Теория и практика экструзии полимеров

ОПИСАНИЕ И АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Типичные технологические схемы получения рукавной экст­рузионной пленки представлены на рис. 6.37 и 6.38. Установки со­стоят из следующих основных узлов: экструдера 1 с загрузочным бункером, пульта управления установкой 2, формующей головки 3, устройства для охлаждения пленочного рукава 4, монтажной эста­кады 5, складывающего приспособления («щек») 6, устройства для приема сложенного пленочного полотна 7и наматывающего при­способления 8. Современные установки дополнительно осна­щают автоматическими системами прижима тянущих валков при­емного устройства, приспособлениями для обрезания кромок или

разрезания рукава на два отдельных плоских пленочных полоша (наматываемых в этом случае в два рулона намотчиком сдвоенною действия), приборами автоматического контроля ширины и им шины пленки с системами непрерывной или периодической мни си этих параметров, устройствами для снятия статического » к*к i ричества (в схеме на рис. 6.38 для этого используется ванна со сне циальным раствором) и т. д.

Не касаясь конструктивного исполнения различных установок, укажем только, что существующие агрегаты для произволе i ва п в - нок из ПО «рукавным» методом могут различаться конструкцией отдельных узлов и деталей, а также способом и направлением oi вода пленочного рукава (вверх, вниз и горизонтально).

Разработаны также установки с вертикальными экструдерами Такие установки выпускают, например, в ФРГ (фирмы «Kraus MafFei*, «Paul Trester», «Laufer Butscher*) и Швейцарии (фирма «Oerlikon Borhle AG»). Использование вертикального экструдера позволяет уменьшить необходимые производственные плошали н применить прямоточные головки простой конструкции, обладаю шие относительно низким гидродинамическим сопротивлением и обеспечивающие лучшие условия для выравнивания потока

Особенностью установок «Oerlikon» является использовать вращающегося экструдера («ротатрудера»), что обеспечивай раипм мерное распределение разноголщииности пленки по всей ее пншн

не, но усложняет конструкцию оборудования. Другим............................

распределения разнотолшинности и создания улучшенных ч ювмй для высококачественной намотки пленки является нримсненп» ю ловок с вращающимся корпусом. Таким формующим ннструмен том оснащаются, в частности, агрегаты «Reifenhouscr» (ФГ1 )

Технологический процесс получения рукавной пленки, не мин симо от конструкции агрегата, предусматривает слслуимнш ". новные технологические операции (стадии): подготовка и ими < • сырья (гранулированного полимера) в загрузочный бункер • >pt

дера; подготовка расплава полимера с помощью экстру........................

давливание расплава через кольцевую щель экструзионной.....................

ки; раздув заготовки до необходимого диаметра подаче и

внутрь рукава через специальные каналы в дорне головки; охлаж дение рукавной заготовки; складывание пленочного рукава и плоское двойное полотно (ленту); обрезание кромок или разреза ние двойного полотна на два одинарных полотна (или несколько ленг); намотка полученной пленки в рулоны; контроль качества, разбраковка, маркировка и упаковка готовой продукции.

Регулирование толщины пленки осуществляют в простейшем случае изменением коэффициента раздува рукава и варьировани­ем продольной вытяжки пленки за счет плавного (бесступенчато­го) изменения скорости ее отвода, т. е. частоты вращения вытяж­ных валков приемно-намоточного устройства. После раздува заго товки до необходимого диаметра подачу воздуха внутрь рукава прекращают, и газ оказывается замкнутым в пленочном мешке, который скользит по воздушному баллону («пузырю») как по на­правляющему элементу.

Формование заготовки для получения рукавных пленок осу­ществляют продавливанием расплава полимера, подготовленно­го в экструдере, через кольцевую головку. Количественное опи­сание этой операции сводится к решению задачи о течении аномально вязкой жидкости через кольцевой зазор, образован­ный внутренней стенкой мундштука и наружной стенкой дорна (см. главу 5).

В процессе раздува и отбора пленочного рукава происходит це­лый ряд сложных явлений: продольная вытяжка расплавленного материала («фильерная» вытяжка заготовки); поперечная (точнее, окружная) деформация расплавленной заготовки; охлаждение ру­кава, сопровождающееся кристаллизацией полимера; продольная (параллельная направлению отвода пленки) вытяжка материала при температуре ниже температуры плавления на участке после линии («фронта») кристаллизации и т. д.

При отыскании аналитических зависимостей основных геомет­рических параметров пленки (диаметра, толщины заготовки после раздува и т. п.) от размеров формующего инструмента, свойств пе­рерабатываемого материала и технологических режимов процесса принимают ряд допущений: пренебрегают силами инерции, не учитывают поверхностное натяжение и аэродинамическое сопро­тивление потоку, рукав считают симметричным относительно его оси.

Схема формования пленочного рукава в процессе раздува при­ведена на рис. 6.39, на котором обозначена система координат и приведены основные параметры: продольная ось рукава z; h() — толщина кольцевого зазора формующего инструмента; h \ L — толщины пленки в двух сечениях: близком к выходу из головки, в котором завершается разбухание экструдата (Л), и после линии кристаллизации (L) dQ, d и D — диаметры пленки в сечениях, со­ответствующих Л0, Л и L; направления £ и е2 выбраны, соответ­ственно, тангенциально и нормально пленке в сечении, нормаль­
ном оси z и проходящем на рас­стоянии z от головки через точку р — окружное направление; О — переменный угол между на­правлениями е, и z. При этом принимается, что толщина плен­ки И во много раз меньше радиу­са рукава г (И « г).

Особенности деформации ру­кава зависят от режимов получе­ния заготовки. Например, при отсутствии внутреннего избы­точного давления (ДР = 0) поток претерпевает чистое одноосное растяжение в направлении отбо­ра пленки. В реальных же случа­ях раздува рукава обычно имеет место двухосное растяжение.

Для определения преимуще­ственного направления дефор­мации важное значение имеет соотношение скоростей экстру­зии и отбора рукава и давления раздува. Это соотношение опреде­ляет форму рукавной заготовки («пузыря»). Отношение линейной скорости приемки пленки vL к средней линейной скорости экст­рузии расплава на выходе из головки v*0 влияет также на измене­ние толщины пленки в процессе раздува, молекулярную ориента­цию и механические свойства пленок в различных направлениях.

Среди механических свойств пленок важное место занимает их прочность в осевом и поперечном направлениях. Указанные свойства подробно будут рассмотрены ниже. Здесь отметим толь­ко, что если пренебречь влиянием формы рукава и осевой вы­тяжкой твердой пленки выше линии кристаллизации, го коэф­фициент раздува к = D/d0 (рис. 6.39). Соотношение скоростей отвода пленки и выхода расплава vl/vq определяет степень ори­ентации полимера в соответствующих направлениях. Степень ориентации, в свою очередь, влияет на значения показателей ме­ханических свойств, например на относительное удлинение при разрыве.

Изложенные соображения позволяют сформулировать обосно­ванные рекомендации по получению рукавных пленок различного назначения. Так, для многих целей упаковки (в том числе по ме­тоду термической усадки упаковочного материала) желательно применение изотропных рукавных пленок. Очевидно, что для обеспечения одинаковой ориентации в обоих направлениях долж­но соблюдаться условие равенства поперечной и продольной вы­тяжки рукав;»: к = vL/v0.

Для упрощения описания процесса формования изотропных пленок можно положить, что продольная скорость в зоне раздува длиной L (от головки до линии кристаллизации) остается посто­янной (v/ = const), а растягиваемый рукав имеет форму конуса. При этих допущениях градиент скорости у определяется из соот­ношения [ 19):

(6.92)

Объемный расход расплава в различных сечениях рукава вы­числяется из простой формулы:

Q = 2л/()/^*'() = 2 nRLvfr (6.93)

откуда

VL 'b А)

<6*»

С учетом соотношения к = vL /v0 из равенства (6.94) следует, что для получения изотропных пленок должно соблюдаться усло­вие:

У = *2. (6.95)

Эксперименты подтвердили (19), что коническая форма рукава во многих случаях действительно способствует получению изот­ропных рукавных пленок из Г10. Геометрические параметры рука­ва в форме конуса могут быть вычислены по следующим форму­лам (19):

- = 1 + (/?-1)4; й = r0 L г0

А) . Л+*Ч*-2) . <6%>

Т * 1?BL * LBL +1-

где величины без индексов — текущие значения соответствующих переменных на расстоянии г от начала вытяжки.

Для растяжения в условиях у = const связь между z и продолжи­тельностью вытяжки I устанавливается соотношением:

1)=(^-1)^- (6.97)

Формула (6.97) отличается от обычного выражения для теку­щей длины дополнительным членом го, который отвечает сдвигу начальной точки отсчета к сечению, с которого начинается растя­жение.

Из уравнений (6.96) и (6.97) следует соотношение, описываю­щее изменение толщины рукава во времени:

(6.98)

Приведенные количественные оценки процесса раздува позво­ляют рассчитывать параметры изотропных пленок, например ра­диус рукава после раздува R (или соответствующую ширину полу­чаемого полотна), а также номинальную толщину продукта при известных конструктивных параметрах установки (радиус кольце­вой щели г0 и толщина формующего зазора Л0). Возможно также решение обратных задач — нахождения конструктивных парамет­ров головки г0 и //0 при заданных размерах пленки R и //, однако для технологической практики наибольший интерес представляю! задачи первого типа.

Порялок их решения следующий: вначале по заданным пара­метрам установки /о, /;0, Q с использованием формулы (6.92) вы­числяют среднюю линейную скорость экструзии v0; задавая сте­пень раздува к (для ПО ее обычно выбирают в пределах 1,5—4.0, чаще всего — 3,()—3,5), по уравнению (6.95) вычисляют толщину получаемой пленки И и из условия к = vL/vu определяют скорость отбора пленки vL. Подставляя значения vL, к и И в формулу (6.96), нетрудно рассчитать высоту линии кристалл и запи и I. и далее по выражению (6.92) — средний градиент скорости деформации в зоне раздува. Затем, применяя формулу (6.97) для всей зоны раздува в целом (т. е. полагая z = L), оценивают время /'= т прохождения материалом всей зоны деформации. Наконец, в пределах интервала времени /'— т можно задать текущие значения t (от частоты разбие­ния интервала зависит точность вычислений), по уравнению (6.97) вычислить текущие значения z и по равенству (6.98) определить значения толщин материала И в различных сечениях рукава. Такие данные полезны также при расчетах процесса охлаждения рукава (см. ниже). При заданной высоте линии кристаллизации по ана­логичной методике может быть рассчитан коэффициент раздува к для получения изотропных пленок заданной толщины, а также ре­шены другие технологические задачи.

Результаты экспериментальной проверки приведенных соотно­шений [191 показаны на рис. 6.40 и 6.41 при различных режимах экструзии ПЭВД (табл. 6.10) (номер режима в таблице соответ­ствует номеру кривой на рисунке).

Как видно из этих рисунков, предположения о постоянстве градиента скорости и о конической форме рукава в зоне вытяжки

нс вносят больших погрешностей в расчеты, что позволяет реко­мендовать формулы (6.92)—(6.98) для инженерных расчетов про­цесса получения изотропных рукавных пленок. При получении пленок, упрочненных в одном направлении, необходимо, чтобы выполнялось равенство //</// = к2/г (глс е - коэффициент, показы­вающий соотношение прочностей материалов во взаимно перпен­дикулярных направлениях).

В общем случае скорость растяжения при раздуве пленок непо­стоянна и увеличивается с ростом расстояния от торцевой плоско­сти головки 119|, подобно тому как это имеет место при прядении волокна из расплава. В определении скорости растяжения матери­ала в произвольном (текущем) сечении рукава и заключается ос­новная трудность расчета геометрических параметров пленки (ди -

а метра рукава, толщины), получаемых при различной производи­тельности процесса. В остальном методика решения задачи анало­гична приведенному выше расчету процесса формования кони­ческой заготовки.

Вычисление скоростей деформаций требует определения вяз­кости расплава. Задача существенно упрощается, если пренебречь силой тяжести материала и считать вязкость полимера постоян­ной во всей зоне раздува. Наиболее полная теория процесса разду­ва пленок была предложена в работе |55|, на описании результатов которой мы кратко остановимся ниже.

Изменение скорости деформации в точке по всем направлени­ям (см. рис. 6.39) можно выразить так:

- _ C? cos9 d/i.

22 Эб2 2itrh2 dz

dv3 QcosB dr

Эе3 2nr2h<*z'

Продольная вязкость материала г|Л определяется вторым инва­риантом тензора деформации /=*е,2+ег+е^ который с учетом выражений (6.99) может быть вычислен из соотношения:

С другой стороны, продольная вязкость лE( f) определяется как

ng(y)=JT|L = (6.101)

*1 1 ~*22 *33 "*52 9

где г,, и т3з — соответствующие напряжения п материале.

Для определения напряжений можно рассмотреть баланс сил, действующих на пленку в зоне раздува, и уравнение тонкостенной оболочки:

7.

2nr cosO/V. + TtA/^/?2-r2j + 2npgrh sec Od z=Fz; (6.102)

(6.103)

где p — плотность расплава, зависящая от температуры; g — ускорение силы тяже­сти; Р, и Рц~ силы, действующие на пленку параллельно и перпендикулярно оси отбора соответственно; Rt и Rh - главные радиусы кривизны пленки, определяе­мые как

Подстановка выражений (6.104) в (6.103) с учетом равенства (6.101) приводит к расчетным соотношениям для сил:

р 2ti£^cos 0( 1 dr+ 1 dh 2nr { rdz J"

Учитывая, что т,, = PJh и т33 = P„/h, но уравнениям (6.99)— (6.105) можно с применением интегрирования численным методом выполнить расчеты необходимых реологических и технологических параметров процесса. При этом такие конструктивные параметры установки, как размеры головки (г0, /;(>) и усилие, развиваемое тяну­щими валками (/у, а также режим экструзии (температура в голов­ке и, соответственно, плотность расплава, производительность ма­шины, давление раздува) предполагаются известными.

Отметим, что вязкость зависит не только от напряженного состо­яния (характеризуемого при двухосном растяжении величиной /), но и от температуры, которая снижается вдоль рукава. При экспо­ненциальном законе изменения вязкости с температурой для сте­пенной жидкости это может быть учтено соотношением:

«-I

глс Ти Т0 — температуры расплава соответственно на выходе из головки и в лю­бом другом ссчснин пленки; по — наибольшая нсньютонопская вязкость при тем­пературе 7(ь п — индекс течения.

В частном случае одноосного растяжения (ДР = 0) методика расчетов остается прежней, но скорость деформации в осевом на­правлении Си определится как

OcosOdr OcosOd/j *11 = —— (6.107)

2h dг nrh2 dг

Для однородного двухосного растяжения еи = е33; при раздуве пленок это возможно только при единственном соотношении между радиусом рукава г и толщиной заготовки И:

(9cos0 dr QcosQ d/г

2кг1 h dz 4лг/;2 d^

Приведенные количественные оценки процесса позволяют оп­ределить функции r(z), h(z) и 0(г) для различных значений произ­водительности Qn рассчитать профили скоростей деформации.

Изменение толщины пленок из ПЭНД, I1II и ПЭВД как функ­ция расстояния от формующего инструмента представлено на рис. 6.42. Условия экструзии при одноосном и двухосном растяже­нии идентичны, за исключением величины ДР. При прочих равных условиях двухосное растяжение обеспечивает получение более тон-

ких пленок. Результаты расчета продольных скоростей в зависи­мости от координаты z приведены на рис. 6.43 (при тех же пара­метрах экструзии, при которых получены графики на рис. 6.42); они свидетельствуют о непостоянстве скорости растяжения в про­цессе раздува.