Экструзия (технологический процесс)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Экстру́зия (от позднелат. extrusio «выталкивание») — технология получения изделий путём продавливания вязкого расплава материала или густой пасты через формующее отверстие. Обычно используется при формовке полимеров (в том числе резиновых смесей, пластмасс, крахмалсодержащих и белоксодержащих смесей), ферритовых изделий (сердечники), а также в пищевой промышленности (макароны, лапша, кукурузные палочки и т. п.), путём продавливания формуемого вещества через формующее отверстие головной части экструдера. Двумя основными преимуществами этого процесса перед другими производственными процессами являются его способность создавать очень сложные поперечные сечения и обрабатывать хрупкие материалы, поскольку материал сталкивается только с сжимающими и сдвиговыми давлениями. Он также формирует детали с отличным качеством поверхности[1]. Процесс экструзии в металлах также может увеличить прочность материала. Продукты экструзии обычно называют «экструдатами».

История[править | править код]

В 1797 году Джозеф Брама запатентовал первый процесс экструзии для изготовления труб из мягких металлов. Он включал предварительный нагрев металла, а затем проталкивание его через штамп ручным плунжером. В 1820 году Томас Барр (Thomas Burr) применил этот процесс для свинцовой трубы с помощью гидравлического пресса (также изобретенного Джозефом Брамой). В то время процесс назывался «впрыскивание» (squirting). В 1894 году Александр Дик (Alexander Dick) расширил процесс экструзии для медных и латунных сплавов[2].

В 1990 году был изобретён процесс микроформования, который помог разработать несколько процессов микроэкструзии[3][4][5].

Описание[править | править код]

Экструзия представляет собой непрерывный технологический процесс, заключающийся в продавливании высоковязкого материала на основе расплава, либо пастообразной многофазной дисперсной системы, либо металла, через формующий инструмент (экструзионную головку, фильеру), с целью получения изделия с поперечным сечением нужной формы. В промышленности переработки полимеров методом экструзии изготавливают различные погонажные изделия, такие, как трубы, листы, плёнки, оболочки кабелей, элементы оптических систем светильников — рассеиватели и т. д. Аналогично полимерам методом экструзии изготавливаются разнообразные алюминиевые профили. Основным технологическим оборудованием для переработки полимеров в изделия методом экструзии являются одночервячные, многочервячные, поршневые и дисковые экструдеры.

Виды экструзии[править | править код]

  • Холодная синяя экструзия — возможны только механические изменения в материале вследствие медленного его перемещения под давлением и формованием этого продукта с образованием заданных форм.
  • Теплая экструзия — сухие компоненты сырья смешиваются с определённым количеством воды и подают в экструдер, где наряду с механическим его подвергают ещё и тепловому воздействию. Продукт нагревается извне. Получаемый экструдат отличается небольшой плотностью, незначительным увеличением в объёме, пластичностью, а также ячеистым строением. Иногда экструдату необходимо подсушивание.
  • Горячая экструзия — процесс протекает при высоких скоростях и давлениях, значительном переходе механической энергии в тепловую, что приводит к различным по глубине изменениям в качественных показателях материала. Кроме того, может иметь место регулируемый подвод тепла как непосредственно к продукту, так и через наружные стенки экструдера. Массовая доля влаги в сырье при горячей экструзии составляет 10…20 %, а температура превышает 120 °C.
  • Гидроэкструзия — процесс обработки металлических сплавов и полимерных материалов жидкостью, основанный на свойстве их высокой текучести при высоких давлениях.

Оборудование[править | править код]

Экструдер в линии по производству пластикового плинтуса

Экструдер (экструдинг-пресс) — машина для формования пластичных материалов, путём придания им формы, при помощи продавливания (экструзии) через профилирующий инструмент (экструзионную головку).

Extruder.gif

Экструдер состоит из: корпуса с нагревательными элементами; рабочего органа (шнека (винт Архимеда), диска, поршня), размещённого в корпусе; узла загрузки перерабатываемого материала; силового привода; системы задания и поддержания температурного режима, других контрольно-измерительных и регулирующих устройств. По типу основного рабочего органа (органов) экструдеры подразделяют на одно-, двух- или многошнековые (червячные), дисковые, поршневые (плунжерные) и др. Двухшнековые экструдеры в зависимости от конфигурации шнеков могут быть параллельными или коническими. В зависимости от направления вращения — с сонаправленным или противонаправленным вращением шнеков.

Применение[править | править код]

Химическая промышленность[править | править код]

Алюминиевые детали, полученные методом экструзии

В химической промышленности метод экструзии применяется для нагрева, пластификации, гомогенизации и придания необходимой формы исходному сырью. Химический состав конечного продукта при этом идентичен химическому составу исходного сырья, что позволяет добиваться стабильного качества продукта прибегая при этом к минимальному количеству настроек экструдера, этим объясняется относительная простота машин, работающих в химической промышленности.

Методом экструзии в химической промышленности изготавливают различные погонажные изделия, такие как трубы, листы, плёнки, оболочки кабелей, элементы оптических систем светильников — рассеиватели и т. д.

Пищевая промышленность[править | править код]

Пищевой экструдер Shtak-72

В пищевой промышленности метод экструзии применяется намного шире. В ходе процесса под действием значительных скоростей сдвига, высоких скоростей и давления, происходит переход механической энергии в тепловую, что приводит к различным по глубине изменениям в качественных показателях перерабатываемого сырья, например денатурация белка, клейстеризация и желатинизация крахмала, а также другие биохимические изменения. Простейший экструдер, применяемый в быту — кондитерский рукав, механический экструдер — ручная мясорубка.

Продукты, получаемые на пищевых экструдерах[править | править код]

  • традиционная жевательная резинка[6]
  • пельмени
  • кукурузные палочки
  • подушечки и трубочки с начинкой
  • хрустящие хлебцы и соломка
  • фигурные сухие завтраки
  • хлопья кукурузные и из других злаков
  • быстрозавариваемые каши
  • детское питание
  • фигурные чипсы
  • экструзионные сухарики
  • мелкий шарик из риса, кукурузы, гречи, пшеницы, для наполнения и обсыпки шоколадных изделий, мороженого и других кондитерских изделий
  • пищевые отруби
  • набухающая мука, панировка
  • продукты вторичной переработки хлеба
  • соевые продукты: соевый текстурат, концентрат (применяются в производстве колбасы, сосисок, котлет и т. д.), кусковые соевые продукты (фарш, гуляш, бифштекс, тушёнка и т. д.)
  • продукты переработки отходов животноводства
  • модифицированный крахмал
  • реагент на основе крахмала применяемый в нефте- и газодобыче
  • строительные крахмалсодержащие смеси
  • основы для клеев
  • мороженое

Комбикормовая промышленность[править | править код]

Экструдирование — процесс происходящий в стволе экструдера, при котором происходит механическое перемалывание за счёт трения, высокотемпературное воздействие при высоком давлении на кормовое сырьё (температура от 110 до 160 градусов и давление от 20 до 30 атмосфер). В процессе такого воздействия, происходит расщепление сложных углеводов на простые сахара, что обеспечивает существенное улучшение органолептических показателей корма, а также повышает усваиваемость кормов (от 45 % при традиционных видах обработки до 95 %).

  • полножирная соя
  • зерновые экструдаты
  • корма для КРС, свиней, кроликов
  • корма для кошек, собак, домашних грызунов, крупного рогатого скота
  • корма для промысловых и аквариумных рыб

Производство твердого биотоплива[править | править код]

Одним из наиболее популярных методов получения топливных брикетов является использование специальных экструдеров. Процесс представляет собой прессование шнеком отходов (шелухи подсолнечника, гречихи и т. п.) и мелко измельчённых отходов древесины (опилок) под высоким давлением при нагревании от 250 до 350 С°. Получаемые топливные брикеты не включают в себя никаких связующих веществ, кроме одного натурального — лигнина, содержащегося в клетках растительных отходов. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится более прочной, что немаловажно для транспортировки брикета.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Oberg et al., 2000, pp. 1348–1349
  2. Backus, Robert G. Drawing, extruding, and upsetting // Tool and manufacturing engineers handbook / Robert G. Backus, R. F. Boshold, Thomas G. Johannisson … [и др.]. — 4th. — SME, 1998. — Vol. vol. 2. — ISBN 0-87263-135-4.
  3. Engel, U.; Eckstein, R. Microforming - From Basic research to its realization (англ.) // Journal of Materials Processing Technology : journal. — 2002. — Vol. 125—126, no. 2002. — P. 35—44. — DOI:10.1016/S0924-0136(02)00415-6.
  4. Chapter 15: Microextrusion // Micromanufacturing Processes / Jain, V.K.. — CRC Press, 2012. — P. 263–282. — ISBN 9781439852903.
  5. Fu, M.W.; Chan, W.L. A review on the state-of-the-art microforming technologies (англ.) // International Journal of Advanced Manufacturing Technology (англ.) : journal. — 2013. — Vol. 67, no. 9. — P. 2411—2437. — DOI:10.1007/s00170-012-4661-7.
  6. Imfeld, T. CHEWING GUM-FACTS AND FICTION: A REVIEW OF GUM-CHEWING AND ORAL HEALTH // Critical reviews in oral biology and medicine : an official publication of the American Association of Oral Biologists. — 1999. — ISSN 1045-4411.

Литература[править | править код]