Формования пленки экструзией с раздувом рукава (рукавный метод)

Технологический процесс формования пленки экструзией с раздувом рукава состоит из следующих стадий: подготовка сырья, стадии формования и завершающие стадии.

Подготовка сырья включает:
1.сортирование по партиям (для экструзии категорически запрещено смешивать партии, потому что для каждой партии сырья проводится настройка технологического режима);
2.контроль содержания влаги и технологических параметров сырья;
3.подсушивание;
4.транспортирование – осуществляется транспортными средствами цеха, а подача сырья в бункер экструдера проводится индивидуальным пневмотранспортом.

Завершающие стадии могут быть такими: контроль качества пленки, радиационная обработка, возможное нарезание на ленты, намотка в рулоны, упаковка и складирование. При контроле качества пленки контролируют толщину (непрерывно), прозрачность и внешний вид.

Рукавный метод получения пленок – простой, высокопроизводительные и экономичный. Возможны три схемы получения рукавных пленок экструзией с последующим раздувом: 1) с подачей рукава вверх; 2) с приемом рукава вниз; 3) с горизонтальным отводом рукава.

Самая распространенная первая схема. Она экономична с небольшими техническими осложнениями, агрегат занимает немного площади. Схема экструзионной установки приведена на рисунке:

Схема агрегата для получения пленок рукавным методом с подачей расплава вверх: 1 - экструдер, 2 - бункер, 3 - фильтр, 4 - головка, 5 - трубопровод для подачи воздуха, 6 - щеки, 7 - тяговые валки, 8 - эстакада, 9 - охлождающее кольцо, 10 - направляющие валки, 11 - наматывающее устройство.


При формовании пленки методом рукавной экструзии с подачей рукава вверх линия включает такие стадии:
1.подготовка расплава: загрузка сырья, плавление, гомогенизация и нагнетание расплава полимера;
2.продавливание расплава через кольцевую головку;
3.раздув рукава и его охлаждение;
4.складывание рукава;
5.намотка пленки на шпули.

Агрегат с отведением рукава вниз используют для производства пленок небольших размеров, потому что под действием собственного веса рукав может оборваться на участке, где полимер находится в высокоэластическом состоянии. К преимуществам такой схемы можно отнести более легкую настройку технологического процесса и лучшее охлаждение пленки

Схема агрегата для получения пленок рукавным методом с подачей расплава вниз: 1 - экструдер, 2 - подача сжатого воздуха, 3 - головка экструдера,4 - охлождающее кольцо, 5 - рукав, 6 - щеки, 7 - тяговые валки, 8 - натяжной ролик, 9 - наматывающее устройство.

Недостатком первых двух схем является поворот течения расплава при входе в угловую головку, что вызывает опасность перегрева и термодеструкции полимера.
Горизонтальную схему используют в агрегатах и автоматических линиях для производства мешков, где степень раздува небольшая, а толщина пленки превышает 200 мкм. Этим методом получают пленки из термонестабильных полимеров (например, поливинилхлодрида)

В процессе формования пленки возможна ионизационная обработка (для снятия статического электричества), радиационная обработка (для повышения прочности пленки). Проводится периодический или постоянный контроль толщины и качества пленки. Толщину измеряют вручную микрометрическим методом (когда от рукава отнимается полоска пленки), или непрерывно с помощью фото- или радиационных датчиков, которые могут быть подключены к регуляторам, которые включены в общую схему регулирования с помощью ЭВМ, или выведены на щит управления. Второй метод более прогрессивный и требует расширения в промышленности.
Если нужно получить пленку небольшого диаметра и толщины, используют спаренную экструзию, когда работают три и больше экструдеров, которые нагнетают расплав в одну головку



Аналогичную схему используют при формовании многослойных пленок, разница лишь в количестве коллекторных каналов в экструзионной головке. При формовании многослойных пленок на каждый полимер существует отдельный коллектор.

Основные технологические параметры экструзии пленки с раздувом рукава

Режим экструзии рукавной пленки – это комплекс технологических параметров, которые обсчитываются для каждой партии материала и при переходе на другую партию обязательно уточняются.

Технологический режим определяют такие параметры:
1.температура по зонам цилиндра экструдера, перехода и головки;
2.число оборотов шнека;
3.давление в головке;
4.температура и количество воздуха, которое идет на обдув (охлаждение) рукава;
5.степень раздува рукава;
6.степень продольной вытяжки.
Если первые три параметра определяют производительность экструдера и качество экструдированного расплава, то следующие параметры – характеристику (свойства) полученной пленки (ее толщину, оптические и физико-механические свойства).
Следует также отметить, что степень вытяжки зависит от скорости отверждения, то есть от интенсивности обдува, температуры расплава и теплофизических характеристик полимера. Степень вытяжки определяет толщину пленки и ее физико-механические свойства.
На качество пленки существенно влияет температура расплава и скорость его экструдирования, а также коэффициент (степень) раздува. При увеличении температуры расплава повышается степень аморфизации кристаллического полимера. Скорость экструдирования на прозрачность влияет обратно пропорционально, однако эта зависимость значительно сглаживается при увеличении степени раздува.
В таблице приведены ориентировочные режимы экструзии пленок с раздувом рукава для полиолефинов:


Технологические особенности экструзии рукавной пленки и проблемы, которые возникают при их реализации

Тепловой режим экструзии влияет на свойства пленок. При низких температурах расплава происходит значительное вытягивание пленки, которое сопровождается ориентацией макромолекул и повышением ее прочности, а также появлением поверхностных дефектов. При высокой температуре расплава скорее проходит релаксация напряжений, которые возникают в полимере при раздуве и при вытяжке. Повышенная температура экструзии обеспечивает пленке хорошую прозрачность и блеск.

Как видно, температура переработки при этом методе является ниже, чем при литье под давлением, что обусловлено необходимостью обрыва рукава.

Толщина и физико-механические свойства пленки, как уже было сказано, зависят от:
1.продольной вытяжки, которая задается скоростью экструдирования;
2.от степени раздува, которая зависит от избыточного давления воздуха всередине рукава и определяется способностью расплава к деформированию. При слишком большой степени вытяжки или раздува пленка, как это было сказано выше, приобретает явно выраженную анизотропию прочности.

Путь, по котором осуществляется вытяжка, зависит от скорости отверждения (кристаллизации) расплава (перехода его из вязкотекучего состояния в высокоэластическое или стеклообразное).

В свою очередь длина зоны вытяжки зависит от природы полимера (его теплофизических характеристик) и скорости (интенсивности) охлаждения.
При оформлении технологической схемы важно также знать общую длину рукава до складывания, которая должна считаться с температурой слипания полимера (температурой липкости). Так, для ПЕ эта температура должна быть ниже, чем 40°С.
Для получения прозрачной пленки с хорошими физико-механическими свойствами длина зоны вязкотекучего состояния должна быть небольшой, потому что с уменьшением скорости охлаждения возрастает возможность кристаллизации и возрастания концентрации напряжений сдвига, которые вызывают помутнение пленки и анизотропию ее свойств.

Для интенсификации охлаждения и выравнивания условий отверждения пленки с внешней и внутренней сторон рекомендуется двухстороннее охлаждение (рисунок (а) )

Однако при охлаждении воздухом вследствие сравнительно небольших значений коэффициента теплоотдачи возникает ощутимый температурный градиент между поверхностью пленки и воздухом, поэтому теплообмен является малоэффективным. Чтобы ускорить охлаждение с равномерным тепловым потоком, используют жидкое (водяное) охлаждение (рисунок (б))

Вследствие значительно высокой, по сравнению с воздухом, теплопроводности воды, эффективность жидкого охлаждения может быть повышена в 1000 раз относительно воздушного. Жидкое охлаждение, как правило, используют при вытяжке пленки вниз. Недостатком такого метода является проблема отделения воды от пленки (ее высушивание).

Достаточно эффективным является аэрозольное охлаждение – в этом случае используют увлажненный воздух.

Кроме приведенных выше общих технологических проблем при осуществлении технологии получения рукавной пленки нужно комплексно решать задания, которые возникают при:
1.работе экструдера – необходимости равномерной подачи расплава с как можно более однородными (одинаковыми), точно установленными характеристиками;
2.обеспечении равномерного (без пульсаций) выхода однородного, одинаково нагретого расплава с головки (образование качественной трубной заготовки);
3.охлаждение рукава – обеспечение равномерности охлаждения;
4.складывание рукава;
5.согласование скорости намотки и экструзии пленки.
Рассмотрим сжато реализацию каждого задания:
1.Для получения качественного расплава с равномерной его подачей на профильный (формующий) элемент необходимо четкое согласование работы трех зон экструдера, которое устанавливается с помощью математического моделирования процесса. Для согласования работы всех зон используют:

• подбор материала с нужными (и обязательно одинаковыми) реологическими свойствами;
• использование шнека соответствующей конструкции для каждого материала, а то и каждой партии;
• установление технологических параметров экструдирования в зависимости от теплофизических и реологических характеристик материала;
• дросселирование и фильтрация расплава на выходе из экструдера.

Следует отметить, что качество трубы существенно зависит от гомогенности расплава, который поступает в головку. Для изменения степени гомогенности расплава на выходе из экструдера ставят дроссельное устройство. При уменьшении сечения канала в дросселе повышается давление в цилиндре (возрастает сопротивление), и, соответственно, возрастает степень гомогенизации.
Качество заготовки зависит также значительно от характеристики фильтрующего пакета (кстати, это может быть добавочный дроссель). Имеет влияние размер ячеек фильтрующих сеток и количество последних. Число сеток определяется в зависимости от перепада давления, которое не должно превышать 3-5 МПа. Размер ячеек желательно брать как можно меньше. Чаще всего в практике используют сетки с размером ячеек 75-560 мкм. Количество ячеек тогда составляет 6400-144 шт/см².

2.Для получения качественного рукава устанавливается оптимальный режим, который должен обеспечить: равномерную подачу строго калиброванной заготовки (трубы). В общем, понятно, что в обычной, угловой головке перепад давления (соответственно напряжения сдвига и реологические характеристики, включая саморазогрев) будет разный по кольцу вследствие соответственных расходов при обтекании дорна в канале. Направления решения этой проблемы состоят в мерах, которые предусматривают конструирование головок с выравнием потока, а именно:

• сменное сечение канала между мундштуком (цилиндром) и дорном;
• s-образный путь на входе в головку для выравнивания потока расплава;
• выполнение на дорне радиальных распределительных каналов
• выполнение винтовых нарезок на дорне и мундштуке, причем винтовые каналы выполнены сменного сечения, понятно, с большим размером на отдаленном крае кольца от входа расплава;
• головки, в которых дорн или (и) мундштук, вращаются навстречу;
• использование прямоточных головок – на вертикальных экструдерах, установленных в направлении вытягивания рукава, или при горизонтальной схеме экструзии;
• используют действие вибрации (ультразвука) на головку. Это способствует уменьшению диссипативных издержек при течении в каналах головки.

В случае угловой экструзии вследствие углового перехода возникают большие напряжения сдвига, и из-за добавочного сопротивления течения наблюдается большая диссипация энергии, что обуславливает уменьшение вязкости расплава, возрастание скорости течения, но одновременно возможны деструктивные процессы. Эти явления существенно уменьшаются при вращении поверхностей, пор которым течет расплав.

Длина формующего отверстия головки влияет, прежде всего, на мутность пленки. С уменьшением длины канала напряжения сдвига, которые возникают на входе заготовки (явление эластичной турбулентности) и образование шероховатости поверхности.

После выхода заготовки расплава одновременно поддают раздуванию, вытяжке и охлаждению. Скорость вытяжки, равнотолщинность пленки, ее прозрачность и физико-механические свойства в значительной степени зависят от скорости и равномерности охлаждения. Чем больше скорость охлаждения, тем больше прозрачность пленки, или меньше степень кристалличности и ориентационных напряжений.

Существенное влияние на качество пленки и ее разнотолщинности имеет равномерность охлаждения рукава – толщина тем больше, чем выше интенсивность охлаждения.

3.Проблемы равномерности охлаждения. Самый распространенный метод охлаждения – обдув воздухом, которое выходит с кольца через отверстия.
Недостаток такого оборудования – неравномерность воздушных потоков с каждого отверстия. Для улучшения обдува используют:

• кольца с несколькими исходными щелями вместо отверстия;
• охлаждающие муфты с металла, которые имеют внутреннюю поверхность, выполнены по профилю рукава. В средине муфта охлаждается водой, и при контакте с рукавом, вследствие высокой теплопроводности, интенсифицируется процесс охлаждения вместе с улучшением равномерности его из-за контакта по всей поверхности;
• использование для обдува воздушно-водяной смеси;
• применение системы воздушного охлаждения. Особенности этих технических решений описаны раньше.

5.Образование складок еще более возможно при наматывании пленки вследствие:

• изменения линейной скорости на рулоне из-за постоянного возрастания его диаметра, когда окружная скорость (скорость вращения рулона) остается постоянной; поэтому нужно согласование и ; или образование складок уменьшается при наличии натягивающего устройства перед намоткой;
• вследствие термосжатия пленки – усилия, которые возникают при этом, сморщивают пленку;
• выгибание от статической электрики – вследствие трения полимера о щеки, валки и движения в воздухе наблюдается электризация пленки, которая вызывает электростатическое отталкивание на рулоне. В таком случае статический заряд можно уменьшить, увлажняя воздух, используя нейтрализаторы, которые ионизируют воздух в области эстакады, а также, добавляя к сырью антистатики. Часто используют ионизирующее облучение УФ-лучами, или коронным разрядом;
• наличие воздушных конвективных потоков, которое обусловливает неравномерность охлаждения рукава и неравномерность усадки.

При осуществлении технологии нужно поддерживать условия, которые бы исключали расшатывание рукава (ветер, сквозняк, тепловые конвективные потоки), особенно к линии кристаллизации, потому что это приводит к образованию волнистой поверхности пленки из-за неравномерности охлаждения и кристаллизации.