Технологические особенности переработки полимерных материалов методом экструзии

В таблице 1 представлен ряд полимеров, перерабатываемых в различные виды изделий методом экструзии. Наибольшая трудность возникает при экструзии расплава через кольцевую, трубчатую формующую часть головки. В этом случае полимерная расплавленная заготовка должна иметь наибольшую формоустойчивость. Поэтому марочный состав полимеров для такого типа изделий ограничен.[7]

 

Таблица 1. Предпочтительные способы  экструзии различных полимеров[7]

Полимер	Экструзия расплава через кольцевую, трубчатую головку	Экструзия расплава через профильную щель (плоскую, цилиндрическую, монолитную)
Полиэтилен	++	++
Полипропилен	++	++
Ацетилцеллюлоза	++	+
Поливинилхлорид: пластифицированный непластифицированный	++ +	++ +
Полистирол	+	++
Полиэтилентерефталат	+	++
Поликарбонат	+	++
Полиамид	++	++
Поливинилфторид	+	++
Поливинилиденхлорид	++	++

* Успешно применяемый способ (++); осваиваемый, возможный способ (+).[7]

 

Фракции полимера с большой  молекулярной массой труднее плавятся, что приводит к образованию мест оптической неоднородности и ухудшению свойств изделий.

 

1.2.3 Ассортимент изделий , области применения

 

Все изделия, получаемые на основе термопластов методом экструзии, могут иметь в принципе неограниченную длину. Поперечник изделий ограничивается главным образом диаметром шнека экструдера. Чем больше D, тем шире, толще могут получаться изделия. Наиболее распространенными изделиями, получаемыми методом экструзии, являются пленки, листы, трубы, профили различного сечения и конфигурации, сетки.[7]

 

Изготовление труб

Благодаря химической стойкости ко многим агрессивным средам, полиамиды успешно применяют для изготовления экструзией тонкостенных трубопроводов для транспортировки жидких продуктов под низким давлением или усиленных гибких шлангов гидравлических линий высокого давления.

В качестве весьма специфического примера  можно привести использование полиамидов для изготовления воздушных линий подачи типографской краски в прессах для печатания газет. В данном случае полиамиды успешно заменили медь. Полиамидные трубы выдерживают давление порядка 40—180 кгс/см2. Трубопроводы из полиамидов применяют в качестве питающих линий пневматических и гидравлических переносных устройств и зажимных приспособлений. Полиамидные трубопроводы могут легко окрашиваться в любой цвет, что весьма удобно, а их эластичность устраняет необходимость в использовании различных поддерживающих и зажимных устройств. При изготовлении трубопроводов необходимо в соответствии с конкретными условиями эксплуатации правильно выбрать тип полиамида. Например, ПА 66 и 6 обладают высокой прочностью и меньшей эластичностью — их лучше использовать в трубопроводах высокого давления, а ПА 11 и 12 — менее прочны, но более эластичны и обладают большей химической стойкостью.

В автомобильной промышленности полиамиды (в основном ПА 11 и 12) нашли широкое  применение для изготовления бензиновых шлангов, кабельной изоляции, сливных труб маслоотстойников, а также вакуумных линий, идущих от распределителя к карбюратору.

Полиамидные трубопроводы нашли применение в пищевой промышленности для  транспортировки сиропов и различных напитков и в химической промышленности для транспортировки щелочей. Следует учитывать, что соли цинка оказывают вредное влияние на ПА 66.

Для перемещения и нагнетания жидкостей  под высоким давлением, например в установках кондиционирования, лучше использовать гибкие шланги из усиленного полиамида. Одна из предложенных конструкций таких шлангов состоит из полиамидной сердцевины, усиленной оплеткой из полиамидных волокон, и внешнего слоя, изготовленного из стойкого к абразивному износу полиуретана. Полиамидная оплетка химически взаимодействует с полиамидной сердцевиной, а наружная оболочка — с оплеткой. Шланги такого типа применяют вместо обычных резиновых шлангов благодаря таким преимуществам полиамидов, как небольшая плотность и низкая стоимость. Еще одним преимуществом является меньшая скорость диффузии охлаждающих органических агентов, составляющая всего 1/10 от скорости диффузии через резиновые шланги с той же пропускной способностью. При использовании усиленных полиамидных шлангов могут создаваться эффективные системы охлаждения, включающие менее громоздкие, чем в других случаях, конденсаторы, компрессоры и остальные устройства.

 

Изготовление упаковочных материалов

Из полиамидов получают разнообразные  упаковки. Благодаря белому цвету, сочетанию  высокой прочности и эластичности, полиамиды применяют для изготовления жестких и полужестких упаковочных контейнеров. Жесткие контейнеры и бочки для транспортировки органических веществ часто футеруют однослойными листовыми или пленочными материалами, полученными из ПА 6 или 66. Медицинские инструменты герметично упаковывают в полиамидную пленку, а затем в таком виде стерилизуют.

Теплостойкую рукавную пленку используют для упаковки продуктов питания, которые можно разогревать вместе с упаковкой, при этом сохраняются все вкусовые качества свежего продукта.

Полиамиды 6, 610, 11 и 12 применяются  для вакуумной упаковки мяса и рыбы. При этом пленка плотно облегает упакованный продукт и затем заваривается для предотвращения порчи продуктов. Стерилизованные медикаменты одноразового пользования также упаковывают аналогичным образом в полиамидную пленку. Тонкослойными пленками из ПА 11 и 12 покрывают копченые колбасные изделия.

Пленка из ПА 6, дублированная  с полиэтиленом, получила широкое  применение для изготовления вакуумной эластичной упаковки скоропортящихся продуктов питания. Такая упаковка обладает высокой механической прочностью. Кроме того, она не пропускает кислород и какие-либо запахи, устойчива к воздействию жиров и масел. Слой полиэтилена повышает стойкость упаковки к действию влаги и прочность сварного шва. Свойства дублированной пленки в основном сохраняются как при низких, так и при высоких температурах.

Широкое использование полиамидные пленки, дублированные полиэтиленом, получили для изготовления мешков для упаковки мясных туш, поступающих на холодильные установки, а также хранение молотого кофе, различных замазок и мастик.

 

Изготовление деталей  с повышенной химической стойкостью

Полиамиды очень часто  применяют для изготовления деталей, подвергающихся воздействию химических реагентов. В качестве примера можно привести поплавки карбюраторов, клапаны аэрозольных упаковок, уплотнения насосов и различные фотопринадлежности. Кроме того, в настоящее время на ряде предприятий из полиамидов получают различные детали трубопроводов и фиттинги, например тройники, коленчатые трубы и муфты, ранее изготовлявшиеся из металлов [10].

 

1.3 Экструзия пленок

 

Экструзионное формование пленок из полиамидов может осуществляться как рукавным (экструзия с последующей раздувкой), так и плоскощелевым методами. Для получения рукавной пленки применяют высоковязкие полиамиды (их вязкость должна быть примерно в 10—12 раз больше вязкости полиамидов, используемых для нанесения кабельной изоляции). Температура в оформляющей головке должна быть на 5°С выше температуры плавления полиамида.

Обычно производство рукавной пленки включает наполнение экструдируемого рукава сжатым воздухом, поступающим через центральное отверстие в торпеде, и равномерное охлаждение заполненного воздухом рукава с его внешней стороны. Размеры пленки — ее толщина и ширина — регулируют давлением воздуха с внутренней стороны рукава и скоростью намотки на приемном устройстве. После охлаждения раздутого рукава полученная пленка складывается в плоское двойное полотно, протягивается между вытяжными валками и наматывается на бобины.

Получение пленки плоскощелевым  способом осуществляется путем выдавливания расплава через широкую щель формующей головки с последующим охлаждением экструдата на поверхности вращающегося барабана или водяной ванне. Для получения тонкой пленки используют полиамиды со средней вязкостью. Температуру оформляющей головки поддерживают на 15—20°С выше температуры плавления перерабатываемого полиамида. Из-за более резкого охлаждения степень кристалличности пленки, полученной плоскощелевым способом, обычно ниже степени кристалличности рукавной пленки, изготовленной из того же полимера.

Преимущества рукавного метода производства пленок состоят в универсальности и простоте регулирования как размеров, так и свойств, в минимуме отходов, возможности выпуска пленок с термоусадочными свойствами [10].

 

1.3.1 Технологическая схема производства

 

Экструзия – технология получения изделий путём продавливания расплава материала через формующее отверстие. Обычно используется в производстве полимерных, ферритовых изделий , а также в пищевой промышленности, путем продавливания расплава материала через формующее отверстие экструдера.

Экструзия представляет собой непрерывный технологический  процесс, заключающийся в продавливании  материала, обладающего высокой  вязкостью в жидком состоянии, через  формующий инструмен, с целью  получения изделия с поперечным сечением необходимой формы. В промышленности , с помощью переработки полимеров методом экструзии изготавливают различные погонажные изделия, такие ,как трубы, листы, пленки, оболочки кабелей, элементы оптических систем светильников – рассеиватели , и т. д. Основным технологическим оборудованием для переработки полимеров в изделия методом экструзии являются одночервячные, многочервячные, поршневые и дисковые экструдеры.

Экструдер – машина для  формования пластичных материалов, путем  придания им формы, при помощи продавливания через профилирующий инструмент.

Данная курсовая работа подразумевает более детальное  рассмотрения метода экструзии для  получения пленок, поэтому рассмотрим схему агрегата ,для получения  рукавной пленки, представленного на рисунке 7.[11]

 

Рисунок 7 - Схема агрегата для получения рукавной пленки:

1 — бункер;

2 — экструдер;

3 — кольцевая угловая головка;

4 — полое кольцо для воздушного  охлаждения рукава пленки;

5 — линия кристаллизации высотой  Н;

6 — складывающие щеки;

7— прижимные тянущие валки;

8— пленка;

9 — ножи для обрезания кромок;

10 — намоточное устройство;

11 — кромки, отрезанные от пленки;

12 — патрубок подачи сжатого  воздуха для раздува рукава.

 

Под действием силы тяжести  гранулы продвигаются вниз и заполняют межвитковое пространство шнека в зоне I. Вращающийся шнек продвигает полимер вдоль цилиндра во II, III зоны и в формующую кольцевую угловую головку. В головке расплав рассекается дорном и, выходя, имеет форму рукава. Для придания экструдату формоустойчивости он охлаждается снаружи воздухом, поступающим из щели полого кольца 4. Момент затвердевания расплава (а для кристаллизующегося полимера — кристаллизации) фиксируется появлением характерной границы помутнения рукава, так называемой линии кристаллизации 5. До этой линии экструдат-рукав растягивается по длине тянущими валками 7 и раздувается воздухом, находящимся внутри рукава по диаметру. Для начала раздувания рукава в дорне головки имеется специальный канал для воздуха 12, который соединен с воздуходувкой. Внутрь рукава воздух подается периодически по мере его диффузии через пленку и утечки через неплотности слоев пленки между тянущими валками. Вытянутая в двух либо в одном направлении, пленка после линии кристаллизации продолжает охлаждаться воздухом окружающей среды, а затем постепенно складываться расходящимися под некоторым углом складывающими щеками 6, выравнивающими длину пути различных участков по периметру рукава и предотвращающими появление поперечных складок. Движение пленки и ее вытяжка осуществляются обрезиненной, плотно прижатой к пленке парой валков 7. Далее рукав в сложенном виде может либо разрезаться по бокам ножами 9 и наматываться в две бобины 10 одинарным слоем, либо не разрезаться и наматываться двойным слоем на одну бобину. Отрезанные две кромки 11 поступают на переработку в гранулятор и вновь добавляются в первичный полимерный материал.

На рисунке 7 представлен  один из вариантов получения рукавной пленки с отводом рукава вверх. Однако наряду с этой схемой существуют и другие: отвод рукава горизонтально и вниз (на воздухе или в воде). Все названные варианты имеют свои преимущества и недостатки.

Отвод рукава вверх экономит производственные площади; рукав равномерно охлаждается по всему периметру  и высоте; пленки могут получаться большой толщины, так как рукав принимается (удерживается) тянущими валками. Поворот потока расплава на 90° в головке несколько удорожает стоимость изготовления оснастки [8]

Отвод рукава в горизонтальном направлении значительно удешевляет стоимость формующей головки, потоки расплава более равномерно выходят из формующей части по всему периметру. Поскольку тепловые потоки движутся снизу вверх, то при остывании экструдата и его деформировании верхняя часть будет иметь более высокую температуру, что и приведет к большей вытяжке и раздуву этой части пленки. Рукав будет иметь большую разнотолщинность.