ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

Конструкции и области применения

Формующие плиты головок гранулятора (Pelletizer die plates)

Формующие плиты гранулятора служат для формирования пластиковых стренг (жил), которые далее режутся на гранулы. Существуют два различных способа грану­ляции, отличающиеся последовательностью выполняемых шагов [1]:

• горячая грануляция (или грануляция на решетке), которая включает экструди - рование стренг, их резку вращающимся ножом, закрепленном на формующей плите, и охлаждение;

• холодная (или стренговая) грануляция, включающая экструдирование стренг, их охлаждение в ванне с водой и резку стренг на гранулы вращающейся фрезой.

При использовании обоих методов гранулирующая головка выполняет задачу экструдирования стренг (прутков, жил). Кроме того, при горячей грануляции она действует и как режущая пластина (контрнож). Существуют два типа размещения ножа: с центральным расположением и расположение с эксцентриситетом (рис. 5.1). Преимуществом размещения ножа с эксцентриситетом является прямолинейное течение расплава и отсутствие необходимости разделять поток, как это показано на рис. 5.1, а. Это особенно важно для термочувствительных материалов, поскольку раз­деление потока коническим рассекателем головки может приводить к застою и раз­ложению периферийных слоев. При конструировании формующих плит для процес­са горячей грануляции необходимо учитывать способ охлаждения гранул после резки стренг на гранулы. В табл. 5.1 перечислены описания различных методов охлаждения и типовые режимы грануляции [ 1 ].

Отверстия в плите гранулирующей головки (рис. 5.2) обычно имеют конический су­жающийся вход с углом сужения не более 30°, что позволяет исключить возникновение

а)

Ь)

вторичных течений. Кроме того, отношение длины формующего отверстия к его ди­аметру относительно невелико (L / D < 10) [2].

Отверстия в плите гранулирующей головки располагаются в виде прямолиней­ных рядов или концентрических окружностей. Чтобы избежать затвердевания рас­плава в отверстиях при подводной грануляции и последующих механических по­вреждений, вызванных давлением расплава, отверстия частично изолируются за счет использования специальных вставок (рис. 5.3). Благодаря такой конструкции к ох­лаждаемой зоне на выходе из головки расплав подводится с более высокой темпера­турой [3]. Нагрев гранулирующей плиты осуществляется электронагревателями или паром высокого давления.

При пуске процесса перед формующей плитой может развиваться давление до 500-700 бар, тогда как при установившемся процессе давление обычно не превышает 250 бар [3]. При этом массовый расход расплава через одно отверстие может дости­гать 15 кг/ч [4].

Сравнительное описание различных методов грануляции можно найти в работе [2].

Фильтры

Чтобы удалить из расплава частицы посторонних примесей или частицы того же самого материала, но обладающие иной (чаще всего более высокой) степенью поли­меризации, между экструдером и головкой устанавливают различные типы фильтру­ющих устройств [5]. Наиболее распространены следующие фильтры [6]:

• фильтры из грубого песчаника (sandgrit)

• металлокерамические фильтры (изготовленные методами порошковой метал­лургии);

• фильтры из металлической сетки.

Фильтрация полимерных расплавов требует поддержания потерь давления на допустимом уровне, выполнения определенных требований к однородности потока, удобству обслуживания фильтра и т. н. [5]. Чтобы обеспечить минимальное время пребывания расплава в головке и его распределение по фильтрующему устройству, для эксплуатации применяют только фильтрующие устройства, в которых фильтр большой площади размещается в корпусе небольшого объема |5|. Лучше всего эти требования удовлетворяются размещением фильтрующих вставок в виде свечи по концентрическим окружностям или использованием вставок в виде дисков. Фильт­ры закрепляются на перфорированных решетках или между ними, что позволяет от­фильтрованному расплаву течь к выходу из головки.

Эффективность фильтра определяется массовым расходом через фильтр, площа­дью фильтрования, размером отверстий, объемным расходом и потерями давления при этих данных и физическими свойствами фильтра [5,7]. При производстве стренг через головки с фильтрующими площадями от 0,5 до 7 м2 возможны массовые расхо­ды свыше 1000 кг/ч.

Интересную разработку в этой области представляют собой автоматические сис­темы фильтрации расплава. К преимуществам таких систем относят компактность, отсутствие возмущений при течении, удобство эксплуатации |8,9|. Пример автома­тизированной системы фильтрации показан на рис. 5.4. Пакет фильтров расположен между двумя перфорированными решетками. Так называемый щуп (или чистящий скребок 5) закреплен на валу привода 9 и касается стенки камеры на входе расплава.

При вращении он способен достигать любой точки поперечного сечения фильтра. Щуп начинает вращаться всякий раз, когда давление превышает предельно допусти­мое значение за счет закупорки отверстий фильтрующих элементов. Как только скре­бок изменяет свое первоначальное положение, загрязненный поток вследствие воз­растания давления начинает течь в обратном направлении через пакет фильтрующих элементов и перфорированные решетки. Это обратное течение продавливает отфиль­трованные частицы загрязнений через отверстия, которые ранее были закрыты скреб­ком. Далее частицы загрязнений, удаленные из пакета фильтрующих элементов, про­ходят через полый приводной вал скребка и выводятся наружу. В зависимости от типа перерабатываемого полимера, степени и вида загрязнений, производительность системы, приведенной на рис. 5.4, может достигать 500 кг/ч [8].

Подробное описание систем автоматической фильтрации с множеством полез­ных рекомендаций по их конструированию и расчету (включая расчет потерь давле­ния) пакетов фильтрующих элементов и перфорированных решеток можно найти в работах [5,10].

Фильеры для производства волокон

Для получения полимерных волокон или нитей (например, из полипропилена, полиамида или полиэфиров) используются так называемые фильерные комплекты или фильеры. Они имеют множество сквозных отверстий (так называемых прядиль­ных сопел). Фильеры часто располагаются в горизонтальном положении, так что нити вытягиваются вертикально вниз [11,12]. При переработке расплавов с низкой вязко­стью между экструдером и фильерой размещается шестеренный насос, который обес­печивает стабильную производительность процесса течения [ 13J.

Фильеры могут иметь цилиндрическую форму диаметром 40-80 мм, толщина формующей плиты составляет 10-45 мм, в плите фильеры может выполняться от 10 до 1000 прядильных сопел. Применяются также фильеры прямоугольной формы размерами (60 х 60)—(150 х 450) мм при толщине формующей плиты 20-30 мм. В таких фильерах количество прядильных отверстий может достигать 10 000 [12]. Отверстия в плите располагаются рядами или в виде концентрических окружностей, расстояния между которыми составляют 6-10 мм [12]. Обычно диаметр отверстий на выходе из плиты устанавливают в пределах 0,2-0,6 мм, а отношение L/D составля­ет 1 -4. Отверстия на входе имеют диаметр 2-3 мм, а угол конуса к выходу составляет 60-90° [12]. При меньших углах конусности можно получать волокна с поверхностью лучшего качества. Например, наилучшие результаты при производстве моноволокон из полипропилена были достигнуты при углах конического перехода менее 20° [14]. Для получения волокна с хорошим качеством поверхности необходимо, чтобы по­верхность прядильных сопел была чрезвычайно гладкой, а края выходного отвер­стия — острыми, без заусенцев [11,12].

Кроме прядильных сопел с поперечным сечением круглой формы, применяются и отверстия с другой геометрией поперечного сечения. Например, сопла бывают тре­угольными, Y-образными, и Т-образными [11,12].

В условиях производства фильеры подвержены не только давлениям до 300 бар и высоким механическим нагрузкам, но и повышенным температурам (до 300 °С), что может приводить к сильной коррозии. При очистке фильер в солевых ваннах корро­зия еще более усиливается. Поэтому при выборе материала для изготовления фильер все три вышеперечисленных фактора необходимо принимать во внимание. Полез­ную информацию по выбору материала для фильер можно найти в работах [11,12].

Сплошные стержни

Пластмассовые сплошные стержни диаметром до 500 мм, а также бруски размера­ми поперечного сечения до 250 х 100 мм [15] производят с использованием экструзи­онных головок, отличающихся от других типов головок наличием калибрующего узла, непосредственно примыкающего к формующему участку головки и крепящего­ся к нему при помощи фланца (рис. 5.5 [16]). Поскольку калибрующий узел должен сильно охлаждаться, между ним и зоной расплава головки должна быть обеспечена хорошая теплоизоляция [15-17].

Канал зоны расплава экструзионной головки построен таким образом, что мате­риал выходит из отверстия небольшого диаметра (примерно 8-10 мм [ 16]) и посту­пает в направляющую зону участка калибрования под относительно большим углом. При соприкосновении с охлаждаемой стенкой расплав затвердевает, и в экструди­руемом стержне или бруске образуется клиновидное (коническое) жидкое ядро (рис. 5.5). Давление расплава действует на наклонную стенку затвердевшего слоя, вызывая распорные усилия, что может привести к повышенному трению в калибра­торе и стопорению профиля. Поэтому участок калибрования должен иметь повышен­ную длину, чтобы к концу калибратора толщина затвердевшего слоя была достаточно большой (обычно до оси изделия) для того, чтобы противостоять не только давлению расплавленного ядра, но и продольному усилию вытягивания от тянущего устройства.

В результате объемной усадки при охлаждении расплава в стержне могут образо­вываться пустоты. Чтобы избежать этого, экструдер должен работать при достаточно высоком давлении. Рабочий режим конкретной экструзионной линии определяется необходимым рабочим давлением, а также давлением, при котором в калибраторе начинают возникать заторы движения.

В некоторых случаях предельные значения давления могут быть изменены за счет нанесения на поверхность калибратора покрытия из ПТФЭ или подачей смазки меж­ду поверхностями экструдата и калибратора [ 1 б, 17]. Однако давление, обеспечиваю­щее отсутствие пустот в экструдируемом стержне, не всегда может быть создано экструдером. В этом случае устанавливают стопорные устройства, тормозящие вы­ход профиля из калибратора [16]. Для изделий с большими поперечными сечениями и, следовательно, более продолжительным временем охлаждения типичные скорос­ти выхода составляют, например, 2,5 м/ч для круглых цельных стержней диаметром 60 мм из ПА и 0,5 м/ч — для стержней диаметром 200 мм из такого же материала [15]. Часто для толстостенных стержней необходимо производить термообработку, кото­рая позволяет существенно снизить внутренние (остаточные) напряжения, возника­ющие в материале при заданных условиях переработки.

При переработке материала с низкой вязкостью расплава между экструдером и го­ловкой часто требуется установка дросселирующего клапана для повышения давле­ния расплава и улучшения его однородности [15-17].