Технология производства соэкструзионных изделий

Соэкструзионную технологию применяют для расширения эксплуатационных возможностей погонажных изделий путем совмещения в них полимерных материалов с различными индивидуальными свойствами.

Большинство таких изделий имеет слоистую конструкцию, в которой материал каждого слоя формирует определенное эксплуатационное или технологическое качество. Так, например, для успешной конкуренции с традиционными материалами пищевой упаковки (фольга, стекло, целлофан и др.) современная пленка должна иметь высокую жесткость и ударную вязкость, обеспечивать длительность хранения продуктов, быть газонепроницаема и при всем этом допускать высокоскоростные процессы переработки. Применение пластмасс, ранее не используемых совместно, например, ПЭВП и ПА; ПВХ и ПП; ПА, ПК, ПП и ПВДХ позволили получать тару для хранения промышленных и сельскохозяйственных химикатов, горючесмазочных материалов и пр. емкостью в сотни литров. Многослойные соэкструдированные листы, с числом слоев от 2 до 9, широко применяются в автомобильной и строительной промышленности для последующего термоформования изделий с длительным сроком использования (по уверениям фирм изготовителей до 20 лет). Особый интерес представляет соэкструзионная технология производства многослойных труб, шлангов, трубок, капилляров, в том числе медикобиологического назначения. Соэкструзией ПП и стеклонаполненного ПА получают напорные трубы и шланги для транспортирования газа, а также трубы, применяемые в устройствах горячего и холодного водоснабжения. В ряде случаев в многослойных конструкциях допускается использование вторичного полимерного сырья. Некоторые разновидности устройства многослойных соэкструзионных изделий приведены на рисунке 1.

По данным специалистов НПО «Пластполимер» (Санкт-Петербург), многослойность позволяет получать пленки с весьма тонкими отдельными слоями (2-5 мкм), что недостижимо при использовании других методов (ламинирование или кэширование). В сочетании с подложками из прочных полимеров (ПП, ПА, ПК, ПЭТФ) можно формовать слои из малопрочных полимеров такой малой толщины (5-15 мкм), которая совершенно невозможна при получении из тех же пластмасс однослойных пленок. Например, минимальная толщина однослойной пленки из СЭВА составляет 20 мкм, а в виде компонентов многослойных изделий она может быть уменьшена до 5 мкм. Таким образом, в конструкциях оказывается возможным использование тонких слоев из дорогостоящих, но эксплуатационно важных полимеров в сочетании с дешевыми, составляющими основную часть конструкции, пластиками.

Немалое значение имеет экономичность метода, при котором многослойная (рис. 1, а и б) или гибридная (рис.1, в) конструкция изделия достигается одностадийным технологическим процессом, исключающим операции укладки отдельных слоев или элементов, грунтовки и склеивания.

Рис. 1. Схемы соэкструзионных изделий
а - пятислойная труба: 1,5- ПЭВП; 2,4- СЭВА; 3 - ПЭНП;
б — двухслойная труба: 1 - ПП; 2 - ПЭВП;
в — сложнопрофильный погонаж: 1 — ПЭВП; 2 — АБС

Соэкструзия осуществляется раздельной пластикацией полимерных компонентов в одночервячных экструдерах с последующим соединением потоков расплавов различных полимеров в формующей головке. Таким образом, определяющей частью технологии соэкструзии являются процессы, происходящие в формующей головке. Все действия с экструдатом после его выхода из формующей головки (раздув, ориентация и др.) осуществляются по конкретным и достаточно традиционным технологиям.

Естественно, что поскольку используемые в соэкструзии материалы имеют различные температуры плавления и отличаются по реологическим и теплофизическим характеристикам, то они пластицируются в своих оптимальных режимах, и подаются в головку, температура которой устанавливается по материалу с наиболее высокой температурой переработки. При этом очевидно, что, во-первых, сохранение расплавом в формующей головке требуемой слоистой организации будет определяться разной послойной вязкостью расплавов и, во-вторых, все используемые полимеры должны быть термостабильными при выбранной температуре переработки. Некоторые свойства наиболее часто используемых в соэкструзии пластмасс приведены в табл. 1.

В зависимости от устройства соэкструзионные головки бывают рукавными, плоскими листовыми и трубными. Количество слоев в изделии может достигать 9, минимальная толщина слоев 2 мкм, максимальная — 3000 мкм.

К соэкструзионным головкам предъявляются весьма жесткие требования. Главное из них — обеспечение безупречной слоистой структуры изделия. Подразумевают сохранение равнотолщиности слоев в продольном и поперечном (радиальном) направлении при монолитности соэкструдированного изделия. Кроме того, головки должны быть (это соответствует логике их действия) универсальными по виду перерабатываемых материалов, а конструкция каналов головок, соответственно, обеспечивать минимальное сопротивление текущим расплавам. При этом подвижные сопряжения деталей головки выполняются по высокому классу точности, а конструкция в целом должна допускать технологическую сборку-разборку. Применяемые в головках конструкционные материалы предполагают эксплуатацию в условиях повышенных температур, давлений, термохимических процессов. При этом стоимость соэкструзионных головок должна быть экономически целесообразной, то есть минимальной.

Сочетание изложенных требований и условий делает задачу конструирования и изготовления соэкструзионных головок весьма сложной. В СНГ соэкструзионные головки для производства 2-5 слойных пленок выпускаются в ГУДП «Химполимермаш» (г. Златоуст), «УкрНИИПластмаш» (Украина, Киев), а также НПО полимерного машиностроения «Арсенал Индустрии» (Москва). Производством соэкструзионных головок занимается ряд фирм Западной Европы и США. Среди них Barmag, Battenfeld Extrusion-technic (Германия), Glouchester Engineering Co. Inc. и Betol Machinery. Ltd (Великобритания), Bielony Castello (Италия), Egan Machinery Div., American Leina Co., Bristol-Mac Ritchie/West, Dow Chemical (США).

Схема конструкций соэкструзионных головок для производства двух-, пятислойных изделий приведена на рисунке 2. Головка «а» предназначена для производства двухслойной пленки из комбинации ПЭНП и ПЭВП, ПЭВП и ПП, ПП и ПА. В последнем случае нередко используют головки схемы «б», которые позволяют для лучшей монолитности изделия вводить между рабочими слоями А и В дополнительный промежуточный адгезивный слой С. Головки типа «в» используют для производства трехслойных пленок. Такие головки считаются многоцелевыми, поскольку в сочетании с двумя экструдерами позволяют получать слоистое изделие схемы ABA, а с тремя экструдерами — соэкструдировать промежуточный адгезивный слой, то есть получать комбинацию типа АСВ. В настоящее время трехслойные соэкструзионные головки являются наиболее отработанной конструкцией. Так, фирмой Glouchester Engineering Co. Inc. разработана рукавная трехслойная головка с диаметром 2540 мм, считающаяся самой большой в мире из систем подобного класса.

Головки четырех- и пятислойные позволяют получать изделия структуры ABCD (рис. 2, г); АВСВА, ABCBD (рис. 2, д). Возможность применения в одном изделии нескольких разновидностей полимеров резко расширяет потенциал производимых материалов. Например, пленка структуры АВСВА толщиной 40-140 мкм и шириной 1000 мм, производимая фирмой Bielony Castello, содержит два барьерных слоя из СЭВА и ПВДХ и может использоваться для пищевой и медицинской упаковок.

Следует отметить, что многослойные соэкструзионные головки комплектуются системами микропроцессорного управления. Особое значение имеет поддержание постоянного теплового режима в головках, что достигается контролем температуры внутренних и наружных слоев и применением в конструкции головок теплоизоляции между отдельными каналами.

Рис. 2. Схема конструкции соэкструзионных головок для производства двух- и нятислойных изделий
а — головка для получения двухслойной пленки структуры АВ, где А и В — полиолефины или полиамиды;
б — головка для получения двухслойной пленки структуры ABC, где Л и В -ПЭНП и ПА, С - адгезив;
в — головка для получения трехслойной пленки структуры ABA или ABC;
г — головка для получения четырехслойной пленки структуры ABCD;
д —головка для получения пятислойной пленки структуры АВСВА (из трех компонентов) или ABCBD (из четырех компонентов)

Контроль толщины слоев осуществляется инфракрасными датчиками, отдельные конструкции которых позволяют измерять толщины слоев до 1,3 мкм с точностью ± 0,01 мкм. Высокая точность датчиков фирмы AdvaucedSystems Design обеспечивается благодаря улавливанию волн, отражающихся от границ между слоями. В многоканальных соэкструзионных головках используются различные схемы подачи потоков отдельных полимерных материалов, зависящие от конструкции получаемого изделия. В многоканальных широкощелевых головках (рис. 3, а) потоки расплава соединяются непосредственно перед оформляющей щелью. Таким образом, все схемы, показанные на рис. 2, относятся к головкам подобного типа. Эти конструкции позволяют перерабатывать расплавы с различной вязкостью и температурой. Кроме того, возможно регулирование толщины каждого слоя (рис. 4).

В головках адаптерного типа (рис. 3, б) потоки расплавов из нескольких источников соединяются перед широкощелевым участком и экструдируется через него как единое целое. В адаптере поток движется ламинарно, и в нем успевают завершиться релаксационные процессы. Преимущество такого метода состоит в возможности получения изделий из большого количества слоев (рис. 3, б), недостаток — невозможность получения изделий со слоями из полимеров, существенно различающихся по температуре переработки и значению показателя текучести расплава.

Комбинированные головки (рис. 3, в) отчасти позволяют компенсировать этот недостаток. В представленном варианте слои ВиС могут быть из полиолефинов (ПП и ПЭНП), а слой Л, устье которого располагается в адаптере в непосредственной близи от формующей щели, полиамидом или полиэтилентерефталатом. Комбинированные головки также позволяют не только перерабатывать материалы с разной вязкостью, но и совмещать полимеры, резко различные по температуре переработки и физико-химическим особенностям, например, ПК и ПВДХ. Недостатком данного метода, свойственным и многоканальным системам, является сложность конструкции и дороговизна изготовления.

Рис. 3. Способы подачи потоков расплава отдельных полимерных материалов
а — многоканальная головка;
б — адаптерная головка;
в — комбинированная головка

Рис. 4. Схема устройства плоскощелевой головки для двухслойного изделия
А и В — компоненты изделия;
1 — корпус с каналами для компонентов Л и В;
2 — фильтр канала А;
3 — фильтр канала В;
4,5 — элементы регулирования толщины слоев Аи В;
6 — губка;
7 — регулировочные винты

В таблице 2 приведено сравнение основных показателей адаптерных и многоканальных соэкструзионных головок.

В настоящее время более активно развивается направление адаптерных головок усовершенствованной конструкции. Так, в нерегулируемом адаптере (рис. 5, а) сечение потоков расплава согласовано с расходом материала, что позволяет перемещать их с одинаковой скоростью и улучшить процесс соединения. Адаптеры лопастного типа (рис. 5, б) допускают плавную регулировку скорости движения потоков, что упрощает перевод производства на новые типы полимерных материалов. В шиберном адаптере (рис. 5, в) (устройство фирмы Reifenhauser) потоки расплавов регулируются шиберами кассетной конструкции, благодаря которой они могут вдвигаться и выдвигаться сбоку без нарушения непрерывной связи головка — экструдер. Введение в схему экструзионной установки распределительного блока, располагающегося между экструдерами отдельных слоев и адаптером (рис. 6), позволяет изменить чередование слоев без остановки производства и переналадки компонентов.

Рис. 5. Конструктивные схемы прямоточных головок с различными типами адаптеров
а — нерегулируемый адаптер: 1 — губка; 2 — винт регулировочный; 3 — адаптер с фильтром; 4 — суммирующий канал; А, В, С — направления потоков расплавов полимеров;
б — лопастной адаптер: 1 — губка; 2 — винт регулировочный; 3 — впускные отверстия для адгезивов и барьерных полимеров; 4 — лопастной адаптер для основного слоя А; 5 — лопастной адаптер для соэкструзионных слоев В и С; 6 — дроссель;
в — шиберный адаптер; 1 — губка; 2 и 4 — каналы для компонентов В и С; 3 — винт регулировочный; 5 — канал для основного компонента А

Соэкструзионные головки, рукавная и трубная, относятся, как правило, к многоканальным, в которых потоки расплавов соединяются вблизи оформляющей кольцевой щели, образованной дорном и сменной кольцевой губкой. Основной особенностью устройства таких головок является конструкция распределителя расплава.

Рис. 6. Блок-схема установки для производства трехслойной плоской пленки (листов)
1 — соэкструдср слоя В;
2 — экструдер основного слоя А;
3 — соэкструдср слоя С;
4 — распределительный блок;
5 — адаптер;
6 — одиоканалъвдя прямоточной головка

В спиральном распределителе, входящем в конструкцию дорна (рис. 7), потоки расплавов (поз. 1, 2, 3) проходят через дорнодержатель с ребрами и соединяются в многослойный рукав. К достоинствам системы относятся: короткий путь течения расплава, непродолжительность его пребывания в головке; почти одинаковая длина пути расплавов в разных слоях.

Рис. 7. Экструзионная головка для получения пятислойной трехкомпонентной рукавной пленки схемы ВСАСВ
1 — загрузочное отверстие для слоя С;
2 — загрузочное отверстие для слоя В;
3 — загрузочное отверстие для слоя А;
4 — двойной подшипник вращающейся головки;
5 — спиральный распределитель расплава;
6 — сменная губка;
7 — кольцо внутреннего охлаждения губки;
8 — уплотнение каналов;
9 — загрузочное отверстие для первого клеевого слоя;
10 — загрузочное отверстие для второго клеевого слоя

Спиральный распределитель обеспечивает однородное распределение расплава в поперечном и продольном направлениях, его конструкция компактна и технологична, в связи с чем он и получил преимущественное распространение в соэкструзионном производстве рукавных пленок.

В угловой системе подача расплава происходит не по центру, а сбоку. Потоки расплава обтекают дорн, образуя рукав. Недостатки: возможность появления линий стыковки расплава, разрыв струи расплава и немонолитность потока на выходе из головки, весьма узкие размерные допуски существенно усложняют и удорожают изготовление. В головках с диаметром формующего канала 1200-1800 мм предусматривается вращение наружной кольцевой губки на угол до 2 Rad. Для этого в конструкциях подобных головок имеется подшипниковый узел из упорных и иногда радиальных подшипников качения (рис. 7, поз. 4), защищенных от попадания расплава специальными уплотнительными кольцами.

В производстве труб и шлангов со схемой стенки ABA используются соэкструзионные головки адаптерного типа, причем последний представляет собой конструкцию, весьма похожую на традиционную прямоточную трубную головку (рис. 8), которая запитывается соэкструдированным потоком расплава кольцевого строения, создающимся в распределителе. Пример соэкструзионной установки для производства трехслойных напорных труб диаметром до 100 мм представлен на рис. 9.

Технология соэкструзии выдвигает специфические требования к устройству пластикаторов. В обобщенном виде они сводятся к следующему. В качестве пластикаторов могут использоваться главным образом одночервячные экструдеры с гибкой и стабильной, как правило, микропроцессорной регулировкой скорости вращения приводного электродвигателя. Диаметры червяков преимущественно находятся в интервале 32-65 мм, хотя известны примеры и до 110 мм, длина червяков составляет 24-34 диаметра. Лучшие результаты дают червяки с барьерной нарезкой и двойным шагом.

Рис. 8. Схема прямоточной головки для соэкструзии двухслойной трубы
1 — экструдср внутреннего слоя;
2 — экструдер наружного слоя;
3 — корпус соэкструзионной головки;
4 — адаптер;
5 — рассекатель потока внутреннего слоя;
6 — корпус дорна;
7 — дориодержатель
Изделие: I — наружный слой; II — внутренний слой

Рис. 9. Схема соэкструзионной установки для производства трехслойных труб со стенкой ABA
1 — адаптер;
2 — распределитель;
3 — экструдер слоев А;
4 — экструдер слоев В

Особые требования предъявляются к материальным цилиндрам. Так, соэкструзионная переработка полимеров требует рифления загрузочной зоны цилиндра. В то же время при переработке ПВДХ необходима гладкая поверхность зоны питания. В соэкструзионной технологии большое значение приобретают подготовка полимерного материала к переработке и его дозированная подача в материальный цилиндр. С этой целью экструдеры комплектуются бункерами-сушилками и червячными питателями-дозаторами.

Литература: "Производство изделий из полимерных материалов", издательство Профессия, 2004