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.
Elementy konstrukcyjne narzędzia przetwórczego 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 obrębem głowicy pod wpływem podciśnienia 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 Materiał Temperatura w poszczególnych strefach [ C] Zasilania Przemiany Dozowania Głowica Dysza Ciśnienie [MPa] 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 tworzywa, 4 trzpień 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.