Изготовление изделий из полимеров методом экструзии.

Изготовление изделий из полимеров методом экструзии.
Экструзия – технологический процесс формирования изделий, заключающийся в непрерывном
выдавливании полимера, находящегося в пластическом или в вязкотекучем состоянии через формующую
головку, придание ему соответствующей конфигурации и охлаждении изделия.
Исх материал подается в экструдер в виде гранул, порошка или ленты и превращается в гомоген
расплав с заданной темпер-ой из которого формир-ся изделие. Этим методом перерабатывают
термопласты с достаточно высокой молекулярной массой, переходящие при нагревании в вязкотекучее
состояние, у которых температурный интервал Тпл-Тразл достаточно велик.
Экструзия широко используется для изготовления: пленок, труб, волокон, профилей, для нанесения
покрытий на рулонный материал (бумага, ткань, фольга), для изготовления кабелей, получения выдувных
изделий.
Схема
экструдера:
1.
Загрузочный бункер (воронка)
2.
Цилиндр
3.
Шнек (червяк, винт)
4.
Фильтрующие элементы
5.
Формующая головка
6.
нагревательные
или
охлаждающие
элементы
Экструдер должен обеспечивать: перемещение полимера вдоль цилиндра; его плавление и
гомогенизацию; создание в цилиндре давления, необх-го для продавливания расплава ч/з формующ
головку. Плавление гранул полимера происх при вращении шнека за счет: 1. Тепла, подаваемого из вне
(нагреват-ые эл-ты); 2. Трения гранул полимера м/у собой и поверхность цилиндра и шнека.
Течение расплава через формующую головку происходит под действием давления, создаваемого
шнеком экструдеры м.б одно- и многочервячными. Материал шнека – прочная нержавеющая сталь с
напылением из твердых сплавов.
Основные технические характеристики экструдера:
1.
Диаметр шнека D
2.
Длина нарезной части шнека L. В промышл D=20, 32,45,63,90,125,160,200,250,320 (мм).
3.
Отношение L/D. Различают: короткошнековые (L/D=12-18) и длинношнековые (L/D>40).
при получении пленок L/D=20 – 30
4.
Скорость (частота) вращения шнека [об/мин].
Технические характеристики шнека:
δ
h
t – шаг шнека;
D – диаметр шнека;
D
φ
h – глубина канала;
b
t
δ – зазор между червяком и цилиндром;
Шаг и глубина винтового канала могут быть постоянными либо переменными. Известно две
основные конструкции шнеков:
1.
с постоянным шагом и переменной глубиной канала (коническая форма);
рис
t-const
h-var
v1>v2
2.
с постоянной глубиной канала и переменным шагом (цилиндрическая форма)
h-const
t-var
v2> v1
в обоих случ набл-ся уменьшение объема винтового канала. это необходимо:
1.
Для компенсации разности плотности расплава и насыпной массы гранул полимера.
2.
Для создания давления для продавливания расплава через формующую головку. Р=10 – 15
МПа
Рабочая зона экструдера.
В экструдере обычно выделяют четыре зоны:
1.
Зона питания (загрузки);
2.
Сжатие и плавление (пластикации);
3.
Гомогенизации расплава;
4.
Фильтрация и дозирование.
В некоторых конструкциях есть пятая зона – зона дегазации, предназн.-ое для удаления летучих и
газообр-х продуктов (необх для предотвращ пористости изделии).
1.
За зону загрузки принимают длину шнека от загрузочного отверстия до начала плавления
полимера на поверхн шнека или цилиндра..
2.
Зона сжатия и плавления – участок шнека от начала плавления полимера до перехода всей
массы в режим вязкого течения.
Зона гомогенизации – окончательное плавление частиц, выравнивание температуры расплава
3.
по сечению винтового канала и его гомогенизации.
Фильтрация и дозирование – прохождение расплава полимера через фильтрующие элементы
4.
и формующую головку.
Изменение температуры по зонам экструдера:
T
Обычно I и IV зона – охлаждаемые. Охлаждение I зоны происх для того
IV
II
чтобы предотвратить размягчение и плавление гранул в загрузочн отверстии,
I
что м-т привести к его забивке. Снижение температуры в IV-й зоне
III
необходимо для повышения давления на выходе расплава из экструдера и
вязкости экструдата, что необходимо для качественного формования изделий.
Современ экструдеры снабжены автоматич апп-ой регулир-я темпер-ры
L
по зонам. Кажд зона имеет свою рубашку и нагреват эл-т
Условия перемещения полимера в экструдере
Для перемещения полимера от загрузочного бункера к головке необходима движущая сила, которой
является давление, создаваемое силами трения. Важно, чтобы адгезия полимера к цилиндру была больше,
чем к вращающемуся шнеку, иначе полимер налипнет на шнек и будет вращаться вместе с ним, не
передвигаясь в перед. Условия перемещения полимера в цилиндре: коэффициент трения полимера о
поверхность цилиндра д/б больше чем о поверхность шнека. Это условие обеспечивается двумя методами:
1.
Различной обработкой поверхности цилиндра и шнека. Поверхность шнека обрабатывают до
класса чистоты 10 – 12, поверхность цилиндра – 8. Кроме того, на поверхность цилиндра делают
специальные винтовые и продольные канавки либо насечки (для повышения коэффициента трения).
2.
Изменением температуры цилиндра и шнека. Тц д/б выше Тш на 30 – 40 0С. Температура
цилиндра близка к температуре плавления полимера, поэтому цилиндр нагревают, а внутрь шнека подают
хладагент. Важным показателем опред-им работу экструдера явл-ся соотнош м/у колич тепла подводимым
щ вне и колич тепла, выдел-ся вследствии трения. Оптим-ым счит-ся усл когда подводимое тепло сост 1015%. Оптимальная скорость вращения шнека должна обеспечить наибольшую производительность при
хорошем качестве экструдата.
Типы червяков.
Три основных типов. Соотношения длин зон червяка определяется характером перерабатываемого
материала.
1.
Для переработки аморфных термопластов, плавящихся в широком интервале температур,
используют шнек с длинной зоной сжатия.
2.
Для кристаллизующихся полимеров, для которых интервал плавления ограничен,
используют шнеки с короткой зоной сжатия. L≈D.
3.
Для нетермостойких полимеров (ПВХ), применяют шнеки почти без зоны сжатия с
постоянным уменьшением глубины винтового канала, чтобы избежать разложения полимера за счет
тепловыделения в зоне сжатия.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ЭКСТРУЗИИ.
В настоящее время применяют два способа:
1.
Экструзионно - раздувной (рукавный) метод. Он заключается в продавливании расплава
полимера через кольцевую головку с последующим раздувом (растягиванием) и охлаждением
образующегося рукава.
2.
Метод плоскощелевой экструзии. Заключается в продавливании расплава полимера через
плоскощелевую головку с формированием плоского полотна и последующ его быстрым охлажден.
И тот, и другой метод получили очень широкое развитие.
Экструзионно-раздувной (рукавный) метод
Этот метод является экономичным и высокопроизводительным методом получения материалов с
достаточно высокими физико-механическими свойствами. Существуют промышленные агрегаты с
мощностью до 1 тонны в час. Это метод используется преимущественно для получения пленок из ПЭВД
или реже из других полиолефинов.
Основные преимущества данного метода:
1.
Гибкость и универсальность;
2.
Возможность простого регулирования толщины пленки;
3.
Возможность простой ориентации пленки в двух направлениях;
4.
Практически отсутствует отходы (не требуется обрезки кромок пленки);
5.
Возможность получения широкого пленочного полотна (до 24 м шириной);
6.
Получение термоусадочных пленок для упаковки различных изделий.
7.
Возможность совмещения с процессами фасовки твердых сыпучих веществ и жидкостей.
Конструкционный процесс может осуществляться:
1. С отбором рукава вертикально вверх;
2. С отбором рукава вертикально вниз и водяным охлаждением;
3. С отводом пленки в горизонтальном направлении – для изготовления рукавов небольшого
диаметра, т.к. возможен прогиб (провис) рукава и неравномерная ориентация пленки.
Наибольшее распространение получил первый способ.
Стадии технологического процесса.
1.
Плавление гранул и гомогенизация расплава (в экструдере);
2.
Формование рукава:
3.
Ориентация и охлаждение пленки;
4.
Намотка и упаковка пленки.
Основные элементы установки:
1.
экструдер;
2.
формующая (угловая кольцевая головка);
3.
охлаждающее или обдувочное кольцо (охлаждает рукав снаружи путем обдува сжатым
воздухом):
4.
приспособление для складывания рукава: склад-ся ролики, пластины и т.д;
5.
приемные валки;
6.
Намоточная станция с устройством для разрезания рукава.
Оборудование:
Для получения рукавной пленки используют экструзионно-надувные агрегаты с Dшн=20 – 90мм,
L/D=20-25. Для получения пленки используют формующиее головки двух типов:
1.
угловые и кольцевые головки с боковой подачей;
2.
прямоточные с центральной подачей полимера.
Формование трубной головки происходит в кольцевом зазоре или канале между внутренней
калибрующей насадкой (дорн) и внешним кольцом (мундштук). Изменяя их положение друг относительно
друга, можно регулировать толщину зазора и тем самым толщину пленки.
Ориентация и охлаждение пленки.
После выхода из головки рукав подвергается одновременной вытяжке в продольном и поперечном
направлении. Вытяжка в продольном направлении происходит за счет разности скорости течения расплава
полимера из головки и скорости вращения тянущих (приемных) валков. Ф-ла
Обычно
коэффициент вытяжки 2 – 8 (чаще 2-3,5). Вытяжка рукава в поперечном направлении – за счет раздува
рукава сжатым воздухом. Скорость вытяжки зависит от скорости охлаждения, а также от коэффициента
вытяжки и раздува. Чаще всего получают изотропные пленки (коэффициент вытяжки в продольном и
поперечном направлении одинаков).
Особенности формов-я полим-го рукава.
Полимерный рукав можно разделить на две зоны:
1.
Вблизи выхода из головки. В основном образован расплавом полимера:
2.
Образован твердым закристаллизовавшимся полимером.
рис
Линия,
отделяющая
расплав
от
закристаллизовавшегося
полимера,
называется
линией
кристаллизации (замерзания). Растяжение рукава в поперечном направлении и ориентация полимера при
раздуве осуществляется главным образом вблизи линии кристаллизации. В зависимости от условий
охлаждения возможно три варианта:
рис
- - - -Линия кристаллизации
Первый случай – недостаточная интенсивность охлаждения, наблюдается преимущественная
ориентация в продольном направлении и форма рукава на выходе из головки цилиндрическая, с
диаметром = диаметру формующей головки.
Второй случай – нормальное охлаждение. Происходит равномерная ориентация пленки в
продольном и поперечном направлении. Форма рукава – коническая.
Третий случай – интенсивное охлаждение. Преобладает ориентация в поперечном направлении. И
форма рукава бочкообразная.
Охлаждение пленки
Охлаждение пленки осуществляют преимущественно с помощью обдува рукава сжатым воздухом
снаружи. Для этого используют вентиляторы и воздуходувки, соединенные шлангами с обдувочным
кольцом, с помощью которого воздух равномерно распределяется по периметру рукава. Угол обдува 45 –
90
0
к поверхности рукава. Скорость охлаждения можно увеличить в 1000 раз, если применять водяное
охлаждение. В этом случае используют схему отбора рукава вертикально вниз. Это улучшает физикомеханические свойства получаемой пленки и оптические свойства.
Намотка и упаковка рукава.
Охлажденная пленка направляющими пластинами (складывающими) складывается в виде двойного
полотна, захватывается тянущими валками и отводится к приемному устройству. Тянущие валки должны
быть расположены на такой высоте, чтобы исключить сваливание пленки по внутренней поверхности.
Температура пленки должна быть меньше температуры текучести полимера. Перед складыванием пленки
производят снятие статического электричества. Для этого используют нейтрализаторы, ионизирующие
воздух или производят увлажнение воздуха. После складывания пленки и прохождения через тянущие
валки, пленка сматывается в один или несколько рулонов. Возможные варианты наматывания пленки в
виде двойного полотна, в виде двух полотен либо в виде одного полотна.
Получение пленочных материалов методом плоскощелевой экструзии.
Метод получения пленок из термопластов заключается в непрерывном продавливании расплава
полимера через широкую плоскую щель формующей головки с последующим быстрым охлаждением и
намоткой полотна в рулоны. В отличие от рукавного метода, расплав выдавливается в виде плоского
полотна, ширина и толщина которого определяется размерами формующей головки.
Для охлаждения пленки применяются охлаждающие валки либо жидкость (вода). Этот метод
используют в основном для получения пленок из кристаллизующихся полимеров, а также имеющих
относительно невысокую вязкость расплава. Чаще всего для этих целей используют ПЭВП,
изотактический ПП, ПА, ПЭТ.
Преимущества метода:
1.
Данный метод используется для производства пленок с высокими оптическими свойствами
(прозрачных пленок).
2.
Более высокая скорость процесса вследствие быстрого охлаждения пленки.
3.
Возможность получения более тонких пленок (менее 20 мкм) и листов толщиной 0,5-1 мм
4.
Возможность совмещения с пр упаковки.
Недостатки метода:
1.
Невозможность изготовления пленки большой ширины (3 – 8 м).
2.
Наличие отходов, т.к. данный метод предполагает обрезку кромок.
3.
Невозможность изменить ширину пленки без замены формующей головки.
4.
Больше капитальных затрат.
Стадии процесса:
1.
Плавление гранул и гомогенизации расплава (в экструдере).
2.
Формование полотна.
3.
Охлаждение пленки.
4.
Ориентация пленки.
5.
Обрезка кромок и намотка пленки.
Варианты пл-щелев метода
А. Вертикальная экструзия. Пленка прижимается к охлаждающему валку гуммированным валком.
Система применяется для ламинирования, т.е. получения комбинированных материалов нанесением
полимерного покрытия на бумагу, фольгу или целлофан.
Б. Горизонтальная экструзия. Расплав проходит гориз-но к валку. Пленка проходит между двумя
отполированными охлаждающими валками. Этот способ используется для производства относительно
толстых пленок больше 100 мкм из ПЭт, ПА, ПП.
В. Вертикальная экструзия. Пленка охлаждается в водяной ванне, куда помещен приемный валок.
Этот метод используется для получения прозрачных пленок из ПОл.
Г. Комбинированный – пленка поступает на охлаждаемый валок, частично погруженный в воду.
Получаемая пленка обладает наибольшей прозрачностью.
Во всех этих случаях, пленка, выходя из формующей головки, интенсивно охлаждается на валках или
водой. При быстром охлаждении получаются прозрачные и глянцевые пленки. Быстрое охлаждение
затрудняет кристаллизацию полимера и в пленке формируется преимущественно аморфная или
мелкокристаллическая структура с низкой степенью кристалличности, что обеспечивают высокую степень
прозрачности. При переработке ПЭт температура воды в охлаждающей ванне 50 – 80°С. Хотя охлаждение
в ванне эффективнее, однако, этот метод не всегда удобен, т.к. предполагает последующую сушку пленки.
После охлаждения у пленки обрезают кромки, и она поступает на намоточное устройство.
Ориентация пленки.
В тех случаях, когда требуется ориентация пленки, ее предварительно нагревают на валках или ИКизлучателями. Вытяжка пленки в продольном направлении осуществляется за счет разности скоростей
тянущих валков (в отличие от рукавного метода). Вытяжка пленки в поперечном направлении
осуществляется на специальном устройстве, которое называется растяжной рамой. Она представляет из
себя систему двух расходящихся транспортеров, края пленки зажимаются спецустройствами (клуппами),
при движении по растяжной раме расстояние между краями пленки увеличивается и пленка растягивается.
Рис
Технологическое отличие плоскощелевого метода от рукавного:
1.
В плоскощелевом методе используют экструдеры с более низким шнеком L/D = 25 – 35 (в
рукавн 20-25). Это необходимо для достижения более высокой степени гомогенизации расплава.
2. Используют расплавы полимеров с более высокой температурой, которая ограничивается
термостойкостью полимера (снижается вязкость). Более плотные фильтрующие элементы, т.к.
более высокие требования к качеству пленки.
3.
Формирование пленки осуществляется в головках коллекторного типа.
рис
Цилиндрич поток расплава диаметром Д д/н принять форму листа прямоуг-го сечения. Формующ-е
головки им. обычно широк щель (до 1600 мм). Распл из экструдера поступ в формующ головку распред по
коллектору и из него перетек в плоский формующ зазор. 1.Коллектор – канал, расположенный по ширине
головки.
Предназначен
для
равномерного
распределения
расплава.2.Вкладыши
служат
для
предотвращения перемешивания слоев расплава и смешению их к центру и для обесп ламинарного потока.
Скорость движ пленки опред-ая производит-ть агрегата зависит от скорости охлаждения и толщины
пленки. Напр. для получ пленок толщиной 0,3-0,7 мм скор=15м/мин. А для получ листа толщиной 2-3 мм
скор=1,5-2 м/мин
Факторы, влияющие на качество пленки:
1.
Качество обработки поверхности приемных валков. Они должна быть отполированы и обраб, т.к
от этого зависит их прозрачн и глянец. Матовые пленки получ на валках с шереховатой поверхн-ю.
2.
Эфф-ть охлаждения. Расстояние от формующ головки до охлаждающих валков или зеркала
воды – должно быть минимально и составлять 5 – 15 мм. Чем < расстоян тем выше прозрачн-ть пленки.
Многослойные пленочные материалы.
Материалы, состоящие только из полимерных слоев наз многослойными. Комбинированные
материалы предст из себя матер-лы, в состав кот наряду с полимерами входят слои, имеющие иную основу
(бумага, картон, фольга, ткань и т.д.). Наибольшее применение многослойных пленочных материалов – в
пищевой промышленности (ПП – 25%, многослойные – 21%). Под многослойными пленками понимают
композиты, состоящие из двух или нескольких слоев разнородных пленок, которые настолько плотно
контактируют друг с другом, что образуют практически единый материал. При таком способе
калибрования в материале эффективно сочетаются положительные свойства различных слоев.
Многослойные пленки получают путем 1.соэкструзии (коэкструзии) различных полимеров;
2.методом ламинирования. Метод соэкструзии закл в пластикации каждого матер-ла в своем экстредере с
последующ соедин (сплалением) полим слоев на выходе из формующ головки. Возможно три способа
соединения слоев:
1.
Перед экструзионной головкой.
2.
В самой экструзионной головке.
3.
После выхода из головки.
Наибольшее распространение – метод, заключающийся в пластикации каждого материала в своем
экструдере с последующим соединением их по схеме:
2 экструдера + 1 головка и 2 экструдера + 2 головки.
Вариант 2 экструдера – 1 головка (соэкструзия):
1.
Все компоненты должны быть в состоянии расплава;
2.
Различие по вязкости полимеров не должно быть большим. Это регулируют изменением
температуры и молекулярной массы;
3.
Используют формующие головки особой конструкции;
4.
Расплавы полимеров в формующей головке не перемешиваются, а соединяются на выходе из
головки; Обычно при соэкструзии в качестве одного из компонентов используют полиолефины, а вторым
компонентом может быть сополимеры этилена с различными виниловыми мономерами.
схема
Второй метод 2 экструдера – 2 головки.
Предусматривает соединение пленок после выхода из головки на оборудовании валкового типа. Эта
схема может также использоваться для ламинирования, т.е. нанесения полимерного слоя на какую-либо
основу.
схема