Суберляк О.В. "Технологія переробки"

101

найбільш характерні. Наприклад, панелі дверцят холодильників перевіряють на стійкість до багаторазових ударів, характерні аномалії процесу зведені в табл. 4.13.

Таблиця 4.13

Причини виникнення та способи усунення дефектів формованих виробів із листових і плівкових термопластів

4.4.Технологія формування погонажних виробів методом екструзії

4.4.1.Загальні поняття

Екструзія – це неперервний метод формування, в основному, погонажних виробів, який полягає в перетисканні розтопу полімеру через профільний отвір відповідної конфігурації

102

(екструзійна головка) з наступною фіксацією форми виробу. Тиск в екструзійному агрегаті створюється за рахунок примусового, неперервного переміщення матеріалу вздовж гвинтової нарізки шнека при його обертанні (принцип м’ясорубки) (рис. 4.51).

Залежно від конфігурації профільного отвору можливі різновидності методу і різний асортимент виробів. Основу асортименту становлять пласкі (одинарні) та подвійні (рукавні) плівки, труби різних діаметрів, профільні вироби, листи, дубльовані матеріали, електро- і антикорозійні покриття, нитки полімерні, пакувальні засоби тощо.

Для екструзії використовують термопласти з високим значенням ефективної в’язкості, відповідно з низьким значенням ПТР, який, як правило, знаходиться в межах 0,3 ÷ 3 г/10 хв. Можуть також використовуватись реакційно здатні олігомерні композиції та газонаповнені композиції. Використовують полімерну сировину у вигляді гранул або порошку.

Основним обладнанням для екструзії служать одно- і двошнекові екструдери, а також комбіновані дисково-шнекові екструдери. У дискових екструдерах тиск створюється за рахунок ефекту Вайсенберга, який полягає в зворотній до відцентрової сили течії розтопу до центру при обертанні диску.

Екструзія супроводжується лише фізичними процесами: деформація полімеру, топлення, в’язка течія і застигання (кристалізація). Хімічні процеси, які супроводжують екструзію – термо- і механодеструкція, є небажаними і при правильному режимі екструзії незначно впливають на процес.

Рис. 4.51. Одношнековий екструдер з горизонтальним розташуванням циліндра: 1 – шнек; 2 – гільза; 3 – циліндр; 4 – електронагрівач; 5 – система охолодження; 6 – завантажувальна лійка; 7 – вузол опірного підшипника; 8 – редуктор; 9 – муфта; 10 – електродвигун; 11 – формувальна головка (філь’єра)

Внаслідок неперервності процесу екструзія є найпрогресивнішим і найперспективнішим методом переробки пластмас, який потребує найменших енерго- і матеріальних витрат та може бути повністю автоматизований і керуватись за допомогою ЕОМ. Порівняно простою справою є створення безвідходної (замкненої) лінії виробництва екструзійних виробів (наочний приклад цьому є діюче виробництво тонкої поліпропіленової плівки на Луцькому заводі пластмасових виробів).

Стадії процесу екструзії:

1.завантаження матеріалу та транспортування його обертанням шнека з відповідним нахилом гвинтової нарізки;

2.топлення матеріалу;

3.гомогенізація і дозування розтопу;

103

4.перетискання через профільний отвір (головку);

5.обробка екструдату з метою надання йому необхідних розмірів і властивостей – формування кінцевого виробу.

Узв’язку із цим екструдер умовно ділять на зони, які ми розглянемо в характеристиці екструзії, а екструзійний агрегат – комплексне устаткування, яке складається з екструдера, філь’єри й пристроїв обробки екструдату.

4.4.2.Загальна характеристика екструзії

Узв’язку з викладеними вище стадіями процесу екструзії в агрегаті виділяють три основні зони в напрямку руху матеріального потоку: 1) зона завантаження; 2) зона топлення (стиснення); 3) зона дозування (гомогенізації) (рис. 4.52).

Рис. 4.52. Шнек загального призначення:

hз і hд – глибина нарізки в зоні завантаження й зоні дозування; t – крок; φ – кут нахилу гвинтової нарізки; e – ширина гребеня нарізки

Довжина кожної зони є непостійною, залежить від гранулометричного складу і теплофізичних характеристик сировини. Однак, при порівнянні зон для конкретного випадку, стає зрозумілим, що найкоротшою є друга зона, яка не перевищує 4Д шнека.

Таблиця 4.14

Швидкість лінійна шнеку (найвища)

У зоні завантаження відбувається прийом із завантажувального бункера перероблюваного матеріалу і його переміщення в напрямку зони топлення з одночасним ущільненням. Для підвищення продуктивності екструдера нарізка на шнеку зони завантаження виконана глибшою з великим об’ємом.

104

Узоні стискання відбувається топлення полімеру, його ущільнення й подальше переміщення в напрямку до зони дозування. Нарізка зони топлення з меншою глибиною.

Узоні дозування відбувається перемішування гомогенізація розтопу, його безперервне накопичення на виході й внаслідок цього, розвивається тиск, який зумовлює перетискання розтопу через філь’єру (головку).

Для правильної роботи екструдера необхідною умовою є строге дотримування співвідношення продуктивностей кожної із зон. Стабільність процесу екструзії й висока

якість екструдату спостерігається, коли Qз Qп Qд, де: Qз, Qт, Qд – відповідно,

продуктивності зон завантаження, топлення і дозування. Коли ж Qз Qд і Qт Qд, екструдер працює в „голодному режимі” з можливими пульсаціями і низьким К.К.Д. При „голодному” режимі значно погіршується якість екструдату, бо в такому випадку можливе захоплення не розтоплених частинок та повітряних бульбашок. Отже, завжди стежать, щоб зберігалась умова узгодженості (Qз Qп Qд).

Для правильного встановлення продуктивностей зон і умов правильної роботи екструдера використовують математичний опис процесу на основі аналізу потоку матеріалу при обертанні шнека з відповідними геометричними параметрами.

Для математичного опису процесу використовують характер потоку матеріалу по довжині шнека. Потік у всіх трьох зонах складний, зі складових якого можна виділити три основних потоки:

1.потік прямий або вимушений, спрямований уздовж каналу шнеку, він зумовлює продуктивність зони (продуктивність – Qпп);

2.потік під дією перепаду тисків, що виникають на передньому зубі, – це зворотний потік, спрямований у протилежний від напрямку переміщення матеріалу бік (продуктивність –

Qзп);

3.потік перетікання, який відбувається між торцем нарізки шнека й стінкою циліндра (інколи його розглядають як умовний потік, бо вважають, що переміщується гвинтова нарізка щодо матеріального рукава (чохла) (продуктивність – Qпер).

Отже, продуктивність екструдера:

Матеріал при течії має складний профіль швидкостей (рис. 4.53.)

Рис.4.53. Профіль компонент швидкостей (а); розміщення координат у гвинтовому каналі (б)

Геометрія каналу шнека та профілі швидкостей використовуються для характеристики роботи окремо кожної зони екструдера.

4.4.2.1. Зона завантаження

Робота зони характеризується захопленням з бункера гранул матеріалу, проштовхуванням його з повертанням по довжині шнека. При цьому відбувається стискання гранул, їх деформація і саморозігрів як від внутрішнього тертя між гранулами, так і від тертя

105

гранул об стінки екструдера. Тому проводять охолодження шнека в місці завантаження сировини для запобігання утворенню суцільного корка з матеріалу, який злипається.

Продуктивність зони завантаження обчислюється, виходячи зі швидкості обертання шнека, гранулометричного складу і густини матеріалу:

R2

QЗ н 0 2 r etg dr,, (4.63)

R1

де: н – насипна густина матеріалу; 0 – швидкість переміщення матеріалу в основному осьовому напрямку; r – радіус гранули; е, R1, R2 – геометричні параметри екструдера

(рис. 4.54 і 4.55).

Рис. 4.54. Векторна діаграма швидкостей в зоні завантаження

Рис. 4.55. Розподіл швидкостей у гвинтовій нарізці

Як бачимо, – кут нахилу гвинтової нарізки; ш – швидкість руху відносно нарізки шнека; м і ц – переміщення в каналі.

Отже, при розрахунку знаходять м і ц , як проекції на вісь z. А умовний рух уздовж осі шнека знаходять як результат осьової швидкості:

Отже, зі збільшенням глибини нарізки (R2 ÷ R1) і швидкості обертання зростає осьова швидкість у зоні, і продуктивність зони збільшується.

Насипна густина матеріалу в зоні дозування залежить від температури гранул і від тиску (Р), який створюється при ущільненні матеріалу внаслідок обертання шнеку. Ця залежність зображена на графіку (рис. 4.56). Тиск у зоні визначається її довжиною і співвідношенням коефіцієнтів тертя матеріалу до стінок матеріального циліндра і шнека.

Температуру, до якої нагрівається матеріал при транспортуванні в зоні дозування, можна розрахувати як середнє інтегральне значення по глибині каналу гвинтової нарізки:

де: hз – глибина нарізки (див. рис. 4.53, б); а – коефіцієнт теплопровідності матеріалу; Т0 – початкова температура гранул; Тмакс – максимальна температура на поверхні тертя:

де: L – шлях проходження гранул; 0 – швидкість переміщення гранул; qп – густина теплового потоку, який передається полімеру, обчислюється через адіабатичний

Рис. 4.56. Залежність н розтопу від тиску:

1 – температура в зоні (Тt ) = 106 ºС; 2 – температура в зоні (Тt ) = 23 ºС

З наведених залежностей видно, що, підвищуючи температуру і тиск у зоні завантаження, можна суттєво підвищити QЗ.

4.4.2.2. Зона топлення

Матеріал у зону надходить у вигляді пористого корка. У зоні забезпечується повний перехід матеріалу у в’язкотекучий стан.

Нагрів полімеру залежить від теплових потоків, зумовлених теплопровідністю (зона нагрівається) і розігрівом від тертя та від дисипації енергії від зсуву при течії. Як правило, ззовні нагрівається циліндр екструдера. Тому біля стінок циліндра матеріал нагрівається більше і розтоп полімеру прогрівається від стінок. Оскільки при топленні гранул об’єм зменшується, шнек виконується з поступовим зменшенням глибини нарізки, що забезпечує безперервне стискання пористого шару гранул. Зниження пористості закономірно призводить до зростання коефіцієнта теплопровідності й, як наслідок, до підвищення швидкості топлення.

Оскільки матеріал при обертанні шнека рухається в напрямку м (див. рис.4.55), то рух можна описати залежністю:

де: – товщина плівки розтопу в зоні стискання. Тоді, використавши залежність від Т як:

де: Тсер – середня температура розтопу; Тк – температура, при якій вимірюється коефіцієнт

де: – кут обертання навколо осі шнека.

Таким чином, знаючи необхідну швидкість руху матеріалу (для забезпечення потрібної продуктивності зони), можна через крутний момент обчислити швидкість обертання. І навпаки, за швидкістю обертання шнека можна визначити продуктивність зони. Важливе технологічне значення має геометрія шнека в зоні топлення, а саме: довжина зони, глибина та нахил гвинтової нарізки. Як вже зазначалося, полімер, проходячи в зоні топлення, повинен повністю перейти у в’язкотекучий стан, що забезпечується відповідним тепловим балансом і геометрією шнека.

Внаслідок теплового потоку від стінок циліндра топлення полімеру відбувається поступово з утворенням плівки розтопу у верхній частині потоку. В процесі пересування полімеру ширина і товщина шару гранул зменшується, а кількість розтопу біля напірної грані зростає. Топлення прискорюється від тертя, яке найбільше проявляється при стінці шнека. Від швидкості топлення гранул суттєво залежить гомогенізація розтопу в зоні дозування й відповідно якість виробу. Чим швидше завершується топлення, тим вища однорідність розтопу в зв’язку з тим, що краще відбувається його перемішування. Продуктивність зони топлення залежить від теплофізичних характеристик полімеру, геометрії і кінематичних параметрів шнека, коефіцієнта тертя полімеру та полімеру до металу.

Довжину зони топлення можна розрахувати спрощено з емпіричної залежності:

де: G – об’ємна витрата твердого корка; ф – швидкість топлення, залежить від теплофізичних характеристик матеріалу, температури зон, швидкості руху матеріалу в каналі шнека; t – крок нарізки.

4.4.2.3. Зона дозування

Характер роботи зони впливає на продуктивність екструдера і якість розтопу, тому призначення зони – пластикація і дозування.

Робота зони характеризується процесом в’язкої течії неньютонівської рідини в кільцевому циліндричному каналі. Складність течії полягає в різниці зусиль зсуву по глибині

іширині каналу, а також у наявності адгезії полімеру до стінок циліндра і шнека.

Уреальних процесах екструзії гомогенізація забезпечується за рахунок швидкості

зсуву потоку навкруги осі шнека в каналі ( к) і місцевої циркуляції розтопу біля напірної грані нарізки шнека ( ц). Циркуляція залежить від перепаду тисків між зонами біля напірної й передньої стінок каналу шнека. Епюри швидкостей і напрям потоку зображені на рисунку 4.57.

Осьову ( 0) швидкість і швидкість руху розтопу в каналі ( з) використовують разом з геометричними і кінематичними даними шнеку для розрахунку продуктивності шнека.

У зоні дозування рух полімеру здійснюється за рахунок в’язкої течії. Більшість полімерів характеризуються у в’язкотекучому стані адгезією до металів, тому при течії вони

109

–2 – насосний режим роботи екструдера.

Зрисунку видно, що:

Тут „д” і „н” – відповідно, дросельний і насосний режими.

Рис. 4.58. Залежність продуктивності від перепаду тиску:

1, 2 – характеристика головки; 1’ , 2’ – характеристика шнека (екструдера)

Продуктивність головки можна розрахувати із залежності:

де: – перепад тиску в головці; еф – ефективна в’язкість розтопу.

Продуктивність екструдера залежить також від глибини нарізки на шнеку. Продуктивність зони зростає із поглибленням нарізки. Але характеристика такого шнека більш крута, що викликає сумарне зниження продуктивності екструдера при зростанні опору головки (рис. 4.59).

Рис. 4.59..Вплив глибини нарізки на продуктивність екструдера:

1 – глибина нарізки h1 ; 2 – глибина нарізки h2 (h1 h2); 3 – характеристика головки

Крім цього, слід зауважити, що при меншій глибині нарізки кращою є гомогенізація розтопу внаслідок зростання градієнта швидкості течії в осьовому напрямку.

Як бачимо, на продуктивність екструдера має вплив ряд факторів, які можна звести в загальну залежність:

де: F1 і F2 – коефіцієнти, які враховують геометрію шнека (кут нарізки , ширина нарізки, глибина каналу і т.д.); і – коефіцієнти, які враховують реологічну характеристику

110

матеріалу; N – число обертів шнека; еф – ефективна в’язкість розтопу; Р – перепад тиску в екструдері.

Оптимальною роботою екструдера є робота в умовах певної узгодженості роботи всіх зон екструдера і головки, рівності їх продуктивностей, тоді забезпечується Qопт.

Характеристика екструдера визначається співвідношенням прямотокуй протитоку:

де: Qп – прямоток забезпечується, коли Р = Рпл – Pдоз > 0, а; Qпт – протиток забезпечується, коли Р = Рпл - Pдоз 0, де Рпл і Рдоз – відповідно тиск у зоні топлення і дозування; якщо

а= 0 – насосний режим; а = 1 – дросельний режим.

Для забезпечення необхідної якості розтопу і потрібної продуктивності розраховують

геометрію шнека в зоні дозування.

Довжину зони дозування можна визначити з рівняння:

завантаження).

Розраховану продуктивність екструдера узгоджують з потужністю, яку споживає

де: Т1 і Т2 – температура полімеру на вході і виході з екструдера; – теплота топлення полімеру; Р – протитиск – опір у головці; Q – продуктивність екструдера.

4.4.3. Технологія формування плівок екструзійним методом

Існує два основних способи екструзії плівок, які відрізняються формувальним елементом – екструзійною головкою. Вид плівки залежить від конфігурації формувального елементу (від профілю його щілини). Коли для екструзії використовується пласкощілинна головка (рис. 4.60), одержують пласку (одинарна) плівка. При використанні головки з кільцевою щілиною отримують рукавну (подвійну) плівку (рис. 4.61).

Рис. 4.60. Схема пласкощілинної головки:

1 – колектор; 2 – щілина; 3 – плівка (полотно екструдату)

До плівок відносять суцільні пласкі вироби, які мають товщину меншу, ніж 125 – 500 мкм. Нижня межа відновиться до виробів з жорстких полімерів (ПС, естери целюлози), верхня – для плівок з еластичних полімерів (ПЕ, ПВХ - пластикат).

Розміри плівок визначаються як полімером, так і методом їх одержання: зараз одержують плівки товщиною від 2 мкм до 500 мкм і шириною від 0,3 до 24 м.