В настоящее время на общем фоне динамичного роста объемов производства и потребления полимерных материалов (ПМ) особенно бурное развитие имеют так называемые стандартные ПМ, и в первую очередь полиолефины и поливинилхлорид (ПВХ). Одной из причин этого являются улучшенные свойства этих ПМ и соответственно новые возможности их применения. Так, например, вспененный ПВХ, наряду с применением в профилях и многослойных трубах, начал продвижение и в области производства листовых материалов. Новые типы полипропиленов имеют заметно повышенный модуль упругости. С помощью применения усиливающих наполнителей и добавок оптимизируются свойства как ПВХ, так и полиолефинов при одновременном снижении производственных затрат. Направленная ориентация полимерных цепей, используемая при производстве полимерных пленок, берется на вооружение и при производстве труб из ПВХ и полиолефинов.
Для производства труб с гладкой поверхностью из полиолефинов особенно эффективны одношнековые экструдеры со шнеками, снабженными канавками во входной зоне, имеющими переменную, специально оптимизированную форму сечения. Следует заметить, что за последние 50 лет произошло многократное увеличение рабочих мощностей (в частности, производительности) одношнековых экструдеров (рис. 1). Это было достигнуто в значительной степени благодаря их дальнейшему совершенствованию в направлении увеличения соотношения L/D (длина/диаметр шнека) и необходимого для этого наращивания мощности двигателей и крутящего момента шнека.
Рис. 1. Динамика роста производительности (1) экструзионного формования труб из ПЭ и крутящего момента (2) на шнеке (диаметр – 90 мм) с увеличением отношения его длины к диаметру (в период с 1960 по 2006 г.)
Требования, предъявляемые к новой одношнековой серии экструдеров для высокопроизводительной переработки полиолефинов
От современной одношнековой серии экструдеров для производства труб требуется в первую очередь обеспечить возможность переработки всех имеющихся на мировом рынке типов полиэтиленов (ПЭ) ПЭ-100 и ПЭ-80 для изготовления гладких труб для газо- и водоснабжения, всех типов полипропилена («Н», «В» и «R») для гладких и гофрированных труб, а также всех типов ПЭ-80 для гофрированных канализационных труб. При рассмотрении вопроса о размере инвестиционных затрат и об экономичности самое большое значение придают такому критерию, как производительность, отнесенная к диаметру шнека. Максимально возможная производительность при оптимальной температуре расплава ПМ и требуемой его гомогенности определяет конкурентоспособность конкретного экструдера.
Конструктивное оформление и функциональное проектирование загрузочной втулки и шнека во многом определяют технические возможности одношнекового экструдера. Условием, выдвигаемым переработчиками для достижения оптимальных технологических режимов переработки ПМ, гибкости и стабильности производства, является постоянный массовый удельный расход расплава (иначе – удельная производительность переработки [кг/(ч⋅мин)] как отношение абсолютной производительности [кг/ч] к числу оборотов шнека [1/мин]), даже в случае изменившегося перепада давления на инструменте (в экстремальных случаях – до 700 бар). Кроме того, переработчики рассчитывают на возможность качественного подмешивания концентрата красителя. Экструдер должен в широком технологическом диапазоне параметров переработки обеспечивать хорошую пластикацию расплава любого ПМ, чтобы можно было использовать формующие головки самого различного характера, независимо от типа экструдера.
Поскольку на любом переработчике лежит бремя постоянного поиска возможностей снижения производственных затрат, все большее применение находят сравнительно недорогие полиолефины, в том числе наполненные также недорогими наполнителями и имеющие повышенный модуль упругости. Бурное развитие в области полиолефинов с высоким модулем упругости привело к кардинальным изменениям в сфере экструзионных технологий. При этом меняются и условия процесса переработки в экструдере, и свойства экструдата ПМ. Вместе с тем наполнители, используемые в целях снижения затрат на сходные компоненты, обычно являются причиной повышенного износа рабочего экструзионного инструмента, что требует его защиты от износа и оказывает влияние на его конструктивное исполнение.
Одношнековые экструдеры для переработки ПМ с измененными механическими свойствами
Если обратить внимание на присутствующие на мировых рынках сорта ПЭ и ПП для экструзии труб, то первой же их особенностью, с которой сталкивается переработчик, является разная форма гранул у различных марок ПЭ и ПП (рис. 2, а – г). Тем не менее загрузочная втулка (втулка в загрузочной зоне материального цилиндра, имеющая на внутренней поверхности продольные шлицевые канавки) должна быть исполнена так, чтобы с учетом этой особенности были обеспечены постоянная удельная подача гранулята ПМ и соответственно постоянная удельная производительность его переработки независимо от формы гранул и в широком диапазоне скоростей вращения шнека. Несмотря на многообразие марок и форм гранул ПМ, во втором поколении шнеков с запатентованной концепцией загрузочной зоны Cincinnaty pft было выполнено условие постоянства удельной производительности, что соответствует линейному характеру зависимости абсолютной производительности от скорости вращения шнека. Это видно на примере ПЭ марок Kunlun 4801 и DGDB 2480, даже при наполнении их мелом в количестве 15 масс. ч. на 100 масс. ч. полиэтиленовой матрицы (иначе – 15 pph) (рис. 3).
Рис. 2. Характерная форма гранул полиолефинов различных марок: а – сферическая (ПП марки ВА212Е); б – цилиндрическая (ПЭ марки CRP 100); в – неправильная чечевицеобразная (ПЭНП марки DGDB 2480); г – неправильная чечевицеобразная (ПЭНП марки Kunlun 4801EX)
Рис. 3. Влияние скорости вращения шнека на производительность переработки различных марок ПЭ, отличающихся разной формой гранул, а также наличием или отсутствием мела в качестве наполнителя
В зависимости от конструкции экструзионной оснастки (в частности, формующих головок) величина противодавления на шнек со стороны расплава ПМ может достигать высоких значений, особенно при производстве гофрированных труб (до 400 бар). Тем не менее условие постоянства удельной производительности переработки должно быть обеспечено во всем диапазоне скоростей вращения шнека, в том числе и при высоких значениях противодавления на шнек. Что выполнение этого условия вполне достижимо, подтверждают результаты эксперимента, приведенные на рис. 4 и 5.
Рис. 4. Абсолютная (1) и удельная (2) производительность переработки ПЭ марки Borealis HE 3490 LS при различной скорости вращения шнека (экструдер модели Monos 90-87)
Рис. 5. Абсолютная (1, 2) и удельная (3) производительность переработки ПЭ марки Borealis HE 3490 LS и противодавление расплава ПЭ при средней (1) и высокой (2) скоростях вращения шнека (экструдер модели Monos 90-87)
Поставщики ПМ дают рекомендации по температурным режимам их переработки. Слишком низкие температуры переработки приводят к недостаточной гомогенизации расплава ПМ, слишком высокие – к его частичной деструкции и возможному сшиванию полимерных цепей. В обоих случаях это вызывает существенное ухудшение качества готовых труб из ПМ, в частности, таких определяющих показателей, как кратковременная прочность при растяжении, модуль упругости при изгибе и длительная прочность под действием внутреннего давления.
Рис. 6. Производительность переработки ПЭ марки Borealis HE3490 LS при различной скорости вращения шнека (1) и температуре расплава ПЭ (2) (заштрихована рекомендованная производителем ПЭ область температур переработки: 200 – 220 °С; экструдер модели Monos 90-87; противодавление расплава ПЭ на шнек – 160 бар)
На рис. 6 представлены данные о режимах переработки одного из распространенных типов ПЭ (ПЭ-100) марки Borealis HE 3490 LS в оптимальном диапазоне температур. Для переработки широкого спектра типов ПЭ, ПП и их композиций (в том числе содержащих концентраты красителей), предлагаемых на мировых рынках, компанией Cincinnati Extrusion предлагается модульная концепция шнеков, в частности, новой серии – 37D (рис. 7). Типовой шнек этой серии имеет 4 характерные зоны: зону pft со специфическими конструктивными особенностями, барьерную зону для разделения полимера в каналах для твердой фазы и для расплава, смесительный элемент Мэддока и конечную зону. Так называемая зона pft (power feed technology) представляет собой канавчатую загрузочную охлаждаемую втулку. В предыдущих версиях одношнековых экструдеров канавки в ней были продольные. Начиная с серии экструдеров Monos+ используется спиральная конфигурация канавок в загрузочной втулке, что позволило повысить производительность переработки ПМ при меньшем вращающем моменте на шнеке. Конкретный же типоразмер шнека выбирается в зависимости от перерабатываемого ПМ и типоразмера экструдируемых труб. Конечная зона шнека может иметь различные конструктивные варианты в зависимости от перерабатываемых составов ПМ.
Рис. 7. Характерные зоны шнека модульной концепции исполнения для экструзионной переработки ПМ: I – зона pft; II – барьерная зона; III – зона смесительного элемента Мэд- дока; IV – конечная зона
В настоящее время существуют два основных конструкторских подхода к исполнению барьерной зоны шнеков в одношнековых экструдерах. В первом случае конструкторы намеренно проектируют барьерную щель несколько увеличенной, чтобы обеспечить передавливание некоторого количества более холодных частиц не до конца проплавленной фазы ПМ (так называемых «ледяных кубиков») в канал с расплавленной фазой (рис. 8, а) и тем самым несколько понизить температуру расплава за счет его теплообмена с более холодными твердыми частицами. Такой подход характерен для экструзионно-выдувного формования изделий из ПМ. Однако эффект «ледяных кубиков» сопряжен с опасностью негомогенности конечной структуры ПМ и наличием в нем нерасплавленных твердых частиц (рис. 9, а), которые за барьерной щелью деформируются лишь эластически, без должного сдвигового воздействия. Это косвенно объясняется следующими приблизительными расчетами времени пребывания «ледяных кубиков» в расплаве. Так, при подаче гранулята ПМ с массовым расходом, например, в 1000 кг/ч гранулы находятся в материальном цилиндре экструдера до барьерной щели примерно 16 с, и вряд ли можно ожидать полного расплавления «ледяного кубика» за счет подвода тепла от расплава ПМ за те оставшиеся 6 с, которые он проходит от барьерной щели до выхода из экструдера.
В новой серии экструдеров со шнеком типа 37D реализована другая конструкторская концепция, при которой барьерная щель сделана настолько узкой, что сквозь нее может перетекать только расплав ПМ (рис. 8, б). Поэтому его структура в готовом изделии является гораздо более гомогенной (рис. 9, б).
Рис. 8. Характерная схема перетекания расплава ПМ (направление движения показано стрелками) в экструдерах серии 37D через барьерную щель с увеличенным (а) и малым (б) зазорами (в первом случае наблюдается так называемый эффект «ледяных кубиков» – попадание частиц нерасплавленной твердой фазы перерабатываемого ПМ в межвитковое пространство шнека за барьерной щелью)
Рис. 9. Характерный вид экструдата ПМ при увеличенном (а) и малом (б) зазорах в барьерной щели шнека экструдера (в первом случае в экструдате не исключено наличие крупных частиц не проплавленной в процессе пластикации твердой фазы ПМ)
Переработка полипропилена с высоким модулем упругости
Как известно, существенный вклад в себестоимость готовой продукции вносит стоимость материала. С помощью использования ПМ с более высоким модулем упругости можно достичь меньшего расхода материала на погонный метр произведенных труб. Здесь был достигнут прогресс с появлением так называемого «жесткого» ПП («stiff» PP). Благодаря структуре с более высокой степенью кристалличности (рис. 10) «жесткий» ПП имеет и более высокий модуль упругости, что дает возможность изготавливать из него более тонкостенные трубы при тех же их механических свойствах. Кроме того, удается достичь еще более высоких характеристик поверхности труб, что придает им визуально более привлекательный внешний вид.
Рис. 10. Характерная структура «жесткого» ПП марки Borealis BA 212E с высокой степенью кристалличности
Для фирм, производящих и предлагающих потребителям экструзионное оборудование, вы- сокопроизводительная переработка «жесткого» ПП обусловливает необходимость решения новых серьезных задач. Вследствие существенно более высокого модуля упругости этого материала по сравнению, например, с блочным ПП (см. таблицу) шнеки приходится конструировать совершенно иначе, а вращательные моменты привода и двигателя выбирать и проектировать с достаточным запасом момента вращения, особенно во время запуска. Этого требует и повышенная мощность работы по пластикации ПМ при увеличенной до 37D относительной длине шнека.
Таблица: Сравнительные характеристики ПЭ типа ПЭ-100 (марка PE PCD DE 3964), обычного блочного ПП (тип ПП-Б) и «жесткого» высококристаллического ПП (ВА 212Е) Примечание. Условия определения ПТР (показателя текучести расплава) для ПЭ – нагрузка 5 кгс, температура 190 °С, для ПП – 2,16 кгс, 230 °C
|
Характеристика |
ПЭ-100 |
ПП-Б |
"жесткий" ПП |
| ПТР, г/10 мин |
0,8 |
0,3 |
0,3 |
| Плотность, кг/м3 (230 С) |
950 |
900 |
900 |
| Модуль упругости, ГПа (230 С) |
0,77 |
1,2-1,3 |
1,9 |
| Удельная вязкость, кДж/м2 (230 С/ -200 С) |
12/4 |
50/4 |
50/5 |
Результаты, полученные на одношнековом экструдере новой серии 37D для «жесткого» ПП марки ВА 212Е (рис. 11 и 12), наглядно показывают постоянство удельной производительности переработки в рекомендованном производителем ПМ температурном интервале.
Рис. 11. Абсолютная (1) и удельная (2) производительность переработки ПП марки Boreco BA 212E при различной скорости вращения шнека (экструдер модели Monos 90-87)
Рис. 12. Производительность переработки ПП марки Boreco BA 212E Borealis HE 3490 LS при различной скорости вращения шнека (1) и температуре расплава ПП (2) (заштрихована область температур переработки, рекомендованная производителем ПП, 210 – 230 °С; экструдер модели Monos 90-87; противодавление расплава ПЭ на шнек – 300 бар)
Переработка наполненных полиолефинов
Другим способом снижения затрат на сырье является уже упомянутое применение наполнителей. Наполнитель в современных рецептурах композиций используется в дозировках до 50 % масс. Наиболее часто в качестве наполнителей применяются такие материалы, как мел, тальк, сульфат бария, стекловолокно. При этом остается в силе необходимость соблюдения всех норм, предписанных для конечного изделия – трубы, или же создание нового стандарта с принятием на себя всех соответствующих дорого- стоящих процедур.
Для переработки этих высоконаполненных композиций экструдер должен обладать достаточной для осуществления пластикации мощностью. Удлинение установки создает ощутимые преимущества по мощности для проплавления материала. Такое удлинение установки имеет и другие преимущества, связанные с тем, что для некоторых композиций необходимо привнесение дополнительной энергии в виде нагрева по длине цилиндра. Увеличение дозировки наполнителя требует в ряде случаев в зависимости от механических свойств композиции дополнительных профилактических мер против повышенного износа.
Защита от износа при высокопроизводительной переработке полиолефинов
В целях повышения износостойкости шнеки одношнековых экструдеров, как правило, азотируют, а витки в зоне загрузки гранулята ПМ выполняют с покрытием из твердых металлов. Отдельные производители оборудования идут из соображений экономии на то, чтобы шнеки только азотировать, но не покрывать твердыми металлами. Биметаллическое же исполнение материальных цилиндров с износостойким внутренним покрытием уже давно является обязательным технологическим условием.
Если при переработке абразивных ПМ требуется повышенная износостойкость шнека, то по желанию заказчика возможно покрытие твердыми металлами витков шнека по всей его длине, что, впрочем, связано с увеличением его стоимости. Для дополнительной защиты внутренней поверхности материального цилиндра могут применяться специальные износостойкие кольца, обработанные и (или) выполненные так же и из такой же стали, что и фильеры. Дополнительная защита рабочего экструзионного инструмента всегда сопряжена с повышением инвестиционных затрат, и потому ее целесообразность должна быть критически оценена в каждом отдельном случае.
Заключение
Следует заметить, что наибольшую прибыль в настоящее время приносят инновационные индивидуальные производственные решения с использованием доступных исходных материалов. И хотя разрабатываются новые составы и композиции ПМ со специальными свойствами, можно констатировать, что стандартные ПМ все-таки выигрывают соревнование на мировых рынках благодаря изобретательному поиску путей обеспечения прибыльности при их использовании. И похоже, такой сценарий развития сохранится надолго. Поэтому создатели экструдеров, стремящиеся быть конкурентоспособными на мировых рынках, должны активно участвовать в прогрессивных начинаниях, обеспечивать технологический сервис и продолжать разрабатывать все новые модели высокопроизводительных экструдеров для изготовления высококачественных изделий из стандартных ПМ, в первую очередь из полиолефинов и ПВХ.
В. Хэдер, управляющий компанией Cincinnati Extrusion GmbH
Перевод А. С. Некрасова
Полимерные материала №5, 2008
