Производство полиэтиленовых пленок

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

1. Анализ процесса изготовления рукавных пленок

1.1 Физико-химические основы экструзии

Экструзия — способ получения изделий или полуфабрикатов из полимерных материалов неограниченной длины путем выдавливания расплава полимера через формующую головку (фильеру) нужного профиля.

Производство различных видов изделий методом экструзии осуществляется путем подготовки расплава в экструдере и придания экструдату различной формы посредством продавливания его через формующие головки соответствующей конструкции с последующим охлаждением и калиброванием.

Экструдеры могут быть разделены на 2 класса: экструдеры непрерывного действия, основным элементом которых является вращающийся элемент и экструдеры периодического действия, основанные на возвратно-поступательном элементе.

Рисунок 1.1 — Схема одношнекового экструдера: 1 — бункер; 2 — червяк (шнек); 3 — цилиндр; 4 — полость для циркуляции воды; 5 — нагреватель; 6 — решетка с сетками; 7 — формующая головка с адаптером

По устройству и принципу работы основного узла, продавливающего расплав в головку, среди экструдеров непрерывного действия могут быть выделены шнековые, дисковые и комбинированные, а среди экструдеров периодического действия — шнековые и поршневые.

Шнековые экструдеры подразделяются на несколько типов: одно-, двух- и многошнековые, одностадийные и многостадийные, с однонаправленным и с противоположно направленным вращением шнеков, с зоной дегазации и без нее.

Наиболее распространенным типом экструдеров является одношнековый экструдер непрерывного действия без зоны дегазации. Этот тип экструдеров может использоваться для переработки полиэтилена, т.к. ПЭ-термостабильный полимер и не образует газообразных продуктов при переработке, а данный тип экструдеров значительно дешевле экструдера с дегазацией. Его схема приведена на рисунке 1.1. [1]

К достоинствам этого типа экструдеров следует отнести конструктивную простоту, возможность развивать высокое давление расплава и отсутствие требований к повышенной термостабильности расплава.

В процессе переработки исходный материал из загрузочного устройства поступает в червяк и перемещается в осевом направлении в винтовом канале червяка, образованным внутренней поверхностью материального цилиндра и нарезкой червяка. При движении материал уплотняется, расплавляется, происходит гомогенизация расплава, развивается давление, под действием которого подготовленный расплав продавливается через формующий инструмент. По ходу движения материала в экструдере могут быть условно выделены три технологические зоны, различающиеся состоянием полимера и происходящими в них физико-химическими процессами: зона питания (загрузки), зона плавления (пластикации) и зона дозирования (выдавливания).

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в каждой из зон.

Загрузка сырья

Подаваемое в виде порошка, гранул или лент исходное сырье для экструзии под действием силы тяжести поступает из загрузочного бункера в рабочий объем экструдера. Некоторые материалы могут зависать, для борьбы с этим используют специальные проталкивающие устройства. Наименее склонны к такому поведению гранулы, поэтому они являются лучшим видом сырья для экструзии. В части цилиндра, где происходит загрузка, делаются полости для циркуляции охлаждающей воды, чтобы избежать перегрева цилиндра, при котором гранулы спекаются, и образуется «козел». При уплотнении материала в межвитковом пространстве шнека вытесненный воздух выходит обратно через бункер. Если удаление воздуха будет неполным, то он останется в расплаве и после прохождения через головку образует в изделии нежелательные полости. Также в бункере помещаются ворошители, которые предотвращают образование «сводов» из сырья и прекращение его подачи в рабочую область цилиндра.

Загрузка межвиткового пространства под воронкой бункера происходит на отрезке длины шнека, равном 1ч1,5 D.

Зона питания

Поступающие из бункера гранулы заполняют межвитковое пространство шнека и уплотняются за счет уменьшения глубины нарезки шнека или межвиткового расстояния. Продвижение гранул осуществляется за счет разности значений сил трения о внутреннюю поверхность корпуса и о поверхность шнека. В зоне питания необходимо понижать температуру шнека для уменьшения коэффициента трения полимера о шнек и предотвращения вращения материала вместе со шнеком. Снижение температуры шнека достигается за счет его охлаждения водой.

По мере движения полимера по червяку в нем развивается высокое гидростатическое давление. Возникающие при этом на контактных поверхностях силы трения приводят к выделению тепла и нагреву полимера. Кроме того, полимер получает некоторое количество тепла от стенок экструдера, температура которых, как правило, выше температуры полимера благодаря обогреву цилиндра экструдера. Верхний предел, до которого нагревают стенку цилиндра в зоне питания экструдера, определяется исходя из коэффициента трения полимера и его зависимости от температуры. При слишком высокой температуре стенки происходит преждевременное плавление пристенного слоя, снижение силы трения и проскальзывание полимера, приводящее к прекращению его движения вдоль оси червяка. При оптимально подобранном температурном режиме, материал в цилиндре спрессован, уплотнен и образует пробку, проталкиваемую по винтовому каналу. Длина пробки должна быть достаточно велика для того, чтобы развивающаяся вследствие относительного движения продольная толкающая сила обеспечивала прохождение полимера через зону плавления.

Рисунок 1.2 - Схема процесса плавления

По мере продвижения твердой пробки по каналу червяка давление в ней возрастает, пробка уплотняется, поверхность пробки, соприкасающаяся с внутренней стенкой цилиндра, начинает нагреваться и на её поверхности образуется слой расплава, толщина которого увеличивается по ходу движения червяка. Когда толщина слоя расплава достигает толщины зазора между стенкой цилиндра и гребнем червяка, последний начинает соскребать слой расплава со стенки. На этом заканчивается зона питания и начинается зона плавления.

Зона плавления.

Как видно из названия, основной процесс, происходящий в этой зоне экструдера — плавление полимерной пробки, осуществляющееся за счет тепла, выделяемого при трении полимера и подводимого снаружи от обогревателей цилиндра. Схема плавления полимера, приведена на рисунке 1.2. [1]

Между стенкой корпуса (1) и пробкой (4) существует движение материала, направленное в сторону толкающей стенки. Под действием этого движения, в тонком слое расплава (3) на поверхности пробки, возникает течение, направленное в сторону толкающей стенки (2). Движущийся расплав натыкается на толкающую стенку, поворачивает вдоль нее и собирается в поток (3), оттесняющий материал пробки к передней стенке. При этом высота пробки остается практически неизменной, а её ширина по мере продвижения по червяку постепенно уменьшается.

За счет интенсивных сдвиговых деформаций, возникающих в слое расплава в зоне плавления, наблюдается выраженные смесительный эффект и гомогенизация полимера.

Длина зоны плавления зависит от диапазона температур плавления полимера, и тем больше, чем больше интервал между температурой начала плавления и температурой завершения плавления; экструдеры для переработки кристаллических полимеров имеют меньшую длину зоны плавления, чем экструдеры, в которых перерабатываются аморфные полимеры.

Плавление пробки продолжается до тех пор, пока ее ширина достаточна для обеспечения ей необходимой прочности. Как только ширина пробки достигает примерно 1/10 ширины межвиткового пространства, циркуляционное течение расплава разрушает остатки пробки, дробя её на мелкие куски. Сечение, в котором начинается дробление пробки, считается концом зоны плавления и началом зоны дозирования.

Зона дозирования

В зоне дозирования течение полимера подобно течению жидкости в винтовом насосе и обуславливается силами вязкого трения, развивающихся вследствие движения червяка относительно стенок цилиндра. Обычно его рассматривают как сумму поступательного движения расплава вдоль оси червяка, которое обеспечивает производительность экструдера и циркуляционного течения в плоскости, нормальной к оси винтового канала, благодаря которому продолжается гомогенизация расплава полимера. В начале зоны дозирования температура расплава равна верхней температуре из интервала температур плавления, но по мере движения полимера в зоне дозирования продолжается его разогрев за счет подвода тепла от нагревателей и выделяющейся в результате интенсивной деформации сдвига. Длина зоны дозирования должна обеспечивать время нахождения в ней расплава, достаточное для его прогрева и гомогенизации, так как при нарушении этого условия расплав, поступающий к головке, будет иметь непостоянную по сечению температуру, что недопустимо для нормальной работы экструдера.

Течение расплава через формующую оснастку

Расплав вращающимся шнеком продавливается через решетку, к которой прижаты металлические сетки. Сетки фильтруют, гомогенизируют и создают сопротивление расплава, на них теряется часть давления. На сетках задерживаются порции полимерного расплава, имеющие большую вязкость, и достигают необходимой температуры; сетками задерживаются сверхвысокомолекулярные фракции полимера.

После прохождения сеток гомогенизированный расплав под остаточным давлением продавливается в формующую оснастку, и, приобретая определенный профиль, выходит из фильерной части головки. Фильера придает расплаву полимера необходимую форму. При прохождении расплавом формующей оснастки наблюдается эффект разбухания: как правило, поперечное сечение экструдата несколько больше поперечного сечения фильеры, что объясняется изменением распределения скоростей материала по поперечному потоку. Скорости у стенок фильеры меньше, чем скорость в центре из-за наличия пристенного трения, создающего напряжение между соседними слоями. После выхода материала из фильеры трение на его боковой поверхности отсутствует, скорости выравниваются под действием ранее возникших напряжений в материале. Выравнивание скоростей сопровождается перемешиванием слоев полимера вследствие восстановления высокоэластичных деформаций, из-за чего происходит расширение поперечного сечения.

Вытяжка и раздув рукава приводят к уменьшению толщины заготовки и к ориентации макромолекул в пленке, что, в свою очередь, увеличивает её прочность. Количественно раздув характеризуется степенью раздува еР, определяемой как отношение диаметра раздутого рукава к диаметру рукава, выходящего из кольцевого зазора пленки и степенью вытяжки, рассчитываемой как отношение скорости движения пленки после тянущих валков к скорости движения экструдата из головки.

Большая часть вытяжки в продольном направлении реализуется ближе к формующей части головки, а раздува — ближе к линии кристаллизации.

1.2 Конструктивные особенности используемого для экструзии полиэтиленовой пленки оборудования

При экструзии полиолефинов используют одношнековые экструдеры с отношением длины червяка к диаметру не менее от 15:1 до 33: 1, рекомендуемое значение составляет 24:1. Использование длинных шнеков устраняет пульсацию расплава и улучшает гомогенизацию компонентов перерабатываемое смеси (полимера и технологических добавок) Зазор между гребнями шнека и внутренней поверхностью цилиндра выбирают в интервале 0,125−0,375 мм. Для экструзии пленок рекомендуется степень сжатия примерно 3:1. Большая сила сжатия дает высокий внутренний нагрев, хорошее перемешивание смеси и отвод воздуха, захваченного расплавом [10]

Для экструзии полиэтилена рекомендуется использовать шнек с уменьшающимся шагом нарезки [11] Его конструкция схематически изображена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Шнек для экструзии полиэтилена

Экструзия полиэтилена производится па экструдерах с несколькими зонами обогрева и независимой регулировкой температур. Температура в экструдере постепенно повышается в направлении от входа в машину к выходу из нее. В экструдер загружается холодный полиэтилен во избежание образования сводов в бункере. Рекомендуемые температуры по зонам цилиндра при экструзии пленки из ПЭВП приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Температурные режимы экструзии полиэтиленовой пленки

Зона

Загрузочная часть

Цилиндр

Головка

I

II

III

Температура,°С

80

130−140

150−180

200−225

230−235

1.3 Особенности перерабатываемого материала

В качестве сырья используется полиэтилен высокого давления (низкой плотности).

Рис. 1.4 - Зависимость вязкости ПЭВД от скорости сдвига

ПЭВД имеет длинные ветви, которые, как известно, обеспечивают неньютоновский реологический отклик. ПЭВД лучше поддается снижению вязкости с увеличением скорости сдвига, поэтому зависимость энергии, затрачиваемой на экструзию при типично высоких скоростях сдвига, ниже, чем при пропорциональном соотношении. Благодаря этому экструзия ПЭВД более экономична, чем экструзия других полиэтиленов; для экструдеров не требуется столь мощных двигателей. При низких скоростях сдвига вязкость значительно возрастает, поэтому высока вязкость нулевого сдвига (прочность расплава). Типичная реологическая кривая для ПЭВД показана на рис. 1.4. ПЭВД имеет более высокую прочность рукава при экструзии с раздувом, поэтому сопротивление разрыву и стабильность рукава до затвердевания выше. При использовании технологии плоскощелевой экструзии пленка будет стабильна в расплавленном состоянии между экструзионной головкой и холодными валками. Длинные ветви обеспечивают лучшее межмолекулярное зацепление при низкой скорости сдвига. При повышении скорости сдвига длинные ветви освобождаются из зацеплений, и вязкость заметно снижается. Эти реологические характеристики имеют первостепенное значение при переработке. [11]

1.4. Обзор методов получения пленки

Многообразие видов полимерных пленок определяет и разнообразие методов их производств, которые можно разделить на следующие основные группы: экструзия, каландрование, производство комбинированных пленок, пролив расплава полимера на охлажденный барабан или в воду, физико-химическая модификация пленок. Конкретный метод производства выбирается исходя из химической природы перерабатываемого полимера и назначения получаемой пленки.

Основными по объемам перерабатываемых материалов и выпускаемой продукции на сегодняшний день являются экструзионные методы получения пленок — плоскощелевая экструзия, которой получают плоские пленки и экструзия с раздувом, используемая для изготовления рукавных пленок. Сущность метода заключается в формовании заготовок необходимой формы из расплава полимера с последующим их охлаждением и фиксацией формы.

Экструзией можно получить пленку из полиолефинов, поливинилхлорида, полистирола, полиэтилентерефталата, и ряда других полимеров, способных переходить в высокоэластичное состояние, не подвергаясь при этом существенной термической деструкции.

Экструзионно-раздувный метод имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами получения полимерных пленок. К ним относятся:

· возможность получения пленок, имеющих «сбалансированные» показатели механических свойств в продольном и поперечном направлениях;

· незначительная, по сравнению с пленками, получаемыми плоскощелевой экструзией, склонность рукавных пленок к расщеплению на продольные полосы при ударных нагрузках;

· возможность получения двуосно-ориентированных пленок, которые могут применяться в качестве термоусадочного упаковочного материала;

· возможность получения более прочной пленки при той же толщине и используемом материале, чем при плоскощелевой экструзии;

· удобство применения полученной пленки для изготовления мешков;

· низкая отходность производства благодаря исключению операции по обрезке кромок;

· возможность на головках сравнительно малых размеров получать пленки большой ширины.

К недостаткам метода следует отнести:

· сравнительная сложность используемой оснастки;

· меньшая, по сравнению с плоскощелевой экструзией, производительность;

· склонность пленки к складкообразованию;

· меньшая прозрачность пленки.

Метод экструзии с раздувом термопластов применим для пленок шириной от 50 до 2400 мм и толщиной от 5 до 500 мкм.

Выдувная экструзионная головка представляет собой цилиндр, внутрь которого почти без зазоров вставляется сердечник, имеющий на своей поверхности спиральные каналы с глубиной, уменьшающейся к выходу из головки. Расплав может попадать в каналы как изнутри, через специальные отверстия, проточенные в дорны, так и снаружи. Нагрев экструзионной головки осуществляется с помощью пальчиковых или кольцевых нагревателей.

Принципиально существует три схемы изготовления рукавных пленок методом экструзии с раздувом, различающихся направлением приема получаемого рукава. [2]

А) Способ производства «вертикально вверх» При этом способе расплав полимера, выходящий из головки, проходит через прижимные валки, где герметизируется, превращаясь в пузырь. Раздув пузыря до необходимого диаметра достигается за счет подачи внутрь него сжатого воздуха, охлаждается пузырь с помощью кольца воздушного охлаждения снаружи, а в ряде случаев для повышения эффективности — снаружи и изнутри. Получающаяся из рукава пленка вытягивается вверх с помощью приемно-вытяжных валков. Этим способом получают пленки большого диаметра, также его используют при переработке полимеров, имеющих высокий показатель текучести расплава. Достоинства этой схемы: рукав висит на тянущих валках, вследствие чего нагрузка на участок его раздувания (вблизи головки) минимальна; нагрузка на рукав от силы его веса распределена равномерно по периметру, что способствует равнотолщинности изделия; обеспечивается получение как толстых, так и предельно тонких пленок; минимальная производственная площадь. Недостатки: медленное остывание рукава по его высоте, и, следовательно, необходимость дополнительных систем охлаждения.

Б) Способ производства «вертикально вниз», при котором расплав из кольцевой головки фильеры направляется вниз, где происходит его быстрое охлаждение в ванне с водой. После охлаждения пузырь складывается с помощью сходящихся панелей рольганга и направляется к намоточному устройству уже в виде плоскосложенного рукава. При этом методе экструдер, очевидно, должен располагаться на верхних этажах здания, что неприменимо для экструдеров больших типоразмеров, поэтому методом «вертикально вниз» получают преимущественно пленки небольшого диаметра. К достоинствам этой схемы следует отнести практически мгновенное охлаждение пленки, благодаря которому удается получить практически прозрачную тонкую пленку, а также меньшую, чем при способе «вертикально вверх» высоту установки, однако при использовании этого метода возможен самопроизвольный отрыв или вытягивание рукава, так как нагрузка от веса пленки приходится на еще горячую и легкодеформируемую часть заготовки.

В) Горизонтальный способ производства. При горизонтальном методе производства рукав вытягивается в горизонтальной плоскости. Метод применим для получения пленки из вспененных материалов и материалов с плохой термостабильностью, например, непластифицированного ПВХ, однако имеет ряд существенных недостатков. Основным из них является невозможность обеспечения одинаковой температуры для верхней и нижней части рукава и его провисание за счет гравитации, из-за чего разнотолщинность и нестабильность размеров пленки становится неизбежной. Кроме того, изо всех методов экструзии с последующим раздувом, метод с горизонтальной приемкой рукава требует максимальных производственных площадей. Этим методом получают пленки толщиной от 200 мкм. К достоинствам метода можно отнести меньшую стоимость изготовления формующей оснастки.

Рис. 1.5 - Схемы производства рукавных пленок: а-приемка раздуваемого рукава вверх; б-приемка раздуваемого рукава вниз; в-приемка раздуваемого рукава в горизонтальном направлении. 1 — экструдер, 2 — пузырь

Кроме описанных выше основных методов, существуют их модификации, требующие более сложного и дорогого оборудования, поэтому получившие меньшее распространение. К ним относятся, например, соэкструзия, а также методы двойного и тройного раздува. При соэкструзии получают многослойную пленку, слои которой состоят из различных материалов и, как следствие, обладают различными качествами. Метод соэкструзии позволяет производить так называемые «барьерные пленки» с заданными барьерными свойствами по отношению к различным газам и жидкостям, обеспечить пленке требуемую химическую и механическую стойкость, усадочные свойства, прочность на удар, прокол и раздир, склеиваемость, устойчивость к воздействию высоких или низких температур, эластичность или жесткость.

Начало процесса двойного раздува совпадает с выдувом по схеме «сверху вниз», однако после прохождения через водяную ванну рукав отправляется не на намотчик, а складывается и вытягивается с помощью приемно-вытяжных валков наверх башни, получившей название «башня ориентации». Далее рукав немного раздувается, проходит сверху вниз через систему печей, нагревающих его для увеличения пластичности, и, наконец, попадает в камеру ориентации, в которой следует очень сильный раздув в поперечном направлении, благодаря чему пленка приобретает в этом направлении повышенную прочность и выдающуюся способность к усадке. Одновременно, за счет разницы скоростей приемно-вытяжных валков наверху башни и приемных валков на намотчике, пленка растягивается и в продольном направлении. Таким образом, пленка становится двуосноориентированной и приобретает при этом отменные усадочные свойства. [18]

Метод тройного раздува в первом приближении может рассматриваться метод двойного раздува, дополненный еще одной башней, назначение которой — уменьшить усадку до заданного уровня.

1.5 Влияние параметров переработки на свойства пленки

Физико-механические свойства пленок (предел прочности при растяжении, предельное удлинения при разрыве, сопротивление ударным нагрузкам и т. п.) зависят как от природы и молекулярных характеристик используемого полимера, так и от характера образующейся надмолекулярной структуры, а также степени и направлении ориентации пленки. Существенное влияние на физико-механические свойства пленок оказывает их разнотолщинность. Все эти свойства зависят от режимов, при которых осуществляется экструзия, раздув, охлаждение и иные технологические операции.

Рисунок 1.6 - Зависимость разрывного напряжения от температуры экструзии на выходе из головки. 1 — продольное направление; 2 — поперечное направление

На рисунке 1.6 приведена зависимость предела прочности в продольном и поперечном направлении от температуры полимера на выходе из головки при постоянной высоте линии кристаллизации.

Важными показателями оптических свойств полимерных пленок являются их светопроницаемость (прозрачность), мутность, глянцевитость.

Светопроницаемость является отношением проходящего светового потока к общему при его нормальном относительно поверхности пленки на неё падении. Светопроницаемость пленки различна для волн разной длины.

Мутность — доля падающего светового потока, рассеиваемая пленкой под углом, превышающим 2,5° к направлению падающего потока.

Глянцевитость — доля падающего светового потока, отраженная поверхностью пленки под углом 45°.

Оптические свойства пленок определяются как наличием макродефектов (таких, как продольные полосы, местные утолщения, включения различного характера), так и особенностями образующихся надмолекулярных структур, определяемых условиями кристаллизации и эффектами, сопровождающими деформацию расплавов полимеров. Влияние свойств расплава на регулярность поверхности пленок, полученных методом экструзии, связанно, прежде всего, с явлением эластической турбуленции, на условия появления которой оказывает существенное влияние температура расплава, молекулярная масса и ММР полимера. Снижение молекулярной массы, расширение ММР, увеличение ПТР и повышение температуры расплава приводят к улучшению оптических свойств пленок, также замечено, что к увеличению глянцевитости поверхности и уменьшению мутности пленки приводит небольшое увеличение плотности полимера. Снижение интенсивности обдува и увеличение длительности охлаждения пленки вызывают повышение её мутности и ухудшение оптических свойств изделий. Это связано с возрастанием в таких условиях длительности кристаллизации и формировании в пленке более крупных надмолекулярных структур, определяющих неоднородность её строения. Однако, при слишком быстром охлаждении пленки также возможно увеличение её мутности за счет большей неоднородности получаемого при этом рукава.

С учетом того, что мутность может вызываться двумя факторами — неоднородностью расплава и образованием слишком крупных надмолекулярных структур, оптимальные показатели достигаются при двустадийном охлаждении: на первой стадии выходящий из головки полимер охлаждается медленно, что позволяет сгладиться дефектам, образующимся при продавливании, на второй — расплав быстро «замораживается» у линии кристаллизации, благодаря чему формирующиеся надмолекулярные структурные образования имеют относительно небольшие размеры, сравнимые с длинной волны видимого света.

Рисунок 1.7 — Влияние высоты линии кристаллизации Н на глянцевитость Г, мутность М и светопроницаемость Сп рукавных пленок из ПЭВД

В этом случае удается получать высококачественные прозрачные пленки. Для достижения такого режима охлаждения в технологическую схему вводят камеру медленного охлаждения заготовки, а на обдувочное кольцо подают охлажденный воздух. Изменение режимов охлаждения пленки можно проследить по высоте линии кристаллизации — чем она выше, тем более длительное время происходит охлаждение расплава. Влияние высоты линии кристаллизации на свойства полиэтиленовой рукавной пленки показано на рисунке 1.7.

Рисунок 1.8 — Зависимость мутности М от числа оборотов шнека N при экструзии рукавной пленки из ПЭВД

Снижение оптических свойств пленки также наблюдается при росте частоты вращения шнека, которое обеспечивает рост производительности экструдера, и, как следствие увеличение времени охлаждения полимера, ведущее в последствии к вышеописанным уже эффектам. Зависимость мутности от частоты вращения шнека показано на рисунке 1.8 [1]

Механические свойства пленок во многом обусловливается выраженностью ориентации макромолекул в продольном и поперечном направлении, которая, в свою очередь, зависит от таких технологических параметров, как степень вытяжки еВ и степень раздува еР Рост степени вытяжки приводит, очевидно, к увеличению ориентации молекул в продольном направлении, рост степени раздува — в поперечном; одновременное увеличение этих показателей приводит к росту прочности и снижению относительного удлинения пленки при разрыве пленки в обоих направлениях. Влияние продольной ориентации пленки на её механические свойства показано на рисунке 1. 9, а зависимость разрывной прочности от степени вытяжки — на рисунке 1. 10 [13]

Рисунок 1.9 — Влияние продольной ориентации пленки на её механические свойства. 1 — относительное удлинение 2 — прочность при разрыве

Следует заметить, что прочностные характеристики пленки также зависят и от времени охлаждения. При увеличении времени охлаждения пленки процесс образования надмолекулярных структур протекает более полно, степень кристалличности возрастает, и, как следствие, увеличивается прочность пленки на разрыв и жесткость. Таким образом, изменение параметров охлаждения, благотворно влияя на оптические характеристики, будет ухудшать механические и наоборот, поэтому оптимальный режим охлаждения выбирается исходя из предполагаемого назначения пленки и предъявляемых к ней требований.

Рисунок 1. 10 — Зависимость разрывной прочности уВ от степени вытяжки еВ в продольном (1) и поперечном (2) направлении

Одной из существенных характеристик, определяющих качество пленки, является её разнотолщинность. Для обеспечения равномерности толщины получаемого рукава необходимо соблюдение следующих условий:

· обеспечение одинаковой по всем участкам кольцевого зазора объемной скорости экструзии;

· постоянство вязкости расплава;

· обеспечение равномерной температуры потока расплава;

· постоянство раздувания горячей заготовки.

Разнотолщинность пленки, таким образом, зависит от множества различных параметров переработки: температуры головки, толщины формующей щели, степени раздува.

Зависимость разнотолщинности пленки от толщины формующей щели показана на рисунке 1. 11. [13]

Так как пленка большей толщины требует большего времени на охлаждение, то при увеличении щелевого зазора, и, как следствие, толщины пленки, увеличивается длина пластического участка рукава. Это приводит к росту вероятности влияния различных факторов на процесс охлаждения рукава, неустойчивости рукава и, как следствие, увеличению разнотолщинности в обоих направлениях. Таким образом, для достижения минимальной разнотолщинности, толщина щелевого зазора должна быть минимальна. Однако слишком низкие величины кольцевого зазора создают значительные сопротивления в головках и снижают производительность экструзии, поэтому на практике используют толщину щелевого зазора не менее 0,5 мм.

Рисунок 1. 11 - Влияние величины щелевого зазора дЩ на разнотолщинность пленки в продольном и поперечном направлении

Рисунок 1. 12 — Влияние степени поперечного раздува пленочного рукава на разнотолщинность пленки в продольном и поперечном направлении

Таким образом, мы видим, что целесообразно проводить экструзию пленки с минимальной степенью раздува, и применять головки большого диаметра с кратностью раздува 2,5−3.

Рисунок 1. 13 - Влияние температуры головки на разнотолщинность пленки в продольном и поперчено направлении (для пленки толщиной 60 мкм)

Также, как уже говорилось выше, на разнотолщинность пленки оказывает влияние температура головки. Низкая температура головки и цилиндра обеспечивает лучшую гомогенизацию расплава полимера и более равномерный раздув рукава, в то время как высокая температура, наоборот, увеличивает длину пластического участка и, как следствие, вероятность проявления на нем различных факторов, влияющих на толщину пленки. При температуре головки ниже 140 °C также улучшаются и оптические свойства получаемой пленки: уменьшается количество гелеобразных включений и растет прозрачность, поэтому с точки зрения этих параметров оптимально использование минимально возможной температуры головки, при которой полимер выходит из неё в еще вязкотекучем состоянии. Кроме всего прочего, слишком высокая температура расплава может привести к слипанию пузыря и склеиванию его внутренних поверхностей. Зависимость разнотолщинности от температуры головки приведена на рисунке 1. 13 [13]

Еще одним параметром рукава является минимальная устойчивая толщина пленки, зависящая, в первую очередь, от степени раздува. Эта зависимость приведена на рисунке 1. 14. [13]

Рисунок 1. 14 — Зависимость минимальной стабильной толщины пленки от степени раздува для полиэтилена различной плотности

В зависимости от интенсивности охлаждения рукава, его первоначальной температуры и скорости вытяжки, возможно получение рукава различной формы (рис 1. 15) [1].

Рисунок 1. 15 - Некоторые типичные формы рукавов пленки

Форма «а» соответствует высокому расположению линии кристаллизации H, 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 H 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 H мала. Пленка имеет преимущественно поперечную ориентацию, а для некоторых видов полимеров происходит уменьшение степени кристалличности. 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.

Гомогенизацию массы и, следовательно, внешний вид пленки, а также её прочностные характеристики можно улучшить повышением сопротивления экструзии, что достигается увеличением числа формующих сеток или уменьшением щелевого зазора. Однако это вызывает увеличение обратного потока в экструдере, и, как следствие, снижение его производительности.

2. Технологическая часть

2.1 Требования к готовой продукции

Производимой продукцией является пленка полиэтиленовая для изготовления товаров народного потребления. Выпускается в соответствии с ГОСТ 10 354–82, марки М — для изготовления изделий народного потребления, упаковки и бытового назначения, окрашенная и неокрашенная, стабилизированная и нестабилизированная. Пленка выпускается смотанной в рулоны в виде рукава.

К выпускаемой продукции применяются следующие требования.

Таблица 2.1 - Технические требования к продукции [17]

Наименование показателя

Нормы

Внешний вид

Поверхность пленки должна быть без пятен, нерасправляющихся запрессованных складок, отверстий. Края пленки должны быть без надрывов и заусенцев. Пленка может быть натурального или любого иного цвета в зависимости от наполнителя

Ширина пленки

±2%

Предельные отклонения по толщине, %

— пленка высшей категории качества

— пленка первой категории качества

±20%

±30%

Прочность при растяжении МПа, не менее

— в продольном направлении

— в поперечном направлении

14

12

Относительное удлинение при разрыве, %, не менее

— в продольном направлении

— в поперечном направлении

200

300

Выпускаемая пленка имеет ширину рукава 800 мм и толщину 80 мкм, готовая пленка сматывается в рулоны по 200 погонных метров.

2.2. Выбор материала

Предполагаемая область применения получаемого рукава — упаковка, в том числе упаковка грузов, транспортирующихся и хранящихся на открытом воздухе.

Отсюда материал, из которого изготавливается рукав, должен обладать следующими характеристиками:

· Атмосферостойкость;

· водостойкость;

· химическая стойкость;

· прочность;

· эластичность;

· ударопрочность.

Из всех широко распространенных термопластов, обладающих данным набором эксплуатационных качеств, наименьшую цену имеет полиэтилен высокого давления, поэтому целесообразно рукавную пленку для наших целей получать именно из него.

Перерабатываемый материал должен обладать максимальной деформационной способностью, которая достигается при низких значениях ПТР, кроме того при снижении ПТР возрастает производительность экструзии поэтому для производства методом экструзии с раздувом рекомендуется использовать полимеры с низким значением ПТР

Указанным выше требованиям соответствует ПЭВД 15 803−020, производимый ОАО «Уфаоргсинтез» в соответствии с ГОСТ 16 337–77 [16]

Показатели качества полиэтилена должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Технические требования к сырью

Наименование показателя

Значение

Метод испытания

Плотность, г/см3

при 20°С

0,9170 — 0,9210

По ГОСТ 15 139–69 и ТУ 2243−046−203 521−98

Показатель текучести расплава при 190 °C, г/10 мин при нагрузке 49 Н (5 кгс)

1,5−2,5

По ГОСТ 11 645–73 и ТУ 2243−046−203 521−98

Разброс показателя текучести расплава в пределах одной партии, %, не более

±6

По ТУ 2243−046−203 521−98

Предел текучести при растяжении, МПа, не менее

9,3

По ГОСТ 11 262–80 и ТУ 2243−046−203 521−98

Относительное удлинение при разрыве, %, не менее

600

По ГОСТ 11 262–80 и ТУ 2243−046−203 521−98

Прочность при разрыве, МПа, не менее

11,3

По ГОСТ 11 262–80 и ТУ 2243−046−203 521−98

Запах и вкус водных вытяжек, балл, не выше

1

ПО ГОСТ 22 648–77 и ТУ 2243−046−203 521−98

Массовая доля экстрагируемых веществ, %, не более

0,40

По ГОСТ 26 393.

Технологическая проба на внешний вид пленки

A, B

По ГОСТ 16 337–77

Для облегчения процесса экструзии и повышения его производительности, а также в целях улучшения эксплуатационных характеристик выпускаемого изделия, к полимеру добавляются различные модифицирующие добавки. В нашем случае целесообразно добавление скользящей добавки, антиоксиданта и светостабилизатора.

Таблица 2.3 — Модифицирующие добавки для ПЭВД

Марка добавки

Механизм действия

Преимущества

Дозировка и способ ввода

СКП-ПН (ПЭ) 402. 00. 010, скользящая добавка на основе эрукамида

Снижение коэффициента трения (повышение скользящего эффекта) и липкости достигается за счет применения ограниченно совместимых с полимером органических поверхностно активных веществ (ПАВ). Ограниченная совместимость с полимером заставляет добавки мигрировать к поверхности полимера с формированием на этой поверхности сверхтонкого слоя. Играя роль смазки добавка создает эффект скольжения и предотвращает слипание пленок

-возможность использования высокоскоростных машин

— увеличение пробега оборудования

— предотвращение эффекта проскальзывания

— уменьшение вероятности слипания пленки в рулоне

— придание поверхности гладкости и глянца

0,3−2,0%, вводится в виде гранул, в предварительном смесителе, желательно за 3 суток до экструзии, так как максимальные свойства развиваются на 3−4 сутки

СКП-ПН (ПЭ) 402. 00. 009 светостабилизирующая добавка на основе смеси пространственно-затрудненных аминовых светостабилизаторов HALS

Пространственно-затрудненные аминовые светостабилизаторы HALS (HinderedAmineLightStabilizers) характеризуются высокой эффективностью при стабилизации полиолефинов. Разработано несколько теорий для объяснения механизма стабилизации этими материалами, включая перенос энергии, т. е. перевод полимерных молекул из возбужденного состояния в устойчивое и предотвращение образования свободных радикалов, удаление свободных радикалов и разложение перекисей

Увеличение светостабильности полимера, предотвращение разрушения химических связей в полимере под действием УФ-излучения (фотолиза), который приводит растрескиванию, побелению, изменению цвета и ухудшению механических свойств,

0,5−1,5% в виде гранул в предварительном смесителе

СКП-ПН (ПЭ) 402. 00. 007, антиоксидант на основе пространственно затрудненного фенола и фосфитов

Органические вещества реагируют с кислородом в процессе, называемом автоокислением. Автоокисление инициируется теплом, светом, механическими нагрузками, остатками катализаторов, примесями, и.т. п. Инициирование сопровождается деструкцией (разложением) молекулы полимера с образованием алкильных радикалов.

— увеличивает срок службы при повышенных температурах

— Стабилизирует свойства полимера при переработке

0,1−1% в виде гранул в предварительном смесителе

2.3 Выбор оборудования и формующей оснастки

В зависимости от свойств исходного сырья, назначения пленок и их строения, для их получения могут использоваться различные технологические процессы и оборудование. Исходя из требований к получаемому изделию, режима переработки ПЭВД, а также имеющихся на рынке предложений, была выбрана универсальная экструзионная линия ВМ-900 разработанная ООО «Политехник-сервис» и «ВМ-Техника». [20]

Линии ВМ-900 предназначены для производства рукавных пленок различной толщины из гранулированного полиэтилена высокого давления (ПЭВД), наматываемых в рулоны в виде рукава. Климатическое исполнение линии: УХЛ-4 по ГОСТ 15 150–69 (температура окружающего воздуха от +10°С до +35°С; относительная влажность 80% при температуре +25°С). Линия предназначена для эксплуатации в условиях закрытого помещения класса П-IIа по ПЭУ.

В таблице 2.4 приведены основные технические характеристики экструзионной линии.

Таблица 2.4 — технические характеристик экструзионной линии ВМ-900

Параметр

Значение

Перерабатываемый материал (гранулят)

ПЭВД

Максимальная ширина рукава в сложенном виде, мм

870

Толщина пленки, мкм

20−100

Максимальный диаметр наматываемого рулона, мм

До 500

Максимальная линейная скорость намотки пленки, м/мин

При работе на ПЭВД (при редукторе 1/28)

37,5

Максимальная производительность линии, кг/час

ПЭВД, при толщине пленки 60 мкм и ширине рукава 820 мм

До 80

Номинальный диаметр шнека, мм

45

Отношение рабочей длины шнека к его диаметру

1/33

Частота вращения шнека максимальная, об/мин

90

Пределы регулирования рабочей температуры по зонам, 0С

150−250

Количество зон регулирования температуры, шт.

в том числе:

— на гильзе шнека

— на корпусе фильтра

— на формующей головке и раздатчике

8

4

2

2

Рабочее давление сжатого воздуха, кг/см2

4−6

Установленная мощность линии, кВт, в т. ч:

— электродвигатель главного привода

— электродвигатель вытяжного устройства

— электродвигатель намоточного устройства

— электродвигатель воздухообдува

— нагревательные элементы

36

15

0,75

0,75 х 2

1,1

18

Средняя потребляемая мощность при производительности 60 кг/час ПЭВД, кВт

20

Габаритные размеры (Ширина х Длина), мм

2400×3700

Минимальная высота лини, мм

4320

Максимальная высота линии, мм

4820

Краткое описание формующей линии

Общий вид экструзионной линии ВМ-900 приведен на рисунке 2. 1, ее состав — в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Состав экструзионной линии ВМ-900

Поз.

Наименование

Количество

Оборудование: Линия «900» в составе:

1

Пресс червячный в комплекте.

1

2

Эстакада с лестничным маршем и ограждениями.

1

3

Кольцевая экструзионная головка в комплекте.

1

4

Установка для формирования рукавной пленки в комплекте.

1

5

Механизм намотки.

1

6

Электрошкаф с пультом управления.

2

7

Устройство контроля ширины рукава

1

В используемой линии применяется отношение длины шнека к диаметру 33/1, что позволяет сократить пульсации расплава, и, тем самым улучшить качество пленки, однако увеличивает себестоимость её изготовления за счет больших энергетических затрат, необходимых для вращения более длинного шнека.

Рисунок 2.1 - Экструзионная линия ВМ-900

Для получения из исходного сырья однородного расплава, который может быть экструдирован через кольцевую головку, используется экструдер. Его принципиальная схема приведена на рисунке 2. 2

Основным рабочим органом экструдера является вращающийся шнек (5), расположенный в корпусе материального цилиндра (7). Вращение шнека через редуктор (2) обеспечивается электродвигателем (1), позволяющим осуществлять бесступенчатое регулирование числа его оборотов. Осевое усилие, возникающее при экструзии, воспринимается упорным подшипником (14). Транспортирование поступающего из бункера (3) пресса через загрузочную воронку (4), гранулята вдоль оси материального цилиндра с целью его плавления, гомогенизации и последующего продавливания полученного расплава через формующий инструмент осуществляется в межвитковом пространстве шнека. Плавление гранулята осуществляется за счет тепла, поступающего от шнуровых нагревательных элементов (9), расположенных на наружной поверхности корпуса, которые разбиты на четыре зоны обогрева, температура которых по мере поступления увеличивается и контролируется автоматически терморегуляторами, через установленные на пульте управления соответствующие термодатчики (6)

Рисунок 2.2 - Принципиальная схема одношнекового экструдера

Для предотвращения налипания гранулята на поверхности шнека пресса и образования пробки в зоне загрузки, цилиндр пресса оснащен рифленой втулкой, а также системой охлаждения этой зоны, что позволяет в значительной степени уплотнить гранулят перед поступлением его в зону плавления шнека.

Для обеспечения непрерывного поступления полимерного сырья в загрузочную воронку пресс оснащен специальным загрузочным бункером, периодически наполняемым вручную или с помощью системы внутрицехового распределения сырья.

Из червячного пресса расплав полимера через решетку (13) с набором сит (10) поступает в кольцевую экструзионную головку (11) и далее в мундштук (12).

Подшипниковый узел (14) предназначен для восприятия осевого усилия, возникающего на его оси при продавливании расплава полимера через формующий инструмент. Подшипниковый узел представляет корпус под роликоподшипник упорный сферический, один конец вала которого вставляется в тихоходный вал доработанного двухступенчатого редуктора, во второй конец вставляется цапфа шнека.

Узел загрузки состоит из загрузочной воронки и корпуса гильзы. Загрузочная воронка предназначена для подачи материала в пресс.

Воронка состоит из бункера, фланца присоединения к корпусу гильзы, рифленой гильзы, коллектора и корпуса.

Корпус гильзы является одной из основных сборочных единиц пресса, в котором происходят основные процессы переработки материала, измельчения полимера. Бункер предназначен для непрерывной подачи гранулированного материала в загрузочную воронку пресса. Для прекращения подачи гранул в пресс нижняя часть бункера оснащена заслонкой. Для выгрузки полимера имеется горловина с пробкой.

Качество получаемой пленки и производительность установки для её производства во многом определяются конструкцией формующей головки. Именно от головки зависит размерная точность пленки, её физико-механические показатели, а также качество подготовки расплава и работа экструдера в целом. Поэтому к конструкции и качеству головки предъявляются следующие требования:

· Гидравлическое сопротивление формующей головки должно обеспечивать оптимальную производительность экструдера и гомогенность расплава при его подготовке в экструдере.

· Формующие каналы головки должны обеспечить равномерный выход расплава по периметру формующей щели по толщине, температуре и скорости. При этом факторы, определяющие так называемую память расплава, а именно разность величины и скоростей деформации по периметру, должны быть сведены к минимуму.

· Каналы головки при формировании заготовки не должны иметь застойных зон, так как материал, долго находящийся при высокой температуре в головке, начинает разлагаться.

· При заданной производительности скорости экструзии в каналах головки не должны превышать критические для сохранения качественной поверхности экструдируемого расплава на выходе из головки (поверхность экструдата должна быть гладкой).

· Конструкция головки должна быть легко разборной и обеспечивать заданную точность размеров каналов во всех сечениях при заданных давлениях и температурах. Эти требования вызваны необходимостью частой чистки головки, которую осуществляют как при переходе с одного материала на другой, так и при образовании налета разложившегося полимера при длительной работе на одном материале.

· Поверхности контакта головки с расплавом должны быть устойчивы против коррозии и иметь незначительную шероховатость, которая уменьшает вероятность образования налета на стенках каналов головки. Это увеличивает срок службы головки и повышает размерную точность.

· Обогрев (охлаждение) головки должен обеспечивать равномерное температурное поле по периметру. Следует учитывать, что неравномерное температурное поле окружающей среды вызывает отклонение геометрических размеров и физико-механических свойств заготовки по её периметру (например, в случае применения угловой головки с червячным прессом и фильтром тепловой поток со стороны обогрева фильтра вызывает изменение температуры корпуса головки при работе в адиабатическом режиме.) При конструировании головок с охлаждением или термостатированием формующей щели температура носителя на входе в каналы не должна превышать температуру на выходе более чем на 10−20°С, что достигается увеличением расхода теплоносителя.

Самой распространенной головкой, используемой для экструзии с раздувом, является головка со спиральным дорном [8]. В такой головке расплав полимер распределяется по спиральным каналам, глубина которых уменьшается в направлении течения. Широкое использование головки со спиральным дорном обусловлено тем, что она работает при низком давлении и при этом достигается хорошее распределение потоков расплавов.

Наиболее простой и часто встречающийся тип головки — угловая вращающаяся головка с центральным подводом расплава. Конструкция головки этого типа показана на рисунке 2.3.

Угловая вращающаяся головка с центральным подводом и спиральным распределителем расплава состоит из корпуса (6), внутри которого установлен спиральный распределитель (8) с закрепленным на нем болтами (2) дорном (3). Расплав поступает от экструдера в центр головки и затем через радиальные каналы в винтовой распределитель (8), где, перемешиваясь равномерно, распределяется по периметру формующей щели. Распределительные системы в форме вешалки тянутся по всему периметру и переходят в спиральные каналы, глубина которых сходит на нет. На спиральном участке глубина канала постепенно уменьшается, а зазор между дорном и корпусом увеличивается, что приводит к разделению расплава на два потока, первый из которых движется в осевом направлении между спиралями, а второй продолжает двигаться по спирали. При этом в любой точке выходного кольцевого зазора течение расплава складывается из тангенциальных течений из всех каналов распределительной системы, благодаря чему стыков не образуется и достигается высокая термическая однородность расплава. Детали головки обогреваются снаружи электронагревателями (7) с автоматическим регулированием и контролем температуры.

Рисунок 2.3 - угловая вращающаяся головка с центральным подводом расплава и спиральным распределителем

Для размещения в головке магистралей подачи и отвода воздуха вовнутрь рукава в головке предусмотрены каналы (а). При необходимости головку можно снабжать устройством для её вращения. Вращение корпуса и распределительных каналов головки (корпуса (6) совместно с матрицей (4) и дорном (3)) позволяет получать равноплотную намотку пленки в рулон, кроме того, вращение головки уменьшает разнотолщинность пленки по ширине. В связи с этим вращающиеся головки используют в линиях для производства пленок, которые затем подвергают последующей сварке, нанесению рисунков, и т. п. В этом случае верхняя часть головки (включая корпус, матрицу, дорн и спиральный распределитель) подвижно закреплена в подшипниковом узле (10). Для центровки корпуса головки служит выступ (13), который входит во втулку (14), выполненную из износостойкого материала. Гайкой (11) через подшипник выступ (13) прижимается своей нижней частью к поверхности втулки, создавая давление, необходимое для исключения вытекания расплава из канала. По мере изнашивания выступа (13) или втулки (14) гайку (11) подтягивают.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой