ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРОВ

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБ И ПРОФИЛЕЙ МЕТОДОМ ЭКСТРУЗИИ

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ОДНОСЛОЙНЫХ ТРУБ

Процесс изготовления труб основан на непрерывном выдавливании расплава через кольцевую щель формующей головки с последующим калиброванием, охлаждением и отводом трубы в соответствующие приемные устройства. Методом экструзии можно изготавливать гладкие трубы диаметром от десятых долей миллиметра (капиллярные трубки) до 1500 мм и более, а также профили, сетки и пленки.

Для производства труб могут использоваться термопластичные полимерные материалы, расплав которых обладает достаточно высокой упругостью и вязкостью. Как правило, трубы изготавливают из полимеров с большим значением молекулярной массы, обладающих высокой прочностью. Наиболее часто трубы производят из полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, поликарбоната, полистирола или их сополимеров.

Процесс изготовления труб состоит из следующих технологических операций: 1) подготовка сырья; 2) плавление и гомогенизация расплава; 3) формование профиля трубы из расплава; 4) калибрование трубы; 5) охлаждение трубы; 6) нанесение маркировки; 7) намотка или резка труб.

Схема агрегата для производства труб показана на рис. 5.1. Гранулы полимера загружают в бункер экструдера 1 с помощью пневмо- или вакуумного загрузчика. При использовании нескольких компонентов (отходы производства, гранулы с концентратом красителя и т.д.) используются двух- или трехкомпонентные дозаторы, с помощью которых сырье в определенном процентном соотношении подается в горловину цилиндра экструдера. Далее полимер шнеком

Рис. 5.1. Схема агрегата для производства труб методом экструзии:

• 7 — экструдер; 2 — формующая головка; 3 — калибрующая насадка; 4,5 — первая и вторая зоны охлаждения; б — труба; 7 — измерительно-маркирующее устройство;
• 8 — тянущее устройство; 9 — отрезающее или наматывающее устройство;
• 10 — приемный стол (штабелер)

перемещается по цилиндру, где расплавляется, а расплав выдавливается через формующую трубную головку 2. Трубчатый профиль 6 поступает внутрь калибровочной насадки (гильзы) 3, где частично охлаждается и приобретает необходимые размеры по диаметру. Для прижатия расплава к стенкам калибрующей насадки внутрь трубы подводится сжатый воздух или создается вакуум между трубой и насадкой. Затем труба охлаждается в ванне с двумя температурными зонами 4 и 5, проходит маркировку в устройстве 7, протягивается тянущим устройством 8 и разрезается дисками, фрезой или циркулярной пилой 9. Трубы небольшого диаметра (до 110 мм) не разрезаются, а сматываются в бухты.

5.1.1. Плавление полимера и гомогенизация расплава

Подготовка расплава к формованию обычно проводится на шнековых экструдерах, реже на дисковых, так как в последних не достигается высокое давление. Физические основы данной технологической операции подробно рассмотрены в разделе 4.1, поэтому здесь коротко рассмотрим лишь некоторые особенности.

При движении полимера по каналам шнека нужно обеспечить избыточное давление, требуемую производительность, полное плавление гранул и гомогенизацию расплава, т.е. хорошую однородность расплава по структуре и температуре. Полимер в зоне дозирования должен быть нагрет до температуры, при которой сохраняются высокоэластические свойства, чтобы при выходе расплава из формующей головки не происходила его самопроизвольная вытяжка или слипание стенок. Вязкость расплава должна не замедлять течение, но обеспечивать требуемый перепад давления в каналах головки, при котором достигается нужная производительность и гомогенность массы. Как показал анализ технологических процессов различных предприятий, независимо от вида и марки полимера вязкость расплава при производстве труб имеет строго определенный интервал. На основе этого анализа была разработана методика определения температуры расплава при экструзии.

Экструзионный агрегат должен работать при частоте вращения шнека, обеспечивающей заданную скорость выхода расплава и определенное избыточное давление на входе в формующую головку. Марка экструдера выбирается в зависимости от размеров (площади сечения F₃) изготавливаемой трубы, плотности полимера р₀, скорости отвода трубы г>_э и числа фильер М в головке. Для возможности управления процессом расчетная производительность должна составлять примерно 80% от максимальной производительности агрегата по паспортным данным, т.е.

При работе с максимальной частотой вращения шнека и производительностью возрастает пульсация расплава (увеличивается dQ/dt), что вызывает появление разнотолщинности стенок трубы по длине. Скорость экструзии х>_э обычно выбирается из условия исключения эластической турбулентности (дробления расплава и появления шероховатости) или в зависимости от скорости охлаждения трубы с учетом длины охлаждающей ванны.

5.1.2. Формование профиля трубы

Формование осуществляется за счет течения расплава полимера через кольцевую щель головки. Для этого обычно используют прямоточные, угловые и Z-образные формующие головки. Конструкции должны удовлетворять следующим общим требованиям: 1) равномерное течение расплава по периметру головки; 2) отсутствие линий спаев; 3) плавный переход от одного участка канала к другому; 4) равномерное нагревание расплава во времени и по периметру каналов; 5) отсутствие застойных зон.

Форма канала и условия течения расплава выбираются в зависимости от условий эксплуатации и области применения труб. Наибольшее применение находят прямоточные головки, одна из конструкций которых показана на рис. 5.2. Корпус головки состоит из двух частей 3 и 6, между ними закреплена радиальная решетка дор- нодержателя 77. В переднюю часть корпуса 6 вставляется формующее кольцо (мундштук) 9, которое крепится к корпусу фланцем 8. На входе в головку вставляются решетка 2 и пакет фильтрующих сеток 7. На решетке дорнодержателя 11 закреплены рассекатель 4 и дорн 10. Решетка дорнодержателя имеет штуцер 5 для подвода сжатого воздуха внутрь трубы.

Рис. 5.2. Прямоточная трубная головка:

• 7 — пакет сеток;2 — решетка фильтра; 3 и б — корпус головки; 4 — рассекатель;
• 5 — штуцер; 7 — винт регулировочный; 8 — фланец; 9 — формующее кольцо (мундштук);
• 10 — дорн; 7 7 — решетка дорнодержателя; в сечениях А-А показаны каналы решетки дорнодержателя, а-а — профиль ребра решетки

Расплав полимера из цилиндра экструдера проходит через пакет фильтрующих сеток 1, решетку 2, а затем течет в кольцевом зазоре между патрубком 3 и рассекателем дорна 4 и входит в отверстия решетки дорнодержателя 11. При использовании качественного полимера без добавок отходов производства пакет фильтрующих сеток не устанавливается. После решетки дорнодержателя расплав вновь поступает в кольцевой канал, образованный второй частью корпуса 6 и дорном 10. Окончательные размеры расплав принимает в формующем канале, образованном мундштуком 9 и дорном 10. При этом для обеспечения равной толщины трубы по периметру формующее кольцо (мундштук) 9 может перемещаться винтами 7 в радиальных направлениях относительно дорна. Например, вывинчивая нижние и вворачивая верхние винты 7, уменьшаем толщину трубы сверху, а снизу она увеличивается.

Наружный диаметр трубы обеспечивается отверстием мундштука и калибратором, а толщина стенки регулируется диаметром дорна и скоростью отвода экструдата. Поток расплава в решетке дорнодержателя ребрами разделяется на несколько параллельных потоков. Чтобы не было застойных зон, ребра решетки дорнодержателя делают обтекаемой формы (сечение а—а). Длина формующего канала обычно принимается кратной глубине канала h и должна быть равна / =15-5-30/7. В зависимости от длины и геометрической формы канала изменяются свойства трубы в осевом и тангенциальном направлениях (см. раздел 4.2). При этом ориентация макромолекул возрастает с увеличением скорости сдвига и уменьшается с увеличением длины канала.

Как показано на рис. 5.2, расплав на входе в решетку дорнодержателя разделяется на отдельные потоки, поэтому, чтобы на трубе не было линий спаев (соединения потоков), кольцевые каналы после решетки делают переменного сечения, изменяя радиальный зазор между дорном и корпусом. За счет этого скорость сдвига на этих участках сильно изменяется, что приводит к перераспределению потока по сечению канала и уменьшает влияние линий спаев на прочность труб. В месте слияния двух потоков отсутствуют межмолекулярные зацепления (петли, проходные участки), поэтому прочность полимера понижается.

Уменьшаются линии спаев при течении расплава в решетках с мелкими отверстиями или если радиальные ребра решетки делаются наклонными (рис. 5.3). В этом случае после решетки происходит перехлест потоков по плоскости сдвига слоев расплава и линии спаев исчезают.

Чтобы ликвидировать линии спая, на внутренней поверхности корпуса головки и на дорне после решетки дорнодержателя иногда предусматривают винтовые канавки с углом нарезки более 45° (рис. 5.4). Нарезка канавок на поверхности дорна и матрицы выполняется в противоположных направлениях. В этом случае расплав около поверхности дорна и корпуса течет в разных направлениях, отдельные струи пересекаются друг с другом и на входе в формующий канал образуется сплошной поток без линий спаев. Чтобы рас-

Рис. 5.3. Различные варианты решеток дорнодержателя: а — в виде мелких цилиндрических отверстий; б — плоские каналы с тангенциальным

перехлестом потоков

Рис. 5.4. Прямоточная головка с винтовыми канавками после решетки дорнодержателя, применяемая для ликвидации линий спаев (разрез дорна в аксонометрии):

— канавки на дорне; 2 — канавки на корпусе; 3 — дорн головки плав растекался по винтовым каналам, расстояние между выступами винтовой нарезки около решетки должно быть минимальным (за счет уменьшения глубины кольцевого канала). Кроме того, молекулы полимера за счет винтового течения частично приобретают тангенциальную ориентацию, что влияет на свойства труб, и это необходимо учитывать при выборе конструкции.

Исключить образование линий спаев в трубе можно также используя прямоточную головку с цилиндрической решеткой дорно- держателя (рис. 5.5), которая применяется для производства труб большого диаметра. Расплав полимера из патрубка фланца 1 вначале разделяется на несколько протоков ребрами решетки 3 дорнодержа- теля 2, затем течет через отверстия решетки и поступает в кольцевой канал (полость А), а затем проходит через радиальные отверстия цилиндрической решетки 4, в которых течет перпендикулярно к оси головки. В полости Б отдельные потоки расплава поворачивают вдоль решетки и попадают в кольцевой канал, образованный корпусом 6, дорном 5 и мундштуком (формующим кольцом) 8. Вследствие поворота расплава на выходе из решетки и изменения профиля скорости при течении в следующем кольцевом канале (полость Б) отдельные струи после выхода из решетки сдвигаются продольным потоком и линии спаев не образуются.

Для более полной ликвидации линий спаев применяют комбинированную формующую головку (см. рис. 6.4). В рассматриваемой конструкции кроме применения радиальных подводящих каналов с

Рис. 5.5. Формующие головки для изготовления труб большого диаметра: а — с цилиндрической решеткой дорнодержателя (7 —фланец-патрубок;

• 2 — дорнодержатель; 3 — решетка дорнодержателя; 4 — цилиндрическая решетка;
• 5 — дорн; б — корпус головки; 7 — электронагреватели; 8 — формующее кольцо); б — с распределительным диском

Источник'. Веселовский С.П. Особенности производства труб большого диаметра // Метериалы научной школы «Технические решения и инновации в технологии переработки полимеров и композиционных материалов». Казань: Ихлас, 2012. С. 25.

последующим переходом их в винтовые каналы переменного сечения используется цилиндрическая решетка с мелкими отверстиями. За счет поворота потока из радиальных отверстий в кольцевой канал происходит срезание струй, в последующем расплав движется без линий спаев.

Очень удобно расплав в кольцевой канал подводить через цилиндрические отверстия во фланце-патрубке 7. Тогда между этими отверстиями можно выполнить подвод внутрь дорна шлангов подачи сжатого воздуха, электрических кабелей или горячего масла для обогревания внутренней полости дорна. В этом случае распределение расплава по торцевой поверхности промежуточного диска обеспечивается с использованием разветвленных каналов (рис. 5.5, б).

Расплав после центрального патрубка из центра диска перетекает в радиальные каналы, расположенные на поверхности диска, которые по мере увеличения радиуса канала еще несколько раз разветвляются, обеспечивая равномерное распределение расплава по поверхности (торцу диска), а затем они переходят в винтовые каналы, которые ликвидируют линии спаев после слияния потоков. Расположение каналов по торцевой поверхности диска позволяет уменьшить длину формующей головки и соответственно уменьшить ее массу.

Полностью линии спаев ликвидируются в головках с вращением дорна или мундштука (см. рис. 5.13). Возникающая окружная скорость сдвига обеспечивает перемещение макромолекул в тангенциальном направлении, располагая проходные участки макромолекул между отдельными струями потока.

При изготовлении труб большого диаметра после выхода экстру- дата из формующей головки на внутренней неохлаждаемой поверхности его под действием сил гравитации может произойти стекание расплава, из-за чего образуются наплывы. Для исключения этого необходимо снижать температуру расплава около поверхности дорна за счет его частичного охлаждения или охлаждать расплав на внутренней поверхности трубы. Охлаждение расплава можно выполнить за счет удлиненного охлаждаемого дорна. Очень эффективен процесс изготовления труб с подачей через отверстие дорна во внутреннюю полость трубы холодного воздуха. За счет дополнительного охлаждения резко повышается скорость отвода трубы и соответственно производительность.

Широкое применение находит прямоточная головка с двойной решеткой дорнодержателя, конструкция которой показана на рис. 5.6. Головка состоит из патрубка 2, корпуса 4, между которыми болтами закрепляется дорнодержатель 3 с радиальными каналами. На дорнодержатель надевается обойма 10, а в корпус головки 4устанавливается вторая решетка 9, соединенные в одно целое с патрубком 2 болтами. В переднюю часть корпуса 4 вставляется формующее кольцо (мундштук) 7, которое крепится к корпусу фланцем 6. На входе в головку вставляются решетка 1 с пакетом фильтрующих сеток. Решетка дорнодержателя 3 на входе имеет рассекатель расплава, во внутренней полости которого закреплен дорн 8. Решетка дорнодержателя имеет отверстие и штуцер для подвода воздуха внутрь трубы.

Расплав полимера из цилиндра экструдера проходит через пакет фильтрующих сеток 1, плоские каналы решетки дорнодержателя 3, где ребрами разделяется на несколько параллельных потоков, аналогично рис. 5.2, а затем течет через мелкие отверстия второй решетки 9. Чтобы не было застойных зон, ребра решетки дорнодержателя делают обтекаемой формы. После этого расплав подается в кольцевой зазор, образованный между корпусом 4, мундштуком 7и дорном 8. Кольцевой канал после решетки дорнодержателя имеет увеличенное сечение, образованное за счет углубления на дорне 8, которое является как бы коллектором, выравнивающим поток расплава по периметру. Канал коллекторного типа, расположенный перед входом расплава в формующую часть головки, выполняет еще другую задачу. За счет довольно резкого сужения потока расплава на входе в формующий канал из-за входовых потерь давления возникают большие напряжения сдвига, которые обусловливают повышенную осевую ориентацию макромолекул и соответственно изменяют прочность трубы. Такие углубления целесообразно использовать при экструзии ПЭ в.пл. с малым числом боковых ответвлений, при этом прочность трубы возрастает не в продольном, а поперечном (тангенциальном) направлении, так как ось с макромолекул в доменах после ориентации располагается в тангенциальном направлении.

Рис. 5.6. Прямоточная трубная головка с двойной решеткой дорнодержателя: 1 — решетка пакета сеток; 2 — патрубок; 3 — дорнодержатель; 4 — корпус головки;

5 — винт регулировочный; б — фланец; 7 — формующее кольцо (мундштук); 8 — дорн; 9 — решетка с цилиндрическими отверстиями; 10 — обойма решетки дорнодержателя

Окончательные размеры расплав принимает в формующем канале, при этом для обеспечения равной толщины трубы по периметру формующее кольцо (мундштук) 7 может перемещаться винтами 5 в радиальных направлениях относительно дорна. Вывертывая нижние винты и ввинчивая верхние, смещаем мундштук 7 к дорну, тем самым уменьшаем толщину трубы сверху.

Промышленные конструкции экструзионных головок обычно комплектуются из нескольких типовых элементов в зависимости от требуемого качества трубы. Чтобы исключить после смены дорна или матрицы процесс регулирования разнотолщинности, их делают жестко центрированными, т.е. устанавливают их в корпусе соосно на плотной посадке без смещений. Необходимое выравнивание потоков расплава в данном случае осуществляют дополнительным регулировочным кольцом 2 (рис. 5.7.). За счет смещения кольца 2 относительно дорна изменяется радиальный зазор по периметру, и скорость потока перед входом в формующий канал выравнивается. Этот метод применяется в тех случаях, когда требуется частая смена дорна и матрицы при изготовлении труб различных размеров.

В головках с жестко центрованными дорном и мундштуком, чтобы исключить их смещение, предусматривают при изготовлении достаточно широкие посадочные плоскости, расположенные друг от друга на достаточно большом расстоянии / (см. рис. 5.7). Следует отметить, что приведенные в тексте рисунки даны в упрощенном виде, т.е. нарисованы только те элементы, о которых идет речь. Все остальные детали (крепление дорна, мундштука, узел решетки пакета фильтров и т.д.) не изображены.

При изготовлении труб из полимеров, склонных к сильной термической деструкции, при смещении регулировочного кольца 2 относительно корпуса 1 в канале образуется застойная зона, в которой задерживается и деструктирует полимер, что вызывает ухудшение качества труб. Для предотвращения этого выравнивание потоков и

Рис. 5.7. Узел выравнивания потоков с помощью добавочного регулировочного кольца:

7 — корпус; 2 — регулировочное кольцо; 3 — винт; 4 — формующее кольцо; 5 — фланец крепления мундштука; 6 — дорн регулировку разнотолщинности осуществляют с помощью мундштука 1 со сферическим выступом (рис. 5.8). Мундштук 1 может перемещаться в шаровой опоре корпуса относительно дорна 2 винтами 3, при этом меняется радиальный зазор в формующем канале без образования выступов, что исключает образование застойных зон.

Теоретически для производства труб можно использовать формующие головки со спиральными канавками, разработанные для изготовления пленок рукавным методом (см. рис. 6.5).

Изготовление двухслойных труб или покрытие металлических труб пластмассовой оболочкой осуществляют на Z-образных головках, у которых питающий патрубок расположен параллельно оси со смещением (рис. 5.9). Расплав входит в угловой патрубок 5, затем сердечником дорна распределяется в виде кольцевого потока и течет между формующим кольцом 1 и дорном 2. Такие головки применяются также при изготовлении однослойных труб, когда для калибрования внутрь дорна подается вода, или при формовании двухслойных труб, в этом случае через отверстие дорна протягивается ранее изготовленная труба меньшего диаметра.

В тех случаях, когда калибрование труб осуществляется на охлаждаемом дорне, используют угловые и Z-образные формующие головки. В угловых головках необходимо предусматривать конструктивные элементы, выравнивающие скорость течения расплава по длине подводящих каналов. Это обусловлено тем, что при выходе из бокового патрубка расплав несимметрично огибает дорн. Чтобы выровнять потоки, дорн обычно крепят эксцентрично относительно

Рис. 5.8. Трубная головка с креплением формующего кольца в шаровом шарнире:

• 1 — мундштук; 2 — дорн;
• 3 — регулировочный винт

Рис. 5.9. Трубная Z-образная головка (со смещением патрубка):

• 1 — формующее кольцо; 2 — дорн;
• 3 — регулировочный винт; 4 — корпус;
• 5 — угловой патрубок корпуса головки. В угловых головках с коллектором (рис. 5.10, а) расплав поступает в патрубок корпуса, затем обтекает дорн с двух сторон по коллекторному распределителю и, поворачивая вдоль оси дорна, вновь соединяется в кольцевой поток. Показанная на рис. 5.10 головка состоит из корпуса 4, в котором установлено формующее кольцо 5, закрепленное фланцем 7 и болтами 6. Внутрь дор- нодержателя 3 вставляется теплоизоляционная втулка 2 с трубкой 1, через которую в выступающую часть дорна подается вода. Таким образом, часть дорна, выступающая за формующее кольцо, охлаждается, и на ней происходит калибрование трубы по внутреннему диаметру.

Если головка имеет каплеобразный рассекатель дорна, то расплав обтекает дорн с двух сторон по двум каналам и, поворачивая вдоль оси дорна, вновь соединяется в кольцевой поток. В этом случае выравнивание потоков происходит за счет равенства пути движения расплава при обтекании каплеобразного рассекателя. Труба на выходе имеет два спая: один за каплеобразным рассекателем, а второй на противоположной стороне от входного патрубка, где соединяются два потока. Схема течения расплава показана на развертке поверхности дорнодержателя (см. рис. 5.10, б).

Поскольку такая конструкция сложна в изготовлении и трудно рассчитать размеры и конфигурацию каналов, то чаще применяют дорнодержатели со сдвоенным распределением расплава, показанным на рис. 5.11.

Расплав из патрубка поступает вначале в два канала, охватывающие дорн с двух сторон, которые затем поворачивают вдоль оси дорна и разделяются каждый еще на два Р-образно направленных канала, переходящие в винтовые каналы. Чтобы обеспечить равно-

Рис. 5.10. Угловая трубная головка с охлаждаемым дорном: а — распределение расплава коллектором (7 — труба; 2 — теплоизоляционная втулка; 3 — дорнодержатель; 4 — корпус; 5 — формующее кольцо; 6 — болт; 7 — фланец;

8 — регулировочный винт; 9 — коллекторный распределитель); б — разверстка поверхности дорнодержателя с каплеобразным рассекателем (7 — боковой подводящий патрубок; 2 — каплеобразный рассекатель; 3 — разводящие каналы)

Рис. 5.11. Угловая трубная головка с выравниванием потоков расплава сдвоенными симметричными распределительными каналами:

7 — дорн; 2 — корпус головки

мерное распределение расплава по периметру, все четыре распределительных канала изготавливают равного сечения и длины. Располагают их относительно друг друга по периметру дорна под углом 90°. Для того чтобы не возникали линии спаев, винтовые каналы делают с постепенно уменьшающейся глубиной, вследствие чего часть расплава из них перетекает в кольцевой зазор между корпусом и дорном. Глубина кольцевого канала к выходу увеличивается, а глубина винтовых каналов уменьшается. Подобные конструкции обеспечивают равномерное распределение расплава вокруг дорна и ликвидируют линии спаев.

При изготовлении труб большого диаметра, как уже бьшо отмечено ранее, можно использовать формующую головку с боковым подводом расплава и распределением его по периметру за счет применения дисков с радиальными каналами (см. рис. 5.5, б).

В головках с расширяющимся конусным формующим каналом, когда цилиндрическая формующая часть очень мала, при течении расплава кроме напряжений сдвига х_г возникают нормальные тангенциальные напряжения о₀₀, под действием которых происходит растяжение расплава. При формовании труб из линейного ПЭ в.пл. в цилиндрических каналах максимальное значение прочности достигается в тангенциальном направлении (см. рис. 4.36). Вследствие наложения нормальных напряжений в конических каналах анизотропия меняет направление и при конусности формующего канала 75° труба становится равнопрочной.

Кроме конструктивных факторов на качество изготовляемых труб влияют технологические параметры — температура, скорость течения и скорости вытяжки расплава. Как уже неоднократно упоминалось, при течении происходит ориентация молекул полимера, которая зависит от вязкости расплава и скорости течения. При увеличении температуры расплава ориентация и время релаксации уменьшаются, поэтому усадка труб в осевом направлении снижается. Если измерить термическую усадку образцов пленки, срезанных со стенки трубы на различной глубине, то изменение усадки вдоль трубы аналогично профилю напряжения сдвига, возникающего при течении (рис. 5.12).

Это указывает на то, что усадка вдоль направления экструзии и ориентация зависят количественно от напряжения сдвига. Усадка же

Рис. 5.12. Изменение термической усадки по толщине стенки трубы

в поперечном направлении отрицательная, т.е. при нагревании происходит увеличение размеров. При нагревании труб, изготовленных с вращением дорна или мундштука, а также в головках с расширяющимся коническим каналом, наоборот, происходит уменьшение диаметра. Чем больше тангенциальные напряжения сдвига, тем больше усадка по диаметру. Данное свойство можно использовать при изготовлении из труб обжимных кабельных муфт для закрытия соединений. Отрезок трубы с тангенциальной ориентацией макромолекул надевается на концы кабеля, и после нагревания происходит усадка отрезка трубы и обжатие проводов. Головки с вращением мундштука применяют для изготовления изоляции проводов и кабелей. Пластмассовая изоляция, наложенная по такой технологии, при нагревании не «разбухает» и не отходит от проводов или жилы кабеля, а наоборот, обжимает ее и исключает попадание влаги.

Анизотропия свойств и прочность изделий в значительной степени зависят от температуры расплава. Чем выше температура расплава, тем меньше должна быть анизотропия, так как ориентация молекул снижается. При достижении определенной температуры расплава прочность изделий в продольном и поперечном направлениях становится равной. Однако прочность в зависимости от температуры изменяется неоднозначно: для одних полимеров она понижается, а для других проходит через максимум. Это зависит от того, что сильнее влияет на прочность — степень ориентации или изменение процесса кристаллизации.

В тех случаях, когда трубы используются для перекачки жидкостей, т.е. должны работать под внутренним давлением, требуется большая прочность в тангенциальном (окружном) направлении. Для достижения этого формование труб из полипропилена и ПЭ н.пл. следует проводить при наложении на осевой поток расплава тангенциальных напряжений сдвига или в расширяющихся конических мундштуках. С этой целью применяют головки с вращающимся дор- ном или вращающимся кольцом (мундштуком).

Прямоточная головка с вращающимся дорном и приводом от шнека показана на рис. 5.13. Головка состоит из фланца экструдера 1, корпуса 2, соединенного с дорнодержателем 6 и промежуточным корпусом 11. Внутри дорнодержателя на подшипниках 5 и 4 закреплен дорн 12, соединенный со шнеком крестообразной муфтой 3. Для исключения попадания расплава в воздухораспределительное кольцо 9 на дорне 12 установлено уплотнение 10, состоящее из наборных колец и пружины 7.

Формование профиля трубы происходит в канале, образованном дорном 12 и формующим кольцом 13, прикрепленным к корпусу 11 фланцем 14 и болтами 8. Осевое течение расплава осуществляется под действием перепада давления в головке, при этом возникают напряжения сдвига т , а вследствие вращения дорна соответственно тангенциальные напряжения т^, поэтому на макромолекулу воздействует суммарное напряжение, равное геометрической сумме:

^т=1‘¹к ^+хг0 • Чем больше составляющая относительно x_rz, тем больше ориентация макромолекул в тангенциальном направлении и снижение ее в осевом. Одновременно с этим изменяется прочность труб. Как показано на рис. 5.14, разрушающее напряжение вдоль направления экструзии с ростом частоты вращения дорна значительно падает (кривая 4), а в тангенциальном направлении возрастает (кривая 2), однако напряжения текучести при этом почти не изменяются. С увеличением частоты вращения дорна относительное удлинение при растяжении вдоль направления экструзии значи-

Рис. 5.13. Прямоточная головка с вращающимся дорном:

• 1 — фланец экструдера; 2 — корпус; 3 — муфта; 4,5 — подшипники;
• 6 — дорнодержатель; 7 — прижимная пружина; 8 — болт; 9 — распределительное кольцо для воздуха; 10 — уплотнение; 11 — промежуточный корпус; 12 — дорн; 13 — формующее кольцо; 14 — фланец

Рис. 5.14. Зависимость прочности трубы от скорости вращения дорна для ПЭ в.пл.: 1,3 — предел текучести в продольном и тангенциальном направлениях; 2,4 — разрушающее напряжение в тангенциальном и продольном направлениях

тельно уменьшается и возрастает в тангенциальном. Прочность труб на гидравлический разрыв при этом увеличивается на 20—25%.

Однако при переработке высококристаллических полимеров, в частности ПЭ в.пл., полученного на ванадиевых катализаторах и имеющего незначительное количество боковых ответвлений, изменение прочности в зависимости от скорости вращения дорна имеет более сложный характер, и максимальное значение прочности не совпадает с направлением ориентации макромолекул. При изготовлении труб с неподвижным дорном максимальная прочность обеспечивается в тангенциальном направлении, в то время как максимальная усадка достигается вдоль направления экструзии (см. рис. 4.27). Значение термической усадки образцов, вырубленных из этих труб, не соответствует максимальной прочности. Наибольшее значение усадки, а соответственно и направление ориентации макромолекул, совпадают с направлением действия напряжений сдвига, возникающих в формующем канале головки (рис. 5.15).

Как уже рассматривалось ранее (см. гл. 4), это обусловлено расположением домена с осью с в ламели перпендикулярно течению. При увеличении скорости вращения дорна максимальное значение

Рис. 5.15. Зависимость термической усадки лопаточек, вырубленных под различными углами к направлению экструзии из трубы, изготовленной из ПЭ в.пл.:

• 1 — без вращения (п = 0);
• 2 — п-2 об./мин; 3 — п = 4 об./мин прочности достигается вдоль оси трубы и под углом около 120°, а минимальное значение — примерно под углом вырубки 60° к оси трубы. Таким образом, выявленную взаимосвязь между направлением ориентации макромолекул, структурой и физико-механическими свойствами и возможность изменения их за счет напряжений сдвига необходимо учитывать при проектировании экструзионных головок, обеспечивающих заданные свойства экструзионных изделий.

Значительного увеличения прочности напорных труб можно достичь при переработке полимеров, наполненных волокном. При течении расплава в формующих каналах головки с вращением дорна или мундштука происходит ориентация волокна в тангенциальном направлении и прочность трубы возрастает. При вращении формующих элементов изменяется также профиль скорости течения расплава, уменьшается вязкость расплава и снижается перепад давления в головке, а производительность экструзионного агрегата возрастает на 20—40 %. Производительность можно повысить воздействием на расплав ультразвуковыми колебаниями, однако этим методом нельзя целенаправленно влиять на ориентацию макромолекул и прочность изделий.

Разработка конструкций формующих головок — сложный процесс, требующий знания как строения полимеров, так и специальных разделов механики. В данной книге подробно эти вопросы рассмотреть невозможно. Размеры основных деталей, таких как решетка дорнодержателя, переход от одних каналов к другим, часто принимают конструктивно, но скорости сдвига в них не должны слишком различаться. Наиболее правильный метод выбора размеров каналов — это обеспечение заданных общих потерь давления в них, необходимых для гомогенизации расплава в каналах шнека и не слишком уменьшающих производительность.

Следует отметить, что применение технологии изготовления труб с вращением формующих элементов требует изменения ГОСТа на их испытания. У напорных труб стандартные образцы для растяжения не должны вырубаться вдоль трубы, так как это противоречит гидравлическим испытаниям на стенде.

5.1.3. Калибрование труб

Для придания профилю экструдата заданных размеров и исключения его деформации в охлаждающем устройстве трубы калибруют, т.е. предварительно охлаждают с приданием расплаву определенной конфигурации и размеров. Калибрование можно проводить по наружной или внутренней поверхности трубы, а также с использованием сжатого воздуха или вакуума. Калибрование по наружному диаметру трубы с использованием сжатого воздуха показано на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Калибрование трубы по наружному диаметру:

• 1 — корпус головки; 2 — дорн;
• 3 — калибрующая насадка;
• 4 — труба; 5 — пробка

Трубчатая заготовка расплава выдавливается из головки и поступает внутрь металлической гильзы калибратора, в рубашку которой подается охлаждающая жидкость. При подаче сжатого воздуха внутрь трубы происходит частичное раздувание ее по диаметру, вследствие чего труба на выходе из головки плотно прилегает к охлаждаемым стенкам калибрующей гильзы. Чтобы не произошло разрушения (раздувания) экструдата, насадка в данном случае крепится вплотную к головке. Для исключения прилипания расплава гильза насадки охлаждается до температуры, которая всегда должна быть ниже температуры стеклования или плавления. При этом на поверхности трубы образуется слой твердого полимера, который после выхода из насадки должен выдерживать внутреннее давление воздуха, а также силы, возникающие в насадке от трения.

Зависимость коэффициента трения от температуры насадки показана на рис. 5.17, из которого следует, что для уменьшения силы трения нужно стремиться к уменьшению температуры, однако при этом необходимо учитывать изменение качества труб. Так, при калибровании труб из кристаллизующихся полимеров в зависимости от скорости охлаждения изменяются размеры структурных образований: чем ниже температура воды, тем они мельче в наружном поверхностном слое.

При калибровании труб из аморфных полимеров в зависимости от скорости охлаждения могут изменяться остаточные напряжения и степень ориентации макромолекул. Чем ниже температура калибрования, тем они выше. Особенно это характерно для жестких полимеров, таких как блочный полистирол. При высокой температуре увеличивается колебание свойств, т.е. нарушается стабильность процесса, и возможно появление поверхностных микротрещин за счет больших сил трения.

От температуры охлаждающей воды в насадке зависит также шероховатость поверхности, что проявляется при переработке только кристаллических полимеров (рис. 5.18). С повышением температуры шероховатость труб понижается, так как поверхностный слой имеет меньшую степень кристалличности.

Особенно сильно с повышением температуры калибрования изменяется прочность труб, изготовленных из ПЭ в.пл., имеющего линейное строение. Как показано на рис. 5.19, с ростом температуры калибрования в продольном направлении она повышается, а в тангенциальном практически не меняется. Изменение прочности вдоль направления экструзии в зависимости от температуры калибрующей гильзы частично обусловлено дезориентацией макромолекул при более медленном охлаждении, а также повышением степени кристалличности полимера. Как уже было рассмотрено ранее, при переработке аморфных полимеров или с небольшой степенью их крис-

Рис. 5.17. Зависимость коэффициента трения ц от температуры насадки Г_н:

• 7 — жесткий поливинилхлорид:
• 2 — ПЭ в.пл.; 3 — полистирол;
• 4 — поливинилхлоридный пластикат;
• 5 — ПЭ н.пл.

Рис. 5.18. Зависимость шероховатости поверхности трубы /?_д от температуры воды в калибрующей насадке:

• 7 — ПЭ н.пл.; 2 — ПЭ в.пл.;
• 3 — полипропилен

Рис. 5.19. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении образцов из ПЭ в.пл. от угла вырубки к направлению экструзии при различных температурах калибратора Г_к:

1 — 60°С;2 — 40°С;3 — 20°С талличности максимальное значение прочности проявляется вдоль направления экструзии.

Чтобы снизить силы и исключить появление микротрещин вследствие возникновения больших сил трения внутрь насадки, между трубой и калибрующей гильзой, подают сжатый воздух, который образует как бы воздушную смазку, однако при этом ухудшается охлаждение расплава. Поэтому целесообразнее использовать калибрующие насадки с дренажным кольцом (рис. 5.20), в которых вода из водяной рубашки проходит через отверстия гильзы и попадает в кольцевую проточку, расположенную на внутренней поверхности, откуда тонким слоем течет между трубой и гильзой, образуя смазывающий слой. Вследствие заполнения водой зазоров и образования плотного контакта между расплавом и гильзой резко повышается скорость охлаждения трубы.

Рис. 5.20. Калибрующая насадка с подачей воды на охлаждающую поверхность через дренажные отверстия

Такие калибрующие насадки можно использовать при изготовлении труб из поливинилхлоридного пластиката, который обладает большим коэффициентом трения. В этом случае без слоя жидкости технологический процесс калибрования практически невозможен. Для того чтобы в момент запуска агрегата вода не попадала на головку, охлаждение перед пуском агрегата временно отключают или перекрывают дренажные отверстия.

При изготовлении труб небольшого диаметра, D_r < 110 мм, они наматываются в бухты. Для создания внутри трубы давления конец ее закрывают пробкой или несколько раз перегибают под углом 180°. При производстве труб большого диаметра или труб из жестких полимеров, которые разрезаются, применяют калибрование с плавающей пробкой (рис. 5.21). В данном случае внутрь трубы 2 вставляется пробка 5 с манжетами, которая прикреплена к дорну головки цепью 6. Чтобы исключить повреждение внутренней поверхности трубы, когда расплав еще не охлажден, длину цепи подбирают с таким расчетом, чтобы пробка была расположена за тянущим устройством. Если пробка находится до него, то при движении трубы от трения манжет о неровности возникают силы, вызывающие упругие

Рис. 5.21. Калибрование трубы по наружному диаметру с плавающей пробкой: 7 — калибрующая насадка; 2 — труба; 3 — охлаждающая ванна; 4 — резиновое уплотнение; 5 — плавающая пробка; 6 — цепь крепления пробки

колебания, которые затем по трубе передаются на выходящий расплав, и труба может получиться с кольцевыми утолщениями на внутренней поверхности.

Недостаток калибрования сжатым воздухом — отсутствие возможности наблюдать за качеством расплава, выходящего из головки. Этот недостаток можно устранить, если использовать вакуумную насадку. Необходимые размеры труба приобретает в результате прижатия экструдата к стенкам гильзы под действием разности давления атмосферного воздуха и вакуума снаружи.

Общим недостатком калибрования в насадках с металлическими гильзами является плохая теплопроводность. Для улучшения теплопроводности для калибрования используют пластины (рис. 5.22). Трубчатая заготовка протягивается последовательно через ряд пластин с калибрующими отверстиями, которые орошаются водой из форсунок или погружены в ванну. Отверстия пластин имеют входную фаску или радиус закругления, а диаметр их рассчитывается с учетом усадки трубы, возникающей при охлаждении.

При калибровании пластинами трубчатая заготовка раздувается сжатым воздухом, подаваемым внутрь трубы, или за счет создания вакуума в калибрующей камере. В этом случае набор калибрующих пластин помещают в герметичную камеру, в которой создают вакуум. В этой же камере устанавливают форсунки для разбрызгивания воды или полностью заливают ее водой. Уровень воды поддерживается с помощью сливных трубок 2. Расстояние между пластинами на входе делают небольшим, чтобы под действием вакуума не произошло раздувания расплава. По мере отвода трубы температура расплава понижается и расстояние между пластинами возрастает. Калибрование охлаждаемыми пластинами ускоряет процесс охлаждения и уменьшает трение.

Очень эффективен процесс калибрования с использованием вместо гильзы или пластин винтовой пружины, изготовленной из квадратного профиля. Для этого используют также латунные гильзы

Рис. 5.22. Вакуумные калибрующие насадки с водяным орошением: а — из пластин (7 — водяная ванна; 2 — трубки для слива воды; 3 — калибрующая камера; 4 — пластины; 5 — патрубок слива воды; б — уплотнительная манжета); б — через профильные пазы {BASAR AGIR MAKINA SAN. ve TIC. LTD. STI.); в — через решетку

(фирма INOEX GmbH)

с фигурными прорезями (рис. 5.22, б). При закручивании одного торца такого калибратора по отношению ко второму изменяется внутренний диаметр отверстия, поэтому можно непрерывно регулировать размер трубы с учетом колебания усадки полимера. Достаточно легко регулируется диаметр калибратора с ромбовидным плетением калибрующих пластин (рис. 5.22, в).

При всех рассмотренных методах калибрования труба приобретает заданный размер по наружному диаметру. Внутренний диаметр трубы зависит от толщины стенок. Для обеспечения заданного наружного диаметра трубы диаметр калибрующей гильзы рассчитывают с учетом усадки полимера при охлаждении:

где D_T — диаметр калибрующей гильзы; D_H — наименьший наружный диаметр трубы по ГОСТу; А — допуск на изготовление гильзы; У — усадка полимера, % (рис. 5.23).

Диаметр отверстия мундштука D_M формующей головки определяют исходя из размеров калибрующей гильзы: D_M = D_T /1,01.

С учетом (5.2) имеем

При свободном выходе из кольцевого зазора головки экструдера происходит разбухание полимера, проявляющееся в увеличении толщины стенки и диаметра трубчатой заготовки по сравнению с размерами формующих каналов. Степень разбухания зависит от типа полимера, размеров формующего отверстия, скорости течения расплава (напряжения сдвига). На выходе из головки на расплав полимера действует сила тянущего устройства, поэтому коэффициент разбухания зависит также от степени вытяжки трубы.

При охлаждении экструдата происходит усадка трубы, величина которой определяется природой полимера, температурой расплава и скоростью охлаждения. Исследования, выполненные на примере ПЭ н.пл. и ПЭ в.пл., показывают, что на величину усадки труб по длине и диаметру существенное влияние оказывает скорость экструзии н_э. Чем выше производительность экструдера, тем выше напряжения сдвига в формующих каналах головки и соответственно ориентация макромолекул вдоль направления экструзии. При охлаждении объем полимера уменьшается больше в направлении ориентации, поэтому усадка труб происходит преимущественно в продольном направлении, а по диаметру с ростом скорости экструзии она уменьшается. Можно считать, что в сопоставимых условиях усадка труб из ПЭ н.пл. и ПЭ в.пл. почти одинакова, причем с ростом скорости отвода х>₀ усадка по диаметру линейно убывает. Линейный характер зависимости обнаруживается при различных методах калибрования — вакуумном, вакуум-жидкостном и вакуумном с разбрызгиванием воды (см. рис. 5.23). Наибольшая усадка наблюдается при вакуумном калибровании в металлической гильзе. Меньшая усадка при двух других методах объясняется наличием между калибрующей гильзой и трубой пленки воды, которая повышает скорость охлаждения расплава, при этом быстрее образуется твердый слой полимера и основная усадка полимера при охлаждении происходит за счет изменения толщины стенки трубы. Величина усадки трубы по длине в основном зависит от степени вытяжки расплава на выходе из трубы, напряжений сдвига и температуры расплава полимера. При калибровании сжатым воздухом диаметр мундштука обычно изготавливают несколько меньше отверстия калибрующей насадки, поэтому усадка труб по диаметру часто оказывается меньше, чем для труб, откалиброванных вакуум-жидкостным методом или вакуумным с разбрызгиванием воды. Основная причина этого заключается в том, что при калибровании под давлением высокое внутреннее давление действует в процессе всего охлаждения трубы и препятствует уменьшению трубы по диаметру. При вакуумном калибровании давление изнутри трубы действует только в насадке, а затем раз-

Рис. 5.23. Зависимость усадки по диаметру от скорости отвода г>₀ труб из ПЭ н.пл. (луполен 2452 Е), полученных при различных методах калибрования:

7 — вакуумный; 2 — вакуумножидкостный; 3 — вакуумный с разбрызгиванием воды ность давления внутри и снаружи трубы отсутствует, поэтому усадка по диаметру возрастает. При неизменном режиме экструзии и производительности длина калибрующего устройства зависит от температуры охлаждающей воды.

Длина калибрующей гильзы должна обеспечивать необходимую толщину твердого слоя полимера в поверхностном слое трубы, выдерживающего силу трения и внутреннее давление воздуха, подаваемого для калибрования. Время охлаждения полимера, необходимое для образования твердого слоя толщиной 8, находим из уравнения нестационарной теплопередачи:

где а — температуропроводность полимера при температуре Г ; х>_о — скорость отвода трубы; Г_р — температура расплава; 8 — толщина охлажденного полимера на поверхности трубы; Т_г — температура калибрующей гильзы; Т_т — температура текучести.

При калибровании трубы по внутреннему диаметру используют угловые головки с удлиненным охлаждаемым дорном. Расплав после выхода из головки поступает на удлиненный дорн, который охлаждается изнутри водой (см. рис. 5.10). За счет контакта расплава с холодной поверхностью на внутренней поверхности образуется слой твердого полимера, определяющий конфигурацию и размеры трубы. Поскольку при охлаждении трубы происходит уменьшение диаметра, то выступающая охлаждаемая часть дорна должна иметь конусность, соответствующую усадке. С целью уменьшения силы трения на дорне делают дренажные отверстия для подвода воды. При изготовлении труб из ПЭ в.пл. между трубой и охлаждаемым дорном необходимо создавать вакуум, иначе поверхность трубы получается шероховатой.

В зависимости от метода калибрования изменяется картина распределения внутренних напряжений в трубе после охлаждения. Так, при калибровании по наружному диаметру верхние слои трубы в процессе усадки сжимаются, а внутренние растягиваются (рис. 5.24, а). Вверх направлены растягивающие напряжения.

При эксплуатации напорных труб под действием давления в них возникают растягивающие нормальные напряжения, которые совпадают по знаку с остаточными напряжениями во внутренних слоях. В связи с этим в трубе появляются большие растягивающие напряжения (рис. 5.24, б), под действием которых может произойти ее разрушение.

При калибровании по внутреннему диаметру вначале охлаждаются внутренние слои. При последующем охлаждении расплава про-

Рис. 5.24. Распределение напряжений по толщине трубы: а — калибрование по наружному диаметру; б — после подачи давления внутрь трубы; в — калибрование на дорне; г — то же при подаче давления внутрь трубы

исходит усадка наружных слоев, за счет чего внутренние слои сжимаются и в них возникают положительные тангенциальные напряжения (рис. 5.24, в). При создании внутри трубы давления возникающие напряжения частично компенсируются положительными остаточными напряжениями, поэтому на стенку трубы действуют меньшие растягивающие напряжения (рис. 5.24, г) и она способна выдерживать большее внутреннее давление.

Калибрование на удлиненном охлаждаемом дорне применяется при изготовлении тонкостенных пластмассовых труб. В случае изготовления труб с большой толщиной стенки расплав полностью не охлаждается на дорне, поэтому при входе в охлаждающую ванну на наружной поверхности возникает также твердый слой расплава. При последующем охлаждении расплава в центральных слоях стенки трубы могут появиться раковины, так как твердые слои на внутренней и наружной поверхностях трубы препятствуют усадке. В связи с этим при изготовлении труб большой толщины охлаждаемую часть дорна необходимо делать укороченной, чтобы происходило лишь частичное охлаждение расплава на внутренней поверхности, а полное — в охлаждающей ванне. При таком двухстороннем охлаждении можно увеличить скорость отвода трубы, и структура, образующаяся по толщине трубы, становится более однородной. Для ускорения процесса охлаждения применяют подачу во внутреннюю полость трубы холодного воздуха.

5.1.4. Охлаждение труб

Охлаждение труб проводится орошением или пропусканием их через водяную ванну. Основное требование к этой операции — равномерное и быстрое охлаждение расплава. Поскольку труба движется в горизонтальном направлении, то создаются неравномерные температурные поля по верху и низу трубы. Чтобы исключить это, в ваннах обеспечивается интенсивное перемешивание жидкости, для чего устанавливают барботажные трубки, разбрызгивающие форсунки или создают спиральный поток воды вокруг трубы. Интенсивное перемешивание необходимо также для удаления пузырьков воздуха, оседающих на поверхности трубы и нарушающих теплообмен, из-за которых на поверхности появляются оспины.

Температура охлаждающей воды выбирается в зависимости от полимера, а также с учетом требований, предъявляемых к трубам. При очень низкой температуре поверхностные слои имеют аморфную или мелкокристаллическую структуру, а во внутренних слоях возникают кристаллические образования больших размеров. Для выравнивания структуры применяют охлаждение по зонам, с различной температурой или двухстороннее охлаждение. В некоторых случаях для этого внутрь трубы подают водно-воздушную смесь или охлажденный воздух. Трубы из ПЭ в.пл. охлаждаются водой с температурой 10-15 °С, поскольку полимер имеет высокую скорость кристаллизации, на размеры структурных образований и прочность это отрицательно не влияет.

Трубы хорошего качества получаются, если температура расплава на внутренней поверхности после выхода из ванны понижается до температуры плавления или текучести, поэтому необходимо обеспечивать определенную скорость отвода трубы тянущим устройством. Если отвод трубы чрезмерно ускорить, расплав на внутренней поверхности срезается плавающей пробкой и гладкость трубы нарушается. Высокая температура на внутренней поверхности после охлаждения приводит к увеличению размеров кристаллических структур и ухудшению качества труб, возможна также деформация труб при сжатии их треками тянущего устройства.

5.1.5. Маркировка и упаковка труб

После охлаждающей ванны по ходу движения трубы обычно устанавливают устройство для измерения ее длины и маркировки (см. рис. 5.1). Надпись на трубы наносится накаткой краски или методом горячего тиснения. На обогреваемом ролике надпись выполняется в виде выступающих знаков, которые при нажатии на трубу оставляют углубления. Затем труба поступает в тянущее устройство, с помощью которого обеспечивается постоянная скорость отвода трубы. При этом труба должна иметь хорошее сцепление с треками или роликами тянущего устройства, исключающее ее проскальзывание и появление вследствие этого кольцевых утолщений стенки.

Гибкие трубы сматывают в бухты определенного радиуса, предусмотренного ГОСТами или техническими условиями. Бухты связывают и в таком виде после испытаний отправляют потребителю. Трубы большого диаметра с помощью режущего устройства разрезаются на отрезки определенной длины и упаковываются в виде связанного пучка. Для отрезания труб применяют вращающиеся фрезы или заточенные диски, последние не образуют стружку. Перед упаковкой труб периодически проводится визуальный осмотр, измерение основных размеров (диаметра, толщины стенки) и испытание на соответствие ГОСТам. На современных агрегатах диаметр трубы и толщина стенки измеряются автоматически приборами.