Технологические особенности переработки полимерных материалов методом экструзии

При получении толстых  пленок рукав прогибается под  действием силы тяжести, что приводит либо к его обрыву, либо к большой разнотолщинности.

 При отводе рукава вниз можно использовать ту же угловую головку, что и при схеме отвода вверх. При  получении толстых пленок наблюдаются значительная самопроизвольная вытяжка экструдата или даже обрыв его под действием силы тяжести пленочного рукава. Поэтому данный способ применим к получению тонких пленок. При приеме рукава в воду резко уменьшается время его охлаждения, процесс интенсифицируется. Кроме того, при очень быстром охлаждении расплава происходит большая аморфизация кристаллизующихся полимеров. Применение охлаждающей циркуляционной воды и соответствующего оборудования удорожает установку.

 

 

Рисунок 8 - Схема угловой кольцевой головки:

1— регулируемые губки головки;

2 — дорн;

3 — дорнодержатель;

4 — канал для подачи воздуха  на раздув рукава [8]

 

1.3.2 Основное   оборудование

 

При производстве пленок применяются экструзионные установки с длинными шнеками для устранения пульсации расплава; экструдеры — с L/D = 20ч-25 и с D от 20 до 90 мм (иногда до 120 мм). Пленки получаются после вытяжки и раздува толщиной от 10 до 300 мкм с колебанием толщины ±10 %.

Основным требованием  к экструзионным головкам является постоянство сопротивления текущему расплаву в каналах формующего инструмента и, как следствие этого, постоянство скорости выхода экструдата по всему периметру формующей щели.

Точность регулирования зазора формующей части головки определяет в дальнейшем величину разнотолщинности пленок. Схема угловой головки показана на рисунке 8.

Конструкция головки  должна предусматривать полное выравнивание скорости течения расплава по периметру щели. Щелевой зазор регулируется при помощи микровинтов, воздействующих на положение губок 1.

По мере забивания  сеток (металлических или металлокерамических) посторонними включениями их сопротивление  возрастает, что служит сигналом для  их смены. Сетки могут меняться либо с остановкой машины и демонтажем, либо без остановки. Во втором случае фильтрующие ленточные сетки должны непрерывно двигаться, входя чистыми в экструдер и выходя из него загрязненными. Современные установки оснащены аппаратурой, обеспечивающей:

1) контроль и автоматическое  регулирование температур по  зонам;

2) контроль давления  расплава до и после сеток; 

 3) контроль толщины экструдата, формующего зазора, толщины пленки;

4) бесступенчатое регулирование  частоты вращения шнека;

5) контроль за потребляемой мощностью экструдера;

6) бесступенчатое, плавное  изменение скорости приемно-тянущих  валков;

7) автоматическую подкачку воздуха внутрь рукава для постоянства его раздува.

 

Желательно иметь установку  для обеспечения циркуляции воздуха, сам воздух должен быть осушен и охлажден.

Для точного регулирования  щелевого кольцевого зазора применяют микровинты, управляемые автоматизированными системами контроля толщины пленки. Для интенсификации процесса охлаждения пленки выше линии кристаллизации применяют дополнительные обдувочные кольца или ряд вентиляторов с индивидуально регулируемыми частотами вращения вала двигателя, а также складывающие пленку щеки с полостями для циркуляции охлаждающей воды.

Для получения пленок с постоянным диаметром рукава с целью интенсификации процесса производства используют охлаждаемые водой металлические насадки. При контакте горячей пленки с холодной поверхностью насадки пленка быстро охлаждается, после чего она сразу складывается и наматывается.

Для разрезания рукава в продольном направлении при получении широкого однослойного полотна применяют нож, разрезающий рукав только с одной стороны (бескромочный способ). Специальное устройство разворачивает рукав и сматывает его в один рулон. В этом случае плоская пленка имеет двойную ширину.

Для уменьшения разнотолщинности экструдата и/или дополнительной ориентации макромолекул на стадии получения экструдата применяют головку с вращающимся дорном, что создает потоки полимерного расплава на внутренней стороне рукава, имеющего благодаря этому ориентацию молекул в радиальном направлении (по спирали с учетом скорости выхода рукава из щели) [5].

 

1.3.3 Режимы экструзии рукавных пленок

 

В таблице 2 представлены температурные режимы экструзии  рукавной заготовки из ПО. Из таблицы видно, что температура зоны I выше температуры плавления, хотя полимер здесь не должен плавиться. Причина этого заключается в том, что температурные диапазоны, приведенные в таблице 2, соответствуют показаниям термопар, расположенных в теле цилиндра близко к нагревательным элементам. Поэтому они не отражают истинной температуры полимера в этой зоне. Для машин с диаметром шнека более 60 мм предусмотрено охлаждение последнего водой, и, следовательно, температура гранул, примыкающих к его поверхности, ниже.

 

Таблица 2. Температурные режимы экструзии  пленок[5].

Тип полимера	Температура по зонам, 0С					Температура плавления полимера, 0С
	цилиндр			головка
	I	II	III	IV	V
ПЭНП	120 -130	130 -135	140 -150	140 -150	140 -150	105 -108
ПЭВП	130 -140	150 -180	200 -225	230 -235	230 -235	125 -130
ПП	180 -190	190 -220	230 -240	240 -250	245 -255	165 -170

 

Температурные режимы, приведенные  в таблице 2, зависят также от конструкции  машин, типа нагревательной системы, месторасположения термодатчиков и т. п. и могут колебаться в широких пределах. Большое значение имеют величины давления расплава до сеток и после них (в головке). При переработке ПЭНП давление до сеток может быть в пределах 15—25 МПа, после сеток 10—15 МПа; для ПЭВП — соответственно 18—28 и 13—18; для ПП — 20-30 и 15-20.Частота вращения шнека зависит от его геометрии, от L/D, от D, размеров пленки и т. д. [5].

 

1.3.4 Раздув , вытяжка и охлаждение заготовки-рукава

 

Выходящая под небольшим  давлением с определенной скоростью Vэ экструзионная трубчатая заготовка подвергается охлаждению воздухом через кольцо 4 (см. рис. 8) и в большинстве случаев вытягивается по длине тянущими валками и раздувается по ширине воздухом, подаваемым внутрь рукава. Поэтому рукав должен обладать максимальной деформационной способностью, которая достигается за счет применения расплава с меньшим ПТР.

Процесс деформирования рукава происходит в интервале между головкой и линией затвердевания, а охлаждение продолжается вплоть до сжатия пленки тянущими валками. Таким образом, до линии кристаллизации происходит: 1) разбухание (увеличение толщины) экструдата относительно размера кольцевого зазора головки; 2) растяжение и/или раздув трубчатой заготовки; 3) охлаждение расплава; 4) кристаллизация (для кристаллизующихся полимеров).

Эластическое разбухание экструдата происходит в результате реализации накопленной высокоэластической деформации полимерного расплава. Высокоэластическая деформация расплава происходит при прохождении его в формующих каналах головки, а ее величина тем больше, чем выше напряжение сдвига.

Вытяжка и раздув рукава приводят к утонению заготовки и к ориентации цепей макромолекул в пленке (упрочнению). Количественно вытяжка может быть оценена степенью вытяжки ɛв:

ɛв = Vпл/Vэ ,

Где скорость движения пленки после тянущих валков, равная линейной скорости вращения тянущих валков; Vэ — скорость

выхода экструдата из головки.

Соответственно, степень  раздува  р определяется как

 

ɛр = Dp/dэ ,

 

где Dp — диаметр раздутого  рукава; dэ — диаметр рукава, выходящего из кольцевого зазора головки.

Толщина пленки может быть рассчитана по формуле:

 

δпл = δэ/(ɛрɛв) ,

 

Общая величина деформации экструзионной рукавной заготовки оценивается как

 

ɛобщ = δэ/δпл = ɛрɛв .

 

Предварительно рассчитав  производительность экструдера Q можно подсчитать скорость Vэ:

 

Vэ = Q/(ρdэδщ),

 

Охлаждение и кристаллизация полимерного рукава необходимы для  регулирования скорости ориентации и кристаллизации до линии кристаллизации, а выше ее — для охлаждения твердой пленки до температур, при которых полотно не будет повреждаться и слипаться, проходя между складывающими щеками и далее в зазор между тянущими валками. Время охлаждения пленки лимитирует скорость ее отбора, т. е. производительность экструдера. Для увеличения интенсивности охлаждения при тех же габаритах установки и здания можно применять дополнительные вентиляторы, воздуходувки, охлажденный воздух ит.п.

Охлаждение рукава —  обычный процесс передачи тепла  от горячей поверхности к окружающей среде. Для расчета времени охлаждения используются обычные формулы, по которым можно определить высоту линии кристаллизации и уровень расположения тянущих валков. Последнее особенно важно, так как пленка, например из ПЭНП, не может иметь температуру выше 50—60 °С к моменту ее попадания в зазор между тянущими валками. С учетом силы сжатия рукава при более высоких температурах будет происходить слипание рукава.

Большая часть вытяжки  в продольном направлении реализуется ближе к формующей части головки, а раздува — ближе к линии кристаллизации.

Изменяя скорость вытяжки, температуру и интенсивность охлаждения рукава, форму рукава, а следовательно и свойства пленки, можно получить следующие формы рукава (рисунке 9).

Форма а соответствует  высокому расположению линии кристаллизации, что приводит к недостаточному охлаждению деформируемого рукава. Пленка вначале растягивается в длину, а затем в ширину. Это сопровождается частичной переориентацией макромолекул в перпендикулярном направлении.

Форма б соответствует  нормальной величине Я при хорошей  интенсивности охлаждения. Продольная и поперечная ориентации при вытяжке и раздуве осуществляются почти одновременно. Пленка получается равнопрочной и равнотолщинной.

Форма в соответствует  резкому интенсивному охлаждению рукава, высота линии Я мала. Пленка имеет меньшую кристалличность; процесс малоустойчив, велика вероятность "осадки" рукава на поверхность головки.

Форма г соответствует  неравномерному обдуву пленки охлаждающим воздухом по периметру. Пленка разнотолщинна, рукав несимметричен.

Для большинства пленок, отвечающих общим требованиям к свойствам, в зависимости от их толщины значение Н колеблется в пределах 0,3—2 м.

 

Рисунок 9 - Некоторые типичные формы рукавов пленки (а—г) пояснены в

тексте: Н — высота линии кристаллизации [6].

 

Чем толще пленка (и  соответственно, экструзионная заготовка), тем больше Н, и наоборот.

 

 

1.3.5 Влияние параметров переработки на свойства рукавных пленок

 

Как было сказано ранее, для экструзии полимерной пленки применяют материалы с весьма ограниченным диапазоном ПТР, ММР и  т. п. Основные технологические параметры также меняются в узких пределах, чтобы обеспечить формоустойчивость рукава. При варьировании H, ɛВ и ɛр происходят самые значительные изменения механических и других свойств готовых пленок.

На рисунках 10 - 12 показано влияние Тэ и N на некоторые характеристики пленки при условии постоянства других технологических параметров процесса. Увеличение глянца и уменьшение коэффициента трения пленок с ростом Тэ позволяют говорить о том, что при этом уменьшается эластическая турбулентность расплава, полнее проходят релаксационные процессы. При увеличении Тэ уменьшаются макродефекты (продольные полосы, локальные утолщения, дефекты типа "рыбий глаз", "гелики" и т. д.), изменяется надмолекулярная структура, определяемая температурой и временем кристаллизации. Повышение Тэ, а также увеличение ПТР ведет к улучшению оптических свойств пленок. Поэтому для получения одновременно гладких и блестящих пленок рекомендуется повышать Тэ или снижать значение N (рисунок 12). Для этих целей лучше применять полимер с минимально допустимой молекулярной массой.

 

 

 

Рисунок 10 - Зависимость мутности (М), глянцевитости коэффициента трения

(Г) рукавной ПП-пленки от средней  температуры Тэ головки:

1, -быстрое;

2, -медленное охлаждение рукава [7].

Рисунок 11 – Зависимость коэффициента трения, ПП-пленки от Тэ экструзии (в головке): 1 – быстрое, 2 – медленное охлаждение рукава [7].

 

Рисунок 12 - Зависимость мутности М  от числа Н оборотов шнека N при  экструзии рукавной пленки  из ПЭНП [7].             

 

Рисунок 13 - Влияние высоты линии  кристаллизации на глянец Г (1), мутность (2) и   светоиспускание Сп (3) рукавных пленок из ПЭНП. [7].

 

Изменение режимов охлаждения пленки существенно влияет на ее оптические свойства и отражается на такой комплексной  характеристике, как высота линии кристаллизации Н (рисунок 13). Чем выше Н, тем дольше расплав охлаждается. С учетом того, что в это же время происходит одно- или двухосная вытяжка пленки, структура изделия претерпевает значительные изменения.

Так, с увеличением Н (см. рисунок 13) за счет либо уменьшения интенсивности обдува заготовки, либо увеличения частоты вращения шнека растет мутность пленки из ПЭНП. Это связано с тем, что возрастает время кристаллизации полимера, происходит формирование более крупных надмолекулярных образований, т. е. возрастает структурная неоднородность пленок. Начиная с мм и выше глянец пленки также уменьшается. При условии постоянства с увеличением Н прочность практически не меняется, но несколько возрастает модуль упругости, что свидетельствует о небольшом росте степени кристалличности. Наиболее существенное влияние на прочностные свойства пленок оказывают величины (рисунок 14). Действительно, с увеличением, например, благодаря возрастанию ориентации макромолекул существенно возрастает прочность . При одновременном возрастании прочность пленок увеличивается в обоих направлениях. С возрастанием разрывное удлинение образцов несколько уменьшается. Возрастание при раздуве или вытяжке у пленок относительно невелико, так как в расплавленном состоянии доля высокоэластической деформации мала из-за интенсивных процессов релаксации ориентированных макромолекул.

Существенной характеристикой  качества пленки является ее разнотолщинность. Универсальной зависимости влияния  тех или иных параметров технологии на разнотолщинность нет, так как значительное влияние оказывают равномерность охлаждения, тип машин, качество выполнения щелевой кольцевой головки, точность регулирования зазора щели, гомогенность расплава и т. д. Однако опыт подсказывает некоторые общие закономерности.