4. Наложение изоляции на провод и кабель.
Экструзионные головки для нанесения покрытий используют при нанесении изоляции на токопроводящие жилы и при формировании оболочки на пучке ранее изолированных друг от друга проводов для их механического упрочнения или с целью защиты от внешних воздействий.
Оголённый провод разматывают и подогревают
до температуры стеклования или плавления
экструдируемого полимера. (например:
для линейного полиэтилена
)
Это делается для того, чтобы увеличить адгезию изоляции к проводу и одновременно удалить влагу или масло с поверхности проводника. Проволоку вводят в центральное отверстие дорна угловой экструзионной головки. Выйдя из дорна, проволока попадает в расплав, обволакивающий её поверхность. Так как скорость движения проволоки (контролируемая натяжным барабаном, установленным в конце линии) обычно выше, чем средняя скорость течения расплава (степень вытяжки ¼). На выходе из головки изоляцию нагревают в струе горячего воздуха с целью поверхностного обжига и завершения релаксационных процессов, при этом поверхность изоляции становится блестящей.
Проволока с нанесённой на неё изоляцией поступает в охлаждающую ванну, где в качестве охлаждающей среды обычно используют воду. Длина охлаждающей ванны зависит от скорости экструзии, диаметра проволоки, толщины изоляции. Длина ванны для охлаждения изоляции из кристаллических полимеров больше, чем для охлаждения изоляции из аморфных полимеров, так как процесс кристаллизации является экзотермическим.
Вышедшая из охлаждающей ванны изолированная жила попадает на тянущий барабан, регулирующий её напряжение, после чего охлаждение может быть продолжено. Изолированная проволока проходит через измерительные устройства, контролирующие наличие дефектов в изоляции и её толщину. Полученная информация используется (должна использоваться) для регулирования скорости вытяжки или скорости вращения червяка.
Для нанесения покрытий на проволоку и кабели используют угловые головки двух типов:
1) трубные (головки с кольцевым зазором);
2) напорные.
В трубных головках расплав, экструдируемый в виде тонкостенной трубы, прижимают к проводнику на выходе из головки за счёт разряжения, создаваемого между проводником и направляющей. Величина зазора обычно составляет 0,2 мм. Такие трубные головки используют для нанесения высоковязких расплавов на кабели или для изолирования очень тонких проводов.
В напорных головках расплав полимера контактирует с проводником внутри головки.
1 – расплав полимера из экструдера;
2 – матрица (формующая головка);
3 – дорн;
4 – изолируемый провод;
5 – изолированный провод;
6 – зазор.
Зоны:
Зона адаптора – зона формирования потока (зона затекания расплава в канал).
I – Цилиндрический зазор, неподвижная стенка;
II – Конический зазор, неподвижная стенка;
III – Цилиндрический зазор, подвижная стенка (провод).
Течение полимерного материала в кабельной головке.
Модель Мак-Келви. Параметры течения.
|
p0 – атмосферное давления; h – толщина изоляции; 0 – скорость изолирования; H – высота канала; h – толщина изоляции L – длина головки; R – радиус изолируемого провода. P –давление в головке. |
Кабельная головка для нанесения изоляции на проволоку изображена схематически. Головка состоит из резервуара, содержащего жидкость под гидростатическим давлением P, резервуар соединен с полым цилиндром, имеющим диаметр 2(H+R) и длину L, через который протягивается проволока.
В результате действия гидростатического давления и увлекающего действия движущейся проволоки жидкость течёт через кольцевое пространство и образует покрытие на проволоке толщиной h, причём h может быть как равной, так и неравной H.
Математическая модель строится для установления соотношения между конструктивными размерами (радиальным зазором H и длиной L), параметрами процесса (скоростью 0 и давлением P), вязкостью жидкости (полимера) и толщиной изоляции h.
Допущения: процесс стационарный, изотермический; жидкость ньютоновская; канал плоский.
Если Q представляет собой объемный расход [м3/с], то
,
|
где
|
|
|
- объемный расход вынужденного потока
между двумя неподвижными стенками
(от действия движущейся проволоки);
-
объёмный расход, вызванного перепадом
давления P – в резервуаре и p0
– атмосферного.Размеры проволоки, её скорость, и заданная толщина покрытия позволяет определить требуемое значение Q:
Определим объемный расход между стенками (Qd):
Определим расход от перепада давления (Qp):
найдем константу С1:
(4.1)
Выражение (4.1) записано для отрицательного перепада давлений!
Тогда общий расход:
Мы можем только анализировать это выражение, но не считать, так как сделали слишком много допущений.
Увеличение перепада давлений
,
зазора (H) ведет к увеличению
толщины изоляции (h);
увеличение скорости ()
ведет к уменьшению толщины изоляции.
Модель течения в кабельной головке Мак-Келви является самой простой;
Более сложная, но и более точная модель – течение в цилиндрическом зазоре.
Течение в цилиндрическом зазоре.
В отличие от модели Мак-Келви в рассматриваемой модели исключается допущение о плоском канале.
|
|
Определим постоянные:
|
(4.2)
(4.3)
|
Вычтем (4.2) из (4.3), получим:
С2 найдем из (4.2):
тогда z будет равна:
Упростим, сгруппируем:
Проверим:
r=R1 z=0; r=R2 z=0
Далее – находим расход:
,
приравниваем, выражаем h.
Течение в цилиндрическом зазоре неньютоновской среды.
Уравнение движения – что и для течения в цилиндрическом зазоре для ньютоновской среды:
В уравнении движения три переменных функции, поэтому простого решения нет.
Такая задача решается Методом Конечных Разностей (МКР)
Также существенную роль при высоких скоростях экструзии могут играть неизотермические эффекты.
Главное – это диссипативный разогрев расплава. В ряде головок на протяжении длины L температура расплава может вырасти на 20оС, следовательно упадёт вязкость материала, что на ряду с уравнением движения необходимо рассматривать уравнение энергии. В этой более общей постановке система уравнений имеет вид:
Такую систему дифференциальных уравнений
называют нелинейной. Задача называется
связанной, так как
Решение такой системы уравнений можно получить только численными методами.