Файл: 1 Начало промышленного производства ряда полимеров и пластмасс.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.01.2024
Просмотров: 334
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
0С; Tф – температура литьевой формы, 0С; Tи – температура извлекаемого изделия, 0С; К1 и К2 – коэффициенты, определяющие скорость охлаждения в зависимости от геометрической формы изделия (плоское изделие, параллелепипед, цилиндр и др.).
Для плоского изделия (пластина), у которого отношение ширины В к толщине h больше, чем f=B/h>2,5:
(4.14)
Для плоского изделия (параллелепипед) при f=B/h≤2,5:
(4.15)
Для цилиндрического изделия:
4.6.9 Влияние текучести на перерабатываемость термопластов и свойства изделий
Текучесть термопластов является одним из основных факторов, определяющих поведение материалов при переработке и качества получаемых изделий. Полимерные материалы с малой текучестью неудовлетворительно заполняют полости формующего инструмента. При переработке таких материалов требуются высокие температуры и давления формования. Повышение температуры приводит к удлинению производственного цикла, увеличению усадки изделий и возрастанию энергозатрат. Повышение давления способствует росту ориентационных напряжений в изделиях. Поэтому возрастает анизотропия механических свойств, уменьшается стойкость к растрескиванию, понижается температура коробления при эксплуатации изделий.
При литье под давлением пластмасс, имеющих малую текучесть, с целью понижения потерь давления в форме увеличивают площадь поперечного сечения каналов литниковой системы, что приводит к возрастанию потерь материала в виде отходов. При экструзии малотекучих термопластов в формующей головке возникают большие давления, что не позволяет достичь высокой производительности. При недостаточной текучести не всегда получаются изделия с ровной и глянцевой поверхностью.
Если полимерный материал обладает слишком большой текучестью, то вследствие возрастания обратного потока в канале червяка и потока утечки через гребни канала будет уменьшаться пластикационная производительность литьевого и экструзионного оборудования. Кроме того, возрастают утечки материала при впрыске в червячных и поршневых литьевых машинах. Это приводит к уменьшению максимального объема отливки и предельной скорости впрыска. Литьевые и экструзионные изделия из высокотекучих термопластов часто имеют несколько ухудшенные прочностные свойства и менее стойки к износу. Повышенная текучесть способствует получению разнотолщинных изделий и образованию облоя на изделиях.
Меры предупреждения брака при переработке термопластов с пониженной и повышенной текучестью. С целью повышения производительности процесса и улучшения качества изделий при переработке малотекучих материалов наряду с применением модификаторов свойств (фторсодержащих Additive-Masterbatch) можно применить следующее.
Конструктивно усовершенствуют отдельные узлы основного оборудования и формующего инструмента, используют специальные технологические приемы, при составлении полимерных композиций применяют пластифицирующие добавки и смазки.
Так при литье малотекучих полимеров для уменьшения потерь давления используют открытые мундштуки с большим диаметром канала. В литьевых формах увеличивают сечение и предельно сокращают длину каналов литниковой системы, а при литье крупногабаритных изделий увеличивают число впусков. Для получения качественных отливок используют специальные режимы формования – литье со ступенчатым (одно- или двукратным) сбросом давления, литье с предварительным сжатием расплава или режиме инжекционного прессования. При использовании указанных режимов обеспечиваются достаточно высокие давления литья и скорости впрыска на стадии заполнения формы и в то же время реализуются сравнительно небольшие давления формования на стадии выдержки под давлением, что позволяет добиться заполняемости формы при сравнительно небольших внутренних напряжениях в получаемых изделиях.
Для повышения формующей способности литьевого и экструзионного оборудования при переработке малотекучих полимеров можно использовать вибрационный режим формования, при котором благодаря интенсивному динамическому воздействию (ультразвука) на расплав существенно повышается скорости течения расплава в каналах формующего инструмента и предельная длина затекания материала в полость литьевых форм.
При переработке полимеров с очень высокой текучестью литьем под давлением желательно использовать червяки с малой глубиной нарезки, на концах которых устанавливается запорное кольцо или шариковой клапан для снижения утечек при впрыске. Мундштук должен иметь запорный клапан и быть хорошо притертым к литниковой втулке.
При литье под давлением и экструзии высоковязких полимерных материалов рекомендуется применять неохлаждаемые червяки с малой степенью сжатия и большой глубиной нарезки, при этом наконечник червяка должен иметь ровную, хорошо обтекаемую поверхность.
При переработке ряда высоковязких термопластов (в частности, полистирольных пластиков и полиолефинов) некоторого улучшения технологических свойств можно добиться, пропустив предварительно материал через дисковый экструдер, где за счет интенсивного сдвигового деформирования происходит механодеструкция полимера. Она приводит к увеличению низкомолекулярной фракции и сужению молекулярно-массового распределения. Наличие низкомолекулярной фракции, выполняющей роль смазки, улучшает текучесть полимерного материала, но при этом не ухудшаются физико-механические свойства изделий.
Тема Т6 Технология и оборудование для переработки термопластов методом экструзии
Несмотря на большое разнообразие применяемых экструдеров, основные узлы и детали у них общие, и основной частью, от которой зависят производительность, вид и размеры изделия является червяк. В зависимости от перерабатываемого сырья, а также от вида и назначения изделия применяются однозаходные и многозаходные червяки, с постоянным и переменным шагом, с постоянной или переменной глубиной нарезки.
В зависимости от выполняемой задачи червяк по длине делится на следующие функциональные зоны:
Lз = (2÷10)D;
На рис. 5.4 показаны конструкции типовых червяков одночервячных экструдеров (поз. 1÷9) и специальные червяки (поз. 10÷12). В ряде случаев переработки и получения полимерных композиций использование червяка без специальных зон или устройств оказывается неэффективным, т.к. не достигается требуемая степень диспергирования и смешения, в некоторых случаях требуется проведение дегазации расплава. Применение дополнительных зон диспергирования, смешения, дегазации позволяет улучшить качество материала, за счет высоких скоростей сдвига.
В зависимости от назначения и вида перерабатываемого материала применяются многочервячные экструдеры с различным расположением и конструкцией червяков (рис. 5.7).
В качестве смесителей для приготовления композиций из термопластов применяют дисковые (эффект Вайсенберга) и дисково-червячные экструдеры (рис. 5.8 и рис. 5.9), смесители типа ‘‘Ко-кнеттер’’ (рис. 5.10) (Швейцария, фирма Buss и К0). В этих смесителях червяк наряду с вращательным совершает и возвратно-поступательное движение, благодаря этому зубья в цилиндре многократно проходят через специальные продольные пазы в винтовой нарезке червяка. Намного увеличивается эффективность смешения и смятия полимера, т.к. траектория движения частиц имеет петлеобразное движение.
5.4 Формующие инструменты экструдеров (экструзионные и формующие головки)
Формующая головка экструдера представляет собой профилирующий инструмент, через который продавливается расплавленная полимерная композиция, принимающая заданную в сечении форму. Формующие головки бывают прямоточные и угловые, в которых поток расплава поворачивается вверх, вниз или в сторону. По типу выходящего профиля головки подразделяются на: круглые, щелевые, фасонные (профильные).
Формующие головки различают по образующемуся в них давлению: низкого давления – до 4 МПа; среднего давления – от 4 до 10 МПа; высокого давления – более 10 МПа. Часть головки, в которой оформляется профиль изделия, называется матрицей. При производстве трубных профилей внутри матрицы устанавливается дорн.
Для очистки расплава от загрязнений и увеличения давления в цилиндре экструдера в начале формующей головки устанавливает пакет фильтрующих сеток, опирающихся на решетку. Кроме того сетки оказывают влияние на степень гомогенизации и пластикации материала.
Трубная головка (рис. 5.11). В ней расплав материала, начиная с зоны втулки, поступает во внутреннюю полость корпуса, далее обтекает дорнодержатель и поступает в зазор между наружной поверхностью дорна и внутренней поверхностью матрицы, приобретает форму трубы. Затем поступает в калибрующий цилиндр, предназначенный для калибрования изделия по диаметру и частичного охлаждения. Калибрование трубы производится при помощи воздуха под давлением 0,015÷0,025 МПа через ниппель и систему каналов во внутреннюю полость трубы. Для предупреждения прилипания термопласта к калибрующему цилиндру подается воздух под давлением 0,005÷0,01 МПа.
Профильная головка для фасонных профилей (рис. 5.12). Для изготовления профильных изделий применяют прямоточные головки. В матрицу головки вставлена втулка, за которой по ходу расплава смонтирована решетка. Экструдируемый материал продавливается через выходное отверстие, приобретая профиль требуемых размеров.
Усадочные явления, которые имеют место при экструзии из-за неравномерного распределения скоростей течения массы, искажают форму профиля экструдируемого изделия. Усадочные явления при экструзии особенно заметны у термопластов, имеющих большую усадку
, например полиэтилена. У пластифицированного ПВХ это явление мало заметно. Чтобы профиль выходил по всей ширине мундштука одинаковым, сумма сопротивлений перед мундштуком и мундштуке должна иметь одинаковую величину для каждой элементарной струи потока расплава. Выполнение этого условия достигается сужением поперечного сечения потока в средней части и расширением на краях (рис. 5.12Б).
Плоскощелевая головка для листов и пленок (рис 5.13). Для производства листов и пленок из термочувствительных термопластов применяются плоскощелевые головки. Расплав, нагнетаемый червяком, проходит через решетку, буферные каналы и выдавливается через формующую щель. Толщины получаемых листов или пленок регулируются установочными винтами, изменяющих положение подвижной щеки. Для получения двухслойных и многослойных листов и пленок из нескольких видов термопластов применяются специальные головки, работающих одновременно от двух или пяти экструдеров. На рис. 5.14 показана головка для получения двухслойных пленок. Расплав от двух экструдеров поступает соответственно в каналы “A” и “Б”, обтекает дорн и выдавливается через формующую щель “В”.
Кабельная головка. Для производства кабельной продукции и нанесения изоляции на металлические провода применяются угловые головки (рис. 5.15). Головка может быть установлена по отношению к экструдеру под углом 0,5π; π; 1,5 π. Дорнодержатель и дорн имеют осевые отверстия для прохода металлического провода. Покрытие полимерной изоляцией провода осуществляется при выходе его из дорна.
Головки рукавных пленок конструктивно подразделяются на угловые и прямоточные. В угловой головке (рис. 5.16) расплав поступает через входное отверстие корпуса и распределяется вокруг дорна в кольцевом сборном канале “A”. Затем из сборного канала расплава течет по всей окружности через коническую кольцевую щель “Б”. Из нее масса выдавливается через выходную щель. Она образована верхним формующим кольцом и наконечником дорна. Угловые головки имеют конструктивный недостаток – разную длину путей, проходимых частями расплава от конца червяка до различных участков формующего зазора. Для устранения этого недостатка производят калибровку зазора с помощью регулировочных винтов. Это дает возможность осуществлять торможение массы в соответствующих участках формующего зазора. Величина участка кольцевого зазора, расположенного ближе к головке экструдера, устанавливается меньше, чем у дальнего противоположного участка формующего зазора. Сжатый воздух для раздува рукава пленки подается через штуцер.
Для плоского изделия (пластина), у которого отношение ширины В к толщине h больше, чем f=B/h>2,5:
(4.14) Для плоского изделия (параллелепипед) при f=B/h≤2,5:
(4.15)Для цилиндрического изделия:
-
Влияние текучести на перерабатываемость термопластов и свойства изделий
4.6.9 Влияние текучести на перерабатываемость термопластов и свойства изделий
Текучесть термопластов является одним из основных факторов, определяющих поведение материалов при переработке и качества получаемых изделий. Полимерные материалы с малой текучестью неудовлетворительно заполняют полости формующего инструмента. При переработке таких материалов требуются высокие температуры и давления формования. Повышение температуры приводит к удлинению производственного цикла, увеличению усадки изделий и возрастанию энергозатрат. Повышение давления способствует росту ориентационных напряжений в изделиях. Поэтому возрастает анизотропия механических свойств, уменьшается стойкость к растрескиванию, понижается температура коробления при эксплуатации изделий.
При литье под давлением пластмасс, имеющих малую текучесть, с целью понижения потерь давления в форме увеличивают площадь поперечного сечения каналов литниковой системы, что приводит к возрастанию потерь материала в виде отходов. При экструзии малотекучих термопластов в формующей головке возникают большие давления, что не позволяет достичь высокой производительности. При недостаточной текучести не всегда получаются изделия с ровной и глянцевой поверхностью.
Если полимерный материал обладает слишком большой текучестью, то вследствие возрастания обратного потока в канале червяка и потока утечки через гребни канала будет уменьшаться пластикационная производительность литьевого и экструзионного оборудования. Кроме того, возрастают утечки материала при впрыске в червячных и поршневых литьевых машинах. Это приводит к уменьшению максимального объема отливки и предельной скорости впрыска. Литьевые и экструзионные изделия из высокотекучих термопластов часто имеют несколько ухудшенные прочностные свойства и менее стойки к износу. Повышенная текучесть способствует получению разнотолщинных изделий и образованию облоя на изделиях.
Меры предупреждения брака при переработке термопластов с пониженной и повышенной текучестью. С целью повышения производительности процесса и улучшения качества изделий при переработке малотекучих материалов наряду с применением модификаторов свойств (фторсодержащих Additive-Masterbatch) можно применить следующее.
Конструктивно усовершенствуют отдельные узлы основного оборудования и формующего инструмента, используют специальные технологические приемы, при составлении полимерных композиций применяют пластифицирующие добавки и смазки.
Так при литье малотекучих полимеров для уменьшения потерь давления используют открытые мундштуки с большим диаметром канала. В литьевых формах увеличивают сечение и предельно сокращают длину каналов литниковой системы, а при литье крупногабаритных изделий увеличивают число впусков. Для получения качественных отливок используют специальные режимы формования – литье со ступенчатым (одно- или двукратным) сбросом давления, литье с предварительным сжатием расплава или режиме инжекционного прессования. При использовании указанных режимов обеспечиваются достаточно высокие давления литья и скорости впрыска на стадии заполнения формы и в то же время реализуются сравнительно небольшие давления формования на стадии выдержки под давлением, что позволяет добиться заполняемости формы при сравнительно небольших внутренних напряжениях в получаемых изделиях.
Для повышения формующей способности литьевого и экструзионного оборудования при переработке малотекучих полимеров можно использовать вибрационный режим формования, при котором благодаря интенсивному динамическому воздействию (ультразвука) на расплав существенно повышается скорости течения расплава в каналах формующего инструмента и предельная длина затекания материала в полость литьевых форм.
При переработке полимеров с очень высокой текучестью литьем под давлением желательно использовать червяки с малой глубиной нарезки, на концах которых устанавливается запорное кольцо или шариковой клапан для снижения утечек при впрыске. Мундштук должен иметь запорный клапан и быть хорошо притертым к литниковой втулке.
При литье под давлением и экструзии высоковязких полимерных материалов рекомендуется применять неохлаждаемые червяки с малой степенью сжатия и большой глубиной нарезки, при этом наконечник червяка должен иметь ровную, хорошо обтекаемую поверхность.
При переработке ряда высоковязких термопластов (в частности, полистирольных пластиков и полиолефинов) некоторого улучшения технологических свойств можно добиться, пропустив предварительно материал через дисковый экструдер, где за счет интенсивного сдвигового деформирования происходит механодеструкция полимера. Она приводит к увеличению низкомолекулярной фракции и сужению молекулярно-массового распределения. Наличие низкомолекулярной фракции, выполняющей роль смазки, улучшает текучесть полимерного материала, но при этом не ухудшаются физико-механические свойства изделий.
Тема Т6 Технология и оборудование для переработки термопластов методом экструзии
-
Конструкции червяков экструдеров
Несмотря на большое разнообразие применяемых экструдеров, основные узлы и детали у них общие, и основной частью, от которой зависят производительность, вид и размеры изделия является червяк. В зависимости от перерабатываемого сырья, а также от вида и назначения изделия применяются однозаходные и многозаходные червяки, с постоянным и переменным шагом, с постоянной или переменной глубиной нарезки.
В зависимости от выполняемой задачи червяк по длине делится на следующие функциональные зоны:
-
зона транспортировки (загрузки) твердого материала
Lз = (2÷10)D;
-
зона пластикации (плавления) Lп = (1÷15)D; -
зона дозирования Lд = (2÷12)D.
На рис. 5.4 показаны конструкции типовых червяков одночервячных экструдеров (поз. 1÷9) и специальные червяки (поз. 10÷12). В ряде случаев переработки и получения полимерных композиций использование червяка без специальных зон или устройств оказывается неэффективным, т.к. не достигается требуемая степень диспергирования и смешения, в некоторых случаях требуется проведение дегазации расплава. Применение дополнительных зон диспергирования, смешения, дегазации позволяет улучшить качество материала, за счет высоких скоростей сдвига.
В зависимости от назначения и вида перерабатываемого материала применяются многочервячные экструдеры с различным расположением и конструкцией червяков (рис. 5.7).
В качестве смесителей для приготовления композиций из термопластов применяют дисковые (эффект Вайсенберга) и дисково-червячные экструдеры (рис. 5.8 и рис. 5.9), смесители типа ‘‘Ко-кнеттер’’ (рис. 5.10) (Швейцария, фирма Buss и К0). В этих смесителях червяк наряду с вращательным совершает и возвратно-поступательное движение, благодаря этому зубья в цилиндре многократно проходят через специальные продольные пазы в винтовой нарезке червяка. Намного увеличивается эффективность смешения и смятия полимера, т.к. траектория движения частиц имеет петлеобразное движение.
-
Формующие инструменты экструдеров (экструзионные и формующие головки)
5.4 Формующие инструменты экструдеров (экструзионные и формующие головки)
Формующая головка экструдера представляет собой профилирующий инструмент, через который продавливается расплавленная полимерная композиция, принимающая заданную в сечении форму. Формующие головки бывают прямоточные и угловые, в которых поток расплава поворачивается вверх, вниз или в сторону. По типу выходящего профиля головки подразделяются на: круглые, щелевые, фасонные (профильные).
Формующие головки различают по образующемуся в них давлению: низкого давления – до 4 МПа; среднего давления – от 4 до 10 МПа; высокого давления – более 10 МПа. Часть головки, в которой оформляется профиль изделия, называется матрицей. При производстве трубных профилей внутри матрицы устанавливается дорн.
Для очистки расплава от загрязнений и увеличения давления в цилиндре экструдера в начале формующей головки устанавливает пакет фильтрующих сеток, опирающихся на решетку. Кроме того сетки оказывают влияние на степень гомогенизации и пластикации материала.
Трубная головка (рис. 5.11). В ней расплав материала, начиная с зоны втулки, поступает во внутреннюю полость корпуса, далее обтекает дорнодержатель и поступает в зазор между наружной поверхностью дорна и внутренней поверхностью матрицы, приобретает форму трубы. Затем поступает в калибрующий цилиндр, предназначенный для калибрования изделия по диаметру и частичного охлаждения. Калибрование трубы производится при помощи воздуха под давлением 0,015÷0,025 МПа через ниппель и систему каналов во внутреннюю полость трубы. Для предупреждения прилипания термопласта к калибрующему цилиндру подается воздух под давлением 0,005÷0,01 МПа.
Профильная головка для фасонных профилей (рис. 5.12). Для изготовления профильных изделий применяют прямоточные головки. В матрицу головки вставлена втулка, за которой по ходу расплава смонтирована решетка. Экструдируемый материал продавливается через выходное отверстие, приобретая профиль требуемых размеров.
Усадочные явления, которые имеют место при экструзии из-за неравномерного распределения скоростей течения массы, искажают форму профиля экструдируемого изделия. Усадочные явления при экструзии особенно заметны у термопластов, имеющих большую усадку
, например полиэтилена. У пластифицированного ПВХ это явление мало заметно. Чтобы профиль выходил по всей ширине мундштука одинаковым, сумма сопротивлений перед мундштуком и мундштуке должна иметь одинаковую величину для каждой элементарной струи потока расплава. Выполнение этого условия достигается сужением поперечного сечения потока в средней части и расширением на краях (рис. 5.12Б).
Плоскощелевая головка для листов и пленок (рис 5.13). Для производства листов и пленок из термочувствительных термопластов применяются плоскощелевые головки. Расплав, нагнетаемый червяком, проходит через решетку, буферные каналы и выдавливается через формующую щель. Толщины получаемых листов или пленок регулируются установочными винтами, изменяющих положение подвижной щеки. Для получения двухслойных и многослойных листов и пленок из нескольких видов термопластов применяются специальные головки, работающих одновременно от двух или пяти экструдеров. На рис. 5.14 показана головка для получения двухслойных пленок. Расплав от двух экструдеров поступает соответственно в каналы “A” и “Б”, обтекает дорн и выдавливается через формующую щель “В”.
Кабельная головка. Для производства кабельной продукции и нанесения изоляции на металлические провода применяются угловые головки (рис. 5.15). Головка может быть установлена по отношению к экструдеру под углом 0,5π; π; 1,5 π. Дорнодержатель и дорн имеют осевые отверстия для прохода металлического провода. Покрытие полимерной изоляцией провода осуществляется при выходе его из дорна.
Головки рукавных пленок конструктивно подразделяются на угловые и прямоточные. В угловой головке (рис. 5.16) расплав поступает через входное отверстие корпуса и распределяется вокруг дорна в кольцевом сборном канале “A”. Затем из сборного канала расплава течет по всей окружности через коническую кольцевую щель “Б”. Из нее масса выдавливается через выходную щель. Она образована верхним формующим кольцом и наконечником дорна. Угловые головки имеют конструктивный недостаток – разную длину путей, проходимых частями расплава от конца червяка до различных участков формующего зазора. Для устранения этого недостатка производят калибровку зазора с помощью регулировочных винтов. Это дает возможность осуществлять торможение массы в соответствующих участках формующего зазора. Величина участка кольцевого зазора, расположенного ближе к головке экструдера, устанавливается меньше, чем у дальнего противоположного участка формующего зазора. Сжатый воздух для раздува рукава пленки подается через штуцер.