В.П. Володин
«Экструзия профильных изделий из термопластов»
К комбинированным профилям относятся многоцветные и многослойные изделия, получаемые методом совместной экструзии разных материалов (соэкструзия, коэкструзия), многослойные профили, получаемые методом дублирования основного профили каким-либо декоративным покрытием, и профили с сердечником, внутри которых присутствует декоративная или армирующая вставка. Возможны также комбинации из них, например, профиль из двух полимерных материалов может иметь дополнительно металлический декоративный или армирующий сердечник.
Технология производства этих двух групп изделий значительно отличается по используемому оборудованию, технологической оснастке, технологическим особенностям процессов. Остановимся кратко на основных особенностях процессов.
Производство многоцветных изделий и профилей из различных полимеров
Многоцветные изделия или изделия из различных материалов получают с помощью процесса соэкструзии. Соэкструзия — это одновременная экструзия нескольких полимеров в целях придания изделию новых свойств, являющихся комбинацией свойств составляющих изделие материалов. Процесс соэкструзии широко применяется при изготовлении декоративных и отделочных деталей для автомобильной промышленности, приборостроения, медицинского оборудования, строительства. Методом соэкструзии можно получать изделия, которые за счет комбинации материалов с различными свойствами способны одновременно противостоять воздействию различных химически активных сред и атмосферных факторов, иметь различную жесткость компонентов и быть в то же время экономически выгодными. При этом такие комбинированные изделия нельзя получить другим способом или их производство сложно и трудоемко. На рис. 1 показаны некоторые типы соэкструдированных изделий из пластмасс.
Рис. 1. Схемы комбинированных изделий, получаемых методом соэкструзии (а, б) и способы увеличения поверхности контакта (в)
Соединение слоев различных материалов (главным образом сваркой) может осуществляться в экструзионной головке или на выходе из нее. Способ соединения зависит от конструкции изделия и оснастки для его производства. В большинстве случаев сварка материалов производится в экструзионной головке, но возможны случаи их сварки и на выходе из головки (например, при изготовлении двухслойных гофрированных труб).
Требования к материалам и оборудованию
Для получения комбинированных изделий высокого качества материалы, используемые для соэкструзии, и технологическое оборудование должны удовлетворять определенным требованиям.
Требования к материалам. Основные требования, предъявляемые к материалам для производства многоцветных изделий и профилей из различных полимеров:
• способность к переработке в одном и том же диапазоне температур;
• хорошая адгезия или свариваемость материалов при переработке, отсутствие расслаивания;
• близкие реологические свойства расплавов;
• близкие теплофизические, механические, химические свойства (обеспечивают отсутствие коробления, появления пятен, расслоения изделия при эксплуата ции и т. д.).
Температуры переработки совмещаемых материалов выбирают в зависимости от их вязкости. Поскольку расплавы материалов перед выходом из головки протекают через одни и те же каналы, то установленная температура на зоне головки должна обеспечивать течение более вязкого материала. В то же время температура не должна быть излишне высокой, чтобы не вызвать деструкцию низковязкого материала или снизить формоустойчивость экструдата на выходе из головки.
Однотипные материалы (жесткий и пластифицированный ПВХ, ПЭВП, ПЭНП и другие полиолефины) имеют хорошую совместимость друг с другом при соэкструзии. Прочность соединения материалов на границе раздела может быть улучшена за счет подбора состава материала, путем введения специальных добавок (праймеров), имеющих химическое сродство с обоими совмещаемыми материалами, а также за счет увеличения поверхности соприкосновения между слоями изделия (рифление, различного вида замки).
Близкие реологические свойства материалов важны с точки зрения контроля за формой изделия в целом и составляющих его элементов. Для материалов, имеющих различные кривые течения, изменение скорости экструзии вызывает неодинаковое изменение текучести компонентов. Это приводит не только к изменению толщины слоев материалов, но и к искажению формы экструдата за счет различной скорости потоков. Соэкструзия таких материалов возможна только в очень узком диапазоне технологических параметров, который в некоторых случаях можно расширить путем введения соответствующих видов процессинговых добавок.
Длительная эксплуатация комбинированного изделия предполагает нейтральность свойств составляющих компонентов по отношению друг к другу. Например, если один из компонентов изделия содержит добавку, способную мигрировать в другой материал, это может привести к снижению прочности самого изделия, ухудшению связи между слоями, к появлению на поверхности профиля пятен.
Требования к оборудованию. Процесс соэкструзии может быть реализован с использованием стандартных экструдеров или на специальных сконструированных для соэкструзии машинах. Последние не имеют широкого распространения, поэтому здесь не рассматриваются.
Установка для соэкструзии состоит из основного (главного) экструдера с головкой и примыкающего к нему дополнительного экструдера (соэкструдера). Соэкструдеров может быть несколько в зависимости от числа подаваемых в общую головку материалов, они могут располагаться вокруг общей головки под разными углами; чаще всего к основному экструдеру под прямым или другим углом примыкает соэкструдер.
Соэкструдеры изготавливают горизонтальными, вертикальными или универсальными, в которых цилиндр может изменять угол наклона по отношению к общей головке. Универсальная конструкция наиболее удобная и компактная.
При выборе типа соэкструдера следует обращать внимание на диаметр и геометрию используемого шнека. Диаметр шнека соэкструдера следует выбирать в зависимости от доли второго материала в общей массе профиля. Как правило, соэкструдер по производительности и размерам меньше главного, поскольку одинаковые или близкие доли различных материлов в общей массе профиля довольно редки. Чаще в качестве вспомогательного экструдера используют одношнековые машины с диаметром шнека 16-32 мм, для больших изделий — 45 мм.
Оборудование для соэкструзии должно иметь эффективную систему контроля и регулирования параметров процесса. Особое внимание следует уделять датчикам температуры и давления расплава, поскольку от их работы зависит управление течением каждого материала и процессом в целом. По возможности приборы контроля и регулирования следует размещать на общей панели, это облегчит работу по управлению линией. Использование промышленных компьютеров с выводом на дисплей текущих параметров процесса ускоряет и облегчает процесс наладки и сокращает непроизводительные затраты.
Бесперебойная работа оборудования и качество соэкструдируемых изделий во многом зависит от способа и места присоединения соэкструдера к общей головке. Соединения должны быть прочными и жесткими, надежно обогреваться, к ним должен обеспечиваться свободный доступ для обслуживания крепежных деталей и датчиков. Сопрягаемые детали следует хорошо притереть.
В настоящее время имеется два основных способа соединения экструдеров: жесткое и гибкое. При жестком соединении соэкструдер должен точно позиционироваться относительно места присоединения к общей головке, что довольно трудоемко и не всегда дает хорошие результаты. В последнее время соэкструдеры стали подключать к общей головке с помощью гибких подводок. Такая подводка представляет собой толстостенный полимерный шланг из теплостойкого материала (например, фторопласта 4) в металлической оплетке, предохраняющей шланг от разрушения при повышенных давлениях в подводке. Снаружи шланг нагревается, температура нагрева регулируется обычными способами. Подводки рассчитаны на определенный диапазон температур и развиваемых в них давлений. Применение гибких подводок облегчает сборку и демонтаж соэкструзионной установки и расширяет возможности при конструировании оснастки.
Типовые конструкции головок. Головка является основным элементом в процессе соэкструзии. В ней осуществляется течение разнородных материалов по независимым каналам до момента слияния потоков, после чего оба материала текут совместно. Форма и размеры каналов должны обеспечивать возможность регулирования расхода независимых потоков, предотвращать искажение формы экструдата на выходе из головки и поддерживать необходимую пропорцию слоев материалов. Контроль параметров процесса осуществляется датчиками температуры и давления расплава, устанавливаемыми в независимых каналах. На рис. 2 показана схема головки для изготовления жесткого уголка с двумя уплотнительными накладками. Эффективным способом регулирования давления для вспомогательного потока является изменение размеров подводящих каналов (глубины h или длины подающего канала).
Рис. 2. Схема экструзионной головки для изготовления двухслойного комбинированного профиля
Испытание и доводку соэкструзионных головок следует проводить на рабочих скоростях экструзии, так как испытание при других скоростях может не обеспечить нужных реологических характеристик расплавов и не позволит провести правильную корректировку конструкции головки.
Некоторые типы профилей могут состоять более чем из двух слоев материала. Если материалы слоев различны, то к общей головке присоединяется несколько экструдеров, каждый из которых подает свой материал. На рис. 3 показана схема экструзионной головка для изготовления трехслойного профиля. Корректировка течения потоков производится так же, как и в двухслойных головках. Головки для производства многослойных изделий сложны, дороги и требуют тщательного контроля параметров процесса.
Производство комбинированных изделий каждого типа, показанных на рис. 1, требует различного конструкционного решения головки. Места входа другого материала, области совместного течения потоков и выравнивания давлений в этих головках различны, и в каждом конкретном случае надо находить эффективное решение с учетом сказанного выше. Такая ситуация в еще большей степени делает область производства профильных изделий искусством, нежели наукой, а в искусстве, как известно, кроме ремесла нужен еще и талант.
Калибрование соэкструдированных профилей производится так же, как и обычных. Материалы в комбинированном профиле, которые не требуют калибрования (например, пластифицированный ПВХ), охлаждаются в калибраторе или на входе в него с помощью потока воздуха или капельного орошения водой. Размеры канала для прохода некалибруемого материала должны быть свободными для беспрепятственного движения; в месте соединения слоев ступеньки нежелательны, так как это может отражаться и на жесткой части профиля.
При комбинированном охлаждении мягкой части необходимо следить за охлаждением жесткого края в месте соединения слоев: переохлаждение может ухудшать свариваемость материалов, снижать глянец или приводить к искажению формы профиля.
Рис. 3. Схема экструзионной головки для изготовления трехслойного профиля
Особенности процесса соэкструзии
Несмотря на то что опыт при экструзии комбинированных изделий пока еще является главной предпосылкой для изготовления качественной продукции, знание основных закономерностей и особенностей совместного (стратифицированного) течения материалов позволит быстрее накапливать необходимый опыт и уменьшить вероятность появления ошибок при конструировании оснастки и при отладке технологического процесса.
Поверхности раздела при совместном течении расплавов. Хорошо свариваются только материалы одной химической природы или имеющее химическое сродство. Например, полиолефины могут легко свариваться с некоторыми полиамидами, но не свариваются со стирольными пластиками и поливинилхлоридами. Но даже для легко сваривающихся материалов прочность сварки зависит от поверхности контакта в месте соединения, температуры и давления расплава в зоне совместного течения. Увеличение каждого из этих параметров не всегда возможно, поэтому приходится находить оптимальное решение на основе имеющихся в наличии средств.
Соединение материалов вблизи выхода изучено еще сравнительно мало. Сварка материалов в этом случае происходит при сравнительно невысоком давлении и малом времени контактирования расплавов. Кроме того, подвод к основному материалу другого материала вблизи выхода вызывает возмущение основного потока, что может негативно отразиться на качестве продукта, в связи с чем важно правильно организовать подвод в зону контакта вспомогательного потока. В большинстве случаев это достигается конструктивными способами: подводом материала под небольшим углом к основному потоку, устранением завихрений и застойных зон или сужением потока.
Влияние вязкости полимеров. При совместном течении расплавов различных полимеров в экструзионной головке характер поверхности раздела зависит от их вязкости и эластичности. Более вязкий компонент проявляет тенденцию к образованию выпуклой поверхности раздела, тогда как менее вязкий компонент преимущественно смачивает стенки канала . Регулирование характера поверхности раздела производится путем смешения полимеров с различной вязкостью или добавления смазок или низкомолекулярных веществ. Добавление к материалу менее вязкого компонента влечет за собой уменьшение перепада давления в канале. Добавление смазок или низкомолекулярных веществ позволяет существенно понизить давление экструзии полимеров с высокой вязкостью.
В соэкструдированных слоях менее вязкий компонент всегда стремится выгибаться в сторону более вязкого компонента, или, иначе, компонент с меньшей вязкостью стремится «инкапсулировать» компонент с большей вязкостью. В настоящее время природа нестабильности совместного течения объясняется разной энергией слоев независимо от расположения слоев с различной вязкостью.
Влияние высокоэластичности. При совместном течении двух жидкостей с различными вязкоупругими свойствами поверхность раздела деформируется. Различие в высокоэластичности двух компонентов может либо дестабилизировать, либо стабилизировать поток в зоне совместного течения в зависимости от соотношения толщин соэкструдируемых компонентов, а также соотношения их вязкостей и упругостей.
В случае если две жидкости текут по прямоугольному каналу, соприкасаясь широкими сторонами, возможно появление волнистой поверхности раздела. Более вязкий компонент отжимает менее вязкий к периферии и обволакивает его. Менее вязкий компонент проявляет тенденцию к смачиванию стенки фильеры, благодаря чему поверхность раздела приобретает выпуклость. Когда менее вязкий компонент окружает более вязкий, формирование криволинейной поверхности раздела в системе типа ядро-оболочка оказывается энергетически более выгодным, чем образование плоскости. В процессе течения поверхность раздела может смещаться от своего первоначального положения на стороне менее вязкого компонента к конечному положению на стороне более вязкого компонента. Доминирующую роль в формировании равновесной поверхности раздела между двумя жидкостями играют их вязкостные, а не эластические свойства.
Влияние времени совместного течения. При соэкструзии двух материалов перепад давления оказывается ниже, чем для каждого материала в отдельности. С увеличением времени совместного течения положение поверхности раздела между компонентами изменяется: более вязкий компонент смещается от периферии к центру.
При подаче более вязкого компонента внутрь менее вязкого форма поверхности раздела мало зависит от времени совместного течения, однако если более вязкий компонент располагается снаружи, поверхность раздела проявляет тенденцию приобретать несимметричную (эксцентричную) форму при увеличении времени течения.
Влияние скорости течения. При увеличении скорости течения менее вязкий компонент имеет тенденцию инкапсулировать более вязкий компонент (например, ПНП и ПС). При калибровании такого изделия увеличение скорости экструзии менее вязкого компонента может вызывать гофрирование наружной поверхности и нарушение процесса. Это вызывается тем, что текучесть низковязкого полимера возрастает быстрее, чем высоковязкого, но упругость последнего выше, она и препятствует увеличению толщины покрытия. Видимо, в этом случае толщину покрытия можно регулировать либо изменением температуры расплава низковязкого компонента, либо изменением высоты формующего зазора, определяющего толщину покрытия.
Влияние температуры расплавов. С увеличением температуры расплава более вязкий компонент внутри менее вязкого «расплывается», переходя от сферической формы к более плоской, со сглаженными углами.
Влияние вытяжки расплава. Экспериментально установлено, что при соэкструзии совместимых материалов (например, жесткого и пластифицированного ПВХ) могут возникать проблемы с обеспечением прочности стыка материалов при малой поверхности сцепления слоев. Например, при повышенной вытяжке экструдата возникающие на границе контакта нормальные напряжения стремятся разорвать слои. Это связано с тем, что каждый слой ведет себя как независимое изделие, которое при вытяжке уменьшает поперечные размеры, а сварка по боковым сторонам препятствует этому. Чем выше вытяжка и меньше прочность сварки, тем быстрее происходит разделение слоев. Повышение температуры расплава увеличивает прочность сварки, но возможность ее повышения зависит от свойств соэкструдируемых материалов и факторов, отрицательно проявляющихся при повышении температуры. Самый надежный путь для обеспечения прочной сварки материалов по узким сторонам — это снижение продольной вытяжки экструдата. Для жесткого ПВХ продольная вытяжка расплава обычно рекомендуется на уровне 1,05-1,12, для более широких изделий принимают меньшие значения.
Источник: «Экструзия профильных изделий из термопластов», издательство Профессия
