Wytłaczanie tworzyw sztucznych.

Transkrypt

1 1. Wstęp.. Przez pojęcie wytłaczanie rozumie się ciągły proces otrzymania wyrobów lub półwyrobów (w postaci profilów, płyt lub folii) z tworzyw polimerowych, polegający na uplastycznieniu materiału w układzie uplastyczniającym wytłaczarki, a następnie jego ukształtowaniu poprzez wyciskanie przez odpowiednio ukształtowany ustnik, znajdujący się w głowicy. Osiąga się przy tym wydajności powyżej 1000 kg/h. Jako materiał wyjściowy stosuje się tworzywa w postaci granulatu, proszku, płatków lub wiórów. Rys. 1. Typowa wytłaczarka laboratoryjna. 2. Cele procesu wytłaczania. Proces wytłaczania prowadzony jest w celu: I. formowania uplastyczniony materiał na skutek dużego ciśnienia wytworzonego w układzie uplastyczniającym wytłaczarki jest przeciskany przez odpowiednio ukształtowany ustnik, który nadaje żądany kształt formowanemu tworzywu. Do procesów formowania materiałów jednorodnych (np. czyste polimery) stosowane są zwykle wytłaczarki jednoślimakowe (najtańsze). Do procesu wytłaczania tworzyw wrażliwych termicznie (jak PVC) stosuje się również wytłaczarki dwuślimakowe przeciwbieżne lub planetarne, natomiast do wytłaczania tworzyw modyfikowanych oraz kompozytów polimerowych znajdują zastosowanie wytłaczarki dwuślimakowe współbieżne. 1

2 Rys. 2. Profile uzyskane w wyniku procesu wytłaczania tworzyw sztucznych. II. mieszania wytłaczarki (głównie dwuślimakowe współbieżne, w mniejszym stopniu również przeciwbieżne) są bardzo dobrymi urządzeniami mieszającymi. Do procesu mieszania można również wykorzystać inne urządzenia, jak mieszalniki lub walcarki, które w odróżnieniu od wytłaczarek pracują w sposób cykliczny (załadowanie mieszaniny mieszanie odbieranie materiału czyszczenie urządzenia). Rodzaj wykorzystanego urządzenia zależy głównie od wymaganej wydajności procesu dla niewielkich wydajności, do kilku kg/dobę, głównie w laboratoriach, stosuje się urządzenia pracujące w sposób cykliczny, natomiast dla większych wydajności (zastosowania przemysłowe) lepszym rozwiązaniem wydaje się być wytłaczarka dwuślimakowa, pracująca w sposób ciągły. Rys. 3. Urządzenia służące do mieszania tworzyw polimerowych w stanie stopionym [źródło: Znane są dwa podstawowe rodzaje procesu mieszania: - mieszanie ścinające (ścierające), związane przyśpieszeniem procesu uplastyczniania materiału oraz rozdrabniania cząstek dodatków (np. pigmentów), - mieszanie rozprowadzające, odpowiedzialne za homogenizację składu i temperatury materiału. 2

3 3. Budowa i podział wytłaczarek. Typowa wytłaczarka zbudowana jest z: 1. układu uplastyczniającego (zasobnik, cylinder, ślimak, elementy grzejne na cylindrze, elementy chłodzące na cylindrze w obszarze zasobnika), 2. układu formującego (głowica zakończona ustnikiem), 3. układu napędowego (silnik, przekładnie), 4. układu sterowania. Rys. 4. Jednoślimakowa wytłaczarka laboratoryjna pracująca w Laboratorium Tworzyw Sztucznych PWr Układ uplastyczniający Układ uplastyczniający wytłaczarki zbudowany jest z układu cylinder ślimak, oraz elementów dodatkowych: leja zasypowego (zasobnika) oraz kilku (najczęściej 3-6) elementów grzejnych umieszczonych na cylindrze. Często układ uplastyczniający wytłaczarki wyposażony jest w układ chłodzący, który chłodzi strefę zasilania w obszarze zasobnika i/lub ślimak od wewnątrz. 3

4 Układ cylinder-ślimak wytłaczarki powinien spełniać cztery podstawowe funkcje: 1. dostarczać do głowicy tworzywo ze stałą prędkością (TRANSPORT), 2. mieszać tworzywo w celu zapewnienia jednorodności jego składu i temperatury (MESZANIE HOMOGENIZACJA MATERIAŁOWA I TERMICZNA), 3. ogrzewać tworzywo do stopienia i do wymaganej przez proces temperatury, 4. sprężać tworzywo w celu usunięcia powietrza spomiędzy jego ziaren i wytworzenia w nim ciśnienia wystarczającego dla pokonania oporów przepływu przez głowicę Budowa ślimaka. Najczęściej stosowanym ślimakiem wytłaczarskim jest klasyczny ślimak trójstrefowy: Rys. 5. Typowy wytłaczarski ślimak trójstrefowy Poszczególne strefy geometryczne ślimaka wyznaczane są przez zmieniającą się wysokość kanału ślimaka: - w strefie zasilania wysokość kanału jest stała i największa, - w strefie sprężania wysokość kanału się zmniejsza (najczęściej liniowo), - w strefie dozowania wysokość kanału jest stała i najmniejsza. Ponadto ślimak wytłaczarski charakteryzują inne wielkości geometryczne: Rys. 6. wielkości geometryczne ślimaka wytłaczarskiego. 4

5 L długość części roboczej (20-30D, obecnie istnieje tendencja do wydłużania ślimaków nawet do 36D), D średnica zewnętrzna ( mm), H wysokość kanału (0,12-0,16D), W szerokość kanału (0,8-1,2D), S skok linii śrubowej zwoju ( W), φ kąt pochylenia zwoju ( ), e szerokość zwoju (0,1D). R stopień sprężania, definiowany jako H zasil / H dozow : dla tworzyw termoplastycznych dla tworzyw termoutwardzalnych dla elastomerów Często zaleca się, aby ślimaki wyposażone były na swoim końcu w część mieszającą o długości 2-3D: Rys. 7. Przykładowe długości stref geometrycznych ślimaków do wytłaczania termoplastów Elementy intensywnego mieszania i ścinania Otrzymanie wyrobu o wymaganej jakości z dużą wydajnością, szczególnie w układach z rowkowaną strefą zasilania umożliwiają tylko ślimaki zaopatrzone w odpowiednie elementy homogenizujące tworzywo, tj. ścinające i mieszające na ich końcu. Celem elementów ścinających jest przede wszystkim przyśpieszenie równomiernego uplastycznienia tworzywa poprzez zamianę energii mechanicznej napędu ślimaka w energię cieplną, uzyskanej w warunkach dużych szybkości ścinania uplastycznianego materiału w niewysokiej temperaturze. Zadaniem elementów rozprowadzających jest homogenizacja uplastycznionego tworzywa opuszczającego element ścinający. Ujednorodnienie uzyskuje się dzięki zastosowaniu układu mieszającego umieszczonego w strefie relaksacji, tj. strefie o zwiększonej wysokości kanałów. 5

6 Przykłady konstrukcji elementów intensyfikujących proces mieszania rozprowadzającego przedstawiono na rys. 8 (elementy 3-7). Charakteryzują się one tym, iż strumień tworzywa ulega w nim wielokrotnemu podziałowi na mniejsze strugi, które łączą się następnie ze sobą w innych konfiguracjach, co powoduje intensywne mieszanie uplastycznionego materiału. Należy zaznaczyć, iż stosowanie tych elementów powoduje wzrost mocy pobieranej przez napęd, a więc równocześnie wzrost temperatury uplastycznionego tworzywa. Element taki działa jak dławik, obniżając wydajność wytłaczania, lecz umożliwia prowadzenie procesu przy wyższych prędkościach obrotowych ślimaka i zapewnia otrzymania odpowiednio ujednorodnionego materiału, a więc i optymalnej jakości wyrobu. Ich geometrię dobiera się odpowiednio do właściwości przetwarzanego materiału oraz systemu okład uplastyczniający-głowica. Ich długość wnosi zazwyczaj 2-3 D, a umieszczane są zazwyczaj na końcu ślimaka lub w odległości 5-7 D od jego końca. Rys. 8. Elementy intensywnego ścinania i mieszania ślimaków wytaczarskich (1 element typu torpeda, 2 element Maddocka, 3 element z zaporami poprzecznymi, 4 element Maillefera, 5 element z występami mieszającymi, 6 element o nieciągłym uzwojeniu, 7 element Rheotoc) [1] Cylindry wytłaczarskie. Ze względu na charakter powierzchni wewnętrznej można wyróżnić dwa podstawowe typy cylindrów: a) gładkie (typowe, najczęściej spotykane), b) rowkowane: 6

7 Rowki umieszcza się na początku cylindra, na dług. ok. 3-5D (rys. 9). W układach uplastyczniających z cylindrami rowkowanymi występuje zwiększone tarcie pomiędzy tworzywem a cylindrem, a przez to w tym obszarze generowane jest bardzo duże ciśnienie, a co za tym idzie, natężenie przepływu. Efektywność transportu tworzywa wzrasta dzięki temu nawet kilka razy, osiągając ponad 80% sprawności teoretycznej (przy 20-30% sprawności teoretycznej dla klasycznej wytłaczarki jednoślimakowej z cylindrem gładkim, liczonej jako iloczyn objętości skokowej kanału, prędkości obrotowej ślimaka oraz gęstości nasypowej tworzywa). Strefę rowkowaną, w celu zapobieżenia stapiania w niej materiału należy intensywnie chłodzić. Wytłaczarki z rowkowaną strefą cylindra charakteryzują się większą wydajnością oraz stabilnością przepływu. Posiadają jednak istotne wady wymagają zastosowania silniejszego napędu, wykazują zwiększone zużycie energii, występują problemy z pełnym uplastycznieniem oraz odpowiednią homogenizacją materiału z racji dużej prędkości transportowej). Rys. 9. Schemat jednoślimakowego układu uplastyczniającego z cylindrem rowkowanym,: LR długość czynna rowków, h wysokość kanału ślimaka, H maks. wysokość rowków w cylindrze [4] Zastosowanie strefy rowkowanej na cylindrze w istotny sposób określa sposób pracy wytłaczarki. W maszynach z cylindrem gładkim ciśnienie w układzie uplastyczniającym rośnie na prawie całej długości, osiągając niekiedy maksimum w strefie dozowania, i ta strefa wyznacza wydajność całego procesu (rys. 10A). Wytłaczarki tego typu charakteryzują się zależnością wydajności od oporów przepływu w głowicy, co oznacza małą stabilność całego procesu. W wytłaczarkach z cylindrem rowkowanym ciśnienie jest wytwarzane w strefie rowkowanej (rys. 10B), która w tym przypadku wyznacza wydajność wytłaczania. W porównaniu do wytłaczarek z gładkimi cylindrami, wytłaczarki tego typu charakteryzują się większą wydajnością oraz brakiem zależności wydajności od oporów przepływu tworzywa w głowicy, co oznacza dużą stabilność procesu. 7

8 3.2. Układ formujący Rys. 10. Rozkład ciśnienia w układzie uplastyczniającym: klasycznym (A) oraz niekonwencjonalnym z cylindrem rowkowanym (B) [1] Układ formujący wytłaczarki stanowi głowica wytłaczarska. Jest to element, który poprzez umieszczoną na jego końcu dyszę o odpowiednim kształcie nadaje uplastycznionemu tworzywu żądany kształt (pręta, rury, folii lub innego dowolnego profilu). Opuszczające wytłaczarkę, odpowiednio ukształtowane tworzywo nosi nazwę wytłoczyny. Podział głowic: a) ze względu na kierunek przepływu tworzywa w głowicy: głowice liniowe (proste) głowice kątowe (krzyżowe) b) ze względu na kształt przekroju poprzecznego dyszy: kołowy do wytłaczania prętów, prostokątny do wytłaczania płyt i folii płaskich, pierścieniowy do wytłaczania rur, folii rękawowych, dowolny do wytłaczania np. ram okiennych. 8

9 Rys. 11. Głowica liniowa do wytłaczania prętów [1]. Rys. 14. Głowica kątowa do powlekania drutów [5]. Rys. 12. Głowica liniowa do wytłaczania rur [5]. Rys. 15. Głowica kątowa do wytłaczania rur [5]. Rys. 13. Głowica liniowa do wytłaczania płyt [5]. 9

10 3.3. Podział wytłaczarek. Podziału wytłaczarek można dokonać ze względu na różne kryteria. Poniżej przedstawiono podział ze względu na ilość ślimaków w wytłaczarce: Rys. 16. Podział wytłaczarek Wytłaczarki jednoślimakowe (klasyczne) Wytłaczarki jednoślimakowe są najczęściej stosowane w wytłaczaniu tworzyw sztucznych. Pierwsze takie wytłaczarki miały krótkie cylindry i ślimaki, a kanały jednozwojowych ślimaków miały dużą głębokość, co powodowało dużą niejednorodność mechaniczną i termiczną materiału na końcu układu uplastyczniającego. W latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku pojawiły się ślimaki trójstrefowe (ze strefą zasilania, sprężania i dozowania, rys. 5), charakteryzujące się już znacznie większą długością i mniejszą głębokością kanałów. Zwiększona długość ślimaka powodowała zwiększenie czasu przebywania tworzywa w układzie uplastyczniającym, natomiast zmniejszenie głębokości kanału spowodowało poprawę warunków ogrzewania materiału poprzez przewodzenie ciepła od ścianek cylindra i ślimaka, jak również zamianę energii mechanicznej ślimaka na ciepło w wyniku procesów tarcia oraz ścinania w tworzywie. Obecnie konwencjonalne wytłaczarki jednoślimakowe mają długość ślimaków rzędu D. Ich prędkości obwodowe przy przetwórstwie tworzyw stabilnych termicznie wynoszą 0,5-0,8 m/s, a dla materiałów niestabilnych cieplnie ok. 0,3 m/s. 10

11 W ostatnich latach obserwuje się wyraźny wzrost wydajności pracy wytłaczarek jednoślimakowych, co odbywa się poprzez: - zastosowanie w strefie zasypu i zasilania rowkowanego cylindra, - umieszczenie na ślimaku stref intensywnego ścinania i mieszania, - zwiększenie momentu napędowego ślimaka. Na rynku wytłaczarek jednoślimakowych obserwuje się tendencje do produkcji maszyn specjalistycznych zamiast uniwersalnych, tzn. przeznaczonych do przetwórstwa określonego tworzywa i otrzymywania konkretnego wyrobu. Wytłaczarki takie charakteryzują się przede wszystkim dużą wydajnością wytłaczania oraz zapewniają otrzymywanie wyrobów o optymalnych właściwościach Wytłaczarki szybkobieżne (wytłaczarki adiabatyczne) Pracują one z dużymi szybkościami obrotowymi (do 700 obr/min, prędkości obwodowe do 4 m/s). Ślimaki są tak skonstruowane, że topienie tworzywa następuje wyłącznie za pomocą tarcia (energii ścinania). Są one proste w budowie i nadają się dla tworzyw niewrażliwych na działanie temperatury, jak np. PE lub PA Wytłaczarki dwuślimakowe Wytłaczarki dwuślimakowe podzielić można ze względu na różne kryteria, z których najważniejszym jest kierunek obrotów ślimaków. Z tego powodu wyróżnia się wytłaczarki: współbieżne, w których ślimaki obracają się w tym samym kierunku, przeciwbieżne, w których ślimaki obracają się w kierunkach przeciwnych. Ze względu na stopień zazębienia zwojów obu ślimaków wytłaczarki dwuślimakowe można podzielić na zazębiające się całkowicie, częściowo lub niezazębiające się. Tabelarycznie podział ten przedstawiono na rys. 17. W przemyśle zastosowanie znalazły głównie wytłaczarki współbieżne i przeciwbieżne o zwojach zazębiających się nieszczelnie, w których występują luzy międzyzwojowe spełniające ważną rolę w procesie uplastyczniania, szczególnie w procesach homogenizacji materiałowej. Wśród wytłaczarek nie zazębiających się praktyczne znaczenie posiadają wyłącznie wytłaczarki przeciwbieżne. Warto zwrócić uwagę, że w wytłaczarkach dwuślimakowych ze ślimakami zazębiającymi się zwoje (oraz kanały) ślimaków nie mogą być kształtowane w sposób dowolny tak, jak to miało miejsce w przypadku wytłaczarek jednoślimakowych. Kształty i wymiary kanałów oraz zwojów jednego ślimaka są tutaj ściśle zależne od kształtów i wymiarów drugiego. 11

12 Inne, ważne kryterium podziału to krotność zwojów ślimaka i tak wśród wytłaczarek dwuślimakowych znane są wytłaczarki jedno-, dwu- lub trójzwojowe. Ponadto wytłaczarki dwuślimakowe mogą się różnić kształtem rdzeni ślimaków i tak wytłaczarki dwuślimakowe produkowane są w wersjach walcowych i stożkowych. Wytłaczarki o wydajności do kg/h wykonywane są najczęściej jako stożkowe, natomiast wytłaczarki o większej wydajności produkuje się jako walcowe. Rys. 17. Podział wytłaczarek dwuślimakowych [4] Wytłaczarki 3 i więcej-ślimakowe Wytłaczarki wieloślimakowe pracują w wersjach przeciwbieżnych i znajdują zastosowanie, podobnie jak wytłaczarki przeciwbieżne, do przetwórstwa materiałów wrażliwych termicznie, jak PVC. Na rys. 18 przedstawiono typowe układy wieloślimakowe. 12 Rys. 18. Układy wieloślimakowe: (1) układ trójślimakowy z centralnym ślimakiem; (2) układ czteroślimakowy z centralnym ślimakiem (a) oraz bez centralnego ślimaka (b); (3) układ planetarny [4]

13 4. Przebieg procesu wytłaczania. Tworzywo polimerowe w postaci granulatu lub proszku podawane jest do leja zasypowego wytłaczarki (zasobnika), skąd grawitacyjnie (najczęściej, lub za pomocą odpowiednich podajników ślimakowych) transportowane jest do cylindra. W cylindrze w wyniku ciągłego ruchu obrotowego ślimaka materiał jest transportowany (transport wleczony) w kierunku głowicy. W pewnym momencie tworzywo dostaje się do ogrzewanej strefy cylindra, gdzie ulega stopieniu, a następnie homogenizacji materiałowej i termicznej. Jednorodny stop podawany jest z odpowiednią prędkością do głowicy, gdzie materiał jest formowany, przyjmując kształt ustnika. Rys. 19. Schematyczny przebieg procesu wytłaczania [1] Zadania poszczególnych stref dynamicznych wytłaczarki. W strefie zasilania (transportu tworzywa stałego) tworzywo jest pobierane z leja zasypowego oraz zostaje wstępnie zagęszczone i transportowane dalej w kierunku głowicy. Strefę zasilania stanowi w przybliżeniu odcinek cylindra wytłaczarki liczony od zasobnika do początku ogrzewanej strefy cylindra. Zdolność transportowania materiału zależy od: - objętości kanału między zwojami ślimaka w tej strefie, - szybkości obrotowej ślimaka, - współczynnika tarcia tworzywa o cylinder i ślimak. 13

14 Zagęszczanie jest wynikiem powstawania gradientu ciśnienia w transportowanym tworzywie, zależnego od: - współczynnika tarcia tworzywa o cylinder (współczynnik tarcia powinien być możliwie duży), - współczynnika tarcia tworzywa o ślimak (współczynnik tarcia powinien być jak najmniejszy). W strefie zasilania (strefie transportu tworzywa stałego) wzrost ciśnienia ma charakter wykładniczy. Długość geometrycznej strefy zasilania ślimaka powinna być tym większa, im wyższa jest temperatura mięknienia tworzywa, przy czym niekiedy redukuje się jej długość kosztem wstępnego podgrzania materiału. Dalsze zagęszczanie tworzywa zachodzi w strefie uplastyczniania (stapiania, przemiany). W strefie tej tworzywo przechodzi ze stanu stałego w uplastyczniony. Stapianie materiału zachodzi pod wpływem ciepła wytworzonego przez elementy grzejne oraz z tarcia (materiału o cylinder, ślimak i tarcia wewnętrznego). Teoretycznie uplastycznienie tworzywa powinno być zakończone właśnie w tej strefie. Tworzywo opuszczające strefę stapiania powinno być już odgazowane. Długości strefy sprężania ślimaków [3] powinna być tym większa, im większy jest zakres temperatury mięknienia. Tworzywa amorficzne, jak PS, PC czy PMMA wykazują dość duży zakres, natomiast krystaliczne, jak POM czy PA topią się w zakresie zaledwie kilku stopni, zatem do ich wytłaczania stosuje się ślimaki z krótką (1-2D) strefą sprężania (rys. 20B). Nieco inaczej jest w przypadku tworzyw łatwo odkształcalnych, jak LDPE, gdzie można stosować nawet ślimaki dwustrefowe z długą strefą sprężania (rys. 20C), w której niestopione jeszcze ziarna materiału ulegają od początku powolnemu ściskaniu. Optymalny stopień sprężania ślimaka [3] (stosunek wysokości kanału ślimaka w strefie zasilania do jego wysokości w strefie dozowania) powinien być większy od stosunku gęstości stałego tworzywa do jego gęstości nasypowej. Stąd też wynika, iż materiał w postaci proszku wymaga ślimaka o większym stopniu sprężania niż ten sam materiał w postaci granulatu. Zależy on także od lepkości materiału w warunkach wytłaczania i tak dla tworzyw amorficznych, wykazujących dużą lepkość stopu wskazane są ślimaki o małym stopniu sprężania, aby uniknąć przegrzewania intensywnie ścinanego materiału oraz uniknąć nadmiernego obciążenia układu napędowego ślimaka. Niewielkie stopnie sprężania, rzędu 2 zalecane są również przy przetwórstwie tworzyw niestabilnych termicznie, jak PVC, dla których zbyt duży stopień sprężania mógłby spowodować degradację materiału. Dla stabilnych termicznie tworzyw semikrystalicznych, jak PE czy PP stosować można duże stopnie sprężania, rzędu 4 i więcej. 14

15 Rys. 20. Typowy ślimak trójstrefowy (A), ślimak trójstrefowy z krótką strefą sprężania (B) oraz ślimak dwustrefowy z długa strefą sprężania (C) [3] W strefie dozowania (transportu stopu) zachodzi ujednorodnienie mechaniczne i termiczne przetwarzanego tworzywa oraz (jeśli wymagane) podwyższenie ciśnienia do poziomu potrzebnego do pokonania oporów przepływu przez głowicę. W strefach uplastyczniania i dozowania zmiany ciśnienia mają charakter liniowy Parametry procesu wytłaczania. Tabela 1. Orientacyjne wartości parametrów wytłaczania. Tworzywo Strefa zasilania Strefa sprężania Temperatura [ C] Strefa dozowania głowica dysza LDPE HDPE PP PCW twardy PCW zmiękczony (60% DOP) PA PUR

16 Typowe szybkości obrotowe ślimaków podane są w tabeli 2, natomiast porównanie działania układów uplastyczniających wytłaczarek jednoślimakowych oraz dwuślimakowych współbieżnych i przeciwbieżnych przedstawiono w tabeli 3. Tabela 2. Podstawowa charakterystyka wytłaczarek ślimakowych (D=75mm) [2] Tabela 3. Wybrane charakterystyki układów uplastyczniających wytłaczarek [2] Czynniki wytłaczarka jednoślimakowa wytłaczarka dwuślimakowa przeciwbieżna wytłaczarka dwuślimakowa współbieżna pobieranie materiału z zasobnika dostateczne bardzo dobre bardzo dobre uplastycznianie dobre dobre bardzo dobre mieszanie rozprowadzające dobre dostateczne bardzo dobre mieszanie rozdrabniające dobre bardzo dobre bardzo dobre rozkład czasu przebywania tworzywa w wytłaczarce szeroki bardzo wąski wąski odgazowanie dostateczne dobre dobre wytwarzanie ciśnienia dobre bardzo dobre dostateczne samooczyszczanie się ślimaków słabe dobre bardzo dobre 16

17 Wytłaczarki jednoślimakowe, ze względu na niewielką cenę znalazły największe zastosowanie głównie w przetwórstwie tworzyw homogenicznych, jednego rodzaju. Wytłaczarki dwuślimakowe współbieżne, pracujące przy znacznie wyższych prędkościach obrotowych oraz charakteryzujące się większym generowaniem energii cieplnej wskutek rozpraszania energii mechanicznej, wymagające dużych nakładów inwestycyjnych, znajdują zastosowanie głównie w bezpośrednim wytwarzaniu gotowych półwyrobów z tworzyw modyfikowanych i kompozytów polimerowych. Wytłaczarki dwuślimakowe przeciwbieżne, ze względu na niewielkie prędkości obrotowe ślimaków oraz niewielkie siły ścinające występujące w układzie uplastyczniającym, znalazły zastosowanie głównie w przetwórstwie tworzyw o małej stabilności cieplnej, jak kauczuki czy PVC. 5. Efekty lepkosprężystego zachowania tworzyw polimerowych w procesach wytłaczania Efekt Barusa Efekt Barusa polega na procesie pęcznienia strugi uplastycznionego tworzywa polimerowego opuszczającego głowicę wytłaczarki. W wyniku występowania tego efektu pole przekroju poprzecznego wytłoczyny jest zatem większe od pola przekroju poprzecznego otworu dyszy wytłaczarskiej. Rys. 21. Schematyczny przebieg efektu Barusa. Jeżeli profile nie wykazują przekroju kołowego, to przekroje dyszy i wytłoczyny, ze względu na nierównomierne rozszerzanie się materiału, są najczęściej różne. Aby otrzymać kształt wytłoczyny zgodny z oczekiwanym, należy obliczeniowo lub empirycznie zmienić kształt ustnika tak, aby po procesie pęcznienia strugi uzyskać wymagany kształt profilu. Do eliminowania efektu Barusa w linii technologicznej służą urządzenia zwane kalibratorami. 17

18 Rys. 22. Schematyczny wynik występowania efektu Barusa Efekt Weissenberga Efekt Weissenberga zaobserwować można podczas obracania dokoła własnej osi cylindrycznego elementu zanurzonego w cieczy lepkosprężystej (np. stopionych polimerach, roztworach polimerowych, farbach i lakierach itd.). Widoczne jest wówczas podnoszenie się powierzchni swobodnej cieczy ( wspinanie się ) w górę po wirującym elemencie wbrew sile grawitacji oraz wbrew sile odśrodkowej. Za tak niezwykłe zachowanie odpowiedzialne są właściwości sprężyste cieczy, a dokładniej mówiąc generowanie podczas przepływu ścinającego dodatkowych naprężeń, tzw. naprężeń normalnych. Efekt ten wykorzystywany jest w wytłaczarkach ślimakowo-tarczowych. Rys. 23. Efekt Weissenberga [źródło: Internet] 18

19 6. Linia technologiczna wytłaczania Rys. 24. Linia technologiczna procesu wytłaczania [1]. Podstawowym urządzeniem linii technologicznej jest wytłaczarka, której zadaniem jest dostarczenie do głowicy uplastycznionego tworzywa o odpowiednim natężeniu przepływu, temperaturze, ciśnieniu oraz stopniu homogenizacji materiałowej i termicznej. Zadaniem głowicy wytłaczarskiej jest nadanie przetwarzanemu materiałowi odpowiedniego kształtu przy zapewnieniu odpowiedniej jego jednorodności, jak również wytworzenie odpowiedniego spadku ciśnienia umożliwiającego realizację całego procesu. Proces ten realizowany jest poprzez stopniową zmianę przekroju poprzecznego kanału przepływowego głowicy lub poprzez zastosowanie kanałów rozprowadzających. Końcowe ukształtowanie materiału ma miejsce w dyszy wytłaczarskiej. Na skutek zjawiska rozszerzania się strumienia tworzywa wypływającego z dyszy przekrój poprzeczny wytłoczyny nie jest taki sam jak przekrój poprzeczny wylotu dyszy, dlatego też wprowadza się najczęściej poprawki kształtu dyszy, zwykle w sposób doświadczalny, choć istnieją już metody komputerowe wspomagające ten proces. Kolejnymi elementami linii technologicznej wytłaczania są urządzenia kalibrujące i chłodzące, których zadaniem jest nadanie i utrwalenie ostatecznego, żądanego kształtu wyrobu. Kalibrowanie polega na przeprowadzeniu wytłoczonego profilu przez długą, chłodzoną tuleję przy odpowiednim docisku. W procesie tym, na skutek różnicy temperatur pomiędzy chłodną tuleją a uplastycznionym tworzywem materiał zestala się, utrwalając swój kształt i wymiary, które są określone poprzez kształt i wymiary tulei. Wyeliminowane zostają zatem dwa podstawowe negatywne efekty, wpływające na zmianę kształtu profilu po procesie przetwórstwa: efekt Barusa oraz skurcz wytłaczarski. W celu efektywnego przebiegu procesu, materiał musi zostać dociśnięty do tulei, co przeprowadza się na dwa sposoby. 19

20 Pierwszy z nich to tzw. kalibrowanie ciśnieniowe, polegające na wprowadzeniu do wnętrza profilu powietrza pod pewnym nadciśnieniem, przy czym metoda ta ma zastosowanie wyłącznie do profili zamkniętych (pustych w środku). Drugi sposób to tzw. kalibrowanie próżniowe. Zasadę kalibrowania ciśnieniowego przedstawiono na rys. 25 [1]. Wewnątrz wytłaczanego profilu, w pewnej odległości od głowicy umieszcza się przyczepiony do niej tzw. korek uszczelniający (3). Sprężone powietrze (4) jest doprowadzane pomiędzy głowicę (1) a korek, powodując dociskanie zewnętrznej ścianki profilu do wewnętrznej ścianki tulei kalibracyjnej (2). Zasadę kalibrowania próżniowego przedstawiono na rys. 26. Docisk profilu do tulei kalibrującej przeprowadzany jest poprzez wytworzenie podciśnienia (3) na jej powierzchni. W czasie procesu kalibrowania materiał jest chłodzony, ale zazwyczaj stosuje się również dodatkowe chłodzenie profilu po opuszczeniu kalibratora w urządzeniach chłodzących, które stanowią zwykle długie wanny z doprowadzeniem i odprowadzeniem wody chłodzącej. Profil przesuwa się w wannie po zamontowanych w niej rolkach będąc zanurzony w wodzie lub jest spryskiwany wodą za pomocą zraszaczy. Rys.25. Kalibrowanie ciśnieniowe: 1 głowica, 2 tuleja kalibrująca, 3 korek uszczelniający, 4 sprężone powietrze [1] Rys.26. Kalibrowanie próżniowe: 1 głowica, 2 wlot wody chłodzącej, 3 doprowadzenie próżni, 4 wylot wody chłodzącej [1] 20

21 Urządzenia odbierające służą do odbierania wytłoczonego profilu z głowicy, który przeciągany jest kolejno przez kalibrator i urządzenie chłodzące, oraz podawania go do następnych urządzeń linii technologicznej, a więc urządzenia obcinającego i składującego. Materiał jest przesuwany wykorzystując siły tarcia pomiędzy nim a elementami napędowymi urządzenia. W zależności od kształtu tych elementów, urządzenia odbierające podzielić można na rolkowe, taśmowe i gąsienicowe. Ważnym parametrem urządzenia odbierającego jest prędkość odbioru, którą można regulować, dostosowując ją do prędkości kalibrowania [1]. 7. Proces wytłaczania z rozdmuchiwaniem swobodnym Proces ten polega na wytłoczeniu rury cienkościennej i natychmiastowym jej rozdmuchaniu za pomocą powietrza o niewielkim nadciśnieniu, a następnie wyciągnięciu za pomocą urządzenia odbierającego. W jego rezultacie otrzymuje się folię rurową. Proces ten można przeprowadzać w dół, poziomo lub w górę, w praktyce stosuje się ten ostatni jako najłatwiejszy do kontroli. Rys. 27. Schemat procesu wytłaczania z rozdmuchem swobodnym w dół [4]. 21

22 Rys. 28. Schemat procesu wytłaczania z rozdmuchem swobodnym w górę [4]. W czasie rozdmuchiwania zachodzi głównie rozciąganie w kierunku poprzecznym, natomiast podczas wyciągania rozciąganie w kierunku wzdłużnym. Podstawowe zatem parametry tego procesu to [1]: stopień rozciągnięcia folii w kierunku wzdłużnym DL (stosunek prędkości odbierania folii do prędkości wypływającego tworzywa z głowicy), stopień rozciągnięcia folii w kierunku poprzecznym DT (stopień rozdmuchania - stosunek średnicy rękawa folii do średnicy otworu wylotowego dyszy głowicy). 8. Proces wytłaczania z rozdmuchem w formie Proces wytłaczania z rozdmuchem w formie przebiega na stanowisku technologicznym złożonym z wytłaczarki oraz głowicy kątowej, układu odcinającego, układu formy rozdmuchowej oraz odbioru pojemników. Sam proces może przebiegać w dwojaki sposób [1]: jednoetapowo rozdmuchiwanie profilu (rury cienkościennej), dwuetapowo rozdmuchiwanie wstępne profilu oraz rozciąganie preformy. Zasada procesu jednoetapowego (rys. 29) polega na wytłoczeniu cienkościennej rury o odpowiedniej długości. W drugiej części procesu rurę tę umieszcza się w formie i rozdmuchuje sprężonym powietrzem (ok. 1,5 2 bar) do żądanych kształtów i wymiarów. 22

23 Rys. 29. Schemat jednoetapowego procesu wytłaczania z rozdmuchem w formie. [1,4] Podczas procesu rozdmuchu następuje tutaj rozciąganie materiału w kier. poprzecznym oraz (w mniejszym stopniu) w kier. wzdłużnym, lecz orientacja cząsteczkowa jest zazwyczaj niewielka. Proces dwuetapowy (rys. 30) polega na: 1. wytłoczeniu profilu (rury cienkościennej) i nieznacznym jej rozdmuchaniu w pierwszej formie (mniejszej) w celu uzyskania kształtki wstępnej (prepojemnika) o mniejszych wymiarach i grubszej ściance (formowanie wstępne), 2. ustalenie temperatury preformy (w pobliżu temp. zeszklenia lub krystalizacji materiału polimerowego), a następnie jej rozdmuchaniu w formie docelowej w celu otrzymania gotowego pojemnika (formowanie zasadnicze), rozdmuchanie może odbywać się z jednoczesnym wzdłużnym rozciąganiem mechanicznym (za pom. trzpienia). Proces ten jest charakteryzowany trzema parametrami: 1. stopniem rozciągnięcia w kierunku wzdłużnym DL (stosunek długości pojemnika do długości preformy), 2. stopniem rozciągnięcia w kierunku poprzecznym DT (stosunek średnicy pojemnika do średnicy profilu), 3. stopniem orientacji makrocząsteczek OD (stosunek grubości ścianki pojemnika do grubości ścianki preformy). 23

24 Rys. 30. Schemat dwuetapowego procesu wytłaczania z rozdmuchem w formie: I podawanie profilu, II wytwarzanie preformy, III podawanie preformy do formy właściwej, IV formowanie właściwe, V otwarcie formy i usunięcie pojemnika [1,4] Podstawową wadą tej metody (dwuetapowej) jest fakt, iż praktycznie jej zastosowanie jest ograniczone do wyrobów osiowo symetrycznych, ewentualnie o owalnym kształcie przekroju poprzecznego [1]. Skurcz przetwórczy Skurcz przetwórczy odgrywa niepomijalne znaczenie w procesie wytłaczania i nosi nazwę skurczu wytłaczarskiego. Wartości skurczu są odmienne dla różnych rodzajów tworzyw. W tabeli 2 zestawiono dane dla niektórych materiałów polimerowych w przypadku skurczu pierwotnego wzdłużnego. Większe wartości skurczu pierwotnego tworzyw termoplastycznych krystalicznych niż bezpostaciowych ( też amorficznych) wynikają ze znanego zjawiska gęstszego upakowania makrocząsteczek struktury krystalicznej, zachodzące podczas procesu krystalizacji. Skurcz pierwotny zmniejsza i stabilizuje dodatek większości napełniaczy proszkowych oraz włóknistych. Zjawisko skurczu wtórnego występuje przede wszystkim w przypadku tworzyw termoplastycznych krystalicznych, gdyż w nich zachodzą wyraźnie dalsze procesy przemian strukturalnych i chemicznych. 24

25 Wartości skurczu dla wybranych tworzyw polimerowych przedstawione są w poniższej tabeli. Tabela 4. Orientacyjne wartości skurczu przetwórczego po procesie wytłaczania dla typowych materiałów polimerowych. BIBLIOGRAFIA: [1] Praca zbiorowa pod red. K. Wilczyńskiego, Przetwórstwo tworzyw sztucznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000 [2] Stasiek J., Wytłaczanie tworzyw polimerowych. Zagadnienia wybrane, Wyd. Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno - Przyrodniczego, Bydgoszcz 2007 [3] Praca zbiorowa pod red. H. Zawistowskiego,, PLASTECH Wyd. Poradników i Książek Technicznych, Warszawa 1999 [4] Sikora R., Przetwórstwo tworzyw wielkocząsteczkowych, Wyd. Edukacyjne Zofii Dobkowskiej, Warszawa 1993 [5] Dobrosz K., Matysiak A., Tworzywa sztuczne. Materiałoznawstwo i przetwórstwo, WSiP, Warszawa