Агрегаты для производства листов и плоских пленок

Листы и плиты, как и плоские пленки, изготавливают экструзией полимеров через плоскощелевые головки. Разделение изделий на «пленки» и «листы» по толщине носит условный характер. Правильнее, по-видимому, применять эти термины, руководствуясь не столько толщиной материала, сколько свойствами (прежде всего жесткостью) полимера и типом используемого перерабатывающего оборудования. Действительно, плоские изделия из ПЭНП толщиной до 0,35—0,5 мм (пленки) имеют относительно малую жесткость, изготавливаются на агрегатах для получения пленок (плоских и рукавных) и как конструкционный материал использоваться не могут. В то же время жесткие полиолефины, такие как ПЭВП и особенно ПП, при толщине изделия свыше 0,35—0,5 мм перерабатывают на оборудовании, предназначенном для производства листов. Эти материалы достаточно жестки, их неудобно наматывать в рулоны. Таким образом, с технологической и эксплуатационной точек зрения к листам могут относиться плоские изделия и полуфабрикаты, изготавливаемые на листовальных агрегатах (линиях) и имеющие толщину: для ПЭНП — >0,5 мм, для ПЭВП —? 0,35 мм и для ПП —? 0,25 мм. Для других полимеров, проявляющих повышенную жесткость, минимальная толщина листов существенно меньше 0,5 мм. Так, изделия из ударопрочного полистирола и пластмасс на основе эфиров целлюлозы принято характеризовать как листы при толщине >0,125 и >0,25 мм соответственно. Листы толщиной >5 мм, используемые как конструкционный материал, например в строительной технике, часто называют плитами. Плиты толщиной до 8—10 мм изготавливают исключительно методом экструзии. Более толстые плиты изготавливают методом прессования гранулированных ПО или предварительно пластицированного расплава, а также прессованием нескольких листов или пленок.

Листы изготавливают продавливанием расплава полимера через формующий инструмент с горизонтальной плоской щелью и последующим охлаждением и калиброванием экструдата по толщине на специальных валковых устройствах. Типичная технологическая схема процесса и компоновка оборудования современной листовальной линии показана на рис. 2.97.

Расплав полимера, подготовленный в цилиндре машины 7, экструдируют через плоскощелевую головку 2. Полученная таким образом горячая заготовка направляется в зазор между валками с хромированной и полированной поверхностью. Устройство 3, включающее, как правило, три валка, не только охлаждает полимер, но и фиксирует лист по форме и толщине, а также сглаживает его поверхность, которая при такой обработке приобретает зеркальный блеск. В промышленной практике это устройство называют листовальным каландром, хотя это принципиально неверно. Несмотря на то что при прохождении листовой заготовкой валков может иметь место так называемый «каландровый эффект», по своим основным технологическим функциям это гладильно-калибровочное и охлаждающее устройство, которое мы будем для краткости называть гладильными валками.

После гладильных валков лист проходит толщиномер 4 и продвигается по роликовому транспортеру (рольгангу) 6, 8и 10. В начале рольганга могут устанавливаться дополнительные охлажда;

Рис. 2.97. Схема агрегата для изготовления листов и плит

ющие (или, наоборот, нагревательные) устройства 5. Продвижение листа по всей линии обеспечивает вытяжное устройство 7, основным рабочим элементом которого является обычно пара валков с гуммированной поверхностью. В состав комплектной линии входит устройство 9 для продольной резки охлажденного листа на полосы (ленты), оснащенное дисковыми ножами, а также машина (станок) 11 для поперечной резки, представляющая собой либо ножницы ударного (гильотинного) действия (для листов толщиной до 4—5 мм), либо дисковую пилу (при толщине изделия >5 мм). Лист, разрезанный на куски определенной длины и ширины, попадает на товарный стол 12, выполняющий также функции укладчика.

В настоящее время описанным способом из полиолефинов изготавливают листы толщиной 0,25—12,5 мм при ширине до 2,5— 3,0 м. Разработаны установки для выпуска листов из полиолефинов (ПО) толщиной до 20 мм и шириной до 4 м.

Наиболее широкое применение находят листы толщиной 2— 6 мм и шириной до 1800 мм. Экономически наиболее выгодно производить относительно широкие листы (600—1500 мм) даже в тех случаях, когда требуются более узкие изделия.

Подавляющая часть листов из ПО используется для облицовки химической аппаратуры и в качестве полуфабрикатов для термоформования всевозможных изделий. Однако в последнее время листовые материалы начали использовать для упаковки. Успехи в этой области связаны прежде всего с разработкой нового листового материала, получившего название картонпласт. Технология изготовления картонпласта в принципе аналогична технологии производства обычных листов, но при этом применяют плоскощелевые головки с формующей частью, оснащенной продольными призматическими стержнями, так что получается лист, представляющий собой две тонкие пластины, соединенные перемычками. Полотно картонпласта нарезают, как обычно, на мерные куски, из которых в дальнейшем на прессах, оборудованных специальными штампами, вырубают заготовки — «выкройки», представляющие собой плоскостную развертку упаковки.

Листы и плиты, выпускаемые современной промышленностью, относятся к крупногабаритным изделиям и полуфабрикатам. Большие размеры листов и плит (ширина и толщина) обусловливают необходимость использования для их изготовления высокопроизводительного оборудования. Поэтому листовальные агрегаты отличаются от установок для изготовления пленок более мощными экструдерами и вспомогательным оборудованием, обладающим повышенной пропускной способностью.

В большинстве случаев экструзионные линии для получения листов из ПО имеют производительность 150—250 кг/ч. Производительность установок для изготовления листов и плит толщиной до 10 мм и шириной до 3 м, как правило, составляет 500—800 кг/ч. Разработаны и выпускаются агрегаты, которые обеспечивают получение плит толщиной до 12,5 мм при ширине до 3,5 м с производительностью 1000—1500 кг/ч. Однако экономическая эффективность подобных крупнотоннажных установок в силу ряда причин обычно невысока. Кроме высокой стоимости самого оборудования это объясняется большим количеством отходов и некондиционной продукции, возникающих при пуске подобных линий в работу и наладке технологического режима. Переналадка крупных агрегатов при переходе с одного материала на другой при широком ассортименте перерабатываемых материалов требует больших сырьевых и энергетических затрат. В целях сокращения времени вывода крупнотоннажных установок на нормальный режим работы для удобства обслуживания необходимо использовать устройства для полуавтоматической регулировки зазора формующей щели головки. Такие установки блокируют с толщиномером, работающим на изотопных датчиках. Такая система существенно удорожает стоимость формующего инструмента, усложняет его наладку и ремонт.

Отмеченные недостатки крупнотоннажных установок приводят к снижению их технологической «мобильности» и рентабельности. Поэтому наряду с разработкой и совершенствованием оборудования большое значение приобретают оптимизация работы установок средней мощности и интенсификация технологического процесса переработки. Сведения, приводимые далее, касаются в основном наиболее распространенных в промышленности линий, предназначенных для изготовления листов из ПО толщиной 2— 8 мм и шириной 600—2000 мм.

Экструдеры для переработки ПО в листы оснащают шнеками с относительной длиной L/D >20:1; чаще всего рабочая длина шнека L составляет (25 + 30)/)для ПЭ и (25 40)/)для ПП. Увеличение длины шнека способствует повышению производительности и улучшению гомогенизации расплава. Экструдеры со шнеками длиной 30/) и выше, как правило, включают помимо зон загрузки, пластикации и дозирования зону дегазации, что особенно важно для экструзии ПП, склонного к термоокислительной деструкции, сопровождающейся выделением газообразных продуктов, существенно снижающих качество листа.

Головка для экструзии листов должна обеспечивать достаточно равномерное распределение потока расплава по всей ширине формующего зазора. Это достигается установкой дросселирующих устройств (клапаны специальной конструкции) и решеток с сетками, играющими дополнительно роль фильтра и увеличивающими противодавление. Число сеток в пакете зависит от вязкостных свойств перерабатываемого материала, его чистоты, конструкции головки и т. д. Чаще всего используют три сетки с последовательно увеличивающейся по ходу экструзии плотностью. Для чистых материалов, например ПП, рекомендуется устанавливать сетки с числом отверстий на 1 см², равным 80, 100 и 800. При наличии механических примесей в том же ПП приходится увеличивать плотность сеток до 100, 900 и 2500 отверстий на 1 см².

Как видно из рис. 2.97, в состав экструзионных агрегатов для производства листов, плоских и рукавных пленок входят: приемные и размоточные устройства; охлаждающие устройства; транспортирующие устройства; режущие приспособления для продольной (при производстве рукавной и плоской пленок) и поперечной (при производстве листов) резки; намоточные устройства (в агрегатах для производства рукавных и плоских пленок); тянущие устройства; устройства для нанесения тиснений и печати (в специальных агрегатах).

Приемные устройства экструзионных агрегатов для производства листов из термопластов представляют собой гладильные каландры, предназначенные для приема и фиксации плоской формы экструдата и его толщины, разглаживания, глянцевания и предварительного охлаждения. Двухстороннее разглаживание обеспечивается тремя валками, привод которых осуществляют от общего вала зубчатой цепью или червячной передачей.

Из головки листовая заготовка выходит горизонтально и попадает в межвалковый зазор. Дальнейшее перемещение листа может происходить по двум схемам: с огибанием верхнего или нижнего валка в случае применения трехвалкового устройства. Чаще применяют вторую схему, при которой обеспечиваются меньшее провисание и наиболее гладкая поверхность изделия. Валки должны иметь достаточно большую поверхность охлаждения, поэтому их диаметр относительно велик: 250—400 мм. Поверхность валков хромируют и тщательно полируют для предотвращения прилипания полимера и отпечатывания на листе дефектов поверхности валков.

Валки должны равномерно соприкасаться с листом по всей ширине гладильного устройства во избежание образования матовых пятен и полос на изделии. Усилие прижатия валков друг к другу выбирается на основе экспериментальных данных в пределах 200— 1000# на 1 см длины валка. Под действием этого давления цапфы валков могут деформироваться (давать прогиб). Для компенсации этого прогиба верхний и нижний валки снабжены специальными компенсаторами.

Важно также, чтобы система термостатирования обеспечивала равномерность температуры по всей длине и поверхности валков. В противном случае в листе возникают внутренние напряжения, обусловленные неравномерностью нагрева, и протягивание (отбор) полотна листового материала становится неравномерным. Обычно гладильные каландры устанавливаются на некотором расстоянии от выходных кромок оформляющих губок плоскощелевых экструзионных головок. Поэтому температура листовой заготовки, попадающей в межвалковый зазор каландра, несколько ниже (на 10—20°), чем температура расплава полимера в головке. С учетом этого обстоятельства и того, что окружные скорости валков каландров одинаковы (фрикция отсутствует), можно приближенно считать, что материал в межвалковом зазоре подвергается упругой деформации сжатия.

Приемное оборудование включает обычно кроме гладильного устройства роликовый транспортер и тянущие валки. В зависимости от производительности установки и толщины листа рольганг может иметь длину до 3 м и больше. Для интенсификации охлаждения листа для нескольких первых валков конвейера может предусматриваться внутреннее водяное охлаждение. Иногда лист на этом участке рольганга обдувают с двух сторон воздушными вентиляторами.

Во избежание провисания теплого листа расстояние между роликами конвейера не должно быть слишком большим. Тянущие валки имеют поверхностное гуммирование. Очень важным фактором, во многом определяющим физико-механические показатели листовых материалов, является тщательная синхронизация вращения тянущих и гладильно-калибрующих валков. Вследствие усадки листа в процессе его передвижения по рольгангу тянущие валки должны вращаться с меньшей частотой, чем валки гладильного устройства (при переработке полиолефинов — в среднем на 3—7 %).

На участке перемещения полотна по рольгангу иногда предусматривают тепловые элементы (излучатели). Дополнительная термообработка способствует уменьшению внутренних напряжений и улучшению качества поверхности листа.

Оборудование для резки тонких листов (< 6 мм) представляет собой ножницы гильотинного типа. Для поперечной резки толстых листов и плит используют малогабаритные циркулярные пилы, которые устанавливают на каретке. Одновременно с вращением режущего инструмента каретка перемещается в поперечном направлении.

Так как за время разрезания полотно проходит некоторый путь в продольном направлении, то во избежание образования косого среза каретка должна также перемещаться на некоторое расстояние вместе с листом (т. е. в продольном направлении). После отрезания мерного куска каретка быстро возвращается (откатывается) в исходное положение. Продольную резку листа на полосы и обрезку кромок осуществляют дисковыми или обычными плоскими ножами.

Оборудование для укладки продукции включает в себя достаточно жесткий и ровный стол, на котором листы укладываются в пачки во избежание их деформирования. Стол может быть покрыт бумагой; использование бракованных (неровных) листов, полученных при наладке процесса, в качестве подкладок недопустимо. В современных установках, в первую очередь на линиях для производства крупногабаритных плит, масса которых может достигать 100 кг и более, предусматривают устройства, исключающие ручной труд по укладке изделий. Для этой цели могут использоваться, например, автоматические укладчики с вакуумными приспособлениями («присосками»), поднимающие плиты и перемещающие их в сторону от линии, где предварительно установлена тара для упаковки и хранения продукции.

Современные технологические линии комплектуют вспомогательным оборудованием, системами автоматизации и многочисленными приборами. Устанавливают устройства для предварительной подсушки и подогрева гранулированного сырья, пневмозагрузчики гранул, приспособления для намотки обрезанных кромок, вентиляторы для отсоса стружки, образующейся при распиливании листов и плит.

Кроме систем автоматического термостатирования зон экструдера, головки и валков гладильного устройства линии оснащаются: механическими, электрическими и электронными приборами синхронизации частоты вращения соответствующих групп валков; толщиномерами (обычно с источником p-излучения) для периодического или непрерывного контроля и записи толщины листа в обоих направлениях; «путевыми» и концевыми микровыключателями; приборами для снятия накапливающегося на листах статического электричества и т. д.

В линиях для производства плоских и комбинированных пленок как экструзионным, так и каландровым методом пленка после охлаждения попадает на приемные устройства. В этих линиях приемные устройства представляют собой систему валков, число и размеры которых определяются технологическим процессом, свойствами и размером готовых пленок. От приемных устройств пленка транспортируется к намоточному устройству.

Устройство для приема плоской пленки (рис. 2.98), полученной экструзионным методом, состоит из станины 1, а также установленных на ней отклоняющих роликов 3 и устройства 4 отбора (намотки) кромок. Плотная установка валков 2 исключает образование складок на пленке и способствует ее равномерной вытяжке. На промежуточных валках могут осуществляться такие технологические операции, как дополнительная вытяжка, обогрев или охлаждение, тиснение, термостатирование и т. п. В зависимости от назначения применяются различные схемы расположения валков (см. рис. 2.98), причем валки выполняют стальными, алюминиевыми или фторопластовыми. Валки для термостатирования пленки при 313—403 К изготавливают из стали с внутренней вставкой, образующей канал для течения теплоносителя.

Рис. 2.98. Схема устройства для приема плоской пленки.

Для обрезки кромок применяют следующие устройства: с пневматически регулируемым отжимным ножом на валке, имеющим твердость стекла (для мягких и тонких пленок); с вращающимися дисковыми ножами, работающими по принципу ножниц. При этом кромки либо удаляют пневматически, либо отводят вытяжными устройствами в емкость для отходов. Намотку кромок осуществляют на малых скоростях приема.

Технологические режимы переработки термопластов в листы, плоские и рукавные пленки зависят от природы, молекулярных и реологических характеристик материала, конструкции применяемого оборудования и ряда других факторов. Температуры экструзии могут варьироваться в довольно широких пределах, а значения технологических параметров, приведенные в табл. 2.4, следует рассматривать лишь как ориентировочные.

При экструзии плоских и рукавных пленок скорость потока расплава полимера различна в разных точках сечения головки. Благодаря наличию градиента скорости макромолекулы полимера ориентируются вдоль направления потока. При экструзии листов и пленок из термопластов экструдат по выходе из формующего инструмента разбухает и, как правило, отбирается приемными устройствами. Окружная скорость валков калибрующего устройства превышает линейную скорость экструзии и благодаря этому происходит дополнительная продольная ориентация. В результате продольной ориентации макромолекул существенно возрастают прочностные характеристики листов и пленок в направлении экструзии и уменьшаются в поперечном направлении. Деформационные показатели в направлении экструзии могут как возрастать, так и уменьшаться (соответственно снижаются или возрастают в поперечном направлении) в зависимости от перерабатываемого материала и степени вытяжки.

По этой причине ориентированные полимеры обладают анизотропией механических свойств.

Если подвергнутые вытяжке листы нагреть выше температуры размягчения и дать им возможность свободно перемещаться, то.

они самопроизвольно «ползут» (сокращаются), при этом прочностные показатели стремятся вернуться к значению для нерастянутого листа (пленки). При нагреве вытянутых листов ниже температуры плавления кристаллитов прочность снижается лишь незначительно, а путем фиксирования нагреваемого листа усадка может быть сведена к минимуму.

С повышением скорости сдвига или с возрастанием температуры расплава полимера увеличивается также поверхностный глянец листов.

В процессе экструзии листов и пленок возникает ряд трудностей, связанных с дефектами получаемых изделий, наладкой процесса и т. д. В табл. 2.5 приведены наиболее распространенные виды дефектов листов и рекомендации по их устранению.

Таблица 2.5. Виды брака при экструзии листов и методы их устранения.