Przetwórstwo tworzyw to złożony, skomplikowany proces. Zawsze byłam pod dużym wrażeniem funkcjonalnych możliwości urządzeń przetwórczych i rezultatów uzyskiwanych dzięki ich wykorzystaniu. Wraz z postępem technologicznym oraz wprowadzaniem na rynek nowych rozwiązań nastąpił również dynamiczny rozwój większości gałęzi przemysłu. W branży zajmującej się wytwarzaniem i obróbką tworzyw sztucznych pojawiło się wiele ciekawych innowacji, które na dobre odmieniły różne procesy produkcyjne. Jednym z wartych uwagi zagadnień jest z pewnością wytłaczanie tworzyw - metoda stosowana aktualnie na bardzo szeroką skalę.

Wytłaczanie ma wśród sposobów przetwórstwa tworzyw polimerowych największe znaczenie, gdyż przetwarza się dzięki niemu ponad 50% produkowanych materiałów. Wbrew pozorom nie jest to proces prosty do przeprowadzenia w praktyce. Wiele razy miałam okazję się przekonać, że już samo urządzenie do wytłaczania jest obiektem trudnym do sterowania. Problemy mogą wyniknąć już w układzie uplastyczniającym wytłaczarki lub w procesie formowania materiału polimerowego; często jest też tak, że kłopoty generowane są przez czynniki niezależne od przetwórcy (np. wahania napięcia zasilającego czy też agresywne warunki panujące w maszynie, takie jak wysoka temperatura, duże ciśnienie, znaczne naprężenia ścinające oraz obecność różnych napełniaczy), które powodują przyśpieszone zużycie maszyn przetwórczych.

Według najbardziej popularnej definicji, wytłaczanie to proces technologiczny formowania półproduktów lub gotowych wyrobów, polegający na wciskaniu uplastycznionego tworzywa przed dyszę wytłaczarki, która nadaje gotowy kształt formowanemu przekrojowi. Zgodnie z innym wyjaśnieniem, przez pojęcie wytłaczania rozumie się ciągły proces otrzymywania wyrobów lub półwyrobów (w postaci profili, płyt lub folii) z tworzyw polimerowych, polegający na uplastycznieniu materiału w układzie uplastyczniającym wytłaczarki, a następnie jego ukształtowaniu poprzez wyciskanie przez odpowiednio ukształtowany ustnik znajdujący się w głowicy. W wielkim skrócie, chodzi tu o wytwarzanie elementów z tworzyw sztucznych i nadawanie im określonych wymiarów oraz kształtów. Osiąga się przy tym wydajność powyżej 1 tys. kg/h, a materiałem wyjściowym są tworzywa w postaci granulatu, proszku, płatków lub wiórów.

Proces wytłaczania prowadzi się z 2 powodów. Po pierwsze, w celu formowania - uplastyczniony materiał na skutek dużego ciśnienia wytworzonego w układzie uplastyczniającym wytłaczarki jest przeciskany przez ustnik, który nadaje żądany kształt formowanemu tworzywu. Do procesów formowania materiałów jednorodnych stosowane są zwykle wytłaczarki jednoślimakowe. Do wytłaczania tworzyw wrażliwych termicznie (jak np. PVC) stosuje się również wytłaczarki dwuślimakowe przeciwbieżne lub planetarne, natomiast do formowania tworzyw modyfikowanych oraz kompozytów polimerowych - wytłaczarki dwuślimakowe współbieżne. Po drugie, w celu mieszania; wytłaczarki (głównie dwuślimakowe współbieżne, a w mniejszym stopniu także przeciwbieżne) są bowiem bardzo dobrymi urządzeniami mieszającymi.

Jak odbywa się proces wytłaczania?

Tworzywo polimerowe, np. w postaci granulatu, podawane jest do leja zasypowego wytłaczarki, skąd grawitacyjnie lub za pomocą odpowiednich podajników ślimakowych transportowane jest do cylindra. W cylindrze, w wyniku ciągłego ruchu obrotowego ślimaka, materiał jest transportowany w kierunku głowicy. W pewnym momencie tworzywo dostaje się do ogrzewanej strefy cylindra, gdzie ulega stopieniu, a następnie homogenizacji materiałowej i termicznej. Jednorodny stop podawany jest z odpowiednią prędkością do głowicy, gdzie materiał jest formowany przyjmując kształt ustnika. Wytłoczka jest chłodzona, a później cięta na odcinki o odpowiednim wymiarze lub nawijana na bębny, szpule itp.

Zastosowanie wytłaczania
Wytłaczanie jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych metod przetwórstwa tworzyw polimerowych, znajdującą zastosowanie przede wszystkim w produkcji różnego typu rur, płyt, taśm czy folii. Ponadto, proces wykorzystuje się do wytwarzania różnego rodzaju pojemników i butelek oraz do powlekania kabli elektrycznych. Wytłaczarki są obecne w wielu gałęziach przemysłu. Używa się ich w obróbce metali, tworzyw sztucznych, materiałów ceramicznych; spotykane są też często w branży spożywczej oraz farmaceutycznej. Przedmioty, które otaczają nas w codziennym życiu (m.in. profile, parapety) to produkty otrzymywane właśnie przy zastosowaniu wytłaczarek. Warto zatem bliżej przyjrzeć się tym maszynom.

Urządzenie do wytłaczania
Wytłaczarka składa się z 3 podstawowych układów: napędowego, sterowania i plastyfikującego. Zwykle dodatkowo posiada specjalny zasobnik na surowiec (np. podajnik wolumetryczny lub grawimetryczny), a także szereg komponentów pomocniczych. W procesie wytłaczania bardzo ważną rolę odgrywa układ plastyfikujący, który stanowi istotny element każdej wytłaczarki. Składa się on ze ślimaków i cylindra. Wyróżniamy kilka rodzajów ślimaków: stożkowy, równoległy, współbieżny i przeciwbieżny. Konkretny typ dobierany jest adekwatnie do specyfiki przetwarzanego surowca; ślimak odpowiada bowiem za jakość i konsystencję uzyskanego tworzywa. Bierze też udział w uplastycznianiu materiału oraz powoduje jego homogenizację, czyli dokładne wymieszanie składników w celu uzyskania jednorodnej masy.

Rodzaje wytłaczania
Wytłaczanie autotermiczne - tworzywo w układzie uplastyczniającym wytłaczarki nagrzewane jest bezpośrednio wskutek tarcia zewnętrznego granulek materiału o siebie nawzajem oraz o powierzchnie robocze cylindra i ślimaka, a także tarcia wewnętrznego makrocząsteczek polimeru i cząstek napełniacza. Zaletami procesu są: wysoka sprawność energetyczna i niskie jednostkowe zużycie energii, dobra homogenizacja, duże natężenia przepływu tworzywa, krótki czas przebywania materiału w układzie uplastyczniającym. Proces ten stosuje się do wytłaczania tworzyw olefinowych. Mimo że w ostatnich latach coraz wyraźniej mówi się o zaletach i możliwościach tego rodzaju wytłaczania, to jednak wykorzystanie wytłaczarek działających autotermicznie ogranicza się w zasadzie do otrzymywania folii i powlekania izolacją różnego rodzaju przewodów - m.in. kabli elektrycznych i telekomunikacyjnych.

Wytłaczanie porujące - wytłaczanie tworzyw porowatych różni się od wytłaczania tworzyw litych tym, że wytworowi w wyniku procesu przetwórczego nadaje się strukturę dwufazową tworzywo-gaz o możliwie małych i równomiernie rozmieszczonych pęcherzykach gazu. Strukturę porowatą uzyskuje się po wprowadzeniu do tworzywa środka porującego (w postaci gazu obojętnego, cieczy niskowrzącej lub ciała stałego), który jeśli jest w stanie ciekłym lub stałym, przechodzi w gaz w określonych warunkach procesu wytłaczania. Gdy w odpowiedniej temperaturze rozpoczyna się wydzielanie gazu, tworzące się liczne mikrobanieczki ulegają natychmiast (dzięki wysokiemu ciśnieniu i rozwinięciu powierzchni) rozpuszczeniu w otaczającym tworzywie. Strumień przetwarzanego materiału wraz z rozpuszczonym w nim gazem jest transportowany pod ciśnieniem do głowicy wstępnie formującej wytwór. Ciśnienie to powinno być na tyle duże, by aż do wylotu z dyszy głowicy wytłaczarskiej gaz nie wydzielił się w postaci odrębnej fazy (mikrobanieczek) w strumieniu tworzywa. Środek porujący dobiera się odpowiednio do rodzaju surowca w ten sposób, aby temperatura jego rozkładu była wyższa od temperatury topnienia tworzywa, ale niższa od temperatury wytłaczania tworzywa.

Wytłaczanie powlekające - proces ten należy do najstarszych odmian wytłaczania. Za jego pomocą można powlekać tworzywami różne kształtowniki, rury i taśmy, ale przede wszystkim kable elektryczne i telekomunikacyjne. Proces powlekania odbywa się w głowicy wytłaczarskiej kątowej lub też za nią. W procesie tym łączą się adhezyjnie 2 materiały: przemieszczający się ruchem prostoliniowym kabel i przepływające tworzywo. Początkowo przepływa ono pod pewnym kątem do kabla, a następnie wielokrotnie zmienia kierunek i ostatecznie otacza kabel powłoką.

Wytłaczanie z granulowaniem - procesy technologiczne tego rodzaju formowania dzielą się na wytłaczanie z granulowaniem na ciepło (w stanie plastycznym) i na wytłaczanie z granulowaniem na zimno (w stanie stałym). Tworzywa w postaci granulatu są stosowane powszechnie w wielu procesach przetwórstwa, w których wykorzystuje się przede wszystkim jednoślimakowe układy uplastyczniające.

Wytłaczanie z granulowaniem na ciepło polega na wytłoczeniu dużej liczby jednakowych prętów tworzywa o małej średnicy z natychmiastowym ich cięciem obrotowym nieswobodnym na krótkie odcinki. W ten sposób powstaje granulat o długości porównywalnej ze średnicą, który ulega bezzwłocznemu ochładzaniu. Cięcie wytłoczyny i ochładzanie granulatu może odbywać się w komorze tnącej głowicy granulacyjnej, w strumieniu powietrza lub w wodzie. Cięcie i ochładzanie granulek w powietrzu wykorzystuje się do tworzyw o dużej przewodności cieplnej. Granulowanie w wodzie jest stosowane do tworzyw o mniejszej przewodności cieplnej - wolniej ulegają one zestaleniu i wymagają bardzo intensywnego ochładzania, co zapobiega powierzchniowemu łączeniu się ze sobą granulek.

Wytłaczanie z granulowaniem na zimno sprowadza się do wytłoczenia wielu jednakowych prętów tworzywa o małej średnicy, ochłodzenia ich w wannie poziomej napełnionej wodą lub w strumieniu wody spływającej po prowadnicy nachylonej pod pewnym kątem do osi wytłaczarki i cięciu na granulki. Takie rozwiązanie technologiczne ma jednak swoje wady: pogarsza nie tylko sprawność energetyczną procesu granulowania, ale także podwyższa inne koszty uzyskania granulatu, gdyż dodatkowo po zgranulowaniu jest konieczne oddzielenie wody od granulatu i jego suszenie. Wybór odpowiedniego procesu granulowania zależy głównie od właściwości reologicznych i cieplnych polimeru, wydajności, zużycia energii elektrycznej, niezawodności procesu i kwestii zużycia poszczególnych elementów linii technologicznej, a także od przewidywanego zastosowania otrzymanego granulatu.

Współwytłaczanie - proces polega na uzyskaniu wytłoczyny wieloskładnikowej (wielotworzywowej) z jednoczesnym użyciem co najmniej dwóch wytłaczarek i tylko jednej głowicy wytłaczarskiej. Każde tworzywo spełnia określone funkcje; np. w kształtownikach współwytłaczanych z PVC plastyfikowanego i nieplastyfikowanego, PVC nieplastyfikowany stanowi konstrukcję nośną, natomiast PVC plastyfikowany jest elementem przylgowym uszczelniającym. Współwytłaczanie stosuje się w procesie wytłaczania z rozdmuchiwaniem zarówno swobodnym, jak i w formie. W pierwszym przypadku otrzymuje się folie wielowarstwowe, natomiast w drugim pojemniki wielowarstwowe. Każda warstwa spełnia inne zadanie: jedna np. przenosi obciążenia zewnętrzne, druga stanowi barierę (chociażby dla dyfuzji tlenu), trzecia jest całkowicie obojętna względem materiału z którym ma styczność, a zadanie czwartej to pogrubianie ścianki. Za pomocą współwytłaczania powleka się głównie kable, rury i taśmy.

Globalna produkcja materiałów polimerowych stale rośnie. W szybkim tempie wyparły one inne, bardziej ekologiczne materiały z wielu obszarów wykorzystania. Rozwój chemii organicznej doprowadził do sytuacji, w której producent tworzyw może uzyskać własności wytwarzanych materiałów precyzyjnie odpowiadające wymaganiom konkretnego zastosowania. Mowa tu nie tylko o kolorze czy gęstości. Dogłębna znajomość budowy tworzyw sztucznych i umiejętność ingerowania w tę budowę pozwala wpływać na wybraną cechę późniejszego produktu końcowego. Możliwości wykorzystania tworzyw sztucznych w znacznym stopniu przyczyniają się do rozwoju innych dziedzin nauki (geofizyki, elektrotechniki i wielu innych). Te atuty przynoszą korzyści obustronne, zarówno producentom jak i odbiorcom, i są niezaprzeczalne. Wytłaczanie jest technologią, która osiąga dzisiaj bardzo szeroką skalę zastosowania, gdyż popyt na określone produkty wykonane z tworzywa polimerowego jest ogromny. Osiąganie konkretnych parametrów, a także nadawanie określonych kształtów i wymiarów możliwe jest właśnie poprzez wytłaczanie tworzyw.

Jedną z placówek zajmujących się zagadnieniem wytłaczania jest Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, która projektuje i buduje prototypowe urządzenia, aparaturę laboratoryjną oraz linie technologiczne do wytwarzania wyrobów z tworzyw polimerowych. Prowadzi m.in. pilotażową i doświadczalną produkcję wyrobów gotowych, takich jak folie, profile, kształtki, granulaty kompozytowe i nanokompozytowe. Organizuje także szkolenia dla przedsiębiorców i pracowników firm w zakresie m.in. przetwórstwa tworzyw sztucznych czy procesu wytłaczania folii opakowaniowych.

Laboratorium Technologiczne oferuje usługi w zakresie przeprowadzania prób technologicznych, badań przemysłowych i rozwojowych w skali półtechnicznej oraz wstępnej produkcji doświadczalnej w obszarze wytłaczania kompozytów polimerowych, folii płaskiej, profili, w tym rur i wężyków oraz recyklingu odpadów tworzywowych. Laboratorium dysponuje m.in. następującymi liniami wytłaczarskimi:

Linia do wytłaczania i współwytłaczania profili (litych i spienionych) z wytłaczarką W-25 i W-18 wyposażoną w nowoczesny silnik momentowy
Linia technologiczna do wytłaczania kompozytów polimerowych z wytłaczarką dwuślimakową współbieżną 2TW40 wyposażoną w system dozowania i granulacji
Linia do wytłaczania folii płaskiej z wytłaczarką W-40 doposażoną w suszarkę oraz pomiar grubości folii
Linia technologiczna do współwytłaczania profili z wytłaczarką W-45 i W-18 wyposażoną w nowoczesny silnik momentowy
Linia do zagęszczania odpadów foliowych wyposażona w wytłaczarkę W-50 i głowicę do cięcia w strumieniu wodnym.

Tekst: Marta Lenartowicz-Klik

Źródło: http://plastech.pl/wiadomosci/Wytlaczanie-charakterystyka-procesu-15911?p=2