СПЕЦТЕМА/ ГРАНУЛЯЦИЯ И КОМПАУНДИРОВАНИЕ

Многообразие
компаундирующего
оборудования дает
возможность гибкого
формирования
технологических
процессов, в своей
основе различающихся
по характеру течения
процесса смешения,
степени автоматизации,
параметрам исходного
материала и требованиям,
предъявляемым
к получаемому на выходе
компаунду. Специалисты
ООО «Нормат»
предлагают своего рода
навигацию по миру
компаундирующей
техники
Техника
компаундирования
Основы технологии
Процесс, включающий в себя введение
добавок и наполнителей в полимерный материал, называют компаундированием, а смеси
полимеров с этими ингредиентами — компаундами. Компаунд может содержать порядка
4-10 ингредиентов, смешанных соответствующим образом для достижения успешного функционирования готового изделия. По области
применения компаунды принято разделять на
две группы: композиты, физико-механические
свойства которых формируют свойства готового изделия, и мастербачи, которые создаются
для качественного распределения компонентов
в готовом изделии.
Полимерная основа смешиваемых компонентов определяет многие физические
свойства компаундов. Не менее 50 полимеров различных марок и сотни добавок
дают возможность модифицировать набор
ключевых свойств полимерного изделия.
Как полимеры, так и добавки выпускаются
в различных формах (гранулы, порошки,
жидкости) и имеют широкий диапазон температур плавления и термических свойств.
Такое разнообразие материалов и их свойств
является причиной разнообразия процессов
компаундирования.
С точки зрения физико-химических процессов все процессы компаундирования классифицируются в соответствии с базовыми научными
законами и параметрами:
— дисперсионное смешение, то есть дробление агломератов до уровня порошков;
— дистрибутивное смешение, то есть достижение высокой степени однородности в полимерной матрице;
62
ПЛАСТИКС №5 (111) 2012
Фото Coperion
СПЕЦТЕМА/ГРАНУЛЯЦИЯ И КОМПАУНДИРОВАНИЕ
— термическое регулирование, то есть установление устойчивого температурно-временного
профиля при течении системы (расплава), состоящей из полимера и добавок.
Каждое изменение, происходящее с материалом при компаундировании, так или иначе
связано именно с этими тремя основными процессами: дисперсионное смешение, дистрибутивное смешение и термическое регулирование.
Очень часто эти процессы происходят одновременно, однако есть композиции, при компаундировании которых протекает лишь один из
перечисленных процессов.
Оптимальное смешение и оптимальное
компаундирование полимеров и добавок являются важнейшими операциями при производстве полимерной композиции. Выбор
оборудования и технологии производства
компаунда напрямую зависит от исходного
состояния и параметров полимерного материала и добавок, а также от желаемых свойств
конечного продукта.
Технику, предназначенную для выполнения
процессов компаундирования, можно разделить
на пять основных групп:
— одношнековые экструдеры;
— двухшнековые экструдеры;
— смесители непрерывного действия;
— смесители периодического действия;
— резиносмесители.
Компаундирование термопластов
Технология и аппаратное оформление процесса смешения зависят от физического состояния, параметров, технологических свойств
исходных компонентов и параметров структуры
полимерного компаунда.
www.plastics.ru
Исходные компоненты
могут находиться в трех различных состояниях: твердом
(сыпучем), жидком и вязкопластическом, что определяет
выбор смесительного оборудования и механизма процесса
смешения.
Компаунды на основе термопластичных полимеров
можно готовить путем холодного и горячего смешения,
периодическим или непрерывным способом. Первый,
так называемый «метод сухих
смесей», заключается в смешении жидких и твердых добавок
и наполнителей с полимерной
матрицей до получения сыпучей порошкообразной массы с
равномерно распределенными
ингредиентами для последующей переработки обычными
методами. Оборудование, необходимое для данного вида
смешения: барабанные смесители, лопастные смесители,
Z-образные смесители, смесители с механическим псевдоожижением.
Для приготовления жидких
и пастообразных полимерных
масс, например ПВХ-паст,
используются аппараты с мешалкой.
Как правило, для достижения высокого качества смеси
термопластичного полимера
с добавками и наполнителями смешение происходит в
пластическом состоянии. В
процессе пластикации предварительно смешанная в сухом
состоянии полимерная масса
расплавляется и гомогенизируется. Среди используемых для
этого процесса машин следует
различать работающие в периодическом режиме смесителипластикаторы и вальцы, а также работающие в непрерывном
режиме экструдеры различных
типов.
Смесители-пластикаторы
требуют больших энергетических затрат и ограничены
предельным объемом загрузочной камеры. Пластосмесители же используются в
www.plastics.ru
СПЕЦТЕМА/ГРАНУЛЯЦИЯ И КОМПАУНДИРОВАНИЕ
основном для изготовления
смесей с высоким содержанием наполнителей.
Использование вальцев
только в качестве смесителя экономически нецелесообразно, поскольку для
обслуживания такой машины требуется постоянное
присутствие оператора. Для
улучшения смешения оператор вынужден методично
надрезать образующийся на
более горячем валке свальцованный лист, а обрезанную
кромку снова направлять в
вальцы. Однако для некоторых смесей ПВХ смесительные вальцы и по сей день выступают в качестве основного
типа пластикатора.
Непрерывный процесс смешения наиболее прогрессивен
и заключается в смешении исходных компонентов в объеме
аппарата под воздействием
рабочих органов, получении
готового материала заданного
качества смешения и непрерывной его выгрузке или получении непрерывного изделия,
например, профиля.
Для непрерывного смешения чаще всего используются
экструдеры различных типов:
одно- и двухшнековые, осциллирующие и дисковые, с различными типами смесительных элементов.
Получение компаундов на
экструзионном оборудовании,
как правило, протекает при высоких скоростях. Процесс высокоскоростной экструзии для
компаундирования материалов
в течение многих лет осуществлялся на двухшнековых экструдерах. На одношнековых
экструдерах высокоскоростная экструзия не применялась
в промышленных масштабах
вплоть до 1995 года. Двухшнековые экструдеры, используемые для компаундирования,
обычно эксплуатируются при
скоростях вращения шнека в
пределах от 200 до 500 об./мин.;
в некоторых случаях — вплоть
до 1000 об./мин. Одношнеко-
На правах рекламы
ПЛАСТИКС №5 (111) 2012
63
СПЕЦТЕМА/ГРАНУЛЯЦИЯ И КОМПАУНДИРОВАНИЕ
Рисунок 1. Одношнековый
экструдер-смеситель Buss MX
64
вые же экструдеры — при скоростях вращения
шнека от 50 до 150 об./мин.
Приблизительно с 1995 года некоторые производители экструдеров предприняли меры по
разработке высокоскоростных одношнековых
экструдеров, и в настоящее время они успешно используются в промышленности. Теперь
можно достичь одинакового качества распределительного и дисперсионного смешения как
на двухшнековых, так и на одношнековых экструдерах.
Логично, что следующим этапом стала разработка конструкции одношнековых компаундирующих (смесительных) экструдеров для
тех случаев применения, для которых сегодня
используются двухшнековые экструдеры. Новейшие одношнековые экструдеры могут использоваться для прямого экструдирования
высоконаполненных полиолефинов и других
полимеров. На таких компаундирующих экструдерах перерабатывают высоконаполненные
материалы, обеспечивая при этом довольно высокое значение давления в выходном отверстии.
Поэтому экструдеры данного типа могут использоваться для прямых операций экструдирования
труб, листов или профилей без необходимости
применения насоса расплава. В конструкции
одношнекового компаундирующего экструдера вдоль длины материального цилиндра располагается большое количество отверстий, через
которое осуществляется введение в материал наполнителей и добавок, а также удаление летучих
компонентов.
По сравнению с двухшнековыми одношнековый компаундирующий экструдер обладает
рядом преимуществ:
— меньше затраты на приобретение;
— более дешевая эксплуатация;
— нужны менее квалифицированные операторы;
— возможность прямого экструдирования
без применения шестеренчатого насоса.
Существуют конструкции одношнековых экструдеров, в которых на вращательное
движение вала шнека налагается возвратно-
ПЛАСТИКС №5 (111) 2012
поступательное осевое движение. Спираль
шнека разделена на сегменты, которые расположены таким образом, что выступающие в полость цилиндра смесительные гребни в процессе
движения не соприкасаются со шнеком. Смешивающему и пластифицирующему действиям
способствуют значительные сдвиговые усилия
и относительные смещения массы во всех направлениях. Для равномерной выгрузки массы
к такому смесителю подключается шнековый
агрегат.
Ярким примером описанной конструкции
могут служить новые производительные смесители Buss серии MX (представляют собой
модернизацию конструкции универсальных
смесителей MKS) (рис. 1). Данный смеситель
имеет четвертную нарезку шнека и четыре ряда
игл в цилиндре в дополнение к тем, которые
есть в традиционном пластикаторе. Нарезка шнеков более глубокая для обеспечения
большего объема, необходимого для усиления
эффекта смешения и распределения наполнителей даже при высокой производительности.
Использование четырехмоторного привода позволило в данной серии смесителей увеличить
скорость вращения шнеков с 300 до 800 об./
мин. Данные усовершенствования позволили
увеличить производительность пластикатора в
2,5 раза при эквивалентном размере установки.
Поколение смесителей MX было разработано
с единственной целью: значительно повысить
эффективность высококачественного компаундирования, в то же время улучшая качество
продукции. Производительность одношнековых компаундеров данной серии составляет
35-4500 кг/час. Данное оборудование активно
используется для получения высококачественных кабельных компаундов на основе полиолефинов, производства специальных маточных смесей, а также для получения компаундов
на основе ПВХ.
Двухшнековые экструдеры
Однако в настоящее время основную долю
оборудования для получения компаундов на
основе термопластичных полимеров занимают
двухшнековые экструдеры. Смесительный эффект в экструдере обеспечивается двумя шнеками, расположенными параллельно в цилиндре и вращающимися навстречу друг другу или
в одном направлении. При вращении шнеков
навстречу они работают как вальцы, при этом
материал подается и вдоль шнеков. Сдвиг и
перетирание материала происходит как между
витками шнеков, так и в зазоре между шнеками и корпусом цилиндра. Величина обратного
потока материала возрастает с увеличением
расстояния между шнеками и усиливает смесительный эффект.
www.plastics.ru
плавления и дегазации. Недостатком моделей
является их чрезмерная сложность. Теория
процессов в двухшековых экструдерах разработана не так хорошо, как для одношнековых
экструдеров. Поэтому трудно предсказать работу
двухшнекового экструдера, основываясь лишь
на знании геометрии шнека, свойств полимера
и условий переработки; и наоборот, трудно подобрать оптимальную геометрию шнека, когда
требуется определенный режим работы в конкретных случаях применения экструдера. Такая
непростая ситуация приводит к использованию
двухшнековых экструдеров модульной конструкции, которые имеют съемные элементы шнека
и цилиндра. Конструкция шнека может быть
трансформирована путем изменения порядка
установки элементов шнека вдоль оси. Таким
образом, может быть соединено практически
неограниченное число шнеков различной геометрии. Следовательно, модульная конструкция
обеспечивает отличную гибкость машины, что
позволяет оптимизировать геометрию шнека и
цилиндра для каждого конкретного случая использования экструдера. Однако, к сожалению,
использование модульных шнеков и цилиндра
приводит к значительному увеличению стоимости экструдера.
На правах рекламы
На правах рекламы
При вращении шнеков в одном направлении и полном зацеплении достигаются большие
сдвиговые деформации, поэтому можно смешивать материалы с очень высокой вязкостью.
Такие экструдеры используют для получения полимерных материалов с высоким содержанием
наполнителей.
Двухшнековые экструдеры различных
конструкций используют также для специальных операций по переработке полимеров.
Так, высокоскоростные экструдеры с двумя
зацепляющимися однонаправленно вращающимися шнеками используют при смешении
и дегазации, а также как химические реакторы. Они работают при высокой частоте вращения шнеков, обычно от 300 до 600 об./мин.,
хотя существуют экструдеры такого же типа,
которые могут работать при еще большей частоте — от 1200 до 1400 об./мин. Очевидно,
что не все полимеры могут быть переработаны
при таких высоких скоростях.
Модели течения полимера в двухшнековых
экструдерах с учетом утечек в зоне зацепления
шнеков имеют ряд существенных преимуществ.
Например, они дают возможность описать хорошее смешение и теплопроводность, регулировку температуры сырья, высокую способность
СПЕЦТЕМА/ГРАНУЛЯЦИЯ И КОМПАУНДИРОВАНИЕ
Фото Coperion
ПЛАСТИКС №5 (111) 2012
www.plastics.ru
65
СПЕЦТЕМА/ГРАНУЛЯЦИЯ И КОМПАУНДИРОВАНИЕ
Рисунок 2. Двухнешнековый
компаундер ZSE 60 MAXX
В настоящее время слово «компаундер» чаще
всего ассоциируется с двухшнековым экструдером с зацепляющимися шнеками с одинаковым
направлением вращения. Данная модификация
двухшнековых экструдеров получила наибольшее распространение в производстве пластмасс.
Шнеки этих экструдеров изготавливаются наборными и состоят из винтовых (транспортных)
элементов с различным шагом, чередующихся
с секциями из смесительных элементов. Элементы винтовых и смесительных секций устанавливаются на вал шнека в определенной последовательности. Такая конструкция шнековых
элементов позволяет, подбирая нужную последовательность профилей различных участков, производить на машине различные технологические
операции: смешение, пластикацию, диспергирование, дегазацию в любой необходимой последовательности. Наборная конструкция шнеков
позволяет осуществлять моделирование процесса смешения различных полимерных материалов и наполнителей, добиваясь наибольшей
эффективности процесса в каждом конкретном
случае. Цилиндр экструдера также состоит из
отдельных секций, соединяемых между собой.
Существуют секции с загрузочным окном для
ввода полимерного материала, различных добавок и стабилизаторов, для ввода наполнителя
часто используются отверстия в секциях цилиндра, отверстия с патрубками служат для удаления летучих и газообразных продуктов. Данная
конструкция цилиндров также позволяет более
Рисунок 3. Схема
эффективно моделировать процесс смешения.
работы планетарного
Сегодня усовершенствование современных
экструдера (источник —
компаундеров идет в направлении увеличения
ENTEX Rust & Mitschke)
вращающего
момента шнеВнутреннее
Темперированный цилиндр
ков и свободтемперирование
ного объема
шнековых
элементов (соотношение
наружного и
Вращающиеся
внутреннего
шнеки
диаметров) для
планетарной
увеличения
Охлажденный передачи
центральный шнек
п р о п ус к н о й
Внешнее
темперирование
способности
и производи-
66
ПЛАСТИКС №5 (111) 2012
тельности оборудования, снижения энергопотребления и повышения уровня автоматизации
процесса. Фирмой Coperion был продемонстрирован новый двухшнековый экструдер ZSK
MEGAvolume PLUS, который сочетает большой
свободный объем шнеков со значительно более
высоким вращающим моментом. Свободный
объем шнеков больше, поэтому сдвиговые напряжения полимерного материала при смешении значительно меньше.
Немецкая компания Leistritz Extrusionstechnik провела модернизацию двухшнекового одновременно вращающегося экструдера ZSE Maxx,
который сочетает высокий вращающий момент
и большую степень наполнения шнеков (рис. 2).
Новый редуктор прибавил шнеку 30 процентов
вращающего момента по сравнению с предыдущими моделями. Leistritz также создает свою
самую большую установку Maxx с диаметром
шнека 135 мм.
В качестве компаундеров также используются многошнековые планетарные экструдеры
(рис. 3). Планетарные экструдеры применяются
для производства компаундов на основе ПВХ,
АБС, полиолефинов, полиуретанов, каучуков.
Малые сдвиговые усилия, хорошие смесительные способности и хорошие дегазирующие способности планетарного экструдера позволяют
перерабатывать полимеры с низкой термостабильностью и высоким содержанием наполнителей. Множество фирм занимается производством и разработкой планетарных экструдеров,
однако из-за высокой стоимости оборудования
и сложности конструкции данные установки
имеют небольшое распространение.
Не так давно компания ENTEX Rust &
Mitschke представила два новых больших планетарных экструдера (рис. 4). У модели 280 восемь
больших шпинделей, у модели 400 — 14. ENTEX
создал три установки 280 для производства смесей и прямой экструзии древесно-полимерных
композитов, содержащих до 75 процентов дерева. Более крупная модель 400 создает компаунд
из утилизированного каучука от покрышек для
прессования в форме подстилок, на которых
спят коровы.
Также следует отдельно отметить динамично развивающееся направление многошнековых кольцевых экструдеров. Конструкция
данных машин предназначена для высокого
качества смешения без применения высоких
сдвиговых усилий. Фирма Extricom (ранее
Blach) из Германии выпустила новое поколение 12-шнековых кольцевых экструдеров
с более высокой пропускной способностью.
Двенадцать шнеков, находящихся в полном
зацеплении, вращаются в одном направлении
каждый вокруг своей оси относительно неподвижного центрального шпинделя. Таким
www.plastics.ru
ПЛАСТИКС №5 (111) 2012
образом, вместо одного осевого потока (как в
типичном двухшнековом экструдере) в кольцевом экструдере их двенадцать. Благодаря этому
дисперсионное и дистрибутивное смешение в
установках такого типа более эффективно, чем
в двухшнековых экструдерах.
Компаундирование древопластиков
материалы, прошедшие различную предварительную подготовку. Целенаправленно оптимизированные системы дегазации для смесей с
содержанием натуральных волокон до 85 процентов также соответствуют особым требованиям, предъявляемым к переработке материалов для этого быстро развивающегося сегмента
рынка.
Относительно новый двухшнековый экструдер с параллельным вращением TimberEX от
Cincinnati Milacron Extrusion Systems включает
запатентованный выходной сегмент, который
создает давление для прямой экструзии без отдельного насоса для расплава. В этом сегменте
двойные каналы уменьшаются в диаметре и
объеме, что создает две отдельные одношнековые камеры, которые становятся эффективными
насосами.
Конический роторный экструдер Conex от
компании Conenor (рис. 5) предназначен для
экструзии полимерной массы с большим содержанием волокон и отходов в композиты из
древесины и пластмассы. Особенностью данной машины является большая площадь и особая форма рабочих поверхностей, что позволяет при коротком цикле обеспечивать хорошее
измельчение древесины и хорошее смешение
компаунда.
Недавно
японской фирм о й C r e a t i ve
Technology & Extruder для переработки древесно-полимерных
композиций была
предложена комбинированная
схема конструкции экструдера, в
которой в одном
корпусе цилиндра совмещены
Рисунок 4. Двухшнековый
экструдер с обратным
вращением fiberex
Рисунок 5. Схема
конического двухроторного
экструдера Conex
На правах рекламы
Технология компаундирования термопластов и ее аппаратное оснащение может значительно различаться в зависимости от требований, предъявляемых к конечному продукту.
Ярким примером может служить производство
древесно-полимерного композита. Процесс
производства ДПК делится на одностадийный
и двухстадийный способы, и вопрос, как лучше
производить изделия — прямой экструзией или
в двухстадийном процессе, пока еще не получил
окончательного ответа.
В одностадийном процессе происходит предварительное смешение древесного волокна или
муки с термопластом, полученная смесь подается в экструдер. На выходе из экструдера расплав компаунда продавливается через фильеру
необходимой формы, сформованный профиль
калибруется и охлаждается. При использовании
двухшнекового экструдера с вращением в одном
направлении или же планетарного экструдера
для прямой экструзии обычно используют насос для расплава или же одношнековый экструдер для создания более высокого давления
для продавливания расплава компаунда через
профильную головку. В число последних разработок входят новые конструкции и размеры
экструдеров различного типа.
Компания battenfeld-cincinnati добавила к
своей линии конических вращающихся экструдеров для работы с композитами из древесины
и пластмассы при экструзии профиля параллельный двухшнековый экструдер с обратным
вращением fiberex (рис. 4).
Модульная конструкция узлов дозирования
и загрузки позволяет перерабатывать исходные
СПЕЦТЕМА/ГРАНУЛЯЦИЯ И КОМПАУНДИРОВАНИЕ
www.plastics.ru
67
СПЕЦТЕМА/ГРАНУЛЯЦИЯ И КОМПАУНДИРОВАНИЕ
Рисунок 6. Совмещение
двухшнекового
и одношнекового экструдеров
в корпусе одного цилиндра
двухшнековый и одношнековый экструдеры
(рис. 6).
В производстве ДПК нашли применение и
планетарные экструдеры, которые обеспечивают
небольшой сдвиг и высокую степень дисперсии,
что является преимуществом для компаундирования композитов из древесины и пластмассы.
Планетарные экструдеры можно использовать
для компаундирования ПВХ, а также полиолефинов. По сравнению с двухшнековыми эти экструдеры обеспечивают лучшее диспергирование
и инкапсуляцию волокна, которые нужны для
улучшения физических свойств и устойчивости
к воздействию атмосферных явлений.
Благодаря высокой производительности и
хорошим смесительным свойствам именно двухшнековые машины применяются для реализации схемы прямой экструзии термопластичных
ДПК. В них осуществляется и смешение компонентов, и продавливание приготовленной рабочей смеси в фильеру.
Экструдеры, применяемые для производства
ДПК, должны быть снабжены эффективным
устройством дегазации для отводов паров и газов
и иметь износостойкие рабочие поверхности,
например, цилиндр с глубоким азотированием
и шнек, упрочненный молибденом.
Двухстадийный процесс производства ДПК
заключается в производстве гранулированного
компаунда с последующей переработкой литьем
под давлением или экструзией.
В простейшем случае древесно-полимерный компаунд приготавливают в лопастном
Литература
1. Раувендааль К. Основы экструзии. — СПб.: изд-во «Профессия», 2011. — 279 с.
2. Шварц О., Эбелинг Ф.-В., Фут Б. Переработка пластмасс. — СПб.: изд-во «Профессия»,
2008. — 315 с.
3. Кербер М.Л., Виноградов В.М., Головкин Г.С. и др.; под ред. А.А. Берлина.
Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология. — СПб.:
изд-во «Профессия», 2008. — 560 с.
4. Торнер В.В., Акутин М.С. Оборудование заводов по переработке пластмасс. — М.:
изд-во «Химия», 1986. — 400 с.
5. Басов Н.И., Броя В. Техника переработки пластмасс. — М.: изд-во «Химия», 1985. —
528 с.
6. Айзинсон И., Екимов А. Перспективные композиции // Пластикс. — 2009. — №1-2. —
С. 36-41.
7. Новейшая технология компаундирования // Пластикс. — 2012. — №3. —
С. 20-21.
8. www.dpk-deck.ru/page/novie-mashini-compaund.html
9. www.berstorff.de
10. www.newchemistry.ru
11. www.coperion.com
68
ПЛАСТИКС №5 (111) 2012
смесителе вертикального или горизонтального
типа. Они популярны в силу невысокой цены,
простоты и надежности конструкции, но, несмотря на это, в их использовании есть много
тонкостей, влияющих на процесс компаундирования: форма лопастей, скорость движения,
температура смесителя. Лопастные смесители
позволяют получать компаунды с содержанием
древесины до 85 процентов, однако компаунд
получается не слишком плотным, внутрь него
вовлекается большое количество воздуха. Также при лопастном компаундировании невозможно распределить небольшое количество
функциональных и технологических добавок
по всему объему компаунда. Для изготовления
высококачественных изделий компаунд, полученный в лопастных смесителях, желательно
в дальнейшем перерабатывать в двухшнековых
экструдерах, обладающих хорошими смесительными способностями и мощной системой
дегазации. Принципиально возможно изготавливать древесно-полимерный компаунд и на
других типах традиционного смесительного
оборудования периодического и непрерывного действия, применяемого в отрасли переработки пластмасс и каучуков, но им присущи
многие описанные выше недостатки.
В последнее время основным смесительным оборудованием для получения древеснополимерных композитов становятся двухшнековые смесители экструзионного типа. Фактически
для производства компаунда может применяться
тот же экструдер, что и для прямой экструзии
профилей, только оборудованный гранулирующей головкой. Однако разрабатываются и
специальные двухшнековые машины, предназначенные только для производства компаунда.
Многие передовые фирмы по производству компаундирующего оборудования изготавливают
двухшнековые машины для компаундирования
ДПК, но в каждой есть свои особенности, касающиеся формы шнеков, устройства дегазации,
управления.
Продолжение в следующем номере
Compounding technique
Optimal blending and compounding of
resins and additives represent very important operations of polymer composition
production process. Blending equipment
is a core of compounding process. A great
variety of compounding equipment allows
for flexible configuration of technological
processes differing in nature of blending
process, extent of automation, parameters
of original material and requirements for
resulting compound.
www.plastics.ru