Методы получения листов и пленок

Основные методы производства полимерных пленок и листов отражены в табл. 2.6 и 2.7.

Таблица 2.6. Основные методы производства полимерных пленок.

Знаком 4+> обозначены применяемые, а знаком «-* нспримсняемыс методы производства.

Таблица 2.7. Основные методы производства листов из термопластов.

* Знаком «+» обозначены применяемые, а знаком? -" неприменяемые методы производства. ** Прессованием получают листы повышенной толщины после экструзии или каландрования.

Получение листов и пленок экструзией

Принципиальная схема экструзионного агрегата для производства листов приведена на рис. 2.2. Листовая заготовка из экструдера 1 попадает в межвалковые зазоры гладильных валков 5−7 каландра 4, где осуществляются калибровка листа по толщине, нанесение глянца на поверхность листа и некоторое его охлаждение. После калибровки листовой материал попадает на охлаждающие валки 8 и 9 и по рольгангу 10, снабженному дополнительным охлаждающим приспособлением, с помощью.

Рис. 2.2. Схема листовального агрегата: 1 — экструдер; 2— фильтр; 3 — плоскощелевая головка; 4 — каландр; 5−7 — гладильные валки; 8,9 — охлаждающие валки; 10 — рольганг; 11 — тянущие валки; 12 — устройство для обрезания продольных кромок; 13 — гильотинные ножи; 14 — стол; 15 — транспортирующее устройство тянущих валков 11 попадает на отрезное устройство 12 для резки продольных кромок. Поперечная резка листовой заготовки на листы заданного размера осуществляется гильотинными ножами 13, которые управляются с помощью фотоэлементов, регулирующих длину отрезаемого листа. Готовые листы с помощью транспортирующего устройства 15 автоматически укладываются на специальную тележку. Все приборы управления работой агрегата смонтированы в специальных шкафах.

Гладильное устройство напоминает по конструкции каландр, имеет один неподвижный валок (средний), совершающий только вращательное движение, и два других, корпуса подшипников которых перемещаются по отношению к среднему валку. Усилие между валками составляет 20−90 Н на 1 см длины валка. Валки термостатируются водой или маслом. Окружная скорость валков зависит от линейной скорости экструзии и обычно несколько превышает ее.

В зависимости от толщины листа и вида термопласта используют каландры с валками диаметром О от 200 до 800 мм и длиной от 3,60 до 80. Регулировка зазора осуществляется двумя ходовыми винтами, перемещающими валок каландра вместе с подшипниковыми узлами на заданную величину. В момент пуска установки и для чистки каландра валки размыкаются с помощью пневмопривода. Дополнительная калибровка в поперечном направлении не требуется. Современные установки для производства листов стабилизируют толщину листа в продольном (машинном) направлении с помощью сканирующего устройства, которое измеряет толщину заготовки и дает управляющий импульс на коррекцию отклонений от заданного значения. Обычно это изменение частоты вращения привода экструдера.

Пленки из полимерных материалов выпускаются двух типов — рукавные и плоские.

Рукавные пленки получают раздувом рукавной заготовки, полученной экструзией расплава полимера через кольцевую щель с помощью сжатого воздуха.

Агрегат для производства рукавных пленок выдавливанием заготовки и ее последующим раздувом вверх показан на рис. 2.3. Расплав полимера выдавливается экструдером 15 через экструзионную головку 7 в виде цилиндрической рукавной заготовки 8 и с помощью сжатого воздуха (давлением Р = 0,12 — 0,13 М Па), подаваемого внутрь заготовки, производится раздув до нужного размера. Утечке воздуха из полости рукавной заготовки препятствуют тянущие валки 4, которые плотно зажимают заготовку. Рукав охлаждается воздухом, принудительно подаваемым на заготовку через специальные сопла в охлаждающем кольце 6 воздуходувкой 13. Рукавная пленка складывается с помощью специальных щек 5. Обрезка кромок рукава (разделение.

Рис. 2.3. Схема производства рукавных пленок раздувом заготовки вверх: / — намоточные валки; 2 — режущее приспособление; 3 — направляющие валки; 4 — тянущие валки; 5 — складывающие (направляющие) щеки; 6 — охлаждающее кольцо; 7 — экструзионная головка; в — рукавная заготовка; 9 — шланг для подачи охлаждающего воздуха; 10 — регулировочный вентиль; 11 — шланг для подачи охлаждающего воздуха; 12 — приемные бобины; 13 — воздуходувка; 14 — ресивер воздушный; 15 — экструдер ма два плоских полотна пленки) осуществляется режущим приспособлением 2. После обрезки (если она требуется, но технологии) из рукава образуются два полотна, которые разглаживаются, а затем наматываются на приемные катушки 12.

Существуют два метода производства плоских пленок — с охлаждением заготовки на охлаждающих барабанах и в водяной ванне.

На рис. 2.4 показана принципиальная схема экструзионного агрегата для производства плоских пленок с охлаждением на барабане. В этом случае расплав полимера из угловой плоскощелевой экструзионной головки / выдавливается на охлаждающие барабаны 2 (охлаждение осуществляется водой, глицерином или термостойкими маслами), откуда, пройдя через систему роликов и дисковый нож 4 для обрезки продольных кромок, наматывается на приемный барабан 6. Продольные кромки могут наматываться на приемный барабан 5 или же непосредственно подаваться на специальные режущие устройства (для получения крошки) и снова возвращаться в производство.

Рис. 2.4. Схема экструзионного агрегата для производства плоских пленок с охлаждением на барабане: 1 — экструзионная головка: 2 —охлаждающие барабаны; 3 — толщиномер: 4 — дисковый нож; 5 — барабан для намотки кромок; 6 — барабан для намотки товарной пленки На рис. 2.5 представлена принципиальная схема агрегата для производства плоских пленок экструзией в водяную ванну. При охлаждении в воде получают пленки с зеркальным блеском и большей жесткостью. При охлаждении на барабанах пленки отличаются равномерностью физико-механических свойств. Агрегат работает следующим образом. Расплав полимера экструдером 1 выдавливается в виде плоской ленты через плоскощелевую головку 2 непосредственно.

Рис. 2.5. Схема экструзионного агрегата для производства плоских пленок с охлаждением в воде: 1 — экструдер: 2—плоскощелевая экструзионная головка; 3 — сливной патрубок; 4 — фильтрующая решетка; 5 — огибающий валок; 6—ванна с охлаждающей водой; 7—электронагреватель; 8 — приспособление для обрезки продольных кромок; 9 — тянущие валки; 10 — приемное устройство в ванну 6 с холодной водой, откуда с помощью тянущих валков 9 пленка материала подается на режущее приспособление 8 для обрезки продольных кромок. Готовая пленка наматывается на барабан приемного устройства 10.

В состав экструзионных агрегатов для производства листов и пленок входит много общих комплектующих устройств: экструдер, экструзионная головка (формующий инструмент), тянущие и приемные устройства. Экструдеры в этих агрегатах выполняют функции генератора расплава и, но конструкции могут отличаться числом шнеков и отношением длины шнеков к их диаметрам. В этих агрегатах, как правило, линейная скорость отбора заготовки намного превышает линейную скорость экструзии. За счет этого осуществляется продольная вытяжка (ориентация макромолекул).

Экструзионная головка представляет собой приспособление с выходным каналом определенной конфигурации, через который под давлением продавливается расплав полимера, и при этом образуется изделие или заготовка заданного профиля. Наиболее просто представить себе головку экструдера как фигурное отверстие, через которое течет установившийся поток расплава полимера. Профиль поперечного сечения матрицы головки определяет поперечное сечение экструдируемого изделия. Следует заметить, что профиль изделия и профиль матрицы могут не совпадать друге другом. В некоторых случаях между ними не существует даже геометрического подобия.

В зависимости от направления выхода экструдируемого материала различают головки прямоточные и угловые. В прямоточных головках направление потока расплава полимера совпадает с осью червяка.

В угловых головках направление течения расплава полимера в большинстве случаев изменяется на 90° по отношению к оси червяка.

В зависимости от сопротивления и давления, развиваемых в головках, иногда их подразделяют на головки низкого давления (давление до 6 МПа), среднего давления (от 6 до 20 МПа) и высокого давления (выше 20 МПа).

Для получения однослойных листов и плоских пленок чаще всего используют плоскощелевые головки. Существует множество конструкций головок подобного типа. Приведем ниже в качестве примера несколько наиболее популярных конструкций плоскощелсвых головок.

Прямоточные или угловые головки данного вида могут быть двух типов:

• • головки с клинообразным (клиновидным) распределительным каналом типа? рыбий" или «ласточкин» хвост (расплав сразу поступает непосредственно в распределительный канал);
• • головки с коллекторным распределением расплава.

Головки первого вида относятся к головкам равного сопротивления. Их клиновидная переходная зона служит для выравнивания давления перед зоной формования. На рис. 2.6 представлена конструкция, называемая «рыбий хвост». Здесь расширяющаяся входная зона переходит в выравнивающую плоскость, за которой следует формующая щель.

Бесколлекторные головки могут снабжаться дополнительной подпорной планкой (регулируемой преградой) или регулируемыми губками, как это показано на рис. 2.7, для снятия неравномерностей потока, оставшихся после клиновидного распределителя.

Рис. 2.6. Схема плоскощелевой нерегулируемой головки с непосредственным поступлением расплава в канал: I — приток материала.

Рис. 2.7. Схема плоскощелевой головки равного сопротивления с регулируемым положением губок: / — корпус: 2 — верхняя губка; 3 — нижняя губка: 4 — регулировочные винты: 5 — фланец: 6 — фильтр Недостатками подобных конструкций годовок являются большая металлоемкость и увеличенная площадь давления расплава на плиты головки. Кроме того, головки, не снабженные регулируемыми подпорными планками и (или) регулируемой губкой, предназначаются для работы лишь со строго определенным видом сырья и постоянными технологическими параметрами. Головки типа «рыбий хвост* из-за увеличенной площади давления расплава применяются только при производстве относительно узких листов и пленок.

Общим преимуществом бес коллекторных головок является простота их конструкции и относительно небольшая стоимость. Головки с коллекторными распределителями расплава относятся к головкам равного расхода, и геометрия коллектора рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить проход одинакового количества полимера в каждой точке зоны формования.

Головки коллекторного типа, один из примеров которых представлен на рис. 2.8, являются основным видом формующего инструмента для получения листов и пленок на современных технологических линиях. При ширине формующей щели (полезной ширине головки) менее 1000 мм могут использоваться головки с боковым входом расплава. При более широких формующих щелях используются головки с центральным входом расплава.

На рис. 2.9 даны схемы различных конструкций коллекторов плоскощелевых головок. Из приведенных на рисунке конструкций Т-образный коллектор (рис. 2.9, а) наиболее простой, однако такой канал требует дополнительных устройств — подпорной планки или дросселирующей щели (рис. 2.10) для выравнивания потока.

Рис. 2.8. Пример конструкции коллекторной головки: 1 — вход расплава; 2— переходник; 3,11 — верхняя и нижняя половины корпуса; 4 — шпилька, регулирующая положение дроссельной планки; 5 — резьбовая втулка; 6 — шпилька и резьбовая втулка, регулирующие положение верхней губки; 7 — винты, фиксирующие верхнюю губку; 8,9— губки; 10 — планка; 12 — отверстия под нагреватели; 13— электрообогрев.

Рис. 2.9. Виды коллекторов плоскощелевых головок: 1 — подводящий канал; 2— коллектор; 3 — формующий канал.

Рис. 2.10. Схема дросселирующей щели.

Наличие щели /, позволяет выравнивать расход полимера по всему сечению путем изменения величины 8,. Такие головки наряду с более сложной в изготовлении головкой с коллектором типа «вешалка» (рис. 2.9, б) используются как листовальные.

Длина формующей щели /_ф обычно бывает от 30 до 506, где 6 — номинальная величина зазора (высота щели).

Головка с коллектором типа «вешалка» при качественном исполнении обеспечивает равномерное течение полимера по всей ширине формующей щели. Коллекторы, представленные на рис. 2.9, в, являются упрощенными вариантами (для облегчения изготовления) коллектора тина «вешалка», кривизна которого относительно невелика. Угол, а в упрощенных вариантах (рис. 2.9, в) принимается от 0,5 до 3,0° в зависимости от вязкостных свойств полимера и конструктивных соображений. В торцах коллекторов, изображенных на рис. 2.9, а ив, могут образовываться застойные зоны Л.

Выше было рассмотрено два способа выравнивания давления в головках: создание головок равного сопротивления (например «рыбий хвост») и применение подпорной планки или дросселирующей щели. Еще один способ связан с применением шнека в коллекторе (рис. 2.11). Этот способ весьма дорогой и применяется лишь при производстве сверхшироких листов и пленок.

Конструкция типичной угловой головки для получения однослойной рукавной пленки представлена на рис. 2.12. Головка состоит из корпуса 1, в который на центрирующем конусе вставлен дорн 2 с коническим наконечником 5. Кольцевой канал,.

Рис. 2.11. Схема коллекторной головки с распределительным шнеком: 1 — коллектор: 2 — шнек.

Рис. 2.12. Схема угловой головки для экструзии рукавной пленки. Пояснения в тексте.

где формируется рукав, образован двумя формующими кольцами: нижним 7 и верхним 10. Фланец 4, который фиксируется на корпусе головки болтами 3, служит для крепления матрицы при помощи разрезной шайбы 6 и центровки нижнего кольца с помощью болтов 14. Верхнее формующее кольцо 70 крепится к нижнему утопленными болтами. В кольцевой паз, образующийся между кольцами, вставляется дросселирующее кольцо 9, которое может перемещаться в пазу при помощи болтов 8 и 12. На входном участке корпуса по ходу движения расплава установлена центрирующая втулка 15, внутри которой монтируются решетки 16 и 18 с пакетом фильтрующих сеток 17. Головка крепится к корпусу экструдера посредством фланца 19. Обогрев головки осуществляется пластинчатыми нагревателями 11 и 13, температура в зоне каждого нагревателя контролируется термопарами 20. Штуцер 21 служит для подвода в центральный канал дорна сжатого воздуха, раздувающего рукав. Расплав поступает в головку через входное отверстие корпуса 1 и распределяется разводящим каналом дорна вдоль кольцевого сборника канала А. Из кольцевого канала расплав в виде кольцевой струи течет через коническую кольцевую? цель В к формующей щели, образованной верхним формующим кольцом 10 и наконечником дорна 5. Установка одинакового по всему периметру радиального зазора в кольцевой щели производится посредством регулировочных винтов 14. Поперечная разнотолщинность пленки, возникающая вследствие неравномерного распределения давлений по периметру щели, устраняется дроссельным кольцом 9, смещаемым в канале таким образом, чтобы за счет уменьшения проходного сечения увеличить сопротивление и снизить давление на участках щели, на которых рукав имеет наибольшую толщину.

Питание проводится через специальные питающие отверстия. Через эти отверстия расплав попадает в спиральные каналы, нарезанные на поверхности дорна (нарезка чаще всего выполняется многозаходной). Поперечное сечение спирали по мере удаления от входа уменьшается, а зазор между дорном и головкой увеличивается. В результате происходит смешение потоков из отдельных питающих отверстий.

Термином «соэкструзия» определяют процесс изготовления многослойных листов и пленок с использованием нескольких экструдеров, подающих расплав в одну экструзионную головку. Существует несколько способов совместной экструзии. Один из них (рис. 2.13) предусматривает применение многоканальной головки 1, имеющей независимые каналы 2 для каждого полимера. Соединение отдельных слоев 3 происходит в зазоре калибрующих валков 4, что позволяет осуществить совместную экструзию полимеров, имеющих различные вязкость и температуру плавления. Раздельное течение отдельных потоков позволяет осуществлять независимое регулирование их толщины и контролировать характер распределения расплава вдоль щели головки.

При втором способе многоканальную головку снабжают общей формующей щелью, в которой происходит соединение всех потоков расплава. Основные ее преимущества — возможность исключить вредные выделения от внутренних слоев и получить тонкие полимерные слои.

Однако эти преимущества малы по сравнению с высокими затратами на изготовление головки и ее эксплуатацию. Подобного типа головки встречаются трехи пятислойные. Иногда предусматривается применение поворотных полостей, позволяющих регулировать распределение расплава по отдельным каналам и, следовательно, менять толщину слоев, что устраняет один из существенных недостатков многощелевой головки, но ее конструкция становится еще более сложной по исполнению и обслуживанию. Схема пятислойной головки показана на рис. 2.14.

Третий способ основан на применении специальных многоканальных переходников (адаптеров), в некоторых источниках их называют питающими блоками (рис. 2.15). Они устанавливаются в комплекте с обычной экструзионной головкой и предназначены для соединения нескольких потоков расплава, поступающих от.

Рис. 2.13. Схема работы двухканальной головки с независимыми каналами: 1 — головка; 2 — независимые каналы; 3 — слои полимера; 4 — калибрующие валки.

Рис. 2.14. Пятислойная голоока с общим формующим каналом (стрелками показаны входы о каналы, подключаемые к отдельным экструдерам).

отдельных экструдеров. Такая система универсальна, позволяет производить совместную экструзию тонких (10% и менее от общей толщины) слоев. Путем замены деталей внутри питающего блока можно изменить положение и количество потоков расплава в общей структуре. Разделение потоков, выходящих из каждого экструдера, на два и более слоя, создает многослойные конструкции, состоящие из пяти, семи и девяти слоев.

Применение такой системы возможно благодаря низкому числу Рейнольдса, характеризующему полимеры, а как следствие — лам и н арность течения. I (сдостатки этой системы заключаются в трудности регулирования толщины каждого слоя и необходимости подбора полимеров, близких по вязкости и температуре переработки.

Для получения вспененных листов из термопластов применяют химический и физический способы вспенивания.

Рис. 2.15. Многомодульная конструкция питающего блока: 1 — блок преобразования потоков; 2 — блок формования и регулирования отдельных потоков; 3 — блок распределения расплава на дополнительные потоки; 4 — трехканальный переходник Для целей термоформования предпочтительнее использовать листовые материалы, состоящие из внутреннего вспененного слоя, покрытого с обеих сторон сплошным монолитным слоем жесткого полимера. Такое строение материала обеспечивает ему малый вес и одновременно высокую прочность, жесткость, сопротивление удару и гладкую глянцевую твердую поверхность. Листы такого строения фирмы-производители получают двумя принципиально различными способами: по технологии дифференциального вспенивания и по технологии соэкструзии, что определяет некоторые различия в строении листов и, соответственно, в эксплуатационных характеристиках и технологии их термоформования.

Наиболее распространена технология дифференциального вспенивания. Она позволяет получать лист с мелкоячеистой однородной структурой и матовой гладкой поверхностью толщиной около 0,1 мм и заключается в том, что после выхода из головки экструдера вспененная масса поступает в калибратор. При получении вспененных листов их П ВХ (технология СеШка) калибратор представляет собой две параллельные металлические пластины с заданной температурой и точным расстоянием между ними, которое определяет конечную толщину листа (рис. 2.16, а). При прохождении листа через калибратор происходит выделение газа из его верхнего и нижнего слоев, которые непосредственно соприкасаются с металлическими пластинами калибратора. В этих местах происходит сплавление материала в однородный монолитный слой. Толщина этого слоя может регулировать я скоростью прохождения листа и температурой металлических пластин калибратора. Такая технологическая схема с достаточно быстрым охлаждением всей массы листа определяет и специфическое строение ячеистой внутренней структуры вспененного материала: в центре листа ячейки вспененной массы самые крупные, а по мере приближения к поверхности листа их размер уменьшается. При получении дифференциально вспененных листов из ряда других термопластов используются калибраторы валкового типа, однако суть технологии остается той же. Определяющим фактором процесса является.

Рис. 2.16. Способы получения вспененного листа' а — процесс дифференциального вспенивания; б — процесс соэкструзии; 1 — экструдер; 2 — формующая головка; 3 — первый калибратор; 4 — второй калибратор; 5 — тянущее устройство; 6 — соэкструдер конструкция экструзионной головки, в которой должны быть соблюдены условия для исключения преждевременного вспенивания расплава, так как это приводит к образованию неравномерной структуры и некачественной поверхности листа. Однако морфология ячеистой структуры во многом зависит и от состава композиций. Строение листов, изготовленных по технологии дифференциального вспенивания, определяет технические характеристики, условия эксплуатации и режимы переработки этих листов в готовые изделия.

Другой способ изготовления листов, состоящих из внутреннего вспененного слоя и покрывающих его сверху и снизу двух слоев сплошного твердого полимера, проводится по технологии соэкструзии. В этом случае из щелевой головки основного экструдера выходит вспененный лист, а из соэкструдсра на верхнюю и нижнюю поверхности основного листа наносится слой заданной толщины из монолитного полимера. Затем этотсоэкструдированный лист проходит через гладильный каландр. В нем лист охлаждается, доводится до заданной толщины и приобретает в зависимости от назначения глянцевую или матовую наружные поверхности.

Использование технологии соэкструзии имеет ряд преимуществ перед технологией дифференциального вспенивания. При соэкструзии технологически проще варьировать толщину поверхностных слоев изменением скорости подачи массы материала из соэкструдера. При разных технологических схемах вместо одного соэкструдсра можно использовать два — отдельно для нижнего и верхнего соэкструдированных слоев (рис. 2.16, б). К тому же при соэкструзии можно использовать разные исходные материалы. Например, для внутреннего вспененного слоя берут дешевый вторичный материал, остающийся после обрезки или отбраковки других листов, а для соэкструдированных поверхностных слоев используют высококачественный первичный полимер. Это позволяет получить дешевый легкий листовой материал с такими же прочностными и эксплуатационными характеристиками, как и в случае листов из дорогого первичного материала. Внутренняя вспененная часть обеспечивает малый вес, а внешние «рабочие» слои несут все прочностные нагрузки и обеспечивают высокое качество поверхности.

На рис. 2.17 приведена схема устройства для производства листов из пенопластов, дублированных термопластичной пленкой. В качестве исходного материала может быть использован тонкий рулонный пенопласт, подаваемый размоточным устройством 1. Затем материал проходит узлы подогрева 2 и охлаждения 3 с целью снятия внутренних напряжений, которые образуются в структуре материала при изготовлении. Пленка, подаваемая из рулонов 4, проходит по нагревающим барабанам 5, соединяется с лентой из пенопласта в зазоре прессующих валков 6. Фиксация структуры материала происходит в охлаждающем устройстве 7. Материал протягивается тянущими валками и режется поперек гильотинным ножом 8.

Технологические режимы экструзионных методов 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. 2.8, следует рассматривать лишь как ориентировочные.

Таблица 2.8. Температурные режимы экструзии некоторых типов полимеров.

Рис. 2.17. Устройство для получения листов из пенопластов, сварных с пленкой. Пояснения в тексте

Рис. 2.18. Схема автоматического контроля толщины плоских пленок.

При экструзии плоских и рукавных пленок скорость потока расплава полимера различна в разных точках сечения головок. Благодаря наличию градиента скорости макромолекулы полимера ориентируются в продольном направлении 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 свойства листов и пленок в направлении экструзии, а в поперечном направлении они уменьшаются.

Деформационные свойства в направлении экструзии могут как возрастать, так и уменьшаться (соответственно они снижаются или возрастают в поперечном направлении) в зависимости от применяемого материала и степени вытяжки. По этой причине ориентированные полимеры обладают анизотропией механических свойств.

Если подвергнутые вытяжке листы или пленки нагреть выше температуры размягчения и дать возможность свободно перемещаться, то они самопроизвольно ползут.

Рис. 2.19. Схема вырубки образцов из листовых и пленочных термопластов.

(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 усадки могут быть сведены к минимуму.

Помимо повышения прочности в несколько раз, многоосная ориентация повышает прозрачность пленки и обеспечивает меньшую паро-, газои водопроницаемость.

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

Имеется следующая эмпирическая зависимость для определения анизотропии механических свойств одноосно ориентированных пленок (полученная на примере полипропилена):

где а_р — прочность при растяжении под произвольным углом, а к направлению ориентации; а₀ — прочность при растяжении вдоль оси ориентации, т. е. при, а — 0 (рис. 2.19);

 — прочность при растяжении при, а — 45°; — прочность при растяжении в направлении, перпендикулярном ориентации, т. е. при а — 90°.

При оценке листового материала наряду с качеством поверхности и равнотолщииностью большое значение имеют их деформационно-прочностные показатели, определяемые для данного тина перерабатываемого материала параметрами экструзии. При дальнейшей переработке листового материала интересно знание закономерности изменения как деформационных, так и прочностных показателей в зависимости от угла к направлению экструзии.

Рассмотрим в качестве примера [ 14) результаты исследования зависимости деформационно-прочностных характеристик листов из полиэтилена высокого давления от параметров экструзии. Листы экструдировались при температурах в головке 130, 150 и 170 °C. Выходящий лист попадал на охлаждающие валки, температура которых поддерживалась постоянной (180 °С) путем регулирования количества охлаждающей воды, подаваемой в полости валков. За степень ориентации принималось отношение окружной скорости калибровочных валков к линейной скорости экструзии. Линейную скорость экструзии вычисляли по формуле:

где (7 — массовый расход через головку; р₍ — плотность расплава полимера при температуре экструзии; В — ширина оформляющей щели; к — высота оформляющей щели.

Стандартные образцы для испытаний прочности при растяжении вырубали из экструдированного через щель высотой в 2,3 и 4 мм листа под разным углом к направлению течения (рис. 2.19). Для каждого значения угла, а брали по четыре образца. Угол меняли в пределах от 0 до 90°. Испытания проводили на разрывной машине при постоянной скорости, равной 350 мм/мин. Зависимости прочности при растяжении Ор и относительного удлинения е_р при разрыве для ПЭВД от степени вытяжки при температуре головки 130 °C представлена на рис. 2.20.

Из приведенных зависимостей видно, что максимальная прочность при растяжении наблюдается вдоль вытяжки при всех температурах экструзии и степенях вытяжки, т. е. при, а = 0. С увеличением угла а прочность падает. Это объясняется тем, что по мере отклонения от направления ориентации противодействующие силы межмолекулярного взаимодействия убывают. Относительное же удлинение вдоль вытяжки меньше, чем в перпендикулярном к ней направлении, что объясняется меньшей гибкостью и способностью к деформации предварительно распрямленных цепей. При этом оказалось, что при всех температурах экструзии характер кривых один и тот же. То есть максимальная прочность и минимальное относительное удлинение наблюдаются при, а — 0. а с увеличением угла, а прочность надает, относительное удлинение возрастает.

Кривые прочности при растяжении о_р и относительного удлинения при разрыве е_р от угла, а к направлению течения при одной и той же степени вытяжки можно получить, соединив соответствующие значения на лучах р (кривые 7 и 2 на рис. 2.20). При этом кривые 1 хорошо описываются следующей эмпирической зависимостью:

Рис. 2.20. Зависимость прочности при растяжении о_р и относительного удлинения е_р от угла ориентации а образцов к направлению экструзии: 1 — прочность; 2 — относительное удлинение.

где о^— значения прочности при растяжении при произвольных значениях угла а; А = (о°_р — о^°)/2; — прочность при растяжении при а — 0°, т. е. вдоль вытяжки;

о®⁰ — прочность при растяжении при, а — 90°, т. е. в перпендикулярном вытяжке направлении; В = (о°_р — о*°)/2; а — угол между направлением течения (ориентации) и осью образца.

Кривые 2 хорошо описываются эмпирической формулой:

где 8″ — относительное удлинение при разрыве для произвольных значений угла а; С = (е?° - е_р)/2; е?°— относительное удлинение при разрыве в перпендикулярном вытяжке направлении, т. е. при, а = 90°; е® — относительное удлинение при разрыве вдоль вытяжки, т. е. при

Таким образом, с изменением степени вытяжки и температуры экструзии меняются значения коэффициентов; общая же закономерность изменения а_р и е_р сохраняется.

В монографии Фридмана [27] приведены данные исследований физикомеханических свойств плоских и рукавных пленок из ПЭВП, показывающие зависимость разрушающих напряжений при растяжении от степени раздува и направления ориентации.

В процессе экструзии листов и пленок возникает ряд трудностей, связанных с дефектами получаемых изделий, наладкой процесса и т. д. В табл. 2.9 и 2.10 приводятся наиболее распространенные виды дефектов и рекомендации по их устранению.

Таблица 2.9. Виды брака при экструзии листов.

Таблица 2.10. Виды брака при экструзии пленок.