Теория и практика экструзии полимеров

ВНУТРЕННЕЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ВЫДУВНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Наибольшие трудности при выдувном формовании связаны с охлаждением изделий. Системы охлаждения можно разделить на внешние (охлаждение со стороны стенок формы) и внутренние (охлаждение изделия изнутри). В качестве хладагентов для вне­шних систем используют воду, растворы солей («рассолы»), смеси воды с этилен гликолем и др. При внутреннем охлаждении обычно применяют воздух и его смесь с водой.

В последнее время для этих целей начали использовать диоь сид углерода и жидкий азот. При внутренней системе охлаждении независимо от типа применяемого хладагента, охлаждается факт чески только изделие, а не форма, что неизбежно при использшы нии внешнего охлаждения.

Новые системы внутреннего охлаждения изделий позволим! существенно снизить время охлаждения и добиться повышении экономичности процесса раздувания полых изделий [30J.

Смесь воздуха и воды — один из наиболее эффективных am ним для охлаждения выдувных изделий. Сильно сжатый воздух вводы внутрь изделия при раздуве заготовки; при адиабатическом р. и ширснии воздух охлаждается. Небольшое количество воды уведи чивает теплопроводность воздуха. Количество подаваемой воды тщательно контролируют, так как оно в значительной степени он ределяет эффективность процесса.

Схема процесса охлаждения изделия изнутри смесью воздуха и воды показана на рис. 6.14. Воду / под большим давлением впрыскивают в емкость 3 с предварительно осушенным сжатым воздухом 2, откуда готовую смесь направляют в распылительно* сопло 6. После выхода из сопла в результате охлаждения воздуха капельки воды в смеси 7 превращаются в кристаллики льда <> включениями пузырьков воздуха. Кристаллики льда равномерно покрывают внутренние стенки изделия 9. При контакте с горячим полимером лед расплавляется, и высвобождающийся при этом boi дух ^мгновенно адиабатически расширяется; при этом в результат конденсации влаги на стенках емкости снижается ее температура

При достижении температуры ки пения влага испаряется и вместе i циркулирующим воздухом покида ет изделие (позиции 4 и 5).

Давление сжатого воздуха дол а но превышать 6,3 МПа; для смеси воды и воздуха оно составляет на входе в изделие 7,0—7,7 МПа.

Содержание влаги в воздухе должно быть небольшим. Экспе риментально установлено |31|, что для охлаждения, например, буты лей из Г1Э емкостью 1,14 дм ' на каждый рабочий цикл необходимо 0,9—1,0 м3 воздуха, содержащею около 0,5 см3 воды. При правши, ном режиме охлаждения внутрен няя поверхность изделий перед их,_ извлечением из формы должна

£ SSSTVSK быть совершенно сухой. Фирм..

ВОдЫ «Нипкаг» рекомендует [30|, напри­
мер, подавать сжатый воздух при температуре 5,6 °С и содержа­нии влаги менее 0,25 см3 на I дм3 емкости изделия со скоростью

Ч> м3/мин. При этих условиях температура смеси при поступле­нии внутрь изделия понижается до -4,4 ХГ, что вполне достаточно I hi образования кристаллов льда.

Эффективность описанного способа охлаждения значительно имше, чем при охлаждении воздухом, и увеличивается с возрас - инием толщины стенок изделия. Время охлаждения раздувных и iзелий уменьшается в среднем в 2 раза. По-видимому, эффект миной системы охлаждения основан не на теплоотводящей i иособности воды как таковой, а на непрерывном образовании испаряющейся пленки воды на поверхности изделия. Высокая н и лопроводность водяной пленки способствует быстрому отводу н-нла от стенки к изделию.

Холодный воздух (без влаги) также можно использовать для внутреннего охлаждения изделий. В одном из известных конст­руктивных решений системы охлаждения |3()| атмосферный воз­ил пропускают через блок охлаждения, в котором влагу вы мора - кивают на поверхностях одного из двух теплообменников, в то время как другой аппарат размораживают. Охлажденный до — 50°С н осушенный воздух через узел раздува поступает в полость емкос - III. охлаждает ее и выводится через выпускной клапан.

В другой системе атмосферный воздух 1 циркулирует по замк­нутому контуру (позиции 2-11), в который включено получаемое и i юлие 9 (рис. 6.15). Продолжительность выпуска воздуха 5 с по­мощью ряда клапанов 4, 6, 7 регулируют так, чтобы обеспечить постоянство давления внутри изделия. При этом достигают посто­янной смены охлаждающего воздуха без изменения заданного hilyrpemicro давления. Кратность смены воздуха в течение одного никла формования определяется отношением давления в начале раздува к давлению при сбросе воздуха и регулируется с помощью реле времени.

Жидкий диоксид углерода также используется для внутреннего ох­лаждения емкостей. Схема охлаждения раздувных изделий с приме­нением этого хладагента показана на рис. 6.16. При контакте жидко­сти с горячими стенками сосуда она испаряется,

Рис. 6.16. Схема охлаждена* выдувных ишелнй жидким дн оксидом углерода:

I - подача диоксида углерс 2-4 - впускные вентили; 5. II напрамемие удаления диоксид* углерода; 6. 7 - выпускные венпг ли; S - сопло; 9 - изделие; 10 подуформы

оксил углерода, впрыс* киваемый внутрь изде­лия при давлении, на­пример, 2,1 МПа, имесг температуру —18 *С. При его адиабатическом расширении образу ется двухфазная смесь, содержащая 82 % жидкости и 18 % газа (СОт) и имеющая температуру —50 "С |31|. При правильно поло бранном диаметре входного отверстия жидкий диоксид углерода н мелкодиспергированном виде попадает на внутреннюю поверх­ность изделия, причем при расширении газа (и охлаждении поли­мера) энтальпия хладагента повышается от 382,2 до 705,6 кДж/ki Разность в 323,4 кДж/кг соответствует теплоотводу при данном способе охлаждения.

Ниже приведены данные по сравнительной оценке описанных выше систем охлаждения с использованием цилиндрической мо­дели массой 55 г и толщиной стенки 0,8 мм, изготовленной in ПЭНД при начальной температуре заготовки 177 °С |30|.

Аналогичные результаты получены для изделий из различ­ных полиолефинов в условиях промышленного производства 132 J. Технико-экономические показатели зависят от конфигура­ции, массы и размеров выдувных изделий. Приведенные дан­ные позволяют сделать вывод, что углекислота с температурой до —30 *С обеспечивает по сравнению с воздухом и его смесью с водой наиболее выгодные параметры теплоотвода от стенок вы­дувных изделий. Экономическая эффективность еще более воз­растает при использовании одной системы охлаждения на не­сколько выдувных агрегатов, например инжекционного типа (см. табл. 6.2).

Жидкий азот начали использовать для раздува и охлаждения изделий сравнительно недавно (32, 33). Находящийся под давле­нием в мерной емкости жидкий азот вводят но гибкому трубопро­воду через одно или несколько сопел на торцевой поверхности дорна головки в полость формы, куда предварительно экструдиру­ют трубчатую заготовку. В форме развивается давление газообраз­ного азота порядка 0,8—0,9 МПа, под действием которого заготов­ка формуется, как и в случае применения сжатого воздуха. Высо­кая эффективность охлаждения азотом объясняется его большим «хладосодержанием», которое составляет около 405,3 кДж/кг [33|.

При запуске системы в работу вначале в полость формы посту-

паст газообразный азот, так как после выхода из мерника он быст­ро испаряется в подводящем трубопроводе. По мере охлаждения фубопровода и концевой части дорна в форму подается смесь жид­кого и газообразного азота и, наконец, через некоторое время — юлько жидкий азот. В форме предусматривают дополнительное сопло (или дроссель) для сброса части азота в атмосферу. Это еще оольше интенсифицирует процесс охлаждения из-за некоторой циркуляции газа в форме и охлаждения отходящим азотом наруж­ной стенки дорна. Водяного охлаждения дорна не требуется, по­тому он прост по конструкции и сравнительно дешев. Давление раздува составляет 0,5— 1 ,б М Па.

При охлаждении жидким азотом качество изделий улучшается и шгодаря тому, что между горячей заготовкой и хладагентом об­разуется топкая паровая прослойка, препятствующая слишком быстрому охлаждению и способствующая равномерной теплоот­даче по всей поверхности изделия. Благодаря малым внутренним напряжениям изделия, изготовленные экструзионным выдувани­ем с охлаждением жидким азотом (так называемым «криогенным способом»), отличаются пониженной склонностью к растрескива­нию при сохранении всего комплекса физико-механических свойств |30|. Некоторое снижение степени кристалличности тер­мопластов. по-видимому, компенсируется равномерностью рас­пределения внутренних напряжений.

Новый способ имеет также определенные преимущества перс л охлаждением жидким диоксидом углерода: возможность исполь зова ния азота для раздува, очень высокий градиент температур при охлаждении заготовки. Для заготовок из полиолефинов, на гретых, например, до 200 °С, перепад температур между жидким диоксидом углерода и полимером составляет 230 вС, в то время как при охлаждении жидким азотом этот перепад составляет око ло 386 °С. Кроме того, газообразный азот вследствие большею объемного расширения способствует повышению турбулентности потока в форме, что увеличивает коэффициент теплоотдачи от ш готовки. Жидкий азот в качестве хладагента для выдувных изделии свободен от некоторых недостатков, присущих углекислоте, таких как неполная испаряемость и образование «сухою льда», а также скопление в нижней части формы из-за относительно высокой плотности.

При изготовлении бутылей и канистр из полиолефина емкое* тыо от 1 до 60 дм3 расход азота колеблется в пределах 0,32—0,80 м на I кг полимера |20|. Удельный расход азота зависит от габаритов изделия, толщины стенок, типа полимера и целесообразной по технологическим соображениям скорости охлаждения. Последнее связано с обшей эффективностью выдувного агрегата.

При испарении 1 кг жидкого азота образуется 228 дм3 газа при температуре кипения (—196 °С) или 800 дм3 при 0 °С. Столь боль­шое расширение позволяет выдувать и охлаждать изделия без при­менения сжатого воздуха, только за счет азота. Однако для изде­лий емкостью >2-5-5 дм3 может оказаться целесообразным комби­нированный метод охлаждения, при котором для первоначального раздува используют смесь сжатого воздуха и азота с температурой -(120+140) °С, а по достижении в форме давления 0,5—0,6 МПа подачу воздуха прекращают и вводят только жидкий азот. Сравни­тельные опыты по изготовлению бутылей емкостью 5 дм3 и массой 200 г из ПЭНД показали |19|, что замена воздуха на азот в систе­мах раздува и охлаждения позволяет уменьшить цикл формования от 23 до 18,4 с и увеличить производительность от 313 до 391 шт./ч, т. е. в среднем на 25 %.

Эф4мжтивность применения жидкого азота еще более возраста­ет при изготовлении крупногабаритной тары. Так, при раздувании канистр емкостью 30 дм3 и массой 1,5 кг из ПЭНД время цикла уменьшалось от 76,5 до 59 с, за счет чего производительность агре­гата возрастала на 30 % |19|. Удельный расход жидкого азота при этом был относительно низким — 0,2 кг на 1 кг ПЭ. Для изделий объемом от 0,14 до 120 дм3 и массой от 24 до 5500 г повышение производительности может колебаться в пределах 22—63,5 %.

Небольшие капитальные затраты, связанные с установкой до­полнительного оборудования, необходимого для криогенного раз­дува, быстро окупаются. Такое охлаждение наиболее эффективно в крупносерийном производстве, когда к одному мернику азота
можно подключить несколько экструзионно-выдувных агрегатом. 11лконец, к достоинствам жидкого азота в качестве хладагента слс - 1ует отнести отсутствие влаги, его нетоксичность, физиологичес­кую безвредность, что обеспечивает высокую стерильность и безо­пасность производства.