2.5.4. Влияние различных параметров на процесс экструзии.

Процесс экструзии является непрерывным. Поэтому он должен отличаться стабильностью технологических параметров. Рассчитать параметры экструзии можно было бы, если учесть:

1. конструктивные переменные экструдера и головки

2. переменные процесса – условия, в которых протекает процесс: скорость вращения шнека, температура по зонам цилиндра, головки и др.

3. свойства перерабатываемого полимера – вязкость, плотность, теплофизические свойства.

Однако общая и полная теория процесса пока до сих пор не разработана и поэтому рассчитать параметры экструзии можно лишь в некоторых частных случаях.

К технологическим параметрам экструзии относятся:

1) производительность

2) давление, развиваемое шнеком

3) температура экструдата

4) потребляемая мощность.

При работе экструзионного агрегата все эти параметры связаны между собой, и изменение одного из них вызывает соответствующее изменение других.

У технолога в руках имеется возможность влиять на параметры экструзии (управлять процессом) через:

1) изменение температурного режима по зонам;

2) изменение числа оборотов.

Оптимальным считается такой режим работы экструзионной машины, когда достигнута максимальная производительность при хорошем качестве экструдируемых изделий. Это не означает, что при таком режиме увеличение производительности уже становится невозможным, однако оно обязательно должно привести к снижению качества готовой продукции.

Лекция 5.

Тема 2 (продолжение).

2.5.5. Условное разбиение потока расплава в головке

При расчете К (коэффициента сопротивления головки) головку условно разбивают на участки, отличающиеся конфигурацией, и для каждого участка определяют частный коэффициент сопротивления. Применительно к прямоточной рукавной головке, изображенной на рисунке 6.14, эта операция будет выглядеть следующим образом (рис. 6.15).

1 – корпус; 2 – адаптер; 3 – фильтр-решетка; 4 – дорн; 5 – система подачи воздуха;

6 – дорнодержатель; 7 – кольцевой зонный электронагреватель; 8 – регулировочное кольцо

Непрерывный поток разделяется на участки:

l_а – участок адаптера, круглый конический с большим диаметром d₁ на входе;

l_ф – круглый цилиндрический с числом цилиндрических каналов z диаметром, равным отверстию в фильтре;

l_ц – круглый конический с меньшим диаметром d₂ на входе;

l_к – кольцевой конический с большим диаметром d₃ на выходе;

l_д – кольцевой цилиндрический с диаметрами d₃ и d₄;

l_c – кольцевой конический с меньшим диаметром на выходе и диаметрами d₃ и d₆;

l_фк – кольцевой цилиндрический формующий канал с диаметрами d₅ и d₆.

2.6. Общее устройство экструзионных головок и калибрующих устройств

Назначение экструзионного формующего инструмента — оформление подготавливаемого экструдером расплава полимера в непрерывное изделие с постоянным (реже переменным) по длине поперечным сечением заданной формы.

Расплав сначала оформляется в виде непрерывного профиля, поперечное сечение которого весьма близко к окончательному; эту функцию выполняет первый, необходимый во всех случаях элемент экструзионного инструмента - головка. Придание конечной конфигу­рации изделию и охлаждение его, достаточное для сохранения приоб­ретенной конфигурации в течение времени транспортировки до уст­ройства, обеспечивающего окончательное охлаждение, выполняется вторым элементом - калибрующим устройством. Наличие этого элемента не всегда обязательно. При изготовлении, например, рукав­ных пленок методом раздува калибрующие устройства отсутствуют; при производстве листов функции калибрующих устройств выпол­няют валковые машины.

Основные конструктивные элементы головок рассмотрим на примере головки для производства изделия трубчатой формы с треугольным поперечным сечением (рис. 4.1). Любая головка имеет формующий канал 12, его поперечное сечение повторяет форму поперечного сечения изделия. Наружная поверхность формуемого в этом канале изделия оформляется одной или несколькими деталями, называемы­ми мундштуком 11 (матрица, фильера). Если поперечное сечение изделия полое, то внут­ренняя поверхность его оформляется дорном 15. Мундштук и дорн являются сменным инструментом головки, поскольку конфигурация их зависит от изготавливаемого в данный момент изделия. Дорн крепится к корпусу 7 головки посредством дорнодержателя 6. Изображение дорнодержателя сбоку показано на виде Б. Центральная его часть 6, к которой крепится дорн, соединена с его наружным кольцом 4 посредством двух или более ребер 5 дорнодержателя (в данном случае четырех).

Подавляющее большинство головок имеет устройства для регули­рования зазора формующего канала. Как правило, это обеспечивается четырьмя (минимум тремя) болтами 19. Переходный канал 18 предназначен для плавного преобразования круглого (в данном случае кольцевого) на входе поперечного сечения в требуемое поперечное сечение формующего канала.

На входе в подводящий канал устанавливается решетка; решетка в ряде случаев служит опорным элементом для одной сетки или пакета устанавливаемых перед ней сеток. Одно из назначений решетки и сеток - фильтровать расплав, другое - создавать дополнительное гидравлическое сопротивление, обеспечивающее необходимое для удовлетворительной пластикации полимера давле­ние перед червяком (в том случае, если собственное гидравлическое сопротивление каналов головки оказывается недостаточным для этого).

Рис. 4.1. Конструкция головки для изготовления полого профиля:

1 – центрирующий бурт фланца 23 головки; 2 – решетка; 3 – термопары; 4 – наружная кольцеоб­разная часть дорнодержателя; 5 – ребра дорнодержателя; 6 – центральная часть дорнодержателя; 7 – корпус головки; 8 – трубка отвода жидкости, охлаждающей калибрующее устройство; 9 – каналы, сообщающие полость Г с полостью Д и атмосферой; 10 – электронагреватели; 11 – мундштук; 12 – формующий канал; 13 – калибрующее устройство; 14 – теплоизолирующие вставки и прокладки; 15 – дорн; 16 – штанга калибрующего устройства и отвода от него охлаждающей жидкости; 17 – основание штанги 16; 18, 22 – подводящий канал; 19 – болт для радиального смещения мундштука относительно дорна; 20 – трубка подвода жидкости, охлаждающей калибрующее устройство; 21 – радиальное отверстие в дорнодержателе; 23 – фланец головки; 24 – болты, крепящие головку к фланцу цилиндра экструдера.

Часто внутрь полого изделия необходимо вводить какой-либо агент (например, воздух под давлением для калибровки трубы, тальк для предотвращения слипания тонкостенного рукава из резиновой смеси до ее вулканизации и т.д.) или просто сообщать полость изделия с атмосферой. Это осуществляется через специальные отверстия 21 (в данной конструкции выполняются в ребрах дорнодержателя). В описываемой конструкции, например, эти отверстия используются для подачи и отвода охлаждающей воды в калибрующее устройство 13, укрепленное на головке. Подводящая 20 и отводящая 8 воду трубки проходят через два диаметрально расположенных ребра дорнодержателя. Третье из четырех ребер используется для выполнения в нем отверстия (на рис. 4.1 не показано), сообщающего с атмосферой полость головки Д и через систему каналов 9 полость Г формуемой заготовки расплава (показана штриховыми линиями) на участке между головкой и калибрующим устройством. Сообщение с атмосферой предотвращает развитие в полости Г разрежения или избыточного давления, приводящих к нежелательной деформации заготовки. Заполненные воздухом каналы 9 в совокупности с теплоизолирующими прокладками и вставками 14 существенно уменьшают нежелательный теплообмен между горячей головкой и деталями 8, 20, 17 и 16, осуществляющими подвод и отвод охлаждающей воды. Головка, как правило, имеет обогрев (иногда охлаждение). Чаще всего это электрообогрев хомутовыми нагревателями сопротивления 10, надеваемыми на корпус головки, однако для крупногабаритных головок с прямоугольной внешней конфигурацией (или близкой к ней) в последнее время стали использовать патронные цилиндрические электронагреватели (принципиально такие же, как и в прессовых формах), вставляемые в отверстия в корпусе головки. Теплопотери в окружающую среду в последнем случае значительно меньше (в 4-5 раз); наружная поверхность головки в этом варианте имеет лишь теплоизоляцию.

Корпус головки (а иногда и мундштук, как на рис. 4.1) должен иметь отверстия для установки в них приборов теплового контроля (термометров сопротивления или термопар 3) в соответствии с числом независимо регулируемых зон обогрева (охлаждения). Иногда в канал головки в области входа в нее или у входа в формующий канал вводят датчики давления и температуры расплава. Способы крепления головок к цилиндрам экструдеров показаны на рис. 4.2.

Принцип действия калибрующих устройств заключается в том, что их рабочие поверхности контактируют с одной или несколькими поверхностями скользящего по ним изделия, придают ему окончательные конфигурацию и размеры. Рабочие органы устройств (т.е. те детали их, которые имеют поверхности контакта с изделием) могут быть выполнены в виде массивных металлических охлаждаемых водой блоков, как это показано на рис. 4.1, набора диафрагм или вращающих­ся профилирующих валков. Прижим их к изделию осуществляется за счет собственного веса или пружин, а также давлением сжатого воз­духа. Например, на рис. 4.1. калибровка и охлаждение осуществляются при скольжении внутренней поверхности изделия (показано штриховой линией) по охлаждаемой наружной поверхности устройства 13.