Особенности оборудования, используемого для облицовки проволоки и кабелей

Длина нарезанной части шнека в современных двухшнековых экструдерах составляет до 27D, и они всегда оснащаются зоной дегазации. Двухшнековые экструдеры используются в основном при переработке порошковых полимерных формовочных масс, особенно ПВХ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Технологичекие процессы в экструдере

Экструзия – способ получения изделий или полуфабрикатов из полимерных материалов неограниченной длины путем выдавливания расплава полимера через формующую головку (фильеру) определенной конструкции и дизайна. Экструзия, наряду с литьем пластмасс под давлением, является одним из самых популярных методов изготовления пластмассовых изделий. Экструзии подвергаются практически все основные типы полимерных материалов, как термопласты, таки и реактопласты, а также эластомеры. 

Около половины производимых термопластов перерабатываются в изделия этим способом. Экструзией получают пленки, листы, трубы, шланги, капилляры, прутки, сайдинг, различные по сложности профили, наносят полимерную изоляцию на провода, производят многослойные разнообразные по конструкции и сочетанию применяемых пластмасс гибридные погонажные изделия. Переработка вторичных полимеров и гранулирование также выполняются с применением экструзионного оборудования.

Все производственное оборудование,  используемое для изготовления изделий определенного вида, объединено понятием экструзионная линия (рис.13).

 

Рис. 13. Схема экструзионной линии:

1 – источник энергии;

2 – полимерное сырье;

3. – экструдер;

              4 – формующая головка;

5 – калибровка;

6 – охлаждение;

7 – тянущее устройство;

8 – намотка;

9 – сепаратор;

10 – приемное устройство;

11- экструдат

 

Назначение экструдера состоит в перемещении, уплотнении, пластикации и гомогенизации полимерной массы, направляемой в формующую головку.

 

 

Все эти технологические процессы происходят внутри материального цилиндра. Именно по этому шнек разделен на несколько зон (рис. 14). разделение шнека на зоны следует из ставящхся экструдером задач.

Рис. 14. Разделение шнека на тристадии технологического процесса.

4.1. Перемещение полимера

Одношнековый экструдер

В одношнековом экструдере движение материала в зоне питания происходит за счет сил трения между полимерной массой, стенкой цилиндра и шнеком.

В этом случае действительна следующая формулировка:

Чем меньше коэффициент трения между шнеком и полимеро, и чем выше коэффициент трения между стенкой материального цилиндра и полимером, тем лучше происходит процесс движения материала.

Поскольку соотношения сил трения в гладком цилиндре и в канале шнека не являются чрезмерно высокими, то и добиться оптимальной подачи материала не представляется возможным.

Принципиальных улучшений удалось добиться с внедрением в процесс захватывающей втулки, снабженной пазами. У полимерной массы появляется возможности зацепиться за пазы, что предотвращает ее одновременное вращение со шнеком. Это явление можно сравнить с винтом игайкой – если ключом удерживать гайку на вращающемся винт, то она за счет резьбы может перемещаться вдоль оси вращения.

Двухшнековый экструдер

Двухшнековые экструдеры со соскабливающими противоточными шнеками работают по принципу принудительной подачи.

За счет сцепления гребней одного шнека с витками второго образуются закрытые камеры, таким образом полимерная масса передается по цилиндру (рис. 15).

Рис. 15. Встречное вращение шнеков

На синхронно срабатывающих двухшнековых машинах обсалютного образования подобных камер достичь невозможно. Материал имеет возможность обратного течения вокруг обоих шнеков. Тем не менее за счет вращательного движения шнеков обеспечивается эффективное движение полимерной массы вперед.

4.2. Уплотнение полимера

Пустоты между частицами сыпучего продукта заняты воздухом. Перед полным расплавлением полимера этот воздух необходимо выдавить или отсосать.

Необходимое для уплотненя давление достигается за счет уменьшения объема витка в средней части длины шнека.

Этого можно добиться постоянным уменьшением глубины нарезки при ее неизменном шаге (шнек с уменьшающейся глубиной канала), или за счет уменьшения витка (шнек с дегрессивным шагом). При использовании одношнековых экструдеров первый из перечисленных вариантов встречается чаще.

На двухшнековых экструдкрах сжатие полимерной массы достигается за счет создания дополнительных шагов витка (рис. 16). На конических двухшнековых экструдерах сужение шагов витка шнека происходит по направлению к коническому концу, а значит и сжатие, создаваемое за счет уменьшающегося диаметра шнека, задано заранее.

Другой способ отвода воздуха и летучих веществ, образующихся в процессе расплавления полимеров, состоит в их отсосе через специальные отверстия в цилиндре.

Рис. 16. Двухшнековый экструдер с дополнительными витками.

Длина шнеков с системой дегазации, как правило, составляет 30D. Отсос летучих компонентов происходит на среднем участке шнека, в так называемой области декомпрессии (рис. 17).

На двухшнековых экструдерах  для процесса дегазации рекомендуется использовать шнеки со встречным движением. Полимерная масса постоянно захватывается вращающимися шнеками, что предотвращает забивку отверстия дегазации.

4.3. Расплавление полимера

Процесс расплавления полимерной массы также начинается со сжатия. За счет соприкосновения с горячей стенкой  цилиндра и вследствие трения о шнек и материальный цилиндр полимер нагревается до тех пор, пока не начинают плавиться отдельные его частицы. Передняя стенка канала шнека постоянно соскабливает расплав полимера со стенки цилиндра. Перед толкающей стенкой канала образуется скопление расплавленной фракции, котора захватывает и увлекает за собой нерасплавленные частицы. При этом происходит постоянный теплообмен, который совершается до тех пор, пока в одном витке не будет расплавлен весь материал (рис. 18). принцип действия барьерного шнека состоит в разделении твердого материала и расплава в зоне плавления. В этом случае на данно участке шнек имеет дополнительный виток, который е касается стенки цилиндра. Таким образом, образуются два канала шнека: вначале – небольшого объема для расплава и значительного – для твердого вещества, а в конце наоборот: большой объем – для расплава и небольшой – для нерасплавленного полимера. Через барьерный виток расплав из канала с твердым веществом перетекает в канал с расплавом.

Рис. 17. Профиль давления на шнеке с системой дегазации

Изменяя высоту нарезки обоих каналов, можно регулировать мощность расплавления и однородность расплава. Этот тип шнека часто используют в сочетании со сдвиговыми и смесительными элементами.

Рис. 18. Процесс расплавления в канале шнека

4.4. Гомогенизация расплава

После расплавления необходимо гомогенезировать (тщательно перемешать) расплав. Это необходимо как для равномерного распределеня добавок, так и для тождественности температур. После завершения процесса расплавления температура граничных слоев расплава у цилиндра и шнека гораздо выше, чем температура массы в середине канала.

Перемешивание достигается за счет сложных движений потока (гидродинамики потока), происходящих в канале шнека в зоне гомогенизации.

Наряду с осевым потоком, определяющими для гомогенизации являются радиальный (вращательное движение) противопоток (под действием давления в формующем инструменте) и поток утечек (в зазоре между гребнем нарезки шнека и внутренней поверхностью материального цилинда) (рис. 19). Шнеки с диспергирующими и смесительными элементами повышают гомогенизирующую способность шнека.

Рис. 19. Схематическое отображение потоков в пластицирующем цилиндре

Расплавленная полимерная масса на участке диспергирующего элемента продавливается сквозь узкий зазор между ним и стенкой цилиндра. За счет напряжения сдвига полимерная масса нагревается и становится более текучей. В следующей зоне смешения происходит значительное усиление гомогенизации. Сам процесс смешения осуществляется за счет разделения и последующего объединения потока с помощью многочисленных кулачков, размещенных на шнеке.

Процесс гомогенизации в двухшнековом экструдере может осуществляться путем смешения, протекающего в зазоре. Смешение происходит на участке наложения шнеков, при этом расплав полимера перемещается из соответствующих камер шнеков. Потоки материала встречаются в зазорах перехода от одного шнека к другому и тщательно перемешиваются друг с другом.

В ходе всех процессов гомогенизации отдельные частицы расплава испытывают сдвиговые напряжения, в результате чего происходит разогрев материала.

Чем больше число оборотов шнека, тем сильнее разогрев материала за счет сдвиговых напряжений. Экструдеры, используемые для переработке полимеров с широкой областью плавления, например, ПЭ, могут работать без внешнего нагрева за счет большего количества числа оборотов шнека. Подобные экструдеры известны как адиабатические или автотермические. В зависимостиот диаметра шнека число его оборотов может колебаться от 200 до 500мин-1.

4.5. Рост давления в цилиндре экструдера

Давление внутри цилиндра возникает из-за противодействия, которое встречает на своем пути материал, перемещаемый шнеком.

Причиной противодействия становится узкий участок между материальным цилиндром и экструзионной головкой,  а также размер и форма выходного канала (фильеры) последней.

Для получения однородного расплава в материальном цилиндре  экструдера необходима определенная величина давления. Максимальное давление устанавливается на каком-либо из участков материального цилиндра. Оттуда давление воздействует в том числе и на зону нагрузки экструдера, то есто в направлении, противоположном направлению подачи, что приводит к возникновению противотока (рис. 20). в современных экструдерах контроль производства осуществляется с помощью датчика давления, установленного между концом шнека и формующей головкой.

Рис. 19. Распределение давления по всей длине шнека

Распреденление давления, характерное для шнеков с зоной дегазации, приведено на рис. 16. В этом случае имеют место два участка максимального давления и зона декомпрессии, в которой и осуществляется дегазация.

Рост давления в двухшнековых экструдерах со встречным движением шнеков начинается лишь в последних витках зоны дозирования. Оно достигает своего максимума на участке дросселирования между цилиндров и экструзионной головкой. В двухшнековых экструдерах с узконаправленым вращением незакрытые камеры обеспечивают лучшее распределение давления в цилиндре экструдера, хотя и здесь наиболее высоко значения давление массы достигается в конце материального цилиндра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

При изготовлении деталей из пластмасс современными методами происходит изменение их размеров и формы. Для получения деталей и изделий заданного размера и обеспечения требуемых параметров шероховатости для сопрягаемых поверхностей их подвергают механической обработки резанием, которая является необходимой, широко распространенной и одной из ответственных операций в технологическом процессе производства деталей из пластмасс. Получаемые при механической обработке параметры шероховатости поверхности зачастую не соответствуют значениям, установленным в технических требованиях, что приводит к необходимости дополнительной обработки, так как именно от уровня шероховатости обработанной резанием поверхности в большей степени зависят надежность и долговечность функционирования деталей и механизмов.

Различия в упругих, прочностных и других свойствах, присущие различным полимерным материалам, тесно связаны с их состоянием и структурой. Изменения в состоянии и структуре определенным образом отражаются и на технологических свойствах материалов, особенно на обрабатываемости резанием. Таким образом, задача эффективности обрабатываемости заготовок из полимерных материалов является актуальной, так как ее решение позволит повысить качественные характеристики изготовляемой продукции и снизить себестоимость ее изготовления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Алышиц И.Я., Блатов Б.Н. Проектирование деталей из пластмасс. Москва, 1977.
2. Басов И.Н. Техника переработки пластмасс.  Москва, 1985
3. Мирзоев Р.Г. и др. Основы конструирования и расчета деталей из пластмасс и технологической оснастки для их изготовления. Санкт-Петербург, 1977.
4. Мэллой Р.А. Конструирование пластмассовых изделий для литья под давлением. С.-Петербург, 2008.
5. Перевод под редакцией Зайкова Е. Полимерные пленки. С.-Петербург, 2006.
6. Фурт Б., Шварц О., Эбелинг Ф. –В. Переработка пластмасс .Санкт-Петербург, 2005
7. ГОСТ 2.503-90 ЕСКД «Правила внесения изменений»
8. ГОСТ 201-88 ЕСКД «Правила учета и хранения»
9. ГОСТ 3.1105-84 ЕСТД «Форма и правила оформления документов общего назначения»
10. ГОСТ 14.004-83 ЕСТПП «Термины и определения»
11. ЕСТД «Единая система технологической документации»