Design of extruder heads for films and sheets

Transkrypt

1 144 Budowa g³owic wyt³aczarskich do folii i p³yt Janusz. W. SIKORA Politechnika Lubelska Katedra Procesów Polimerowych ul. Nadbystrzycka 38d, Lublin janusz.sikora@pollub.pl tel Budowa g³owic wyt³aczarskich do folii i p³yt Kolejny, ju czwarty, artyku³ z serii prac przybli aj¹cych budowê g³owic wytaczarskich dotyczy g³owic do otrzymywania folii i p³yt. Folie mo na uzyskaæ za pomoc¹ dwóch ró nych pod wzglêdem konstrukcyjnym g³owic wytaczarskich. W pracy przedstawiono budowê g³owicy do folii rurowej oraz do folii p³askiej. Omówiono przep³yw tworzywa w poszczególnych zespo³ach funkcjonalnych g³owicy. Wskazano na modyfikacje g³owic do folii p³askiej umo liwiaj¹ce zastosowanie jej do otrzymywania p³yt. Wymieniono wady i zalety takich g³owic, a tak e mo liwoœci regulacji przep³ywu tworzywa w dyszy. Design of extruder heads for films and sheets. Design of extruder heads for films and sheets. The following paper, forth in the series of works on the design of extruder heads, deals with the heads for receiving films and sheets. Films can be received by means of two extruder heads, different in their construction. In the paper, the construction of the head for blown films and for flat films was presented. The polymer flow in the particular head functional elements was discussed. Possible modifications of the head for flat films, which enable to use it for receiving sheets, were pointed out. Advantages and disadvantages of such heads as well as the possibility of polymer flow control in the die were described. W przetwórstwie tworzyw polimerowych folie mo na uzyskaæ w procesie wyt³aczania, az u yciem dwóch ró nych g³owic wytaczarskich. Linie technologiczne do wyt³aczania folii wykazuj¹ du e zró nicowanie elementów sk³adowych, przede wszystkim urz¹dzeñ uzupe³niaj¹cych zakoñczeniowych, które uwzglêdniaj¹ specyfikê konstrukcyjn¹ zastosowanego narzêdzia przetwórczego. W zale noœci od kszta³tu dyszy g³owicy wytaczarskiej otrzymuje siê foliê rurow¹ lub foliê p³ask¹. Foliê rurow¹ otrzymuje siê w procesie wyt³aczania z rozdmuchiwaniem swobodnym [1, 2, 3], a g³owica do folii rurowej (rys. 1), stosowana w tym procesie, nie ró ni siê zasadniczo od g³owicy do wyt³aczania rur [4, 5, 6]. Z uwagi na rozwi¹zania konstrukcyjne linii technologicznych do wyt³aczania z rozdmuchiwaniem swobodnym najczêœciej stosuje siê g³owicê poprzeczn¹ z rdzeniem gwiaÿdzisto-œrubowym (rys. 2). Konstruowanie tylko takiej g³owicy daje niemal pewnoœæ, e nie powstan¹ w otrzymywanej folii powierzchnie ³¹czenia tworzywa [4, 7, 8], które s¹ wykluczane równie z powodu zbyt ma³ej Rys. 1. Wygl¹d g³owicy poprzecznej do folii rurowej z wewnêtrznym uk³adem ch³odzenia folii i pierœcieniem zewnêtrznym och³adzaj¹cym (Reifenhäuser Extrusion, Niemcy)

2 Budowa g³owic wyt³aczarskich do folii i p³yt 145 Rys. 2. Schematyczne przedstawienie a) oraz c) przekroju wzd³u nego g³owicy poprzecznej z rdzeniem gwiaÿdzisto-œrubowym, a tak e b) oraz d) fragmentu wygl¹du rdzenia g³owicy [7, 10] gruboœci folii. Jednak czasami stosuje siê równie inne rodzaje g³owic. Podstawow¹ cech¹, która odró nia g³owicê do folii rurowej od g³owicy do rur jest ukszta³towanie szczeliny pierœcieniowej dyszy g³owicy wytaczarskiej. W zale noœci od gruboœci folii szerokoœæ szczeliny pierœcieniowej dyszy zawiera siê najczêœciej od 0,6 mm dla folii cienkiej do 1,6 mm dla folii grubej. Jest wiêc du o (kilkakrotnie) wiêksza od gruboœci folii otrzymywanych przy ich u yciu. Œrednica wytwarzanych folii zawiera siê w granicach od kilku centymetrów do nawet trzech metrów. D³ugoœæ strefy prowadzenia równoleg³ego tworzywa w g³owicy, ze wzglêdu na du e opory przep³ywu tworzywa nie powinna przekraczaæ kilku przy foliach rurowych o ma³ej œrednicy oraz kilkunastu centymetrów przy foliach o wiêkszej œrednicy. Szerokoœæ szczeliny pierœcieniowej, dyszy g³owicy jest znacznie wiêksza ni wymagana gruboœæ folii. Dodatkowe pocienienie œcianek wyt³aczanej rury cienkoœciennej otrzymuje siê w wyniku natychmiastowego rozdmuchania rury za pomoc¹ urz¹dzenia nadmuchuj¹cego i jej wyci¹gniêcia przy u yciu urz¹dzenia odbieraj¹cego. Tak wiêc konstruuj¹c dysze g³owicy do folii rurowej nale y uwzglêdniæ stopieñ rozdmuchania folii, okreœlany jako stosunek œrednicy folii rurowej do œrednicy otworu dyszy. Koniecznym jest te uwzglêdnienie stopnia rozci¹gania folii traktowany jako stosunek prêdkoœci odbierania folii do prêdkoœci opuszczania przez foliê dyszy g³owicy wyt³aczarskiej. Wyt³aczan¹ rurê cienkoœcienn¹ mo na efektywnie rozdmuchiwaæ za pomoc¹ powietrza doprowadzonego do jej wnêtrza. Analogicznie, jak w przypadku g³owic do rur, w g³owicach do folii rurowej wykonuje siê otwór w rdzeniu, który w strefie równoleg³ego prowadzenia tworzywa w g³owicy jest wspó³osiowy z dysz¹ g³owicy [4]. Otworem doprowadza siê powietrze z urz¹dzenia nadmuchuj¹cego do wnêtrza rury. Kontrolê nad procesem rozdmuchiwania oraz ch³odzenia folii, zapewnia przymocowanie do g³owicy wytaczarskiej pierœcieni ch³o-

3 146 Budowa g³owic wyt³aczarskich do folii i p³yt Rys. 3. Ró ne rodzaje pierœcieni ch³odz¹cych: 1 folia rurowa, 2 oraz 3 pierœcienie urz¹dzenia jednokrotnego zewnêtrznego, 4 oraz 5 pierœcienie urz¹dzenia dwukrotnego zewnêtrznego, 6 pierœcienie urz¹dzenia jednokrotnego obustronnego, 7 trzpieñ urz¹dzenia jednokrotnego obustronnego [1, 7] dz¹cych z otworami od strony folii, którymi nadmuchuje siê powietrze. Pierœcienie s¹ ró nie rozwi¹zane (rys. 3). Ze wzglêdu na trudnoœci w dok³adnym ustaleniu szerokoœci szczeliny pierœcieniowej dyszy g³owicy na ca³ym obwodzie oraz w celu równomiernego roz³o enia ró nicy w gruboœci œcianki folii, jak i zmniejszenia tolerancji jej gruboœci stosuje siê g³owice poprzeczne obrotowe [2, 8]. Czêœæ zasadnicza g³owicy zwi¹zana z dysz¹ pierœcieniow¹, jest ³o yskowana i wsparta na ³¹czniku g³owicy, co umo liwia jej ruch wokó³ osi wzd³u nej (rys. 4). Ruch obrotowy mo e odbywaæ siê w sposób ci¹g³y lub oscylacyjny oraz przebiega z ma³¹ szybkoœci¹ obrotow¹ wynosz¹c¹ do jednego obrotu na minutê. Spotyka siê te rozwi¹zania, w których ruch obrotowy wykonuje rdzeñ dyszy g³owicy wytaczarskiej [9, 10]. Jednym z kryteriów, wed³ug którego nastêpuje rozró nienie pomiêdzy p³yt¹ a foli¹ p³ask¹ jest gruboœæ oraz podatnoœæ tworzywa wyt³aczanego do nawijania bez trwa³ych odkszta³ceñ i uszkodzeñ. Jeszcze 10 lat temu przyjmowa³o siê umownie [6, 10], e jest to gruboœæ w zakresie od 0,5 do 0,7 mm, jednak wraz z rozwojem Rys. 4. Przekrój wzd³u ny fragmentu g³owicy poprzecznej obrotowej: 1 ³¹cznik g³owicy, 2 korpus g³ówny, 3 ³o ysko kulkowe, 4 pierœcieñ dystansowy, 5 oprawa ³o yska, 6 kana³ wlotowy, 7 kana³ rozprowadzaj¹cy, 8 rozdzielacz rdzenia [7]

4 Budowa g³owic wyt³aczarskich do folii i p³yt 147 Rys. 5. Wygl¹d g³owicy wzd³u nej szczelinowej p³askiej (Verbruggen, Holandia) przetwórstwa tworzyw, maszyn i narzêdzi, otrzymywano folie coraz grubsze, natomiast p³yty o coraz mniejszej gruboœci. Wspó³czeœnie otrzymuje siê folie p³askie przeznaczone do dalszej obróbki, na przyk³ad, metod¹ kszta³towania [11], o gruboœci kilku milimetrów, natomiast p³yty mog¹ mieæ gruboœæ nawet kilkudziesiêtnych milimetra. G³ówny kryterium rozró niaj¹cym p³ytê od folii sta³a siê wiec podatnoœæ tworzywa wyt³aczanego na nawijanie bez odkszta³ceñ i uszkodzeñ. Najwiêkszym problemem w konstrukcji g³owicy do p³yt i folii p³askiej jest zapewnienie równomiernego natê enia przep³ywu tworzywa w dyszy na ca³ej jej szerokoœci, która mo e wynosiæ nawet 4500 mm, a jest znana oferta [12] g³owicy do folii wyt³aczanej o szerokoœci równej 5500 mm. W g³owicy nastêpuje zmiana kszta³tu pola przekroju poprzecznego strumienia tworzywa z ko³owego na prostok¹tny o bardzo du ym stosunku jednego wymiaru do drugiego, bez zmiany kierunku przep³ywu tworzywa. St¹d g³owica do p³yt i folii p³askiej jest nazywana g³owic¹ wzd³u n¹ szczelinow¹ p³ask¹ (rys. 5). Uk³ad przep³ywowy g³owicy do p³yt i folii p³askiej sk³ada siê z kana³u wlotowego, kana³u rozprowadzaj¹cego oraz z dyszy (rys. 6). Uk³ad przep³ywowy jest zaopatrzony w ró nego rodzaju elementy, poprzez regulacje których, mo na œwiadomie wp³ywaæ na przep³yw tworzywa w tym uk³adzie. Przekszta³cenie strumienia tworzywa przep³ywaj¹cego przez kana- ³y g³owicy nastêpuje w kanale rozdzielaj¹cym, Rys. 6. Schemat uk³adu przep³ywowego g³owicy wzd³u nej szczelinowej p³askiej: 1 kana³ wlotowy, 2 kana³ rozprowadzaj¹cy g³ówny, 3 kana³ rozprowadzaj¹cy pomocniczy, 4 kana³ rozprowadzaj¹cy relaksacyjny, 5 dysza g³owicy do którego tworzywo wp³ywa strumieniem o ko³owym kszta³cie przekroju poprzecznego a wyp³ywa strumieniem o prostok¹tnym kszta³cie przekroju [13, 14]. Kana³ wlotowy jest kana³em prostym geometrycznie, o ko³owym kszta³cie przekroju poprzecznego i d³ugoœci w przybli eniu równej po³owie d³ugoœci g³owicy, którym przep³ywa tworzywo z uk³adu uplastyczniaj¹cego [6]. Kana³ rozprowadzaj¹cy jest kana³em usytuowanym symetrycznie po obu stronach kana³u wlotowego. Sk³ada siê z dwóch lub z trzech odcinków, a mianowicie z kana³u rozprowadzaj¹cego g³ównego, pomocniczego oraz relaksacyjnego. Kana³ rozprowadzaj¹cy g³ówny jest najczêœciej sto kowo-symetryczny, zbie ny liniowo, parabolicznie b¹dÿ hiperbolicznie, choæ ten ostatni stosuje siê obecnie bardzo rzadko. Kszta³t przekroju poprzecznego kana³u roz-

5 148 Budowa g³owic wyt³aczarskich do folii i p³yt Rys. 7. Schemat uk³adu przep³ywowego g³owicy wzd³u nej szczelinowej p³askiej ze szczególnym uwzglêdnieniem kszta³tu kana³u rozprowadzaj¹cego g³ównego: a) kana³ prosty ko³owy, b) kana³ sto kowo-symetryczny liniowo zbie - ny, c) sto kowo-symetryczny parabolicznie zbie ny prowadzaj¹cego g³ównego jest ko³owy lub zbli- ony do ko³owego i najczêœciej przekrój tego kana³u zmniejsza siê wraz ze wzrostem odleg- ³oœci od wlotu kana³u. Natomiast wlot kana³u rozprowadzaj¹cego g³ównego umieszcza siê pod k¹tem 90 deg w stosunku do wylotu kana³u wlotowego, tworz¹c w przypadku kana³u ko- ³owego charakterystyczny kszta³t litery T (rys. 7). Kana³ rozprowadzaj¹cy pomocniczy ma kszta³t bardzo zbli ony do kszta³tu dyszy g³owicy wytaczarskiej i to w nim nastêpuje w³aœciwe ukszta³towanie przep³ywu tworzywa, jego stabilizacja, a tak e wyrównanie temperatury tworzywa przep³ywaj¹cego. Zmniejszenie ró - nicy ciœnienia pomiêdzy punktami najdalej po- ³o onymi od osi kana³u rozprowadzaj¹cego g³ównego a po³o onymi najbli ej, niego lub nawet wyrównanie spadku ciœnienia tworzywa w kanale rozprowadzaj¹cym pomocniczym nastêpuje najczêœciej poprzez w³aœciwe, ró ne na szerokoœci kana³u, ustalenie jego d³ugoœci. Bardzo czêsto kana³ rozprowadzaj¹cy pomocniczy koñczy siê kana³em relaksacyjnym, miejscow¹ deredukcj¹ objêtoœci kana³u, jednakow¹ na ca³ej jego szerokoœci. Uwzglêdnienie w konstruowaniu uk³adu przep³ywowego g³owicy wzd³u nej szczelinowej p³askiej kana³u rozprowadzaj¹cego relaksacyjnego ma na celu przede wszystkim relaksacjê powsta³ych naprê eñ, które mog³y pojawiæ siê podczas przekszta³cania strumienia, wyrównywania jego ciœnienia, prêdkoœci, a tym samym i natê enia przep³ywu [6]. Zalet¹ g³owicy wzd³u nej szczelinowej p³askiej maj¹cej kana³ rozprowadzaj¹cy g³ówny ko³owy, a tak e sto kowo-symetryczny parabolicznie zbie ny, stosowany obecnie najczêœciej jest ma³a podatnoœæ na odkszta³cenie dyszy spowodowane ciœnieniem tworzywa. W przypadku du ej g³owicy, ciœnienie tworzywa przep³ywaj¹cego na wejœciu do dyszy mo e wynosiæ nawet do 40 MPa [10]. Odkszta³cenie to polega na zmianie kszta³tu, najwiêkszym w osi przekroju wzd³u nego dyszy g³owicy wytaczarskiej, tak ze otrzymywana p³yta b¹dÿ folia ma gruboœæ najwiêksz¹ w osi wzd³u nej. Ca³kowity spadek ciœnienia tworzywa podczas przep³ywu przez uk³ad przep³ywowy g³owicy wzd³u nej szczelinowej p³askiej dochodzi do 20 MPa [10]. G³owica z kana³em rozprowadzaj¹cym g³ównym sto kowo-symetrycznym liniowo zbie nym odznacza siê wyraÿnie lepszym rozprowadzeniem tworzywa od g³owicy z kana³em rozprowadzaj¹cym ko³owym. Jednak koszt wykonania tej ostatniej jest najni szy, co powoduje, e wci¹ jest ona stosowana. Uk³ad przep³ywowy g³owicy wzd³u nej szczelinowej p³askiej koñczy siê dysz¹, która w tym przypadku ma mo liwoœæ regulacji natê e-

6 Budowa g³owic wyt³aczarskich do folii i p³yt 149 Rys. 8. Przyk³ady umieszczenia listwy regulacyjnej w g³owicy wzd³u nej szczelinowej p³askiej do a) folii p³askiej, b) p³yt, c) folii p³askiej i p³yt; 1 kana³ wlotowy, 2 kana³ rozprowadzaj¹cy, 3 kana³ rozprowadzaj¹cy pomocniczy, 4 kana³ rozprowadzaj¹cy relaksacyjny, 5 dysza g³owicy, 6 œruba regulacyjna, 7 korpus g³owicy, 8 listwa regulacyjna [2, 10] nia przep³ywu tworzywa na ca³ej szerokoœci, poprzez zastosowanie ruchomych elementów dyszy. Zmiana po³o enia tych czêœci koryguje tak e ewentualne odkszta³cenie dyszy spowodowane przep³ywem tworzywa. Takie ruchome elementy, wp³ywaj¹ce na strumieñ tworzywa przep³ywaj¹cego, umieszcza siê równie przed dysz¹, najczêœciej w kanale rozprowadzaj¹cym pomocniczym [2, 15, 16, 17]. W efekcie uzyskuje siê bardziej jednorodny przep³yw tworzywa i mniejsze odkszta³cenie dyszy. Do regulacji przep³ywu tworzywa stosuje siê elementy z odpowiednio ukszta³towanymi powierzchniami, mog¹ to byæ trzpienie lub listwy kszta³towe nazywane odpowiednio trzpieniami oraz listwami regulacyjnymi (rys. 8), umo liwiaj¹ce zmianê ci¹g³¹ g³êbokoœci kana³u przep³ywowego lub wysokoœci dyszy, przy czy te pierwsze najczêœciej s¹ stosowane w g³owicach do wyt³aczania p³yt [18]. W g³owicach do wyt³aczania folii p³askiej, czêœciej ni w g³owicach do wyt³aczania p³yt, stosuje siê regulacjê przep³ywu tworzywa poprzez zmianê ci¹g³¹ wysokoœci dyszy za pomoc¹ ruchomych trzpieni lub ruchomej listwy tej dyszy. Elementy te mog¹ byæ powi¹zane z uk³adem sensorów piezoelektrycznych reaguj¹cych na ciœnienie tworzywa w kana³ach rozprowadzaj¹cych i wywo³uj¹cych zmianê wysokoœci dyszy g³owicy. Bardzo czêsto folia wyt³aczana podlega jednak dalszemu przetwórstwu, na przyk³ad w procesie kalandrowania. Literatura 1. Sikora R.: Przetwórstwo tworzyw wielkocz¹steczkowych. Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa Praca zbiorowa pod redakcj¹ Sikory R.: Przetwórstwo tworzyw polimerowych. Podstawy logiczne, formalne i terminologiczne. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin Stasiek J.: Wyt³aczanie tworzyw polimerowych. Zagadnienia wybrane. Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2007.

7 150 Budowa g³owic wyt³aczarskich do folii i p³yt 4. Sikora J. W.: Budowa g³owic wytaczarskich do rur. Przetwórstwo tworzyw 2009,?,?. 5. Materia³y informacyjne firmy Brampton Engineering Inc., Kanada. 6. Rauwendal Ch.: Polymer Extrusion. Carl Hanser Verlag, Munich Vienna New York Sikora J. W.: Selected Problems of Polymer Extrusion. Wydawnictwo Naukowe WNGB, Lublin Schöppner V., Limper A., Rübbelke I.: Development of Die Concept with a Rotating Distributor Geometry. Europe/Africa Regional Meeting. The Polymer Processing Society, Gothenburg, Szwecja 2007, Sikora J. W., Bieliñski M.: G³owice do wyt³aczania poruj¹cego kszta³towników. Praca zbiorowa Postêp w przetwórstwie tworzyw termoplastycznych. Politechnika Czêstochowska, Czêstochowa 1995, Michaeli W.: Extrusion Dies for Plastics and Rubber. Hanser Publishers, Munich Sikora R.: Obróbka tworzyw wielkocz¹steczkowych, Wydawnictwo Edukacyjne. Warszawa Materia³y informacyjne firmy Reifenhäuser Extrusion GmbH & Co. KG, Niemcy. 13. Materia³y informacyjne firmy Premier Dies Corporation, USA. 14. Materia³y informacyjne firmy Verbruggen Emmeloord BV, Holandia 15. Materia³y informacyjne firmy Extrusion Dies Industries, LLC, USA. 16. Materia³y informacyjne firmy Wayne Machine & Die Company, USA. 17. Samuj³o B.: Uk³ad regulacji przep³ywu w g³owicy wytaczarskiej. Polimery 1998, 43, Materia³y informacyjne firmy Allied Dies, USA.