Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы проектирования экструзионных машин предприятий полимерных материалов. Учебное пособие.pdf
10.6.3. Упаковочные пленки из полиэтилена высокой плотности.
A
Оборудование и технология производства
Пленка из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) для упаковочных целей обладает высокой водо- и маслостойкостью, значительной
прочностью при растяжении (превышает прочность пленки из ПЭНП,
примерно, в два раза), высокими показателями сопротивления проколу
и раздиру и повышенным напряжением усадки, что особенно важно
для упаковочных целей. Например, напряжение усадки пленки из
ПЭНП 0,1…0,38 МПа, из ПЭВП – 2…3 МПа.
Усадочные свойства пленки из ПЭВП, как и в случае с ПЭНП,
обеспечиваются при двухосной ее ориентации.
На достижение заданных усадочных свойств решающее влияние
оказывает вид рукава пленки в зоне формования. На рисунке 10.7 представлены две формы зоны формования с одинаковыми значениями
высоты линии кристаллизации, степени раздува и вытяжки, однако
усадочные свойства пленок 1 и 2 различны.
Различие объясняется существованием зоны А в рукавах 1 и 2
("шейки"), в пределах которой отсутствует ориентация макромолекул.
Это объясняется тем, что, благодаря высокой температуре в этой зоне,
подвижность макромолекул еще достаточная для разориентации.
Основная ориентация происходит на участке В, где эффективная
степень раздува рукава 1, равная D/d, превышает степень раздува рукава 2, равную D/d1 , следовательно, пленка 2 отличается высокой степенью одноосной (продольной) ориентации и разрыв ее будет легко
распространяться в направлении экструзии.
Пленка 1 будет обладать
стабильными характеристиками в обоих направлениях,
поэтому для получении усадочной пленки из ПЭВП не-
В
d
d
обходимо вести процесс
формования рукава с образованием "шейки".
Длина "шейки" должна
1
2
быть равной 3…5, а в некоторых случаях 8…10 диаметрам
формующей щели зкструзи-
d
онной головки. Диаметр рукава в 4–5 раз больше диаметра щели профилирующей
головки.
Рис. 10.7. Формы рукава из ПЭВП
в зоне формования
101
102
Для обеспечения указанных требований перерабатывающее оборудование для ПЭВП должно иметь следующие особенности: более
мощный привод шнекового пресса; длина шнека 16…24 D с малой степенью сжатия; материальный цилиндр с пазами, а значительная вязкость полиэтилена высокой плотности вызывает необходимость установки более мощного привода пресса.
Шнек должен быть небольшой длины (16…24) D с малой степенью сжатия, обязательно смесительным элементом и цилиндром с пазами и водяным охлаждением для обеспечения равномерности расхода
путем повышения давления в зоне питания; конструкция головки
должна выдерживать высокие давления и обеспечивать формование
заготовки рукава без образования линий слияния потоков.
Система охлаждения при переработке ПЭВП должна формировать
поток воздуха с одинаковой скоростью без переохлаждения пленки,
поэтому используют, в основном, охлаждение одностороннее, системы
внутреннего охлаждения не применяют.
Складывающее устройство выполняют минимальной длины (участок сплющивания в два раза меньше диаметра), что обеспечивает прием рукава без складок, а намоточное устройство – центрального типа.
10.6.4. Особенности оборудования для производства
Полипропилен (ПП) является высококристаллическим полимером,
поэтому его физико-механические свойства зависят от степени кристалличности, особенно чувствительны к этому прочность и эластичность. При получении пленки важно обеспечить пониженную жесткость, что достигается при низкокристаллической структуре. Это требование обеспечивается резким охлаждением пленки.
В линиях для производства полипропиленовой пленки имеется водяная ванна или другое устройство для резкого охлаждения рукава. Экструзия
происходит по схеме "сверху–вниз", степень раздува составляет около 1,5.
Ориентированная полипропиленовая пленка не уступает целлофану по прозрачности, механической прочности, газо- и паронепроницаемости и получила широкое распространение.
Упаковочные пленки из поливинилхлорида. Одним из наиболее
распространенных материалов для изготовления упаковочных пленок
является поливинилхлорид (ПВХ).
Основные методы получения усадочных пленок:
− экструзия рукавных пленок с одно- и двухстадийным раздувом;
− вытяжка плоских пленок в одном или двух направлениях при
нагревании.
упаковочных пленок из полипропилена
10.7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИСТОВ
8 7
5
МЕТОДОМ ЭКСТРУЗИИ
Производство листов из термопластов – одно из наиболее распространенных направлений в области переработки пластических масс.
Листы, к которым относят изделия толщиной 0,5…20 мм, можно изготовлять прессованием, литьем под давлением и экструзией. В мировой
практике их изготовляют в основном экструзией.
К этому же разряду изделий, изготовляемых экструзией, относят
рулонные материалы из термопластов толщиной 0,5…1,5 мм.
Самыми распространенными для изготовления листов экструзионным методом являются линии на базе шнековых прессов со шнеком
диаметрами 90…160 мм.
В состав линий для мерных листов на базе шнековых прессов входят плоскощелевые головки, гладильные каландры, рольганги, тянущие
устройства, узлы поперечной и продольной резки, листоукладчики,
средства автоматического контроля и регулирования процесса.
В линиях для изготовления рулонных материалов вместо гладильных каландров применяют охлаждающие валки без калибровочного
зазора, а для приема готового изделия – намоточные устройства.
Установка для производства плоских листов состоит из одношнекового или двухшнекового пресса 1 (рис. 10.8), плоской широкощелевой головки 2, гладильных валков 3, устройства 4 для продольной обрезки кромок, роликового транспортера 5, вытяжного устройства 6, а
также устройства 7 и 8 для поперечной резки листов и их штабелировки. Устройство 7 оснащено съемными зажимными колодками, а устройство 8 – передвижной тележкой 9 для готовых листов.
Шнековые прессы, входящие в состав линий для производства
листов, не имеют принципиальных отличий от прессов, используемых
в производстве труб, пленок и других изделий. Конструкции и их выбор рассмотрен в главе 1.
9
Рис. 10.8. Экструзионная установка
для производства плоских листов из термопластов
6
4
3 2
1
103
104
Экструзионные головки. Конструкция плоскощелевой экструзи-
онной головки определяется геометрией изготовляемого изделия и видом перерабатываемого материала [8, 22].
Основные показатели работы головки – равномерное распределение расплава по ширине формующей щели и обеспечение постоянства
скорости его течения на выходе из формующих губок. Эти показатели
достигаются выбором геометрии распределительного канала, кроме
того, они зависят от точности поддержания температурного режима
головки и работы шнекового пресса (отсутствия пульсации расплава и
градиента температуры в его потоке).
Подавляющее большинство плоскощелевых головок имеет распределительный канал в форме "плечиков". Обтекаемость формы канала обеспечивает равномерное давление по всей ширине выходной щели. Для точного регулирования распределения расплава по ширине в
головках применяют дросселирующие устройства.
Расширение диапазона регулирования достигают применением автономно регулируемых вкладышей, расположенных в ряд по ширине
головки. Выдвижение каждого вкладыша в направлении канала и обратно осуществляется винтами. Регулирование формующего зазора для
изменения толщины листа осуществляется смещением или изгибом
одной из губок, а при необходимости регулирования в значительных
пределах – установкой сменной губки. Диапазон регулирования в пределах одного комплекта губок до шести миллиметров.
Для обогрева головок применяют нагреватели кассетного типа, устанавливаемые на их поверхности, и патронного типа, устанавливаемые в отверстия корпуса головки. Последние обеспечивают более
плавное регулирование температуры. Для процессов, требующих поддержания температуры с очень высокой точностью в последнее время
стали применять обогрев головок циркулирующим маслом.
Гладильные каландры. Назначение гладильного каландра – ка-
либрование листовой заготовки, охлаждение ее до температуры размягчения и формирование поверхности.
Конструктивные особенности гладильных каландров определяются видом перерабатываемого материала, геометрическими размерами
обрабатываемой заготовки, характером поверхности будущего листа,
производительностью линии. В отдельных случаях каландры дополнительно оснащают размоточными устройствами для подачи дублировочных материалов, экранами для термостабилизации обрабатываемой
заготовки, дополнительными валками, механическим приводом для
откатки и передвижения.
Большое влияние на качественные показатели листов оказывают
состояние поверхности валков и равномерность ее температуры.
Если чистота поверхности валков определяет качество поверхности листов, то температурное поле влияет и на величину деформации,
условия структурообразования и на изотропность практически всех
свойств листа. Поэтому система термостатирования поверхности валков гладильного каландра – один из узловых элементов его конструкции. Сложность термостатирования поверхности валков в том, что
большинство процессов изготовления листов требует обогрева валков
лишь в начальный период процесса (при запуске линии), а в дальнейшем валки необходимо охлаждать. Поэтому системы термостатирования валков гладильного каландра должны обладать высокой эффективностью, низкой инерционностью при переходе от режима обогрева к
режиму охлаждения.
Устройства для охлаждения листов. Рост производительности
оборудования, увеличение габаритов листов и повышение требований к
их качеству вызывают применение интенсивных и широко регулируемых систем термостабилизации при приеме листа. Приемные устройства
в действующих линиях для переработки термопластов построены таким
образом, что в заключительной стадии изготовления изделия температурный режим оказывается неуправляемым и неконтролируемым.
Охлаждение термопласта на участке гладильный каландр – тянущее устройство происходит при значительных температурных перепадах между наружными и внутренними слоями изделия. В листах большой толщины температурные перепады между внешними и внутренними слоями достигают 50…80 °С, поэтому структурообразование
происходит в различных слоях различно, что приводит к неравномерности свойств. Оказывается неуправляемым и процесс релаксации напряжений, неизбежно возникающих при переработке термопластов (часто скорость охлаждения больше скорости релаксации). В этих условиях
лист получается со значительными внутренними напряжениями, вызывающими впоследствии усадку. Естественно, что чем толще лист, тем
более выраженной будет неравномерность охлаждения и, как следствие,
тем больше неравномерность физико-механических показателей.
Задача управления процессом термостабилизации в заключительной стадии производства изделий сводится к обеспечению равномерного температурного поля по толщине и ширине листа и установлению
определенной скорости охлаждения от начала до конца процесса кристаллизации полимера. Решение этой задачи можно осуществить замедлением охлаждения внешних слоев листа, обеспечивая тем самым
выравнивание температурного поля по толщине, а также подводом тепловой энергии к поверхности листа от внешних источников.
105
106
Регулировать процесс охлаждения с достаточной эффективностью
можно с помощью камеры термостабилизации на участке между гладильным и тянущим устройствами. Отличительная особенность такой
камеры – необходимость создания переменного температурного режима по ее длине с возможностью дифференцированного регулирования.
Устройства для резки. Режущие устройства листов в линиях для
термопластов по назначению подразделяются на две группы:
− устройства поперечной резки – для отреза мерных листов за-
данной длины или ленты, наматываемой в рулон;
− устройства продольной резки – для обрезки кромок формуемо-
го материала и для разрезки по длине широкой полосы на более узкие.
Наиболее распространенные устройства для поперечной резки –
гильотинные ножницы; для резки хрупких материалов, например, полиметилметакрилата и листов толщиной более 10 мм – дисковые фрезы.
Для продольной резки чаще применяют дисковые ножи.
10.8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ОБЪЕМНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ РАЗДУВАНИЕМ
В связи со значительным расширением использования тары из полимерных материалов для транспортировки и хранения пищевых продуктов и различных товаров химической, фармацевтической, нефтеперерабатывающей, парфюмерной и других отраслей промышленности
резко возросла потребность в увеличении производства объемных (полых) изделий из термопластов.
Объемные изделия из термопластов изготовляются тремя способами: а) склеиванием или свариванием двух половин (заготовок), полученных литьем под давлением или вакуум-формованием; б) раздуванием сжатым воздухом трубчатой заготовки, полученной литьем под давлением в закрытую форму; в) раздуванием сжатым воздухом трубчатой
заготовки, полученной выдавливанием в открытое пространство.
Многие объемные изделия из термопластов (бочки, фляги, канистры и т.д.) невозможно изготовить ни одним из методов, кроме метода
раздувного формования.
Раздувное формование имеет существенные преимущества в сравнении с другими методами переработки полимеров и находит все более
широкое применение в промышленности за счет сравнительно простой
технологии производства, высокой производительности оборудования,
возможности автоматизации производства, невысокой стоимости оснастки и др.
Изготовление объемных изделий из термопластов методом раз-
9
10
8
5
4
3
6
7
1
2
а
)
б)
в)
дувного формования состоит из двух стадий:
− получение трубчатой заготовки;
− раздувание трубчатой заготовки сжатым воздухом.
Заготовку из термопласта для последующего раздувания можно
получать на литьевых или экструзионных машинах, поэтому различают
два метода производства: литьевой и экструзионный.
Широкое распространение получил экструзионный метод, обеспечивающий высокую производительность оборудования при сравнительно невысоких капитальных затратах. Сущность его состоит в следующем (рис. 10.9, а – в): порошок или гранулы термопласта загружаются в бункер экструдера и захватываются вращающимся шнеком.
За счет механической энергии вращающегося шнека и тепла от нагревательных элементов цилиндра экструдера термопласт разогревается, пластицируется и в размягченном состоянии выдавливается через
формующий инструмент (прямоточную или угловую головку) в атмосферу в виде трубчатой заготовки необходимой длины. После этого
смыкаются половинки раздувной формы, зажимая один конец заготовки на формующем ниппеле и сваривая другой ее конец с помощью
пресс-канатов формы. Внутрь заготовки подается сжатый воздух, она
раздувается и происходит формование изделия. После охлаждения
форма размыкается и изделие удаляется.
Рис. 10.9. Схема производства раздувных изделий
по экструзионному методу:
а – получение заготовки; б – раздувание заготовки и оформление ее в изделие;
в – съем изделия; 1 – шнек; 2 – материальный цилиндр; 3 – угловая головка;
4 – дорн; 5 – кран; 6 – мундштук – заготовка; 8 – полуформа;
9 – привод полуформы; 10 – изделие
107
108
Воздух на раздувание заготовок может подаваться сверху через отверстие в дорне экструзионной головки (рис. 10.10 – I), снизу через отверстие в формующем ниппеле, на который в процессе выдавливания надевается заготовка (рис. 10.10 – II) или через дутьевую иглу (рис. 10.10 – III).
Самым простейшим является способ подачи сжатого воздуха на
раздувание заготовки через полую дутьевую иглу диаметром 2…2,5 мм,
которая вводится в зажатую полуформами размягченную пластмассовую заготовку.
Подача воздуха на раздувание через дутьевую иглу используется в
производстве раздувных изделий способом непрерывной цепи, а также
для получения полностью замкнутых изделий.
В последнем случае небольшое отверстие в изделии от дутьевой
иглы легко заваривается.
I
II
III
а) б) в)
Рис. 10.10. Схемы раздувания заготовки сжатым воздухом,
подаваемым сверху (I), снизу (II), через дутьевую иглу (III):
а – смыкание формы; б – раздувание заготовки и охлаждение изделия;
в – размыкание формы и съем изделия
Другим распространенным способом подачи воздуха на раздувание заготовок является подача снизу через формующий ниппель. При
этом методе трубчатая заготовка находится над полым ниппелем, наружный диаметр которого соответствует диаметру горловины готового
изделия. Горловинная часть раздувной формы при смыкании полуформ
прижимается к пластицированному материалу и выдавливает наружу
его излишек. В этом случае формуется гладкое отверстие в горловине и
отпадает необходимость в последующей его обработке изнутри.
В зависимости от относительного движения заготовки и полуформ
приемного устройства требуется в некоторых случаях дополнительное
приспособление, которое перед смыканием полуформ ориентирует заготовку относительно ниппеля. Необходимость в установке этого приспособления, а также механизмов для съема готовых изделий с ниппеля
и их удаления является недостатком способа подачи воздуха снизу.
При подаче сжатого воздуха сверху через отверстие в дорне отпадает необходимость в точном фиксировании положения заготовки относительно приемного устройства и появляется возможность раздувать
заготовки нецилиндрического сечения (прямоугольных, овальных).
Недостатком экструзионного метода производства объемных изделий раздуванием является разнотолщинность стенок изделия из-за
неравномерности температуры заготовки по высоте, а также разнотолщинности заготовки при ее вытяжке под собственным весом при экструзии. Различие в толщинах стенок изделий круглого поперечного
сечения достигает 30…40 %, а для изделий других сечений – еще выше.
Вторым недостатком этого метода является большое количество
отходов, достигающее 50 % от веса изделия.
Наибольшее распространение в промышленности получили экструзионно-раздувные агрегаты с копильником и без копильника.
В экструзионно-раздувных агрегатах без копильника устройство
для нагрева материала, пластикации и выдачи заготовки представляет
собой экструдер типовой конструкции с угловой или прямоточной головкой.
Выдача раздувной заготовки производится вращающимся шнеком
экструдера. Скорость выдачи заготовки зависит от ее размеров и объемной производительности экструдера.
В экструзионно-раздувных агрегатах с копильником между шнеком экструдера и головкой предусматривается промежуточная емкость,
где накапливается расплав полимера за время раздувания и охлаждения
изделия в форме. После накопления расплав выдавливается из копильника с большой скоростью через формующий инструмент под действием поршня копильника или осевого перемещения шнека.
109
110
Эктрузионно-раздувные агрегаты с копильником применяются в
производстве крупногабаритных изделий и позволяют получать изделия с равномерной по высоте толщиной стенки. Раздувные агрегаты по
роду управления разделяются на агрегаты с ручным полуавтоматическим и автоматическим управлением.
На рисунке 10.11 показан зкструзионно-раздувной агрегат с наиболее распространенным вариантом компоновки.
Экструдер типовой конструкции расположен горизонтально, а угловая экструзионная головка позволяет обеспечивать выдачу трубчатой
заготовки из термопласта вертикально вниз.
Приемное устройство в целях повышения производительности агрегата выполнено двухпозиционным, что позволяет использовать две
раздувные формы. В этом случае формы попеременно подводятся под
экструзионную головку и в то время как одна форма раскрыта и в нее
подается заготовка, в другой происходит раздувание заготовки и охлаждение изделия.
1
2
8 7 6
3
4
5
Рис. 10.11. Схема экструзионно-раздувного агрегата
с горизонтальным расположением экструдера:
1 – экструдер; 2 – угловая головка; 3 – приемное устройство;
4 – заготовка; 5 – ниппель; 6 – подвижная плита; 7 – отрезной нож;
8 – полуформа