Шнековые прессы для пластмасс: исторический обзор

Выдавливание, или экструзия, вязких материалов известно как способ их обработки уже около 150 лет. Первоначально этот процесс применялся при изготовлении изделий из цветных металлов (в основном из свинца), некоторых пищевых продуктов (макароны), строительных материалов (глина для кирпича, керамика), а также мыла.

Для этой цели пользовались прессами поршневого типа, приводимыми в движение мускульной силой человека. При этом способе производства некоторое количество материала помещалось в цилиндр машины, сдавливалось поршнем и выдавливалось через примитивный инструмент. Образовывалось цилиндрическое тело сплошного или полого (труба) сечения, длина которого определялась объемом массы в цилиндре. Изготовление труб представлялось не более сложной проблемой, чем изготовление сплошных, цилиндров, так как внутренняя полость формовалась дорном, жестко связанным с цилиндром пресса.

Следующая фаза развития, во время которой все еще господствовал поршневой пресс, началась в середине XIX в. в Англии и Германии. Она характерна переходом от ручного привода прессов к механическому или гидравлическому и началом применения прессов для покрытия гуттаперчей проводов и морских кабелей. Прерывность действия поршневого пресса, с которой можно было мириться при изготовлении труб и стержней, создавала весьма серьезные затруднения. Поиски выхода из сложившегося положения привели к замене поршня подающим червячным устройством (шнеком), которое могло непрерывно опрессовывать кабель гуттаперчевой массой.

Кабельное производство и теперь еще создает мощный импульс. к дальнейшему усовершенствованию шнековых прессов для пластмасс и вспомогательного оборудования к ним. Эта отрасль производства ставит перед техникой изготовления шнековых прессов особые задачи. Поэтому принято считать хорошим тот шнековый пресс, который оправдал себя при изготовлении подводных кабелей с пластмассовыми оболочками:
В начале 70-х годов прессы с паровым обогревом и водяным охлаждением стали применяться и для переработки резины.

Старейшим техническим документом, относящимся к шнековому прессу, является чертеж 1873 г. (из архива немецкой фирмы «Феникс»), на котором изображен «винт для шланговой машины»

Первый патент на шнековый пресс (рис. 2) был получен, насколько известно, английской фирмой М. Грей в 1879 г. Почти одновременно в Англии были построены шнековые прессы фирмой Шоу и Иддон (рис. 3), а в США фирмой Роял (рис. 4).

С этого времени шнековые прессы стали пользоваться большим спросом. Так, например, немецкая, фирма Трестер за период 1892—1912 гг. поставила около 600 шнековых прессов для резины (рис. 5), причем более половины на экспорт.

Кроме природных полимеров — резины и гуттаперчи — переработке на прессах подвергалась и искусственная термопластичная масса — нитроцеллюлоза, правда, только при комнатной температуре и с добавкой растворителя. Перед началом первой мировой войны в производство вошел галалит, из которого изготавливались стержневые полуфабрикаты для производства пуговиц и хозяйственные предметы. На рис. 6 показан разрез шнекового пресса для галалита, на котором видны шнек с убывающим шагом, фильтрующая решетка между шнеком и инструментом, охлаждаемый и обогреваемый участки цилиндра пресса, т. е. элементы, не устаревшие и поныне.

Рис. 3. Шнековый пресс для резины, сконструированный фирмой Шоу и Иддон (1879 г.).

Рис. 4. Шнековый пресс для резины, сконструированный фирмой Роял (1880 г.).

Рис. 5. Шнековый пресс для резины, сконструированный фирмой Трестер (1896 г.).

Середина 20-х годов характерна новым подъемом техники изготовления как поршневых, так и шнековых прессов в связи с внедрением новых материалов: сначала ацетатцеллюлозы, а несколькими годами позже первых полностью синтетических пластиков, не требующих добавки растворителя, термопластичных и годных к экструзии — поливинилхлорида (ми-полама) и полистирола.

Рис. 6. Шнековый пресс IQG для казеина (1915 г.).

Сразу же выяснилось, что новые термопласты, которые могут перерабатываться «сухим» способом, требуют применения более высоких температур. Несколько позже было установлено, что эти материалы могут вводиться в пресс в виде холодного гранулята, в то время как резиновые смеси тогда (сплошь и рядом еще и сейчас) вводились в машину после подогрева на валках. Термопласты могут экструдироваться при этом однородной массой, если поддерживается соответствующая температура цилиндра пресса, а шнек имеет достаточную длину и убывающий к выходному концу объем полости витка. Непосредственное питание шнекового пресса сырьем, т. е. исключение из технологического оборудования элемента циклического действия — валков, не только целесообразно с точки зрения экономичности и равномерности выхода продукции,, но и необходимо, так как для большинства термопластов [всех, кроме поливинилхлорида (ПВХ) и полиизобутилена] процесс вальцевания нежелателен вследствие их плавкости и текучести.

В 1935 г. фирмой Трестер была создана конструкция пресса для переработки пластмасс, имеющего комбинированный (электропаровой) обогрев и значительно более удлиненный шнек по сравнению со шнеком пресса для резины (тип HLSt-E).

Немецкой фирмой Хорст Гейдерих в 1936 г. была построена машина для прямой переработки гранулированных или крошкообразных пластмасс. Вместо парового обогрева, применявшегося в прессах для переработки резины, эта машина была снабжена устройством для электрообогрева (рис. 7).

Рис. 7. Шприц-машина с электрообогревом для изготовления шлангов из синтетических материалов (фирма Гейдерих, 1936 г.).

В эти же годы, незадолго до начала второй мировой войны, две итальянские фирмы Роберто . Коломбо и Карло Паскетти сконструировали двухшнековый пресс для переработки пластических масс.

Предшественниками таких прессов являлись применявшиеся в то время преимущественно для каучуковых и керамических масс так называемые смесительные насосы («кнетпумпен»), которые были разработаны в 1935- г. немецкими фирмами П. Лейстриц и Бургхаузер. Старейшим предшественником двухшнекового пресса для пластических масс является пресс, разработанный для иных целей в 1869 г. английской фирмой Фоллоу и Бейт.

Вторая мировая война ускорила развитие конструкций и расширила производство шнековых прессов для пластических масс, чтобы восполнить ощущавшийся в то время острый недостаток в сырье вообще и в натуральном каучуке, в частности. В результате резина, изготовлявшаяся на базе натурального каучука, была в значительной степени заменена пластмассами. Вначале это был полихлорвинил, изделия из которого приобретали все большее распространение, огчасти вынужденно вследствие сложившихся обстоятельств. Несколько позже появился замечательный синтетический материал — полиэтилен. Стремительное развитие производства пластмасс, в тот период мало соответствовавшее тяжелому положению воюющих стран, заставило начать интенсивное изучение свойств этих материалов. Термин «эрзац-материал», который явился следствием известного недоверия к пластмассам, постепенно был вытеснен и заменен термином «материал по потребности».

Рис. 8. Шнековый пресс для пластмасс с электрообогревом и охлаждением сжатым воздухом (фирма Трестер, 1939 г.).

Темпы развития перерабатывающих машин не всегда совпадали с ростом производства синтетических материалов, которое расширялось год от года.

Первым этапом развития техники шнековых прессов специально для пластмасс следует считать период 1946—1953 г. К его концу были упорядочены и систематизированы опыт и знания в данной области, а также проведены многие теоретические исследования, дополнившие и подкрепившие практику.

Проведенная подготовительная работа явилась основой дальнейшего развития шнековых прессов со вспомогательными устройствами и превращения их в универсальный и рациональный агрегат современной промышленности пластических масс. Это иллюстрируется статистическими данными о количестве закупленных шнековых прессов и переработанных на них пластмасс. Так, например, в США в 1950 г. насчитывалось фактически работавших в промышленности 2164 шнековых пресса, а к концу 1958 г. было 5533.

Обзор подготовлен на базе книги Г. Шенкель "Шнековые прессы для пластмасс"