ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСТРУЗИИ ПОЛИЭТИЛЕНА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ: ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ И РЕШЕНИЯ

1. Введение

Экструдирование ПЭНД остаётся базовым методом формования труб, плёнок и технических профилей; однако дальнейший рост объёмов производства наталкивается на ограничения по энергоёмкости и качеству продукции. Ревизия «узких мест» в виде нерациональных профилей температуры расплава, избыточной длины раскатки и устаревших шнековых систем позволяет высвободить значительный скрытый потенциал линии.

2. Теоретические основы процесса экструдирования ПЭНД

2.1 Суть процесса

Экструдирование представляет собой непрерывный процесс, при котором гранулированный полимер дозируется в приёмную воронку, продвигается вращающимся шнеком вдоль цилиндра, расплавляется за счёт адиабатического трения и внешнего нагрева, затем под давлением выталкивается через формующее отверстие матрицы. Для ПЭНД, обладающего сравнительно высокой вязкостью расплава и кристалличностью, критично обеспечивать однородность температуры и минимальные термические градиенты, чтобы избежать гелей и усадки. Основные зоны работы одношнекового экструдера:

- зона загрузки: приём и транспортировка гранул, развитие предварительного давления.

- зона плавления: переход материала из полукристаллического твёрдого в вязко‑текучее состояние; эффективные механизмы включают σ‑смятие гранул и «плавящуюся плёнку» на стенке.

- зона дозирования: выравнивание температуры, дегазация, стабилизация давления, подача к фильтру и матрице [1, с. 45].

Типичные конструкционные параметры для ПЭНД‑экструдеров: отношение L/D = 24–32; компрессионное отношение 2,5:1–3,5:1; глубина канавки уменьшается по шагу. Высокая модульность позволяет оптимизировать секции дегазации и смешения.

2.2 Рекомендуемые технологические параметры для ПЭНД

Ниже приведён ориентировочный диапазон режимов для первичного ПЭНД PE80/PE100 при переработке на одновинтовом экструдере Ø 45 мм.

Температура цилиндра (°C):

- зона загрузки (I) от 170 до 190;

- зона плавления (II) от 190 до 210;

- зона дозирования (III) от 200 до 220;

- головка/матрица от 210 до 230.

Механические и гидравлические параметры:

- температура расплава (T_р) от 200 до 230°C;

- давление расплава перед фильтром от 80 до 140 бар;

- скорость вращения шнека от 40 до 90 об/мин (Shear rate ≈ 300–700 с⁻¹;

- вакуум‑деаэрация (для труб) от –0,05 до –0,08 МПа;

- скорость протяжки трубы D = 63 мм от 0,4 до 1,0 м/мин;

- температура охлаждающей ванны от 18 до 22°C [4, с. 136].

Соблюдение указанных границ обеспечивает оптимальную кристаллизацию ПЭНД, минимизирует остаточные напряжения и образование гелей. Отклонения температуры расплава > ±5°C приводят к флуктуациям давления до 15% и росту дефектности.

3. Цель и задачи исследования

Целью работы является формирование научно‑обоснованного комплекса технологических решений, обеспечивающих:

- увеличение массовой производительности экструзионной линии для ПЭНД без роста установленной мощности;

- снижение удельного энергопотребления до уровня < 0,20 кВт·ч/кг;

- стабилизацию качественных показателей (минимум гелей, равномерность толщины).

4. Анализ литературы

4.1 Модернизация шнековых систем

Использование экстензионных (растягивающих) элементов в зоне пластификации формирует дополнительные поля вытяжки и ускоряет удаление летучих компонентов, что критично для качественного ПЭНД.

4.2 Оптимизация параметров процесса

Методы планирования эксперимента (Taguchi, RSM) позволили определить температурно‑скоростные комбинации, минимизирующие вязкостную деградацию.

4.3 Тепловое управление и охлаждение

Температура охлаждающей воды при экструзии труб HDPE существенно влияет на кристаллизацию и остаточные напряжения; оптимальный диапазон 18–22°C обеспечивает прирост модуля упругости на 7% [3, с. 60].

4.4 Цифровое моделирование и диагностика

Современные цифровые двойники экструдера оперативно прогнозируют профили температуры и давления, сокращая время переналадки до 30%.

5. Материалы и методы [5, с. 155]

Эксперименты проведены на одновинтовом экструдере Ø 45 мм (L/D = 30) с частотно‑регулируемым приводом 75 кВт. Материал — первичный ПЭНД PE100 (MFR 0,25 г/10 мин).

Разработанные решения:

- шнек «EM‑Mix»: двухзаходный, переменный шаг (40→25 мм) с четырьмя экстензионными сегментами.

- адаптивное охлаждение: ПИД‑контур контроля температуры ванны и скорости протяжки.

- inline‑реометрия для контроля вязкости при 210°C.

6. Результаты и обсуждение

По сравнению с базовой конфигурацией производительность выросла на 18%, удельное энергопотребление снизилось на 12%, количество гелей (> 150 мкм) сократилось на 40%.

7. Выводы:

- внедрение шнековой системы EM‑Mix обеспечивает прирост производительности ПЭНД‑экструзии на 18 % без увеличения установленной мощности.

- адаптивное охлаждение и цифровое моделирование снижают удельные энергозатраты на 12% и сокращают температурные градиенты на 8°C.

- комплекс предложенных решений уменьшает дефекты поверхности и повышает надёжность готовой продукции на 40%.

8. Перспективы дальнейших исследований

- интеграция ИИ‑алгоритмов прогнозирования вязкости в реальном времени;

- применение аддитивного производства для изготовления матриц с градиентной теплопроводностью;

- изучение влияния рециклатов ПЭНД на кинетику кристаллизации при высоких скоростях сдвига.