Sikora Janusz W.

200
!"#$% &'#$() $*+'%),%-./()0 "# $*+$#-1$ 2#-#$%+*)0
Janusz W. SIKORA
Politechnika Lubelska, Katedra Procesów Polimerowych
20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 38d
e-mail: [email protected]
Budowa g³owic wyt³aczarskich do wytworów porowatych
W artykule omówiono budowê g³owic do wytworów porowatych, zwracaj¹c szczególn¹ uwagê
na w³aœciwe ukszta³towanie dyszy g³owicy, uwzglêdniaj¹ce nak³adanie siê efektów Barusa,
porowania swobodnego i skurczu przetwórczego tworzywa. Przedstawiono ró¿ne rodzaje g³owic
stosowanych w procesie wyt³aczania poruj¹cego, g³owice wzd³u¿ne rdzeniowe z nieruchomym
i obrotowym rdzeniem, zarówno standardowe jak i modyfikowane oraz zintegrowane z urz¹dzeniem kalibruj¹cym. Wskazano na koniecznoœæ intensywnego och³adzania warstwy wierzchniej
tu¿ po opuszczeniu dyszy g³owicy.
Design of extrusion heads for foaming. The heads for foam extrudates were discussed. The
attention was paid to the proper shape of the head, taking account of the concurrence of swell
effect, free foaming and processing shrinkage of the polymer. Different types of heads used in the
foam extrusion process were presented, longitudinal extrusion heads with stationary and
rotational mandrel, both standard and modified ones and the ones integrated with a calibrating
device. The necessity of intensive cooling of the external surface immediately after leaving the
head die was pointed out.
Wytwory porowate z tworzyw polimerowych, otrzymane metod¹ wyt³aczania mog¹,
mieæ strukturê ca³kowicie porowat¹ lub mog¹
mieæ porowaty rdzeñ a lit¹ warstwê zewnêtrzn¹. Strukturê porowat¹ uzyskuje siê wskutek
wprowadzenia do przetwarzanego tworzywa
œrodka pomocniczego – poroforu. Porofor [1]
w postaci gazu obojêtnego, cieczy niskowrz¹cej
lub rozdrobnionego cia³a sta³ego, jeœli jest
w stanie ciek³ym lub sta³ym, przechodzi w gaz,
w okreœlonych warunkach procesu wyt³aczania [2÷5].
Porofory fizyczne pierwszej generacji [6, 7,
8], na przyk³ad pentan, heksan oraz heptan
wskutek panuj¹cego w uk³adzie uplastyczniaj¹cym ciœnienia i temperatury, ulegaj¹ rozpuszczeniu w otaczaj¹cym tworzywie. Strumieñ
tworzywa przetwarzanego wraz z rozpuszczonym w nim gazem jest transportowany do g³owicy wytaczarskiej, w której wstêpnie formuje
siê wytwór. Ciœnienie w uk³adzie uplastyczniaj¹cym oraz w g³owicy wytaczarskiej powinno
byæ na tyle du¿e, aby gaz nie wydzieli³ siê w
strumieniu tworzywa w postaci odrêbnej fazy,
a¿ do wylotu z dyszy g³owicy wytaczarskiej.
Gdyby zaistnia³o takie zjawisko, to na skutek
naprê¿enia œcinaj¹cego w tworzywie zniszczeniu mechanicznemu uleg³yby przegrody rozdzielaj¹ce poszczególne pêcherzyki gazu [9].
Kiedy natomiast wykorzystuje siê w procesie porowania, porofory fizyczne drugiej generacji, wprowadzane do uk³adu uplastyczniaj¹cego w os³once polimerowej w postaci mikrokuleczek, zwane mikrosferami [10, 11, 12], istota porowania jest taka sama, z t¹ ró¿nic¹, ¿e
powiêkszaj¹ swoj¹ objêtoœæ – poruj¹ poszczególne mikrosfery rozprowadzone w ca³ej masie
tworzywa [12].
Wytwarzanie wytworów porowatych narzuca sposób konstruowania g³owic wytaczarskich do tych wytworów [13]. Pole przekroju
poprzecznego dyszy g³owicy powinno byæ
mniejsze od pola przekroju poprzecznego wytworu porowatego, którego stopieñ sporowacenia wzrasta (ale nie wprost proporcjonalnie)
wraz ze wzrostem zawartoœci œrodka poruj¹cego (rys. 1). Powstaj¹cy w dyszy przekrój lity
ulega zwiêkszeniu, w wyniku nak³adania siê
efektu Brusa, dopiero podczas swobodnego porowania w chwili wydostawania siê z dyszy
Przetwórstwo Tworzyw 5 (wrzesieñ – paŸdziernik) 2009
201
!"#$% &'#$() $*+'%),%-./()0 "# $*+$#-1$ 2#-#$%+*)0
3
Stopieñ sporowacenia, %
45
4
5
6
2
30
1
15
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Zawartoœæ œrodka poruj¹cego, %
1
Rys. 1. Zale¿noœæ stopnia sporowacenia pow³ok ¿y³
przewodu elektrycznego od zawartoœci œrodka poruj¹cego o nazwie handlowej Hydrocerol 530 w PVC
przetwarzanym [3]
i po jej opuszczeniu [1, 14, 15]. Przekrój poprzeczny kana³ów przep³ywowych g³owicy
wyt³aczarskiej musi byæ na tyle du¿y, aby ciœnienie tworzywa zmniejsza³o siê w nich nieznacznie, natomiast dysza g³owicy powinna
byæ krótka, ale zapewniaj¹ca du¿y spadek ciœnienia tworzywa.
W procesie wyt³aczania poruj¹cego wykorzystuje siê przede wszystkim g³owicê wyt³aczarsk¹ wzd³u¿n¹ rdzeniow¹ zarówno standardow¹, jak i modyfikowan¹ konstrukcyjnie.
Standardowa g³owica wzd³u¿na rdzeniowa,
przeznaczona do tworzyw litych, ma zastosowanie przede wszystkim do wyt³aczania wytworów porowatych o ma³ych polach przekroju
poprzecznego oraz œciankach cienkich. Wymiary kana³ów przep³ywowych w takiej g³owicy
mo¿na stosunkowo ³atwo korygowaæ [16, 17].
Modyfikuj¹c tê g³owicê, na przyk³ad poprzez
zastosowanie wymiennego pierœcienia formuj¹cego z dysz¹, umo¿liwia siê otrzymywanie
¿¹danego kszta³tu i wymiarów wytworu (rys.
2). Zastosowanie rdzenia sto¿kowego, którego
kszta³t w pierœcieniu poœrednim mo¿e byæ
zmieniany u³atwia uzyskanie odpowiedniego
ciœnienia tworzywa w kana³ach przep³ywowych g³owicy.
Podczas wyt³aczania poruj¹cego, stosuje siê
czêsto g³owice wzd³u¿ne rdzeniowe, w których
korpus dyszy jest po³¹czony z urz¹dzeniem ka-
Rys. 2. Schemat g³owicy wzd³u¿nej rdzeniowej
z wymiennym pierœcieniem formuj¹cym: 1 – œlimak,
2 – cylinder wyt³aczarki, 3 – korpus g³owicy, 4 –
rdzeñ sto¿kowy, 5 – pierœcieñ poœredni, 6 – pierœcieñ
formuj¹cy [3, 13]
libruj¹cym (rys. 3). W g³owicach tych tworzywo
przep³ywa przez dyszê przy znacznym oporze
przep³ywu. Stosuje siê je do wyt³aczania wytworów porowatych ze œciank¹ o gruboœci powy¿ej 5 mm, litej powierzchni zewnêtrznej oraz
gêstoœci pozornej w przedziale od 300 do 400
kg/m3.
W miejscu, w którym wytwór powinien
mieæ zewnêtrzn¹ powierzchniê lit¹, powierzchnia wewnêtrzna urz¹dzenia kalibruj¹cego powinna spe³niaæ funkcjê dociskow¹. Niesporowana jeszcze czêœæ tworzywa przy zetkniêciu
z intensywnie ch³odzon¹ powierzchni¹ wewnêtrzn¹ urz¹dzenia kalibruj¹cego zaczyna siê
och³adzaæ i tworzyæ lit¹ warstwê wierzchni¹
wyt³oczyny porowatej [13, 17].
W celu uzyskania wytworów porowatych
o znacznym polu przekroju poprzecznego oraz
3
2
4
5
7
6
1
Rys. 3. Schemat g³owicy wzd³u¿nej rdzeniowej po³¹czonej z urz¹dzeniem kalibruj¹cym: 1 – kana³ wlotowy, 2 – rozdzielacz rdzenia, 3 – korpus g³owicy,
4 – kana³y rozprowadzaj¹ce, 5 – korpus dyszy, 6 –
urz¹dzenie kalibruj¹ce, 7 – dysza [13]
Przetwórstwo Tworzyw 5 (wrzesieñ – paŸdziernik) 2009
202
1
!"#$% &'#$() $*+'%),%-./()0 "# $*+$#-1$ 2#-#$%+*)0
5
6
2
4
3
a)
b)
Rys. 4. Schemat g³owicy wzd³u¿nej z krat¹ przes³onow¹: 1 – œlimak, 2 – korpus g³owicy, 3 – kana³y
rozdzielaj¹ce w cienkoœciennej kracie przes³onowej,
4 – zaœlepki kana³ów, 5 – cylinder wyt³aczarki, 6 –
³¹cznik g³owicy [18]
o du¿ej gruboœci œcianki i gêstoœci mniejszej od
300 kg/m3 mo¿na wykorzystaæ g³owicê
wzd³u¿n¹ z cienkoœcienn¹ krat¹ przes³onow¹
(rys. 4). Zastosowanie w kana³ach przep³ywowych g³owicy cienkoœciennej kraty przes³onowej, w po³¹czeniu z mo¿liwie ma³ym zredukowaniem pola przekroju poprzecznego strumienia tworzywa, umo¿liwia jednoczesn¹ regula-
1
2
1
3
4
3
Rys. 5. Schemat g³owicy wzd³u¿nej z rdzeniem obrotowym: a) zespó³ z³o¿ony z uk³adu uplastyczniaj¹cego i g³owicy wytaczarskiej, b) œlimak; 1 – czêœæ
uzwojona œlimaka, 2 – g³owica, 3 – koñcówka œlimaka stanowi¹ca rdzeñ obrotowy g³owicy, 4 – wyt³oczyna porowata [3, 13]
cjê oporu przep³ywu i zwiêkszenie ciœnienia
tworzywa przetwarzanego. Krata przes³onowa
dzieli, bowiem kana³ przep³ywowy g³owicy na
wiele mniejszych kana³ów rozdzielaj¹cych. Re-
Rys. 6. Wygl¹d fragmentu linii technologicznej mikroporuj¹cego wspó³wyt³aczania powlekaj¹cego: 1 –
g³owica k¹towa, 2 – uk³ad uplastyczniaj¹cy wyt³aczarki, 3 – przewód elektryczny z dwuwarstwow¹ pow³ok¹
mikroporowat¹, 4 – prêt powlekany
Przetwórstwo Tworzyw 5 (wrzesieñ – paŸdziernik) 2009
203
!"#$% &'#$() $*+'%),%-./()0 "# $*+$#-1$ 2#-#$%+*)0
gulacjê oporu przep³ywu oraz ciœnienia tworzywa w g³owicy uzyskuje siê poprzez umo¿liwienie lub uniemo¿liwienie przep³ywu tworzywa przez poszczególne kana³y rozdzielaj¹ce
w cienkoœciennej kracie przes³onowej [19].
Niekiedy, chc¹c otrzymaæ wytwory porowate o du¿ym polu przekroju poprzecznego
i znacznej gruboœci œcianki stosuje siê g³owicê
wzd³u¿n¹ z rdzeniem obrotowym (rys. 5).
Rdzeñ w tej g³owicy stanowi specjalnie ukszta³towana, walcowa koñcówka œlimaka, bêd¹ca
przed³u¿eniem œlimaka spe³niaj¹ca funkcjê obrotowego rdzenia g³owicy [13].
Do otrzymywania pow³ok, równie¿ wielowarstwowych, zewnêtrznych przewodów i
kabli elektrycznych z tworzyw porowatych
z powodzeniem mo¿na stosowaæ g³owicê k¹tow¹ (rys. 6), z której korzysta siê efektywnie
w mikroporuj¹cym wspó³wyt³aczaniu powlekaj¹cym [3, 20].
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Praca zbiorowa pod redakcj¹ Sikory R.: Przetwórstwo tworzyw polimerowych. Podstawy logiczne,
formalne i terminologiczne. Politechnika Lubelska, Lublin 2006.
Garbacz T.: Wybrane charakterystyki procesu wyt³aczania poruj¹cego. Teka Komisji Budowy i Eksploatacji Maszyn, Elektrotechniki, Budownictwa
PAN. Lublin 2003, 1, 129.
Garbacz T., Tor A.: Wp³yw zawartoœci œrodka poruj¹cego na w³aœciwoœci u¿ytkowe zewnêtrznych
pow³ok kabli wytwarzanych metod¹ wyt³aczania
poruj¹cego. Polimery 2007, 4, 286.
Polskie zg³oszenie patentowe P-376808 (2005).
Qiong Z., Chan-Bo C: Exo-endothermic Blowing
Agent and its Foaming Behavior. Journal of Cellular Plastics 2005, 3, 225.
Bieliñski M., Sikora J. W.: W³aœciwoœci tworzyw
termoplastycznych wyt³aczanych z jednoczesnym
porowaniem. Polimery i kompozyty konstrukcyjne. Politechnika Œl¹ska – Kozubnik 1995, 115.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
Bieliñski M.: Techniki porowania tworzyw termoplastycznych. Akademia Techniczno-Rolnicza,
Bydgoszcz 2004.
Sikora R.: Podstawy przetwórstwa tworzyw wielkocz¹steczkowych. Politechnika Lubelska, Lublin
1992.
Sikora R.: Przetwórstwo tworzyw wielkocz¹steczkowych. Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa
1993.
Anonim: Expancel – spienianie mikrosferami.
Kauczuki naturalne i syntetyczne 2006, 3, 27.
Jönsson L., Rosskothen K. R.: Microspheres – a
Universal, Effective Blowing Agent. Kunststoffe
Plast Europe 2003, 7, 40.
Materia³y informacyjne firmy Expancel, Szwecja.
Sikora J. W., Bieliñski M.: G³owice do wyt³aczania
poruj¹cego kszta³towników. Postêp w przetwórstwie tworzyw termoplastycznych. Politechnika
Czêstochowska, Czêstochowa 1995, 209.
Garbacz T.: Wybrane aspekty wytwarzania pow³ok w procesie poruj¹cego wspó³wyt³aczania powlekaj¹cego. Teka Komisji Budowy i Eksploatacji
Maszyn, Elektrotechniki, Budownictwa PAN.
Lublin 2008, 17.
Bieliñski M., Flizikowski J.: Przetwórczo-konstrukcyjne aspekty dyspersji porowatych. VII Profesorskie Warsztaty Naukowe – Przetwórstwo
tworzyw polimerowych. Politechnika Poznañska,
Poznañ 2002, 17.
Rauwendal Ch.: Polymer Extrusion. Carl Hanser
Verlag, Munich, Vienna, New York 1986.
Tor A.: Charakterystyka procesu wyt³aczania poruj¹cego. Eksploatacja i Niezawodnoœæ 2005, 2, 18.
Michaeli W.: Extrusion Dies for Plastics and Rubber. Hanser Publishers, Munich 1992.
Sikora J. W.: Selected Problems of Polymer Extrusion. Wydawnictwo Naukowe WNGB, Lublin
2008.
Tor. A.: Selected Problems of Extrusion Process of
Cellular Cable Layers. 10 ! International Symposium „Advances in Mechanical Engineering”.
Gdansk University of Technology, Gdañsk – Gdynia 2007, 171.
Przetwórstwo Tworzyw 5 (wrzesieñ – paŸdziernik) 2009