4.3. Факторы, определяющие конструктивное оформление головок

Конструкция и проходные сечения каналов головки и, следовательно, общее ее конструктивное оформление зависят от реологических свойств расплавов полимеров и определяемых этими свойствами специфических гидродинамических явлений, а также от характера взаимосвязи экструдера с головкой. Рассмотрим эти факторы более подробно.

Характер взаимосвязи экструдера с головкой. Фактическая произ­водительность экструдера, снабженного конкретной головкой, опреде­ляется этим фактором.

Рабочие характеристики экструдера и формующего инструмента. Эти характеристики представляют собой графики в координатах давление - производительность.

Уравнение рабочей характеристики дозирующей зоны червяка экструдера при допущении ньютоновского поведения расплава поли­мера имеет следующий вид:

Таким образом, рабочая характеристика экструдера, в соответствии с уравнением (4.1), в координатах Q - р представляет собой прямую линию с отрицательным наклоном (рис. 4.4).

Условие равенства скоростей расплава во всех точках выходного поперечного сечения формующего канала. Это одно из важных усло­вий (а в некоторых случаях главное), определяющих размерное соответствие и качество получаемого изделия. Действительно, если в рассмотренной (рис. 4.1) конструкции головки по каким-либо причи­нам скорость выхода расплава в верхней части формующего канала больше, чем в нижней, то за данный отрезок времени в верхней части будет экструдирован участок профиля большей длины, чем в нижней части. Это приведет, во-первых, к утолщению верхней части профиля, во-вторых, к образованию в этом месте гофров и складок. Второй недостаток может быть исправлен принудительным отбором экструдируемого профиля со скоростью, равной скорости выхода расплава в верхней части канала; неизбежная при этом вытяжка и утонение нижней части профиля приводят к дефекту поперечной разнотолщинности его, который может быть устранен только увеличением высоты формующего канала в этом месте (например, соответствующей допол­нительной обработкой рабочей поверхности мундштука или, как видно из рис. 4.1, смещением мундштука 11 относительно дорна 75вниз посредством болтов 19). Методы и приемы выравнивания потока основываются на результатах гидродинамического анализа течения расплава с каналах головок, являются одной из задач гидравлическо­го расчета и будут рассмотрены ниже.

При экструзии разнотолщинных и сложных профилей практически никогда не удается обеспечить полностью выравненного расхода по всему формующему сечению, и такие изделия всегда изготавливают при скорости принудительного отвода экструдата, несколько превышающей скорость выхода профиля из головки. Отношение этих скоростей f называется коэффициентом вытяжки, поскольку вследствие указанной разности скоростей происходит вытяжка профи­ля с утонением его стенок и уменьшением линейных размеров попе­речного сечения примерно в к_в раз.

Чем больше предполагаемая конструктором головки неоднородность скоростей выхода расплава из формующего канала (неоднородность экструзии), которую он уже не может устранить каким-либо приемом при проектировании головки, тем большую степень вытяжки экстру­дата он должен планировать и учитывать ее при определении размеров формующего канала

Однако необходимо иметь в виду, что существу­ют максимально достижимые значения fc_B, определяющиеся следующи­ми факторами. Во-первых, развивающиеся в экструдате на участке вытяжки (на участке между головкой и калибрующим устройством) нормальные напряжения растяжения не должны превышать пределй прочности расплава. Во-вторых, развивающиеся в экструдате при вытяжке высокоэластические (обратимые) деформации фиксируются в формуемом профиле при быстром охлаждении его на калибрующем устройстве и далее в охлаждающей ванне. Эти деформации при последующей эксплуатации профиля, особенно при повышенных температурах, могут частично реализоваться, что приведет к сущест­венному уменьшению продольного размера профиля (а если вытяжка была существенно неодинакова в различных местах сечения, то и к искривлению профиля). Наконец, в-третьих, при больших значениях к _в существенно искажается конфигурация мелких элементов сечения профиля (канавки, перемычки, ребра и др.).

Исходя из первого и третьего факторов, как правило, недопустимы значения к_в > 2. Исходя из второго фактора, практикой для отдельных материалов рекомендуются следующие коэффициенты вытяжки (в%), гарантирующие удовлетворительность качества изделия при условии применения упомянутых конструктивных методов выравнивания потока:

Соответствующие размеры поперечного сечения формующего канала при его конструировании должны приниматься больше тако­вых у изделия в -fk_B раз. Однако в процессе вытяжки сечение экстру­дата уменьшается в разных направлениях неодинаково, причем точно предусмотреть характер этой неоднородности невозможно. Можно только отметить, что толщина стенок тонкостенных профилей имеет преимущественное уменьшение по сравнению с линейными размера­ми, поэтому в первом приближении можно считать, что у тонкостен­ных профилей изменяется только толщина в fc_B раз, а у толстостенных или монолитных - как толщина, так и линейные размеры в уТ_в раз.

Свариваемость потоков. Свариваемости отдельных потоков распла­ва, на которые разбивается общий поток перемычками решетки, ребрами дорнодержателя и другими преградами, - также одно из необходимых условий получения доброкачественного изделия. Для сваривания необходимо достаточное давление в расплаве и эффектив­ная деформация поверхностей контакта сливающихся потоков. Гидрав­лическое сопротивление формующего канала, как правило, оказыва­ется достаточным для обеспечения необходимого давления, а требу­емая деформация поверхностей контакта обеспечивается монотонным уменьшением площади поперечного сечения подводящего канала в три - пять раз. В ряде случаев для усиления эффекта деформирования перед переходным каналом L8 (см. рис. 4.1) или непосредственно в нем предусматривают местные сужения или какие-либо другие конструк­тивные элементы.

Огрубление поверхности. Огрубление поверхности экструдиру-емого изделия - одно из специфических нежелательных явлений, присущих расплавам полимеров. Учет этого явления совершенно необходим при конструировании головок, особенно в высокоскорост­ных процессах наложения кабельной изоляции и производства пле­нок. Явление выражается в том, что по достижении некоторой скорос­ти выдавливания поверхность выходящего из головки изделия, будучи до этого совершенно гладкой, становится шероховатой, а при дальней­шем повышении скорости возникают и прогрессируют нерегулярности самой формы экструдата, имеющие определенную периодичность: чаще всего (например, на прутке) - периодические кольцевые утол­щения. Иногда эти утолщения имеют винтовую конфигурацию; при этом поверхность утолщений может быть шероховатой, "рваной" или, наоборот, глянцевой с плавными контурами.

Возникновение этого явления обусловлено следующими тремя факторами: проявление расплавом свойства упругости; наличие у расплава вполне определенной величины прочности при сдвиге; наличие адгезионной прочности, т.е. прочности связи расплава, теку­щего в канале, с его стенками.

Прочность при сдвиге или адгезионная прочность могут быть оцене­ны значениями предельных напряжений сдвига т_с или т_а соответствен­но. При течении расплава в его объеме возникает некоторое распреде­ление напряжений сдвига. В этом объеме можно выделить поверх­ности, характеризующиеся одинаковыми значениями напряжений сдвига. При этом существует поверхность, на которой напряжения сдвига максимальны; при течении в каналах это, как правило, поверх­ность контакта расплава со стенкой канала.

По мере роста расхода в канале напряжения сдвига в расплаве возрастают, и если максимальные напряжения т_тах при этом превы­шают значение т_с, то возникает разобщение объемов потока по поверх­ности действия т_тах. Если же напряжения в расплаве непосредственно у стенки канала превышают значение т_а, то возникает разобщение потока со стенкой канала: прилипание расплава к стенке сменяется скольжением по ней.

Отсутствие зон застоя ("мертвых зон"). В соответствии с формулами (4.4) и (4.5) при плоскореэанной входной зоне (а = 90°, е = °°) критичес­кая скорость должна понизиться до нуля. Практически этого не проис­ходит, и с ростом угла а до определенного а_к критическая скорость сдвига, уменьшаясь, стремится к определенному пределу. Это объяс­няется тем, что во входном конусе с углом а₀ образуется зона не­текущего полимера (зона застоя), ограниченная областью ос_к< ос< а₀ которая автоматически поддерживает угол вхрда для текущей части полимера, равный ос_к. Застаивающийся в подобных зонах расплав вследствие длительного температурно-временного воздействия подвергается термодеструкции и, частично захватываясь текущим расплавом, приводит к порче изделия, поэтому углы наклона поверх­ностей каналов по отношению к основному направлению течения расплава как в зонах сужения, так и в зонах расширения не должны превышать значения ос_к. Совершенно аналогично зоны застоя могут иметь место при набегании расплава на препятствия, например в виде рассекателя дорнодержателя и его ребер (см. рис. 4.1). Следовательно, как передние (рассекающие поток), так и задние (с которых поток сходит) углы поверхностей этих деталей по отношению к направлению потока не должны превышать ос_к, значение которого для большинства материалов установлено практикой в диапазоне 45 - 60°.

В ряде конструкций головок конфигурация каналов столь сложна (например, кольцевые головки для экструзии многослойных рукав­ных пленок, угловые многоручьевые головки для формования изде­лий методом экструзии с раздувом), что на стадии их проектирования бывает сложно сделать однозначное заключение о возможном наличии или отсутствии зон застоя в тех или иных местах канала, даже несмот­ря на, казалось бы, гарантированное соблюдение указанного здесь ограничения на заходные и задние углы. В этом случае такое заключе­ние должно быть сделано на стадии промежуточных испытаний выпол­ненной в металле головки, и если зоны застоя будут обнаружены, то выполняется механическая доработка поверхности канала с целью их устранения. Конструктор же головки должен предвидеть на стадии ее проектирования возможность возникновения, этих опасных мест в канале и принимать такие конструктивные решения, которые позво­ляли бы выполнять последующую доработку.

Сейчас используется лишь один экспериментальный метод выявле­ния зон застоя при испытаниях головки: если цвет экструдата на поверхности или в срезе неоднороден (имеются полосы более темного тона вследствие деструкции полимера или менее интенсивного и измененного цвета вследствие деструкции красителя), то зоны застои есть. Однако таким изменениям цвета и тона экструдата соответствует значительная степень термодеструкции, часто намного превышающая допустимую. В этих случаях отсутствие таких изменений в экструдате не является гарантией отсутствия недопустимой степени термодест­рукции и приходится использовать модификацию этого метода.

Существо ее в том, что к грануляту подаваемого в экструдер поли­мера добавляют специальные термочувствительные красители. Каж­дый из этих красителей имеет свой запас термостабильности: при определенном температурно-временном воздействии на него изменяет свой цвет. Подбирают такой краситель, запас термостабильности которого близок к таковому у полимера. Наличие в экструдате следов красителя с измененным цветом свидетельствует о том, что в какой-то из областей канала расплав пребывает недопустимо долго. Разработка головки и анализ цвета полимера, оставшегося в ее каналах, позволя­ет выявить эти области.

Как видно, изложенная здесь процедура доводки каналов головки чрезвычайно трудоемка. Разработанные в последнее время методы вычислительной математики, в частности, метод конечных элементов, позволили решать задачу о выявлении возможных зон застоя еще на стадии проектирования каналов головки. Так, при достаточном развитии метода конечных элементов появилась возможность прово­дить при выполнении гидравлического расчета определение поля скоростей расплава в каналах сколь угодно сложной геометрии. Вычисление как модуля, так и направления вектора скорости расп­лава в любой точке канала позволяет выявить места его с практически нулевым значением модуля скорости или места с замкнутым циркуля­ционным потоком (именно они являются зонами застоя). Изменяя конфигурацию канала и рассчитывая каждый раз на ЭВМ поле скорос­тей, добиваются исчезновения этих областей. Однако и здесь следует иметь в виду, что выполнение этой процедуры также очень трудоемко и требует очень высокой квалификации инженеров-математиков и программистов. Не случайно поэтому в настоящее время известны лишь отдельные случаи реализации этого подхода.

Разбухание экструдата. Увеличение (разбухание) толщины стенок и размеров поперечного сечения выходящего из головки изделия -также одно из важных в экструзионной технике явлений, во многом определяющееся вязкоупругой природой расплавов полимеров. Обусловлено оно реализацией на выходе из головки имеющейся в расплаве упругой деформации.

В зоне переходного канала с интенсивно изменяющимся попереч­ным сечением в связи с непрерывной перестройкой скоростного профиля потока в нем развиваются значительные сдвиговые напряже­ния, приводящие к соответствующей запасенной расплавом упругой деформации. В зоне формующего канала с постоянным поперечным сечением скоростной профиль стабилизируется, и доля запасенной упругой деформации, инициированная входовым эффектом, постепен­но реализуется, так что полная упругая деформация стремится к значению, соответствующему напряжению в стационарном потоке (последнее зависит только от скорости экструзии).

Степень реализации этой доли деформации к моменту выхода расплава из головки определяется соотношением характерного време­ни релаксации и времени пребывания полимера в канале постоянного сечения (время пребывания уменьшается с ростом скорости и умень­шением длины формующего канала). Как показывает практика, при соотношениях длины формующего зазора I к его высоте Я, больших 15-20, и практически при любых-скоростях экструзии имеет место почти полная реализация этой доли деформации. Сохранившаяся в расплаве упругая деформация реализуется на выходе из формующего канала и приводит к увеличению сечения экструдата, определяя величину коэффициента разбухания В (отношения какого-либо разме­ра поперечного сечения экструдата к соответствующему размеру сечения канала).

Из рассмотренного очевидно, что при увеличении длины формую­щего канала до указанных соотношений коэффициент разбухания уменьшается до некоего минимального значения В_м. Последнее зависит только от величины напряжений в стационарном потоке (и, следовательно, от скорости сдвига и температуры расплава). Экспери­ментально установлено, что с ростом скорости сдвига интенсивность увеличения В_м падает, и последний становится максимальным и практически не зависящим от скорости сдвига при ее значениях, больших 20- 15 с^-1. Таким образом, в указанном диапазоне скоростей сдвига, который чаще всего (за исключением экструзии весьма толс­тостенных изделий) имеет место на практике, и с учетом того, что диапазон оптимальных температур экструзии обычно невелик, В_м можно считать с достаточной для инженерной практики точностью постоянным и зависящим только от материала.

В большинстве экструзионных процессов явление разбухания компенсируется соответствующей вытяжкой и нивелируется калиб­ровкой. Однако в таких процессах, как, например, экструзия трубча­тых заготовок для производства полых раздувных изделий, заготовка не подвергается калибровке и принудительной вытяжке. Между тем размеры заготовки должны быть строго согласованы с соответствую­щими размерами раздувной формы. Отсюда очевидна необходимость учета коэффициента разбухания, при назначении диаметров дорна и мундштука раздувной головки, и поэтому на разбухании трубчатых экструдатов следует остановиться подробнее.

нием этого отношения до нуля (пруток без отверстия) В достигает максимального значения В_пр, а при отношении и, стремящемся к единице (толщина стенки трубы равна нулю), он стремится к минималь­ному значению, что и описывается следующей экспериментально полученной формулой:

4.5. Плоскощелевые головки

Эти головки используются-для получения листов и пленок, а также расплава в виде пленки с последующим нанесением его на какую-либо основу (бумагу, картон, ткань, фольгу и т.д.).

4.5.1. Конструктивные варианты головок

Ширина экструдируемых листов и пленок может достигать 1,5 и более метров. В связи с этим при проектировании плоскощелевых головок особенно важно максимально возможное удовлетворение следующих требований к конфигурации канала головки, являющихся в принципе общими для всех типов головок: 1) равенство гидравлических сопро­тивлений по всем линиям тока (траекториям движения в канале всех входящих в него элементарных порций расплава); 2) минимально возможные длина канала и площадь его поверхности.

Выполнение первого требования, как будет показано ниже, обеспе­чивает соблюдение рассмотренного в разд. 4.3 условия равенства элементарных расходов во всех точках по ширине выходного попереч­ного сечения формующего канала и, следовательно, получение равно-толщинного листа (пленки).

При выполнении второго требования усилия от давления расплава в канале, действующие на его стенки, минимальны. Требуемая жест­кость конструкции головки и прочность ее элементов в этом случае обеспечиваются при минимальной металлоемкости, что очень важно, так как эти усилия в больших головках могут достигать 1 - 3 МН, а масса их может быть до 800 - 1500 кг.

Вместе с тем нужно отметить, что выполнение указанных требова­ний особенно сложно именно в плоскощелевых головках.

По способу подвода расплава к формующему каналу (т.е. по типу и конфигурации переходного канала) плоскощелевые головки можно разделить на два основных типа: 1) треугольные головки, в которых переходный канал выполнен в виде треугольной в плане и плоской или монотонно сужающейся по высоте щели (рис. 4.9); 2) коллекторные головки, в которых переходный канал выполняется в виде коллекто­ра (распределителя), имеющего круглое или овальное поперечное течение (рис. 4.10).

Конструкция головки первого типа (см. рис. 4.9) называется треу­гольной. Здесь расширяющаяся входная зона / переходит в зону II выравнивания отмеченного выше гидравлического сопротивления по ширине формующего канала и затем в зону формующего канала III. Основной недостаток этих головок заключается в том, что площадь канала велика. Под воздействием давления в канале верхняя и нижняя относительно нежесткие стенки выпучиваются, что влечет за собой искажение конфигурации формующего канала, тем более чувст­вительное, чем меньшую высоту он имеет.

В щелевых головках второго типа (коллекторных) расплав подво­дится к формующей щели I шириной W и высотой Н при помощи специальной трубы (коллектора 2 радиусом R), расположенной парал­лельно фронту щели. Коллектор соединен с подводящим каналом 3 одним концом или серединой (как на рис. 4.10). Явление выпучивания стенок формующего канала в данном типе менее существенно вследст­вие большей общей жесткости конструкции и существенно мень­шей общей площади всего канала. К тому же с помощью соответству­ющего конструктивного приема (показанного ниже) вредное влияние выпучивания на размеры формующего канала может быть практичес­ки устранено. Однако головки этого типа в отличие от предшествую­щего имеют потенциально возможные зоны застоя расплава ("мертвые зоны") в концевых участках коллектора, поэтому переработка на них термочувствительных материалов (например, непластифицированного ПВХ) нежелательна.