Теория и практика экструзии полимеров

ГОЛОВКИ для ПОЛУЧЕНИЯ ЛИСТОВ ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ

Для получения листов из термопластов используются плоско - щелевые экструзионные головки. В конструкциях таких головок особое внимание уделяется равномерной скорости выхода распла­ва полимера по ширине щели (оформляющих губок).

Мо способу подвода расплава к щелевому каналу головки для •и грузин листа можно разделить на два типа: головки, в которых расплав полимера из экструдера поступает непосредственно во •Полную зону щелевого канала, и головки с распределительным

».шалом.

К головкам первого типа относится представленная на рис. 5.5 мшегрукция. В данном случае расширяющаяся входная зона / пе - I»' ходит в выравнивающую полость 2, за которой следует формую - 1М.1Я щель 3.

В щелевых головках второго типа расплав подводится к щели но цилиндрическому или овальному каналу (коллектору), распо - юженному параллельно фронту щели (рис. 5.6). Коллектор при­соединяется к экструдеру одним концом или серединой. Коллек - юрпую головку с центральным питанием можно рассматривать • .ik две головки с половинной шириной щели.

В конструкциях плоскошелевых головок необходимо обеспсчи-

ii. ui. обтекаемую форму рабочих поверхностей и высокую чистоту их обработки, избегать резких переходов от одной поверхности к лругой и «мертвых» зон (застойных пространств), которые могут привести к перегреву и даже к разложению полимера.

Для обеспечения равноскоростного выхода расплава полимера но ширине формующей щели'необходима такая конструкция го­тики, чтобы по всем направлениям течения расплава (от конца шпека до выхода из головки) гидравлическое сопротивление было или маковым.

Вели рассматривать простейшую схему плоскощелевой головки 3 (рис. 5.6), состоящую из распределительного (коллекторного) ка­па la 4, к середине которого подводится поток / расплава полиме­

ра из экструдера, то можно ви­деть разность сопротивлений (длин пути) для элементарных струй расплава полимера, выте-

плава полимера по краям формующей щели складывается ими противления на пути вдоль распределительного канала (коллект ра) и сопротивления в плоскощелевом канале. Вытекающий же им центру головки (в направлении стрелки, рис. 5.6) расплав полиме ра должен преодолеть только сопротивление, образованное плен • кошелевым каналом. Следовательно, при постоянной высоп> щели следует ожидать небольшого сопротивления потоку расти ва в центре головки и, соответственно, большой скорости выхо/М полимера. Разница в линейных скоростях выхода листа 2 термо пласта (рис. 5.6) по ширине головки (искажение профиля скор<н ти по ширине формующей щели показано тремя кривыми по ши рине листа 2) будет наименьшей тогда, когда при незначительном сопротивлении потоку материала в распределительном капа м> будет наблюдаться большое сопротивление оформляющих губок С таким явлением мы сталкиваемся в головках для экструзии плоских пленок. В этом случае основное гидравлическое сопри тивленис оказывают оформляющие губки.

Для выравнивания линейной скорости экструзии применимы следующие способы.

Один способ состоит в том, что для выравнивания гидраили ческого сопротивления температура головки постепенно поаыиы ется, но мере удаления от центра головки к краям щели. Ирм этом, соответственно, уменьшается вязкость расплава, а следом тельно, возрастает скорость выхода расплава по мере увеличении температуры по ширине головки. Однако в этом случае прайм чески очень трудно добиться такого распределения температуры по ширине головки, при котором обеспечивалось бы выравниип ние линейной скорости экструзии по ширине плоской щели. Мм этой причине способ не нашел применения в практике.

Сущность другого способа заключается в том, что подводящему каналу придается такая форма, которая обеспечивала бы равен ство гидравлических сопротивлений на пути от входа в головку ли любой точки щели на выходе. При этом течение массы дроссели руется в средней части поперечного сечения или усиливается по краям щели. Такой принцип выравнивания потока применяется и головках, имеющих выравнивающие зоны (см. рис. 5.5), профиль которых подбирается в ходе производственных испытаний. Боль шим недостатком таких головок является то, что они предназначс ны для переработки определенного полимерного материала, так как при изменении температуры меняются и вязкостные свойства расплава полимера.

Третий способ выравнивания потока дает возможность при способить одну и ту же головку для переработки разных полимер ных материалов и в разных производственных условиях. Этотсио соб заключается в применении для выравнивания регулируемых (управляемых) преград — сопротивлений. Так, в качестве регул и руемых (дросселирующих) преград применяется призматическая

подпорная планка (рис. 5.7).

Принцип действия головки сле - лующий: расплав полимера из мп шндра экструдера / поступа - ■ I и распределительный канал (мшлектор) 2, в котором проис - чнит предварительное вырав­нивание скорости потока по ширине головки. Окончатель­ное выравнивание производится мри помощи упругою призма - пиеского элемента 3, который iipyro деформируется завинчи­ванием регулировочных болтов 6.

11я оформления расплава поли­мера в лист служат сменные губ - I и 4, перемещением верхних иоиовин которых болтами 5 ре - п труется толщина получаемого листа. Тело головки выполнено и виде двух плит 7 и 8, стянутых крепежными болтами.

Регулирование скорости потока по ширине головки достигает - < я ул счет различного прогиба призматического дроссельного эле­мента 3, достигаемого завинчиванием или вывинчиванием регу - 1иро1ючных гаек 6. При этом по оси симметрии головки скорость потока должна быть уменьшена, а по мере удаления к краям щели — увеличена.

Рассмотренная головка имеет следующие недостатки:

1) не удается достичь полного выравнивания скорости выхода но ширине головки;

2) при упругой деформации призматической планки возника - ю| застойные зоны и создается опасность разложения термочув - i жительных материалов;

3) возможно затекание материала между дроссельной заслон - | ой и корпусом головки;

4) при эксплуатации из-за больших усилий, возникающих при сформировании, часто выходят из строя регулировочные винты с пиками.

Для переработки термочувствительных полимеров (например, пол и вин ил хлоридов) недопустимо наличие «мертвых» (застой­ных) зон. Поэтому для их переработки применяют плоскошелсвые тловки, в которых отсутствуют застойные зоны. К таким конст­рукциям относятся головки типа «рыбий хвост» (рис. 5.8), в кото­рых расплав полимера 4 из экструдера поступает в распредели - юльный канал /. При этом распределительному каналу придается мкая форма сечения, что на входе площадь сечения b больше, чем и ющадь сечения а на краю щелевого канала. Благодаря тому, что I шна щелевого канала на участке неподвижного сопротивления в
виде «рыбьего хвоста» 2 по цен фу головки, при одинаковой высоте м зора, больше, чем на концах рас пределительного канала /, обесиг чивается одинаковая скорость экс г рузии по ширине головки. Губки обеспечивают более тонкую pciy лировку скорости потока.

_ _ _ . Рассмотрим различные методы

Рис. 5.8. Профиль подводи щи ка - пягчрта п лпгкгпшрлрных mnnivw mn налов в головке зипа «рыбий хвост* Рлс 1ета ПЛОСКОШСЛСВЫХ 1 ОЛОВОК ран

ного сопротивления.

Метод изменения длины оформлм ющих губок. Для расчета млоскощслевых головок необходимо го*| ное знание закономерности истечения расплавов полимеров черв эти головки. Однако для иеныотоновских жидкостей в настоями, время количественному анализу поддается лишь одномерный но - ток, имеющий место только в цилиндрических каналах и в шюс*_ ких щелях бесконечной ширины. Доказано |2|, что если ширимГ щели не менее чем в 13 раз больше се высоты, то поток через i. i кую щель можно считать одномерным. Так как в применяющим при производстве листов из термопластов илоскошелевых голом ках отношение ширины щели к ее высоте намного превышает число 13, то при выводе расчетных уравнений поток через эти го ловки можно рассматривать как одномерный.

При проектировании и расчете плоскощелевых головок наибо­лее трудной является задача выравнивания скорости выхода экст* рудата по ширине головки. В таких головках скорость выхода эк струдата по центру выше, чем по краям, а так как экструдат отби рается с одинаковой линейной скоростью по ширине головки, го лист в середине получается толще, чем па краях. Принимая поток через плоскошелевыс экструзионные головки одномерным, мож­но вывести уравнения, позволяющие рассчитать точный профили подводяшего канала, обеспечивающий равенство гидравлических

сопротивлении во всех направлениях, от зоны питания головки (входа в головку) до выходной щели. При выводе основных уран нений для расчета и проектирования плоскошелсвых экструзион­ных головок равного сопротивления расплав полимера рассматри­вается |2| как жидкость, подчиняющаяся степенному закону вида

Y = <n*.

Тогда поток через плоскую щель выразится уравнением:

aUikt2pk

°° ~ 2к**(к + 2)1к ’ <5'2>

где а и к — реологические константы; рк — давление на входе в головку; — высота шелн; L — ширина щели, т. е. листа (измеряется в направлении потока че*

mi ко мсктор); / — длина оформляющих гу - <«•> <и «меряется в направлении потока через

1Н> о-)

II < уравнения (5.2) находим вы­селение для длины оформляющих 1уСшк:

aLhk+2

/ =

2*+,(* + 2)&

II 5 последнего выражения ВИДНО, Рис. 5.9. К расчет) плоскошелевой •ПО если длина щели (губок) про - головки равного сопротивления

иорциональна давлению расплава

полимера во всех точках по длине головки, то могут быть получе­ны совершенно одинаковые скорости экструзии по ширине голов - • и )то означает, что производительность на единицу ширины го­мики постоянна, т. е. d Go/d г (z — координата, совпадающая с и» ню коллектора) становится равной QJL (рис. 5.9). Необходимо (миги уравнение, связывающее длину губок / с координатой z, н. травленной вдоль оси коллектора головки. Из этого уравнения можно было бы получить таблицу величин, связанных зависимо - М1.Ю / = f(z), которая необходима для проектирования головки С итого сопротивления. Совместное рассмотрение потока через иылектор / и плоскую щель 2 и предположение об одинаковой I к прости экструзии по ширине головки приводят к дифференци - .1 п. ному уравнению следующего вида |2|:

(А. + 3)/;

(5.4)

Уравнение (5.5) показывает изменение длины губок в зависи­мости от координаты z>

Для проектирования плоскошелсвых экструзионных головок р. ишого сопротивления методом изменения длины оформляющих 1и>ок можно рекомендовать следующий порядок расчета:

1) задаемся геометрическими размерами коллектора, лаилснн ем расплава полимера в зоне питания р0 и производительноец. и» экструдера Q

2) при известных реологических коэффициентах по уравнена (5.3) находим значение длины губок в зоне питания /,;

3) подставляя н уравнение (5.5) возрастающие значения ^ находим значения длины губок / в произвольных точклч (рис. 5.9).

Метод изменения высоты щели. Практически только регул при вание высоты щели И является наиболее простым средством ;н| достижения равномерного выхода экструдата (листа) по ширин* головки, особенно для существующих головок. В таких случит необходимо точное знание того, какая регулировка высоты щом необходима для достижения равномерной по ширине листа im i рузии.

Предполагая, что упругие эффекты отсутствуют, можно лети вывести уравнение для расчета такого соотношения высот щели и центре и в произвольных сечениях но ширине головки, котор'* обеспечило бы равенство гидравлических сопротивлений для нет элементарных струек расплава полимера. Представим для лот коллекторную плоскощелевую головку как круглую трубу, открм тую с одного и закрытую с другого конца, с продольной щелью ни всей трубе (рис. 5.7 и 5.9). Допустим, что начало координат начо дится в бесконечности |2|. Этим самым мы как бы исключаем ill рассмотрения влияние боковых стенок подводящего канала, ftu сматривая течение расплава полимера через такую головку (рис. 5‘Й |2), находим, что элементарный поток в губках (в данной точки ширины головки) равен:

az)ik+2pk

д~(к + 2)2к*Чк' (5ft|

Предположим, что поток в головке выровнен, т. е. элементпр ные потоки q в каждом сечении по ширине головки равны л pvt другу. Тогда q = const и <J<//cU = 0.

Дифференцированием уравнения (5.6) получим:

dz d/j*+2 dp* .

7+^г+Х=°- <**

Принимаем следующие граничные условия: на глухом кони* ГОЛОВКИ z — Z = °° h = h w р =рна входе в головку (в зоне питп

ния) z = Z + L h = Л0; р — р0. После интегрирования последнем!

уравнения в указанных пределах и преобразования с учетом, чш = *», получим: ^

(R

Iочно такое же выражение можно получить из равенства эле - to тарных потоков через центр и края головки при равномерной <»( ф ши. Однако уравнения (5.8) сше недостаточно для проекти-

1- .И.1ПИЯ плоскошелевых головок равного сопротивления методом вменения высоты щели. Для расчета высоты щели /», в произ-

сечениях по ширине головки (длине коллектора) необхо-

•И'н» шанис закономерности падения давления по длине коллек­ции. г. е. знание величины Р/р0 в уравнении (5.8). Очевидно, что, пт. Iлнляя вместо р давление р, в произвольной точке z длины

ектора, по уравнению (5.8) можно найти высоту щели hz в

ниц же точке. Для расчета давления в коллекторе рассмотрим по - м»* расплава полимера.

При одинаковой скорости экструзии по ширине головки поток м> I лекторе выразится следующим образом:

(5.9)

<<• О.. - обший поток через головку (производительность); QJL — поток на ели - мн1ц нииы коллектора.

i. i начало координат принимаем глухой конец коллектора го - •пики (рис. 5.9). С другой стороны, поток через коллектор (через. рм 1ый канал) головки равен |2|:

(5.10)

( овместным решением уравнени»! (5.9) и (5.10) находим, что

Для решения уравнения (5.11) принимаем следующие гранич­ные условия: в произвольной точке г давление равно pz, а на входе п коллектор z ~ L; р = р0. В результате интегрирования уравнения (N II) в указанных пределах и соответствующего преобразования

жнучим:

(5.12)

Подставляя в уравнение (5.12) значения z от 0 до L, можно ниИ ти соответствующие им величины давления Р.. При z = 0, т. е. и глухом конце коллектора, формула (5.12) принимает вид:

«

Р- Ро~ ML * Ql. (5'

Из уравнений (5.12) и (5.13) видно, что закономерность изм| нения давления но длине коллектора головки не зависит от ра «мо ров подводящего канала и дросселирующих устройств на нуги расплава полимера. Влияние последних будет сказываться только на величинах давлений р., р0 и р. С другой стороны, в выражение для коэффициента М входит реологическая константа полимера <», зависящая от температуры переработки |5|. Это означает, что при изменении температуры переработки будет иная закономерной!, изменения давления по длине коллектора. Зная закономерное!!, изменения давления по длине коллектора, можно перейти к про ектированию плоскощелевой головки равного сопротивления м# годом изменения высоты щели. Проектирование плоскощелевы» головок равного сопротивления указанным методом следует вес iи по следующей схеме:

1. При постоянной длине оформляющих губок / = /, = const 11.1 ходим высоту щели в зоне питания. Из уравнения (5.2) можно лп* ко найти зависимость давления от высоты щели:

*

к+2 А *

Ро-

2*+|(А + 2)0/

2. Определяем отношение давления в произвольной точке ко/t лектора р: к давлению ра на входе в головку. Уравнение для расчс та Рх/Ро находим из формулы (5.12), разделив дзя этого обе ее чт ти на р0. Тогда имеем:

Подставляя в последнее выражение возрастающие значении (, получим соответствующие им значения pJpQ.

3. При известных значениях p. Jp0 и реологической константы А из уравнения (5.18) находим высоту щели в соответствующей точ ке z• Давление на входе в головку обычно задается проектировшм ком или легко рассчитыв;1стся совместным решением уравнении производительности экструдера и расхода через экструзионнум головку |2).

Расчет треугольных плоскошелевых головок равного сопротннлг ния. При расчете треугольных плоскошелевых головок равного со

нм* />„ — давление на вхоле в головку; а — половина угла раскрытия треугольного nut Iка головки.

При изотермическом процессе а0 = а = а.

/(опустим, что головка обеспечивает равномерный выход экст­рулата по всей ширине головки В.

Тогда поток на единицу ширины головки будет величиной по - • тинной, т. е.

Яо = Я = Я,-

При совместном решении уравнений (5.16) и (5.17) получим i к*дуюшее выражение:

п. I0+ L — длина шелсвого канала вдоль оси симметрии (рис. 5.10); cos а + /. — • шна шелсвого канала по краям головкн; А0, А| — высота шелсвого канала вдоль ■.и симметрии и на краю головки соответственно.

При заданной высоте щели вдоль оси симметрии И0 и данных и-омстричсских размерах головки можно легко найти такую высо - |у щели на краю головки, при которой обеспечивается равномер­ный выход экструдата по ширине головки. Подставляя в уравне­ние (5.18) /о/cos а, вместо IJ cosa, мы получим высоту щели /»; в направлении произвольных лучей, проведенных под углом at от­носительно оси симметрии.