Теория и практика экструзии полимеров

СВОБОДНАЯ ЭКСТРУЗИЯ И РАЗДУВ ЗАГОТОВКИ

При расчете технологических параметров процесса раздува в геометрических размеров формующего инструмента исходят »м размеров изделия. С учетом оформления донышка длина заготои ки Lq должна в среднем на 15 % превышать общую высоту полон» изделия L [1, 15|:

/0=1,15/,,. (6.1)

Наружный диаметр заготовки D0 может быть определен исходи из значения коэффициента раздува ер, под которым понимают о» ношение наружного диаметра изделия /)] к наружному диаметру заготовки Dq

А п А

_ Д) «/ <6J>

Толщина стенки заготовки 8q может быть рассчитана по фор-

муле 111:

t, ,А-^А-4^0,8,+4е2р8?

бо -1»^---------- 2^----------- ’ ( *3)

где — ТОЛШИНП стенки изделия.

Скорость выхода («выдачи») трубчатой заготовки v0 зависит ш плотности, вязкости расплава и длины заготовки. Для ее оценки используют следующие эмпирические соотношения |2|:

15,55-105 Йр vo —, (6.4)

Мэфф

где — эффективная вязкость расплава на выходе из головки. Па с; /.0 — длин,' заготовки, м; р — плотность расплава при температуре экструзии. Н/м

Из формулы (6.4) видно, что длинные заготовки необходимо выдавливать с максимальной скоростью. Повышенные скорости tti. iхода обеспечивают агрегаты с копильником. Для улучшения ка­чен ва заготовок копильники устанавливают не только на крупных •мрегатах, но и на современных агрегатах небольших размеров.

Необходимый объемный расход С? получается умножением ли­пецкой скорости выдачи заготовки на площадь ее поперечного се­чения:

С = л50(/)0-50К, (6.5)

м<- v0 — скорость выхода заготовки.

Время выхода («выдачи») заготовки т определяется отношени­ем т» Lq/v0.

Геометрические параметры основных элементов головки долж­ны определяться с учетом эффекта разбухания расплава:

»М=Д,/Р; 0д=(Д,-280)/р, (6.6)

| и |1 — коэффициент разбухания; Du и Dx — диаметры мундштука и дорна голов - • п соответственно.

Результаты теоретического и экспериментального изучения эф­фекта ностэкструзионного разбухания полиолефинов рассмотрены I in каналов круглого и сложных сечений 13—5). Что касается тече­ния полиолефинов в кольцевых головках, применяемых для экст­ру шонно-выдувного формования полых изделий, то общие законо­мерности влияния различных параметров на коэффициент р здесь остаются теми же, что и при течении в других каналах, а именно: ра (бухание увеличивается с возрастанием молекулярной массы (снижением индекса текучести) полимера, скорости и напряжения i лвига (скорости экструзии) и понижается с повышением темпера - |уры формования 110—14). Начиная с некоторых значений скорое - III и напряжения сдвига величина р «насыщается*, так что для каж­дого полимера существуют предельные значения у и т> выше кото­рых разбухание остается практически неизменным |6—9].

На величину разбухания кроме молекулярных характеристик полимера (молекулярной массы и молекулярно-массового распре­деления) и технологических параметров экструзии (температуры, i корости и напряжения сдвига) сильное влияние оказывают такие комстричсские параметры формующего инструмента, как длина профилирующего канала, угол наклона образующей дорна, разме­ры и конфигурация сечения головки и др.

Часто различают два вида разбухания — «массовое» и «геомет­рическое». Первое представляет собой разность между фактичес­ким и теоретическим отношением массы к длине заготовки, а вто­рое — разность между фактическим диаметром заготовки и диа­метром формующего инструмента. Иногда отмечается, что к и (менению перечисленных выше параметров более чувствительно •массовое» разбухание, в то время как «геометрическое» относи - юльно слабо зависит от размеров головки. Такое утверждение

Рис. 6.10. Схема для расчета массы изделия (с пережимом ч. н. риала заготовки; — ширина пережима)

вряд ли можно считать справедливым, так как «>(и параметра связаны между собой. Важно, что шме пение внутреннего и наружного диаметров закипи ки при разбухании в пределах ошибки экспсрим»н тов одинаково, и за величину р может практиче» к и приниматься отношение А)/А,.

Для всех полиолефинов, независимо от темпера туры и скорости экструзии, характерно уменьшение значения р с увеличением длины кольцевого капа к формующего инструмента |1, 6|. Мри этом начини с некоторого максимального значения относительной длины ка нала /_м/5 (где £м — длина кольцевого зазора, 5 — толщина зазора) разбухание, достигнув минимума, остается практически нос гони ным. Для полиэтиленов такая длина формующего инструмент

составляет около 20 толщин кольцевого зазора, а для полипропи

ленов предельное значение /.м/б достигает 25—30. При этом п ш нения внутреннего и наружного диаметров заготовок при разбухи нии практически одинаковы и возрастают с увеличением скорое! и сдвига (рис. 6.10). С уменьшением отношения внутреннего размо ра заготовки к наружному (или отношения наружного размори дорна к внутреннему размеру мундштука) наблюдается увеличь ние разбухания, которое достигает максимума для экструдата и виде сплошного прутка (стержня). Максимальные значения коэф фициента для полиолефинов могут достигать 1,7—2,3.

Зависимость между разбуханием трубчатой заготовки и соотио шением ее геометрических размеров для случая «установившею ся» разбухания полиолефинов хорошо описывается эмпирическим уравнением [I, 15|

где р и Ро — коэффициенты разбухания соответственно для трубчатой заготовки и круглого сплошного прутка (Р,) = d(/dK здесь de и dK — диаметры соответствен ни экструдата и круглого канала, или капилляра); 6,> — толщина заготовки.

Если заготовка при изготовлении полого изделия не пережима ется в горловине, то диаметр мундштука определяется по формуле |15):

Ai - <А7 (рл I)’

где dr — диаметр горловины в форме; р — коэффициент разбухания, равный Ai//?M; п| = 4/(60А)) — так называемый «коэффициент оформления горловины»

Коэффициент разбухания может быть выражен через удельный |й»игм материала v, массу заготовки (или массу изделия — брутто) «ч. сечение кольцевого зазора S и высоту' изделия Н:

Размеры мундштука также можно рассчитывать исходя из I in мы сварного шва Ls на дне изделия. Отношение диаметра дна in к - 1ия /if' к длине шва должно быть не менее 1,2 : 1, т. с. шов инжен занимать примерно 80 % диаметра дна. На практике для шпшолефииов отношение €(/Ls выбирают в пределах 1,1 —1,6 |1 2, 15|. С учетом разбухания

л 2LS.

(6.10)

при «пережиме» заготовки диаметр мундштука рассчитывают по формуле [15, 18|:

л 2D

°» = фГ2' (в-п)

| | />, — диаметр изделия; /ь = /)|/(0,5тсД)) — так называемый «коэффициент пс - I" ♦.има заготовки*.

Диаметр дорна равен Ол = DM — 25, а толщина кольцевого зазо­ра головки 5 определяется из соотношения:

u?0

nDl

I и* |> — плотность полимера.

Массу изделия (нетто) G определяют по чертежу изделия с учетом поверхности пережима и облоя. Для полых изделий из но шолефина типа бутылей и флаконов отходы, как правило, со - i мил я ют 15—25 %, так что коэффициент к = G/Gq может быть принят равным 0,8. Для расчета массы изделия рекомендована формула [21]:

с, =т/ор2, (6.13)

. /’ периметр кольцевого зазора головки; к в0,8; {( — коэффициент разбуха­нии, определенный при 190 *С и градиенте скорости сдвига у = 5с-1 методике, .•писанной в работе |8|.

Другой метод расчета (рис. 6.10) |8[, обеспечивающий вычисле­ние массы полых изделий с ошибкой не более ±5 %, основам на « юдующих формулах:

^-|Д,(0.01Р + 1); 0M=dr( 1-Р); Oa-J(4,)2-4Gj/(*«p). (614)

5 =

ic — ширина «пережима*; d, — наименьший наружный диаметр горловины

и I лслия.

Необходимо обратить внимание еще на один момент. Незанм симо от способа подачи сжатого воздуха на раздув заготовки его рабочее давление оказывается выше заданного вследствие нагрспи и расширения. Рабочее давление определяется уравнением:

(6.15

где Р и Ро — давления газа соответственно при повышенной температуре / температуре 7#.

Увеличение давления нагретого воздуха вызывает повышени давления на внутренние стенки формуемого изделия и снижени объема воздуха, расходуемого в каждом рабочем цикле. Учитывай изложенные соображения, время раздувания изделия тр можно рассчитать по формуле:

где V — объем выдувного изделия; с — скорость потока сжатого воздуха, оправ­ляемая давлением раздувания и диаметром сопла (значение с выбирают по табли

нам — см., например, габ i S в работе (15]): (Р - Р0)/Р1 — величина, учитывав....

уменьшение продолжительности подачи сжатого воздуха в с)>орму вследствие по вышемия давления при нагревании.

Важным фактором при экструзионно-раздувном формовант является вытяжка заготовки под действием собственного веса, ко торая усиливается при повышении температуры и снижении мо лскулярной массы полимера. Длину трубчатой заготовки, при дос тижении которой происходит ее резкое вытягивание, принято на зывать критической (/£). Значение для полиэтилена высокого давления с индексом текучести ИТ = 2,0 г/10 мин составляет, па пример, 25 см, а для полимера с ИТ = 0,2 г/10 мин оно увеличивл ется до 70 см. Повышение скорости экструзии способствует hoi растанию Ц: при линейных скоростях экструзии 1; 2 и 3 м/с значение 11 составляет для полиэтилена 20, 30 и 40 см соотва* ственно 118].

Вытягивание заготовки под действием собственного веса яшм ется основной причиной получения изделий с большой разного;!- щинностью стенок в продольном направлении (по высоте). Дам изделий цилиндрической формы разнотолщинность но высок* служит важнейшим критерием разнотолшинности продукта, гак как неравномерность толщины стенок по периметру (по попереч ному сечению) для таких изделий при удовлетворительной нет ровке лорна относительно мундштука головки обычно незначи тельна и ее часто не учитывают.

При изготовлении изделий овального или прямоугольного по­перечного сечения наряду с продольной возможно появление по перечной разнотолшинности. Неравномерность толщины стенки по сечению может достигать 50 % |14|. Это вызвано тем, что при соприкосновении заготовки с ближайшими поверхностями офор*

м юношей полости формы полимер охлаждается, и раздувание в ной части (соответствующей, например, малым полуосям эллип - «.1 сечения) прекращается. Как правило, толщина стенок подлин­ным сторонам сечения некруглого изделия больше, чем по корот­ким сторонам.

Для устранения этого вида разнотолшинности необходимо пе­рераспределение материала по сечению заготовки, что проще всс - н» .достигается применением эллиптического мундштука при круг - юм лорне. Необходимую эллиптичность обеспечивают постепен­ным сжатием обычного круглого мундштука. Исследования |15|, проведенные с полиэтиленом высокого давления, показали, что увеличение сжатия мундштука приводит к выравниванию толщи­ны стенок изделия по поперечному сечению. Однако при олреде - u‘iiной степени сжатия мундштука (в пределах 1,02—1,08, в зави - • пмости от размеров изделия и толщины стенки заготовки) боль­шие стороны изделия становятся тоньше (особенно в средней части), а меньшие стороны утолщаются, т. е. разнотолщинность вновь начинает возрастать.

Формула для расчета зависимости оптимальной степени сжа - Iим мундштука (под которой понимают соотношения сторон фор­мующего инструмента а/b) от толщины стенки заготовки Sq имеет вид 115|:

а/b = Л63 - В5з + С,

При сжатии мундштук из цилиндрического становится эллип - шческим, но «живое» сечение формующего зазора должно при ном оставаться постоянным. Исходя из этого, несложно полечи­шь произведение полуосей ab оптимального эллипса в сечении • жатого мундштука:

Fe = Kab = FKp=n{D«f /А-

a* = (D»)2/4, (бЛ7)

| а и b — большая и малая полуоси эллипса соответственно; F, и Fxp — площади и шпеа и эквивалентного круга; — наружный диаметр заготовки.

Таким образом, используя формулу (6.16), с учетом коэффшш сита разбухания (i можно определить деформацию круглого муил штука, необходимую для получения некруглых полых изделии of стенками рапной толщины в поперечном сечении.