Wytłaczanie tworzyw sztucznych

Wytwarzanie i przetwórstwo
polimerów!
Wytłaczanie tworzyw sztucznych
dr in . Michał Strankowski
Katedra Technologii Polimerów
Wydział Chemiczny
Publikacja współfinansowana
ze środków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Wytłaczanie •  Wytłaczanie jest metodą przetwórstwa polegającą na ciągłym uplastycznianiu tworzywa w układzie uplastyczniającym i przepychaniu go przez kanały głowicy wytłaczarskiej. •  Proces wytłaczania realizowany jest w wytłaczarkach, gdzie narzędziem jest głowica wytłaczarska zaopatrzona w dyszę wytłaczarską. •  Zasadniczo wytłaczarka ślimakowa składa się z dwu głównych układów, pierwszego uplastyczniającego, oraz drugiego napędowego. Wytłaczarka Rys. 1. Zespół wytłaczania: 1 – grzejniki, 2 – awaryjne kanały chłodzące, 3 – kanały cieczy chłodzącej, 4 – cylinder, 5 – ślimak, 6 – głowica. Wytłaczanie •  Wytłaczarki jednoślimakowe są najczęściej używanymi maszynami. •  Masa tworzywa jest dostarczana lejem zasypowym do ślimaka, który obraca się w strefowo ogrzewanym cylindrze. •  Tworzywo topi się głównie na skutek tarcia, w mniejszym stopniu przez dopływ ciepła, następnie ulega ujednorodnieniu przez ścinanie oraz spręża się. •  Działanie transportujące zachodzi wskutek występowania sił tarcia tworzywa względem ścian cylindra i ślimaka. •  Uplastyczniony materiał jest transportowany przez odpowiednie dysze nadające jemu pożądany kształt z jednoczesnym chłodzeniem. •  Dysza wytłaczarska powinna być skonstruowana jest z uwzględnieniem efektu Barusa (rozszerzenie wypływającego strumienia polimeru na wylocie z kanały przepływowego, wynikające z różnic naprężeń normalnych powstających przy przepływie) oraz zjawiska skurczu. •  W ten sposób można uzyskać półprodukt w postaci profilu, folii czy też płyty. E l e m e n t y k o n s t r u k c y j n e n a r z ę d z i a p r z e t w ó r c z e g o zaprezentowano na przykładzie głowicy wytłaczarskiej wzdłużnej Rys. 2. Elementy konstrukcyjne głowicy wytłaczarskiej wzdłużnej: 1 – kanał wlotowy, 2 – kanał rozprowadzający, 3 – dysza głowicy, 4 – kanał uzupełniający, 5 – główny korpus głowicy, 6 – korpus dyszy, 7 – rdzeń głowicy, 8 – grzejniki elektryczne. •  Z uwagi na to, że przy użyciu wytłaczarki można przetwarzać różne rodzaje tworzyw, w ślad za tym parametry procesu przetwórczego są zmienne. •  Istnieje duża różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych, a także wymiarów i kształtów ślimaka, co z kolei pozwala zapewnić wymagane warunki dla procesów mieszania, uplastycznianie i sprężania przetwarzanych materiałów. •  Przy pomocy wymiennych dyszy możliwe są do uzyskania różne wytłoczyny, takie jak płyty, folie, rury, węże i różnego rodzaju kształtowniki. •  Ponadto przy użyciu wytłaczarek można nakładać powłoki izolacyjne na liny czy też przewody elektryczne. •  Jednym z użytecznych rozwiązań konstrukcyjnych było opracowanie wytłaczarki odgazowującej, której konstrukcja umożliwia ominięcie operacji wstępnego suszenia granulatu tworzywa, wrażliwego na wilgotność (Rys. 3). •  W tych urządzeniach w połowie długości ślimaka zostaje pogłębiony profil rdzenia, tak że ciśnienie stopu spada do ciśnienia atmosferycznego, a para wodna i inne lotne substancje mogą swobodnie uchodzić przez otwory odgazowujące w cylindrze. Rys.3. Schemat wytłaczarki odgazowującej wraz z przebiegiem zmian ciśnienia Wytłaczarki dwuślimakowe Coraz częściej oprócz konwencjonalnych wytłaczarek jednoślimakowych, są stosowane wytłaczarki dwuślimakowe. Do zalet tych układów można zaliczyć: • transport wymuszony zamiast transportu wleczonego; • możliwość uzyskania dużych wydajności przy stosunkowo krótkim czasie przebywania tworzywa w układzie; • samooczyszczanie się ślimaków; • łatwiejsze uplastycznianie materiałów trudno przetwarzalnych; • lepsza kontrola w przypadku materiałów wrażliwych termicznie. • W tych układach mogą pracować ślimaki: współbieżne, przeciwbieżne, mniej lub bardziej szczelnie zazębiające się, cylindryczne lub stożkowe. Wytłaczanie powlekające •  Proces powlekania może być realizowany w dwóch wariantach, jako powlekanie ciśnieniowe i powlekanie próżniowe. •  W metodzie ciśnieniowej powlekany profil przesuwa się z określoną szybkością przez głowicę powlekająca. Uplastycznione tworzywo zostaje pod ciśnieniem naniesione na profil wewnątrz głowicy. Po wyjściu z urządzenia materiał się ochładza, dzięki czemu bardzo dokładnie przylega do profilu. •  Metoda ta jest szeroko stosowana do powlekania elementów sztywnych o regulowanym przekroju, zwłaszcza przewodów elektrycznych. Powlekanie Rys. 5.3.1./1. a) Powlekanie ciśnieniowe: 1 – powlekany profil, 2 – tworzywo, b) powlekanie próżniowe: 1 – powlekany profil, 2 – tworzywo, 3 -­‐ podciśnienie. Powlekanie próżniowe •  Niestety metoda ta jest mało przydatna do powlekania detali o dużej elastyczności lub nieregularnym przekroju. •  Do tego celu z kolei nadaje się proces powlekania próżniowego. Gdzie nanoszone tworzywo jest wytłaczane w postaci odrębnej otoczki, która powleka profil już poza o b r ę b e m g ł o w i c y p o d w p ł y w e m p o d c i ś n i e n i a wytworzonego pomiędzy profilem a tworzywem. Wytłaczanie węży i rur •  Przy użyciu odpowiedniej głowicy w procesie wytłaczania mogą być formowane rożnego rodzaju elementy, jak np. rury czy węże (Rys. 5.3.2./1.). •  Wytłaczanie tych elementów jest prowadzone w układzie poziomym, przy zastosowaniu chłodzenia wodnego oraz odpowiednich metod kalibracji średnicy. •  W zależności od potrzeb stosuje się kalibrowanie zewnętrzne jak i wewnętrzne. W zakresie wytłaczania rur z PE i PP stosuje się głównie jednostki uplastyczniające o długości 30D z rowkowaną częścią zasypową. Gwarantują one przy maksymalnej mocy napędowej i liczbie obrotów ślimaka wysokie wydajności. •  Wytłaczarki jednoślimakowe są stosowane do produkcji rur gazowych, ciśnieniowych, wodnych. Głowica formująca Rys. 5.3.2./1. Schemat głowicy formującej do produkcji rur z trzpieniem gładkim, a – końcówka ślimaka, b – wyłożenie cylindra, c – ogrzewanie cylindra, d – ryglowe mocowanie głowicy, e – płyta otworowa z otworami w kształcie kropli, f – zwoje grzewcze głowicy formującej, g – punkty pomiarowe, h – mocowanie śrubowe dyszy, i – dysza, k – trzpień, l – dopływ powietrza wspomagającego, m – śruby centrujące. Warunki wytłaczania rur Temperatura w poszczególnych strefach [°C] Materiał Ciśnienie [MPa] Zasilania Przemiany Dozowania Głowica Dysza LDPE 125 125 130 130 135 9-­‐15 HDPE 140 160 165 165 170 10-­‐18 PVC-­‐U 155 165 175-­‐185 180 185 10-­‐20 PP 185 200 220-­‐230 230 250 15-­‐20 PUR 270 260 250-­‐260 270 280 15-­‐30 Wytłaczanie profili •  Przy wykorzystaniu specjalnych linii technologicznych wytłaczania, można otrzymywać różnego rodzaju profile, posiadające różnorodny kształt przekroju poprzecznego. •  Do wytłaczania profili są często stosowane wytłaczarki z jednostką uplastyczniającą o długości 25D i gładką strefą zasypową. •  Z kolei do małych profili o szczególnych wymaganiach, jak uszczelki z TPE, TPU i innych, a przede wszystkim we współwytłaczaniu małych profili, coraz częściej stosowane są wytłaczarki z drobno rowkowaną strefą zasypu i jednostką uplastyczniającą o długości 30D. Przykłady wytłaczanych kształtowników (przekroje poprzeczne elementów) Wytłaczanie wielowarstwowe •  Istnieją metody uzyskiwania wytłoczyn, które składają się z wielu warstw tworzyw. •  Tworzywa te mogą być gatunkowo podobne lub nie. •  Przy użyciu tej techniki można otrzymywać produkty wielowarstwowe, jak np. folie płaskie, profile, profile wewnątrz puste, płyty. •  W celu polepszenia barierowości czy też odporności na promieniowanie UV, korzystne jest stosowanie od 5-­‐7 różnych warstw tworzyw. •  Przy współwytłaczaniu strumienie stopów z dwu lub więcej wytłaczarek wprowadza się do wspólnego narzędzia formującego, lub też można je łączyć poza tym układem. •  W przypadku głowic wielowarstwowych strumienie stopów tworzyw łączy się krótko przed opuszczeniem narzędzia formującego (Rys. 5.3.4./1.). •  Podczas procesu wytłaczania, temperatury przetwórstwa oraz lepkości stopów przetwarzanych tworzyw musza być zbliżone. Rys. 5.3.4./1. Głowica szerokoszczelinowa do wytwarzania folii trójwarstwowej (głowica wielowarstwowa): a, b, c, -­‐ doprowadzenie różnych stopów. Wytłaczanie folii •  Duża część produkowanych folii jest wytwarzana metodą wytłaczania z rozdmuchem. •  Do produkcji folii używa się głownie jednostek uplastyczniających z drobno rowkowaną strefą zasypu i odgazowaniem o długości 33D. •  Tworzywo jest wytłaczane w postaci rękawa, przy użyciu głowicy, następnie do wnętrza rękawa doprowadza się powietrze, które powoduje rozdmuch. •  Ze względu na niewielka grubość rękaw jest najczęściej chłodzony przy pomocy powietrza. •  Odbiór folii przez walce odbierające jest tak dostosowany aby odbierany materiał był całkowicie zestalony. •  Regulację grubości folii a także niewielką orientacje można uzyskać poprzez odpowiedni dobór szybkości odbioru materiału, jak również poprzez wielkość rozdmuchu. Przykład •  Jako przykład może posłużyć otrzymywanie folii workowych z LDPE o grubości 150-­‐250 µm, do których otrzymania stosuje sie na ogół głowice o średnicach od 225 mm i szerokości szczeliny 0,8 mm, przy natężeniu przepływu wynoszącym około 235 kg/h. •  W zależności od wskaźnika płynięcia temperatura stopu wynosi w metodzie konwencjonalnej 210-­‐260°C. •  W związku z wymaganą dużą wytrzymałością folii często stosuje się wytłaczanie LDPE wielkocząsteczkowego (np. szeregu Lupolen D). Instalacja do produkcji folii z chłodzeniem rękawa wodą Wytłaczanie z rozdmuchem w formie •  Proces wytłaczania z rozdmuchiwaniem umożliwia otrzymanie wyrobów, które są puste wewnątrz, jak np. butelki, karnistry. •  Wytłaczarka jest stosowana do wytłaczania rękawowych kształtek wstępnych. •  Tworzywo w postaci węża, posiadającego odpowiednią grubość ścianki jest wytłaczane za pomocą głowicy kątowej pionowo w dół. •  Następnie określony odcinek plastycznego węża zostaje odcięty i zamknięty wewnątrz formy. Wytłaczanie z rozdmuchem w formie •  Do wnętrza węża, który znajduje się w formie podawane jest powietrze, które powoduje rozdmuch materiału. •  Po uzyskaniu odpowiedniego kształtu oraz ochłodzeniu, forma jest otwierana i wyrób jest usuwany. Metoda jest stosunkowo prosta, jednak posiada pewnie wady. •  Do najważniejszych można zaliczyć ograniczoną orientacje cząstek tworzywa, przez co zmniejsza się wytrzymałość mechaniczna, w miejscu łączenia występuje szew, który także obniża parametry wytrzymałościowe kształtki. Rys 5.3.6./1. a) Wytłaczaniez rozdmuchiwaniem w formie: I – wytłaczanie kształtki wstępnej w postaci rękawa, III – zamykanie formy rozdmuchowej (dolna część kształtki zamykana jest przez krawędź ściskającą głowicy i jednocześnie zgrzewana), IV – wciskanie trzpienia i rozdmuch kształtki, V – otwarcie formy i usunięcie pojemnika, 1 – głowica kątowa, 2 – podzespoły ruchome formy rozdmuchowej, 3 – wąż t w o r z y w a , 4 – t r z p i e ń rozdmuchowy, 5 – pojemnik. b) Dwuetapowy proces wytłaczania z rozdmuchiwaniem: I, II – etap pierwszy, III, IV, V – etap drugi, 1 – wąż tworzywa, 2 – preforma, 3 -­‐ f o r m a r o z d m u c h o w a , 4 – pojemnik.