Теория и практика экструзии полимеров

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭКСТРУЗИОННО-РАЗДУВНОГО ФОРМОВАНИЯ НА КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ

Температурные режимы формования и охлаждения. Параметры получения объемных изделий могут колебаться в широких пре­делах в зависимости от типа и марок исходного сырья, коиструк - швных особенностей оборудования (в первую очередь, парамет­ров шнека экструдера, головки и системы охлаждения заготов­ки), геометрической конфигурации, размеров и толщины стенки изделия и т. д. Поэтому можно указать лишь усредненные тем­пературные режимы переработки, которые могут служить отправ­ными данными при технологической наладке агрегатов (табл. 6.1) 127, 281.

Температурные режимы переработки одного и того же обратим полиолефинов могут существенно изменяться в зависимости oi основных параметров экструзионной машины. Сказанное мял им трируется, например, приводимыми ниже данными по nepcpaOoi ке ПЭНД в высококачественные изделия одного и того же типа « помощью двух агрегатов на базе экструдеров со шнеками различ ной конструкции (55):

Относительно высокие температуры по зонам экструдером и этом примере объясняются, по-видимому, применением шнекой сравнительно небольшой длины (L/D равно 15 и 20). В больший стве современных выдувных агрегатов используют экструдеры со шнеками, L/D которых равно 20—25 (и даже 30), степень сжатия в пределах 3 : 1+4 : 1 (для ПП предпочтительно 4 : 1) и постоянным шаг винтовой нарезки (обычно равный наружному диаметру шне ка). Шнек должен обеспечивать плавное возрастание давлении массы и выход экструдата без пульсаций во избежание колебаний толщины стенки и массы формуемых изделий. Как правило, к по догреву или охлаждению внутренней полости шнека при экстру­зии заготовок из ПО не прибегают.

Другим важным параметром является температура формы. I г конструкция должна предусматривать возможность интенсивною охлаждения изделия, особенно в зоне горловины и дна. Охлаждс ние обеспечивают циркуляцией жидкого теплоносителя в каналах форм. Удовлетворительного охлаждения изделий можно добиться при использовании воды с температурой не более 20X2 (предпоч­тительно 4—12 °С). Применение хладагентов с температурой ниже (ГС приводит к сильной конденсации влаги на поверхностях полуформ и даже к их обледенению. Хороших результатов дости­гают при разделении общего охлаждающего потока воды на от­дельные (зональные) рукава, направляемые к дорну головки, гор ловине, корпусу и дну полости формы. При автономном термо - статировании таких потоков обеспечиваются оптимальные температурные режимы охлаждения.

Для получения изделий из полиолефинов с хорошими эксплуа­тационными свойствами выдувные формы не должны быть холод­ными. Гак, для ПЭНД наилучшие показатели качества достига­ются при температурах форм около 55—60^С. Однако это справсл - шио лишь в рамках теоретических оценок, так как приводит к не­приемлемой для промышленной практики длительности стадии и ыждения и общего цикла формования. Поэтому обычно рабо - I. HOI при гораздо более низких температурах форм, чтобы сокра­ти, до минимума время охлаждения изделия.

При изготовлении крупногабаритных (толстостенных) изделий форма не должна охлаждаться резко, и часто цель термостатирова - мич <|юрмы сводится к уменьшению скорости охлаждения матери­ей Этого достигают применением в качестве теплоносителя воды и ли масла, нагретых до 40—60 °С, а иногда использованием элект­ронагревателей.

( увеличением параметра 6„ (толщина стенки изделия) время оч ыждения увеличивается. При слишком низкой температуре формы в материале возникают значительные термические напря­жения, которые могут быть причиной повышенной хрупкости из - ic шй. Это особенно опасно для толстостенных изделий из поли­пропилена (ПП). Резкое охлаждение приводит к образованию в поверхностных слоях мелкосферолитных структур, в то время как сердцевинные слои содержат сферолиты больших размеров, дос - I тающих иногда 200—350 мкм.

Медленнее охлаждаются те части объемных изделий, которые примыкают к горловине и дну, где происходит сваривание заго - говки. Так как горлышко раздувается значительно меньше, чем корпус, а дно практически совсем не раздувается, то толщина ма - и риала в этих зонах всегда оказывается больше, чем в стенках. Поэтому температурный режим и продолжительность охлаждения юлжны выбираться по одному из наиболее толстых участков про­екта. Тепло, сохранившееся в материале горловины, может при­водить к ее «осадке», деформированию и даже к слипанию изле­ти, сбрасываемых в сборник готовой продукции.

Время охлаждения зависит не только от толщины стенки, тем­пературы расплава и формы, но и от давления воздуха, подаваемо - ю на выдувание (см. ниже). Повышение давления раздува улучша - ei контакт материала со стенками формы и, следовательно, спо­собствует возрастанию коэффициента теплопередачи в системе полимер—металл. Аналогичный положительный эффект дает по­вышение плотности полимера. Переход от ПЭВД к ПЭНД сокра­щает длительность охлаждения изделия до температуры, при ко - трой оно может удаляться из формы без опасности повреждения.

Температурные условия формования оказывают также замет­ное влияние на внешний вид и качество поверхности изделий. Повышение температуры экструзии способствует улучшению по­верхностного глянца и снижению шероховатости, однако сопро­вождается возрастанием разнотолшинности стенок (вследствие вытягивании заготовки) и удлинением цикла формования (в пер­вую очередь, за счет времени охлаждения изделия). На практике приходится устанавливать наиболее целесообразную температуру

экструзии с учетом как внешнего вила изделий, так и прои июли тельности агрегата.

Температура материала влияет также на прочность сварною шва на горловине и донышке изделия. Повышение темпераiурм экструзии ослабляет шов, причем эта тенденция выражена сип. нее всего для ПП, что, по-видимому, связано с интенсификации! термоокислительной деструкции полимера в зоне сварки.

Давление раздува. Давление воздуха при формовании изделии из ПО может варьироваться в пределах от 0,15 МПа для ПЭВД и» 0,7 МПа для ПП. Повышение давления раздув;» до 0,5—0,6 N1IU способствует сокращению времени охлаждения и повышении! производительности агрегатов. Однако дальнейшее увеличен)!# давления воздуха оказывается бесполезным |8|. Как правило, но вышение давления раздува увеличивает прочность сварных твои и улучшает внешний вид изделий. Изготовление объемных изделии из полиолефинов относительно большой емкости (4 дм3 и более)# тонкими стенками (0,6—1 мм) требует быстрого повышения дли ления внутри заготовки, что возможно при использовании подан» щих каналов с большой пропускной способностью |29|.

Подача воздуха с высокой скоростью обеспечивает компепен цию усадки полиолефинов. При этом скорость повышения давле­ния при формовании изделий из ПП должна быть несколько мет. шей, чем для линейного ПЭ. Это объясняется тем, что вязкое п. расплава ПП при температурах формования, как правило, ниже, чем у ПЭ, и слишком большое давление раздува может быть при чиной разрыва заготовок. Кроме того, усадка ПП при охлаждении также меньше, чем усадка линейного ПЭ (для ПП она составляй 1—2,5 %, а для линейного ПЭ — 2—5 % |29)). Давление воздуха при раздувании мелких изделий из ПП задается обычно равным 0,2.у •» 0,28 МПа, а при раздувании крупногабаритных и толстостенных изделий — 0,30—0,35 МПа. При изготовлении тары из ПЭНД это» параметр возрастает соответственно до 0,3—0,4 М11а.

Усадка полиолефинов. Усадка приводит к тому, что размеры из делий практически не совпадают с соответствующими размерами полостей выдувных форм. В порядке возрастания усадки (и разлп чия в геометрических параметрах изделий и форм) ПО можно рас­положить в следующий ряд: ПЭВД—ПП —ПЭНД. Основная при чина усадки материала — релаксация упругих деформаций, имев­ших место при вытягивании (продольная усадка) и раздуве заготовки (поперечная или радиальная усадка). Заранее оценить величину и характер усадки при охлаждении выдувных изделий (особенно сложной конфигурации) трудно, поэтому размеры усадки определяют эмпирически, при различных режимах перера­ботки. На величину усадки влияют технологические режимы про цесса (в первую очередь температура головки и формы, коэффици­ент раздува), плотность перерабатываемого термопласта, конфигу­рация и размеры изделия. С увеличением плотности материала ■пачка изделий возрастает из-за высокой степени кристалличнос- III полимера. Усадка растет также при повышении коэффициента |м шува, так как при этом возрастают остаточные напряжения в и шел и и.

Характер влияния температуры формы на усадку сложен. С од­ним стороны, понижение температуры формы приводит к «замо­раживанию» внутренних напряжений в материале, что является причиной высокой усадки, но с другой стороны, более резкое ох­меление способствует тому, что изделие быстрее приобретает прочность, жесткость и формоустойчивость, затрудняющие реа - III шпик» усадки. Практика показывает, что более важным оказы­ваемся второй фактор: при снижении температуры формы в боль­шинстве случаев усадка выдувных изделий из полиолефинов уменьшается.

Удаление воздуха из полости форм. Этот фактор оказывает суше - ||ценное влияние на качество поверхности изделий. Воздушные включения (пузыри) не приводят при раздувном формовании по - шюлефинов к появлению нагара («прожогов»), как это может иметь место, например, при литье под давлением, однако поверх - IIIк:гь изделий становится неровной и плохо воспринимает печать. Мри недостаточной эффективности системы удаления воздуха из н|и)странства между наружной стенкой заготовки и полостью фор­мы на поверхности изделия появляются продольные полосы. Кро­ме того, наличие остаточного воздуха вызывает в местах его скоп - 1сния плохое прилегание материала к форме и ухудшение условий охлаждения. Следствием этого становятся локальные утончения 11снки изделия, так как недостаточно охлажденный материал сильней растягивается («плывет») при раздуве. Улучшение усло­вий удаления воздуха достигается огрублением поверхности фор­мы. например в результате пескоструйной обработки. Если этого мероприятия недостаточно, то в застойных (тупиковых) зонах форм просверливают отверстия-«воздушники* глубиной около 3 мм и шаметром около 0,4 мм |29| или выполняют фрезерованием кольцевые канавки длиной 8—15 мм и глубиной 0,05—0,075 мм. Наличие подобных «выпоров» существенно улучшает глянец по­верхности изделий.