Сущность метода экструзии с раздувом

Полимер поступает в экструдер, расплавляется и выдавливается из формующей головки в виде рукава, незамедлительно раздуваемого воздухом до требуемых размеров, и затем складывается в двухслойное полотно.

Рисунок 4 — Установка для производства пленки рукавным методом с приемкой рукава вверх

Существуют три основные схемы производства рукавной пленки: приемкой раздуваемого рукава вверх (наиболее распространена), вниз и в горизонтальном направлении.

Рисунок 5 — Схемы производства рукавных пленок:
а - приемка раздуваемого рукава вверх;
б - приемка раздуваемого рукава вниз; в - приемка раздуваемого рукава в горизонтальном направлении.

Достоинства первой схемы производства: 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.

При работе по второй схеме возможен самопроизвольный отрыв рукава и его вытягивание. Вместе с тем рукав быстро охлаждается, что позволяет получать тонкую пленку с большей прозрачностью и дает возможность уменьшить строительную высоту установки. Горизонтальный вариант имеет больше недостатков, чем достоинств. Раздуваемый рукав провисает, охлаждение и напряжения по его периметру становятся неравномерными. Отсюда - разнотолщинность рукава и его разнопрочность в поперечном сечении. Поэтому эту схему применяют для производства пленок с невысокими требованиями, толщиной от 0,2 мм при минимальных степенях раздува, а также из вспенивающихся и термочувствительных (ПВХ) полимеров.

Технология производства

Рисунок 8 — Общий вид шнека и условное расположение функциональных зон

I- зона питания, II - зона плавления, III - зона дозирования

Зона питания. Полимер в виде гранул или порошка поступает из бункера, расположенного над экструдером в загрузочную воронку. Под действием гравитационных сил и сил трения (за счет разницы коэффициентов трения полимера к шнеку и цилиндру, при этом коэффициент трения полимерного материала к шнеку должен быть меньше, чем к цилиндру) гранулы продвигаются вдоль. По мере движения полимера вдоль в материале развиваются высокие сдвиговые напряжения, вызывающие дополнительное нагревание полимера (саморазогрев). Часть тепла подводится конвекцией от нагревателей различной конструкции (индукционные, инфракрасные и т.д.). Гранулы уплотняются, нагреваются, частично плавятся.

Зона плавления. Благодаря уменьшению глубины нарезки шнека в этой зоне, уменьшается свободный объем витка, происходит дальнейшее уплотнение и расплавление частиц полимера до расплавленной массы.

Зона дозирования. Расплав полимера в зоне дозирования подвергается интенсивному смесительному воздействию благодаря специальным конструктивным элементам шнека. В этой зоне глубина нарезки шнека минимальная. Отношение объема витка в зоне дозирования к объему витка в зоне питания определяет коэффициент сжатия. Для различных материалов конструируются шнеки с индивидуальным значением коэффициента сжатия для получения оптимальных реологических характеристик расплава полимера.
Способ производства рукавной пленки по схеме «снизу-вверх» применяют при изготовлении пленок практически любой ширины. Схема производства «сверху-вниз» рациональна для производства узких, тонких пленок. Горизонтальный прием рукава представляет интерес при изготовлении, например, толстых газонаполненных (вспененных) пленок.

Гранулированный полимерный материал из технологической емкости пневмозагрузчиком доставляется в бункер, где происходит его окончательная подготовка (подсушка, предварительный нагрев) к переработке. Поступив в экструдер, полимер пластицируется, гомогенизируется и под давлением нагнетается в формующую головку, откуда выдавливается в виде рукавной заготовки, сечение которой определяется геометрией кольцевой щели головки. Внутрь заготовки через дорн головки при давлении 20-50 мм вод. ст. (2-4 кПа) подается воздух, под действием которого происходит раздув экструдата в поперечном направлении с образованием пленочного пузыря. Для придания раздуваемому пузырю формоустоичивости его интенсивно охлаждают обдуванием холодным воздухом через дюзы наружного охлаждающего устройства. Для стабилизации формы рукава и ускорения его охлаждения также служит кольцевой бандаж.

Складывающие щеки преобразуют цилиндрический рукав диаметром D в двухслойное полотно. В ряде случаев для уменьшения ширины полотна на нем формируют продольные боковые складки (фальцы) с помощью складывающего фальцовочного устройства треугольной или фасонной формы. Применение фальцовки позволяет уменьшить ширину полотна в 1,5-2 раза. Движение полотна и, соответственно, отвод рукава от головки осуществляется тянущим устройством с плавной регулировкой частоты вращения валков, один из которых или оба гуммируют. Скорость отвода рукава определяет степень продольной вытяжки пленки, а степень раздува - поперечную вытяжку. Ширительно-центрируюшие валки расправляют складки на полотне перед его разрезанием и намоткой в рулоны.

В современных линиях для производства рукавной пленки обеспечиваются:

o контроль и автоматическое регулирование температуры по зонам материальных цилиндров экструдеров и формующей головки;

o регулирование и контроль давления на входе в головку (до фильтра) и по мере движения в головке;

o автоматический контроль толщины пленки, толщины рукава экструдата, толщины кольцевой щели головки;

o автоматическое поддержание давления воздуха внутри раздуваемого рукава (пузыря); плавная автоматическая регулировка скорости вращения как шнеков, так и отводящих валков.

Во всех рукавных установках обязательно наличие устройств эффективного снятия с рукава и полотна статического электричества. Как правило, современные пленочные линии оснащены комплексом периферийных устройств, обеспечивающих производство различных штучных изделий из полученной пленки, например, пакетов. Основными стадиями технологического процесса являются подготовка сырья, пластикация полимера, формование рукавной заготовки, раздув заготовки и образование рукава (пузыря), его охлаждение и складывание в полотно, контроль качества пленки. Подготовительные операции включают сушку полимера, окрашивание и смешение гранул.

Пластикация полимера. Для пластикации (превращения в расплав) используются преимущественно одночервячные экструдеры с диаметром шнека D 36,45,63,90,160 и реже 250 мм; с длиной червяка (25-32)D для достижения лучшей гомогенизации расплава и уменьшения пульсации расплава. Чем тоньше пленка или составляющие ее слои - тем длиннее должен быть червяк. Конструкция червяка, как правило, трехзонная (для ПВХ - двухзонная) с длиной зоны плавления (1-2)D, степень сжатия - до 4,2, загрузочная зона червяков - охлаждаемая. Материальный цилиндр обычно имеет 4-6 зон обогрева, причем температура должна регулироваться с точностью ±(1-1,5)°С.

Температура по зонам цилиндра определяется свойствами перерабатываемого полимера и вязкостью его расплава. При выборе режима пластикации учитывают, что температура материального цилиндра должна плавно возрастать от загрузочного отверстия к головке, перед входом в которую она максимальна.

Формование рукавной заготовки происходит в рукавной головке, в которую поток расплава полимера поступает из экструдера и затем выдавливается из кольцевого оформляющего зазора. С этой целью используют угловые или прямоточные головки, обычно с диаметром кольцевого зазора 250-750 мм. Воздух для пневморастягивания рукава подводится через дорн.

Обязательные требования к головкам - отсутствие застойных зон, равномерное и одинаковое по длине каналов движение расплава, равномерный, без пульсаций, выход рукава с равной по периметру толщиной стенки. Конструкция головки должна обеспечивать необходимое гидравлическое сопротивление (давление до 20-30 МПа), а ее устройство - легкую установку и разборку. Материал рабочих поверхностей головки должен быть коррозионностойким. Наибольшее распространение получили головки с центральным входом и винтовым распределительным каналом.

Рисунок 9 — Схема угловой рукавной головки с центральной подачей расплава.

1 - корпус головки;
2 - дорн;
3 - фильтр;
4 - мундштук;
5 - доронодержатель.

Расплав из материального цилиндра экструдера через фильтр поступает в головку снизу по угловому цилиндрическому каналу, обтекает дорн, приобретая кольцевое сечение, и затем выдавливается через формующий зазор между дорном и мундштуком. Протекая через отверстия в дорнодержателе, расплав рассекается на отдельные потоки, которые затем сливаются. Для предотвращения образования стыковых полос в местах соединения потоков расплава на дорне предусматривают спиральные распределительные каналы, турбулизующие и гомогенизирующие его.

Повышению качества пленки (равнотолщинность, отсутствие сварочных полос) способствует применение головок с вращающимися элементами. Вращающиеся головки, как правило, применяются при производстве пленок шириной 5 и более метров. Температура головки оказывает существенное влияние на такие эксплуатационные свойства пленки, как мутность, выражаемую в процентах, и глянцевитость, оцениваемую в условных единицах. Чем больше перепад между температурой головки, равной температуре экструдируемой рукавной заготовки, и температурой окружающего пространства, тем больше в полимере раздуваемого рукава содержание аморфной фазы и, соответственно, тем прозрачнее пленка.

Раздув заготовки и образование пузыря является важнейшей технологической операцией, формирующей физико-механические и эксплуатационные свойства изделия. Параметры этой операции - степень раздува заготовки, продольная вытяжка рукава и его конфигурация в зоне раздувания. Степень раздува εр, при прочих равных условиях оказывает существенное влияние на равномерность пленки по толщине в поперечном направлении. Она определяется из соотношения:

εр= (D/dk)•100%,

где D – диаметр рукава; dk - диаметр рукавной заготовки, равный диаметру кольцевой формующей щели.

Обычно εр не превышает 300%, составляя 200-250%. С увеличением степени раздува повышается прочность рукава в поперечном направлении и снижается - в продольном. Прочность в продольном направлении зависит от долевой вытяжки εп, которая определяется соотношением скоростей отвода рукава Vотв и выдавливания Vв:

εп=(Vотв/ Vв)•100%.

Для получения рукава, равнопрочного в продольном и поперечном направлении, должно соблюдаться соотношение εр ≈ εп.

Конфигурация рукава в зоне раздувания зависит от давления воздуха в рукаве, скорости его отвода от головки и от интенсивности охлаждения воздухом, поступающим из наружной охлаждающей системы. Выдавливаемый из головки прозрачный рукав на некотором расстоянии от нее мутнеет. Этот эффект наблюдается у кристаллизующихся термопластов. Условную линию, разделяющую прозрачную и непрозрачную часть рукава, принято называть «линией кристаллизации», выше которой дальнейший раздув рукава не происходит и рукав сохраняет свою цилиндрическую форму с достигнутым диаметром D. (рис. 5) На «линии кристаллизации» температура полимера равна или близка к температуре размягчения.

Рисунок 10 — Конфигурация рукава в зоне раздувания:

а - вытянутая;
б - нормальная;
в - сильно раздутая.

При согласованных параметрах раздува, скорости отвода и темпа охлаждения рукав принимает «нормальную» конфигурацию, при которой высота «линии кристаллизации» H ≈ (0,3-0,4)D.

Охлаждение принимаемого вверх пузыря и его складывание в двухслойное полотно. Поднимающееся вверх тепло от остывающего рукава затрудняет его охлаждение и переход полимера в твердое состояние. Для предотвращения слипания пленки в двухслойном полотне в зазоре между тянущими валками отводящего устройства она должна быть охлаждена до температуры на 25-30°С ниже температуры размягчения перерабатываемого полимера.

Для отвода тепла от рукава используют воздушные, водяные и смешанные системы охлаждения. Воздушное охлаждение применяется для производства пленки с шириной полотна до 6000 мм. Воздух из охлаждающего кольца через дюзы направляется навстречу движению рукава. Заслонки в дюзах позволяют регулировать темп охлаждения рукава воздухом по его периметру и предотвращать как образование боковых пузырей на рукаве, так и отклонение его сечения от кругового. В отдельных конструкциях охлаждающих колец имеются устройства, направляющие воздушный поток вдоль по поверхности раздуваемого рукава.

Весьма эффективны системы с внешним и внутренним охлаждением рукава. При внутреннем охлаждении рукава воздух от вентилятора подается в раздуваемый рукав традиционно - через отверстие в дорне, а отводится через выступающую также из дорна трубку, высота которой может достигать половины высоты раздутого пузыря. Для предотвращения самопроизвольных колебательных движений пузыря в касательном направлении применяют стабилизаторы различной конструкции, в том числе и охлаждающие в виде бандажей, концентричных геометрической оси формующего зазора головки.

Конструкция складывающих щек должна обеспечивать теплоотвод с поверхности рукава и минимальную силу трения при скольжении складываемой в полотно пленки. Тянущее (отводящее) устройство состоит из пары валков - приводного и прижимного. Для прижима используют пружинные или пневматические устройства. Движение тянущих валков определяет скорость отвода пленочного рукава от головки экструдера, от чего зависят продольные вытяжка и ориентация пленки.

В зависимости от вида выпускаемой продукции сложенное двухслойное полотно после тянущих валков поступает либо на обрезку кромок и перемотку в виде двух рулонов, либо на обрезку одного края, либо просто сматывается в бобины. В специальных агрегатах для выпуска пакетов, мешков и пр. пленка сматывается с бобины и попадает на узел сварки и обрезки, откуда выходят уже готовые изделия.

Контроль качества. При изготовлении пленки проводится периодический или непрерывный контроль её толщины по ширине или длине полотна, а также внешний осмотр с целью обнаружения посторонних включений, непрозрачности и шероховатости. Прочностные и оптические показатели пленки измеряют на специальных приборах в соответствии с ГОСТами.

Для отдельных видов плёнок технологический процесс несколько отличается.

Многослойные соэкструзионные пленки

Многослойные пленки изготовляют: а) соэкструзией расплавов различных полимеров через кольцевую или плоскую многоканальную головку (число каналов определяется числом слоев); в формующей головке потоки расплавов соединяются, не перемешиваясь, в результате на выходе из нее получается многослойная пленка полимерная; для улучшения адгезии между разнородными расплавами полимеров м. б. использован синтетич. клей, поступающий в канал формующей головки в виде потока расплава полимера; б) кашированием — соединением различных готовых пленок полимерных между собой или с бумагой, фольгой, тканью при помощи клея-расплава.

Производство многослойных пленок - перспективное направление совершенствования пленочной технологии. Использование в одном изделии, различных по свойствам пластмасс позволяет существенно расширить ассортимент пленок и область их применения и сбыта. Принципиально технология производства пленок соэкструзией совпадает с рассмотренной выше. Отличия заключаются в следующем. Расплав в формующие головки поступает из, по крайней мере, двух экструдеров. Для обеспечения требований к равномерности свойств пленки, соэкструзионные установки оснащаются узлами сканирующего вращения не только дорна или мундштука, но и охлаждающего кольца. Как правило, в соэкструзионных головках развиваются более высокие по сравнению с традиционными головками давления. Конструкция таких головок должна обеспечивать не только высокую точность регулирования температуры (± 1,0 °С), но и возможность регулирования реологических характеристик потоков полимеров-компонентов.

Термоусадочные пленки

Термоусадочные пленки применяются в качестве упаковочного материала, в электротехнических устройствах, трубопроводной технологии, в транспортном машиностроении для создания эффективных герметизирующих, изолирующих и иных защитных соединений. Известны примеры использования подобных изделий в медицине. Для изготовления термоусадочной пленки из полиэтилена используются следующие марки ПЭНП: 15313-003; 17504-006 и 15813-020. Две первые марки предпочтительнее, поскольку их более низкий ПТР (0,3 и 0,6 г/10 мин) свидетельствует о большем значении средней молекулярной массы полимера и, следовательно, о возможности достижения большей степени вытяжки и ориентации.

В отношении термоусадочных пленок действует ГОСТ 25951, распространяющийся на изделия из полиэтилена. Физико-химическая особенность термоусадки заключается в формировании несвойственной полимеру надмолекулярной структуры в результате больших осевых деформаций и последующего понижения температуры. При нагревании выше определенной температуры происходит изменение надмолекулярной структуры, которое приводит к геометрическому изменению размеров изделия. Ориентация макромолекул сопровождается повышением прочности полимера в направлении деформирования. Для пленок эта ориентация может достигаться в продольном, осевом, или в радиальном, поперечном, направлении. Или одновременно в продольном и поперечном направлении, как это происходит с пленками, получаемыми по описанной ранее технологии раздува с одновременным отводом рукава. С возрастанием степени раздува значения продольной и поперечной термоусадки сближаются. Из рабочих параметров на процесс продольной и поперечной вытяжки и, соответственно, термоусадки влияют зазор формующей щели, температура переработки и толщина пленки.

Увеличение зазора формующей щели вызывает увеличение степени вытяжки и тем самым степени продольной усадки. При этом уменьшается ориентация макромолекулярных цепей в самом канале формующего инструмента, что приводит к незначительному снижению продольной усадки и увеличению усадки в поперечном направлении.

Повышение температуры переработки приводит к снижению показателей усадки в обоих направлениях. Это связано с увеличением подвижности макромолекул полимера, и, как следствие, уменьшением времени релаксации. Ориентированные макромолекулярные цепи или их фрагменты успевают принять свою исходную структуру до того, как температура пленки станет ниже температуры размягчения Тр полимера.

Толщина пленки на степень вытяжки влияет отрицательно. Поэтому степень вытяжки с увеличением толщины падает (при прочих равных условиях), как следствие уменьшается и продольная усадка.

Форма раздуваемого рукава (рис. 6) также оказывает существенное влияние на термоусадку, причем в большей степени на ее поперечную составляющую. Грибовидная форма рукава является предпочтительной, так как позволяет разделить процессы продольной и поперечной вытяжки, а значит, позволяет их регулировать.

Рисунок 11 — Схема двух крайних форм рукава:

I - плавное расширение;
II - грибовидное расширение.

До линии а-а осуществляется продольное ориентирование пленки, выше - ориентирование поперечное. Соотношение длин «ножки» и «шляпки» регулируется скоростью отвода рукава, высотой линии «кристаллизации», количеством и направлением потоков охлаждающего воздуха, и, наконец, вращением конструктивных фрагментов формующей головки. Значение термоусадки зависит от температуры процесса. Если необходимо получить минимальную силу усадки, то процесс ведут в нижней части температурного диапазона; при необходимости максимальной величины усадки - в средней.

Стрейч-пленки

Стрейч (растягивающаяся) пленка является упаковочным материалом. Для ее производства используются сополимеры этилена с винилацетатом (СЭВА), специальные марки линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП), а также некоторые сополимеры этилена с высшими α-олефинами. Эти полимеры характеризуются значительной деформативностью в твердом состоянии, достигающей для отдельных марок 500-600% при сравнительно невысоких прочностных свойствах. Стрейч-пленку производят по традиционной рукавной или плоскощелевой технологии из гранулированного сырья. Обычно толщина такой пленки составляет до 30 мкм, ширина до 500 мм. Пленка может быть одно- и многослойной. Основные потребительские характеристики стрейч-пленки следующие:

o престрейч - относительная деформация, на которую может быть растянута, пленка при обертывании продукции с обеспечением гарантированного скрепления объекта и без образования в ней разрывов и надрывов. Для различных марок это значение может составлять от 50 до 500 %.;

o прочность;

o относительное удлинение в продольном и поперечном направлениях;

o стойкость к проколу и раздиру;

o прозрачность;

o гибкость;

o стягивающее усилие - усилие, создаваемое остаточным напряжением в пленке после ее растяжения при обмотке или упаковке объектов.

Так как пленка, использованная в качестве упаковочного материала и растянутая, работает в условиях постоянного значения относительного удлинения, то действующее в ней напряжение растяжения изменяется во времени по экспоненте. С течением времени стягивающее усилие в пленке будет уменьшаться, и тем быстрее, чем выше температура окружающей среды, т.к. с увеличением температуры релаксационные процессы ускоряются.