Тема 2.1 Технология формования изделий из пластмасс методом экструзии.

Основные понятия экструзии.

Оборудование.

 

Под экструзионным производством понимают способ переработки полимерных материалов непрерывным продавливанием их расплава через формующую головку, геометрическая форма выходного канала которой определяет профиль получаемого изделия или полуфабриката.

Около половины производимых термопластов перерабатываются в изделия этим способом. Экструзией получают пленки, листы, трубы, шланги, капилляры, прутки, сайдинг, различные по сложности профили, наносят полимерную изоляцию на провода, производят многослойные разнообразные по конструкции и сочетанию применяемых пластмасс гибридные погонажные изделия. Переработка вторичного полимерного сырья и гранулирование также выполняются с применением экструзии. Основным оборудованием экструзионного процесса является червячный пресс, называемый также экструдером, оснащенный формующей головкой. В экструдере полимерный материал расплавляется, пластицируется и затем нагнетается в головку. В абсолютном большинстве случаев используются различные модификации одно- и двухчервячных экструдеров, называемых также червячными прессами. Иногда применяют дисковые и поршневые пластикаторы.

 

- Особенности переработки экструзией.

 

Технологический процесс экструзии складывается из последовательного перемещения материала вращающимся шнеком в его зонах (см. рис. 18.2): питания (I), пластикации (II), дозирования расплава (III), а затем продвижения расплава в каналах формующей головки и охлаждения экструдата.

Деление шнека на зоны I—III осуществляется по технологическому признаку, и название зоны указывает на то, какую операцию в основном выполняет данный участок шнека. Разделение шнека на зоны условно, поскольку в зависимости от природы перерабатываемого полимера, температурно-скоростного режима процесса и других факторов, начало и окончание определенных операций могут смещаться вдоль шнека, захватывая различные зоны или переходя из одного участка в другой.

Цилиндр также имеет зоны обогрева определенной длины. Длина этих зон определяется расположением нагревателей на его поверхности и их температурой. Границы зон шнека I—III и зон обогрева цилиндра могут не совпадать. Для обеспечения успешного перемещения материала большое значение имеют условия продвижения твердого материала из загрузочного бункера и заполнение межвиткового пространства, находящегося под воронкой бункера.

Рис. 18.2. Основные типы шнеков:

а — шнек общего назначения с тремя (I, II, III) геометрическими зонами; б — шнек для переработки высококристаллических полимеров; в — шнек для экструзии ПВХ;

D — наружный диаметр; L — длина (технологическая) шнека; А — глубина нарезки шнека

-Технические характеристики экструдера. Типы экструдеров.

 

Основным рабочим органом экструдера является червяк (шнек), поршень или диск. По виду рабочего органа экструдеры разделяются на поршневые, червячные, бесчервячные (дисковые, гидродинамические) и комбинированные (дисково-червячные, червячные с плавильной плитой и т. д.). В зависимости от конструкции цилиндра (камеры) и рабочего органа различают экструдеры с вакуумными отсосами и без отсосов; с электрическим обогревом: омическим, индукционным, диэлектрическим (токами высокой частоты); с обогревом при помощи теплоносителя (воды, пара, минерального масла) и без наружного обогрева.

Принципиальное устройство одночервячного экструдера показано на рисунке 6.1. Он действует следующим образом. Полимерный материал из бункера 3 поступает в материальный цилиндр 2, захватывается вращающимся червяком 1 и транспортируется к формующей головке, фрагмент которой показан позицией 7. При этом полимер в первой, питающей, зоне червяка l₁ размягчается и уплотняется в пробку, в зоне сжатия l ₂ он расплавляется, а в зоне дозирования l ₃ гомогенизируется и подготавливается к подаче в формующую головку. Для обеспечения требуемого теплового режима и условий транспортирования на материальном цилиндре установлены зонные кольцевые нагреватели 5 с индивидуальными вентиляционными устройствами; участок цилиндрa вблизи загрузочного отверстия охлаждается водой по каналам 4, а для контроля температуры служат термопары 6. Конструкция червяка, как правило, предусматривает его внутреннее охлаждение водой, подаваемой и отводимой через устройство 10.

 

Червяк получает вращение от электромеханического привода, состоящего из электродвигателя 12 постоянного или переменного тока и редуцирующей механической передачи 9. Осевое усилие, действующее на червяк в направлении, противоположному транспортированию расплава, воспринимается подшипниковым узлом 11.

Все рабочие узлы экструдера смонтированы в массивном и сложном по конструкции корпусе 8. Следует отметить, что в современных экструдерах материальный цилиндр и электромеханический привод нередко располагаются в одной, горизонтальной, плоскости, что позволяет существенно уменьшить вертикальный габаритный размер машины. Для привода экструдеров в основном применяются: электродвигатель переменного тока с вариатором или коробкой скоростей; коллекторный электродвигатель переменного тока с бесступенчатой регулировкой чисел оборотов; электродвигатель постоянного тока, включенный по системе генератор-двигатель; гидравлический двигатель.

Поршневые и бесчервячные (дисковые, гидродинамические) экструдеры имеют ограниченное применение из-за низкой производительности поршневых экструдеров и недостаточного давления, развиваемого бесчервячными машинами. Благодаря универсальности, высокой производительности и степени автоматизации, непрерывности процесса наибольшее распространение получили червячные экструдеры.

Основные параметры червячного экструдера:

· диаметр червяка;

· отношение его диаметра к длине (L/D);

· скорость вращения червяка.

Экструдеры различаются в первую очередь по диаметру червяка.

Червячные экструдеры разделяются на одночервячные и многочервячные, одностадийные и многостадийные, одноцилиндровые и многоцилиндровые. Различают также экструзионные машины с простым профилем червяка (цилиндрический червяк с постоянным или переменным шагом, с переменной или постоянной глубиной канала) и машины со сложным профилем червяка (ступенчатым, прерывистым, коническим, параболическим), с винтообразными лопастями и кулачками и т. д.

В зависимости от скорости вращения червяка различают нормальные экструдеры (до 150 об/мин) и скоростные (свыше 150 об/мин), которые обычно работают в адиабатическом, точнее, автотермическом режиме. На большинстве экструдеров червяки неподвижны в осевом направлении.

По методу регулирования и поддержания заданной температуры цилиндра различают экструдеры с воздушным, водяным и смешанным охлаждением. В зависимости от конструктивного исполнения различают горизонтальные и вертикальные, стационарные и вращающиеся экструдеры. Кроме универсальных (политропических) экструдеров применяются также автотермические, специальные конические, комбинированные, лабораторные и другие машины. Конструкция экструдера зависит от перерабатываемого материала и в меньшей степени — от вида профилируемого изделия. Для переработки гранулированных термопластичных материалов применяются в основном одночервячные экструдеры.

 

-Движение полимера в экструдере.

- Общие сведения

 

Исходное сырье для экструзии, подаваемое в бункер, может быть в виде порошка, гранул, лент. Последний вид сырья характерен для переработки отходов промышленного производства пленок, которая осуществляется на специальных экструдерах, снабженных принудительными питателями-дозаторами, устанавливаемыми в бункерах. Равномерное дозирование материала из бункера обеспечивает хорошее качество экструдата.

Переработка полимера в виде гранул — наилучший вариант питания экструдера. Это объясняется тем, что гранулы полимера меньше склонны к "зависанию", образованию пробок в бункере, чем порошок.

Порошкообразный материал может слеживаться в процессе хранения и транспортировки, в том числе и при прохождении через бункер. Гранулированный материал в отличие от порошка имеет постоянную насыпную массу. Загрузка межвиткового пространства под воронкой бункера происходит на отрезке длины шнека, равном ( 1-1,5) D.

При переработке многокомпонентных материалов для загрузки их в бункер применяются индивидуальные дозаторы: шнековые (объемные), вибрационные, весовые и т. п.

Если при применении порошкообразных материалов последние имеют непостоянную сыпучесть, то в бункерах образуются "своды", зависающие на стенках бункера. Питание шнека материалом прекращается. Для устранения этого необходимо в бункер помещать ворошители.

Сыпучесть материала зависит в большой степени от влажности: чем больше влажность, тем меньше сыпучесть. Поэтому материалы должны быть вначале подсушены.

Для увеличения производительности машины гранулы можно предварительно подогреть, но не доходя до температуры, при которой они начнут слипаться. Применяя приспособления для принудительной подачи материала из бункера на шнек, также удается существенно повысить производительность машины.

При уплотнении материала в межвитковом пространстве шнека вытесненный воздух выходит обратно через бункер. Если удаление воздуха будет неполным, то он останется в расплаве и после формования образует в изделии полости. Это является браком изделий.

Изменение уровня заполнения бункера материалом по высоте также влияет на полноту заполнения шнека. Поэтому бункер снабжен специальными автоматическими уровнемерами, по команде которых происходит загрузка бункера материалом до нужного уровня. Загрузка бункера экструдера осуществляется, как правило, при помощи пневмотранспорта.

Питание шнека зависит от формы частиц сырья и их плотности. Гранулы, полученные резкой заготовки на горячей решетке гранулятора, не имеют острых углов и ребер, что способствует их лучшей сыпучести. Гранулы, полученные холодной рубкой прутка-заготовки, имеют острые углы, плоское сечение среза, что способствует их сцеплению и, как следствие, ухудшению сыпучести. При длительной работе экструдера возможен перегрев цилиндра под воронкой бункера и самого бункера. В этом случае гранулы начнут слипаться, и прекратится их подача на шнек (образуется так называемый "козел", т.е. слипшийся комок гранулированного термопласта, находящийся в загрузочном отверстии и мешающий поступлению гранул на шнек).

Для предотвращения перегрева этой части цилиндра в нем делаются полости для циркуляции охлаждающей воды.

 

- Технологические зоны экструдера.

 

Зона загрузки. Полимер в виде гранул, порошка или непрерывной ленты (экструзия резиновых смесей) поступает через загрузочную воронку в винтовой канал червяка и увлекается им за счет раз­ницы сил трения между полимером и стенкой цилиндра и поли­мером и стенками винтового канала. Очень грубой аналогией движения полимера на этой стадии является взаимодействие винта и гайки. Представим, что масса поступающего через бункер полимера — это гайка, а червяк — винт. При вращении винта «гайка» начинает перемещаться вдоль винта. Следует лишь иметь в виду, что эта «гайка» имеет возможность проскальзывать отно­сительно стенок цилиндра, препятствующих ее вращению. По­этому расстояние, на которое перемещается такая гайка-полимер за один оборот червяка, не равно шагу нарезки; за счет проскаль­зывания полимера относительно стенок оно во много раз меньше.

По мере движения полимера по червяку в нем развивается вы­сокое гидростатическое давление. Силы трения, возникающие па контактных поверхностях при движении полимера, создают работу трения. Выделяющееся при этом тепло идет на нагревание полимера. Некоторая часть тепла подводится также и за счет теплопроводности от стенок цилиндра.

Верхний предел, до которого нагревают стенку на этом участ­ке экструдера, определяется коэффициентом трения и его темпе­ратурной зависимостью. При слишком высокой температуре стен­ки интенсивные тепловыделения за счет работы внешнего трения при недостаточном теплоотводе приводят к преждевременному плавлению пристенного слоя полимера. При этом сила трения резко уменьшается, полимер начинает полностью проскальзывать относительно стенки цилиндра, и его движение вдоль червяка прекращается. При нормальном температурном режиме вначале образуется достаточно длинная пробка полимера, которая протал­кивается силами трения по винтовому каналу. Длина пробки дол­жна быть достаточно велика для того, чтобы развивающаяся вследствие относительного движе­ния продольная толкающая сила могла протолкнуть полимер через зону плавления.

По мере продвижения твердой пробки по каналу червяка давление в ней возрастает, пробка уплотняет­ся, поверхность пробки, соприкасаю­щаяся с внутренней стенкой цилинд­ра, нагревается, и на ней образует­ся тонкий слой расплава. Посте­пенно толщина этого слоя δ увели­чивается, и в тот момент, когда она станет равна толщине радиального зазора между стенкой корпуса и гребнем нарезки червяка, последний начинает соскребать слой рас­плава со стенки, собирая его перед своей толкающей гранью. Это сечение червяка является фактически концом зоны питания и на­чалом зоны плавления.

Зона плавления. В пределах зоны плавления полимерная проб­ка расплавляется под действием тепла, подводимого от стенки корпуса, и тепла, выделяющегося в тонком слое расплава за счет работы сил вязкого трения. На рис. V. 3 представлено сечение червяка на этом участке плоскостью, нормальной к оси винтового канала. Суммарный эффект поступательного движения полимерной пробки и вращения червяка проявляется в относи­тельном движении между стенкой корпуса и пробкой в направле­нии, показанном стрелкой. Под действием этого движения в тон­ком слое расплава, образовавшемся на наружной поверхности пробки, возникает течение, направленное к толкающей стенке ка­нала. Этот поток расплава натыкается на толкающую стенку и направляется вдоль нее, оттесняя материал пробки к передней стенке. В результате этого высота пробки остается примерно по­стоянной, а ширина по мере продвижения по червяку постепенно уменьшается.

Описанный механизм плавления пробки реализуется при ее движении по каналу до тех пор, пока сохраняется достаточная прочность пробки, т. е. пока ее ширина больше 0,1-0,2 ширины винтового канала. Как только ширина пробки уменьшается до этих значений, циркуляционное движение в слое расплава, соби­рающемся перед толкающей стенкой, разрушает остатки пробки, дробя ее на мелкие куски. Сечение червяка, в котором начинается дробление пробки, можно считать концом зоны плавления. От этого сечения и до конца червяка расплав полимера движется в зоне дозирования.

Зона дозирования. Течение расплава в зоне дозирования проис­ходит под действием сил вязкого трения, развивающихся вслед­ствие относительного движения червяка и стенок цилиндра, подобно течению жидкости в винто­вых насосах — по винтовой тра­ектории (рис. V. 4). Принято представлять это течение как сумму двух независимых движе­ний: поступательного движе­ния расплава вдоль оси винтового канала (рис. V. 4, а) и цирку­ляционного (кругового) движе­ния в плоскости хоу, нормаль­ной к оси винтового канала (рис. V.4, б).

Объемный расход поступа­тельного течения определяет про­изводительность экструдера и, следовательно, лимитирует ско­рость движения пробки гранул в пределах зон питания и плавле­ния. Циркуляционное течение воз­никает вследствие существования составляющей скорости относи­тельного движения в направле­нии, перпендикулярном оси вин­тового канала, увлекающей рас­плав в этом направлении. Дви­гаясь поперек канала, поток встре­чает толкающую стенку и направ­ляется вдоль нее ко дну канала, а затем в обратную сторону. Цир­куляционное течение обеспечи­вает гомогенизацию расплава, вы­равнивает распределение темпе­ратур и позволяет использовать экструзию для смешения.

В начале зоны дозирования температура расплава равна температуре плав­ления. Продвигаясь в зоне дози­рования, полимер продолжает ра­зогреваться как за счет подвода тепла извне, так и за счет тепла, выделяющегося вследствие интен­сивной деформации сдвига. Одновременно идет процесс гомогени­зации расплава. Происходит окончательное расплавление мелких включений и выравнивание температурного поля. Для нормальной работы экструдера необходимо, чтобы расплав, поступающий к головке, имел заданную, однородную по сечению температуру. Поэтому время пребывания расплава в зоне дозирования должно быть достаточно для его прогрева и гомоге­низации.

Для правильного анализа процесса экструзии надо рассматривать совокупность всех его стадий, соблюдая условие постоянства материального расхода полимера для любого сечения червяка.

 

Лекция 3.

Тема 2.1 (продолжение).