Экструзия (технологический процесс)

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 со сжимающими и сдвиговыми давлениями. Он также формирует детали с отличным качеством поверхности. Процесс экструзии в металлах также может увеличить прочность материала. Продукты экструзии обычно называют «экструдатами».

История

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.

В 1990 году был изобретён процесс микроформования, который помог разработать несколько процессов микроэкструзии.

Описание

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, дюзу), 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

• 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

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).

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

Химическая промышленность

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

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

• традиционная жевательная резинка
• 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

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

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.

Ремонт повреждений колес крупногабаритных шин

Ручной экструдер для ремонта колес крупногабаритных шин карьерных самосвалов — для подогрева сырой резины и быстрого заполнения воронки повреждения при ремонте крупногабаритных шин.

См. также

• Экструдированный корм
• Экструзионный пенополистирол
• Литьё пластмасс под давлением
• Термопластавтомат
• Гидроэкструзия

Литература

• Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (2000), Machinery's Handbook (26th ed.), New York: Industrial Press, ISBN 0-8311-2635-3.
• Дядичев В. В. Экструзия вторичных полимеров. — 2003.
• Голубева О. А. Экструзия как способ повышения качества продукта //Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». — 2008. — №. 2.
• Зубцов, В. А., Миневич, И. Э., Осипова, Л. Л., Бабенко, П. П., Мартинчик, А. Н., Поздняков, Б. А., … & Степанов, В. И. (2014). Экструзия в пищевых технологиях.