УМК МАХП - 2 ч. Жаркова, Митинов

4 с мелким и глубоким винтовыми каналами. Кривые 1 и 2 характеризуют экструзионные головки с большим и малым сечениями.

Для головки с большим сечением профилирующей щели точка A1

определяет режим работы червяка с мелким каналом, а точка B1 – червяка с глубоким каналом. Червяк с глубоким каналом обеспечивает более высо- кую производительность, поскольку сопротивление головки невелико.

Для головки с малым сечением профилирующей щели, отличающей- ся высоким сопротивлением, точки C1 и D1 определяют соответственно режимы работы червяков с мелким и глубоким каналами.

Рис. 5.9. График зависимости объемной производительности экструзии Q

от давления в профилирующей головке P

Производительность червяка с глубоким каналом резко уменьшается вследствие увеличения обратного потока. Червяк с мелким каналом созда- ет более высокое давление и препятствует увеличению обратного потока. Таким образом, каждой головке соответствует червяк определенной гео- метрической формы, который обеспечивает максимальную производи- тельность экструдера.

Производительность экструдера выражается количеством выдавли- ваемого материала (кг/ч) и при переработке разных термопластов неоди- накова. Производительность переработки ПЭВД на 20 %, а ПЭНД на 40 % меньше, чем производительность переработки пластиката ПВХ. Произво- дительность переработки винипласта более чем в два раза меньше, чем пластиката ПВХ. Повышения производительности экструдера можно дос- тигнуть увеличением частоты вращения червяка (до 120 об/мин), увеличе- нием глубины нарезки и угла ее наклона, уменьшением радиального зазо-

71

ра между цилиндром и червяком. Из сказанного видно, что производи- тельность изменяется в зависимости от конкретных условий работы ма- шины, вида материала, диаметра червяка, конструкции экструзионной го- ловки. Особенно важно знать производительность в конкретных условиях при комплектовании специализированной установки, рассчитанной на длительную эксплуатацию. В этих случаях прибегают к математическому определению производительности дозирующей зоны экструдера.

5.8. Терморегуляция экструдера

Система обогрева современного экструдера должна обеспечивать подвод количества тепла, соответствующего производительности экстру- дера и поддержание температуры расплава полимера с точностью 1 – 2 ° С. Последнее требование важно не только для термочувствительных полиме- ров, перегрев которых может привести к деструкции полимера, но и для большинства термопластов, переработку которых с позиций энергосбере- жения целесообразно вести при повышенных температурах, то есть вблизи температуры деструкции. Точность соблюдения границ температурного диапазона переработки обеспечивается совместной работой систем обогре- ва и охлаждения.

Наибольшее распространение в настоящее время получил электриче- ский обогрев цилиндра экструдера, хотя в некоторых случаях применяются жидкостный (обычно масляный) и паровой способы обогрева. При органи- зации электрического обогрева электронагреватели сопротивления или ин- дукционные нагреватели крепятся на цилиндре и головке экструдера. Электрический обогрев предусматривает возможность релейного (включе- но – выключено) или пропорционального регулирования температуры. При пропорциональном регулировании подаваемая на нагреватель мощ- ность пропорциональна разнице между заданной и фактической темпера- турой цилиндра, что снижает инерционность системы, обеспечивает точ- ность поддержания температуры. Регулирование обычно осуществляется с использование первичных приборов (термопар, термометров сопротивле- ния) и вторичных приборов, осуществляющих управление силовыми элек- трическими цепями. Обогрев экструдера, как правило, включает несколько тепловых зон, при этом температура возрастает от загрузочной воронки к экструзионной головке.

Жидкостное регулирование нагрева более инерционно и менее точ- но, чем электрическое, требует дополнительной установки насоса, фильт- ров, электронагревателей, арматуры. Преимуществом жидкостного обог-

72

рева является возможность использования магистралей как для нагрева, так и для охлаждения экструдера. При электрическом обогреве система охлаждения достаточно сложна и может быть выполнена в виде трубок, навитых на корпус цилиндра, сообщающихся каналов в цилиндре или спе- циальных охлаждающих вентиляторов (индивидуальных на каждую зону или общего с коллектором). Для обеспечения оптимальных технологиче- ских параметров процесса в некоторых случаях охлаждается шнек.

При расчете мощности, потребляемой экструдером, возможны не- сколько подходов.

Так, мощность может быть рассчитана по затратам энергии на рас- плавление гранул, нагрев расплава до заданной температуры и продавли- вание расплава с заданной производительностью Q при противодавлении

в формующем инструменте.

Для широкого круга полимеров и условий их переработки удельная мощность экструзии лежит в пределах 0,47 – 0,86 МДж/кг.

Затрачиваемая мощность может быть рассчитана на основании имеющихся моделей поведения материала в процессе его переработки в виде суммы мощностей, потребляемых в зоне загрузки, плавления и дози- рования, а также в других специфических зонах, если они имеются (дега- зации, смешения и т.п.).

Мощность, необходимая для привода червяка, складывается из мощ- ностей, рассеиваемой в пределах зоны дозирования, мощности, рассеивае- мой в пределах зоны плавления и зоны питания и рассеиваемой в головке. Наибольший интерес представляет определение мощности, рассеиваемой в пределах зон дозирования и плавления, поскольку именно здесь расходу- ется основная мощность привода.

В большинстве случаев вязкость изменяется по длине червяка, одна- ко построить кривую изменения вязкости очень трудно. Поэтому на прак- тике уравнения объемной производительности и мощности определяют в зависимости от средней вязкости µср :

L

∫µ × dl

Формула мощности в зависимости от средней вязкости:

73

Необходимая для привода червяка мощность N (в кВт) может быть также определена из энергетического баланса экструдера:

N = 32 ×10−5 ×Q ×c ×(Tp -To ) ,

где Q – производительность экструдера, кг/ч;

с – теплоемкость материала, Дж/(кг·град); Tр – температура расплава, ° С;

To – температура загружаемого материала, ° С.

В современных скоростных экструдерах наружный обогрев исполь- зуется, главным образом, для разогрева материала перед пуском экструде- ра в работу и для компенсации тепловых потерь в окружающую среду. Однако, если скорость вращения червяка ниже уровня экономически целе- сообразной скорости вращения, то в тепловом балансе экструдера необхо- димо учитывать и наружный обогрев.

Тема 6 ЭКСТРУЗИОННЫЕ ЛИНИИ

Для изготовления изделий методом экструзии недостаточно только одного экструдера. В состав экструзионного агрегата обычно входит не- сколько машин, обеспечивающих реализацию процесса. Конкретный со- став оборудования определяется способом экструзии и типом изготавли- ваемого изделия. Наиболее распространенными и востребованными явля- ются экструзионные линии для грануляции, производства труб, профилей, пленок раздувом, листов, кабельной изоляции.

6.1. Экструзионные линии для гранулирования полимеров

Задача гранулирования полимеров ставится при получении полиме- ров в удобной товарной форме на заводах органического синтеза и изго- товлении полимерных композиций. Форма гранул может быть кубической, цилиндрической или сферической. Гранулированная форма товарных по- лимеров удобна и безопасна при переработке любым известным способом (литьем, экструзией, раздувом). Наиболее удобный для дальнейшего ис- пользования и попавший в нормативную документацию размер гранул от 3 до 5 мм. Первичная грануляция получаемых полимеров необходима еще и потому, что известные методы синтеза обеспечивают получение полимера

74

в непригодной для дальнейшего использования форме – расплаве или в порошкообразном виде. Линии первичной грануляции обычно имеют дос- таточно высокую производительность (до 10 т/ч).

Наибольшее распространение получили установки водокольцевой, подводной и стренговой грануляции. Схема установки стренговой грану- ляции приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Установка стренговой грануляции:

1 – экструдер; 2 – водяная ванна; 3 – гранулятор; 4 – приемный бункер

При реализации процесса стренговой грануляции расплав полимера из экструдера выдавливается через фильеру с круглыми отверстиями в ви- де прутков (стренг) в водяную ванну охлаждения 2. Охлажденные в ванне стренги поступают в гранулятор 3, где режущим устройством (фрезой) разрезаются на гранулы, ссыпающиеся в приемный бункер, откуда пнев- мотранспортом или самотеком подаются на узел фасовки.

6.2.Экструзионнные установки для производства труб и профилей

Внастоящее время технологии экструзии труб и профилей очень вос- требованы и получили новый толчок в развитии в связи с тенденцией заме- ны традиционных конструкционных материалов в строительной индустрии на полимерные. Так, долговечность и стойкость полимерных материалов к коррозионному воздействию и низкое гидравлическое сопротивление внут- ренней поверхности (на которой не фиксируются отложения) обеспечили им безусловное лидерство в качестве материала для напорных и безнапор- ных водопроводов и даже газопроводов. Экструзией из пластмасс произво- дят трубы диаметром до 600 мм. Современные строительные технологии прямо сориентированы на применение поливинилхлоридных, полипропиле- новых и полиэтиленовых труб для водоснабжения и канализации.

Экструзионные оконные профили из поливинилхлорида за послед- ние 30 лет практически вытеснили из строительной отрасли деревянные оконные блоки в Европе и сильно потеснили – в странах СНГ.

75

Обычная экструзионная установка для изготовления труб, стержней, шлангов и других профилированных изделий (рис. 6.2) состоит из червяч- ного экструдера 1 с кольцевой аксиальной головкой 2 и калибрующей на- садкой 3, устройств 4, 5, 7 и 8 соответственно для охлаждения, вытяжки, разрезания трубы 6 на участки необходимой длины и штабелирования.

Рис. 6.2. Общий вид экструзионной устновки для производства труб:

1 – экструдер; 2 – головка; 3– калибрующая насадка; 4 – охлаждающее устройство; 5 – тянущее устройство; 6 – труба; 7 – режущее устройство; 8 – штабелер

Обычно указанную насадку применяют для калибрования трубы по наружному диаметру. Прикрепляется она непосредственно к экструзион- ной головке или устанавливается рядом с охлаждающим устройством. Экструдируемая труба прижимается к полированной поверхности насадки сжатым воздухом, нагнетаемым в полость трубы через канал в дорне го- ловки. Для герметизации трубы в ней устанавливают скользящую пробку, которая соединяется с дорном головки или пережимает свободный конец трубы. Калибруемая труба охлаждается водой, проходящей через рубашку насадки, ванну, и транспортируется тянущими роликами.

В некоторых случаях калибрование трубы осуществляется под дей- ствием вакуума при соединении полости калибрующей насадки с вакуум- ной линией. В этом случае необходимость герметизации трубы отпадает.

76

Вакуумный калибр (рис. 6.3) можно описать как перфорирован- ный участок трубы с рубашкой, в которой создается разряжение и одновременно подается охлаждаю- щая среда. Существуют и более простые конструкции для калибро- вания труб по наружному диаметру

– калибрующие втулки, однако в настоящее время их применение ограничено.

Важным элементом любого экструзионного агрегата является тяну- щее устройство, которое должно обеспечить отбор экструдата с постоянной скоростью и заданным усилием, необходимым для преодоления сопротив- ления калибра и устройства охлаждения. По конструкции тянущие устрой- ства могут быть валковыми, барабанными, траковыми.

6.3. Линии для производства пленок раздувом

Большая часть одного из самых распространенных в мире полимеров

– полиэтилена перерабатывается в упаковочные и сельскохозяйственные пленки методом экструзии с раздувом.

Стабильность процессов производства пленок зависит от следующих параметров: скорости экструзии, температуры расплава, интенсивности охлаждения, скорости отвода пленки, диаметра рукава и перерабатываемо- го материала. Форма рукава (пузыря пленки), ее стабильность и скорость движения находятся в тесной взаимосвязи с указанными параметрами.

Форма пузыря пленки, прежде всего, зависит от положения линии «замерзания» (линии застывания вязкопластичного материала), которое, в свою очередь, определяется стабильностью процесса охлаждения. Для ка- ждого типа перерабатываемого материала имеется своя оптимальная высо- та линии «замерзания». В большинстве случаев пузырь пленки под линией замерзания имеет коническую форму. Во избежание образования складок по периметру рукава необходимо обеспечивать равномерное охлаждение и постепенное складывание рукава путем установки соответствующего угла раскрытия направляющих щек. Наконец, для получения качественных пленок необходимо поддерживать постоянные скорости отвода и намотки при постоянстве натяжения пленки.

77

При изготовлении рукавной пленки на экструзионной установке можно направить ее вверх, вниз или по горизонтали. Первый метод пред- почтительнее второго, поскольку не требует установки экструдера и при- емно-намоточных устройств на разных этажах здания или подъема экстру- деров на специальные площадки и не вызывает произвольной вытяжки ма- териала, выдавливаемого непосредственно из головки. Второй способ ме- нее распространен и используется, главным образом, при экструзии доста- точно вязких материалов. Экструзия рукавной пленки в горизонтальном направлении наиболее предпочтительна, так как позволяет значительно сократить высоту установки и создает оптимальные условия для контроля и регулирования процесса, наблюдения за экструдируемой и разуваемой пленкой. Однако в связи с опасностью произвольной деформации пленки от провисания под действием собственного веса этот метод применяют для небольших установок, а также при экструзии пленки из пенополистирола и жесткого поливинилхлорида.

Схема экструзионной установки получения рукавной пленки мето- дом раздува представлена на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Экструзионная установка получения рукавной пленки методом раздува: 1 – экструдер; 2 – тянущие валки; 3 – направляющие валки; 4 – намоточное устройство

В ходе переработки гранулированный полимер поступает через за- грузочную воронку в экструдер, где расплавляется и выдавливается через кольцевой зазор угловой пленочной головки. Заготовка тянется валками 2, а в дорн головки подводится воздух, вследствие чего заготовка растягива-

78

ется (раздувается), увеличиваясь в размерах и утоняясь до необходимой толщины пленки. Форма «факела» регулируется количеством воздуха для раздува и интенсивностью наружного охлаждения. После прохождения че- рез направляющие валки 3 пленка сматывается в рулон на специальном намоточном устройстве 4. Современные раздувные пленочные установки оснащаются счетчиками метража и автоматическими устройствами смены рулонов.

6.4. Экструзионные линии для нанесения полимерных покрытий

Для нанесения покрытий из термопластичных полимерных материа- лов на электрические провода, кабели, стальные трубы, деревянные планки и другие полуфабрикаты применяются экструзионные линии на базе одно- червячных, пластицирующих экструдеров, причем широкое использование получили экструзионные агрегаты в кабельной промышленности. Напри- мер, для техники связи медные провода диаметром 0,4 – 1,4 мм покрывают-

Рис. 6.5. Схема установки для нанесения изоляции на провода и кабели:

1 – барабан; 2 – натяжные ролики; 3 – кондуктор; 4 – экструдер; 5 – угловая го- ловка; 6 – охлаждающие ванны; 7, 8 – контрольные устройства; 9 – кабестан; 10 – рас- пределительное устройство; 11 – барабан

Провод сматывается с барабана 1, проходит через натяжные ролики 2 и кондуктор 3, обеспечивающий предварительный нагрев проволоки. В уг- ловой головке 5 червячного экструдера 4 провод покрывается слоем термо- пласта. В дальнейшем изолированный провод охлаждается в нескольких

79

ваннах 6 нагретой до различной температуры водой, проходит через уст- ройство 7 для контроля изоляции на пробой, устройство 8 для контроля диа- метра, кабестан 9 для вытягивания перед намоткой, распределительное уст- ройство 10 и наматывается в готовом виде на барабан 11.

В экструзионных процессах нанесения покрытий предварительно обработанный провод сквозь специальную подводящую гильзу (втулку) непрерывно протягивается через формующий инструмент. В формующем инструменте он покрывается расплавом полимера, поступающим из экс- трудера, охлаждается, непрерывно вытягивается и наматывается.

Существует два способа нанесения покрытий: рукавный и под дав- лением. При первом способе покрытие наносится вне формующего инст- румента, а при втором – внутри формующего инструмента. Соответствен- но применяются и различные конструкции формующего инструмента.

На рис. 6.6 показана принципиальная схема формующей головки для нанесения изоляции на одно- и многожильные провода.

Рис. 6.6. Схема формующей головки для нанесения изоляции под давлением: 1 – расплав полимера; 2 – корпус головки; 3 – вкладыш; 4 – жила кабеля

Обязательной деталью такой головки является вкладыш 3, направляющий движение кабеля или провода. Основная функция направляющего вкла- дыша – предотвращение противотока расплава. Вкладыш 3 мало влияет на центровку кабеля 4 в наносимой полимерной оболочке.

Тема 7 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Объемные полые изделия из термопластов можно изготовить не- сколькими способами. Детские игрушки (погремушки) изготавливают склеиванием или свариванием двух половинок (заготовок), полученных литьем под давлением, термо- или вакуумформованием. Но этот способ не

80