Экструзия профильных изделий. Материалы, оборудование и особенности технологий
В меньшей мере затрагиваются комплексные проблемы технологии производства. Несмотря на значительные успехи в производстве самых разнообразных профилей сложной формы многие вопросы их технологии еще не нашли теоретического обоснования и по-прежнему решаются методом проб и ошибок.
К ним, например, относятся выбор (или расчет) размеров формующего инструмента экструзионных головок с учетом разбухания и вытяжки расплава при различных схемах формования заготовки профиля (экструдата) и окончательного оформления конечного изделия, соответствующего установленным требованиям по форме, размерам, условиям эксплуатации. Трехмерное разбухание расплава на выходе из головки сложного сечения вызывает искажение формы отдельных участков экструдата, поэтому для конструирования каналов экструзионной головки необходимо учитывать взаимосвязи между локальными коэффициентами разбухания в поперечных направлениях. Разбухание чаще всего определяют на приборах с использованием капилляров круглого сечения. Попытки связать разбухание по диаметру с линейным разбуханием по толщине стенки для прямоугольных и кольцевых
каналов и по ширине и наружному диаметру для них далеко не всегда дают положительные результаты.
Современные математические модели, учитывающие предысторию течения расплава в каналах, предшествующих формующему каналу, используемые для расчета разбухания, также чаще всего относятся к разбуханию по диаметру; однако это – частный случай проявления высокоэластической деформации, тогда как при трехмерной схеме разбухания расплава необходимо учитывать обобщенный показатель формы канала, которым может служить его площадь поперечного сечения или гидравлическое сопротивление.
С двумя последними характеристиками формующего канала можно связать разбухание по площади поперечного сечения при учете объемного расхода и температуры расплава. Обработка экспериментальных данных, полученных автором и литературных источников, позволила разработать полуэмпирические выражения для расчета разбухания по площади сечения, инвариантного относительно формы и размеров формующих каналов. При вытяжке экструдата («свободном» или принудительном) его размеры изменяются неодинаково. Это связано с неодинаковым разбуханием по ширине и толщине стенки для прямоугольных каналов и по диаметру и толщине стенки для кольцевых.
Именно в этом кроется причина неодинаковых изменений размеров участков экструдата при формовании конечных изделий и эмпирический подход к расчету размеров формующих каналов
экструзионных головок.
Высокая эластичность расплава проявляется при вытяжке экструдата в продольном направлении и «замораживании» при охлаждении. Охлаждение расплава фиксирует неравновесное его состояние, причем неравномерное по толщине (радиусу) экструдата. Это состояние обратимо при повышении температуры; оно различно для аморфных и кристаллизующихся полимеров. Для кристаллизующихся пластмасс влияние температуры заметно проявляется вблизи температуры фазового перехода (точки начала плавления), для аморфных — во всем диапазоне температур нагрева, при достижении температуры стеклования — особенно сильно. Поэтому при выборе материала для конкретного приме-
нения изделия необходимо снимать (иметь) его термомеханическую кривую.
Кроме приведенных проблем, важное влияние на качество экструдируемых профилей оказывают состав и технические характеристики экструзионного и вспомогательного оборудования и особенности переработки конкретных марок полимерных материалов, т. е. технология производства.
Состав экструзионных линий и технические характеристики отдельных агрегатов кратко описываются в большинстве опубликованных источников. Однако многообразие моделей, особенно зарубежных, без критического анализа их особенностей, дает лишь общее представление об используемом оборудовании и не всегда позволяет правильно выбрать подходящее для конкретных целей.
То же относится к переработке полимерных материалов, в данном случае при производстве профильных изделий. Каждый материал имеет специфические механические, физические, реологические и термические свойства, которые определяют оптимальные режимы экструзии, при которых формируются свойства для заданной области применения. Этими вопросами занимается химическая технология переработки полимерных материалов.
Технология производства профильных изделий чаще всего рассматривается на платных семинарах, особенно зарубежных. Это понятно, так как многие вопросы производства сложных изделий относятся к области know how. А некоторые особенности технологии патентуются и продаются вместе с лицензиями.
К настоящему моменту опубликовано всего несколько книг, касающихся производства профильных изделий из термопластов, в которых комплексно излагаются все аспекты производства. Среди них две книги написаны автором.
Со времени выхода книги «Экструзия профильных изделий из термопластов» (2005 г.) прошло уже более 10 лет. За это время многое изменилось. Издательством «Профессия» были выпущены книги отечественных и зарубежных авторов для профессионалов.
Возобновлено издание библиотечки по переработке пластмасс (БПП), издававшейся в 1960–1980 годы и предназначавшейся для обучения основам переработки полимерных материалов мастеров, операторов экструдеров, литьевых, пневмо-вакуум-формовочных машин и другого оборудования.
Значительно расширился бизнес в производстве изделий из пластмасс, в том числе и методом экструзии. Заметное место занимает в этом бизнесе производство профильных изделий. В него привлекается много молодых работников, не имеющих специального профессионального образования.
Для грамотного и эффективного использования технологического оборудования необходимы базовые знания свойств полимерных материалов и особенностей их переработки в изделия сложной формы, к которым относятся профильные изделия. А для специалистов промышленности представляют интерес современные сведения по используемому оборудованию, технологии формования изделий из расплава, методам оценки их качества, условиям эксплуатации производимых изделий, поскольку только комплексный подход к производству полимерных изделий может гарантировать их высокое качество и долговременную эксплуатацию.
В связи с этим автор книги посчитал своим долгом значительно расширить содержание книги, вышедшей в 2005 г. За прошедший период времени появилось множество новых публикаций зарубежных авторов, значительно расширилась информация по специальным вопросам в интернете. Стал возможен доступ к зарубежной информации прежних лет, который в большинстве случаев был ограничен при публикации первой книги. За этот же период автором публиковано большое количество статей по основным разделам книги.
Накоплен значительный опыт в отработке технологии производства профильных изделий из различных термопластов на лабораторной экструзионной установке. В 2010 г. в издательстве «Профессия» вышла книга автора из серии «Библиотечка по переработке пластмасс» под названием «Экструзия пластмассовых труб и профилей», которая благожелательно была встречена специалистами.
В 1965 г. на Опытном заводе пластмасс при НИИПМ была организована технологическая группа, основной задачей которой была отработка технологии производства экструзионных изделий по заказам различных предприятий. С этого времени основной областью научно-производственных интересов автора стала технология производства профильных изделий.
С организацией в 1970 г. Отделения по переработке пластмасс и в 1971 г. НПО «Пластик» на базе Дорогомиловского химического завода часть персонала НИИМП была переведена на это предприятие, на котором автор проработал более 35 лет.
В 2016 г. автором подготовлена книга с общим названием «Технология экструзии профильных изделий. Формование из расплава», в которой изложены основные соображения по технологии производства профильных изделий сложной формы. Книга содержит три главы.
В первой главе рассматриваются типы пластмассовых профилей, дается их классификация по различным критериям и приводится их анализ в сравнении с профилями из металла и пластичных сред (керамика, пищевые массы и др.). В основу классификации пластмассовых профилей положена технология их изготовления, которая заметно отличает их от технологии производства профилей из металлов (периодическое прессование (выдавливание, экструзия), прокатка, волочение) вследствие непрерывности процесса.
Эта классификация разработана впервые в Японии еще в начале 1970-х годов и используется поныне. Эта часть вместе с технологичностью профилей и допусками на размеры и форму описана в первой книге автора 2005 г.
В этой же главе рассматриваются свойства полимерных материалов, используемых для производства профильных изделий в аспекте применения изделий при различных условиях их эксплуатации.
Во второй главе рассматриваются технологические схемы производства в соответствии с приведенной в первой главе классификацией профилей, основное оборудование (экструдеры, технологическая оснастка и другое комплектующее оборудование технологических линий) и вспомогательное оборудование (загрузчики и дозаторы сырья, сушилки, холодильники, термостаты и др.). По сравнению с оборудованием, приведенном в книге 2005 г., современное экструзионное оборудование выпускается в модульном исполнении и управляется промышленными компьютерами, подключенными к интернету,
что позволяет оперативно находить необходимые свойства полимерных материалов и запасать информацию по технологическим режимам переработки в соответствующих базах данных.
В этой же главе рассматриваются принципы декорирования профилей и их дополнительной обработки в составе экструзионной линии или на отдельном участке (пробивание или фрезерование отверстий, ламинирование, текстурирование и пр.). Описаны также принципы многоручьевой экструзии и производительность технологических линий. Третья глава книги касается особенностей применения профилей из использованных термопластов, оборудования, технологической оснастки и режимов переработки материалов в конечные изделия в соответствии с их спецификацией (технических требований к изделиям).
Наибольшее внимание уделяется производству профилей из композиций ПВХ (жестких и мягких), полиолефинов, стирольных пластиков, термопластичных эластомеров (ТПЭ, ТПУ), некоторых конструкционных пластиков (полиформальдегида, полиэтилентерефталата, других конструкционных пластмасс), вспенивающихся пластмасс.
Поскольку основная масса профилей производится из жестких и мягких композиций ПВХ, то большое внимание уделяется реологическим свойствам композиций и методам их измерения в зависимости от термической предыстории подготовки композиций. Реологические и теплофизические свойства материалов, которые необходимы для описания особенностей переработки материалов, отражаются также в некоторых других разделах главы.
Помимо «чистых» материалов кратко рассматриваются особенности экструзии смесей полимеров, наполненных и вторичных материалов.
Отдельные разделы посвящены проблемам производства профильных изделий в зависимости от работы оборудования, свойств используемых материалов и технологии переработки, связанных с «человеческим факторов», чистке оборудования и оснастки, нормативно-технической документации (НТД) на производстве и технике безопасности.
Автором подготовлена к изданию вторая книга «Технология экструзии профильных изделий. Формование из расплава», в которой излагаются в основном результаты исследования автора за последние 40 лет и которые в целом отражают его комплексный подход к проблеме.
Предлагаемые книги не являются справочным руководством по конструированию технологической оснастки и ведению технологического процесса любого экструзионного изделия.
Автор просит присылать замечания и предложения к тексту и оформлению новых книг по указанному ниже адресу электронной почты.
В. П. Володин, канд. техн. наук
vovapet@starlink.ru