LABORATORIUM REOLOGICZNE PODSTAWY TECHNOLOGII POLIMERÓW ĆWICZENIE NR 6 WYTŁACZANIE I OCENA CHARAKTERYSTYKI MIESZANKI KAUCZUKOWEJ 1
1. Wstęp teoretyczny Wytłaczanie jest procesem ciągłego formowania mieszanek kauczukowych. Polega na uplastycznianiu mieszanki w układzie uplastyczniającym wytłaczarki a następnie przepychaniu go pod wpływem wytworzonego w tym układzie ciśnienia przez kanały głowicy wytaczarskiej, a w następnej kolejności na zestaleniu bądź utwardzeniu otrzymanej wytłoczyny. Uplastycznianie następuje w wyniku nagrzewania mieszanki przez układ nagrzewający cylindra wytłaczarki oraz w wyniku rozpraszania energii wewnątrz cylindra. Poprzez pojęcie wytłaczalność rozumiemy podatność tworzywa wytłaczanego na zmiany właściwości, struktury, kształtu i wymiarów, zachodzące w czasie procesu wytłaczania. Wytłaczanie należy do metod przetwórstwa o największym znaczeniu. Stanowi ona ponad 50% wytwarzanych tworzyw, których produkcja w 2008 roku przekroczyła 245 mln ton. Metodą wytłaczania produkuje się takie wyroby gumowe jak: węże, sznury o różnorodnych profilach, dętki, kable oraz wiele półproduktów, do których w pierwszym rzędzie należą bieżniki opon. Odpowiedni kształt wytłoczyny nadaje dysza głowicy wytaczarskiej, która jest skonstruowana z uwzględnieniem efektu Barusa i zjawisk skurczu. Mieszanki przeznaczone do wytłaczania muszą cechować się możliwie dużą plastycznością, zdolnością do zachowania kształtu wytłaczanego profilu oraz odpornością na podwulkanizację. Zdolność do zachowania kształtu nadaje się mieszankom poprzez dodatek kauczuków częściowo usieciowanych, regeneratu, faktysy oraz niektórych napełniaczy, np.: węglan magnezu. Odporność na podwulkanizację zapewnia odpowiedni dobór zespołu wulkanizującego lub wprowadzenie opóźniaczy wulkanizacji. Wytłaczarka ślimakowa, której istota została opatentowana przez M. Graya już w 1879 r. w Anglii, składa się z: Układu uplastyczniającego Układu napędowego (silnik o odpowiedniej mocy, przekazujący moment obrotowy przez przekładnie redukcyjną, wymuszający obrót ślimaka). Układu sterowania Układu formującego (głowica zakończona ustnikiem) Uplastycznianie tworzywa przetwarzanego jest jednym z najważniejszych zagadnień w przetwórstwie tworzyw. Jest głównym czynnikiem determinującym wydajność przetwórstwa. 2
Tworzywo po procesie uplastyczniania musi charakteryzować się określonymi parametrami, a zatem temperaturą, ciśnieniem, stopniem homogenizacji, prędkością ruchu oraz natężeniem przepływu. Układ uplastyczniający wytłaczarki spełnia następujące funkcje: Nagrzewanie - prowadzone w celu zapewnienia określonego przebiegu zmian stanów fizycznych przetwarzanego tworzywa, określanego temperaturą i jej fluktuacją Sprężanie - polega na wytwarzaniu w tworzywie zadanego przebiegu zmian ciśnienia, określanego wartością ciśnienia oraz jego pulsacją Mieszanie zapewniające homogenizowanie, a zatem ujednorodnienie składu i właściwości, głównie termicznych oraz mechanicznych, także ujednorodnienie struktury tworzywa przetwarzanego Transportowanie - przemieszczanie tworzywa przez układ z uzyskaniem na jego końcu wymaganej prędkości wypływu tworzywa z określonym natężeniem oraz ustaloną fluktuacją i pulsacją. Układ uplastyczniający może również spełniać funkcje pomocnicze, do których należą: odgazowanie, porowanie, polimeryzowanie oraz przebieg reakcji chemicznych pomiędzy składnikami tworzywa. Występują one w określonych przypadkach uplastyczniania oraz z różną intensywnością. Układy uplastyczniające można podzielić na: Układ ślimakowy ( jedno- lub wieloślimakowy) Układ bezślimakowy (głównie tłokowy, tarczowy, pierścieniowy, wirnikowy i planetarny) Układ mieszany (ślimakowo-tłokowy lub ślimakowo-tarczowy) Podstawowe znaczenie ma obecnie uplastycznianie ślimakowe. Układ taki zbudowany jest z : Zespołu mechanicznego, tworzonego przez cylinder i obracający się ślimak (bądź kilka ślimaków) umieszczony w cylindrze Zespołu nagrzewająco ochładzającego, który stanowią urządzenia sterująco regulujące oraz ewentualnie wentylatory Urządzeń pomocniczych np.: zaworów odgazowujących 3
Nagrzewnice, grzejniki oraz wentylatory umieszczone są na cylindrze, natomiast urządzenia sterująco regulujące znajdują się przeważnie w oddzielnej strefie. Tworzywo wprowadzane jest do układu ślimakowego z zasobnika, a następnie odprowadzane jest w stanie plastycznym do głowicy wytaczarskiej. Układ napędowy wytłaczarki musi spełniać poniższe wymagania: Duży moment obrotowy rozruchowy, który wynosi ok. 1,5 momentu znamionowego Dobra stabilność prędkości obrotowej ślimaka przy zmianie obciążenia od 0 do 100% Stałość bądź niewielkie zmiany momentu obrotowego w funkcji prędkości obrotowej Prosta obsługa, małe koszty zakupu i eksploatacji Ograniczenie maksymalnego momentu obrotowego w celu zabezpieczenie ślimaka przed ewentualnym uszkodzeniem Funkcje i budowa cylindra: Z funkcji jakie spełnia układ uplastyczniający wynikają wymagania, które powinien spełniać cylinder. Należą do nich: Odpowiednie ukształtowanie i struktura geometryczna powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej Przenoszenie obciążeń wywołanych ciśnieniem uplastycznianego tworzywa oraz masą układu uplastyczniającego Odkształcanie w zakresie umożliwiającym właściwą współpracę ślimaka bądź ślimaków Odpowiednie przenoszenie ciepła w kierunku do i od tworzywa Ze względu na charakter powierzchni cylindra, wyróżniamy dwa podstawowe typy: rowkowane oraz gładkie (najczęściej spotykane). Rowki zewnętrzne są prostopadłe do osi cylindra lub są śrubowe o dużej stromości i służą do przepływu czynnika chłodzącego, którym może być powietrze bądź woda. Rowki umieszczone są na początku cylindra na długości około 3D. Rowkowanie powierzchni cylindra wpływa na większą efektywność zbierania tworzywa z zasobnika i wprowadzania do kanału ślimaka. Zwiększa się w tym 4
przypadku tarcie i ciśnienie w strefie zasilania, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia natężenia przepływu tworzywa w układzie uplastyczniającym. Strefę rowkowaną należy intensywnie chłodzić, ponieważ w wyniku zwiększonego tarcia tworzywo wytłaczane mogłoby ulec przedwczesnemu uplastycznieniu. Układy uplastyczniające zawierające cylindry rowkowane odznaczają się znaczną intensywnością procesu transportu. Wytłaczarki z takimi cylindrami posiadają również wady, do których należy zwiększone zużycie energii (wymagają one silniejszego napędu). Ponadto ze względu na dużą prędkość transportową, mogą wystąpić problemy z pełnym uplastycznieniem, jak również odpowiednią homogenizacją materiału. Najważniejsze funkcje jakie pełni ślimak: Konstrukcja ślimaka ma decydujące znaczenie w przetwórstwie tworzyw. Ślimak musi w sposób prawidłowy spełniać następujące funkcje: Równomierny transport tworzywa Plastyfikację i homogenizację stopionej masy Utrzymanie zadanej temperatury przy wytworzonym ciśnieniu i natężeniu przepływu Geometria ślimaka zależy od rodzaju tworzywa, charakterystyki płynięcia, lepkości uplastycznionego tworzywa oraz współczynnika tarcia granulatu. Ślimaki w układach jednoślimakowych dzieli się ogólnie na ślimaki klasyczne, niekonwencjonalne oraz specjalne. Ślimaki klasyczne mają kanał śrubowy ciągły wzdłuż całej długości części roboczej. Różnią się między sobą elementami geometrycznymi. Ślimaki specjalne zaopatrzone są w specjalnej konstrukcji elementy, które intensyfikują proces ścinania i mieszania w układzie uplastyczniającym. Natomiast ślimaki niekonwencjonalne odznaczają się tym, że na części długości roboczej mają odcinki kanału nieśrubowego klasycznego, nieciągłego bądź ciągłego. Obecnie coraz częściej używa się ślimaków łączących rozwiązania ślimaków specjalnych i konwencjonalnych. Klasyczny ślimak w układzie jednoślimakowym podzielony jest umownie na 4 podstawowe strefy (Rys. 1): 5
Rys. 1. Schemat ślimaka klasycznego z zaznaczeniem poszczególnych stref: I- zasypu; II- zasilania; III- przemiany (sprężania); IV- dozowania Strefę zasypu, o długości (1,5 2)D (D-średnica zewnętrzna ślimaka) tworzy część ślimaka, która znajduje się bezpośrednio pod otworem wysypowym zasobnika tworzywa. W tej strefie następuje przyjęcie przez ślimak tworzywa wejściowego, przeważnie w kształcie granulek lub proszku, poprzez możliwie całkowite wypełnienie tworzywem obszaru między zwojami ślimaka, zwanego kanałem śrubowym ślimaka. Strefa ta nie zawsze jest wydzielana i bywa łączona ze strefą zasilania. Kolejna strefa, strefa zasilania, o długości przeważnie (4 15) D, rozpoczyna się w miejscu zamkniętym na całym obwodzie cylindra. W tej części wytłaczarki tworzywo ma taką samą postać i kształt, jak w strefie zasypu, ale ulega głownie nagrzewaniu, sprężaniu i transportowi, w wyniku czego w tworzywie zachodzą przemiany. Zdolność transportowania materiału, zależy od: - objętości kanału między zwojami ślimaka w tej strefie, - liczby obrotów, - współczynnika zapełnienia kanału, - współczynnika tarcia tworzywa o cylinder i ślimak. W części poprzecznej przekroju kanału ślimaka tworzywo przechodzi w stan plastyczny zaczyna się w tym miejscu następna strefa ślimaka zwana strefą przemiany. Ma ona długość przeważnie (5 10) D. W tej strefie rośnie udział tworzywa w stanie plastycznym w miarę jego transportowania, zwiększa się również udział tworzywa w stanie ciekłym. W momencie, gdy w całym przekroju poprzecznym kanału tworzywo jest w stanie plastycznym bądź ciekłym, rozpoczyna się strefa dozowania. Zadaniem tej strefy (długość porównywalna ze strefą przemiany) jest przede wszystkim ostateczne przeprowadzenie 6
resztek tworzywa w stan plastyczny bądź ciekły (mogły tego stanu nie osiągnąć wcześniej), dalsza homogenizacja oraz nadanie i ustabilizowanie parametrów tworzywa opuszczającego układ. Strefy II, II oraz IV przechodzą jedna w drugą w sposób ciągły. Często zdarza się, że granice między nimi są słabo zaznaczone. Ślimak jest charakteryzowany głównie następującymi elementami geometrycznymi: Stosunkiem długości części roboczej do średnicy zewnętrznej L/D; wartość ta zawiera się w przedziale 3 35 Głębokością h kanału śrubowego; wynosi ona na ogół (0,05 0,3) D i jest największa w strefie zasypu, a najmniejsza na końcu strefy dozowania Szerokością b kanału śrubowego Skokiem t linii śrubowej zwoju; ma ona najczęściej wartość (0,8 1,2) D Stromością γ s linii śrubowej zwoju Kątem pochylenia α linii śrubowej, który jest zależny od h Szerokością e grzbietu zwoju; na ogół e = (0,06 0,1) D Krotnością i zwojów; zazwyczaj = 1, ale można spotkać ślimaki wielozwojowe, np.: dwuzwojowe Szczeliną s pomiędzy grzbietem zwoju i powierzchnią wewnętrzną cylindra przetwórczego Redukcją objętości kanałów; redukcja całkowita jest stosunkiem objętości zwoju na początku strefy zasilania do odpowiadającej objętości zwoju na końcu strefy dozowania i wynosi na ogół 1,3 5 dla tworzyw termoplastycznych i 1,0 1,5 dla tworzyw utwardzalnych Otworem wzdłużnym o średnicy przeważnie (0,25 0,35) D Wymaganą redukcję objętości kanału, która wynika z kompensacji objętości tworzywa wskutek zmiany jego stanu fizycznego i właściwego sprężania można osiągnąć poprzez zmniejszenie skoku linii śrubowej zwoju bądź wysokości zwoju. Ze względu na tańsze oraz prostsze wykonanie ślimaka, częściej stosuje się ślimak o stałym skoku i zmniejszającej się wysokości zwoju. 7
Kształty ślimaków Z uwagi na to, że różne gatunki i rodzaje mieszanek kauczukowych wymagają odpowiednio różnych parametrów procesu przetwórczego, istnieje duża różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych, a także wymiarów i kształtów ślimaka (rys. 2), co pozwala zapewnić wymagane warunki dla procesów mieszania, uplastyczniania i sprężania przetwarzanych materiałów. Rys. 2. Przykłady niektórych kształtów ślimaków Układ formujący Układ ten stanowi głowica wytłaczarska. Na jej końcu umieszczona jest dysza o odpowiednim kształcie, która nadaje uplastycznionemu tworzywu żądany kształt (pręta, folii, rury bądź innego dowolnego profilu) i wymiary w przekroju poprzecznym przy uwzględnieniu efektu Barusa oraz zjawiska skurczu. Na skutek efektu Barusa przekrój poprzeczny wytłoczyny nie jest równy przekrojowi poprzecznemu wylotu dyszy. Wzorów do obliczeń użytecznych w praktyce inżynierskiej dotychczas ciągle brak i z tego powodu 8
przekrój poprzeczny dyszy podczas projektowania głowicy jest kształtowany wstępnie, a następnie po wykonaniu głowicy podlega korekcji, w próbach bezpośrednio z danym tworzywem na określonej wytłaczarce. Wymaga to pewnego trudu, gdy przekrój ten nie jest kołowy (rys. 3), natomiast wytłoczynie stawiane są duże wymaganie co do dokładności wymiarów, kształtu i położenia. Coraz częściej stosuje się jednak projektowanie głowic, w tym dysz, ze wspomaganiem komputerowym. Rys. 3. Przekrój poprzeczny: a). dyszy, b). wytłoczyny, c). dyszy do wytłaczania prętów z PVC modyfikowanego twardego o wymiarach nominalnych 4x6 mm Na rys. 4 przedstawiona została przykładowa wytłaczarka jednoślimakowa do tworzyw termoplastycznych z zamocowanym na niej narzędziem. Ślimak (1) wykonuje tylko ruch obrotowy, który jest przekazywany z silnika elektrycznego (7) poprzez przekładnię pasową (8), przekładnię do bezstopniowej regulacji obrotów (6) oraz układ kół zębatych (4). W celu łatwiejszej kontroli temperatury procesu jest on czasami (w przypadku ślimaków o dużej średnicy) wewnątrz drążony, by można go było chłodzić (5) wodą lub sprężonym powietrzem. Łożysko (3) przenosi obciążenie osiowe powstające w wyniku ciśnienia panującego w układzie ślimakowym. W celu zapobieżenia zlepianiu się granulek tworzywa w zasobniku (2) (co może wpłynąć na trudności z pobieraniem tworzywa przez ślimak) oraz aby ciepło z układu uplastyczniającego nie przenosiło się do układu napędowego, cylinder w okolicy zasobnika jest chłodzony wodą (9). Wentylatory (10) ułatwiają sterowanie procesami cieplnymi w układzie ślimakowym. Z przeciwnej strony układu ślimakowego w stosunku do układu napędowego znajduje się narzędzie głowica wytłaczarska (12). Istotnym elementem 9
głowicy jest filtr tworzywa (11) i dysza (13), która bezpośrednio nadaje wytłoczynie żądany kształt i wymiary w przekroju poprzecznym przy uwzględnieniu efektu Barusa i zjawiska skurczu. Rys. 4 Wartość liczbowa efektu Barusa bywa określana różnymi wzorami w zależności od przyjętej konwencji i możliwości pomiarowych. Całkowita, skorygowana wartość liczbowa efektu Barusa składa się z następujących efektów składowych: rozszerzenia newtonowskiego (gwałtowne zmniejszenie ciśnienia w chwili wypływu wytłoczyny z otworu formownika), rozszerzenia sprężystego (resztkowa elastyczność mieszanki gumowej), rozszerzenia niesprężystego (dekompresja związana z pewną ściśliwością mieszanki) 10
rozszerzenia relaksacyjnego (powrót do stanu nieuporządkowanego po pewnej orientacji makrocząsteczek kauczuku w wyniku przepływu przez długi kanał formownika). Skurcz przetwórczy odgrywa dużą rolę w procesie wytłaczania. Zwany jest skurczem wytłaczarskim. Jest to zmniejszenie objętości lub wymiarów wytworu z tworzywa w stosunku do objętości lub odpowiadających wymiarów gniazda formującego narzędzia przetwórczego, zachodzące podczas końcowej fazy procesu przetwórstwa i w określonym czasie po jego zakończeniu. Wartość skurczu uzależniona jest od rodzaju tworzywa. Większe wartości skurczu pierwotnego wzdłużnego w przypadku tworzyw termoplastycznych krystalicznych w odniesieniu do bezpostaciowych wynikają ze zjawiska gęstszego upakowania makrocząsteczek struktury krystalicznej, zachodzące w trakcie procesu krystalizacji. Podział wytłaczarek ze względu na ilość zamieszczonych w niej ślimaków: Wytłaczarki jednoślimakowe wieloślimakowe klasyczne szybkobieżne dwuślimakowe 3 ślimakowe przeciwbieżne współbieżne Bez centralnego ślimaka Z centralnym ślimakiem Największe zastosowanie w przetwórstwie tworzyw homogenicznych zyskały wytłaczarki jednoślimakowe, ze względu na niewielką cenę. Wytłaczarki dwuślimakowe przeciwbieżne, ze względu na małe prędkości obrotowe ślimaków i niewielkie siły ścinające występujące w układzie uplastyczniającym, mają zastosowanie przede wszystkim w przetwórstwie tworzyw o niskiej stabilności termicznej, jak kauczuki bądź PVC. Wytłaczarki dwuślimakowe współbieżne, które pracują przy znacznie wyższych prędkościach obrotowych niż jednoślimakowe, generują więcej energii cieplnej w wyniku rozpraszania energii mechanicznej, wymagają większych nakładów finansowych. Stosowane są głównie w bezpośrednim wytwarzaniu gotowych półwyrobów tworzyw modyfikowanych i kompozytów polimerowych. Podział głowic: Ze względu na kierunek przepływu tworzywa w głowicy 11
Kątowe (krzyżowe) Liniowe (proste) Ze względu na kształt przekroju poprzecznego dyszy: Prostokątny (do wytłaczania płyt i folii płaskich) Pierścieniowy (do wytłaczania rur, folii rękawowych) Kołowy (do wytłaczania prętów) Dowolny (do wytłaczania np.: ram okiennych) Konstrukcja głowicy, bez względu na jej przeznaczenie, powinna spełniać ogólne wymagania, gwarantujące prawidłowy proces kształtowania wytworu. Należą do nich przede wszystkim: Możliwość prowadzenia procesu wytłaczania z jak największym natężeniem przepływu Zapewnienie odpowiedniego przepływu tworzywa w kanałach przepływowych, tak by w efekcie uzyskać pożądany kształt oraz wymiary wytwarzanej wytłoczyny Cechy geometryczne oraz ukształtowanie kanałów przepływowych głowicy powinny wykluczać sytuację, w której tworzone są strefy zastoju tworzywa oraz zapewniać dostatecznie duży opór podczas jego przepływu, wytwarzając odpowiednie ciśnienie na czole ślimaka oraz zapewniając właściwe mieszanie a także homogenizację, jak również stabilizację ciśnienia na wysokim poziomie Nadanie wymaganego ciężaru głowicy i zawartości jej konstrukcji, ze względu na wymaganą stabilność termiczną Zabezpieczenie powierzchni kanałów przepływowych głowicy przed agresywnym działaniem tworzyw umożliwienie regulacji natężenia wypływu tworzywa z dyszy głowicy, w momencie gdy występuje konieczność wpływania na zalecane warunki procesu wytłaczania (w szczególności na warunki w głowicy wytłaczarskiej) Warunki wytłaczania Do podstawowych warunków wytłaczania należą przede wszystkim: Rozkład temperatury tworzywa wzdłuż długości układu uplastyczniającego i głowicy Ciśnienie tworzywa przed głowicą 12
Zależą one nie tylko od rodzaju wytłaczanego tworzywa, ale również od rozwiązania konstrukcyjnego układu uplastyczniającego, głowicy oraz od rodzaju wytłoczyny. Warunki wytłaczania podaje się w postaci wykresów rozkładu temperatury cylindra i głowicy wzdłuż ich długości bądź w formie zestawień tabelarycznych. Natężenie przepływu tworzywa podczas wytłaczania wydajność wytłaczania- zależy od wielu czynników, ale największe znaczenie ma zależność od średnicy zewnętrznej ślimaka lub ślimaków i do ich prędkości obrotowej. Ze średnicą zewnętrzną ślimaka bądź ślimaków jest związana większość elementów geometrycznych układu uplastyczniającego wytłaczarek. Natomiast prędkość obrotowa należy do podstawowych wielkości nastawianych na wytłaczarce. Wydajność zależy także od rodzaju tworzywa wytłaczanego i od rodzaju otrzymanej wytłoczyny, np.: dla ślimaka o średnicy 90 mm w przypadku wytłaczania z rozdmuchiwaniem folii PE-LD wynosi do 400 450 kg/h, folii PE-HD - 450 500 kg/h, a przypadku wytłaczania płytt z PS wynosi do 650 750 kg/h. Podstawowe znaczenie w procesie wytłaczania ma zależność objętościowego natężenia przepływu tworzywa z układu uplastyczniającego od spadku ciśnienia w strefie dozowania (zwana charakterystyką strefy dozowania układu uplastyczniającego) rozpatrywana łącznie z tą samą zależnością odniesioną do dyszy głowicy wytaczarskiej (charakterystyka dyszy głowicy wytaczarskiej). Charakterystyki te tworzą łącznie charakterystykę procesu wytłaczania. Natomiast punkt przecięcia obu charakterystyk nazywa się punktem pracy wytłaczarki. 13
Poniżej przedstawione zostały główne problemy, które mogą pojawić się w trakcie procesu wytłaczania oraz metody zapobiegania ich występowaniu: Objawy i przyczyny Chropowata powierzchnia Niedostateczna plastyczność Za niska temperatura mieszanki Zapobieganie Przedłużyć czas uplastyczniania mieszanki, zwiększyć napełnienie, podwyższyć temperaturę mieszanki przez wstępne podgrzewanie na walcarce, zmniejszyć chłodzenie wytłaczarki, podgrzać formownik Zła dyspersja składników Lokalna podwulkanizacja Nadmierne zwiększenie wymiarów po wyjściu z formownika Nadmierna elastyczność, tzw. Nerw Za niska temperatura Porowatość Mieszanka zbyt miękka Temperatura wytłaczania zbyt wysoka Niedostateczne ciśnienie w wytłaczarce Niewłaściwy skład mieszanki Wilgoć Poprawić dyspersję składników Zmienić zespół wulkanizujący, wprowadzić opóźniacze wulkanizacji Zwiększyć napełnienie mieszanki, przedłużyć czas uplastycznienia Zmniejszyć chłodzenie wytłaczarki, podgrzewać mieszankę na walcarce podgrzewanej Skrócić okres uplastycznienia kauczuku, zasilać wytłaczarkę na zimno, zwiększyć twardość mieszanki Zwiększyć intensywność chłodzenia wytłaczarki Zastosować wytłaczarkę o innej konstrukcji Wyeliminować lotne składniki mieszanki Suszyć składniki mieszanki, podwyższać temperaturę przerobu w czasie wykonania mieszanki, wprowadzić do mieszanki tlenek wapnia 14
Deformacja profili (siadanie) Niewłaściwy skład mieszanki Zwiększyć lepkość mieszanki, zwiększyć szybkość chłodzenia wytłaczanego profilu, wulkanizować w talku lub w wodzie, zmienić skład mieszanki, wprowadzić faktysę Wytłaczarka zbyt gorąca Zwiększyć intensywność chłodzenia wytłaczarki Rodzaje wytłaczania Proces wytłaczania ze względu na sposób dostarczania ciepła koniecznego do uplastycznienia tworzywa w układzie uplastyczniającym można podzielić na wytłaczanie konwencjonalne lub autotermiczne. Wytłaczanie autotermiczne jest to proces wytłaczania bez grzejników w układzie uplastyczniającym wytłaczarki. Strumień ciepła generowany jest wskutek tarcia tworzywa. Tego typu wytłaczanie stosowane jest w przemyśle głównie do wytłaczania z rozdmuchiwaniem folii polietylenowej. Natomiast proces konwencjonalnego wytłaczania przebiega z zastosowaniem grzejników, zazwyczaj elektrycznych, mocowanych na cylindrze układu uplastyczniającego wytłaczarki, częściowo nagrzewających pośrednio tworzywo wytłaczane. Kolejny podział odnosi się do struktury otrzymanej wytłoczyny, która może być lita bądź porowata- wytłaczanie porujące oraz wytłaczanie porujące z rozciąganiem. Ponadto wyróżniamy wytłaczanie: Powlekające Wytłaczanie ze spawaniem Wytłaczanie z natryskiwaniem Z rozdmuchiwaniem Wytłaczanie z napełnianiem włóknem długim Wytłaczanie z wypełnianiem Wytłaczanie ruchome Wytłaczanie do formy Współwytłaczanie Współwytłaczanie magnetyczne Z granulowaniem 15
Wyróżnić można również wtryskiwanie z wytłaczaniem. Proces technologiczny wtryskiwania z wytłaczaniem stosuje się do otrzymywania wytworów składających się z części wtryskiwanych i wytłaczanych, integralnie ze sobą związanych. Odbywa się on w liniach technologicznych łącznie z jeszcze innymi procesami np.: otrzymywanie tub z PE jako opakowań. Wytłaczanie porujące Proces wytłaczania zintegrowanego, podczas którego otrzymuje się wytłoczynę porowatą z tworzywa zawierającego porofor. Rozróżnia się dwie główne metody wytłaczania porującego, a mianowicie wytłaczanie porujące swobodne, w którym wytłoczyna porowata jest ochładzana z małą intensywnością oraz wytłaczanie porujące wymuszone, gdzie wytłoczyna porowata jest ochładzana z dużą intensywnością. W pierwszym przypadku powstaje wytłoczyna porowata integralnie, natomiast w drugim- porowata strukturalnie. Rys. 5. Przebieg ciśnienia wzdłuż układu uplastyczniającego (1) i głowicy wytaczarskiej (2): a tworzywa, b gazu Wytłaczanie porujące z rozciąganiem Proces wytłaczania wytłoczyny porowatej w kształcie taśmy i formowanie ostateczne wytworu użytkowego poprzez rozciąganie próżniowe. Stanowi pospolitą metodę wytwarzania pojemników do produktów spożywczych, w tym do napoi gorących. 16
Wytłaczanie powlekające Proces wytłaczania łącznego służący do powlekania tworzywa różnych kształtowników, przede wszystkim przewodów i kabli elektrycznych oraz telekomunikacyjnych, jak również drutów, prętów, rur, taśm. Rozróżnia się wytłaczanie powlekające próżniowe oraz ciśnieniowe. Rys. 6. Zasada wytłaczania powlekającego a). próżniowego, b). ciśnieniowego; 1 końcówka głowicy wytaczarskiej, 2 kształtownik powlekany, 3 prowadnica kształtownika, 4 tworzywo powlekające, 5 kierunek ruchu kształtownika w procesie wytłaczania powlekającego Wytłaczanie ze spawaniem Proces wytłaczania, w którym tworzywo wytłaczane spełnia rolę uplastycznionego pręta spawalniczego, wprowadzanego do rowka spawalniczego. Rozróżnia się wytłaczanie ze spawaniem mechaniczne przewoźne (rys. 7 a) i mechaniczne ręczne przenośne (rys. 7 b). a). b). 17
Rys. 7. Wytłaczanie ze spawaniem: a). schemat wytłaczania ze spawaniem mechanicznym przewoźnym; 1- wytłaczarka, 2 wąż tworzywa wytłaczanego ogrzewany elektrycznie, 3 wąż powietrza sprężonego ogrzewany elektrycznie, 4 palnik elektryczny, 5 elementy spawane, 6 dmuchawa powietrza, 7 głowica spawalnicza, 8 przewody elektryczne do zasilania palnika, dmuchawy i węży, b). wygląd wytłaczania ze spawaniem mechanicznym ręcznym przenośnym (Munsch) Wytłaczanie z natryskiwaniem Proces wytłaczania wytłoczyny w kształcie rury, połączone z procesem nanoszenia natryskowego, zazwyczaj cienkiej warstwy tworzywa ślizgowego będącego w stanie ciekłym na powierzchnię wewnętrzną rury, często ulegającego polimeryzacji, w celu przede wszystkim zmniejszenia oporów podczas wciągania do rury elementów konstrukcyjnych, na przykład kabli optotelekomunikacyjnych (rys. 8 ). Rys. 8. Schemat wytłaczania z natryskiwaniem: 1 fragment końcowy głowicy wytaczarskiej, 2 rura wytłaczana, 3 deflektor, 4 zbiornik tworzywa natryskiwanego, 5 przewód z powietrzem sprężonym, 6 fragment urządzenia kalibrującego, 7 kierunek ruchu rury wytłaczanej 18
Wytłaczanie z rozdmuchiwaniem Wytłaczanie z rozdmuchem swobodnym Proces wytłaczania w kształcie rury cienkościennej i jej rozciąganie w kierunku poprzecznym, rozdmuchanie za pomocą powietrza o nieznacznym ciśnieniu i rozciąganie w kierunku wzdłużnym. Rozróżnia się wytłaczanie z rozdmuchiwaniem pionowo w górę (rys.9), pionowo w dół oraz poziomo. Każde z nich może być jednostopniowe natychmiastowe lub dwustopniowe zachodzące w pewnej odległości od jednostopniowego po ponownym nagrzaniu wytłoczyny. Stanowi powszechnie stosowaną metodę otrzymywania folii rurowej w postaci folii płaskiej zdwojonej. Rys. 9. Schemat wytłaczania z rozdmuchiwaniem swobodnym: 1 ślimak, 2 cylinder, 3 tworzywo wytłaczane, 4 folia, 5 korpus głowicy wytaczarskiej, 6 doprowadzenie jednorazowe powietrza rozdmuchującego, 7 kierunek rozciągania wzdłużnego folii Poniżej przedstawiona została linia technologiczna wytłaczania z rozdmuchiwaniem swobodnym. Stanowi ją układ roboczy liniowy ustawiony według kolejności wykonywanych operacji technologicznych wytłaczania. Największe znaczenie ma linia technologiczna pionowa w górę. 19
Wytłaczanie z rozdmuchiwaniem nieswobodnym Proces wytłaczania wytłoczyny w kształcie uplastycznionego węża grubościennego, zamknięcie jego odcinka w formie wytłaczarsko-rozdmuchowej i rozdmuchanie sprężonym powietrzem aż do wypełnienia gniazda formy (rys. 10a). Może odbywać się jako 20
jednoetapowe oraz dwuetapowe. Stanowi powszechnie stosowaną metodę otrzymywania pojemników o średnich rozmiarach (rys. 10b). Rys. 10a. Schemat wytłaczania z rozdmuchiwaniem nieswobodnym jednoetapowym od dołu: I). wytłaczanie, II). rozdmuchiwanie; 1 wytłoczona rura grubościenna, 2 końcówka dyszy głowicy wytaczarskiej, 3 podzespoły ruchowe formy rozdmuchowej, 4 trzpień rozdmuchujący, 5 - pojemnik b). Rys. 10b. Wygląd pojemników o średnich rozmiarach otrzymanych za pomocą wytłaczania z rozdmuchiwaniem nieswobodnym (Automa) 21
Wytłaczanie z napełnianiem włóknem długim Proces wytłaczania dwuślimakowego współbieżnego, w którym otrzymuje się wytłoczynę napełnioną włóknem długim, głównie w postaci rowingu. Włókna wprowadza się bezpośrednio do wytłaczarki na początku strefy dozowania. Oznacza się je skrótem TSE. Rozróżnia się wytłaczanie z napełnieniem włóknem długim w układzie liniowym (rys. 11a) lub układzie kątowym (rys. 11b). W drugim rozwiązaniu odbywa się ze wspomaganiem pompowaniem za pomocą pompy śrubowej, którego głównym zadaniem jest stabilizacja procesu. wytłoczyna wytłoczyna Rys. 11. Schemat w rzucie poziomym wytłaczania z napełnianiem włóknem długim w układzie: a). liniowym, b). kątowym. Wytłaczanie z wypełnianiem Proces wytłaczania z rozdmuchiwaniem nieswobodnym jednoetapowym, wypełnianie cieczą otrzymanego pojemnika o pojemności od 50 ml do 10 litrów, a następnie jego zamykanie. Ten proces wytłaczania znalazł szerokie zastosowanie w warunkach sterylnych do płynów farmakologicznych oraz w warunkach aseptycznych do napojów zimnych. 22
Wytłaczanie ruchome Proces wytłaczania, gdzie ruch liniowy wykonuje linia technologiczna wytłaczania, umieszczona na konstrukcji przemieszczającej się liniowo, natomiast wytłoczyna nie wykonuje żadnego ruchu technologicznego. Stosowane najczęściej do wytwarzania rur dużej średnicy w warunkach terenowych, wprowadzanych bezpośrednio do wykopu lub wody. Wytłaczanie do formy Proces wytłaczania, w którym wytłoczyna po opuszczeniu głowicy wytaczarskiej jest wprowadzana bezpośrednio do podłużnego gniazda formującego formy zamykanej. Służy do wytwarzania elementów długich o dużym przekroju poprzecznym. Współwytłaczanie Wytłaczanie za pomocą którego otrzymuje się wytłoczynę wielotworzywową, z jednoczesnym użyciem wielu wytłaczarek i jednej głowicy współwytłaczarskiej. Liczba tworzyw wynosi przeważnie od 2 do 7 i jest równa liczbie użytych wytłaczarek (rys. 12). a). 23
b). Rys. 12. Współwytłaczanie: a). schemat współwytłaczania sześciotworzywowego butelki (Bekum), b). fragment linii technologicznej współwytłaczania trójtworzywowego z rozdmuchiwaniem folii (Windmoller & Holscher) Współwytłaczanie magnetyczne Współwytłaczanie, podczas którego jednemu z elementów składowych współwytłoczyny nadaje się ściśle określone właściwości magnetyczne. Stosowane głównie do rur. Poniżej przedstawiona została linia technologiczna współwytłaczania magnetycznego którą stanowi układ roboczy ustawiony zgodnie z kolejnością wykonywanych operacji technologicznych współwytłaczania magnetycznego. 24
Rys. 13. Wytłaczanie z granulowaniem Jednoczesne wytłaczanie od kilkunastu do kilkudziesięciu żyłek kołowych o średnicy na ogół od 3 do 5 mm i poddaniu ich cięciu obrotowemu nieswobodnemu, na odcinki o długości porównywalnej ze średnicą, do otrzymania granulatu. Wytłaczanie z granulowaniem może odbywać się na ciepło lub na zimno, oraz z zastosowaniem jako czynnika chłodzącego wody bądź powietrza sprężonego. Rozróżnia się linię technologiczną wytłaczania z granulowaniem na ciepło oraz na zimno. Zarówno w jednym jak i drugim przypadku stosuje się jako czynnik chłodzący stanowi woda lub powietrze. 25
Rys. 14. 2. Cel ćwiczenia Zapoznanie się z działaniem i obsługą wytłaczarki firmy Brabender, zjawiskami towarzyszącymi procesowi wytłaczania oraz metodami oceny wytłaczania i jakości wytłoczonego profilu mieszanki kauczukowej. 3. Wykonanie ćwiczenia Ćwiczenie należy wykonywać pod bezpośrednim nadzorem prowadzącego! 3.1 Włączyć stację bazową Lab Station, ekstruder wytłaczarkę oraz komputer z zainstalowanym oprogramowaniem sterującym aparaturą pomiarową (Program WinExt ). 3.2 Otworzyć zawór doprowadzający wodę do chłodzenia części roboczej ekstrudera. 3.3 W programie WinExt wprowadzić dane dotyczące badanego materiału, temperatury prowadzonego procesu, prędkości obrotowej ślimaka (dane otrzymane przez prowadzącego ćwiczenie). 26
3.4 Poczekać do momentu ustalenia się zadanej temperatury komory roboczej wytłaczarki. 3.5 Wcześniej przygotowaną mieszankę kauczukową (około 300 g) pociąć na paski o szerokości ok. 2 cm. 3.6 Po ustaleniu się odpowiedniej/żądanej temperatury ekstrudera przystąpić do wykonywania pomiarów, w tym celu paski mieszanki kauczukowej podawać równomiernie do wytłaczarki. 3.7 Po wytłoczeniu ekstrudatu o długości ok. 20 cm włączyć stoper i co 15 sekund odcinać kawałki wytłoczonej mieszanki, mierząc ich długość. Wytłoczyć minimum 5 jednakowych odcinków mieszanki kauczukowej. 3.8 Zważyć wytłoczone odcinki mieszanki kauczukowej. 3.9 Zmierzyć długości wytłoczonych odcinków mieszanki po upływie 2 godzin. 3.10 Po zakończeniu prowadzonego procesu wyłączyć program WinExt, komputer, wytłaczarkę oraz stację bazową. 3.11 Dokładnie wyczyścić wytłaczarkę. 4. Sprawozdanie Sprawozdanie musi zawierać: 1. Wstęp teoretyczny. 2. Cel przeprowadzonego ćwiczenia. 3. Główne elementy składowe aparatury pomiarowej. 4. Skład mieszanki kauczukowej użytej w ćwiczeniu. 5. Wartości temperatury zmierzonej w komorze ślimaka oraz na głowicy (ºC) podczas prowadzenia procesu. 6. Wartość ciśnienia zmierzonego na głowicy ekstrudera (bar) podczas prowadzenia procesu. 7. Wartość liczby obrotów ślimaka (obr/min) zmierzonej podczas wykonywania ćwiczenia. 8. Wartość szybkości wytłaczania: V w = l 15 / t (cm/min) gdzie: l 15 długość odcinka mieszanki wytłoczonej w ciągu 15 sekund, t czas wytłaczania jednego odcinka, t = 15 sekund. 9. Wartość skurczu liniowego mierzonego dla badanej mieszanki po upływie 3 godzin 27
S L = 100 (l 15 l 3 ) / l 15 gdzie: l 15 długość odcinka wytłoczonej mieszanki w ciągu 15 sekund, l 3 długość odcinka mieszanki wytłoczonej w ciągu 15 sekund, zmierzona po upływie 3 godzin, 10. Wielkość pęcznienia efekt Barusa: Wp = 100 ((g / d * l 15 * A) - 1) gdzie: g masa odcinka mieszanki wytłoczonej w ciągu 15 sekund (g), d masa właściwa mieszanki (g/cm 3 ), l 15 długość odcinka wytłoczonej mieszanki w ciągu 15 sekund, A przekrój ustnika (0,47 cm 2 ), 11. Opis jakości wytłoczonego profilu uwagi o: obecności pęknięć na krawędziach lub ich braku, stanie powierzchni wytłoczonego profilu. 12. Wnioski. 28