3.2 Подготовка сырья
Стретч-пленки могут изготавливаться из следующего сырья:
пленка из линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП),
пленка из поливинилхлорида (ПВХ)
и пленка из сополимера этилена с винилацетатом (СЭВ).
В состав композиции для производства стрейч-пленки входят: ЛПЭНП, ПЭВД и клеящая добавка. ПЭВД в состав сырья добавляют для снижения его стоимости, однако, это приводит к ухудшению потребительских качеств пленки, так как ЛПЭНП по сравнению с ПЭВД имеет следующие преимущества:
высокая химическая стойкость;
улучшенные эксплутационные свойства как при низких, так и при высоких температурах;
высокая устойчивость к растрескиванию.
Что касается клеящей добавки, то тут существует несколько путей решения:
Введение клеящей добавки прямо через загрузочный бункер. Однако возникают следующие трудности: гранулы ЛПЭНП слипаются, подача материала прекращается и приходится идти на различные ухищрения для того, чтобы протолкнуть слипшийся полиэтилен в загрузочное отверстие червячного пресса. Кроме этого, добиться хорошо гомогенизированного расплава таким способом не удастся.
Доработка существующего оборудования с целью введения клеющей смеси через отверстие в гильзе. Клеящая добавка подается непосредственно с червяку с помощью насоса, однако это приводит к возникновению новых проблем, связанных с выбором насоса. Насос должен развивать высокое давление. Но даже если насос подобран, то все равно возникают проблемы с подачей клеящей добавки из-за ее очень высокой вязкости.
Введение клеящей добавки в виде маточной смеси или суперконцентрата. Это наиболее совершенный способ, который позволяет решать проблему слипания гранул в экструдере при загрузке сырья непосредственно через загрузочный бункер. Однако стоимость суперконцентратов примерно в два раза выше, чем стоимость клеящей добавки.
Для производства стретч-пленки было принято решение использовать следующий состав смеси: ЛПЭНП – 98%, суперконцентрат французской фирмы «Polytech» – 2%. Такой состав позволит получить хорошо гомогенизированный состав без дополнительного усложнения оборудования. Кроме того, отсутствие ПЭВД в исходном сырье приведет к улучшенным потребительским свойствам готовой пленки, а выбор ЛПЭНП в качестве основной матрицы приведет к тому, что при подготовке сырья можно будет исключить процесс сушки, так как ЛПЭНП является негигроскопичным материалом. Однако, смесь нельзя перерабатывать сразу после вынесения из холодного склада из-за конденсации на них влаги. Материалы необходимо выдержать в рабочем помещении не менее суток.
3.3 Плавление гранул и гомогенизация расплава
Плавление гранул и гомогенизация расплава происходит в экструдере. При выборе экструдера наиболее важными параметрами являются размер экструзионной головки и охлаждающая способность установки. Так как при производстве пленок рекомендуется коэффициент раздува для ЛПЭНП составит 3,5:1, то при заданной ширине готового рулона в 300 мм диаметр экструзионной головки будет равен:
Основным рабочим органом одночервячного экструдера является обогреваемый материальный цилиндр 7, внутри которого вращается червяк 8. Загрузка перерабатываемого материала производится с помощью загрузочного устройства 1, конструктивное оформление которого определяется состоянием и формой частиц перерабатываемого материала. Экструдирующая головка 2 устанавливается на выходе из материального цилиндра 7, обогреваемого при помощи нагревателей 3. Привод червяка, закрепленного в опорном узле 6, осуществляется от электродвигателя 9 через редуктор 5 и муфту 4.
Схема одночервячного экструдера
1 – загрузочный бункер; 2 – головка экструдера; 3 – нагреватель; 4 – муфта; 5 – редуктор; 6 – опорный узел; 7 – материальный цилиндр; 8 – червяк; 9 – электродвигатель
Экструзия это непрерывный технологический процесс, заключающийся в продавливании материала, обладающего высокой вязкостью в жидком состоянии, через формующий инструмент (головку), с целью получения изделия с поперечным сечением нужной формы. Главным требованием, предъявляемым к экструдерам, является гомогенизация расплава, как по массе, так и по температуре при максимальной производительности и равномерное распределение различных добавок.
По характеру протекающих в канале червяка экструдера процессов можно условно разделить червяк на несколько зон: питания или транспортировки твердого материала, плавления или пластикации и дозирования или транспортирования расплава. Каждая зона имеет свои особенности.
Зона питания. Полимер в виде гранул или порошка поступает через загрузочную воронку в винтовой канал червяка и увлекается им за счет разности сил трения между полимером и стенкой цилиндра и полимером и стенками винтового канала. По мере движения полимера по червяку в нем развивается высокое гидростатическое давление. Трение, возникающее на контактных поверхностях при движении полимера, вызывает разогрев полимера. Выделяющееся при этом тепло идет на нагревание полимера. Некоторая часть тепла подводится также и от расположенных на цилиндре нагревателей. По мере движения твердой пробки по каналу червяка давление в ней возрастает, пробка уплотняется, ее поверхность, соприкасающаяся с внутренней стенкой цилиндра, нагревается, и на ней образуется тонкий слой расплава. Постепенно толщина этого слоя увеличивается, и в тот момент, когда она станет равна толщине радиального зазора между стенкой корпуса и гребнем винтовой нарезки червяка, последний начнет соскребать слой расплава со стенки, собирая его перед своей толкающей гранью. Это сечение червяка является фактическим концом зоны питания и началом зоны плавления.
Зона плавления – наиболее сложная из зон червяка – характеризуется пребыванием в канале полимерного материала в двух состояниях: расплавленном и твердом.
Зона дозирования. Течение расплава полимера в зоне дозирования происходит под действием сил вязкого трения, развивающихся вследствие относительного движения червяка и стенки цилиндра, подобно течению жидкости в винтовых насосах – по винтовой траектории. Принято представлять это течение как сумму двух независимых движений: поступательного – вдоль оси винтового канала и циркуляционного – в плоскости нормальной к оси винтового канала. Объемный расход поступательного течения лимитирует скорость движения пробки гранул в пределах зон питания и плавления и, следовательно, определяет производительность экструдера. Циркуляционное течение обеспечивает гомогенизацию расплава, выравнивает его температуру, что позволяет использовать экструзию для смешения.
По выходе из зоны дозирования материал попадает в головку экструдера, где происходит формование расплавленного полимера в изделие с требуемым поперечным сечением. Внутри головки расположен канал, сечение которого меняется от круглого (с диаметром равным внутреннему диаметру цилиндра) на входе до соответствующего профилю изделия на выходе. Важным условием при конструировании экструзионных головок является отсутствие «мертвых зон», где материал может застаиваться и разлагаться из-за перегрева.
В экструзии пленочного рукава используют угловые экструзионные головки с центральной и боковой подачей расплава, а также прямоточные головки со спиральным распределением расплава с диаметром кольцевого зазора 250–750 мм (рисунок).
Экструзионные головки для получения рукавной пленки:
а – головка со спиральным распределением расплава; б – головка с центральной подачей расплава; в-головка с боковой подачей расплава.
В головке с боковой подачей расплава поток расплава распределяется вокруг оправки внутреннего компонента экструзионной головки (рассекателя) по винтовым каналам на внешней поверхности. В местах встречи двух потоков расплава могут появиться отметины спаев, видимые на выдуваемой пленке; кроме того, необходимо каждый раз заново проводить центрирование мундштука экструзионной головки при изменении технологических режимов (давления, температуры расплава). В настоящее время такие головки практически не используются.
Характерной чертой головки с центральной подачей расплава является наличие опорного кольца с радиальными элементами, которые плотно прикрепляют оправку к корпусу. Такая распределительная пластина, разделяющая расплав на короткое время, вызывает появляение линий спаев. Преимущество такой экструзионной головки состоит в осевой подаче, обеспечивающей однородное распределение потока у выхода головки. Головки такого виды используются, когда необходимо соблюсти жесткие допуски по толщине рукава.
В головке со спиральным рассекателем, расплав подается через центральное отверстие и затем через радиальный каналы поступает в канавки, нарезанные на рассекателе в виде спирали. Площадь поперечного сечения канавок уменьшается по мере удаления от входа. Размеры спирали выбираются с таким расчетом, чтобы распределение расплава по ее длине происходило с наибольшей равномерностью. Головки со спиральным дорном позволяют достичь хорошего распределение потоков и в значительной мере добиться отсутствия линий стыка. Такой тип является наиболее часто используемой формой конструкции для высокопроизводительных операций.