Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы проектирования экструзионных машин предприятий полимерных материалов. Учебное пособие.pdf
10.4. СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ РУКАВНОЙ ПОЛИМЕРНОЙ ПЛЕНКИ
В современных линиях для рукавной пленки производительность
установки и качество пленки в большой степени зависят от систем охлаждения, которые по виду применяемого хладагента подразделяют на
воздушные, водяные и смешанные (рис. 10.4).
Большинство линий для производства рукавной полимерной пленки снабжено охлаждающими кольцами, использующими в качестве
хладагента воздух. Охлаждение в потоке воздуха дает возможность
добиться более равномерного (мягкого) режима охлаждения, что способствует уменьшению разнотолщинности пленки, связанной с дефектами головки и регулировкой ее формующего зазора. Охлаждение воздухом позволяет более гибко регулировать формование пленочного
рукава, выбирать его оптимальную форму и размеры (рис. 10.5).
Увеличение производительности пленочных агрегатов с воздушным охлаждением достигается повышенными скоростями обдува рукава, применением многощелевых охлаждающих колец и использованием
воздуха с температурой 0…5 °С.
Наиболее эффективным является повышение скорости обдува
пленки потоком воздуха, однако увеличение скорости обдува рукава
без конструктивных изменений кольца ограничено вибрацией и деформацией пленки, что приводит к увеличению разнотолщинности пленки
и образованию складок.
Использование сложной лабиринтной системы для выравнивания
потока воздуха по периметру кольца приводит к повышению сопротивления кольца и необходимости в высоконапорных вентиляторах.
Заслуживают внимания устройства, в которых увеличение скорости
обдува пленки достигается за счет использования аэродинамического
эффекта струи для стабилизации положения пленочного рукава.
Отличительной особенностью современных систем охлаждения
является использование внутреннего охлаждения. Охлаждаемые водой
и работающие по принципу воздушной подушки системы заменяются
системами охлаждения воздуха во всей полости рукава. Различают системы охлаждения замкнутые полостью рукава и системы, охлаждающие путем полного обмена с внешней средой.
10.4.1. Воздушные системы охлаждения
91
а)
б) в) г) д)
б)
1 1
1 1
1
2
2 2 2
2
3
3
3 7
3
6
5
4
3
5
9
8
12
11
10
3
3
3
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
Рис. 10.4. Системы охлаждения рукавной пленки:
а
– с воздушными охлаждающими кольцами; б – с воздушным кольцом и
водяной рубашкой; в – с охлаждаемыми водой плитами; г – с наружным
воздушно-водяным охлаждением и внутренним водяным охлаждением;
д –
с комбинированным охлаждающим устройством
3
в)
а)
Рис. 10.5. Схемы систем охлаждения рукавной пленки потоком воздуха:
а – с использованием аэродинамического эффекта струй; б – охлаждающее
кольцо с насадками; в – с использованием обмена воздуха внутри рукава;
1 – нижний зазор; 2 – верхний зазор; 3 – зазор для удаленного отсоса
92
Системы водяного охлаждения при производстве пленок можно
классифицировать следующим образом: охлаждение через металлическую стенку, охлаждение при непосредственном контакте, смешанное
охлаждение жидкостью.
Широкое использование систем охлаждения, основанных на непосредственном контакте пленки с охлаждающей жидкостью, объясняется трудностями по удалению влаги с поверхности пленки при ее последующей обработке и влиянием резкого охлаждения на качество для
различных полимеров.
Смешанное охлаждение (воздухом и водой) позволяет выравнивать толщину пленки за счет охлаждения пленки воздухом в зоне до
линии затвердевания, а затем охлаждения водой. Это позволяет более
гибко регулировать охлаждение и формование пленочного рукава.
10.4.2. Водяное охлаждение
10.5. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВЫТЯЖКИ ПЛЕНКИ
Устройство для вытяжки пленки представляет собой пару обрезиненных валков (или один металлический, а другой обрезиненный),
вращающихся от электропривода постоянного тока (для бесступенчатого регулирования скорости вытяжки в широком диапазоне скоростей)
и установленных на эстакаде. Для изменения расстояния от головки до
валков (в зависимости от толщины и ширины пленки) служат эстакады
с регулируемым по высоте расстоянием от уровня пола.
Выбор материала для складывающего устройства зависит от вида
изготовляемой пленки; используют в основном перфорированный
алюминий или деревянные планки (для пленок шириной, например,
6000 мм в сложенном виде, минимальная толщина которых 0,1 мм).
Для устранения неравномерного обтекания пленки в зоне складывания потоком воздуха и предотвращения складок щеки обтягивают
мелкой металлической сеткой.
Намоточные устройства в линиях для производства пленки различными методами служат для намотки пленки в рулон. По виду привода вращения рулона намоточные устройства бывают центрального
типа, периферийного (контактного) типа и комбинированные.
Намоточное устройство состоит из станины, на которой установлен электромеханический привод для вращения штанги (вала для креп-
10.5.1. Намоточные устройства
93
ления рулона) в случае центральной намотки или тянущего валка в
случае периферийной намотки, а также устройств зажима штанги, отрезки, перезаправки пленки и т.д.
Основными параметрами, определяющими конструкцию намоточного устройства являются, усилие натяжения пленки, скорость намотки, конечная величина диаметра рулона, свойства наматываемого полотна материала.
10.5.2. Намоточные устройства центрального типа
В случае центральной намотки рулон наматывается на шпулю, установленную на приводной штанге. Различают два способа привода
штанги – при постоянном и возрастающем крутящем моменте.
В первом случае усилие натяжения пленочного полотна снижается
по мере увеличения диаметра рулона, а во втором – остается постоянным.
10.5.3. Намоточные устройства контактного (периферийного) типа
Привод в намоточном устройстве контактного типа осуществляется за счет сил трения от вращающегося с постоянной частотой барабана, т.е. крутящий момент передается непосредственно на поверхность в
результате его прижатия под действием собственной массы к вращающемуся валку. Постоянство усилия прижатия рулона обеспечивается
рейкой с уменьшающимся углом наклона к горизонту.
Основными преимуществами намоточных устройств периферийного типа являются простота механической и электрической частей
намотки, устройств для зажима штанги и надежность в работе.
10.6. ТЕРМОУСАДОЧНЫЕ УПАКОВОЧНЫЕ ПЛЕНКИ И
К упаковочным относятся усадочные, тонкие, растягивающиеся и
комбинированные пленки различных типов.
Усадочные в зависимости от способа получения подразделяются
на термоусадочные, радиационно- и фотосшитые. Для их производства
используют следующие полимерные материалы:
• полиэтилен (ПЭ) – пленки из него обладают хорошей прочно-
стью, свариваемостью, непроницаемы для паров воды, газов;
• сополимер этилена с винилацетатом – пленки эластичны, хо-
рошо свариваются, имеют хорошую адгезию к бумаге, фольге;
94
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
• полипропилен (ПП) – пленки прочны на разрыв, удар, непро-
ницаемы для паров воды, газов, хладостойки;
• поливинилхлорид (ПВХ) мягкий – пленка из этого материала
обладает хорошей прозрачностью, блеском, что очень важно для упаковочного материала, эластична, малопроницаема для паров воды, газов;
• полиамиды (ПА) – пленки чрезвычайно эластичны, прочны на
разрыв и растяжение, износоустойчивы, прозрачны;
• полиэтилентерефталат (ПЭТФ) – пленки газонепроницаемы,
прочны, обладают высокой термостабильностью.
Наиболее распространены при производстве упаковочных пленок
полиэтилен низкой и высокой плотности, полипропилен и поливинилхлорид.
10.6.1. Упаковочные пленки из полиэтилена.
Наиболее распространенным сырьем для упаковочных пленок является полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), что объясняется его невысокой стоимостью и доступностью, пленки из него обладают хорошими эксплуатационными свойствами при высокой технологичности
процесса переработки и простоте аппаратурного оформления.
Из ПЭНП в настоящее время производят все виды упаковочных
пленок.
Усадочные пленки из ПЭНП. Под понятием "усадочные" следует
понимать такие пленки, которые под влиянием тепловой энергии
уменьшаются (усаживаются) в поперечном и в продольном к оси полотна направлениях. Любая пленка, полученная методом экструзии или
каландрования, обладает способностью усаживаться, но лишь в одном
направлении (обычно, вдоль оси полотна). В перпендикулярном к оси
полотна направлении размер либо не изменяется, либо может даже увеличиться. Такая пленка для упаковочных целей не годится, так как не
обеспечит плотного охвата упаковываемого предмета со всех сторон.
Усадочные пленки широко применяют при групповой и поштучной упаковке грузов промышленного назначения, изделий народного
потребления, пищевых продуктов и т.д.
Несмотря на разовый характер использования такого рода упаковки, производству этой пленки уделяется особое внимание, так как она
способствует длительному сохранению упаковываемых изделий.
Технология производства термоусадочных пленок. В процессе
формования пленки расплав полимера подвергается воздействию двухосного растяжения в условиях значительных скоростей охлаждения
Оборудование и технология производства
95
(10…30 град/с) и сдвига в каналах формующей головки, что внешне
выражается в его деформации. Общая деформация полимера при переработке складывается из необратимой деформации (течения) и обратимой (упругой и высокоэластической) деформаций.
Величина усадки определяется обратимой деформацией. Она закладывается в процессе деформации полимера при соответствующей
термообработке и зависящей, в основном, от интенсивности деформирования, напряжения, температурного режима и свойств материала.
На практике изменение величины усадки достигается регулированием производительности (скорости экструзии), скорости вытяжки,
ширины и скорости охлаждения рукава и толщины пленки, а также
температуры термообработки полимера. Особое место в регулировании
усадки занимает внешний вид зоны формования рукава и ее высота.
Определенный вклад в усадку вносит конструкция формующей
головки, а именно размеры и конфигурация каналов, конструкция каналов и подвода расплава, а также ширина формующего зазора.
Важным параметром, играющим одну из основных ролей в обеспечении технологичности процесса упаковки, является напряжение
усадки. Его величина зависит от температуры расплава на выходе из
формующей головки, скорости охлаждения полимера, высоты линии
кристаллизации, степени вытяжки и раздува, производительности экструдера, давлении воздуха внутри рукава и свойств сырья.
Одним из способов регулирования усадочных свойств является
изменение вида зоны формования рукава. На рисунке 10.6 представле-
ны две крайние ее формы: обычная
зона формования (1) и зона формования с "шейкой" (2). В зоне 1 рукав
начинает раздуваться сразу же по-
2
сле выхода из головки. Оканчивается раздув на уровне линии кристаллизации (затвердевания).
1
Деформация полимера происходит в течение продолжительного
времени в продольном и поперечном направлениях. В зоне 2 до некоторой ее высоты рукав испытывает только продольную вытяжку,
выше этого участка рукав начинает
Рис. 10.6. Зоны формования
рукава
раздуваться с одновременной деформацией вдоль его оси. Такое
различие в порядке деформирова-
96
ния расплава оказывает существенное влияние на усадочные свойства
пленки.
Образование формы 2 (зона формования с "шейкой") достигается
за счет соответствующего подбора степени раздува рукава в сочетании
с такими факторами, как скорость экструзии (производительность
пресса), скорость вытяжки, интенсивность обдува рукава воздухом.
Очевидно, что образование "шейки" и ее размер обусловлены сопротивляемостью расплава растяжению в тангенциальном направлении
под воздействием давления воздуха внутри рукава. У основания "шейки" толщина пленки рукава значительная и давление внутреннего воздуха может, оказаться недостаточным для его раздува. По мере продвижения элемента рукава вдоль оси происходит его удлинение с
уменьшением толщины, а при определенной высоте шейки наступит
равенство между сопротивляемостью растяжению расплава и усилием
от внутреннего давления. Далее элемент рукава пленки растягивается и
в тангенциальном направлении начинается зона раздува.
При увеличении скорости экструзии и скорости вытяжки высота
расположения линии кристаллизации увеличивается. Это приводит к
смещению на более высокие уровни всех участков зоны формования, в
том числе и расположенных на высоте "шейки" (высота "шейки" увеличивается). Аналогичное воздействие оказывает и увеличение интенсивности обдува рукава.
Степень раздува (отношение диаметров рукава и шейки) сильно
влияет на поперечную усадку. Наиболее приемлемым диапазоном степени раздува для усадки в этом направлении является диапазон (2…4,5).
При степенях раздува меньше двух усадка может быть нулевой либо
отрицательной. Вести процесс формования с раздувом больше 4,5 затруднительно из-за нарушения его стабильности даже при стабилизирующих устройствах, а также увеличивающейся разнотолщинности.
С увеличением степени раздува поперечная усадка растет, а продольная – уменьшается, что объясняется влиянием соответствующей
ориентации полимера.
Степень вытяжки (изменение линейных размеров пленки в осевом
направлении) наиболее действенна для регулирования продольной
усадки, в диапазоне степеней вытяжки 2…8 продольная усадка растет и
достигает 80 %. Определим взаимосвязь между степенью вытяжки,
раздува и толщиной пленки.
Степень вытяжки определяется отношением скорости вытяжки
(намотки) пленки к скорости экструзии расплава:
V
в
K =
. (10.1)
V
э
97
Запишем выражения для расчета скоростей:
ρ
Q
V
в
V
э
; (10.2)
δρπ=d
Q
, (10.3)
ρδπ=d
000
где Q – производительность экструдера; d – диаметр рукава; d0 – диаметр формующей щели головки; δ – толщина пленки; δ0 – ширина формующей щели головки; ρ – плотность полимера; ρ0 – плотность расплава полимера.
После совместного решения (10.2) и (10.3) в (10.1) получим
d
00
=
где
d
(степень раздува).
=α
d
0
K
, (10.4)
ραδ
Если не учитывать влияние плотности, то при постоянной величине формующего зазора степень вытяжки пленки зависит от степени
раздува и толщины пленки. Толщину пленки устанавливают заранее, а
переменную α определяют в зависимости от величины усадки.
В формующей головке поток расплава попадает в узкие сечения,
где непрерывно формуется рукав. В каналах из-за сужения сечения повышается скорость расплава и возникают большие сдвиговые нагрузки,
вызывающие продольную ориентацию макромолекул. Для получения
изотропной по усадке пленки необходимо, чтобы расплав на выходе из
головки имел продольную и поперечную ориентации.
Продольная усадка зависит от соотношения l / δ выходной зоны
(l – длина выходной зоны; δ – толщина зазора). При увеличении этого
соотношения продольная усадка уменьшается, так как успевает произойти релаксация предыдущей деформации.
Ориентация полиэтилена осуществляется посредством его деформации при температуре плавления Т
± ∆Т. Наиболее действенным ви-
пл
дом деформации является растяжение, которое производится в двух
вариантах.
1) при рукавном способе производства пленки материал при раздуве и вытяжке рукава ориентируется в продольном и поперечном направлениях;
2) при плоскощелевом способе за счет вытяжки пленка ориентируется вдоль оси полотна. Для ориентации пленки в поперечном к оси полотна направлении ее в дальнейшем подвергают поперечной вытяжке.
98
В случае производства пленки по первому варианту применяют
одновременное двухосное ориентирование и последовательное чередование, либо одноосной либо двухосной и одноосной вытяжек пленки.
Одноосная вытяжка при этом осуществляется фрикцией (осевое перемещение) двух или нескольких пар валков.
Вытяжку пленки производят при температурах как выше, так и
ниже точки плавления (Тпл + ∆T).
Для фиксирования ориентированного состояния применяют несколько методов:
− термический (быстрое охлаждение пленки);
− фотохимический (введение в полимер фотосенсибилизатора с
последующим облучением пленки ультрафиолетовыми лучами);
− радиационно-модифицированный (облучение пленки потоком
электронов).
В соответствии с этими методами получаемая пленка называется
термоусадочной, радиационно- и фотосшитой.
10.6.2. Особенности оборудования
В состав линий для производства термоусадочных пленок входят
кроме шнекового пресса (прессов); фильтра; формующей головки; системы охлаждения (одно- или двусторонней); устройств стабилизирующих, складывающих, тянущих, намоточных; эстакады; систем автоматического контроля и регулирования ширины рукава, дополнительные
специальные устройства для термообработки и вытяжки рукава.
В зависимости от способа получения термоусадочной пленки устройства для термообработки и вытяжки рукава могут быть выполнены
в виде нагревательных камер с регулируемым обогревом: одной или
нескольких пар тянущих валков, обеспечивающих различную степень
вытяжки пленки, оправок различной конфигурации, вводимых внутрь
рукава и др.
Охлаждающее устройство играет важную роль в обеспечении равнотолщинности пленки. Если охлаждающий воздух подается неравномерно, то для получения равнотолщинной пленки недостаточно того,
что расплав будет равномерно экструдироваться из головки. Интенсификация процесса достигается несколькими путями:
− установка мощных высоконапорных вентиляторов;
− использование предварительного охлаждения воздуха;
− применение двустороннего охлаждения.
для получения термоусадочной пленки
99
100
Охлаждающие кольца применяют с радиальными или коаксиальными подводами воздуха. В них предусматривается несколько объемных выравнивающих камер, благодаря чему устанавливается равномерный воздушный поток, позволяющий получать пленку с постоянной толщиной.
При производстве термоусадочной пленки вопрос выравнивания
скорости расплава на выходе из головки и получения равнотолщинной
заготовки ставится более остро, чем при получении обычных рукавных
пленок. Отклонения от средней толщины пленки на выходе из головки
при тех степенях раздува, которые необходимы для получения термоусадочной пленки, по мере приближения к линии кристаллизации возрастают. Это проявляется в появлении локальных полос на рукаве
пленки, толщина которых значительно отличающейся от средней толщины готовой пленки. В этих местах усадочные свойства пленки отличаются от средних, что проявляется в неплотной упаковке товаров.
При проектировании головок стремятся создать конструкции,
обеспечивающие выдачу гомогенного расплава с выровненным по скорости потоком, что ведется двумя путями:
− созданием конструкции головок с большим сопротивлением
(до 30 МПа) и соотношением длины и ширины, равным не менее 30;
− применением в головках центрального подвода расплава с вин-
товым распределителем.
Усадочные свойства зависят от температуры расплава полимера,
поэтому следует вести переработку при возможно меньшей температуре, что достигается оснащением головок системой внутреннего охлаждения. Воздух, подаваемый внутрь рукава, проходит по центральному
отверстию дорна, за счет чего его температура несколько снижается.
Термоусадочные пленки получают при степени раздува 2,5…4,
поэтому для стабилизации процесса формования пленки устанавливается стабилизирующее устройство.
Стабилизирующее устройство может регулироваться по высоте и
диаметру, рукав фиксируется четырьмя изогнутыми стержнями со свободно насаженными на них роликами; наложенные друг на друга они
образуют в горизонтальной плоскости окружность, охватывающую
рукав по периметру. По высоте устройства установлено несколько таких ограничителей.
Применение стабилизирующего устройства позволяет получать
ширину рукава с отклонением ±3 мм при степени раздува 1 : 4 (ширина
рукава более 700 мм).