Экструзия полимеров при производстве труб ПНД

Что такое экструзия

Экструзия — способ переработки полимеров, при котором расплавленный материал под давлением продавливается через формующее отверстие (фильеру), приобретая заданную форму. В производстве труб из полиэтилена низкого давления (ПНД) экструзия — ключевой этап.

В результате технологии экструзии трубы из ПНД получаются прочными, равномерными по структуре и устойчивыми к механическим и химическим воздействиям. Полиэтиленовые трубы применяют для наружной канализации, в системах водоснабжения, газопроводах и технических коммуникациях в быту и промышленности.

Технология экструзии полимеров

Процесс экструзии начинается с подачи полимерного материала в экструдер — цилиндр с вращающимся шнеком внутри — для достижения однородной пластичной массы под воздействием температуры и механического трения. Далее расплав продавливается через фильеру, формирующую нужный диаметр трубы. После изделие проходит калибровку и охлаждение в водяных ваннах, где материал затвердевает и приобретает окончательную форму. 

Преимущества экструзии:

• Высокая производительность и непрерывность процесса.
• Низкие производственные затраты по сравнению с другими методами.
• Возможность автоматизации и масштабирования.
• Широкий спектр перерабатываемых полимеров и формуемых изделий.
• Точная геометрия изделий.
• Минимальные потери материала.

Метод экструзии полимеров используют для производства плёнок, труб, профилей, изоляции для кабелей – изделий с постоянным поперечным сечением. Подходит для переработки пластмасс — полиэтилена (PE), полипропилена (PP), поливинилхлорида (PVC) и других. Также технологию применяют в соэкструзии — одновременной обработке нескольких разных полимеров, для получения многослойных материалов с улучшенными свойствами.

Какие бывают виды экструзии

От температурного режима процесса зависит структура материала и прочностные характеристики готового изделия. Существует три основных метода экструзии:

1. Холодная экструзия

Полимер подвергается только механическому воздействию без применения тепла: под высоким давлением он медленно продвигается по экструдеру и формуется в изделие. Это требует минимальных энергозатрат, но подходит для мягких материалов или для сохранения исходной структуры сырья без изменения его свойств.

2. Тёплая экструзия

Сочетает умеренное тепловое и механическое воздействие. Сначала полимерное сырьё смешивается с водой, затем поступает в экструдер, где обрабатывается при средней температуре. В результате получается материал с ячеистой структурой, повышенной пластичностью и относительно низкой плотностью. Готовые изделия иногда дополнительно сушат. Этот метод используют в производстве теплоизоляционных компонентов.

3. Горячая экструзия

Полимер перерабатывают при высокой температуре. Нагрев происходит за счёт встроенных нагревателей и через стенки экструдера. Процесс идёт быстро, структура материала изменяется на молекулярном уровне, в результате трубы становятся прочными и сохраняют форму. Горячая экструзия — основной метод производства ПНД-труб.

Изготовление ПЭ-оболочки труб экструдированием

Защитную полиэтиленовую (ПЭ) оболочку, которая защищает от коррозии, агрессивных сред и механических повреждений, наносят на трубу при производстве.

Эффективный способ получения ПЭ-оболочки — экструзия — формование полиэтилена под давлением и высокой температурой. Расплавленный полиэтилен равномерно наносится на поверхность трубы при прохождении через экструдер. Материал плотно облегает трубу, формируя цельное защитное покрытие.

Этапы изготовления ПЭ-оболочки методом экструзии:

1. Подготовка трубы — очищение поверхности от загрязнений и ржавчины для хорошей адгезии покрытия.
2. Нагрев трубы — труба прогревается до нужной температуры, чтобы улучшить сцепление с полиэтиленом.
3. Экструзия полиэтилена — в экструдер подаётся гранулированный полиэтилен, который плавится и под давлением наносится на поверхность трубы через кольцевую головку. Образуется равномерный, герметичный слой.
4. Охлаждение — после нанесения полиэтилен быстро охлаждают, чтобы зафиксировать форму и структуру покрытия.
5. Контроль качества — проверяют толщину и целостность оболочки, отсутствие дефектов, сцепление с металлом.

В результате получается герметичная и долговечная экструдированная ПЭ-оболочка, устойчивая к ультрафиолету. Это значительно продлевает срок службы труб при подземной прокладке или контакте с агрессивной средой. 

Технология производства полиэтиленовых труб

Экструзия ПНД труб

Процесс экструдирования ПНД труб проходит в несколько этапов:

1. Подготовка сырья — используют гранулированный полиэтилен марки ПЭ 80, ПЭ 100 или ПЭ100-RC. Гранулы должны быть сухими и чистыми — влага и загрязнение снижает качество продукции.
2. Подача сырья — гранулы ПНД загружаются в приёмный бункер экструдера. Добавляют стабилизаторы, красители или модификаторы.
3. Плавление и гомогенизация — внутри шнека гранулы постепенно нагреваются до температуры плавления (обычно 180–220 °C). Материал тщательно перемешивают, превращая в однородную расплавленную массу.
4. Формование трубы — расплав продавливают через кольцевую экструзионную головку, придающую трубе нужный диаметр и толщину стенки. От точности зависит геометрия изделия.
5. Калибровка и охлаждение — горячая заготовка проходит через калибратор и водяные ванны, где трубы приобретают окончательную форму и быстро охлаждаются для сохранения размеров.
6. Резка и укладка — готовые трубы нарезают на нужную длину, маркируют в соответствии с ГОСТ или ТУ и укладывают в бухты или пачки. 

Все этапы экструзии тщательно контролируются для обеспечения стабильного качества ПНД труб и соответствия нормативным требованиям. Также проводят испытания на давление, прочность, устойчивость к расслоению. Готовая продукция поступает на склад временного хранения или отгружается потребителю.

Экструзионное оборудование

Экструдер — основное звено производственной линии – превращает гранулы полиэтилена низкого давления в однородную пластичную массу, из которой формируется труба.

Элементы экструдера:

1. Бункер для загрузки сырья
   В бункер поступают гранулы ПНД. Оснащается системой осушки, чтобы избежать попадания влаги в зону плавления.
2. Шнек и цилиндр
   В цилиндре вращается шнек, который продвигает, разогревает и пластицирует материал. Для труб ПНД используют одношнековые экструдеры.
3. Редуктор и электропривод
   Передают крутящий момент на шнек. Надежность редуктора — критически важна, так как он работает под высокой нагрузкой.
4. Головка (экструзионная матрица)
   Формирует круглое сечение будущей трубы. Используются кольцевые головки с равномерным распределением расплава. Для многослойных труб применяют коэкструзионные головки.
5. Система управления
   Современные экструдеры оснащаются автоматикой с ЧПУ-контроллерами для управления температурой, оборотами шнека, скоростью протяжки и другими параметрами.

Экструдер выполняет ключевую функцию в экструзии труб ПНД: превращает твёрдый полимер в расплав и придаёт ему нужную форму. От точности температурного и механического режима в экструдере зависит стабильность процесса и геометрия готовой трубы.

Охлаждение труб ПНД при экструзии

После выхода из экструзионной головки полиэтиленовая труба остаётся в расплавленном состоянии. Для приобретения стабильной формы и нужных размеров трубу необходимо быстро и равномерно охладить.

Как устроен процесс охлаждения:

1. Вакуумная калибровочная ванна
   Сразу после экструдера ПНД труба поступает в калибратор внутри охлаждающей ванны с вакуумной камерой. Вакуум «прижимает» расплав к стенкам калибра, формируя точный наружный диаметр. Одновременно труба начинает охлаждаться за счёт циркулирующей воды.
2. Охлаждающие ванны
   После калибра труба проходит через одну или несколько протяжённых водяных ванн. Вода подаётся с постоянной температурой (обычно 10–20 °C). Охлаждение происходит снаружи, равномерно, чтобы избежать внутренних напряжений и деформаций. Чем больше диаметр трубы — тем длиннее требуется охлаждающая секция.
3. Циркуляция и фильтрация воды
   Вода непрерывно циркулирует через теплообменники, поддерживая заданную температуру. Системы фильтрации предотвращают засорение форсунок и образование накипи. Это обеспечивает стабильное охлаждение без перепадов по длине трубы.

Каждый этап экструзии — от загрузки полимера до охлаждения готового изделия — требует точного соблюдения параметров. Только при стабильном технологическом процессе возможно получить гладкие полимерные трубы, соответствующие требованиям прочности, геометрии и надёжности в эксплуатации.