Теория и практика экструзии полимеров

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОГ. ОРУДОВЛПИЯ

Листы и плиты, как и плоские пленки, изготавливают экстру­зией полимеров через плоскощелевые головки. Разделение изде лий на «пленки» и «листы* по толщине носит условный характер. Правильнее, по-видимому, использовать эти термины, руковод ствуясь не столько толщиной материала, сколько свойствами (прежде всего жесткостью) полимера и типом используемого пе­рерабатывающего оборудования. Действительно, плоские изделия из ПЭВД толщиной до 0,35-0,5 мм имеют относительно малую жесткость, изготавливаются на агрегатах для получения пленок (плоских и рукавных) и как конструкционный материал использо­ваться не могут.|В то же время жесткие полиолефины, такие как ПЭНД и особенно ПП, при толщине щелевого продукта свыше 0,35-0,5 мм перерабатывают на оборудовании, предназначенном для производства листов. Эти материалы достаточно жестки, их неудобно наматывать в рулоны. Таким образом, с технологичес кой и эксплуатационной точек зрения к листам могут относиться плоские изделия и полуфабрикаты, изготавливаемые на листовых агрегатах (линиях) и имеющие толщину: для ПЭВД £ 0.5 мм, для ИЭНД >0,35 мм и для ПИ >0,25 мм. Для других полимеров, проив - 1ЯЮШИХ повышенную жесткость, минимальная толщина листов существенно меньше 0,5 мм. Так, изделия из ударопрочного поли­стирола ПС и пластмасс на основе эфиров целлюлозы принято ха­рактеризовать как листы при толщине > 0,125 мм и >0,25 мм соот­ветственно |1— 3|. Листы толщиной > 5 мм, используемые как конструкционный материал, например в строительной технике, часто называют плитами. 11литы толщиной до 8-10 мм изготавли­вают исключительно методом экструзии. Более толстые плиты из­готавливают методом прессования гранулированных ПО или предварительно пластицированного расплава, а также спрессовы­ванием нескольких листов или пленок.

Листы изготавливают продавливанием расплава полимера че­рез формующий инструмент с горизонтальной плоской щелыо и последующим охлаждением и калиброванием экструдата по тол­щине на специальных валковых устройствах. Типичная техноло­гическая схема процесса и компоновка оборудования современ­ной листовальной линии показана на рис. 6.33./

Расплав полимера, подготовленный в цилЙТТдре машины /, эк­струдируют через плоскощелевую головку 2. Полученная таким образом горячая заготовка направляется в зазор между валками с хромированной и полированной поверхностью. Устройство J, включающее, как правило, три валка, не только охлаждает поли­мер, но и фиксирует лист по форме и толщине, а также сглаживает его поверхность, которая при такой обработке приобретает зер­кальный блеск. 15 промышленной практике это устройство назы­вают листовальным каландром, хотя это принципиально неверно. Несмотря на то, что при прохождении листовой заготовкой валков может иметь место так называемый «каландровый эффект», по своим основным технологическим функциям это гладильно-ка­либровочное и охлаждающее устройство, которое мы будем для краткости называть «гладильными валками».

После гладильных валков (ГВ) лист проходит толщиномер - I и направляется по роликовому транспортеру («рольгангу») 6, 8и К). I» начале рольганга могут устанавливаться дополнительные охлаждл юшис (или, наоборот, нагревательные) устройства 5. Продвижение листа по всей линии обеспечивает вытяжное устройство 7, основ ным рабочим элементом которого начнется обычно пара валков с гуммированной поверхностью. В состав комплектной линии входиi устройство 9для продольной резки охлажденного листа на полосы (ленты), оснащенное дисковыми ножами, а также машина (ста нок) II для поперечной резки, представляющая собой либо ножни­цы ударного (гильотинного) действия (для листов толщиной до 4— 5 мм) либо дисковую пилу (при толщине изделия > 5 мм). Лист, разрезанный на куски определенной длины и ширины, попадает ii. i товарный стол 12, выполняющий также функции укладчика.

В настоящее время описанным способом из полиолефинов изго­тавливают листы толщиной 0,25—12,5 мм при ширине до 2.5—3,0 м. Разработаны и проходят испытания установки для выпуска листов из полиолефинов (ПО) толщиной до 20 мм и шириной до 4 м.

Наиболее широкое применение находят листы толщиной 2—6 мм и шириной до 1800 мм. Экономически наиболее выгодно произ­водить относительно широкие листы (600—1500 мм) даже в тех случаях, когда требуются более узкие изделия.

Подавляющая часть листов из Г10 используется для облицовки химической аппаратуры и в качестве полуфабриката для термо­формования всевозможных изделий. Однако в последнее время листовые материалы начали использовать для упаковки. Успехи и этой области связаны прежде всего с разработкой нового листово­го материала, получившего название картон тает. Технология из­готовления картонпласта в принципе аналогична технологии про­изводства обычных листов, но при этом применяют плоскощеле­вые головки с формующей частью, оснащенной продольными призматическими стержнями, так что получается лист, представ­ляющий собой две тонкие пластины, соединенные перемычками. Полотно картонпласта нарезают, как обычно, на мерные куски, и i которых в дальнейшем на прессах, оборудованных специальными штампами, вырубают заготовки — «выкройки», представляющие собой плоскостную развертку упаковки.

Листы и плиты, выпускаемые современной промышленностью, относятся к крупногабаритным изделиям и полуфабрикатам. Большие размеры листов и плит (ширина и толщина) приводят к необходимости использовать для их изготовления высокопроизво­дительное оборудование. Поэтому листовальныс агрегаты отлича­ются от установок для изготовления пленок более мощными экст­рудерами и вспомогательным оборудованием, обладающим повы­шенной пропускной способностью.

В большинстве случаев экструзионные линии для получения ли­стов из ПО имеют производительность в пределах 150—250 кг/ч.

Производительность установок для изготовления листов и плит юлщиной до 10 мм и шириной до 3 м, как правило, составляет >00—800 кг/ч. Разработаны и выпускаются агрегаты, которые обес­печивают получение плит толщиной до 12,5 мм при ширине до 3,5 м. с производительностью 1000—1500 кг/ч. Однако экономическая >ффективность подобных крупнотоннажных установок в силу ряда причин обычно невысока. Кроме высокой стоимости самого оборудования это объясняется большим количеством отходов и некондиционной продукции, возникающих при пуске подобных 1иний в работу и наладке технологического режима. Переналадка крупных агрегатов при переходе с одного материала на другой, при широком ассортименте перерабатываемых материалов, требу­ет больших сырьевых и энергетических затрат. В целях сокраще­ния времени вывода крупнотоннажных установок на нормальный режим работы, для удобства обслуживания необходимо исполь - ювать устройства для полуавтоматической регулировки зазора формующей щели головки. Данные установки блокируют с тол­щиномером, работающим на изотопных датчиках. Такая система существенно удорожает стоимость формующего инструмента, ус - южняет его наладку и ремонт.

Отмеченные недостатки крупнотоннажных установок приводят к снижению их технологической «мобильности» и рентабельное - 1И. Поэтому наряду с разработкой и совершенствованием обору­дования большое значение приобретает оптимизация работы уста­новок средней мощности и интенсификация технологического процесса переработки. Сведения, приводимые в этой главе, каса­ются в основном наиболее распространенных в промышленности пиний, предназначенных для изготовления листов из НО толщи­ной 2—8 мм и шириной 600—2000 мм.

Экструдеры для переработки ПО в листы оснащают шнеками с относительной длиной I/O не менее 20:1; чаще всего рабочая дли­на шнека L составляет (25+30) О для ПЭ и (25+40) Л для ПП. Увс - шчение длины шнека способствует повышению производитель­ности и улучшению гомогенизации расплава. Экструдеры со шне­ками длиной ЗОЛ и выше, как правило, включают кроме зон шгрузки, пластикации и дозирования зону дегазации, что особен­но важно для экструзии ПП, склонного к термоокислитсльной де­струкции, сопровождающейся выделением газообразных продук­тов, существенно снижающих качество листа. Рекомендации по конструкциям шнеков даны в главе 2.

Головка для экструзии листов должна обеспечивать достаточно равномерное распределение потока расплава по всей ширине формующего зазора. Это достигается установкой дросселирующих устройств (клапаны специальной конструкции) и решеток с сетка­ми, играющими дополнительно роль фильтра и увеличивающими противодавление. Число сеток в пакете зависит от вязкостных свойств перерабатываемого материала, его чистоты, конструкции головки и т. л. Чаше всего используют три сетки с последователь но увеличивающейся по ходу экструзии плотностью. Для чисн. и материалов, например ПП. рекомендуется устанавливать сетки » числом отверстий на I см2, равным 80, 100 и 800. При наличии механических примесей в том же ПП приходится увеличивал, плотность сеток до 100, 900 и 2500 отверстий на 1 см2.

Конструкции плоскощелевых головок для экструзии листок приведены в главе 5.

Как видно из рис. 6.33, в состав экструзионных агрегатов дли производства листов, плоских и рукавных пленок входят: прием ные и размоточные устройства; охлаждающие устройства; транс* портирующие устройства; режущие приспособления для продоль ной (при производстве рукавной и плоской пленок) и поперечной (при производстве листов) резки; намоточные устройства (в агре­гатах для производства рукавных и плоских пленок); тянущие уст­ройства; устройства для нанесения тиснений и печати (в специ альных агрегатах).

Приемные устройства экструзионных агрегатов для производ­ства листов из термопластов представляют собой гладильные ка­ландры, предназначенные для приема и фиксации плоской фор­мы экструдата и его толщины, разглаживания, глянцевания и предварительного охлаждения. Двустороннее разглаживание обес­печивается тремя валками, привод которых осуществляют от об­щего вала зубчатой цепью или червячной передачей.

Из головки листовая заготовка выходит горизонтально и попа­дает в межвалковый зазор. Дальнейшее перемещение листа может происходить по двум схемам: с огибанием верхнего или нижнего валка в случае применения трехвалкового устройства. Чаще при­меняют вторую схему, при которой обеспечиваются меньшее про­висание и наиболее гладкая поверхность изделия |4|. Валки долж­ны иметь достаточно большую поверхность охлаждения, поэтому их диаметр относительно велик: 250—400 мм. Поверхность валков хромируют и тщательно полируют для предотвращения прилипа­ния полимера и огпечатывания на листе дефектов поверхности.

Валки должны равномерно соприкасаться с листом по всей ширине гладильного устройства во избежание образования мато­вых пятен и полос на изделии. Усилие прижатия валков друг к другу выбирается на основе экспериментальных данных в преде­лах 200—1000 Н на 1 см длины валка. Под действием этого давле­ния цапфы валков могут деформироваться (давать прогиб). Для компенсации этого прогиба верхний и нижний валки снабжены специальными компенсаторами.

Важно также, чтобы система термостатирования обеспечивала равномерность температуры по всей длине и поверхности валков. В противном случае в листе возникают внутренние напряжения, обусловленные неравномерностью нагрева, и протягивание (от­бор) полотна листового материала становится неравномерным.

Обычно гладильные каландры устанавливаются на пекоюром р. к стоянии от выходных кромок оформляющих губок плоском ими* пых экструзионных головок. Поэтому температура листовой iaio говки, попадающей в межвалковый зазор каландра, несколько ниже (на 10—20 К), чем температура расплава полимера в головке. С учетом этого обстоятельства и того, что окружные скорости вал­ков каландров одинаковы (фрикция отсутствует), можно прибли­женно считать, что материал в межвалковом зазоре подвергается mi ругой деформации сжатия.

Приемное оборудование включает обычно, кроме гладильного устройства, роликовый транспортер и тянущие валки. В зависимо­сти от производительности установки и толщины листа рольганг может иметь длину до 3 м и больше. Для интенсификации охлаж­дения листа для нескольких первых валков конвейера может прс- Iусматриваться внутреннее водяное охлаждение. Иногда лист на ном участке рольганга обдувают с двух сторон воздушными вен­тиляторами.

Во избежание провисания теплого листа расстояние между ро­ликами конвейера не должно быть слишком большим. Тянущие валки имеют поверхностное гуммирование. Очень важным факто­ром, во многом определяющим физико-механические показатели Iистовых материалов, является тщательная синхронизация враще­ния тянущих и гладильно-калибруюших валков. Вследствие усад­ки листа в процессе его передвижения по рольгангу, тянущие вал­ки должны вращаться с меньшей частотой, чем валки гладильного устройства (при переработке полиолефинов — в среднем на 3—7 %).

На участке перемещения полотна по рольгангу иногда предус­матривают тепловые элементы (излучатели). Дополнительная тер­мообработка способствует уменьшению внутренних напряжений и улучшению качества поверхности листа.

Оборудование для резки тонких листов (< 6 мм) представляет со­бой ножницы гильотинного типа. Для поперечной резки толстых листов и плит используют малогабаритные циркулярные пилы, которые устанавливают на каретке. Одновременно с вращением режущего инструмента каретка перемещается в поперечном на­правлении.

Так как за время разрезания полотно проходит некоторый путь в продольном направлении, то во избежание образования косого среза каретка должна также перемешаться на некоторое расстоя­ние вместе с листом (т. е. в продольном направлении). После от­резания мерного куска каретка быстро возвращается (откатывает­ся) в исходное положение. Продольную резку листа на полосы и обрезку кромок осуществляют дисковыми или обычными плоски­ми ножами.

Оборудование для укладки продукции включает в себя достаточ­но жесткий и ровный стол, на котором листы укладываются в пач­ки во избежание их деформирования. Стол может быть покрыт бу­магой; использование бракованных (неровных) листов, полу­ченных при наладке процесса, в качестве подкладок недопуеш мо. В современных установках, в первую очередь на линиях дли производства крупногабаритных плит, масса которых может дос­тигать 100 кг и более, предусматривают устройства, исключающие ручной труд по укладке изделий. Для этой цели могут использо­ваться, например, автоматические укладчики с вакуумными при способлениями («присосками»), поднимающие плиты и переме щающис их в сторону от линии, где предварительно установлена тара для упаковки и хранения продукции.

Современные технологические линии комплектуют вспомога тельным оборудованием, системами автоматизации и многочис­ленными приборами. Устанавливают устройства для предвари тельной подсушки и подогрева гранулированного сырья, пневмо­загрузчики гранул, приспособления для намотки обрезанных кромок, вентиляторы для отсоса стружки, образующейся при рас­пиливании листов и плит.

Кроме систем автоматического термостатирования зон экстру­дера, головки и валков гладильного устройства линии оснащаются механическими, электрическими и электронными приборами синхронизации частоты вращения соответствующих групп валков, толщиномерами (обычно с источником 0-излучения) для перио­дического или непрерывного контроля и записи толщины листа в обоих направлениях, «путевыми» и концевыми микровыключате­лями, приборами для снятия накапливающегося на листах стати ческого электричества и т. д.

Краткие сведения по оборудованию, приведенные выше, каса­лись производства плоских листов и плит. Разработана и освоена промышленная технология изготовления листов с поперечными и продольными гофрами. Оборудование для получения гофриро­ванных листов, включающее по сравнению с установками для эк­струзии плоских изделий ряд дополнительных устройств для со­здания поперечной или продольной волнистости, подробно опи­сано в работах 1541 и здесь не рассматривается. Гофрированные листы, применяемые в основном в строительстве в качестве кро­вельных настилов и для других целей, изготавливают почти ис­ключительно из непластифицированного (жесткого) ПВХ; поли - олефинм для этих целей практически не используются.

В линиях для производства плоских и комбинированных пле­нок как экструзионным, так и каландровым методами пленка пос­ле охлаждения попадает на приемные устройства. В этих линиях приемные устройства представляют собой систему валков, число и размеры которых определяются технологическим процессом, свойствами и размером готовых пленок. Or приемных устройств пленка транспортируется к намоточному устройству.

Устройство для приема плоской пленки (рис. 6.34), получен­ной экструзионным методом, состоит из станины /, а также уста­
новленных на ней откло­няющих роликов 3 и уст­ройства 4 отбора (на­мотки) кромок. Плотная установка валков 2 ис­ключает образование складок на пленке и спо­собствует ее равномерной вытяжке. На промежуточ­ных валках могут осуще­ствляться такие техноло­гические операции, как дополнительная вытяжка, обогрев или охлаждение, тиснение и гсрмостатированис и т. п. В зависимости от назначения применя­ются различные схемы расположения валков (рис. 6.34), причем валки выполняют стальными, алюминиевыми или фторопласто­выми. Валки для термостатирования пленки при 313—403 К изго­тавливают из стали с внутренней вставкой, образующей канал для гечения теплоносителя.

Для обрезки кромок применяют следующие устройства: с пнев­матически регулируемым отжимным ножом на валке, имеющим твердость стекла (для мягких и тонких пленок); с вращающимися дисковыми ножами, работающими по принципу ножниц. При >том кромки либо удаляют пневматически, либо отводят вытяж­ными устройствами в емкость для отходов. Намотку кромок осу­ществляют на малых скоростях приема.