ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

Конструкции и применения

Экструзионная головка для производства листов и плоских пленок преобразует начальную круглую форму расплава в плоский прямоугольный лист (пленку). Рас­пределение расплава осуществляется при помощи коллектора, за которым следует участок, называемый участком сопротивления течению или формующим участком.

Как показано на рис. 5.11 и 5.12, расплав поступает в головку через центральный канал, а затем симметрично растекается в обе стороны, в результате чего формирует­ся плоский экструдат с одинаковой толщиной стенки. Эксперименты с асимметрич­ной запиткой экструзионных головок, при которых расплав подается только с одной стороны, были прекращены вследствие технических сложностей.

Для обеспечения максимально рапномерного распределения потока по ширине головки необходимо проектировать геометрию канала с учетом свойств материала, установленных рабочих режимов переработки и реологических параметров течения. Эта процедура обсуждается в разделе 5.2.2.

Неоднородности течения при прохождении расплава через головку возникают почти всегда. Существует несколько методов их регулирования. В головках, предна­значенных для экструзии плоских пленок, локальные неоднородности в скорости те­чения сглаживаются за счет изменения высоты зазора между формующими губками головки. Это может достигаться, например, путем затягивания нажимных винтов, расположенных по ширине головки. В результате этого регулируют локальный про­гиб гибкой губки и проходное сечение канала, и соответственно локальный расход расплава (рис. 5.11). Вследствие ограниченной способности стали к упругим дефор­мациям максимальные прогибы губок не должны быть более 2 мм [38]. Благодаря упругости стали и давлению расплава губка восстанавливает форму.

В некоторых редких случаях головки для экструзии плоских пленок содержат дополнительное устройство, называемое регулирующей планкой (рис. 5.11). Эта планка представляет собой массивный локально деформируемый профильный бру­сок, с помощью которого можно проводить лишь грубую настройку равномерности выхода расплава.

В головках, предназначенных для экструзии листов и толстых плит, регулирую­щая планка является стандартной деталью, которая позволяет обеспечить равномер­ность распределения расплава. Тем не менее и в этом случае для тонкой настройки используются гибкие губки (см. рис. 5.12).

Помимо этого, существует возможность управления распределением расплава и, следовательно, размерами экструдата с помощью регулирования профиля темпера­туры по ширине головки. Этот метод, однако, применяется лишь в особых случаях.

Головки для нанесения покрытий на плоские подложки строятся по тому же принципу, что и головки без регулирующих планок для экструзии пленок. При не­обходимости, регулирование распределения расплава осуществляется с помощью деформации гибких формующих губок. В универсальных широкощелевых головках, предназначенных для экструзии как пленок, так и пластин, как правило, используют­ся массивные регулирующие 1убки, которые могут настраиваться только при остано­ве всей линии.

Обычно длина формующих губок в продольном направлении для широкощеле­вых головок составляет от 30 до 90 мм [34], хотя в отдельных случаях может быть значительно больше.

В зависимости от фактических значений разбухания или вытяжки расплава пе­рерабатываемого материала зазор между параллельными губками может увеличи­ваться или уменьшаться на несколько процентов, что позволяет добиться требуемой толщины экструдата [39]. Однако этот метод приемлем лишь в случаях, когда не про­изводится целенаправленной вытяжки расплава после выхода его из экструзионной головки.

При экструзии толстых листов расплав обычно выходит из экструзионной голов­ки в горизонтальном направлении и поступает на валковое гладильное устройство. Однако при экструзии пленок методом полива или при нанесении покрытий на под­ложки расплав может выходить из головки под углом или вертикально вниз перпен­дикулярно или по касательной к охлаждающему валку для нанесения покрытия на положку. Поэтому головки этих типов называются литьевыми (casting dies). В подоб­ных случаях между экструдером и головкой должен присутствовать угловой пере­ходник, изменяющий направление течения расплава.

Зазоры на выходе из экструзионных головок для производства плоских пленок и нанесения покрытий на субстраты составляют 0,25-0,7 мм [40], ширина головки обычно лежит в пределах от 1500 до 4000 мм [41].

Методом экструзии можно получать листы и плиты толщиной до 40 мм и шири­ной до 4000 мм [40,42-44]. Рабочая ширина плоскощелевой экструзионной головки может быть уменьшена за счет использования подвижных или сменных губок или же с помощью обтекаемых вставок, регулирующих ширину щели [45]. Последний метод используется редко, так как он не создает благоприятных условий течения при требу­емом распределении расплава, поскольку в каналах головки возникают застойные зоны, которые создают проблемы при переработке термочувствительных материалов 145,46].

Как уже упоминалось в начале этой главы, основной задачей проектирования каналов плоскощелевых экструзионных головок является получение максимально равномерного распределения скоростей по всей ширине выходного сечения. Для пре­образования цилиндрического потока расплава, поступающего из экструдера на вхо­де в головку в плоское течение на выходе, необходимо разработать специальную сис­тему каналов. Существует несколько типов таких систем, наиболее употребляемые
из которых показаны на рис. 5.13. Они известны как Т-образный коллектор, V-образ­ный коллектор, называемый также «рыбий хвост», и закругленный коллектор в виде «вешалки». Разрабатываются и другие типы коллекторов [47,48], но на сегодняшний день ни один из них не получил широкого распространения. Головки с коллектором в виде вешалки в настоящее время используются чаще других. Это объясняется тем, что если коллектор этого типа правильно сконструирован, он обеспечивает хорошее распределение расплава, в значительной мере не зависящее от рабочего режима.

Головки с Т-образными коллекторами

I

т

Рис. 5.13. Формы коллекторов плоскощелевых экструзионных головок

Недостатком головок со скругленным коллектором в форме вешалки являются высокие затраты на изготовление из-за его сложной геометрической конфигурации (рис. 5.14).

Плоскощелевые головки с коллектором Т-образной формы имеют довольно про­стую конструкцию, поэтому их изготовление обходится намного дешевле. Чаще всего

Рис. 5.14. Головка с коллектором в виде ве­шалки в разрезе

они применятся на линиях для нанесения покрытий. Головки этого типа не рекоменду­ются для переработки термочувствительных материалов. Распределение скоростей течения в таких головках можно оптимизировать путем изменения геометрической конфигурации коллектора, а также за счет использования регулирующей планки. Теоретические исследования головок этого тина приведены в работах [49-51 ].

Головки с коллектором типа рыбий хвост по качеству распределения расплава и затратам на изготовление занимают промежуточное положение между двумя ранее упомянутыми системами. Результаты исследований реологической конфигурации таких головок представлены в работах [52-54]. Как и в случае с Т-образным коллек­тором, коллектор в форме рыбьего хвоста сам но себе не обеспечивает достаточно равномерного распределения, поэтому для коррекции течения необходимо исполь­зовать дополнительные элементы, например, регулирующие планки.

Как упоминалось выше, усложнение геометрии канала экструзионной головки предъявляет более высокие требования к технологии изготовления, что приводит к повышению стоимости головки. Поэтому при выборе систем распределения рас­плава часто принимаются компромиссные решения, являющиеся промежуточными между теоретически обоснованными и реально применяемыми на практике [45]. На стоимость плоскощслсвой экструзионной головки существенно влияет еще один фак­тор — поверхность головки, находящейся под давлением. По мере увеличения поверх­ности необходимо увеличивать силу затяжки крепежных винтов для предотвраще­ния изменения формы внутренней полости экструзионной головки. Это явление известно как вспучивание внутренней нолосги головки {clam shelling). Если форма внутренней полости нарушается, эго оказывает негативное влияние на распределение толщины по ширине пленки [45].

Все плоскощелевые головки, представленные на рис. 5.15 [38], имеют так называ­емое центральное осесимметричное распределение. Это означает, что распределитель­ный канал образуется обеими частями экструзионной головки (как верхней, так и нижней). В головках с центральным асимметричным распределением распредели­тельный канал выполняется лишь в одной из частей головки, тогда как другая часть головки остается плоской. Такие головки проще и дешевле в изготовлении, однако по сравнению с симметричным и головками они имеют ряд недостатков, вызванных осо­бенностями течения.

Падение давления при течении расплава через плоскощелевые головки составля­ет до 200 бар [33, 40]. Головки для нанесения покрытий работают при значительно более низких потерях давления, так как материалы, используемые в качестве покры­тий, имеют более низкую вязкость при температурах переработки [45].

При переработке высоковязких расплавов давление на входе в экструзионную головку может достигать 400 бар [40]. В этих случаях, чтобы головка выдержала воздействие таких высоких давлений, необходимо принимать дополнительные меры предосторожности. Этого можно добиться с помощью рычажных или гидравличе­ских запирающих механизмов [13]. Та же цель может быть достигнута и за счет

использования так называемых моноблочных головок, состоящих из единственного механически стабильного и высокопрочного U-образного блока. В U-образную вы­емку таких головок вставляют готовые планки, содержащие распределительный ка­нал и формующие губки 1401. Предложены и нашли применение головки с изменени­ем направления канала (рис. 5.16) 133,40,55 ]. Изменение направления канала снижает нагрузку на болты крепления, деталей головки (так как давление действует на мень­шую площадь). Кроме того, при существующих нагрузках губки не раздвигаются, а лишь незначительно смещаются друг относительно друга [45].

На рис. 5.15 показаны наиболее часто применяемые типы регулирующих планок. К их числу относится планка, устанавливаемая под углом 45° к направлению течения (рис. 5.15, а). Такие головки обладают значительными преимуществами с точки зре­ния распределения потока. Однако при использовании таких регулирующих планок, как и при применении планки, показанной на рис. 5.15, с, возможно возникновение застойных зон. В таких зонах часто возникают дефекты, например, термическое раз­ложение перерабатываемого материала, а также отложения добавок, наполнителей,

Рис. 5.16. Плоскощелевая экструзионная головка с изогнутым каналом [33]: 1 — диффе­ренциальный винт; 2 — резьбовая втул­ка; 3 — регулируемая губка головки; 4 — нагревательный элемент для обогрева губки; 5 — блок с коллектором; 6 — от­верстие для установки патронного на­гревателя; 7 — регулирующая планка; 8 — блок головки

пигментов и т. д. Именно по этой причине головки, предназначенные для экструзии ПВХ, по возможности, проектируются без применения регулирующих планок.

Настройка регулирующей планки, то есть ее локальный изгиб по ширине головки, осуществляется с помощью вытяжных и нажимных винтов, чередующихся по ширине головки на расстояниях 40-60 мм друг от друга. В некоторых случаях используются дифференциальные нажимно-вытяжные винты или винты, которые при вращении их по часовой или против часовой стрелки перемещают планку вверх или вниз соответ­ственно. Гибкие (локально деформируемые) губки широко применяются для экструзии пленок и покрытий, так как они допускают относительно точную настройку распреде­ления толщины по ширине изделия, не внося при этом заметных возмущений в тече­ние. Более того, такая регулировка возможна только в процессе работы экструзионной машины, что имеет большое значение при использовании перемещаемых губок. В этом случае возможна лишь грубая настройка вследствие трения между губками и корпу­сом головки, а также из-за возможного различия настроек регулирующих винтов [45J.

Головка с еще одной интересной возможностью регулирования распределения расплава показана в центре на рис. 5.15, Ь. В этом случае в нижней части экструзион­ной головки за счет уменьшения толщины стенки области, примыкающей к воздуш­ной полости в корпусе, но всей ширине образуется мембрана. При регулировании толкающих винтов она незначительно деформируется, что позволяет обеспечить до­полнительные возможности по изменению локальных расходов течения.

За мембраной по всей ширине головки проходит поперечная канавка, которая примыкает к верхнему регулируемому элементу головки. Назначение этой канавки состоит в выравнивании давления и, следовательно, выравнивании потоков по ши­рине головки [56, 57].

Регулирование равномерности течения с помощью регулирующих планок и пу­тем настройки губок особенно сложно для широких экструзионных головок, так как в этом случае количество регулирующих винтов довольно велико. 11оэтому правиль­ная настройка головки требует от оператора большого опыта и интуиции.

Поэтому многие широкие плоскощелевые экструзионные головки оборудуются электроуправляемыми настроечными элементами, позволяющими задать требуемый изгиб губок и регулирующих планок. В работах [44, 58, 59] описана конструкция, в состав которой входит автоматическая система закручивания прижимных винтов, управляемая гидравлически и перемещающаяся по рельсовой направляющей к каж­дому из настроечных винтов, управляющих изгибом регулирующей планки. В работе [37] описана широкощелевая экструзионная головка с регулирующей планкой, ло­кальная настройка винтов которой осуществляется небольшими электродвигателя­ми через многоступенчатые редукторы. Помимо автоматической настройки регули­рующих планок были разработаны и некоторые системы автоматической настройки губок. В качестве элементов управления настроечными винтами для регулирования губок также используются электродвигатели [41]. На рис. 5.17 показана наиболее отработанная и широко распространенная конструкция системы управления настрой­кой губок [60,61]. В этой системе гибкая губка управляется терморасширяющимся
болтом, удлинение которого происходит за счет электронагрева. Когда регулирую­щая система нагрева болта отключена, губки могут быть быстро перенастроены путем дополнительного воздушного охлаждения терморасширяемого болта. Эта система успешно применяется для автоматического управления толщиной экструдируемых плоских листов [62, 63].

Рис. 5.17. Плоскощелевая экструзионная головка с терморасширяющими - ся настроечными болтами, ре­гулирующими величину зазора между губками (система фирмы Welex, США) [61 ]: 1 — настро­ечный болт для регулирования планки; 2 — болт для регулиро­вания губок; 3 — нагрев болта; 4 — нагревательный блок

Недавно была продемонстрирована экструзионная головка, в которой в качестве элементов управления настройкой губок использованы пьезоэлектрические преоб­разователи [64]. В зависимости от величины приложенного электрического напря­жения такие пьезоэлектрические преобразователи могут изменять длину настроеч­ного винта от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Время их реакции составляет всего лишь несколько миллисекунд, поэтому на их основе можно создать чрезвычайно быстрые элементы управления [64].

Широкощелевые экструзионные головки обычно нагреваются электрически: либо с помощью патронных элсктронафевателей, размещающихся в корпусе головки, или же с помощью плоских нагревателей, размещаемых на внешней стороне корпуса го­ловки. В стадии экспериментальной эксплуатации находятся индукционные нагрева­тельные системы [ 13]. Для получения максимально равномерного распределения тем­ператур но ширине экструзионной головки иногда применяются тепловые трубки, зарекомендовавшие себя как высокоэффективные теплопроводы 165 ].

При использовании экструзионных головок с массивными губками, а также в случае переработки труднотекучих материалов, в дополнение к стандартным систе­мам для нагревания губок иногда применяют дополнительные нагревательные эле­менты в форме стержней, расположенные в продольном направлении. Избирательно управляемые системы нафева, описанные в работе [67] и испытанные на головке, конструкция которой приведена в работе [37], встретили множество проблем, и по этой причине не получили широкого практического распространения.

Конструирование

Коллектор широкой плоскощелевой экструзионной головки служит для равно­мерного объемного распределения расплава по поперечному сечению канала. Однако в некоторых случаях, например, при производстве листов или пленок, требуется по­следующая за головкой одноосная или двухосная ориентация изделия. В этом случае экструдат на выходе из листовальной головки должен иметь определенный профиль [67,68]. Другое требование к расплаву — наличие относительной однородности рас­пределения деформаций, температуры и времени пребывания в головке. Наконец, желательно, чтобы вышеперечисленные требования соблюдались в широком диапа­зоне рабочих режимов для большинства перерабатываемых материалов.

В последующих разделах будут, прежде всего, рассматриваться аналитические формулы, необходимые для расчета и конструирования коллекторов широких плос­кощелевых экструзионных головок, обеспечивающих равномерное распределение расплава. Также будет описан численный метод, используемый для проектирования стандартного коллектора и коллектора с одинаковыми путями течения.

Преимуществом аналитического расчета коллекторов широких плоскощелевых экструзионных головок является возможность взять за основу желаемое распределе­ние потока, а затем определить потери давления при соответствующем объемном расходе и геометрии канала.

Если в выходном сечении канала широкощелевой экструзионной головки наблю­дается равномерное распределение потока (т. е. имеет место одинаковый объемный расход расплава по всей ширине головки), то сопротивление течению по любым пу­тям движения расплава через головку должно быть одинаковым (рис. 5.18), т. е. и все различные пути, по которым расплав может проходить через коллектор, также будут одинаковыми.

Рис. 5.18.

В то же время это означает, что объемный расход расплава через распределитель­ный канал коллектора от точки входа до конца канала (т. е. по всему поперечному сечению головки) линейно уменьшается до нуля. При использовании координатной системы, показанной на рис. 5.19, эта взаимосвязь может быть сформулирована сле­дующим образом (вследствие симметрии достаточно рассмотреть лишь одну поло­вину головки):

TOC o "1-5" h z v5 = const > (5.7)

(5 = относится к формующей щели)

Vr(x) ~ £ Ч. (5-8)

(R = относится к распределительному каналу)

V0--^, (S.9)

Др(х) = ДpR(x) + Ар^х) = const. (5.10)

Математическая формулировка требования эквивалентности сопротивления те­чению по любым путям по ширине плоскощелевой головки следует из уравнения (5.10):

адр(х) _ Q (5.Ц)

дх

Эти базовые соотношения справедливы для всех проектировочных расчетов, от­носящихся к разработке коллекторов. Кроме того, используются допущения:

• течение является изотермическим, стационарным, ламинарным с полностью сформировавшимся профилем потока;

• расплав представляет собой несжимаемую жидкость (р - const);

• влиянием эффектов, возникающих на входе и выходе из канала, пренебрегают;

• скорость жидкости на стенках канала равна нулю (т. е. расплав прилипает к стенкам канала).

Кроме того, при выводе формул для расчетов используются следующие упроще-

ния:

• коллектор рассматривается в виде трубы или плоской щели;

• высота щели по всей ширине формующего участка постоянна.