Теория и практика экструзии полимеров

ГОЛОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТРУБ, ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК И РУКАВНЫХ ПЛЕНОК

Различают прямоточные и угловые головки для получении труб, трубчатых заготовок и рукавных пленок.

В прямоточных головках ось формующего инструмента совпала ст с осыо шнека, а в угловых — наклонена относительно оси шнеки под определенным углом (чаще всего этот угол составляет 90°).

Прямоточные головки применяются для получения труб и трубчатых заготовок для последующего раздувания с целью полу чения объемных изделий или рукавных пленок.

Угловые головки нашли применение в производстве рукаbiini пленок, для наложения изоляции из полимерных материалов ii. i провод, а также для получения объемных изделий экструзией е раздувом. Они могут применяться и для получения плоских плс мок и листов для последующего их использования при дубли роил нии с другими материалами.

На рис. 5.11, а показана прямоточная головка для получении трубчатой заготовки. Основным конструктивным элементом се я пли стся разъемный корпус 10с дорнодержателем 9, двумя переходными коническими участками со сменным мундштуком 6, который можс1 радиально перемещаться с помощью болтов 5для регулирования ж сцентриситета между мундштуком 6 и дорном 7. После регулирош ния зазора мундштук б фиксируется фланцем 12 при помощи kjh’ нежных болтов (на рис. 5.11 не показаны). Дорн 7кренится к дорно держателю 9 с помощью наконечника 3, имеющего обтекаемую форму для уменьшения гидравлического сопротивления и ликвида ции застойных зон. Головка в собранном виде с помощью резьбо­вого наконечника / крепится к фланцу материального цилиндра эк струдера. Необходимая температура головки обеспечивается элект­ронагревателями 2, а сжатый воздух, необходимый для калибровки грубы, подается во внутреннюю полость трубчатой заготовки черо штуцер 4. При прохождении через дорнодержатель расплав полимс ра рассекается на несколько потоков, число которых равно числу проходных отверстий. Для получения качественных изделий необ­ходимо обеспечить на пути от дорнодержатсля до выхода из голов ки хорошее спаивание отдельных потоков. Это обеспечивается тем, что проходное сечение от дорна к оформляющему зазору резко уменьшается (отношение площадей живого сечения канала непос­редственно за дорном и оформляющей щели называется степенью сжатия). Как правило, на участке от дорнодержатсля 9 до цилин­дрического участка Sплощадь сечения уменьшается в 5—6 раз.

На рис. 5.11, б и в показана конфигурация продольного сече­ния заготовки //. При равномерной по периметру кольцевого за­зора линейной скорости экструзии толщина стенки трубчатой за готовки одинакова в любом продольном сечении (рис. 5.11, б). На рис. 5.11, в показано продольное сечение трубчатой заготовки, ог-
и м видно, что в нижней части наблюдается увеличение толщины к ики заготовки, а сама заготовка искривляется вверх. Это озна - м. I. что снизу толщина кольцевого зазора больше, чем сверху. < и - (с гвисм такого положения является резкое уменьшение гид - (мниического сопротивления и. следовательно, увеличение линей- поп скорости экструзии. Это приводит к уменьшению времени пребывания части полимера, т. е. уменьшению времени релакса­ции напряжений и увеличению степени разбухания экструдата. Г - iv inpoBKa кольцевого зазора на участке выравнивания 8 осуще - I in шется регулировочными болтами 5, расположенными по пери - чсфу фланца 12.

Из рис. 5.11 видно, что конструкции головок, формующих тру­пы (трубчатые заготовки) и шланги, отличаются конструкцией inpna, образующего линии спая на заготовке или изделии. Каче - ■ ии» получаемой заготовки или изделия в значительной степени мпнеит от рационального крепления дорна к корпусу головки.

(орн крепится к корпусу головки специальными дорнодержате - |»1ми. Дорнодержатель рассекает общий поток расплава на несколь - м» потоков, которые, соеди­няясь затем вновь, образуют продольные швы на заготовке и изделии. Швы неизбежно в к>и или иной степени снижа - кч прочность изделия, а иногда даже бывают заметны па его поверхности («линии шля»). Поэтому конструкции юрн оде ржател я 11 ря моточ - ной головки уделяется особое внимание.

Обычно дорнодержатель представляет собой деталь, юстояшую из симметрично расположенных радиаль­ных ребер (рис. 5.12, а) или и i перфорированного коль­ца, закрепляемого в корпу - гс специальной гайкой (рис. 5.12, б). Однако способ крепления дорна, показанный

Гис. 5.11. Прямоточная головка для ни |учсния трубчатой заготонки:

а — конструкция прямоточной ' рубной головки; б — идеально работа - мщая головка; в — искажение трубчатой ■ ■готовки II при неравномерной экст-

ТИП

Рис. 5.12. Различные типы дорнодержателсй:

а — с радиальными ребрами; б — с перфориршшшым кольцом; в — с тангенциально закрученными ребрами

на рис. 5.12 а, б, не исключает образовании продольных швов (ти* называемый «секторный эффект*). Эти швы снижают качество го* товых изделий. Поэтому был предложен дорнодсржатсль, у которо го образующиеся из-за наличия ребер поверхности раздела потоки расположены не радиально, а тангенциально между дорном и кор пусом (рис. 5.12, в). Указанный дорнодержатель также приводи! ► разделению потока, но благодаря тангенциальному расположении» ребер линии спая будут располагаться концентрическими слоями на трубчатой заготовке, существенно не снижая прочностные и кп чествснныс показатели изделия.

Другой распространенный метод крепления дорна — соединс ние непосредственно с корпусом головки. В этом случае ось мунл штука оказывается под углом к оси шнека (обычно пол прямым углом). Такое расположение мундштука часто определяется обще!! компоновкой экструзионного агрегата (например, для выпуски экструдата вниз с последующим раздуванием в полос изделие).

Для устранения швов часто применяется метод поджатия рас» плава, заключающийся в предварительном сужении и последую тем расширении потока расплава после дорнодержатсля.

На рис. 5.13 показан способ предотвращения образования про дольных швов на изделии. На дорне / выполнена правая многоза ходная винтовая нарезка, и на том же участке внутренней стенки корпуса 2 — левая многозаходная винтовая нарезка. При этом между выступами обеих нарезок имеется цилиндрический зазор, Когда расплав полимера после дорнодержателя поступает в виде рукава с продольными швами и полосами в эту зону, то внутрсн

inn* слои его подвергаются правому вращению, а наружные ле momv. При этом средний слой рукава продолжает течение в перво­начальном прямом направлении. Практическая проверка этого способа показала, что происходит полное сглаживание продоль­ных швов и полос на изделии.

И угловых экструзионных головках поток расплавленного поли­мера, поступающий из винтового канала шнека в формующий ин - • |румснт, должен быть повернут перпендикулярно оси шнека, при­чем в конце поворота он должен вновь стать круговым, полностью шмметричным по отношению к новой оси. При этом давление, •»«»|>ость течения, температура и вязкость расплава полимера после поворота, т. е. перед выходной щелыо формующего инструмента, не и• 1жны иметь каких-либо азимутальных неравномерностей.

Следует учитывать, что всякое изменение направления потока массы, растянутого в поперечной плоскости, обязательно приво - IIII к различной длине пути отдельных струй.

На рис. 5.13, в, г показано, как изменяется длина пути при из­менении направления потока расплава полимера. Отношение предельного изменения длины пути к средней длине прямо про­порционально обратной величине среднего радиуса кривизны и иг ывисит от угла поворота (рис. 5.13, г):

I и' г — радиус средней дуги; ф — угол поворота; I — длина средней дуги; а — тол­щина канала; А/ — разность длин дуги.

/1-/1 (увеличен)

Расплав

г

Тис. 5.13. Схема потока расплава полимера н трубной головке:

а — головка с подпорными зонами; 6 — головка с винтовыми нарезками; в — схема пово - |ииа потока расплава полимера в угловых головках; г — к расчету участка поворота в угловых

иыпвках

Указанные различия в „глине пути потока расплава клияин и» давление, температуру и вязкость полимера. Если не предусмш рсть специальных мер, то после прохождения поворота моиич иметь место неравномерность соответствующих характерна ми расплава полимера в плоскости, перпендикулярной к наирам и нию ее движения. Это вызывается тем, что давление на выходном конце внутренней дуги поворота оказывается всегда больше, чеЦ на выходном конце внешней дуги.

В результате такого различия в давлении экструдируемое и пр лие или будет искривляться (рис. 5.11, а), или будет иметь бон. шую толщину стенки со стороны дуги поворота.

Поскольку по конструктивным соображениям длину внешней дуги практически нельзя сделать меньше некоторой величины, стали искусственно удлинять внутреннюю лугу и все лежашмо между кратными дугами пути до размеров внешней дуги. Известии несколько конструкций угловых головок с подобными решениями проблемы выравнивания скорости по периметру выходной mean На рис. 5.14 представлена угловая головка для получения трус» чагой заготовки для последующего ее раздува в объемное изделие В указанной головке подбором геометрии дорна 3 и втулки 8дое тигается примерное равенство длин пути расплава полимера пи внешней и внутренней дугам. Окончательное выравнивание ско рости потока расплава по периметру кольцевой щели осуществли ется вертикальным перемещением наконечника б дорна J, осуше сгвляемым рычагом /, который связан со штоком 4с помощью серь

ги 2, шарнирно соединенной » рычагом. При вертикальном пере мещении штока 4 с наконечником л регулируется толщина оформляю щей конической кольцевой щели /, образованной мундштуком 5 и на конечником б, т. е. осуществляется дросселирование потока расплава полимера, при котором осуществ ляется окончательное выравнина ние скорости потока по периметру получаемой заготовки. Достоин ством указанной головки является простота регулирования скорости потока при изменении темпера­турного режима переработки и марки перерабатываемого поли мерного материала.

Дополнительные трудности и выравнивании скорости потока возникают в многоручьевых голом ках, применяемых при произвол-
111 и* объе м н ы х и зде л и й небол ь - им hi емкости методом экструзии с |М «дувом.

Па рис. 5.15 показана конст­рукция двухручьевой угловой го­тики, состоящая из распредели­вши. к которому с помощью пере - чшпиков 7 и 8 присоединены Vi ювые головки 4 и 5. Поток рас - п шва полимера из экструдера / попадает в распределитель 2, где |м (дсляется рассекателем 6 на два потока и идет в головки 4 и 5. Ра­венство линейных скоростей вы - o. ui трубчатой заготовки через

• ик* головки обеспечивается с по­мощью регулировочных винтов J, позволяющих достичь различной

• к-пени дросселирования пото­ми», поступающих в обе головки.

II» конструкции головки видно,

•по длина пути расплава полимера пи обеих головок одинакова. Но неравенство линейной скорости выхода трубчатых заготовок может ныть обусловлено нарушением к'мпературного режима экструзии н одной из указанных головок.

В трехручьсвой головке (рис.

■ 16) путь расплава полимера для

• редне го ручья меньше, чем для тух крайних. В этом случае рас­плав полимера, поступающий из •кструдсра 6 в распределитель /,

I к* он разделяется на три потока, преодолевает различные сопро - I пиления (наименьшие — для среднего и наибольшие — для двух крайних каналов). Выравнивания скоростей можно было бы достиг­нуть искусственным увеличением

пути для среднего потока (см. пунктир — контур головки на рис. 5.16), но тогда возникают конструктивные трудности с при­емным устройством раздувного агрегата. Поэтому в данном случае |учшим решением является регулирование степени дросселирова­ния регулировочными винтами 2 каналов, подводящих расплав полимера к головкам J, 4 и 5. При этом максимальное дроссели­
рование потока осуществляется в среднем канале. Нарушение imi тока, обусловленное отклонением температурного режима каждой из головок, нивелируется регулировочными винтами 2.

На рис. 5.17 показана конструкция четырехручьевой голой ки. где применением двух распределительных плит / и 2 /кин тигнуто равенство длин путей для всех четырех потоков pacmm* ва полимера, поступающих в головки 4—7. Регулирование ш пейных скоростей экструзии в головках 4—7 осуществляет! винтами 3.

При производстве объемных изделий большой емкости приме няются специальные накопители, куда расплав полимера нагнем ется экструдером в период охлаждения изделия в раздувной форм# приемного устройства.

В настоящее время используются различные конструкции ii. i копителей расплава полимера.

На рис. 5.18 представлена конструкция накопителя расплим, расположенною перпендикулярно оси экструдера.

В данном случае расплав полимера / из экструдера поступаем и полость накопителя 2, расположенного перпендикулярно оси >ь> струдера. По мере набора дозы расплава плунжер 4 поднимает* вверх. По окончании набора дозы конечный выключатель (на мер тежс не показан) отключает вращательное движение шнека и но дает команду на плунжер 4, который движется вниз, выдавливай набранную дозу расплава полимера через головку в виде трубчатой заготовки. Для предотвращении перекрытия канала от экструдера движущимся плунжером 4 в последнем предусмотрена кольцевав проточка 3.

Преимуществом данной конструкции накопителя является применение прямоточной головки, обеспечивающей максимально шнможное выравнивание линейной скорости экструзии но пери - мемру оформляющей щели.

Оригинальная конструкция накопителя приведена на рис. N 1‘>. В данной конструкции накопителя гильза 2 имеет возмож­ность перемещения в вертикальном направлении, регулируя при

• юм сопротивление кольцевого коллекторного канала /. Кроме пи о, для выдавливания из накопителя 5 расплава полимера 3, поступающего из экструдера, применяется плунжер 4 облегчен - мой конструкции. Наряду с этим в момент набора дозы расплава выходная щель закрывается при его движении вверх. При про - (1,1 или ван и и набранной дозы расплава дорн 6 движется вниз, от-

• рывая кольцевую щель, а плунжер Сдвижением вниз выдавли - вас г расплав.

\ данной конструкции возможно регулирование толщины I рубчатой заготовки с помощью дорна 6.

И накопителе, представленном на рис. 5.20, расплав полимера / и» жетрудера через подводящий канал 2 поступает в распредели - кчи. ный коллектор 3, откуда по кольцевому каналу 6, образован­ному гильзой 7 и дорнодержателем 8, попадает в накопитель 5. Мри прохождении расплава через коллектор 3 и кольцевую щель 6 происходит спаивание линии раздела потоков, образованных при прохождении канала 2.

При наборе дозы расплава перемещением дорна 9 вверх закры­вается оформляющая щель, а при выдавливании расплава плунже­ром 4 выходная щель открывается.

Несколько иной принцип заложен в накопителях, представ ленных на рис. 5.21 и рис. 5.22.

В первом случае накопителем служит полость, образованная и материальном цилиндре при перемещении шнека / по мере nafln ра дозы. По окончании набора дозы вращение шнека останаили вается, затем движением шнека влево набранная доза расплат» выдавливается через угловую головку 4. Следовательно, шнек и данном случае служит плунжером (полная аналогия с работой ли тьсвой машины со шнековой пластикацией).

Во второй конструкции полость накопителя 3 в цилиндре J образуется движением материального цилиндра экструдера I

иасплава полимера через углы вую головку 4 осуществляется движением цилиндра / со шнеком влево.

11 едостатком рассмотрс11 ных двух последних коней рукций накопителя является необходимость применении угловых головок, в которых 11еобходи м ы специал ы i ыс

меры для выравнивания ли­нейной скорости экструзии по периметру оформляющей кольцевой шел и.

Выбор конструкции голо­вок для экструзии рукавных плепок зависит от конструк­тивного оформления раздув ных агрегатов. Различаю! раздувные агрегаты горизон тального и вертикального ти­пов.

В горизонтальных раздув ных агрегатах (рис. 5.23) эк­струдер /, головка 9 для по­лучения рукавной пленки 7, тянущее устройство 6, на­правляющие валки 5 и нама­тывающее устройство 4 рас­положены в горизонтальной плоскости. При этом для раз­дува трубчатой заготовки п рукав внутрь головки подаст­ся сжатый воздух 2, а охлаж­дение рукавной пленки 7 осущест вляетсн охлаждающим

V» фойством 8. Раздув заготовки в рукав осуществляется после М|к* шарительного охлаждения устройством 8. При дальнейшем снижении охлаждение рукавной пленки к складывающим щекам 3

• и мцествляется окружающим воздухом.

И вертикальных раздувных агрегатах возможно вертикальное 1*.и положение экструдеров с экструзией рукавной пленки «вверх» «рис. 5.24, а) и «вниз» (рис. 5.24, б) и горизонтальное, с применени - > м yi новых головок для получения трубчатых заготовок, с экструзи-

• и рукавных пленок «вверх» (рис. 5.25, а) и «вниз» (рис. 5.25, б).

М раздувных агрегатах горизонтального типа и с вертикальным расположением экструдеров применяются прямоточные головки I in получения трубчатых заготовок, рассмотренные нами ранее. Ирм вертикальном расположении экструдеров / (рис. 5.24, а и б) выходящая из головки 2 трубчатая заготовка после прохождения м 1лждающего устройства 3раздувается в рукав 4. При этом следу-

• I иметь в виду, что при экструзии рукава вниз заготовка допол­ни 1слыю вытягивается под действием собственного веса.

В вертикальных раздувных агрегатах с горизонтальным располо­жением экструдеров / (рис. 5.25, а и б), в зависимости от ориента­ции угловых головок 3 относительно оси червяка, различают экст­ренно рукавных пленок «вверх* (рис. 5.25, а) и «вниз» (рис. 5.25, б). |1о втором случае экструдер / с угловой головкой 3 монтируется на

межэтажном перекрытии Ю. Трубчатая заготовка после прохождо имя охлаждающего устройства 4 раздувается в рукавную пленку 1 сжатым воздухом 2. подаваемым внутрь заготовки через лори. Складывание рукавной пленки в плоскую «У осуществляется щеке ми 6 и //и тянущими валками 7. Готовая пленка в виде сложении го рукава «У наматывается в рулон 9.

При экструзии рукавной пленки «вверх* (рис. 5.25, б) расплав полимера из экструдера / поступает в угловую головку 3, откуда выходит в виде трубчатой заготовки, раздуваемой в рукав 5 поел* охлаждающего устройства 4 сжатым воздухом 2, подаваемым внутрь заготовки через дорн. Складывание рукавной пленки 5 и плоское полотно /0также осуществляется щеками 6и 9и тянущи ми валками 7. Плоское полотно через систему отклоняющих вал» ков 8 и //наматывается в рулон 12 требуемого диаметра.

Прямоточные экструзионные головки (рис. 5.26), примсние - мыс в раздувных пленочных агрегатах горизонтального типа, кон структивно не отличаются от таковых для получения труб и шлак* гов. Корпус головки 2 крепится к экструдеру с помощью переход ника /, а для раздува заготовки в рукавную пленку сжатый воздух подводится через штуцер 3, закрепленный в дорнодержателс 4 Дорн 8 с мундштуком 7образуют кольцевой зазор, экс центристе! которого регулируется винтами 9. при ослаблении винтами б уси­лия прижатия шайбы 5 к мундштуку 7. Необходимая температур.! переработки обеспечивается нагревателями 10.

Угловые головки, применяемые в экструзионных агрегатах с раздувом рукава «вниз* и «вверх*, конструктивно не отличаются друг ог друга.

Как указывалось выше, в угловых головках важной проблемой является выравнивание линейной скорости экструзии по пери метру оформляющего зазора и обеспечение хорошей линии спая

после рассекания потока лор нодержателем.

В головке, представленной на рис. 5.27, выравнивание ско­рости потока осуществляется и коллекторном канале 6 и в ка­нале 8, образованном дорном 10 и корпусом головки. Для окон чателыюго выравнивания ско рости потока и обеспечения хо рошего спая линий раздела по­тока расплава дорнодержатслем /8 предусмотрена упругодефор* мируемая винтами /7 шайба 14, которая обеспечивает дополни

Рис. 5.26. Прямоточная головка для но- ТСЛЬНОС дросселирование ЛОТО - лучения рукавных пленок ка расплава. Регулирование эк

I'm. 5.27. Угловая головка для получения Рис. 5.28. Головка для получения Р)кавных пленок трехслойных пленок

< игитриситета оформляющего кольцевого зазора осуществляется пе­ремещением в радиальном направлении мундштука 13 винтами 12. Мундштук 13 с помощью шайбы 15 и винтов 16 крепится к кор­пусу 7 головки. Температурный режим экструзии, контролируе­мый термопарами 4, обеспечивается электронагревателями 9. | жатый воздух для раздува заготовки подастся через штуцер 5, мкрспленный в дорнодержателе 18. Головка с помощью переход­ника 3 крепится к фланцу /, соединяемому с материальным ци - шпдром экструдера. Для гомогенизации расплава и исключения попадания в головку посторонних включений в конструкции предусмотрена фильтрующая решетка 2 с пакетом сит, а для оосспечсния плавного перехода расплава полимера из матери - ■ ibiioro цилиндра экструдера в головку установлена переходная тулка /7.

Несколько иная конструкция головки применяется при произ­водстве многослойных рукавных пленок.

На рис. 5.28 показана конструкция головки для получения цк'хслойных рукавных пленок. Расплав одного из полимеров из эк - i Фудсра В через переходники / поступает в коллекторный канал 4. образованный обтекателем 5 и верхней половиной корпуса 2, где происходит выравнивание скоростей потока. Из коллекторного капала 4 расплав полимера через каналы 6 и 18 в решетке 19 попа- ыст в кольцевые каналы 13 и 17, разделенные от кольцевого кана-

i. i /-/стаканами б*и 16, и оформляет внутренний и наружный слои рукавной пленки.

Расплав другого полимера из экструдера А через переходник 3 попадает в кольцевой канал, образованный наконечником 20дор - M. I 12 и обтекателем 5, откуда через отверстия 7во фланце стакана 16 поступает в средний кольцевой канал 14 между стаканами 8 и /л Данный расплав, выходя из канала 14, образует средний слой трехслойной рукавной пленки.

Эксцентричность оформляющего кольцевого канала регулируез ся перемещением мундштука 10, закрепленного в нижней полови не корпуса 9 с помощью шайбы 11. Решетка 19 и стаканы 8 и 16 й сборе с цилиндрическим переходником 15 крепятся в корпусе 2, ч

Из рассмотрения принципа работы указанной головки видно, что она представляет собой комбинацию угловой (для расплав» полимера из экструдера В) и прямоточной (для расплава полимера из экструдера Л).

В агрегатах для производства рукавных пленок для получении равнотолшинных и качественных изделий большое значение имс ет правильный выбор способа охлаждения горячего экструдат При этом, как правило, наряду с традиционным охлаждением ру кавной пленки холодным воздухом, подаваемым непосредственно в зону оформляющего кольцевого зазора, для интенсификации процесса экструзии применяются дополнительные устройства ох лаждения.