Технологические особенности переработки полимерных материалов методом экструзии

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.

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. Применяя приспособления для  принудительной подачи материала из бункера на шнек, также удается существенно повысить производительность машины (в 3—4 раза).

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 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").Для предотвращения перегрева этой части цилиндра в нем делаются полости для циркуляции охлаждающей воды[2].

 

1.1.2 Зона питания (I)

 

Поступающие из бункера  гранулы заполняют межвитковое пространство шнека зоны I и уплотняются. Уплотнение и сжатие гранул в зоне I происходит, как правило, за счет уменьшения глубины нарезки шнека. Продвижение гранул

осуществляется вследствие разности значений силы трения полимера о внутреннюю поверхность корпуса цилиндра и о поверхность шнека. Поскольку поверхность контакта полимера с поверхностью шнека больше, чем с поверхностью цилиндра, необходимо уменьшить коэффициент трения полимера о шнек, так как в противном случае материал перестанет двигаться вдоль оси шнека, а начнет вращаться вместе с ним. Это достигается повышением температуры стенки цилиндра (нагревом) и понижением температуры шнека (охлаждением водой в зоне I).

В зону подается тепло  от нагревателей, расположенных по периметру цилиндра.

Если температура цилиндра такова, что начинается преждевременное плавление полимера у его стенки, то материал будет проскальзывать по этой поверхности, т. е. вращаться вместе со шнеком. Поступательное движение материала прекращается. При оптимальной температуре полимер спрессован, уплотнен и образует в межвитковом пространстве твердую пробку. Лучше всего, если такая скользящая пробка образуется и сохраняется на границе зон I и II. Свойства пробки во многом определяют производительность машины, стабильность транспортировки полимера, величину максимального давления и т. д.

С увеличением частоты  вращения шнека производительность экструдера должна возрастать в соответствии с уравнением

Q = apvN

где Q — производительность машины; р — плотность полимера; v — объем нарезки одного витка  шнека; N — частота вращения шнека; а — коэффициент заполнения шнека (0,15-0,50).Точность расчета Q по данному  уравнению определяется правильным выбором величины а, которая зависит от формы и размеров частиц исходного полимера (гранулы, порошок) и способа заполнения им межвиткового пространства [3].

 

1.1.3 Зона пластикации и плавления (II)

 

В начале зоны II происходит подплавление полимера, примыкающего к поверхности цилиндра. Расплав постепенно накапливается и воздействует на убывающую по ширине пробку. Поскольку глубина нарезки шнека уменьшается по мере продвижения материала от зоны  к зоне III, то возникающее давление заставляет пробку плотно прижиматься к горячей стенке цилиндра, где и происходит плавление полимера.

В зоне пластикации пробка плавится также и под действием  тепла, выделяющегося вследствие внутреннего, вязкого трения в материале в  тонком слое расплава, где происходят интенсивные сдвиговые деформации, — материал пластицируется. Последнее обстоятельство приводит к выраженному смесительному эффекту. Расплав интенсивно гомогенизируется, а составляющие композиционного материала перемешиваются [3].

Рисунок 3 – Схема плавлении я пробки материала в зоне II в межвитковом сечении шнека :

1 — стенки цилиндра;

2 — гребень шнека;

3 — потоки расплава полимера;

4 — спрессованный твердый полимер  (пробка) в экструдере [3].

 

Конец зоны II характеризуется  распадом пробки на отдельные фрагменты. Далее расплав полимера с остатками твердых частиц попадает в зону дозирования. Уменьшающаяся глубина нарезки шнека создает давление, которое необходимо для продавливания расплава через фильтрующие сетки, подачи его в головку, уплотнения и в итоге — для выхода сформованного изделия.

Основной подъем давления расплава происходит на границе зон I и II. На этой границе образующаяся пробка из спрессованного материала как бы скользит по шнеку: в зоне I это твердый материал, в зоне II — плавящийся. Наличие пробки и создает основной вклад в повышение давления расплава. Запасенное на выходе из цилиндра давление расходуется на преодоление сопротивления сеток, течения расплава в каналах головки и формования изделия [3].

 

1.1.4 Зона дозирования (III)

 

Продвижение гетерогенного  материала (расплав, частички твердого полимера) сопровождается выделением внутреннего тепла, которое является результатом интенсивных сдвиговых деформаций в полимере. Расплавленная масса продолжает гомогенизироваться, что проявляется в окончательном плавлении остатков твердого полимера, усреднении вязкости и температуры расплавленной части. В межвитковом пространстве расплав имеет ряд потоков, основными из которых являются продольный и циркуляционный. Величина продольного потока (вдоль оси шнека) определяет производительность экструдера Q, а циркуляционного — качество гомогенизации полимера или смешения компонентов. В свою очередь, продольный поток складывается из трех потоков расплава: прямого, обратного (по шнеку) и потока утечек.

На рисунке 4 показаны эпюры распределения скоростей  прямого (а), обратного (б) и результирующего (в) потоков расплава в межвитковом пространстве шнека. Если бы не было сопротивлений потока (например, при отсутствии сеток и головки), то распределение скоростей V результирующего потока изобразилось бы рисунке 4, а: у поверхности шнека V— max, у неподвижной поверхности цилиндра V= 0.

Рисунок 4 - Эпюры скоростей расплава:

а — прямой поток; б — обратный поток; в — результирующий поток;

h — расстояние между движущейся (шнек) и неподвижной (цилиндр) поверхностями [3].

 

 

При наличии сеток, оснастки, трения о поверхность цилиндра и  шнека создается обратный поток, или противоток (рис. 4, б). Результирующий поток, изображенный на рисунке 4, в, представляет собой сумму эпюр, приведенных на рисунке 4, а и б. При отсутствии сопротивления расплава (сняты головка, сетки) давление чуть больше атмосферного; при максимальном сопротивлении (заглушка вместо головки) давление максимально, а величины прямого и обратного потоков равны [3].

 

Рисунок 5 - Зависимость производительности Q от давления Р расплава на выходе из экструдера: 1,2 — характеристики шнека; 3 — характеристика головки;

 а и б — рабочие точки [3].

 

 

1.1.5 Течение расплава через сетки и формующую оснастку

 

Расплав вращающимся  шнеком продавливается через решетку, к которой прижаты металлические  сетки. Сетки фильтруют, гомогенизируют и создают сопротивление движению расплава, на них теряется часть давления. Проходя через систему фильтрующих сеток, порции полимерного расплава с большей вязкостью задерживаются на сетках. Этого времени должно хватить для того, чтобы порция расплава достигла нужной температуры. Сверхвысокомолекулярные фракции полимера и различные примеси задерживаются сетками и через некоторое время их вместе с сеткой удаляют из цилиндра экструдера.

После прохождения сеток  гомогенизированный расплав под  остаточным давлением (Р = 5,0+35 МПа) продавливается в формующую оснастку и, приобретая определенный профиль, выходит практически под очень небольшим избыточным давлением из фильерной части головки.

Кривая 3 на рисунке 5 показывает зависимость Q от Р. Количество расплава Qгол выходящего через головку, можно представить следующим соотношением:

Qгол =

где ΔР= Р — Рвых перепад давления в головке (здесь Р — давление на входе в головку — конец зоны III,  Рвых — давление на выходе из головки); — вязкость расплава в головке; К — постоянная, характеризующая сопротивление течению расплава в каналах и формующей части головки.

Если в головке имеется  только один цилиндрический канал, например для изготовления прутка, то

K =

,

а уравнение преобразуется  в известное уравнение Пуазейля. Для участков головки с плоской  формующей щелью

K =

, δ = δщ

с кольцевой

K = π(RH + RB)(RH – RB)3/(12lϕ),

 

где RH — наружный радиус щели ; RB — внутренний радиус щели; w — ширина щели; δщ — толщина щели; lϕ — длина формующей части щели.

 

Таким образом, из этих трех основных форм сечений участков головок можно  рассчитать К головки, состоящей  из их сочетаний.

Для получения качественных изделий  необходимо, чтобы заключительный отрезок пути lϕ расплава перемещался при постоянной толщине 5Щ формующей части (рис. 6). В этом случае происходит наиболее полное выравнивание скоростей движения расплава, проходят релаксационные процессы, ликвидируется пульсация и т. д. Чем длиннее lϕ (больше lϕ/δщ), тем меньше пульсация расплава. В зависимости от типа выпускаемого изделия и требований к точности его размеров значения lϕ/δщ находятся в пределах 20—60 [4].

 

 

Рисунок 6 - Схема листовальной головки:D — ширина (диаметр) подводящего канала от экструдера; w — ширина формующей щели; l0 и l1 — длины пути расплава; lϕ — длина плоской формующей части щели; δщ — толщина формующей щели [4].

 

1.2 Основные параметры процесса экструзии

 

К технологическим параметрам относятся  температура переработки полимера, давление расплава, температура зон головки и температурные режимы охлаждения сформованного экструдата.

Основными технологическими характеристиками экструдера являются L, D, L/D, частота вращения шнека N, геометрический профиль шнека, степень изменения объема канала шнека.

Основной характеристикой формующей  оснастки (вместе с фильтрующими сетками) является коэффициент сопротивления  течению расплава К.

Нарастание давления на фильтрующих сетках служит показателем засорения, т. е. увеличения сопротивления сеток и, следовательно, сигналом к их замене.

Показателем работы экструдера является его эффективность — отношение  производительности к потребляемой мощности [4]

 

1.2.1 Материалы и ассортимент изделий

 

Большинство термопластов и композиций на их основе могут  перерабатываться экструзией. Для этого достаточно, чтобы время пребывания расплава в экструдере при данной температуре было меньше времени термостабильности полимера при той же температуре. Наиболее широко применяется экструзия крупнотоннажных полимеров следующих типов: ПЭ, ПП, ПС, ПК, ПА, ПВХ (пластифицированный и непластифицированный), ПЭТФ, а также смеси с неорганическими и полимерными наполнителями и более сложные композиции на их основе.

 

 

 

1.2.2 Технологические свойства полимеров перерабатываемых методом экструзии

 

Это свойствa полимера определяет основные технологические параметры экструзии, а также вид получаемого изделия. Решающее значение при оценке технологичности имеет вязкость и величина высокоэластической составляющей деформации расплава. Из маловязких расплавов невозможно получить сплошную экструзионную заготовку в виде пленки, трубы, профиля. Для экструзии применяются материалы и режимы переработки, при которых ПТР меняется в пределах 0,3—12 г/10 мин. Если же используются литьевые марки полимера, то из них можно получить экструзией лишь отдельные типы изделий, так как ПТР у них находится в пределах 0,8—20 г/10 мин.При слишком высокой вязкости расплава получать изделия методом экструзии трудно из-за большого сопротивления течению расплава, возникновения неустойчивого режима движения потока. Все это приводит к образованию дефектов изделий. Повышение температуры переработки может привести к термодеструкции расплава, а увеличение давления, мощности привода при более низких температурах — к механодеструкции, т. е. для экструзии расплавов должны применяться полимеры с довольно узким интервалом колебания вязкости. Выходящий из головки экструдат должен обладать формо-устойчивостью. Требования к формоустойчивости зависят от последующих технологических операций: деформации расплава в свободном состоянии либо в калибрующем приспособлении. В свою очередь формоустойчивость зависит от температуры и молекулярной массы полимера. Поэтому для получения различных видов изделий рекомендуется перерабатывать расплав с различным ПТР.

Так, трубы, кабельные  покрытия производят из расплава полимера с ПТР от 0,3 до 1 г/10 мин. Это связано  с выбором полимера большой молекулярной массы. Последняя определяет эксплуатационные свойства изделий — повышенные физико-механические характеристики. Пленки, листы изготавливают экструзией расплава с ПТР в пределах 1—4 г/10 мин. Дискретные изделия, производимые экструзией расплава с последующим раздувом в форме, получают из расплава с ПТР = I,5V7,0 г/10 мин. Ламинирование с помощью экструзии происходит при ПТР расплава в пределах 7—12 г/10 мин.