termékpalettánk széles.

Terjedőben vannak az ún. moduláris csigák is, amelyeket változtatható hosszúságú szakaszokból állítanak össze (ld. 8.5.4 fejezet, 211. oldal).