ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

Охлаждаемые головки, процесс производства сплошных стержней

Массивные профили, например, сплошные стержни до 0500 мм и толстые пласти­ны (плиты) производят с помощью охлаждаемых головок.

Оснастка для этого процесса представляет собой экструзионную головку, состоя­щую из зоны расплава и интенсивно охлаждаемой калибрующей секции, соединен­ной с первой частью непосредственно (без зазора) (рис. 11.27). При такой компонов­ке следует обеспечить жесткое и надежное соединение головки и калибратора и хорошую теплоизоляцию между нагреваемой и охлаждаемой частью.

Из зоны расплава экструзионной головки расплав по каналу относительно не­большого диаметра (независимо от геометрии конечного изделия [13]) поступает через расширяющийся конус (с углом до 45°) к охлаждаемой части головки. В ней поверхностный слой экструдата охлаждается и затвердевает; по мере перемещения в направлении экструзии толщина затвердевшего слоя возрастает.

Внутри экструдированного стержня находится расплавленное ядро, имеющее форму конуса или клина, длина которых на участке калибрования может быть доста­точно большой.

Рабочие режимы экструдера и скорость охлаждения стержня в калибраторе дол­жны быть взаимоувязаны так, чтобы давление на всей длине расплавленного конуса было достаточно высоким для предотвращения возникновения в стержне пустот вследствие термической усадки затвердеваемого полимера [48]. Эти высокие давле­ния в расплаве (порядка 100 бар) приводят к возникновению на границе раздела между калибратором и экструдатом высоких нормальных сил и соответственно сил трения. Силы трения можно уменьшить за счет обработки поверхности калибратора с высокой чистотой, используя смазку (например, масло), или путем нанесения по­верхностного покрытия (например, ПТФЭ) [3, 49]. С другой стороны, давление

расплава способствует стабилизации условий продвижения охлаждаемого стержня через калибратор с заданными размерами.

В зависимости от соотношения между площадью поперечного сечения профиля и поверхностью контакта экструдата с калибратором, по которой действуют силы тре­ния, может потребоваться замедлить движение профиля, вместо того чтобы ускорять его вытяжкой; особенно это бывает необходимо при экструзии стержней большого диаметра и толстых плит.

Для этого применяют специальные тянущие устройства (главным образом трако - вые) с регулируемой линейной скоростью отвода профилей. Приводы этих тянущих устройств должны иметь регулируемую электрическую характеристику в зависимо­сти от возникающей при экструзии нагрузки на привод.

Другим способом воздействия на экструдат в зоне выхода стержня из калибрато­ра является применение специальных тормозящих устройств, позволяющих регули­ровать давление на экструдат и, соответственно, силу трения (см. также разделы, посвященные калиброванию трением).

Охлаждение экструдата происходит в основном в два этапа. Длина участка ка­либрования при конструировании выбирается, но возможности, минимальной, но достаточной для образования толщины затвердевшего слоя, способного противосто­ять внутреннему давлению и тяговому усилию. За калибратором обычно устанавли­вают ванну для последующего охлаждения массивного профиля, в которой он охлаж­дается водой погружением или разбрызгиванием из форсунок. Иногда в ванне применяют роликовую поддержку для профиля [49].

Пример затвердевания массивного профиля из ПП высотой 95 мм по длине ка­либратора показан на рис. 11.28. На расстоянии 800 мм от входа в калибратор толщина

затвердевшего слоя достигает значения 10 мм, что достаточно для контактного ка­либрования и охлаждения, и остальное охлаждение профиля можно продолжить в водяной ванне [27].

Профили температур в различных точках экструдата в зависимости от времени охлаждения для участков калибрования и охлаждения погружением в водяную ван­ну показаны на рис. 11.29. Процесс калибрования в данном случае заканчивается че­рез 1600 с (скорость отвода составляет 0,03 м/мин). Из приведенных данных видно, что наиболее близкие к поверхности слои экструдата (точки У и 5) несколько снова нагревается при входе в водяную ванну. Это может быть объяснено меньшей интен­сивностью процесса теплоотдачи на входе в охлаждающую ванну.

Примерно через 6200 с наиболее медленно охлаждающаяся область экструдата (точка 4) достигает температуры 50 °С, что соответствует длине водяной ванны 2,3 м.

Поскольку в калибраторе возникает высокое давление, следует обращать внима­ние на достаточную его механическую устойчивость; особенно это касается располо­жения каналов охлаждения.

Из-за очень медленных скоростей охлаждения сплошных массивных стержней для их производства используют небольшие экструдеры (с диаметром шнека 30- 45 мм) [4,51 ], иногда оснащаемые многоручьевыми головками. Скорости экструзии, например, при изготовлении сплошного стержня 060 мм из полиамида составляют 2,5 м/ч, а 0200 мм — примерно 0,5 м/ч [51].

Остаточные напряжения, возникающие в процессе охлаждения экструдата, ока­зывают негативное влияние на его свойства, особенно если он подвергается механи­ческой обработке (происходит искривление детали). Поэтому такие профили перед обработкой подвергают отжигу.

Обозначения

[1] То же относится к экструзии формоустойчивых высоковязких расплавов термопластов (напри­мер, пластифицированного Г1ВХ), к которым не применяют калибрование экструдата в обычном понимании этого термина вследствие высокой адгезии расплава к металлу калибрующего устрой­ства. — Примеч. науч. ред.

[2] Огрубление поверхности, искажение формы струи и др. виды эластической турбулентности, кото­рые называют иногда разрушением потока расплава. — Примеч. науч. ред.

[3] Чтобы при малой производительности обеспечить продолжительное время охлаждения. — При­меч. науч. ред.

[4] С учетом технологичности конструкции профиля по согласованию с заказчиком. — Примеч. науч. ред.

[5] См. выше типы головок. — Примеч. науч. ред.

[6]

Выполнив подстановку & = ф ип=^, получаем обычное представление функ­ции вязкости:

г| = & • у” ~ 1. (2.8)

Коэффициент k называется показателем консистенции. Он представляет собой вязкостьпри скорости сдвига, равной у= 1 с-1. Для ньютоновских жидкостей индекс течения п равен 1, а для большинства полимеров его значение лежит в диапазоне между 0,7 и 0,2. Этот показатель представляет собой наклон кривой вязкости в на­блюдаемом диапазоне.

С математической точки зрения степенной закон очень прост: он позволяет ана­литически решать практически все несложные проблемы течений, имеющие решения для ньютоновских жидкостей (см. главу 3). Недостаток степенного закона заключа­ется в том, что когда скорость сдвига уменьшается до нуля, значение вязкости обра­щается в бесконечность. Вследствие этого независимый от скорости сдвига участок ньютоновского поведения жидкости становится невозможно изобразить на графике. Еще одним его недостатком является вхождение степенного показателя т в размер­ность текучести.

В общем случае степенной закон может использоваться для представления реоло­гической кривой или кривой вязкости с приемлемой точностью только в некотором

' Более подробно этот раздел описан в справочном пособии Калипчсва Э. Л., Саковцевой М. Б.

Свойства и переработка термопластов. — Л.: Химия, 1983. — 288 с. — Примеч. науч. ред.

[9] Ограничение при выборе временного интервала, при котором можно принять постоянными значе­ния коэффициентов С, и С2 в уравнении (2.41), не случайно. Действительно, релаксационные процессы в большинстве случаев не описываются одной экспоненциальной функцией с постоян­ным коэффициентом степени, а представляют собой сумму экспоненциальных процессов, в преде­лах которых коэффициенты функций можно принять постоянными. Это показано в книге «Релак­сационные явления в полимерах» под ред. д. х. п. Г. М. Бартенева и д. ф.-м. н. Ю. В. Зелснсва. — Л.: Химия, Изд. 1972. — 376 с. — для твердых полимеров, и в работах: Володин В. П., Сафулин Д. М. Определение высокоэластической деформации при течении расплава полимера в каналах экстру­зионной головки // Пластич. массы. — 1983. — X» 3. — С. 31-34; Володин В. П., Афанасьева Н. Б. Релаксация давления в экструзионной головке при прекращении течения расплава полимера // Пластич. массы. — 1988 — № 2 — С. 28-30 — для расплавов полимеров. — Примеч. науч. ред.

[10] К внешним силам относят силы, действующие на расстоянии, например, гравитационные, электро­статические, магнитные. Мак-Келви Д. М. Переработка полимеров / Пер. с англ. — М.: Химия, 1965. — 442 с. — Примеч. науч. ред.

[11] Согласно второму закону Ньютона — Примеч. науч. ред.

[12] Предполагается, что самая простая фильера для изготовления профильных изделий, как правило, состоит минимум из двух параллельных участков, соединяемых между собой произвольным об­разом — боковыми гранями, в углах, иод углом и т. д. — Примеч. науч. ред.

[13] Далее автором эта тема не развивается. Между тем из сопромата хорошо известно, что в упругой области поперечные главные деформации связаны с продольной через коэффициент Пуассона, где эта величина постоянная для конкретных типов материалов. Для анизотропных материалов или состояний проявлении анизотропии главных деформаций уместно говорить не о коэффици­енте Пуассона, а коэффициентах поперечной деформации, которые применимы для области пла­стической деформации и переходных областей. Этими коэффициентами широко пользуются в теории и практике обработки металлов давлением. Почему бы не воспользоваться ими и при описании деформационных процессов для полимерных материалов? Тем более что давно извест­ная проблема расчета размеров формующих каналов в зависимости от свойств перерабатывае­мых материалов и режимов их переработки до настоящего времени во многих случаях решается эмпирически на основе полученных разными исследователями практических соотношений. Эта тема была разработана редактором этой книги в диссертации «Исследование процесса формова­ния профильных изделий при экструзии термопластов» (Москва, 1975 г., МХТИ им. Менделе­ева) и последующих работах автора, перечень которых приведен в книге «Экструзия профиль­ных изделий из термопластов» (СПб.: Профессия, 2005. — 480 с.) — Примеч. науч. ред.

[14] На рис. 4.27 не указана ширина прямоугольной щели. Даже если щель очень широкая, то разбуха­ние экструдата все равно имеет объемный характер, т. с. но ширине и толщине. В некоторых частных случаях разбухание по ширине может отсутствовать, т. е. ширина экструдата равна ши­рине щели, а в некоторых и меньше 1, т. е наблюдается сужение по ширине. Такая ситуация наблюдается, например, для некоторых марок поливинилхлоридных иластикатов. Результаты этих работ опубликованы — см. предыдущее примечание. Поэтому корреляцию следует искать не между одним из коэффициентов разбухания (например, но определяющему размеру) и средней обратимой деформацией, определенной расчетом, а между коэффициентом разбухания но площа­ди поперечного сечения и обратимой деформацией. Это очевидно из приведенного ранее выраже­ния (4.64) и формулирования условия постоянства массового расхода для любого сечения на пути формования профиля. Возможно, корреляция в этом случае может быть более точной. Поскольку кроме растяжения, сдвига и перестройки профиля скоростей на качественное прояв­ление разбухания больше ничего не влияет, то линии корреляции для интегрального разбухания и суммарной обратимой деформации связаны только через коэффициент пересчета. А перестрой­ка профиля учитывается в расчете обратимой деформации и при физическом измерении коэффи­циента разбухания но площади поперечного сечения. Аналогичная ситуация наблюдается для разбухания экструдата трубчатого сечения — по толщине стенки и среднему диаметру. — Примеч. иауч. ред.

[15] Экструзионная головка представляет собой многосвязный канал, состоящий из каналов различ ной геометрической формы и размеров — Примеч. науч. ред.

[16] В отечественной литературе объемная производительность процесса течения чаще обозначается латинской буквой Q. — Примеч. науч. ред.

[17] См. книгу Бояринов А. И., Кафаров В. В. Методы оптимизации в химической технологии. — М: Химия, 1969. — 564 с. — Прим. ред.

[18]R<

(5.17)

[19] Расход устойчивых утечек это частное от деления расхода расплава, поступающего в спиральные каналы на длину спирали. Его можно также назвать расходом на единицу длины спирали. — Примеч. науч. ред.

[20] Классификация профилей, приведенная на рис. 5.74 и в 1145, 146|, представляется более обосно­ванной, поскольку она увязана с технологической схемой производства, более понятна и более детально проработана. Такая же классификация профилей приведена в книге: В. П. Володин Экструзия профильных изделий из термопластов. — СПб.: Профессия, 2005. — 460 с. — Примеч. науч. ред.

[21] Кроме угловых головок для производства профилей с сердечником. — Примеч. науч. ред.

[22] Соотношения между разбуханиями но ширине, толщине и площади поперечного сечения были получены в кандидатской диссертации редактора этой книги: Володин В. П. Исследование процес­са деформирования профильных изделий при экструзии термопластов. — МХТИ им. Д. И.Менде - лева, 1975, и в последующих работах автора. Некоторые результаты работ приведены в книге Володин В. П. Экструзия профильных изделий из термопластов. — СПб.: Профессия, 2005. — 460 с. — Примеч. науч. ред.

[23] В действительности линейные усадки в направлении течения и в поперечных направлениях нео­динаковы и зависят от степени ориентации расплава. Более подробную информацию о распреде­лении линейных термических усадок можно найти в некоторых работах по литыо под давлением различных термопластов. — Примеч. науч. ред.

[24] Если позволяет форма сечения профиля. — Примеч. науч. ред.

[25] Потери давления в зоне входа в щелевой канал. Рассматривать потери давления только для формующего канала некорректно. Любую фильеру можно представить состоящей из 2-3-х по­следовательных каналов и из N параллельных участков, для которых и должна определяться полная потеря давления. Сложность состоит в выборе правильной геометрии зоны входа и расче­та потерь давления на этом участке. Зато такой метод позволяет проводить расчеты с помощью электронных таблиц, что наглядно показывает влияние геометрических размеров отдельных уча­стков на суммарные потери давления. — Примеч. науч. ред.

[26] В России второй этап процесса получения армированных шлангов чаше проводят с помощью нанесения клея па волокна, который легче контролировать и который не требует оборудования для кратковременного интенсивного поверхностного нагрева внутренней камеры. В качестве еще одного примера применения третьего метода армирования можно привести производство так называемых металло-пластмассовых профилей. Оно заключается в следующем. Металлическую ленту подходящей ширимы, толщины и с необходимыми упругими свойствами предварительно обезжиривают, перфорируют в виде фигурных прорезей и пропускают через угловую головку экструдера, где па нее наносится слой полимера. Прорези способствуют взаимному проникновению расплава с обеих сторон и образованию апкерующих связей. Далее плоская лента с покрытием поступает в специальный формообразующий станок (обычно устанавливаемый вне экструзионной линии из-за его высокой производительности), где ленте придается необходимая форма. Подобный процесс давно существует на Узловском заводе пластмасс в Тульской обл. Болес подробно о про­изводстве металло-пластмассовых профилей см.: Володин В. П. Экструзия профильных изделий из термопластов. — СПб.: Профессия, 2005. — 460 с. — Примеч. иауч. ред.

[27] При современном уровне развития вычислительной техники уместнее говорить не о программи­руемом калькуляторе, а о карманном компьютере или любом другом тине компьютера с программ­ным обеспечением в виде электронных таблиц. — Примеч. науч. ред.

[28] Здесь автор снова не провел корректировку текста в соответствии с современным состоянием компьютерной техники, для которой подобные замечания, справедливые для первого издания книги, уже не актуальны. — Примеч. науч. ред.

[29] Имеется в виду расплав-металл. — Примеч. науч. ред.

[30] Программа Polyfloiv американской фирмы Fluent предоставляет возможность расчета и анализа многослойных течений вязкоупругих жидкостей с предсказанием границы раздела между слоя­ми. — Примеч. науч. ред.

[31] По-видимому, имеется в виду и нестационарные течения, зависящие от времени. — Примеч. туч. ред.

[32] Это утверждение было справедливо для первого и в значительной мерс для второго издания книги. В настоящее время на современных персональных компьютерах выполняются не менее сложные и громоздкие вычисления. В крайнем случае, если вычислительных мощностей не хва­тает, есть возможность объединения ПК в сеть. См.: Володин В. П. Программы компьютерного анализа для проектирования и оценки работоспособности экструзионных головок // Пластике. — 2006. — № 5. — С. 50-57. Совместное решение реологических и термодинамических уравнений возможно и на современной компьютерной технике, но математическая связь этих процессов достаточно сложная и громоздкая. Скорее всего, именно поэтому и принимается независимое рассмотрение тепловых и реологических процессов. — Примеч. науч. ред.

[33] Ничего не сказано о возможности применения для очистки головок консервирующих смесей на основе ПВХ с повышенным содержанием стабилизаторов и наполнителей, широко применяемых в цехах по переработке ПВХ и других термопластов с относительно невысокой температурой переработки, а также специальных композиций и паст, которых много появилось за последние годы. — Примеч. науч. ред.

[34] И других резииоподобных материалов. — Примеч. науч. ред.

[35] Были случаи обрыва троса и вылета пробки из трубы, что небезопасно для работников. — При­меч. науч. ред.

[36] Слишком старая ссылка. За прошедшие 37 лет скорости экструзии возросли. — Примеч. науч. ред.

[37] Они не получили распространения, поскольку из-за быстрого нагрева внутреннего калибрующе­го дорна расплав начинал прилипать к калибратору, и процесс приходилось останавливать. Примеч. науч. ред.