ćwiczenie nr 6 wytłaczanie i ocena charakterystyki mieszanki

ćwiczenie nr 6 wytłaczanie i ocena charakterystyki mieszanki

LABORATORIUM „REOLOGICZNE PODSTAWY TECHNOLOGII
POLIMERÓW”
ĆWICZENIE NR 6
WYTŁACZANIE I OCENA CHARAKTERYSTYKI MIESZANKI
KAUCZUKOWEJ
1
1. Wstęp teoretyczny
Wytłaczanie jest procesem ciągłego formowania mieszanek kauczukowych. Polega
na uplastycznianiu mieszanki w układzie uplastyczniającym wytłaczarki a następnie
przepychaniu go – pod wpływem wytworzonego w tym układzie ciśnienia – przez kanały
głowicy wytaczarskiej, a w następnej kolejności na zestaleniu bądź utwardzeniu otrzymanej
wytłoczyny. Uplastycznianie następuje w wyniku nagrzewania mieszanki przez układ
nagrzewający cylindra wytłaczarki oraz w wyniku rozpraszania energii wewnątrz cylindra.
Poprzez pojęcie wytłaczalność rozumiemy podatność tworzywa wytłaczanego na zmiany
właściwości, struktury, kształtu i wymiarów, zachodzące w czasie procesu wytłaczania.
Wytłaczanie należy do metod przetwórstwa o największym znaczeniu. Stanowi ona ponad
50% wytwarzanych tworzyw, których produkcja w 2008 roku przekroczyła 245 mln ton.
Metodą wytłaczania produkuje się takie wyroby gumowe jak: węże, sznury o różnorodnych
profilach, dętki, kable oraz wiele półproduktów, do których w pierwszym rzędzie należą
bieżniki opon. Odpowiedni kształt wytłoczyny nadaje dysza głowicy wytaczarskiej, która jest
skonstruowana z uwzględnieniem efektu Barusa i zjawisk skurczu.
Mieszanki przeznaczone do wytłaczania muszą cechować się możliwie dużą
plastycznością, zdolnością do zachowania kształtu wytłaczanego profilu oraz odpornością na
podwulkanizację. Zdolność do zachowania kształtu nadaje się mieszankom poprzez dodatek
kauczuków częściowo usieciowanych, regeneratu, faktysy oraz niektórych napełniaczy, np.:
węglan magnezu. Odporność na podwulkanizację zapewnia odpowiedni dobór zespołu
wulkanizującego lub wprowadzenie opóźniaczy wulkanizacji.
Wytłaczarka ślimakowa, której istota została opatentowana przez M. Graya już w 1879 r.
w Anglii, składa się z:
Układu uplastyczniającego
Układu napędowego (silnik o odpowiedniej mocy, przekazujący moment obrotowy
przez przekładnie redukcyjną, wymuszający obrót ślimaka).
Układu sterowania
Układu formującego (głowica zakończona ustnikiem)
Uplastycznianie tworzywa przetwarzanego jest jednym z najważniejszych zagadnień w
przetwórstwie tworzyw. Jest głównym czynnikiem determinującym wydajność przetwórstwa.
2
Tworzywo po procesie uplastyczniania musi charakteryzować się określonymi parametrami, a
zatem temperaturą, ciśnieniem, stopniem homogenizacji, prędkością ruchu oraz natężeniem
przepływu.
Układ uplastyczniający wytłaczarki spełnia następujące funkcje:
Nagrzewanie - prowadzone w celu zapewnienia określonego przebiegu zmian stanów
fizycznych przetwarzanego tworzywa, określanego temperaturą i jej fluktuacją
Sprężanie - polega na wytwarzaniu w tworzywie zadanego przebiegu zmian ciśnienia,
określanego wartością ciśnienia oraz jego pulsacją
Mieszanie – zapewniające homogenizowanie, a zatem ujednorodnienie składu i
właściwości, głównie termicznych oraz mechanicznych, także ujednorodnienie
struktury tworzywa przetwarzanego
Transportowanie - przemieszczanie tworzywa przez układ z uzyskaniem na jego
końcu wymaganej prędkości wypływu tworzywa z określonym natężeniem oraz
ustaloną fluktuacją i pulsacją.
Układ uplastyczniający może również spełniać funkcje pomocnicze, do których należą:
odgazowanie, porowanie, polimeryzowanie oraz przebieg reakcji chemicznych pomiędzy
składnikami tworzywa. Występują one w określonych przypadkach uplastyczniania oraz z
różną intensywnością.
Układy uplastyczniające można podzielić na:
Układ ślimakowy ( jedno- lub wieloślimakowy)
Układ bezślimakowy (głównie tłokowy, tarczowy, pierścieniowy, wirnikowy i
planetarny)
Układ mieszany (ślimakowo-tłokowy lub ślimakowo-tarczowy)
Podstawowe znaczenie ma obecnie uplastycznianie ślimakowe. Układ taki zbudowany jest
z:
Zespołu mechanicznego, tworzonego przez cylinder i obracający się ślimak (bądź
kilka ślimaków) umieszczony w cylindrze
Zespołu nagrzewająco – ochładzającego, który stanowią urządzenia sterująco –
regulujące oraz ewentualnie wentylatory
Urządzeń pomocniczych np.: zaworów odgazowujących
3
Nagrzewnice, grzejniki oraz wentylatory umieszczone są na cylindrze, natomiast
urządzenia sterująco – regulujące znajdują się przeważnie w oddzielnej strefie.
Tworzywo wprowadzane jest do układu ślimakowego z zasobnika, a następnie
odprowadzane jest w stanie plastycznym do głowicy wytaczarskiej.
Układ napędowy wytłaczarki musi spełniać poniższe wymagania:
Duży moment obrotowy rozruchowy, który wynosi ok. 1,5 momentu znamionowego
Dobra stabilność prędkości obrotowej ślimaka przy zmianie obciążenia od 0 do 100%
Stałość bądź niewielkie zmiany momentu obrotowego w funkcji prędkości obrotowej
Prosta obsługa , małe koszty zakupu i eksploatacji
Ograniczenie maksymalnego momentu obrotowego w celu zabezpieczenie ślimaka
przed ewentualnym uszkodzeniem
Funkcje i budowa cylindra:
Z funkcji jakie spełnia układ uplastyczniający wynikają wymagania, które powinien
spełniać cylinder. Należą do nich:
Odpowiednie ukształtowanie i struktura geometryczna powierzchni wewnętrznej i
zewnętrznej
Przenoszenie obciążeń wywołanych ciśnieniem uplastycznianego tworzywa oraz masą
układu uplastyczniającego
Odkształcanie w zakresie umożliwiającym właściwą współpracę ślimaka bądź
ślimaków
Odpowiednie przenoszenie ciepła w kierunku do i od tworzywa
Ze względu na charakter powierzchni cylindra, wyróżniamy dwa podstawowe typy:
rowkowane oraz gładkie (najczęściej spotykane). Rowki zewnętrzne są prostopadłe do osi
cylindra lub są śrubowe o dużej stromości i służą do przepływu czynnika chłodzącego,
którym może być powietrze bądź woda. Rowki umieszczone są na początku cylindra na
długości około 3D. Rowkowanie powierzchni cylindra wpływa na większą efektywność
zbierania tworzywa z zasobnika i wprowadzania do kanału ślimaka. Zwiększa się w tym
4
przypadku tarcie i ciśnienie w strefie zasilania, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia
natężenia przepływu tworzywa w układzie uplastyczniającym. Strefę rowkowaną należy
intensywnie chłodzić, ponieważ w wyniku zwiększonego tarcia tworzywo wytłaczane
mogłoby ulec przedwczesnemu uplastycznieniu. Układy uplastyczniające zawierające
cylindry rowkowane odznaczają się znaczną intensywnością procesu transportu. Wytłaczarki
z takimi cylindrami posiadają również wady, do których należy zwiększone zużycie energii
(wymagają one silniejszego napędu). Ponadto ze względu na dużą prędkość transportową,
mogą wystąpić problemy z pełnym uplastycznieniem, jak również odpowiednią
homogenizacją materiału.
Najważniejsze funkcje jakie pełni ślimak:
Konstrukcja ślimaka ma decydujące znaczenie w przetwórstwie tworzyw. Ślimak musi w
sposób prawidłowy spełniać następujące funkcje:
Równomierny transport tworzywa
Plastyfikację i homogenizację stopionej masy
Utrzymanie zadanej temperatury przy wytworzonym ciśnieniu i natężeniu przepływu
Geometria ślimaka zależy od rodzaju tworzywa, charakterystyki płynięcia, lepkości
uplastycznionego tworzywa oraz współczynnika tarcia granulatu.
Ślimaki w układach jednoślimakowych dzieli się ogólnie na ślimaki klasyczne,
niekonwencjonalne oraz specjalne. Ślimaki klasyczne mają kanał śrubowy ciągły wzdłuż
całej długości części roboczej. Różnią się między sobą elementami geometrycznymi. Ślimaki
specjalne zaopatrzone są w specjalnej konstrukcji elementy, które intensyfikują proces
ścinania i mieszania w układzie uplastyczniającym. Natomiast ślimaki niekonwencjonalne
odznaczają się tym, że na części długości roboczej mają odcinki kanału nieśrubowego
klasycznego, nieciągłego bądź ciągłego. Obecnie coraz częściej używa się ślimaków
łączących rozwiązania ślimaków specjalnych i konwencjonalnych.
Klasyczny ślimak w układzie jednoślimakowym podzielony jest umownie na 4
podstawowe strefy (Rys. 1):
5
Rys. 1. Schemat ślimaka klasycznego z zaznaczeniem poszczególnych stref:
I- zasypu; II- zasilania; III- przemiany (sprężania); IV- dozowania
Strefę zasypu, o długości (1,5÷2)D (D-średnica zewnętrzna ślimaka) tworzy część
ślimaka, która znajduje się bezpośrednio pod otworem wysypowym zasobnika tworzywa. W
tej strefie następuje przyjęcie przez ślimak tworzywa wejściowego, przeważnie w kształcie
granulek lub proszku, poprzez możliwie całkowite wypełnienie tworzywem obszaru między
zwojami ślimaka, zwanego kanałem śrubowym ślimaka. Strefa ta nie zawsze jest wydzielana i
bywa łączona ze strefą zasilania.
Kolejna strefa, strefa zasilania, o długości przeważnie (4÷15) D, rozpoczyna się w
miejscu zamkniętym na całym obwodzie cylindra. W tej części wytłaczarki tworzywo ma taką
samą postać i kształt, jak w strefie zasypu, ale ulega głownie nagrzewaniu, sprężaniu i
transportowi, w wyniku czego w tworzywie zachodzą przemiany.
Zdolność transportowania materiału, zależy od:
- objętości kanału między zwojami ślimaka w tej strefie,
- liczby obrotów,
- współczynnika zapełnienia kanału,
- współczynnika tarcia tworzywa o cylinder i ślimak.
W części poprzecznej przekroju kanału ślimaka tworzywo przechodzi w stan plastyczny –
zaczyna się w tym miejscu następna strefa ślimaka zwana strefą przemiany. Ma ona długość
przeważnie (5÷10) D. W tej strefie rośnie udział tworzywa w stanie plastycznym w miarę
jego transportowania, zwiększa się również udział tworzywa w stanie ciekłym.
W momencie, gdy w całym przekroju poprzecznym kanału tworzywo jest w stanie
plastycznym bądź ciekłym, rozpoczyna się strefa dozowania. Zadaniem tej strefy (długość
porównywalna ze strefą przemiany) jest przede wszystkim ostateczne przeprowadzenie
6
resztek tworzywa w stan plastyczny bądź ciekły (mogły tego stanu nie osiągnąć wcześniej),
dalsza homogenizacja oraz nadanie i ustabilizowanie parametrów tworzywa opuszczającego
układ. Strefy II, II oraz IV przechodzą jedna w drugą w sposób ciągły. Często zdarza się, że
granice między nimi są słabo zaznaczone.
Ślimak jest charakteryzowany głównie następującymi elementami geometrycznymi:
Stosunkiem długości części roboczej do średnicy zewnętrznej L/D; wartość ta zawiera
się w przedziale 3÷35
Głębokością h kanału śrubowego; wynosi ona na ogół (0,05÷0,3) D i jest największa
w strefie zasypu, a najmniejsza na końcu strefy dozowania
Szerokością b kanału śrubowego
Skokiem t linii śrubowej zwoju; ma ona najczęściej wartość (0,8÷1,2) D
Stromością γs linii śrubowej zwoju
Kątem pochylenia α linii śrubowej, który jest zależny od h
Szerokością e grzbietu zwoju; na ogół e = (0,06÷0,1) D
Krotnością i zwojów; zazwyczaj = 1, ale można spotkać ślimaki wielozwojowe, np.:
dwuzwojowe
Szczeliną s pomiędzy grzbietem zwoju i powierzchnią wewnętrzną cylindra
przetwórczego
Redukcją objętości kanałów; redukcja całkowita jest stosunkiem objętości zwoju na
początku strefy zasilania do odpowiadającej objętości zwoju na końcu strefy
dozowania i wynosi na ogół 1,3÷5 dla tworzyw termoplastycznych i 1,0÷1,5 dla
tworzyw utwardzalnych
Otworem wzdłużnym o średnicy przeważnie (0,25÷0,35) D
Wymaganą redukcję objętości kanału, która wynika z kompensacji objętości tworzywa
wskutek zmiany jego stanu fizycznego i właściwego sprężania można osiągnąć poprzez
zmniejszenie skoku linii śrubowej zwoju bądź wysokości zwoju. Ze względu na tańsze oraz
prostsze wykonanie ślimaka, częściej stosuje się ślimak o stałym skoku i zmniejszającej się
wysokości zwoju.
7
Kształty ślimaków
Z uwagi na to, że różne gatunki i rodzaje mieszanek kauczukowych wymagają
odpowiednio różnych parametrów procesu przetwórczego, istnieje duża różnorodność
rozwiązań konstrukcyjnych, a także wymiarów i kształtów ślimaka (rys. 2), co pozwala
zapewnić wymagane warunki dla procesów mieszania, uplastyczniania i sprężania
przetwarzanych materiałów.
Rys. 2. Przykłady niektórych kształtów ślimaków
Układ formujący
Układ ten stanowi głowica wytłaczarska. Na jej końcu umieszczona jest dysza o
odpowiednim kształcie, która nadaje uplastycznionemu tworzywu żądany kształt (pręta, folii,
rury bądź innego dowolnego profilu) i wymiary w przekroju poprzecznym przy
uwzględnieniu efektu Barusa oraz zjawiska skurczu. Na skutek efektu Barusa przekrój
poprzeczny wytłoczyny nie jest równy przekrojowi poprzecznemu wylotu dyszy. Wzorów do
obliczeń użytecznych w praktyce inżynierskiej dotychczas ciągle brak i z tego powodu
8
przekrój poprzeczny dyszy podczas projektowania głowicy jest kształtowany wstępnie, a
następnie po wykonaniu głowicy podlega korekcji, w próbach bezpośrednio z danym
tworzywem na określonej wytłaczarce. Wymaga to pewnego trudu, gdy przekrój ten nie jest
kołowy (rys. 3), natomiast wytłoczynie stawiane są duże wymaganie co do dokładności
wymiarów, kształtu i położenia. Coraz częściej stosuje się jednak projektowanie głowic, w
tym dysz, ze wspomaganiem komputerowym.
Rys. 3. Przekrój poprzeczny: a). dyszy, b). wytłoczyny, c). dyszy do wytłaczania prętów z
PVC modyfikowanego twardego o wymiarach nominalnych 4x6 mm
Na rys. 4 przedstawiona została przykładowa wytłaczarka jednoślimakowa do tworzyw
termoplastycznych z zamocowanym na niej narzędziem. Ślimak (1) wykonuje tylko ruch
obrotowy, który jest przekazywany z silnika elektrycznego (7) poprzez przekładnię pasową
(8), przekładnię do bezstopniowej regulacji obrotów (6) oraz układ kół zębatych (4). W celu
łatwiejszej kontroli temperatury procesu jest on czasami (w przypadku ślimaków o dużej
średnicy) wewnątrz drążony, by można go było chłodzić (5) wodą lub sprężonym
powietrzem. Łożysko (3) przenosi obciążenie osiowe powstające w wyniku ciśnienia
panującego w układzie ślimakowym. W celu zapobieżenia zlepianiu się granulek tworzywa w
zasobniku (2) (co może wpłynąć na trudności z pobieraniem tworzywa przez ślimak) oraz aby
ciepło z układu uplastyczniającego nie przenosiło się do układu napędowego, cylinder w
okolicy zasobnika jest chłodzony wodą (9). Wentylatory (10) ułatwiają sterowanie procesami
cieplnymi w układzie ślimakowym. Z przeciwnej strony układu ślimakowego w stosunku do
układu napędowego znajduje się narzędzie – głowica wytłaczarska (12). Istotnym elementem
9
głowicy jest filtr tworzywa (11) i dysza (13), która bezpośrednio nadaje wytłoczynie żądany
kształt i wymiary w przekroju poprzecznym przy uwzględnieniu efektu Barusa i zjawiska
skurczu.
Rys. 4
Wartość liczbowa efektu Barusa bywa określana różnymi wzorami w zależności od
przyjętej konwencji i możliwości pomiarowych. Całkowita, skorygowana wartość liczbowa
efektu Barusa składa się z następujących efektów składowych:
rozszerzenia newtonowskiego (gwałtowne zmniejszenie ciśnienia w chwili wypływu
wytłoczyny z otworu formownika),
rozszerzenia sprężystego (resztkowa elastyczność mieszanki gumowej),
rozszerzenia niesprężystego (dekompresja związana z pewną ściśliwością mieszanki)
10
rozszerzenia relaksacyjnego (powrót do stanu nieuporządkowanego po pewnej
orientacji makrocząsteczek kauczuku w wyniku przepływu przez długi kanał
formownika).
Skurcz przetwórczy odgrywa dużą rolę w procesie wytłaczania. Zwany jest skurczem
wytłaczarskim. Jest to zmniejszenie objętości lub wymiarów wytworu z tworzywa w stosunku
do objętości lub odpowiadających wymiarów gniazda formującego narzędzia przetwórczego,
zachodzące podczas końcowej fazy procesu przetwórstwa i w określonym czasie po jego
zakończeniu. Wartość skurczu uzależniona jest od rodzaju tworzywa. Większe wartości
skurczu pierwotnego wzdłużnego w przypadku tworzyw termoplastycznych krystalicznych w
odniesieniu
do
bezpostaciowych
wynikają
ze
zjawiska
gęstszego
upakowania
makrocząsteczek struktury krystalicznej, zachodzące w trakcie procesu krystalizacji.
Podział wytłaczarek ze względu na ilość zamieszczonych w niej ślimaków:
Wytłaczarki
jednoślimakowe
klasyczne
szybkobieżne
przeciwbieżne
wieloślimakowe
dwuślimakowe
współbieżne
≥ 3 ślimakowe
Bez centralnego
ślimaka
Z centralnym
ślimakiem
Największe zastosowanie w przetwórstwie tworzyw homogenicznych zyskały wytłaczarki
jednoślimakowe, ze względu na niewielką cenę. Wytłaczarki dwuślimakowe przeciwbieżne,
ze względu na małe prędkości obrotowe ślimaków i niewielkie siły ścinające występujące w
układzie uplastyczniającym, mają zastosowanie przede wszystkim w przetwórstwie tworzyw
o niskiej stabilności termicznej, jak kauczuki bądź PVC. Wytłaczarki dwuślimakowe
współbieżne, które pracują przy znacznie wyższych prędkościach obrotowych niż
jednoślimakowe, generują więcej energii cieplnej w wyniku rozpraszania energii
mechanicznej, wymagają większych nakładów finansowych. Stosowane są głównie w
bezpośrednim wytwarzaniu gotowych półwyrobów tworzyw modyfikowanych i kompozytów
polimerowych.
Podział głowic:
 Ze względu na kierunek przepływu tworzywa w głowicy
11
Kątowe (krzyżowe)
Liniowe (proste)
 Ze względu na kształt przekroju poprzecznego dyszy:
Prostokątny (do wytłaczania płyt i folii płaskich)
Pierścieniowy (do wytłaczania rur, folii rękawowych)
Kołowy (do wytłaczania prętów)
Dowolny (do wytłaczania np.: ram okiennych)
Konstrukcja głowicy, bez względu na jej przeznaczenie, powinna spełniać ogólne
wymagania, gwarantujące prawidłowy proces kształtowania wytworu. Należą do nich przede
wszystkim:
Możliwość prowadzenia procesu wytłaczania z jak największym natężeniem
przepływu
Zapewnienie odpowiedniego przepływu tworzywa w kanałach przepływowych, tak by
w efekcie uzyskać pożądany kształt oraz wymiary wytwarzanej wytłoczyny
Cechy geometryczne oraz ukształtowanie kanałów przepływowych głowicy powinny
wykluczać sytuację, w której tworzone są strefy zastoju tworzywa oraz zapewniać
dostatecznie duży opór podczas jego przepływu, wytwarzając odpowiednie ciśnienie
na czole ślimaka oraz zapewniając właściwe mieszanie a także homogenizację, jak
również stabilizację ciśnienia na wysokim poziomie
Nadanie wymaganego ciężaru głowicy i zawartości jej konstrukcji, ze względu na
wymaganą stabilność termiczną
Zabezpieczenie powierzchni kanałów przepływowych głowicy przed agresywnym
działaniem tworzyw
umożliwienie regulacji natężenia wypływu tworzywa z dyszy głowicy, w momencie
gdy występuje konieczność wpływania na zalecane warunki procesu wytłaczania (w
szczególności na warunki w głowicy wytłaczarskiej)
Warunki wytłaczania
Do podstawowych warunków wytłaczania należą przede wszystkim:
 Rozkład temperatury tworzywa wzdłuż długości układu uplastyczniającego i głowicy
 Ciśnienie tworzywa przed głowicą
12
Zależą one nie tylko od rodzaju wytłaczanego tworzywa, ale również od rozwiązania
konstrukcyjnego układu uplastyczniającego, głowicy oraz od rodzaju wytłoczyny.
Warunki wytłaczania podaje się w postaci wykresów rozkładu temperatury cylindra i
głowicy wzdłuż ich długości bądź w formie zestawień tabelarycznych.
Natężenie przepływu tworzywa podczas wytłaczania – wydajność wytłaczania- zależy od
wielu czynników, ale największe znaczenie ma zależność od średnicy zewnętrznej ślimaka
lub ślimaków i do ich prędkości obrotowej. Ze średnicą zewnętrzną ślimaka bądź ślimaków
jest związana większość elementów geometrycznych układu uplastyczniającego wytłaczarek.
Natomiast prędkość obrotowa należy do podstawowych wielkości nastawianych na
wytłaczarce. Wydajność zależy także od rodzaju tworzywa wytłaczanego i od rodzaju
otrzymanej wytłoczyny, np.: dla ślimaka o średnicy 90 mm w przypadku wytłaczania z
rozdmuchiwaniem folii PE-LD wynosi do 400÷450 kg/h, folii PE-HD - 450÷500 kg/h, a
przypadku wytłaczania płytt z PS wynosi do 650÷750 kg/h.
Podstawowe znaczenie w procesie wytłaczania ma zależność objętościowego natężenia
przepływu tworzywa z układu uplastyczniającego od spadku ciśnienia w strefie dozowania
(zwana charakterystyką strefy dozowania układu uplastyczniającego) rozpatrywana łącznie
z tą samą zależnością odniesioną do dyszy głowicy wytaczarskiej (charakterystyka dyszy
głowicy wytaczarskiej). Charakterystyki te tworzą łącznie charakterystykę procesu
wytłaczania. Natomiast punkt przecięcia obu charakterystyk nazywa się punktem pracy
wytłaczarki.
13
Poniżej przedstawione zostały główne problemy, które mogą pojawić się w trakcie procesu
wytłaczania oraz metody zapobiegania ich występowaniu:
Objawy i przyczyny
Zapobieganie
Chropowata powierzchnia
 Niedostateczna plastyczność
 Przedłużyć
 Za niska temperatura mieszanki
czas
uplastyczniania
mieszanki,
zwiększyć napełnienie, podwyższyć temperaturę
mieszanki
przez
walcarce,
wstępne
zmniejszyć
podgrzewanie
chłodzenie
na
wytłaczarki,
podgrzać formownik
 Zła dyspersja składników
 Poprawić dyspersję składników
 Lokalna podwulkanizacja
 Zmienić
zespół
wulkanizujący,
wprowadzić
opóźniacze wulkanizacji
Nadmierne zwiększenie wymiarów po
wyjściu z formownika
 Nadmierna elastyczność, tzw. Nerw
 Zwiększyć napełnienie mieszanki, przedłużyć czas
uplastycznienia
 Za niska temperatura
 Zmniejszyć chłodzenie wytłaczarki, podgrzewać
mieszankę na walcarce podgrzewanej
Porowatość
 Mieszanka zbyt miękka
 Skrócić okres uplastycznienia kauczuku, zasilać
wytłaczarkę
na
zimno,
zwiększyć
twardość
mieszanki
 Temperatura
wytłaczania
zbyt
 Zwiększyć intensywność chłodzenia wytłaczarki
wysoka
 Niedostateczne
ciśnienie
w
 Zastosować wytłaczarkę o innej konstrukcji
wytłaczarce
 Niewłaściwy skład mieszanki
 Wilgoć
 Wyeliminować lotne składniki mieszanki
 Suszyć
składniki
temperaturę
przerobu
mieszanki,
w
czasie
podwyższać
wykonania
mieszanki, wprowadzić do mieszanki tlenek wapnia
14
Deformacja profili (siadanie)
 Niewłaściwy skład mieszanki
 Zwiększyć lepkość mieszanki, zwiększyć szybkość
chłodzenia wytłaczanego profilu, wulkanizować w
talku lub w wodzie, zmienić skład mieszanki,
wprowadzić faktysę
 Wytłaczarka zbyt gorąca
 Zwiększyć intensywność chłodzenia wytłaczarki
Rodzaje wytłaczania
Proces wytłaczania ze względu na sposób dostarczania ciepła koniecznego do
uplastycznienia tworzywa w układzie uplastyczniającym można podzielić na wytłaczanie
konwencjonalne lub autotermiczne. Wytłaczanie autotermiczne jest to proces wytłaczania
bez grzejników w układzie uplastyczniającym wytłaczarki. Strumień ciepła generowany jest
wskutek tarcia tworzywa. Tego typu wytłaczanie stosowane jest w przemyśle głównie do
wytłaczania z rozdmuchiwaniem folii polietylenowej. Natomiast proces konwencjonalnego
wytłaczania przebiega z zastosowaniem grzejników, zazwyczaj elektrycznych, mocowanych
na cylindrze układu uplastyczniającego wytłaczarki, częściowo nagrzewających pośrednio
tworzywo wytłaczane.
Kolejny podział odnosi się do struktury otrzymanej wytłoczyny, która może być lita bądź
porowata- wytłaczanie porujące oraz wytłaczanie porujące z rozciąganiem. Ponadto
wyróżniamy wytłaczanie:
Powlekające
Wytłaczanie ze spawaniem
Wytłaczanie z natryskiwaniem
Z rozdmuchiwaniem
Wytłaczanie z napełnianiem włóknem długim
Wytłaczanie z wypełnianiem
Wytłaczanie ruchome
Wytłaczanie do formy
Współwytłaczanie
Współwytłaczanie magnetyczne
Z granulowaniem
15
Wyróżnić można również wtryskiwanie z wytłaczaniem. Proces technologiczny
wtryskiwania z wytłaczaniem stosuje się do otrzymywania wytworów składających się z
części wtryskiwanych i wytłaczanych, integralnie ze sobą związanych. Odbywa się on w
liniach technologicznych łącznie z jeszcze innymi procesami np.: otrzymywanie tub z PE jako
opakowań.
Wytłaczanie porujące
Proces wytłaczania zintegrowanego, podczas którego otrzymuje się wytłoczynę porowatą z
tworzywa zawierającego porofor. Rozróżnia się dwie główne metody wytłaczania porującego,
a mianowicie wytłaczanie porujące swobodne, w którym wytłoczyna porowata jest
ochładzana z małą intensywnością oraz wytłaczanie porujące wymuszone, gdzie wytłoczyna
porowata jest ochładzana z dużą intensywnością. W pierwszym przypadku powstaje
wytłoczyna porowata integralnie, natomiast w drugim- porowata strukturalnie.
Rys. 5. Przebieg ciśnienia wzdłuż układu uplastyczniającego (1) i głowicy wytaczarskiej
(2): a – tworzywa, b – gazu
Wytłaczanie porujące z rozciąganiem
Proces wytłaczania wytłoczyny porowatej w kształcie taśmy i formowanie ostateczne
wytworu użytkowego poprzez rozciąganie próżniowe. Stanowi pospolitą metodę wytwarzania
pojemników do produktów spożywczych, w tym do napoi gorących.
16
Wytłaczanie powlekające
Proces wytłaczania łącznego służący do powlekania tworzywa różnych kształtowników,
przede wszystkim przewodów i kabli elektrycznych oraz telekomunikacyjnych, jak również
drutów, prętów, rur, taśm. Rozróżnia się wytłaczanie powlekające próżniowe oraz
ciśnieniowe.
Rys. 6. Zasada wytłaczania powlekającego a). próżniowego, b). ciśnieniowego; 1 –
końcówka głowicy wytaczarskiej, 2 – kształtownik powlekany, 3 – prowadnica kształtownika,
4 – tworzywo powlekające, 5 – kierunek ruchu kształtownika w procesie wytłaczania
powlekającego
Wytłaczanie ze spawaniem
Proces wytłaczania, w którym tworzywo wytłaczane spełnia rolę uplastycznionego pręta
spawalniczego, wprowadzanego do rowka spawalniczego. Rozróżnia się wytłaczanie ze
spawaniem mechaniczne przewoźne (rys. 7 a) i mechaniczne ręczne przenośne (rys. 7 b).
a).
b).
17
Rys. 7. Wytłaczanie ze spawaniem: a). schemat wytłaczania ze spawaniem mechanicznym
przewoźnym; 1- wytłaczarka, 2 – wąż tworzywa wytłaczanego ogrzewany elektrycznie, 3 –
wąż powietrza sprężonego ogrzewany elektrycznie, 4 – palnik elektryczny, 5 – elementy
spawane, 6 – dmuchawa powietrza, 7 – głowica spawalnicza, 8 – przewody elektryczne do
zasilania palnika, dmuchawy i węży, b). wygląd wytłaczania ze spawaniem mechanicznym
ręcznym przenośnym (Munsch)
Wytłaczanie z natryskiwaniem
Proces wytłaczania wytłoczyny w kształcie rury, połączone z procesem nanoszenia
natryskowego, zazwyczaj cienkiej warstwy tworzywa ślizgowego będącego w stanie ciekłym
na powierzchnię wewnętrzną rury, często ulegającego polimeryzacji, w celu przede
wszystkim zmniejszenia oporów podczas wciągania do rury elementów konstrukcyjnych, na
przykład kabli optotelekomunikacyjnych (rys. 8 ).
Rys. 8. Schemat wytłaczania z natryskiwaniem: 1 – fragment końcowy głowicy
wytaczarskiej, 2 – rura wytłaczana, 3 – deflektor, 4 – zbiornik tworzywa natryskiwanego, 5 –
przewód z powietrzem sprężonym, 6 – fragment urządzenia kalibrującego, 7 – kierunek ruchu
rury wytłaczanej
18
Wytłaczanie z rozdmuchiwaniem
 Wytłaczanie z rozdmuchem swobodnym
Proces wytłaczania w kształcie rury cienkościennej i jej rozciąganie w kierunku
poprzecznym, rozdmuchanie za pomocą powietrza o nieznacznym ciśnieniu i rozciąganie w
kierunku wzdłużnym. Rozróżnia się wytłaczanie z rozdmuchiwaniem pionowo w górę (rys.9),
pionowo w dół oraz poziomo. Każde z nich może być jednostopniowe – natychmiastowe lub
dwustopniowe – zachodzące w pewnej odległości od jednostopniowego po ponownym
nagrzaniu wytłoczyny. Stanowi powszechnie stosowaną metodę otrzymywania folii rurowej
w postaci folii płaskiej zdwojonej.
Rys. 9. Schemat wytłaczania z rozdmuchiwaniem swobodnym: 1 – ślimak, 2 – cylinder, 3 –
tworzywo wytłaczane, 4 – folia, 5 – korpus głowicy wytaczarskiej, 6 – doprowadzenie
jednorazowe powietrza rozdmuchującego, 7 – kierunek rozciągania wzdłużnego folii
Poniżej przedstawiona została linia technologiczna wytłaczania z rozdmuchiwaniem
swobodnym. Stanowi ją układ roboczy liniowy ustawiony według kolejności wykonywanych
operacji technologicznych wytłaczania. Największe znaczenie ma linia technologiczna
pionowa w górę.
19
 Wytłaczanie z rozdmuchiwaniem nieswobodnym
Proces wytłaczania wytłoczyny w kształcie uplastycznionego węża grubościennego,
zamknięcie jego odcinka w formie wytłaczarsko-rozdmuchowej i rozdmuchanie sprężonym
powietrzem aż do wypełnienia gniazda formy (rys. 10a). Może odbywać się jako
20
jednoetapowe oraz dwuetapowe. Stanowi powszechnie stosowaną metodę otrzymywania
pojemników o średnich rozmiarach (rys. 10b).
Rys. 10a. Schemat wytłaczania z rozdmuchiwaniem nieswobodnym jednoetapowym od
dołu: I). wytłaczanie, II). rozdmuchiwanie; 1 – wytłoczona rura grubościenna, 2 – końcówka
dyszy głowicy wytaczarskiej, 3 – podzespoły ruchowe formy rozdmuchowej, 4 – trzpień
rozdmuchujący, 5 - pojemnik
b).
Rys. 10b. Wygląd pojemników o średnich rozmiarach otrzymanych za pomocą
wytłaczania z rozdmuchiwaniem nieswobodnym (Automa)
21
Wytłaczanie z napełnianiem włóknem długim
Proces wytłaczania dwuślimakowego współbieżnego, w którym otrzymuje się wytłoczynę
napełnioną włóknem długim, głównie w postaci rowingu. Włókna wprowadza się
bezpośrednio do wytłaczarki na początku strefy dozowania. Oznacza się je skrótem TSE.
Rozróżnia się wytłaczanie z napełnieniem włóknem długim w układzie liniowym (rys. 11a)
lub układzie kątowym (rys. 11b). W drugim rozwiązaniu odbywa się ze wspomaganiem
pompowaniem za pomocą pompy śrubowej, którego głównym zadaniem jest stabilizacja
procesu.
wytłoczyna
wytłoczyna
Rys. 11. Schemat w rzucie poziomym wytłaczania z napełnianiem włóknem długim w
układzie: a). liniowym, b). kątowym.
Wytłaczanie z wypełnianiem
Proces wytłaczania z rozdmuchiwaniem nieswobodnym jednoetapowym, wypełnianie
cieczą otrzymanego pojemnika o pojemności od 50 ml do 10 litrów, a następnie jego
zamykanie. Ten proces wytłaczania znalazł szerokie zastosowanie w warunkach sterylnych do
płynów farmakologicznych oraz w warunkach aseptycznych do napojów zimnych.
22
Wytłaczanie ruchome
Proces wytłaczania, gdzie ruch liniowy wykonuje linia technologiczna wytłaczania,
umieszczona na konstrukcji przemieszczającej się liniowo, natomiast wytłoczyna nie
wykonuje żadnego ruchu technologicznego. Stosowane najczęściej do wytwarzania rur dużej
średnicy w warunkach terenowych, wprowadzanych bezpośrednio do wykopu lub wody.
Wytłaczanie do formy
Proces wytłaczania, w którym wytłoczyna po opuszczeniu głowicy wytaczarskiej jest
wprowadzana bezpośrednio do podłużnego gniazda formującego formy zamykanej. Służy do
wytwarzania elementów długich o dużym przekroju poprzecznym.
Współwytłaczanie
Wytłaczanie za pomocą którego otrzymuje się wytłoczynę wielotworzywową, z
jednoczesnym użyciem wielu wytłaczarek i jednej głowicy współwytłaczarskiej. Liczba
tworzyw wynosi przeważnie od 2 do 7 i jest równa liczbie użytych wytłaczarek (rys. 12).
a).
23
b).
Rys. 12. Współwytłaczanie: a). schemat współwytłaczania sześciotworzywowego butelki
(Bekum), b). fragment linii technologicznej współwytłaczania trójtworzywowego z
rozdmuchiwaniem folii (Windmoller & Holscher)
Współwytłaczanie magnetyczne
Współwytłaczanie, podczas którego jednemu z elementów składowych współwytłoczyny
nadaje się ściśle określone właściwości magnetyczne. Stosowane głównie do rur.
Poniżej przedstawiona została linia technologiczna współwytłaczania magnetycznego –
którą stanowi układ roboczy ustawiony zgodnie z kolejnością wykonywanych operacji
technologicznych współwytłaczania magnetycznego.
24
Rys. 13.
Wytłaczanie z granulowaniem
Jednoczesne wytłaczanie od kilkunastu do kilkudziesięciu żyłek kołowych o średnicy na
ogół od 3 do 5 mm i poddaniu ich cięciu obrotowemu nieswobodnemu, na odcinki o długości
porównywalnej ze średnicą, do otrzymania granulatu. Wytłaczanie z granulowaniem może
odbywać się na ciepło lub na zimno, oraz z zastosowaniem jako czynnika chłodzącego wody
bądź powietrza sprężonego.
Rozróżnia się linię technologiczną wytłaczania z granulowaniem na ciepło oraz na zimno.
Zarówno w jednym jak i drugim przypadku stosuje się jako czynnik chłodzący stanowi woda
lub powietrze.
25
Rys. 14.
2.
Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z działaniem i obsługą wytłaczarki firmy Brabender, zjawiskami
towarzyszącymi procesowi wytłaczania oraz metodami oceny wytłaczania i jakości
wytłoczonego profilu mieszanki kauczukowej.
3.
Wykonanie ćwiczenia
Ćwiczenie należy wykonywać pod bezpośrednim nadzorem prowadzącego!
3.1 Włączyć stację bazową Lab Station, ekstruder – wytłaczarkę oraz komputer z
zainstalowanym oprogramowaniem sterującym aparaturą pomiarową (Program
„WinExt”).
3.2 Otworzyć zawór doprowadzający wodę do chłodzenia części roboczej ekstrudera.
3.3 W programie „WinExt” wprowadzić dane dotyczące badanego materiału,
temperatury prowadzonego procesu, prędkości obrotowej ślimaka (dane otrzymane
przez prowadzącego ćwiczenie).
26
3.4 Poczekać do momentu ustalenia się zadanej temperatury komory roboczej
wytłaczarki.
3.5 Wcześniej przygotowaną mieszankę kauczukową (około 300 g) pociąć na paski o
szerokości ok. 2 cm.
3.6 Po ustaleniu się odpowiedniej/żądanej temperatury ekstrudera przystąpić do
wykonywania pomiarów, w tym celu paski mieszanki kauczukowej podawać
równomiernie do wytłaczarki.
3.7 Po wytłoczeniu ekstrudatu o długości ok. 20 cm włączyć stoper i co 15 sekund
odcinać kawałki wytłoczonej mieszanki, mierząc ich długość. Wytłoczyć minimum 5
jednakowych odcinków mieszanki kauczukowej.
3.8 Zważyć wytłoczone odcinki mieszanki kauczukowej.
3.9 Zmierzyć długości wytłoczonych odcinków mieszanki po upływie 2 godzin.
3.10 Po zakończeniu prowadzonego procesu wyłączyć program „WinExt”, komputer,
wytłaczarkę oraz stację bazową.
3.11 Dokładnie wyczyścić wytłaczarkę.
4.
Sprawozdanie
Sprawozdanie musi zawierać:
1. Wstęp teoretyczny.
2. Cel przeprowadzonego ćwiczenia.
3. Główne elementy składowe aparatury pomiarowej.
4. Skład mieszanki kauczukowej użytej w ćwiczeniu.
5. Wartości temperatury zmierzonej w komorze ślimaka oraz na głowicy (ºC) podczas
prowadzenia procesu.
6. Wartość ciśnienia zmierzonego na głowicy ekstrudera (bar) podczas prowadzenia
procesu.
7. Wartość liczby obrotów ślimaka (obr/min) zmierzonej podczas wykonywania
ćwiczenia.
8. Wartość szybkości wytłaczania:
Vw = l15 / t
(cm/min)
gdzie: l15 – długość odcinka mieszanki wytłoczonej w ciągu 15 sekund,
t – czas wytłaczania jednego odcinka, t = 15 sekund.
9. Wartość skurczu liniowego mierzonego dla badanej mieszanki po upływie 3 godzin
27
SL = 100 (l15 – l3) / l15
gdzie: l15 – długość odcinka wytłoczonej mieszanki w ciągu 15 sekund,
l3 – długość odcinka mieszanki wytłoczonej w ciągu 15 sekund,
zmierzona po upływie 3 godzin,
10. Wielkość „pęcznienia” – efekt Barusa:
Wp = 100 ((g / d * l15 * A) - 1)
gdzie: g – masa odcinka mieszanki wytłoczonej w ciągu 15 sekund (g),
d – masa właściwa mieszanki (g/cm3),
l15 – długość odcinka wytłoczonej mieszanki w ciągu 15 sekund,
A – przekrój ustnika (0,47 cm2),
11. Opis jakości wytłoczonego profilu – uwagi o: obecności pęknięć na krawędziach lub
ich braku, stanie powierzchni wytłoczonego profilu.
12. Wnioski.
28