Технология получения плоских пленок методом экструзии

Процесс изготовления плоской пленки базируется на продавливании расплава через плоскощелевую формующую головку с последующим быстрым охлаждением. В отличие от рукавных пленок ширина плоских пленок ограничивается шириной головки.

По способу охлаждения экструдата различают две технологические линии получения плоских пленок:

• охлаждение на металлических валках воздушно-контактным способом:
  
  Технологическая линия получения плоской пленки с охлождением на валках: 1 - экструдер, 2 - формующая головка, 3 - приемно-охлождающие валки, 4 - устройство для удаления кромок, 5 - направляющие валки, 6 - толщеномер, 8 - нагревающие валки, 9 - инфракрасный нагреватель, 10 - тяговые валки, 11 - наматывающее устройство
  
• водяное охлаждение – экструзия в водяную баню:
  
  Технологическая линия получения плоской пленки с охлождением в ванне: 1 - экструдер, 2 - головка, 3 - ванна с водой, 4 - перегородка, 5 - тяговые резиновые валки, 6 - компенсатор напряжений и направляющие валки, 7 - наматывающее устройство, 8 - система направляющих валков

В первом случае расплав касается поверхности вала и, перемещаясь вместе с поверхностью при вращении вала, охлаждается. Во втором – расплав попадает в холодную жидкость и охлаждается, проходя через нее.

При воздушном охлаждении расплав обливает высокополированную поверхность охлаждающего валка и благодаря адгезии транспортируется (вместе с охлаждением) совместно с поверхностью, которая вращается. Итак, после контакта с валком пленка не меняет свою толщину. Толщина формируется на промежутках валка, когда материал в вязкотекучем состоянии подается вытяжке, обусловленной скоростью приема пленки (задается вращением валков 10) и скоростью экструдирования расплава.

Как правило, для плоских пленок производительность процесса очень высокая, скорость приема пленки может достигать 160м/мин. При высокой скорости экструдирования может захватываться воздух между расплавом и валком, что приведет к браку: разнотолщинности и мутности. Чтобы предотвратить это, используют разные способы прижатия сформированного полотна к охлаждающему валку в месте контакта. Используют, например, сжатый воздух, который выходит из узкой щели сплошным фронтом и вследствие избыточного давления прижимает по касательной полотно к валку, дополнительно охлаждая его. Вместо воздуха, кроме прижимания, валок служит для дополнительного разглаживания пленки по всей длине валка.

В отличие от рукавной экструзии метод плоскощелевой экструзии позволяет получать пленки высокого качества, прозрачные, без складок, со значительно высшей, чем при экструзии с раздувом скоростью экструзии.

Плоскощелевым методом экструзии получают пленку шириной до 4,6м и толщиной от 2мкм до 600мкм. Пленки с толщиной =2-10 мкм называют ультратонкими, а с 100мкм – толстыми.

Особенные требования при экструзии плоского полотна

1. Для получения плоских пленок расплав, который поступает из материального цилиндра экструдера, должен быть максимально гомогенизирован (однородный по реологическим и температурным параметрам в объеме), с большой степенью фильтрации. Из-за этого для экструзии плоских пленок используют шнеки с минимальной глубиной нарезки, повышенной степенью сжатия и удлиненной зоной дозирования.

2. Большое значение имеет равномерность температуры расплава на выходе из цилиндра и по ширине головки, поскольку в противоположном случае экструдируются потоки с разной вязкостью, что является причиной разнотолщинности пленки и анизотропии свойств вследствие разных: а) скоростей течения; б) ориентационных напряжений и в) скорости кристаллизации.
Выравнивание температуры при экструзии осуществляется благодаря интенсивной циркуляции расплава в зоне дозирования и повышения сопротивления на выходе из цилиндра, вызванного при течении расплава сквозь большой пакет тонких сеток (фильтров) и в щели головки. Строго контролируется температура нагревателей по всей ширине головки.

3. При экструзии плоская пленка отводится с повышенной скоростью,
из-за этого расплав в щели получает большие напряжения сдвига при
обеспечении необходимой скорости течения (Vb).
В общем понятно, что Vb, и, следовательно, напряжения сдвига технологически можно увеличить, увеличивая перепад давления в головке, который может оказаться слишком большим для достижения необходимой Vb, которая закономерно превысит напряжение сдвига . Кроме этого Vb существенно может повлиять на производительность экструдера и не всегда может быть осуществлена из-за слишком высоких напряжений сдвига, которые возникают при этом. В связи с этим для уменьшения перепада давления и обеспечения релаксации напряжений (уменьшение напряжений сдвига) процесс ведут при максимально повышенной температуре (ограничиваются термостойкостью). Понятно, что в таком случае уменьшается вязкость расплава и поэтому достигается меньшее значение при достижении необходимого значения Vb . Кроме того, повышение температуры способствует образованию более прозрачных пленок, поскольку при быстром охлаждении сформированного полотна из расплава образуется менее упорядоченная (аморфизированная) надмолекулярная структура полимера с меньшей концентрацией внутренних напряжений.

С целью уменьшения давления в головке высота экструзионной щели значительно больше, чем толщина пленки, поэтому на выходе из щели расплав получает большую вытяжку, которая способствует появлению ориентационных напряжений.

Проблемы формирования полотна плоской пленки

Экструзия плоских пленок осуществляется с использованием коллекторных головок. Наличие в головке коллектора дает возможность устранить возможные пульсации расплава и распределить его равномерно по всей ширине головки с равными параметрами.
Расплав после пакета сеток через переходник поступает в коллектор, где растекается по всей ширине головки и, вследствие добавочного перепада давления, экструдируется через щель в виде полотна. Толщину экструдированного полотна расплава регулируют подвижной губкой (3). Однако расплав поступает в щель с неодинаковым перепадом давления по ширине в связи с разным путем протекания по коллектору и поэтому – разными потерями давления. По центру коллектора расплав проходит наименьший путь (от переходника до щели), значит, здесь будут наименьшие потери давления на течение. С отдалением от центра (места выхода расплава с переходника) потери возрастают на преодоление сопротивления перетекания по коллектору. Вследствие разных потерь давления по ширине головки, на входе из экструдера и до края коллектора, возникают разные перепады давления, что обуславливает разный выход материала из щели, а, значит, возможна разнотолщинность пленки по ширине полотна.

Эта проблема возрастает с повышением вязкости расплава. Для выравнивания потока чаще всего используют вкладки (10), которые по центру наиболее приближаются к нижней плите, а по краю находятся дальше всего. Кроме этого, подвижную губку выполняют из эластичного металла, что позволяет сформировать аналогичный профиль щели вследствие выгибания губки в зависимости от давления в расплаве.

Схема плоскощелевой головки: 1 - направление потока, 2 - переходник с фильтром, 3,11 - верхняя и нижняя плита, 4 - регулирующий сердечник, 5 - соленоидная катушка, 6 - регулирующий винт, 7,10 - подвижные вкладки, 8 - подвижная губка, 9 - неподвижная губка, 12 - нагреватели, 13 - теплоизоляция
Профиль щели в современных технологиях рассчитывают на ЭВМ с использованием данных толщины по ширине пленки, скоростью приема, температурных та реологических характеристик расплава. С помощью ЭВМ происходит регулирование профиля (дистанционно). В этом случае вместо регулируемых винтов (6) используют терморегуляторы, которые линейно удлиняются при подаче на них тока. При производстве пленки из полимера с повышенной вязкостью используют головки с вспомагательным шнеком в коллекторе с двухнаправленной нарезкой.

Конструкция головки с распредиляющим шнеком в коллекторе : 1 - экструдер, 2 - распредиляющее устройство, 3 - корпус головки, 4 - подпорная планка, 5 - формующие губки, 6 - вентилятор теплового регулирования головки

Хороший эффект равномерности распространения давления по ширине головки достигается в головках со сложным профилем типа «рыбный хвост».

Щелевая головка с двумя коллекторами (типа «рыбный хвост» ): 1 - нижняя плита, 2 - верхняя плита, 3 - коллекторы, 4 - подвижная губка

При экструзии низковязких расплавов иногда достаточно регулирования профиля с помощью эластичной нижней губки (диафрагмы).
Частичное выравнивание потока по ширине щели происходит также вследствие разной температуры по ширине головки (так как головка нагревается). Однако, в этом случае необходима полная коррекция с вязкостью расплава, т.к. несоблюдение ее по ширине в соответственных границах может привести к течению с разной скоростью, и поэтому возможна еще более ощутимая разнотолщинность. Смена температуры может спровоцировать разную степень ориентации.

Проблемы охлаждения полотна

При охлаждении идет процесс стеклования или кристаллизации. Кроме того вследствие значительной вытяжки в расплаве происходит соответствующая ориентация полимера. Итак, режим охлаждения в значительной степени определяет надмолекулярную структуру полимера и свойства пленки, произведенной на его основе.

При воздушно-контактном способе могут произойти такие проблемы:

1. захват воздуха под пленку (скорость приема полотна больше, чем 50 м/мин.) – появление разнотолщинности и мутности;

2. разная температура со стороны валка и внешнего воздуха: возможно неравномерное охлаждение, что может вызвать пятнистость, выгибание;

3. при большом усилии прижимания и, вследствие этого, наплывы на валках, особенно, когда расплав с низкой вязкостью.


При водяном охлаждении значительно возрастает эффективность охлаждения и его равномерность. Однако, при таком охлаждении возможно:

4.увеличение анизотропии свойств (прочности) пленки, поскольку частичная вытяжка происходит уже при низшей температуре сразу при входе в ванную (T воды = 50-70 град. Цельсия ). И до полного застывания в ванной наблюдается непрерывная вытяжка при возрастании вязкости, что приводит к значительной фиксации ориентационных напряжений в направлении вытяжки. В первом случае вытяжка происходит до контакта расплава с поверхностью валка;

5. колебание жидкости вследствие большой скорости движения пленки вызывает неравномерную толщину пленки по длине. Для уменьшения этого влияния ставят в ванну щиты, которые успокаивают жидкость, а ванну устанавливают на амортизаторы.

Влияние технологических параметров на процесс формования пленки

На процесс формования полотна и свойства пленки значительное влияние имеют температура расплава, который входит в щель головки, скорость охлаждения, расстояние от головки до охлаждающего элемента, скорость отведения пленки и реологические характеристики расплава.

Температура расплава

Как правило, чем выше температура расплава, тем меньше мутность пленки, больше блеск поверхности, что обусловлено большим перепадом температур при охлаждении и вследствие этого – уменьшением внутренних напряжений и упорядоченностью надмолекулярной структуры (стеклования).

Как известно, прочность пленки зависит от степени кристалличности и ориентации макромолекулярных группирований. При повышении температуры расплава уменьшается степень кристалличности и ориентация в направлении вытяжки расплава (т.к. низшая вязкость). Кроме этого, уменьшается напряжения сдвига, т.к. более быстрой является их релаксация при течении в щели. И при экструзии пленки без глубокой вытяжки и дополнительной ориентации пленки отличается изотропными свойствами с пониженной прочностью.
На сегодняшний день достаточно распространенным становиться процесс формирования ультратонких пленок. При их формовании используют глубокую вытяжку расплава, т.к. сменой высоты щели нельзя сформировать такую маленькую толщину из-за избыточного возрастания сопротивления головки. При таких условиях возможно возникновение ориентации полимера в направлении вытяжки, что приводит к анизотропии прочности пленки (в продольном направлении она значительно прочнее, чем в поперечном). В связи с этим для уменьшения анизотропии свойств пленки ее формируют при максимальной повышенной (критической) температуре.