Список тематических статей

Метод раздува

Этот метод используется для получения рукавной пленки с помощью экструзионных головок.

Технологическая схема производства.

Подсушенные гранулы пневмотранспортом подаются в бункер экструдера. Под действием силы тяжести гранулы продвигаются вниз и заполняют межвитковое пространство шнека в зоне загрузки. Вращающийся шнек продвигает полимер вдоль цилиндра в формующую кольцевую, угловую головку. В головке расплав рассекается дорном и, выходя, имеет форму цилиндра.

Для придания ему формоустойчивости экструдат охлаждается снаружи воздухом, поступающим из щели полого кольца. Момент затвердевания расплава (а для кристаллизующегося полимера – кристаллизация) фиксируется появлением характерной границы помутнения рукава, так называемой линии кристаллизации. До этой линии экструдат-рукав растягивается по длине тянущими валками и раздувается воздухом, находящимся внутри рукава по диаметру.

Для начала раздувания рукава в дорне головки имеется специальный канал для воздуха, 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.

Движение пленки и ее вытяжка осуществляются обрезиненной, плотно прижатой к пленке парой валков.

Далее рукав в сложенном виде может либо разрезаться по бокам ножами и наматываться в две бобины одинарным слоем, либо не разрезаться и наматываться двойным слоем на одну бобину.

Отрезанные две кромки поступают на переработку в гранулятор и вновь добавляются в первичный полимерный материал.

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 обрезки кромок; 10 – намоточное устройство; 11 – кромки, отрезанные от пленки; 12 – патрубок подачи сжатого воздуха для раздува рукава

На рисунке 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.

1) 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.

2) Отвод рукава в горизонтальном положении 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. При получении толстых пленок рукав прогибается под действием силы тяжести, что приводит либо к его обрыву, либо к большой разнотолщинности.

3) При отводе рукава вниз можно использовать ту же угловую головку, что и при схеме отвода вверх. При получении толстых пленок наблюдаются значительная самопроизвольная вытяжка экструдата или даже обрыв под действием силы тяжести пленочного рукава. Поэтому данный способ применим к получению тонких пленок.

Особенно актуален данный способ для производства пленок из полипропилена, так как другие способы не приводят к приемлемым результатам. При приеме рукава в воду резко уменьшается время его охлаждения, процесс интенсифицируется. Кроме того, при резком охлаждении расплава происходит большая аморфизация кристаллизующихся полимеров. Применение охлаждающей циркуляционной воды и соответствующего оборудования удорожает установку.

Основное оборудование.

При производстве пленок применяются экструзионные установки с длинными шнеками для устранения пульсации расплава. Применяются экструдеры с L/D = 20/25, с D от 20 до 90 мм (иногда до 120 мм). Пленки получаются после вытяжки и раздува толщиной от 10 до 300 мкм с колебанием толщины ±10%.

Основным требованием к экструзионным головкам является постоянство сопротивления текущему расплаву в каналах формующего инструмента и, как следствие этого, постоянство скорости выхода экструдата по всему периметру формующей щели.

Точность регулирования зазора формующей части головки определяет в дальнейшем величину разнотолщинности пленок. 

Схема угловой кольцевой головки:

1 – регулируемые губки головки; 2 – дорн; 3 – дорнодержатель; 4 – канал для подачи воздуха на раздув рукава

Конструкция головки должна предусматривать полное выравнивание скорости течения расплава по периметру щели. Щелевой зазор регулируется при помощи микровинтов.

По мере забивания сеток (металлических или металлокерамических) посторонними включениями их сопротивление возрастает, что служит сигналом для их смены. Сетки могут меняться либо с остановкой машины и демонтажом, либо без остановки.

Во втором случае фильтрующие ленточные сетки должны непрерывно двигаться, входя чистыми в экструдер и выходя из него загрязненными.

Современные установки оснащены аппаратурой, обеспечивающей:

1) контроль и автоматическое регулирование температур по зонам;

2) контроль давления расплава до и после сеток;

3) контроль толщины экструдата, формующего зазора, толщины пленки;

4) бесступенчатое регулирование частоты вращения шнека;

5) контроль за потребляемой мощностью экструдера;

6) бесступенчатое, плавное изменение скорости приемно-тянущих валков;

7)автоматическую подкачку воздуха внутрь рукава для постоянства его раздува.

Желательно иметь установку для обеспечения циркуляции воздуха, сам воздух должен быть осушен и охлажден. Экструзионные агрегаты должны быть оснащены контрольно- управляющими приборами для поддержания постоянства диаметра раздуваемого рукава; устройствами для снятия статического электричества с разрезаемого и наматываемого пленочного полотна.

Для точного регулирования щелевого кольцевого зазора применяют микровинты, управляемые автоматизированными системами контроля толщины пленки. Для интенсификации процесса охлаждения пленки выше линии кристаллизации применяют дополнительные обдувочные кольца или ряд вентиляторов с индивидуально регулируемыми частотами вращения двигателя, а также складывающие пленку щеки с полостями для циркуляции охлаждающей воды.

Для получения пленок с постоянным диаметром рукава с целью интенсификации процесса производства используют охлаждаемые водой металлические насадки. При контакте горячей пленки с холодной поверхностью насадки пленка быстро охлаждается, после чего она сразу складывается и наматывается.

Для разрезания рукава в продольном направлении при получении широкого однослойного полотна применяют нож, разрезающий рукав только с одной стороны (бескромочный способ). Специальное устройство разворачивает рукав и сматывает его в один рулон. В этом случае плоская пленка имеет двойную ширину.

Для дополнительной ориентации макромолекул на стадии получения экструдата применяют головку с вращающимся дорном, что создает потоки полимерного расплава на внутренней стороне рукава, имеющего благодаря этому ориентацию молекул в радиальном направлении (по спирали с учетом скорости выхода рукава из щели).

Видно, что температура зоны I выше температуры плавления, хотя полимер здесь не должен плавиться. Причина этого заключается в том, что температурные диапазоны таблице следуют из показаний термопар, расположенных в теле цилиндра близко к нагревательным элементам.

Поэтому они не отражают истинной температуры полимера в этой зоне. Для машин с диаметром шнека более 60 мм предусмотрено охлаждение последнего водой, и, следовательно, температура гранул, примыкающих к его поверхности, ниже.

Температурные режимы, приведенные в таблице, зависят также от конструкции машин, типа нагревательной системы, месторасположения термодатчиков и тому подобных и могут колебаться в широких пределах.

Большое значение имеют величины давления расплава до сеток и после них (в головке). При переработке ПЭНП давление до сеток может быть в пределах 15-25 МПа, после сеток 10-15 МПа; для ПЭВП – соответственно 18-28 и 13-18; для ПП – 20-30 и 15-20. Частота вращения шнека зависит от его геометрии, от L/D, от D, размеров пленки и так далее.

Раздув, вытяжка и охлаждение заготовки-рукава. Выходящая под небольшим давлением с определенной скоростью Vэ экструзионная трубчатая заготовка подвергается охлаждению воздухом через кольцо и в большинстве случаев вытягивается по длине – тянущими валками и раздувается по ширине воздухом, подаваемым внутрь рукава. Поэтому рукав должен обладать максимальной деформационной способностью, которая достигается за счет применения расплава с меньшим ПТР.

Процесс деформирования рукава происходит в интервале между головкой и линией затвердевания, а охлаждение продолжается вплоть до сжатия пленки тянущими валками. Таким образом, до линии кристаллизации происходит:

1) разбухание (увеличение толщины) экструдата относительно размера кольцевого зазора головки;

2) растяжение и/или раздув трубчатой заготовки;

3) охлаждение расплава;

4) кристаллизация (для кристаллизующихся полимеров).

Эластическое разбухание экструдата происходит в результате реализации накопленной высокоэластической деформации полимерного расплава. Высокоэластическая деформация расплава образуется при прохождении его в формующих каналах головки, а ее величина тем больше, чем выше напряжение сдвига.

Вытяжка и раздув рукава приводят к утонению заготовки и к ориентации цепей макромолекул в пленке (упрочнению). Количественно вытяжка может быть оценена степенью вытяжки eв:

eв = Vпл/Vэ

где Vпл – скорость движения пленки после тянущих валков, равная линейной скорости вращения тянущих валков; Vэ – скорость выхода экструдата из головки.

Соответственно, степень раздува eв определяется как

eр = Dp/dэ

где Dp – диаметр раздутого рукава; dэ – диаметр рукава, выходящего из кольцевого зазора головки.

Толщина пленки dпл может быть рассчитана как

dпл = dэ/(eрeв)

здесь dэ – толщина экструдата (пренебрегая разбуханием расплава, можно считать dэ = dщ, где dщ – толщина кольцевого зазора щели головки)

Общая величина деформации экструзионной рукавной заготовки оценивается как

eобщ = dэ/dпл = eрeв

Предварительно рассчитав производительность экструдера Q, например по уравнению, можно подсчитать скорость Vэ:

Vэ = Q/(rdэdщ)

 где произведение dэdщ – площадь поперечного сечения рукавной заготовки- расплава; r – плотность расплава.

Практически для получения рукавных пленок из полиэтиленов используются величины eр ~ 2,5- 3,5 и eв ~ 1,5 – 3,0.

Большие значения eр и eв приводят к снижению стабильности размеров рукава, заметному проявлению недостатков конструкции оснастки и равномерности охлаждения. С увеличением eр и eв возрастает ориентация макромолекул, что ведет к увеличению механических характеристик изделия. Изменяя соотношение eр/eв, удается получать пленки, ориентированные, равнопрочные или с заданной прочностью в продольном и поперечном направлениях.

Охлаждение и кристаллизация полимерного рукава необходимы для регулирования скорости ориентации и кристаллизации до линии кристаллизации, а выше ее – для охлаждения твердой пленки до температур, при которых полотно не будет повреждаться и слипаться, проходя между складывающими щеками и далее в зазор между тянущими валками.

Время охлаждения пленки лимитирует скорость ее отбора, то есть производительность экструдера. Для увеличения интенсивности охлаждения при тех же габаритах установки и здания можно применять дополнительные вентиляторы, воздуходувки, охлажденный воздух и тому подобные.

Охлаждение рукава – обычный процесс передачи тепла от горячей поверхности к окружающей среде. Для расчета времени охлаждения используются обычные формулы, по которым можно определить высоту линии кристаллизации и уровень расположения тянущих валков.

Последнее особенно важно, так как пленка, например из ПЭНП, не может иметь температуру выше 50-60°С к моменту ее попадания в зазор между тянущими валками. С учетом силы сжатия рукава при более высоких температурах будет происходить слипание рукава.

Большая часть вытяжки в продольном направлении реализуется ближе к формующей части головки, а раздува- ближе к линии кристаллизации (но не выше ее!). Изменяя скорость вытяжки, температуру и интенсивность охлаждения рукава, форму рукава, а следовательно и свойства пленки, можно получить рукав следующих форм.

Форма а соответствует высокому расположению линии кристаллизации, что приводит к недостаточному охлаждению деформируемого рукава. Пленка вначале растягивается в длину, а затем в ширину. Это сопровождается частичной переориентацией макромолекул.

Форма б соответствует нормальной величине при хорошей интенсивности охлаждения. Продольная и поперечная, ориентации при вытяжке и раздуве осуществляются почти одновременно. Пленка получается равнопрочной и равнотолщинной.

Форма в соответствует резкому интенсивному охлаждению рукава, линия мала. Пленка имеет преимущественно поперечную ориентацию, а для некоторых видов полимеров происходит уменьшение степени кристалличности.

Некоторые типичные формы рукавов пленки:

H – высота линии кристаллизации.

Форма г соответствует неравномерному обдуву пленки охлаждающим воздухом по периметру. Пленка разнотолщинна, рукав несимметричен.

Для большинства пленок, отвечающих общим требованиям к свойствам, в зависимости от их толщины значение Н колеблется в пределах 0,3-2 м. Чем толще пленка (и соответственно экструзионная заготовка), тем больше H, и наоборот.

Влияние параметров переработки на свойства рукавных пленок.

Для экструзии полимерной пленки применяют материалы с весьма ограниченным диапазоном ПТР. Основные технологические параметры также меняются в узких пределах, чтобы обеспечить формоустойчивость рукава. При варьировании H, eв и eр происходят самые значительные изменения механических и других свойств готовых пленок.

Зависимость мутности М от числа оборотов N шнека при экструзии рукавной пленки из ПЭНП

Влияние высоты линии кристаллизации (H) на глянец Г(1), мутность М(2), ; светопропускание Сп(3) рукавных пленок из ПЭНП

На рисунке показано влияние Tэ и N на некоторые характеристики пленки при условии постоянства других технологических параметров процесса.

Увеличение глянца и уменьшение коэффициента трения пленок с ростом Tэ позволяют говорить о том, что при этом уменьшается эластическая турбулентность расплава, полнее проходят релаксационные процессы. При увеличении. Tэ уменьшаются макродефекты (продрльные полосы, локальные утолщения,дефекты типа «рыбий глаз», «гелики» и так далее), изменяется надмолекулярная структура, определяемая температурой и временем кристаллизации. Повышение Tэ, а также увеличение ПТР ведет к улучшению оптических свойств пленок. Поэтому для получения одновременно гладких и блестящих пленок рекомендуется повышать Tэ или снижать значение N. Для этих целей лучше применять полимер с минимально допустимой молекулярной массой.

Изменение режимов охлаждения пленки существенно влияет на ее оптические свойства и отражается в такой комплексной характеристике, как высота линии кристаллизации H. Чем выше H, тем более длительное время расплав охлаждается. С учетом того, что в это же время поисходит одно- или двухосная вытяжка пленки, структура изделия претерпевает значительные изменения.

Так, с увеличением Н за счет либо уменьшения интенсивности обдува заготовки,· либо увеличения частоты вращения шнека N или Тэ растет мутность пленки из ПЭНП. Это связано с тем, что возрастает время кристаллизации полимера, происходит формирование более крупных надмолекулярных образований, то есть возрастают структурные неоднородности пленок. Начиная с H = 200-300 мм и выше глянец пленки также уменьшается.

Зависимость разрывной прочности sп от степени вытяжки ев рукавной пленки из ПЭНП:

1 – в продольном и 2 – в поперечном направлении вытяжки.

Зависимость колебания средней толщины (разнотолщинности) D пленки из ПЭНП от толщины формующей щели dщ (1, 2) и степени раздува eр рукава (1', 2'): 1,1' – в поперечном и 2, 2' – в продольном направлении длины.

При условии постоянства eр и eв с увеличением H прочность практически не меняется, но несколько возрастает модуль упругости, что свидетельствует о небольшом росте степени кристалличности.

Наиболее существенное влияние на прочностные свойства пленок оказывают величины eр и eв. Действительно, с увеличением, например, eв благодаря возрастанию ориентации макромолекул существенно возрастает sр. При одновременном возрастании eр и eв прочность пленок увеличивается в обоих направлениях. С возрастанием sр разрывное удлинение образцов несколько уменьшается. Возрастание sр при раздуве или вытяжке у пленок относительно невелико, так как в расплавленном состоянии доля высокоэластической деформации мала из-за интенсивных процессов релаксации ориентируемых макромолекул.

Существенной характеристикой качества пленки является ее разнотолщинность. Универсальной зависимости влияния тех или иных параметров технологии на разнотолщинность нет, так как значительное влияние оказывает равномерность охлаждения, тип машин, качество выполнения щелевой кольцевой головки, точность регулирования зазора щели, гомогенность расплава и так далее. Однако опыт подсказывает некоторые общие закономерности.

На рисунке показано, как меняется разнотолщинность D полиэтиленовых пленок в зависимости от ширины зазора в головке dщ и степени раздува рукава eр. Из этого рисунка следует:

1) при очень малом или слишком большом зазоре dщ значение D больше, чем при оптимальном dщ;

2) с увеличением вытяжки пленок D возрастает.

Последнее связано с тем, что чем больше eр, eв расплава, тем в большей степени сказываются разнотолщинность экструдируемого рукава, его температурная неоднородность: участки с меньшей толщиной или большей температурой утончаются в большей степени, чем соседние – толстые или менее нагретые.

Большое влияние на геометрическую стабильность при повышенных температурах оказывает ориентация пленок. Чем выше ориентация (и прочность), тем больше усадка пленок. Это свойство может быть полезным для специально получаемых усадочных пленок, применяемых для упаковки различных предметов.

Виды брака при производстве рукавной пленки.

Как следует из предыдущего, при изменении технологических параметров процесса свойства пленок могут даже выходить за рамки, оговоренные в технических условиях.

Так, причинами пониженной прочности пленок могут служить:

1) недостаточно высокие значения eв и/или eр;

2) перегрев расплава полимера, приводящий к термодеструкции;

3) некондиционное сырье (повышенная влажность, остатки летучих веществ и тому подобных).

Повышенная разнотолщинность пленок может быть обусловлена:

1) неравномерностью зазора dщ по периметру и как следствие этого – исходной разнотолщинностью рукавной заготовки; в этом случае говорят о продольной разнотолщинности;

2) повышенным уровнем пульсации расплава (поперечная разнотолщинность) и/или колебаниями скорости вращения тянущих валков;

3) при очень больших eр и eв пленка может быть разнотолщинной в разной степени в зависимости от гомогенности расплава и его исходной разнотолщинности;

4) нестабильностью геометрического положения раздуваемого рукава, его подвижностью относительно оси симметрии (помимо разнотолщинности образуются складки при намотке).

Оптические дефекты типа «гелики», «рыбий глаз» возникают по нескольким причинам:

1) из-за попадания непроплавленных порций полимера в головку;

2) из-за слишком большого количества фракций полимера с большой молекулярной массой;

3) по причине значительного эластического разбухания расплава появляются искажения поверхности пленки в виде «дымчатости»;

4) из-за плохой гомогенизации расплава во II и III зонах экструдера и на сетках.

Грубые дефекты в виде пузырей или сплошных отверстий возникают в пленках из-за большого содержания влаги в исходном сырье.

Наиболее частым видом брака является образование искривленных складок рукава в поперечном направлении. Пленка, попадая в контакт с поверхностью складывающихся щек, должна иметь минимальное трение по их поверхности, и угол их расхождения должен быть таким, чтобы пути по боковым и центральным линиям были равны. Если трение велико и велика разность между длинами этих путей, то по мере складывания рукава на поверхности будут образовываться складки. Пленка не будет гладкой.

Для устранения этого дефекта рекомендуется обеспечивать по возможности минимальный угол расхождения щек. Однако уменьшение угла неизбежно вызовет увеличение эффективной длины контакта поверхности щек с пленкой. С увеличением эффективной длины щек растет поверхность соприкосновения их с пленкой, увеличивается сила трения, и посредине рукава также образуются складки. Для устранения этого необходимо либо уменьшить длину щек, либо применить специальную распорно- разглаживающую вилку, находящуюся внутри рукава на уровне складывания пленки.

Если в процессе пуска производства происходит «спайка» сложенного рукава и полотна плохо разделяются, то причина этого явления заключена в слишком высокой температуре пленки в момент ее попадания в зазор тянущих валков.

Гладкова Наталья