«В.И. Кимельблат, И.В. Волков ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Казань КГТУ 2007 УДК 678.74.21 В.И. Кимельблат, И.В. Волков Техника и технология производства ...»

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

В.И. Кимельблат, И.В. Волков

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА

ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ

ДЕТАЛЕЙ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Казань КГТУ 2007 УДК 678.74.21 В.И. Кимельблат, И.В. Волков Техника и технология производства полимерных труб и соединительных деталей: учебное пособие/ сост.: В.И. Кимельблат, И.В. Волков. – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-т – 2007. – 220с.

ISBN 978-5-7882-0444- Представлены сведения о современном состоянии техники и технологии производства полимерных труб и соединительных деталей, тенденциях его развития и актуальных новациях. Рассмотрены вопросы организации производства и методы контроля.

Предназначено для студентов всех форм обучения по направлению 240500 – Химическая технология высокомолекулярных соединений и полимерных материалов, изучающих дисциплины «Полимерные композиционные материалы», «Основы переработки полимеров», «Новейшие технологии переработки полимеров».

Может представлять интерес для аспирантов, научных сотрудников, инженеров, технологов и руководителей предприятий.

Подготовлено на кафедре «Химии и технологии переработки эластомеров».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского государственного технологического университета Рецензенты: зав.каф. ТСМИК, д-р. техн. наук, проф. В.Г.Хозин (Казан. гос. архит.-строит. ун-т) зав.каф. «Основы конструирования», д-р. техн. наук, проф. А.М.Арасланов (Казан. гос. технич. ун-т) © Кимельблат В.И., Волков И.В., © Казанский государственный технологический университет,

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И

СОКРАЩЕНИЯ

А – амплитуда автоколебаний напряжения сдвига после высокоэластического срыва (кПа);

Aр – расчетные значения амплитуды автоколебаний напряжения сдвига, Aр=f(12, D) (кПа);

БМП – бимодальный полиэтилен высокой плотности;

ГПХ – гельпроникающая хроматография;

ДПП – длительная пластическая прочность;

ДХП – длительная хрупкая прочность;

ДЦР – длинноцепная разветвленность;

ММ – средние молекулярные массы, Mn, Mw, Mz,, Mz+1 (г/моль);

ММР – молекулярно-массовое распределение;

ПТР, ПТР2.16, ПТР5, ПТР21.6 – показатель текучести расплава при 190°С и соответствующих нагрузках (г/10мин.);

ПЭ, ПВД, ПНД - полиэтилен высокого и низкого давления;

РДР – «релаксация давления расплава», условное название метода изучения молекулярной подвижности в расплавах полимеров;

D – разбухание экструдата при =120 c-1 (%);

& F – функция падения давления, измеряемая в МПа, если F= Р(t), и безразмерная величина, если F= Р(t)/ Р0;

Н, H()– спектральная функция РДР, измеряемая в МПа, если F= Р(t), и безразмерная величина, если F=Р0;

MRS - минимальная длительная прочность, основная характеристика материала полимерных труб (МПа);

Р, Р(t), Р0 – давление, текущее давление, давление в цилиндре капиллярного вискозиметра до остановки движения поршня (МПа);

Т – температура, (°С);

t – безразмерное время, полученное делением текущего времени наблюдения, измеренного в секундах, на t0= 60 с;

– степень кристалличности;

& – скорость сдвига (с-1);

& – скорость сдвига начальная, в момент остановки движения н поршня (с-1);

– скорость сдвига при начале высокоэластического срыва (с-1);

& ср – значения, рассчитанные по уравнению & = f ( ) (с-1);

с & & – допустимые отклонения экспериментальных значений сp & с от расчетных &ср (с-1);

– относительное удлинение при разрыве (%);

, 0 – вязкость, наибольшая ньютоновская вязкость (кПас);

12 – вязкость при & =12c-1,(кПас);

– время релаксации, (подобно t, безразмерное);

n,w,z,z+1 – характерные времена релаксации (безразмерные);

Р – долговечность образцов под нагрузкой;

с – долговечность сварных соединений под нагрузкой;

Сд – напряжение сдвига (кПа);

– плотность, кг/м3;

Т – температура, К (°С);

Тр – температура размягчения (°С);

Тс – температура стеклования (°С);

Твэ – температура высокоэластичности (°С);

Тпл – температура плавления (°С);

т – предел текучести, МПа;

– относительное удлинение, %;

Е – модуль упругости нормальный, МПа;

MRS – минимальная длительная прочность;

ММ – молекулярная масса;

ММР – молекулярно-массовое распределение;

ПТР – показатель текучести расплава, г/10 мин.;

АБС – акрило-бутадиенстирольный полимер;

ЛПЭНП – линейный полиэтилен низкой плотности;

НПВХ – непластифицированный ПВХ;

ПА – полиамид;

ПВХ – поливинилхлорид;

ПК – поликарбонат;

ПП – полипропилен;

ПСП – полиэтилен средней плотности;

ПСУ – полисульфон;

ПУ – полиуретан;

ПФС – полифениленсульфон;

ПЭТФ – полиэтилентерефталат;

СВМПЭ – сверхвысокомолекулярный полиэтилен;

СЭВА – сополимер этилена с винилацетатом (СЭВИЛЕН);

ФТ – фторопласт.

ВВЕДЕНИЕ

Полимерные трубопроводные системы по многим монтажно–эксплуатационным и, соответственно, экономическим показателям значительно превосходят традиционные трубопроводы.

Применение полимерных труб является магистральным направлением технического прогресса в области сооружения трубопроводных систем различного назначения. Как показывает мировая практика, в высокоразвитых странах полимерные трубы уже вытеснили традиционные трубы из ряда сфер применения.

Для России полимерные трубопроводы особенно важны по целому ряду причин, в частности, ввиду износа коммунальных и промышленных сетей, и их применение стремительно расширяется.

Трубопроводные системы являются основным оборудованием и, следовательно, капиталом предприятий газораспределения, водного хозяйства, коммунальных служб и важным компонентом технологических структур промышленных предприятий.

Традиционные технологии строительства и ремонта трубопроводов из металлов, железобетона, керамики, асбоцемента и стекла требуют значительных финансовых и временных затрат, не соответствуют современным экологическим требованиям.

Наблюдаемые за последние 20 лет и в особенности современные тенденции развития структуры потребления полимеров свидетельствуют о благоприятных возможностях дальнейшего расширения применения полиолефинов в производстве труб.

Объемы производства полиолефинов прогрессируют в основном, благодаря их химической стойкости, малой плотности и хорошей технологичности. Безопасность полиолефинов для организма человека, а также простота переработки отходов дают им преимущества в конкуренции с другими полимерами, в первую очередь ПВХ.

Преимущества полиолефинов, обусловленные химической природой, могут быть в полной мере реализованы при оптимальной молекулярной и надмолекулярной структурах, которые должны соответствовать назначению изделий.

В данном пособии основное внимание уделено наиболее важным для России трубам из полиэтиленов низкого давления.

По нашему мнению, неверно рассматривать трубы изолировано, не акцентируя внимания на способах соединения и соединительных деталях. Только надежная техника и технология соединений гарантирует эффективность трубопроводной системы. Поэтому производству соединительных деталей и сварке полиолефинов, как завершающей стадии технологии переработки, уделено надлежащее внимание.

Большие, постоянно растущие объемы производства полимерных труб и деталей в России не в полной мере объясняют актуальность этого сектора переработки полимеров для его особо глубокого изучения Постоянно растущие технические требования к полимерным трубам является мощным стимулом развития полимерной науки и технологии.

Создание новых эффективных полимерных труб является одним из наиболее значимых и поучительных примеров решения материаловедческих задач. При этом исследователи и технологи движутся путем интегрирования физико-химических теорий о молекулярной и надмолекулярной структурах полимеров с актуальными положениями механики полимеров, новых идей в области катализа синтеза полимеров, достижений химической технологии синтеза полимеров, дизайна композиций и технологии переработки.

Планируемый срок службы полимерных труб составляет многие десятилетия, их преждевременное разрушение очень опасно. В частности весьма ответственны газопроводы и технологические трубопроводы. Поэтому технологии их производства требуют более высокого технического уровня, чем многие другие процессы пластпереработки.

При освоении материалов настоящего пособия студентам будут полезны доступные учебники и пособия более широкого профиля, например [1-4]. Специалистам, вероятно, важнее окажется информация, почерпнутая из периодики и рекламных материалов.

Глава 6 настоящего пособия написана совместно с С.П. Веселовским.

1. Власов, С.В. Основы технологии переработки пластмасс:

учебник для вузов/ С.В. Власов [и др.].- М.:Химия, 2004. с.

2. Крыжановский, В.К. Производство изделий из полимерных материалов. Учеб. пособие/ В.К. Крыжановский [и др.]. СПб.: Профессия, 2004. - 464 с.

3. Бортников, В.Г. Производство изделий из пластических масс: Учебное пособие для вузов в трех томах:

Т.1. Теоретические основы проектирования изделий, дизайн и расчет на прочность. Казань: Изд-во «Дом печати», 2001. С.246.

Т.2.Технология переработки пластических масс. Казань: Изд-во «Дом печати», 2002. - С. 399.

Т.3 Проектирование и расчет технологической оснастки. Казань: Изд-во «Дом печати». 2004 - С. 311.

4. Крыжановский, В.К. Технические свойства полимерных материалов./ Учеб.- справ. пособие./ В.К. Крыжановский[и др.].- СПб.: Профессия, 2003. – 240 с.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ

Первые полимерные трубы были изготовлены в начале ХХ в. [1], однако до середины ХХ в. потребности промышленности удовлетворялись в основном за счет металлических труб, преимущественно стальных, а также чугунных. В настоящее время развитые страны уже завершают процесс перехода на трубы из пластмасс во всех сферах применения, где это возможно, исходя из параметров транспортируемой среды. В европейских странах удельный вес стальных труб не превышает 20-30%.

Объем производства полимерных труб в различных регионах мира является отражением уровня технического и экономического развития. Табл. 1.1 и 1.2 показывают рост потребления пластиковых труб за последние десятилетия, и дают примерный прогноз до 2010г. [2].

Таблица 1.1. Потребление пластиковых труб по регионам мира в Западная Европа Восточная Европа Ближний Восток Северная Америка Южная Америка Согласно прогнозу, составленному в 2005 г., в 2006 г. общий объем мирового рынка труб составил 78 млрд. долл., из них 39% приходится на трубы из ПВХ, 20% - из ПЭ, а на стальные трубы – 11%. [3] Таблица 1.2. Распределение потребления полиэтиленовых труб в Западной Европе по областям применения в тыс. т и годовой рост Отвод сточных вод Кабельные оболочки При оценке данных табл. 1.1 и 1.2 следует иметь в виду, что в высокоразвитых странах, газораспределительные и водохозяйственные сети в настоящее время практически все являются полимерными, и рост потребления полимерных труб происходит, в основном, за счет строительства новых объектов. В странах с развивающейся экономикой, в первую очередь, в Китае, темпы роста применения полимерных труб особенно высоки.

Доля России в Восточноевропейском объеме производства труб составляет меньше 20%, значительно уступая долям Турции и Польши. Такое отставание обусловлено ошибками планирования экономики СССР и кризисными явлениями в экономике России. Недостаточный объем производства и потребления полимерных труб недопустим по экономическим причинам и особенно досаден специалистам, которые еще 50 лет назад обеспечили надлежащий технический уровень решения проблем и задач в этой сфере.

Первые экспериментальные полимерные трубы были изготовлены и использованы в СССР еще в середине 50-х годов ХХ в.

Научная школа, созданная Д.Ф. Каганом, обеспечивала надлежаще высокий, для того времени, уровень научно-технических решений в области производства полимерных труб. Однако партийно-правительственные органы страны не восприняли мировых тенденций и взяли курс на увеличение производства стальных труб. Ошибочность этой политики стала ясна в конце 70-х годов, когда было обнаружено, что половина новых стальных труб расходуется на ремонт существующих трубопроводов. Тогда были приняты решения о развитии производства трубных марок ПЭ и ПВХ, а также строительстве новых крупных трубных заводов, в частности производства труб из ПВХ (НПО Пластик, Москва) и крупнейшего в Европе производства труб и фитингов из ПНД (ПО Казаньоргсинтез).

В 80-е годы в СССР производство пластмассовых труб росло настолько быстро, что можно было говорить о качественном скачке. С 1979 по 1982 гг. мощности по производству труб выросли с 30 тыс. т до 100 тыс. т, причем основной вклад внес Казанский трубный завод, освоивший производственные мощности в 50 тыс. т. в год по выпуску труб диаметром от 10 до 1200 мм. Экономические катаклизмы 90-х годов приостановили бурный рост производства полимерных труб, но несомненно, по мере выхода экономики России из кризиса рост объемов производства полимерные труб будет ускоряться.

В период 1995-2000 гг. произошло увеличение доли производства полимерных труб в России по отношению к металлическим, как за счет увеличения производства полимерных труб, так и за счет сокращения объема производства металлических труб, упавшего с 1990 по 1995 гг. в 5 раз (с 25 до 5млн.т) [4].

Тем не менее, отрыв России от высокоразвитых стран по абсолютным объемам производства полимерных труб и их удельному потреблению на душу населения не преодолен и даже увеличивается.

Следует отметить, что Китай, быстро развивающийся практически с нулевого уровня, примерно в 10 раз обогнал Россию по ассортименту, абсолютному объему производства полимерных труб и, следовательно, обгоняет и по удельному уровню потребления.

В настоящее время Россия находится в стадии роста производства и потребления полимерных труб, предпосылками для которого являются сильная изношенность существующих коммуникаций и имеющийся технический потенциал для развития производства.

При производстве полимерных труб и фитингов различного назначения используются практически все известные методы переработки полимеров и, соответственно, практически все известные полимерные материалы и композиты, от резиновых смесей до стеклопластиков, но доминируют в производстве труб экструзионные технологии и, следовательно, композиции на основе термопластичных полимеров.

В силу исторически сложившихся традиций, в значительной степени обусловленных погодно-климатическими условиями, в России всегда преобладали трубные марки полиэтилена.

Так в 2000 г. в России было выпущено всего 50.5 тыс. т труб и деталей трубопроводов из термопластов, при этом 42.5тыс.т полиэтиленовых и около 4 тыс. т – из ПВХ.

В России насчитывается более 40 заводов, производящих полиэтиленовые трубы и фитинги [5-8]. При этом 90 % продукции производится наиболее крупными заводами: ОАО «Казаньоргсинтез» (г. Казань), ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт»

(г.Москва), ЗАО «Сибгазаппарат» (г. Тюмень) и Климовский трубный завод (г.Клим).

Наиболее мощный трубный завод ОАО «Казаньоргсинтез»

контролирует примерно 40 % рынка труб и соединительных деталей и обеспечивает лидерство Приволжского федерального округа в России. Вместе с тем, после строительства ряда заводов в Центральном округе, последний, вероятно, займет доминирующие позиции в производстве полимерных труб.

Полипропиленовые трубы, постепенно вытесняющие поливинилхлоридные, выпускают ОАО «Московский НПЗ», ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт», НПО «Стройполимер» (г.Москва).

Основные производители полипропилена (ПП): ОАО «Томский нефтехимический комбинат», ОАО «Московский НПЗ» и Уфимское ЗАО «Полипропилен» - постоянно наращивают производство трубных марок. При этом часть сырья импортируется.

Ежегодный прирост производства труб из ПП в России составляет около 10 %.

Основные производители труб ПВХ: ЗАО «Агригазполимер» (г. Обнинск), ОАО «Пластик» (г.Москва) и ОАО «Компания «Корунд»» (г. Дзержинск).

ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт» освоил ряд новых полимерных и металлполимерных труб для теплофикации.

Десятки менее крупных производителей России выпускают разнообразные монолитные полимерные трубы соединительными деталями из крупнотоннажных полимеров, гофрированные и витые трубы больших диаметров, металлопластиковые трубы, армированные трубы, шланги и трубы из специальных полимеров, например из сшитого полиэтилена, стеклопластиков, фторпластов и полиамидов.

Темпы роста производства полимерных труб в России в среднем оцениваются как 8-15 % в год [2-5].

Обеспеченность сырьевыми ресурсами является важным условием развития крупнотоннажных трубных производств.

Сегодня отрасль по производству пластмасс в экономике Российской Федерации остается одним из наиболее динамично развивающихся секторов отечественного химического комплекса.

В период 1990 – 1996 гг. объем выпуска пластмасс и синтетических смол сократился в 2,3 раза (с 3,26 млн.т в 1990 г. до 1. млн.т в 1996 г.), достигнув критического состояния. С 1996 г. в отрасли начался устойчивый рост объемов производства [9].

Динамика производства пластмасс и синтетических смол определяется, в основном, развитием производства базовых полимеров общетехнического назначения (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и сополимеры стирола) на долю которых приходится 66 % всего объема выпускаемых полимеров.

В табл. 1.3 представлена структура мощностей предприятий отечественной промышленности полиэтиленов. В историческом аспекте в Российской Федерации рынок производства и потребления пластмасс, прежде всего, формировался как рынок полиэтилена, доля которого в объеме производства термопластичных материалов составляла в различные годы от 49 % (1990 г.) до 53% (2001 г.).

Полиэтилен – наиболее крупная товарная позиция из синтетических смол и пластических масс, производимых в России.

Поэтому, следует ожидать, что развитие отечественного рынка полимеров будет в значительной мере предопределяться динамикой развития производств полиэтиленов.

Около 65 % общего объема выпуска полиэтилена контролируется компаниями: ОАО “Казаньоргсинтез” и ООО “Ставролен” (г. Буденновск, Ставропольский край) см. табл. 1.3. [9], причем они же производят трубные марки ПНД.

Таблица 1.3. Мощности производств полиэтиленов ОАО “Томский НХК” (объединенные тех. мощности) Доля импорта продукции из ПНД в структуре потребления составляет около 20 % и приходится, в основном, на самые новые марки, например ПЭ100. Впрочем, ОАО “Казаньоргсинтез” и ООО “Ставролен” уже осваивают производство этой градации ПЭ. Импортируется также специальное сырье, например сшиваемые марки ПНД и полиамид ПА11.

1. Зайцев, К.И. Сварка трубопроводов из термопластов/ К.И.

Зайцев// Полимерные трубы.- 2003. -№1. – С. 28- 2. Топалов, С.П. Обзор российского и зарубежного рынков полиэтиленовых труб / С.П. Топалов// Полимерные трубы. - 2003. С. 11- 3. Никитенко, Е.А. Трубный симпозиум/ Е.А. Никитенко // Международные новости мира пластмасс. - 2005.№7,8. - С. 35Гориловский, М.В. Перспективы развития рынка полиэтиленовых труб в России/ М.В. Гориловский // Полимерные трубы. - 2003. -№1. - С. 6-10.

5. Черепова, С.К. Российский рынок полимерных труб / С.К.Черепова // Международные новости мира пластмасс. - 2004.

- №9-10. - С. 40-43.

6. Коврига, В.Г. Применение полимерных материалов в производстве труб различного назначения / В.Г. Коврига, И.В. Гвоздев // Полимерные трубы. -2005. - №1 – С. 16-20.

7. Эккерт, Р.К. Соединительные детали для полиэтиленовых труб. Конструкция фитингов с закладной электронагревательной спиралью и ее влияние на качество сварного соединения / Р.К.

Эккерт //Полимергаз. - 2003. - №3.– С. 44-49.

8. Фролов, В.П. Опыт использования полиэтиленовых труб в тепловых сетях Москвы/ В.П. Фролов// Полимергаз. - 2003. С. 26-28.

9. Яруллин, Р.С. Полиэтилен: производство, рынок и перспективные направления переработки / Р.С. Яруллин [и др.].- Казань.: Изд-во Экс-Пресс. - 2003г. –192 с.:ил.

2. ПОЛУЧЕНИЕ ЭКСТРУЗИОННЫХ КОМПОЗИЦИЙ.

КОМПАУНДИРОВАНИЕ

2.1. Некоторые представления о структуре Создание новых композиционных материалов на основе смесей полимеров определяет прогресс в полимерном материаловедении. Поэтому изучение смесей полимеров привлекает внимание многих исследователей [1-14]. Традиционно каучуки добавляют в пластики для повышения ударной вязкости, стойкости к растрескиванию и морозостойкости [4]. Пластики обычно вводят в каучуки с целью усиления физико-механических свойств, улучшения технологичности и эксплуатационных качеств. Так, например, поливинилхлорид и полиэтилен являются неизменными компонентами ряда резиновых смесей, используемых для производства напорных рукавов и шлангов.

Технологическая совместимость полимеров - необходимое условие получения практически ценных композиций. Взаимную растворимость полимеров на молекулярном уровне ограничивают термодинамические причины [4]. Совместимость полимеров довольно сложно надежно оценить, и в литературе можно обнаружить противоречивые сведения о совместимости одних и тех же пар полимеров. В неоднозначности оценок совместимости полимеров проявляется склонность полимеров к образованию неравновесных состояний [1]. В любом случае совместимость полимеров ограничена, в результате чего неоднородность структуры неизбежна. Термодинамическая совместимость не является обязательным условием для сохранения свойств полимерных композиций в течение срока эксплуатации, поскольку их структуры изменяются достаточно медленно, т. е.

при температуре эксплуатации может быть кинетически затруднено термодинамически выгодное разделение фаз [4, 10].

Плохо совместимые смеси, характеризуются низкими деформационными свойствами и разрушаются в области малых деформаций, прежде чем заканчивается образование шейки [15].

Они представляют интерес с позиций технологичности, поскольку имеют пониженную, по сравнению с аддитивной, вязкость.

Фазовая морфология полимерных смесей, от которой зависят многие свойства композиций, определяется природой компонентов, соотношением, отношением их вязкости, условиями смешения, реакциями деструкции и сшивки, химическим взаимодействием компонентов, режимом охлаждения, межфазным взаимодействием и многими другими факторами.

Более вероятно образование непрерывной фазы преобладающим и менее вязким компонентом. Впрочем, уже при концентрации полимерного компонента более 15 % следует учитывать возможность образования им непрерывной фазы [4, 16].

Структура и прочность смесей. Однофазные смеси полимеров деформируются как однородные системы, если не происходит расслоения при растяжении. Если модули двухфазных систем сильно различаются, то перенапряжения на границе раздела фаз могут привести к отслаиванию матрицы от частиц дисперсной фазы [2].

Закономерности разрушения смесей полимеров наиболее детально изучены для пластиков, модифицированных эластомерами [4]. Михлер [17], убедительно обосновав одну из общепринятых теорий, отмечает, что эффект упрочнения кристаллических пластиков каучуками основан, главным образом, на возникновении множественных сдвигов, в отличие от крейзообразования, наблюдаемого в аморфных термопластах.

Кроме размеров частиц каучука важным параметром смеси полимеров является расстояние между частицами. Интенсивное локальное пластическое течение возможно, только если среднее расстояние между частицами находится в определенном диапазоне. Если расстояния между частицами слишком велики, матрица находится в трехосном напряженном состоянии, пластические деформации невозможны, и разрастаются трещины.

Симбатное изменение предела текучести и ударной вязкости подтверждает гипотезу о том, что сдвиговое течение можно рассматривать, как принципиальный механизм увеличения ударной вязкости смесей полимеров [18].

Наполнители. Поскольку диффузия наполнителей невозможна, их распределение в полимерной матрице и перераспределение между фазами смеси происходит в процессе механического перемешивания. Поэтому условия смешения и порядок введения наполнителей оказывают решающее значение на распределение наполнителя [2].

Полимерная фаза в наполненных полимерах обусловливает перерабатываемость и реологические свойства композиций. При этом граничные слои, толщина которых зависит от скорости сдвига, не участвуют в течении. Хорошей текучестью обладают смеси, содержащие долю свободной полимерной части, достаточную для образования непрерывной фазы.

Влияние структуры исходных полимеров на свойства композиций. Надмолекулярные структуры полимеров претерпевают коренную перестройку при смешении в расплаве, при этом молекулярные обычно изменяются в меньшей степени, за исключением сильно деструктированных полимеров и вулканизуемых композиций. Поэтому молекулярная структура исходных компонентов в значительной мере определяет свойства композиций.

Следует отметить противоречивую роль ММ компонентов. Термодинамическая совместимость полимеров ограничена малой величиной энтропии смешения, обусловленной большой ММ компонентов. Теория предсказывает, что низкая ММ одного или обоих полимерных компонентов смеси способствует их совместимости. У многих полимерных смесей, в том числе полиолефинов, экспериментально наблюдалось уменьшение растворимости и увеличение области двухфазного состояния на диаграммах фазового состояния с увеличением ММ полимеров [1, 2, 4].

Распад технологически совмещенных смесей полимеров замедляется с увеличением размеров. Известно, что динамика фазового разделения системы существенно зависит от вязкости.

При малой вязкости, фазовое разделение начинается в метастабильной области путем зародышеобразования. Пространственно однородное состояние системы разрушается путем спинодального распада. На первом этапе спинодального распада устанавливается кинетически стабильная структура. Затем происходит медленная перестройка системы, срок которой сопоставим со сроком эксплуатации материала.

В производстве полимерных труб редко применяются индивидуальные полимеры без добавок. Высокие требования, которые предъявляются к трубам, обусловливают необходимость как макромолекулярного дизайна исходных полимеров, так и научно-обоснованного дизайна композиций на основе базовых марок полимеров. Состав композиций может включать несколько классов целевых добавок.

Так, например, трубные (экструзионные) композиции ПНД содержат технический углерод, защищающий ПНД от фотодеструкции под действием солнечных лучей, либо цветные красители. В последнем случае в стабилизирующую систему дополнительно добавляют УФ-абсорберы. Технический углерод или красители обычно добавляют в виде концентратов: высоконаполненных смесей на основе низковязких полиэтиленов. Основная стабилизирующая система ПНД в ее современных вариантах содержит 2-3 компонента, проявляющих синергизм в отношении цепных реакций деструкции и сшивания, протекающих при переработке труб и их эксплуатации. Иногда в экструзионных композициях применяют специальные смазки улучшающие перерабатываемость ПНД.

Компаундирование ПНД обычно производят на заводахпроизводителях базовых марок и совмещают с гранулированием. Вместе с тем, современная техника позволяет совместить компаундирование с производством труб, что является актуальной новацией в производстве труб из ПНД.

Еще более сложным составом отличаются трубные композиции ПВХ. В них могут входить, кроме основного полимера, пластификаторы, стабилизаторы (стабилизирующие системы), смазки, наполнители, пигменты и многие другие целевые добавки. В производстве ПВХ-композиций также используются концентраты малых добавок. Компаундирование ПВХ может быть самостоятельным процессом, либо совмещаться с производством труб.

Традиционные резиновые смеси обычно содержат несколько полимеров, высокие концентрации наполнителей, пластификаторы, компоненты вулканизующей и стабилизирующей систем и другие целевые добавки.

Структура и свойства эластичных смесей полиолефинов. Полиолефины - типичные многотоннажные полимеры, ассортимент их базовых марок ограничен. Число материалов на основе полиолефинов постоянно растет в результате разработки новых композиций. В результате подбора природы и оптимального соотношения компонентов удается целенаправленно изменять многие свойства композиций в желаемом направлении [10].

Резкое расширение рынка полиолефинов сопровождается развитием ассортимента их композиций. Появились термопластичные сополимеры на основе полиолефинов - о-ТРЕ, термопластичные эластомеры - компаунды - Рhysblend ТРО, получаемые в реакторе R-ТРО [11], вулканизованные F-TPV, частично вулканизованные p-TPV [12].

Смеси полимеров со свойствами термоэластопластов термопластичные эластомеры (ТПЭ) на основе полиолефинов могут содержать наполнители, мягчители и другие ингредиенты.

2.2. Получение композиций полимеров В основе компаундирования лежит процесс смешения. Виды процессов смешения разнообразны: это смешение через расплав, когда в расплав вводятся жидкие или твердые порошкообразные добавки; смешение двух жидких компонентов (олигомеры, расплавы полимеров), смешение порошков и другие процессы. Смешение проводят на специальном оборудовании различной конструкции и комплектации. Ингредиенты, предназначенные для смешения, должны быть соответствующим образом подготовлены: измельчены, высушены, нагреты и направлены на смешение в заданном соотношении.

Композиты, армированные непрерывными волокнами, применяемые в производстве труб в качестве армирующего слоя или самостоятельно, обладают комплексом высоких прочностных свойств. Наиболее распространенный способ их получения– пропитка армирующего наполнителя жидким связующим.

Сушка.Специальная сушка ингредиентов в производстве требуется не всегда. Порошкообразные наполнители, красители, концентраты, гранулированные или порошкообразные полимеры поступают в упакованном виде, предохраненные от увлажнения соответствующей тарой. На многотоннажных производствах обычно используются герметичные системы пневмотранспорта. Если технологический процесс организован так, что после растаривания материалы в процессе движения со склада к оборудованию не успевают поглотить излишнее количество влаги, а смесители снабжены вакуумным отсосом летучих продуктов непосредственно из расплава, то специальная стадия сушки окажется излишней. Сушка обязательна перед переработкой полимеров подверженных гидролизу (например, полиамидов) в тех случаях, когда наличие влаги заметно ухудшает свойства изделий. Для сушки порошков и гранул применяют сушилки периодического и непрерывного действия. Для удаления влаги непосредственно перед переработкой в загрузочном бункере смесителя обеспечивается подогрев. Сушку ведут при максимально возможной температуре, при которой, однако, не происходит слипания гранул или частиц порошка.

Сушка термопластов ведется до содержания влаги в сотые доли процента [1].

Гранулирование. Гранулирование термопластов производится при их компаундировании — введении ингредиентов (стабилизаторов, красителей и их концентратов, наполнителей и т. п.), после получения смесей полимеров и при переработке отходов. Гранулированные полимеры являются основной формой поступающего для переработки полимерного сырья. Исключение составляет непластифицированный ПВХ, перерабатываемый в трубы в виде порошка [1].

Применяют два основных метода гранулирования — на решетке и стренговое.

Крупнотоннажное производство большинства видов гранулированных полимерных материалов осуществляется с использованием гранулирования на решетке. Экструзионная головка для такого процесса представляет собой массивный корпус, на выходе из которого установлена перфорированная решетка с большим количеством отверстий, расположенных в несколько рядов по окружностям.

На рис. 2.1а, б показана схема агрегата для гранулирования полиолефинов. Агрегат состоит из экструзионной головки и привода вращающегося ножа, расположенного в приемной камере.

На рис. 2.1а они показаны отдельно, а на рисунке 2.1б — в собранном состоянии.

Рис. 2.1. Схема агрегата для гранулирования на решетке полиолефинов: а — в демонтированном состоянии; б—в сборе [19] Подвод расплава к формующим отверстиям производится через канал, образованный корпусом головки и коническим рассекателем. Со стороны входа в решетку отверстия раззенковывают для устранения застойных зон. Диаметр отверстий решетки 2-4 мм, толщина решетки 20-50 мм в зависимости от назначения головки по перерабатываемому материалу и производительности агрегата. Для получения одинаковых по диаметру выдавливаемых из головки прутков внешние отверстия выполняют несколько бльшими, чем примыкающие к рассекателю, что позволяет выровнять сопротивление течению по высоте решетки.

Могут быть и другие пути выравнивания размеров прутков.

Со стороны выхода к решетке подводится вращающийся нож, который с большой скоростью срезает прутки. В зависимости от типа гранулируемого материала и скорости вращения ножа срезаемые прутки имеют вид бочонков, чечевицы или шариков. Торцевая поверхность решетки подвергается износу вращающимся ножом, поэтому решетка должна иметь повышенную твердость и быть выполнена из хорошей конструкционной и коррозионостойкой стали. Нож имеет определенный угол заточки режущей кромки и изготавливается из специальных материалов.

Зазор между решеткой и поверхностью ножа регулируется в зависимости от вязкости расплава и требований к гранулометрическому составу материала. Для относительно низковязких материалов (полиолефинов) этот зазор меньше, для высоковязких композиций непластифицинованного поливинилхлорида (НПВХ) — больше.

Гранулирование проводят при минимально возможной температуре, что в значительной мере уменьшает проблемы процесса, связанные с «размазыванием» расплава по решетке.

Увеличение зазора между ножом и решеткой, затупление ножа, снижение скорости его вращения, повышение температуры в зоне контакта — основные причины, по которым расплав размазывается по решетке.

Приемка и предварительное охлаждение гранул производится в камере, примыкающей к гранулирующей решетке, в токе воды (для низковязких материалов) или под вакуумом (для ПВХ и других высоковязких материалов). Вакуумирование камеры препятствует окислению материала на выходе из головки и способствует быстрому удалению гранул в зону охлаждения.

На больших агрегатах для гранулирования полиолефинов достигают производительности до 25 т/ч, производительность агрегатов для гранулирования ПВХ — до 3-6 т/ч [19].

При стренговом гранулировании расплав выходит в виде прутков из экструзионной головки с цилиндрическими или квадратными отверстиями, расположенными в 1-2 ряда, которые вытягиваются и охлаждаются в водяной ванне, после чего непрерывно режутся вращающейся фрезой с бесступенчатым регулированием скорости вращения. Перед поступлением на резку стренги осушают сжатым воздухом.

Производительность стренговой грануляции значительно ниже грануляции на решетке. Но такой способ проще и не требует сложного специального оборудования.

Некоторые принципы смешения. Смешение — это процесс, уменьшающий композиционную неоднородность системы.

В переработке полимеров наибольшее значение имеет смешение твердого порошкообразного вещества с вязкой жидкостью (расплавом полимера или пластификатором) и смешение двух вязких жидкостей, т. е. получение смеси полимеров. Турбулентный режим смешения полимеров недостижим на практике, поэтому реально смешение с участием расплавов полимеров происходит в ламинарном режиме. Механизм ламинарного смешения состоит в увеличении поверхности раздела контактирующих жидких фаз. Эффект смешения определяется величиной пластической деформации сдвига. Чем больше эластичность (упругость) расплава, тем большие деформации необходимы для достижения одинаковой степени смешения. Методики приближенных расчетов показывают, что хорошее качество смеси достигается при суммарной необратимой деформации сдвига в области 800 – 3000 [1].

Смешение с малым количеством добавки. Чтобы добиться равномерного распределения малой добавки, прибегают к предварительному получению концентратов. Такими добавками в полиолефиновых трубных композициях являются технический углерод и красители. Расчетное количество концентрата вводят в исходный полимер, получая его равномерное окрашивание. В ряде производств удобнее получать пасту красителей (пигментов), стабилизаторов. В этом случае применяют краскотерки, где вводимый ингредиент на валках, достаточно плотно прилегающих друг к другу, диспергируется (растирается) в пластификаторе. Паста содержит, таким образом, минимум два ингредиента — диспергируемую добавку и пластификатор. Как в пасту, так и в концентраты часто вводят ПАВ, если вводимая добавка диспергируется, но не растворяется полностью в концентрате [1].

Смешение порошков, сильно различающихся по размерам частиц (так называемое опудривание), осуществляют в скоростных смесителях с Z- или U -образными лопастями.

В современных технологических линиях смешение порошков производят по непрерывным схемам с автоматическим дозированием компонентов.

Оценка качества смешения. Для оценки качества смешения обычно определяют среднее содержание введенных ингредиентов и отклонение содержания в микрообъемах смеси (взятых пробах) от среднего. В ряде случаев необходимо определить степень дисперсности компонента, т. е. средний размер его частиц в смеси, что обычно делают с помощью исследования микроструктуры в оптическом или электронном микроскопе.

Макротекстура смеси обусловлена спецификой перерабатывающего оборудования или особенностями смешения и оценивается обычно визуально.

Выбор метода анализа зависит от природы анализируемого ингредиента. Это могут быть спектральные методы (красители, стабилизаторы и т. п.), методы определения плотности (наполнитель, другой полимер), экстракционные методы и т. п.

В производстве трубных марок ПНД часто оценку качества смешения производят визуально, путем сравнения со стандартом.

Техника и технология смешения. Технологические приемы, применяемые для смешения, а также конструкции смесительных аппаратов определяются в первую очередь уровнем вязкости смешиваемых компонентов, а, следовательно, и необходимой величиной крутящего момента и частоты вращения рабочего узла смесителя. Этим обусловлено различие в конструкциях аппаратов для смешения порошков, для смешения олигомеров, растворов полимеров или сильно пластифицированных систем, для смешения расплавов полимеров или для введения ингредиентов в расплавы.

Методы смешения и конструкции смесителей зависят также от того, является процесс смешения периодическим или непрерывным. Периодический процесс состоит в том, что все компоненты одновременно или последовательно вводятся в заданный объем полимера так, что масса многократно проходит через рабочий орган смесителя до тех пор, пока не будет достигнуто нужное качество смешения. По этому принципу работают смеситель для порошков с вращающимся корпусом, смесительные вальцы, смесители типа Бенбери и т. п. Смесители периодического типа удобны тем, что в них легко менять последовательность введения добавок, регулировать температуру.

В смесителе непрерывного типа заданное качество смешения должно быть достигнуто за один проход материала через рабочий орган. Загрузка полимера и ингредиентов происходит непрерывно. По такому принципу работают шнековые смесители (одно- и двухшнековые, осциллирующие и планетарные) а также статические смесители (смесительные насадки). Непрерывное смешение обеспечивает высокую производительность, хорошее качество смешения, упрощение контроля качества, для него требуется меньшее количество обслуживающего персонала.

Смешение маловязких сред. Для получения маловязких смесей, например пластизолей на основе ПВХ и т. п. смешение производят в смесителях с Z- или -образными лопастями. При малой вязкости композиции можно применять турбулентное смешение при большой скорости вращения смесительных элементов (лопастей). Лопасти вращаются навстречу друг другу с различной скоростью. Перемешивают жидкости в диапазоне вязкости 0,5—500 Па*с. Чем больше вязкость среды, тем более массивными и прочными изготавливаются лопасти.

Смешение расплавов полимеров и введение ингредиентов в смесителях периодического действия. Это наиболее старый, но до сих пор применяемый процесс.

Смесители закрытого типа. Наиболее широко применяется смеситель Бенбери (рис. 2.2). Его рабочая камера состоит из двух полых цилиндров, сообщающихся между собой вдоль образующей, так что поперечное сечение напоминает восьмерку.

В каждой половине камеры вращается ротор овального сечения с винтовыми лопастями. Роторы вращаются навстречу друг другу с разными скоростями, и каждый направляет смесь к центру камеры. Избыток смеси из центра выталкивается в обратном направлении, что создает интенсивный противоток, обеспечивающий смесительный эффект. Противоток обеспечивается еще и перетиранием смеси в зазоре между самими роторами, а также между роторами и стенкой камеры. Решающее значение имеет, поэтому, полнота загрузки камеры, обеспечивающая высокие сдвиговые усилия в зазорах. Уплотнение материала в камере достигается верхним затвором — поршнем, создающим постоянное давление на смесь в рабочей камере.

Рис. 2.2. Смеситель Бенбери: а — камера резиносмесителя (1 — верхний затвор; 2 — корпус рабочей камеры; 3 — роторы;

4 — нижний затвор); б — конструкция роторов Нижний затвор неподвижен во время смешения и отодвигается для выгрузки готовой смеси. Для перемешивания затрачивается значительная энергия, которая в основном переходит в тепло, в результате чего смесь сильно разогревается. Температура выгружаемой смеси является одним из критериев правильности (интенсивности) режима смешения. Она регулируется системой охлаждения корпуса и роторов, а также изменением частоты вращения роторов.

Смесительная линия, включающая смеситель Бенбери.

Из смесителя выгружаются крупные куски горячей смеси. Они обычно попадают в гранулятор (при компаундировании трубных марок) или на листовальные вальцы, расположенные непосредственно под разгрузочным отверстием смесителя (под нижним затвором),- при получении резиновых смесей. Смесь приобретает на вальцах форму листа. Узкая лента смеси с вальцов срезается непрерывно и поступает непосредственно для питания другого оборудования.

Большое выделение тепла, трудность регулирования процесса, в том числе трудность автоматизации, ограничивают применение смесителя Бенбери. Несмотря на это периодический смеситель Бенбери пока продолжают использовать в производстве трубных композиций из ПЭ и ПВХ.

Согласно современным представлениям технологически оправдано применение смесителя Бенбери только для резиновых смесей.

Смешение расплавов полимеров и введение ингредиентов в смесителях непрерывного действия. Этот процесс широко применяется в современной технологии переработки пластмасс как главный метод получения композиционных материалов на основе большинства полимеров.

Одношнековые экструдеры. Смесительный эффект в одношнековом экструдере обусловлен в основном тем, что часть расплава образует противоток в рабочем цилиндре экструдера.

Противоток возрастает при увеличении сопротивления на входе в головку, что достигается, в частности, установкой сеток, создающих дополнительное сопротивление. Таким способом заметно усилить смесительный эффект не удается, и при смешении полимера с наполнителем, красителем, другим полимером и т. д. хорошее качество смешения достигается не всегда.

Развитие конструкции одношнековых экструдеровсмесителей шло в основном по пути увеличения длины шнека.

Если в 60- 70-е годы XX в. большинство экструдеров имело относительную длину шнека L/D = 1825, то в последующие годы длина шнека достигла L/D = 30 44. Повышение смесительного эффекта происходило не только за счет удлинения винтовой части экструдеров, но и за счет введения смесительных элементов. Эти элементы обусловливают резкое изменение направления движения расплава, создают зоны с разными скоростями потока, что существенно увеличивает смесительный эффект.

Этой же цели служат специальные выступы и кулачки на корпусе смесительных экструдеров. Таким образом, в рабочей камере смесительного экструдера вместо трех зон (загрузки, пластикации и дозирования) создаются четыре зоны (загрузки, пластикации, смешения и дозирования).

Примеры конструкции смесительных шнеков представлены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Примеры конструкции шнеков в одношнековых смесительных экструдерах[1] Более высокий смесительный эффект по сравнению с обычными экструзионными шнеками (L/D ~ 25) является результатом действия двух факторов: большей длины (у шнеков «а» и «б» отношение L/D ~ 40, а у шнека «в» — около 30) и наличия смесительных элементов (рис. 2.3). Для шнека «а» характерно то, что шаг и глубина нарезки на каждом из участков 1— постоянны и каждый из этих параметров на отдельных участках 3 и 5 имеет равные значения. Шаг нарезки на участках 3 и меньше, чем на участке 2, а на участке 2 меньше, чем на участке 1. Специальным смесительным элементом у этого шнека является участок 4 с обратной нарезкой, создающей противоток расплава.

Аналогичные участки нарезки имеются и у шнеков (рис.2.3) «б» и «в». Шнек «б» имеет дополнительные смесительные элементы на участках 4 и 6. Каждый из них выполнен в виде радиальных канавок и канавки, нарезанной по спирали в направлении, обратном нарезке шнека. У шнека «в» подобные канавки прорезаны на участках 3. В качестве дополнительных смесительных элементов этот шнек имеет "лабиринтные" канавки на участках 4. Малый шаг нарезки в начале шнеков (например, на участке 1 шнека «в») предотвращает попадание материала в опорные узлы.

Одношнековые экструдеры с осциллирующим шнеком.

Осциллирующие смесители это экструдеры, в которых шнек кроме вращательного совершает возвратно-поступательное движение. Колебания шнека усиливают смесительный эффект.

Достижению интенсивного смешения и гомогенизации (а также пластикации — размягчения полимера) способствует и то, что винтовой гребень в определенном порядке прерывается, образуя просветы, в которые входят три ряда выступов, укрепленных на внутренней поверхности рабочей камеры экструдера. Благодаря тому, что шнек совершает возвратно-поступательное и вращательное движения, вблизи неподвижных выступов камеры увеличивается деформация сдвига расплава, возникают деформации сжатия и растяжения вплоть до разрывов потока, что усиливает смесительный эффект.

Двухшнековые экструдеры. В этих наиболее популярных в последние годы устройствах смесительный эффект обеспечивается двумя шнеками, расположенными параллельно в одной рабочей камере и вращающимися либо навстречу друг другу, либо в одном и том же направлении.

Гомогенизирующая способность двухшнековых экструдеров в целом выше, чем одношнековых. Производительность их может быть чрезвычайно высока — до 25 т/ч и более [1,19].

На рис. 2.4 а-е изображены некоторые типичные элементы компаундирующих линий [20].

Рис. 2.4. Элементы компаундирующих линий: а - однобункерный питатель; б - двухбункерный питатель; в - воднокольцевой гранулятор;

г - высокоростной смеситель для предварительной подготовки компонентов; д - шкаф управления смесителем; е - двухшнековый смеситель Примеры компоновки смесительных линий на основе двухшнековых экструдеров. На рис. 2.5 изображена схема простой смесительной линии. В питатель экструдера загружают механически перемешанные компоненты, например ПЭ и технический углерод или красители при изготовлении концентратов.

Рис. 2.5. Смесительная линия на базе 2-х шнекового экструдера:

1 – питатель; 2 – двухшнековый экструдер; 3- гранулятор с воздушным охлаждением; 4.- циклоны; 5- вибросепаратор Для производства трубных композиций рекомендуют более сложные технологические схемы (рис. 2.6 и 2.7).

Рис. 2.6. Линия для компаундирования трубных композиций ПНД, ПП:

1- высокоскоростной смеситель; 2- главный питатель; 3- боковой питатель;

4– двухшнековый экструдер; 5- гранулятор вводно-кольцевого типа;

6 – центрифуга – водоотделитель; 7- вибросепаратор;

8- контейнер готовой продукции Рис. 2.7. Комплектная линия для компаундирования силанольно – сшиваемых трубных композиций ПНД: 1- бункер сырья; 2- сушилка;

3 – сушилка: молекулярное сито; 4- емкость сырья; 5 – весовой дозатор жидкостей; 6- весовой питатель сыпучих компонентов; 7- двухшнековый экструдер; 8 – одношнековый экструдер; 9 - гранулятор вводно-кольцевого типа; 10 – центрифуга – водоотделитель; 11- постель с «кипящим слоем»;

12 – вакуум - конвейер; 13- – сушилка: молекулярное сито; 14 – сушилка;

15 – контейнер готовой продукции; 16 – вакуумная упаковка Отдельные линии могут объединяться в крупные автоматизированные системы (рис 2.8).

Рис. 2.8. Схема потоков в полностью автоматизированной системе компаундирования: 1- бункер сырья; 2- пробоотборник; 3- контейнер;

4 –шнековый питатель; 5- электронная система согласования потоков;

6 – высокоскоростной смеситель; 7 – бункер смеси; 8 - весовой питатель;

9 - двухшнековый экструдер; 10 - гранулятор с воздушным охлаждением;

11 – циклон; 12 – охлаждающее вибросито; 13 – вводно-кольцевой гранулятор;

14 – центрифуга – водоотделитель; 15 – вибросито; 16 – бункер сухой гомогенизации; 17 – автоматический расфасовщик; 18, 19 – системы транспортирования 1. Власов, С.В. Основы технологии переработки пластмасс:

учебник для вузов/ С.В. Власов [и др.].- М.:Химия, 2004. - 600 с.

2. Кулезнев, В.Н. Смеси полимеров / В.Н. Кулезнев. - М.: Химия, 1980. - 304с.

3. Липатов, Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров / Ю.С. Липатов. - М.: Химия, 1974. – 304 с.

4. Полимерные смеси /под ред. Пола Д., Ньюмена С./ Перевод с англ. Ю.К. Годовского, В.С.Папкова и А.П.Коробко. Т.1,2.-М.:

Мир. - 1981.

5. Липатов, Ю.С. Коллоидная химия полимеров / Ю.С. Липатов.- Киев: Наукова думка, 1984. – 89-127 с.

6. Нестеров, А.Е. Фазовое состояние растворов и смесей полимеров / А.Е. Нестеров, Ю.С. Липатов. - Киев: Наукова думка, 1987. - 168с.

7. Шварц, А.Г. Совмещение каучуков с пластиками и синтетическими смолами / А.Г. Шварц, Б.Н. Динзбург. - М.: Химия, 1972. - 224с.

8. Фридман, М.Л. Переработка наполненных и смесевых термопластов// Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева. Т.34, №5. - 1989. – 521-529 с.

9. Менсон, Дж., Сперлинг, Л. Полимерные смеси и композиты / Перевод с англ.; под ред. Ю.К. Годовского.-М.: Химия, 1979.с.

10.Сирота, А.Г. Модификация структуры и свойств полиолефинов / А.Г. Сирота. - Л.: Химия, 1984. 152 с.

11. Collina, G. New thermoplastic polуolefins elastomers from the novel Multicatalуsts Reactor after crosslinking / G. Collina, V.Braga, F. Sartori //Polуm.Bull. 1997.- 38, N6. – Р. 701-705.

12. Вольфсон, С.А. Внимание! Этиленпропиленовый каучук выходит на первое место / С.А. Вольфсон // Пластмассы. - 1999. С. 6-9.

13 Крегсе, Э. Полимерные смеси/под ред. Пола Д., Ньюмена С. / перевод с англ. Ю.К. Годовского, и А.П.Коробко. М.: Мир, 1981.

– 456 с.

14. Вайнштейн, А.Б. Влияние молекулярной массы полиэтилена на степень кристалличности его смесей с сополимером этилена с винилацетатом / А.Б. Вайнштейн, Л.Б. Табачник // Смеси полимеров. Тезисы докл. I.Всес.конф. Иваново. - 1986. – С.45-46.

15. Greco, R. Polyolefin blends. 2. Effect of EPR composition on structure, morphology and mechanical properties of iPP/EPR alloys / Greco R., Mancarella C., Martuscelli E., Ragosta G., Jingha Y.

//Polymer. - 1987. - 28, N11. - Р.1929-1936.

16. Алигулиев, Р.М. Исследование влияния специфики межфазного взаимодействия на долговременную прочность и разрушение композиций полиэтилена с бутилкаучуком / Р.М.Алигулиев, А.А. Шибаева, Д.М.Хитеева, В.Б. Юрханов // Высокомолек. соед.Б. - 1992. - 34,N1. – С. 3-8.

17. Михлер, Г.Х. Молекулярная структура, морфология и механические свойства гетерогенных полимерных систем / Г.Х.Михлер // Высокомолек. соединения. - 1993. - Т.35,№9. – С.1850-1860.

18. Gupta, A.K. Studies on binary and ternary blends of polуpropуlene with ABS and LDPE. II. Impact and tensile properties / A.K. Gupta, A.K. Jain, B.K. Ratnam, S.N. Maiti // J.Appl.Polуm.Sci.. - 1990. - 39, N3. - Р.515-530.

19. Володин, В.П. Конструкции экструзионной оснастки / В.П. Володин // Пластикс. - №3 (17). - 2004. – С.39-46.

20. Рекламные материалы фирмы Ruiya. - 2005. – 48 с.

3. ЭКСТРУЗИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТРУБ

Производство полимерных труб начато примерно 100 лет назад. В то время трубы получали методом штранг-прессования.

Подобная технология сохранилась, например, при производстве фторпластовых труб.

Шнековая экструзия труб – метод непрерывного формования изделий или заготовок продавливанием расплава полимерного материала через формующую головку с каналами необходимого профиля. Для приготовления расплава с необходимыми параметрами, в числе которых температура, давление, гомогенность и структура, обычно используют шнековые экструдеры [1-8].

Производство различных типоразмеров монолитных труб (рис 3.1) методом экструзии осуществляется чаще всего путем подготовки расплава в экструдере и формования экструдата в виде полого цилиндра, последующими калиброванием (вакуумным или пневматическим) и охлаждением. В конце экструзионной линии размещают маркирующие, мерительные, тянущие и отрезные устройства, накопители мерных труб (или намотчики длинномерных труб), а также средства упаковки. В состав трубных линий могут входить дополнительные экструдеры для нанесения цветовых полос, характеризующих область применения, а также специальных покрытий (например, кислородных барьеров), стационарные толщиномеры, фильтры расплава, электронные средства автоматического управления (контроллеры и компьютеры) и другие устройства. При производстве раструбных труб в состав трубных линий включают узлы для формования раструбов.

Диаметры монолитных гладких труб достигают 2000 мм.

Длина труб обычно ограничивается возможностями их транспортировки.

При изготовлении мягких трубок, например, из пластифицированного ПВХ или некоторых резиноподобных композиций термоэластопластов (ТЭП), обычное калибрование не требуется, а формование и охлаждение трубок производится при вытяжке расплава.

Производство труб, как правило, размещается в специальных помещениях. Трубные заводы имеют инфраструктуру в виде компрессорных станций, градирен для кондиционирования охлаждающей воды, а иногда и холодильных станций для получения теплоносителей, охлажденных ниже 0С. В качестве примеров экзотического варианта можно привести способы производства монолитных труб неограниченной длины на движущемся по воде судне или сухопутном транспортном средстве.

Немонолитные трубы [2, 3] можно разделить на 2 основных вида: гофрированные (рис.3.1) и спиральновитые (рис.3.2).

В первом случае формуется полый цилиндр, который затем может гофрироваться, или покрываться гофрированным и гладким слоями с помощью дополнительных экструдеров. Во втором – формуется профиль разнообразного строения, наматывается на вращающиеся оправки, причем спирально навитые слои свариваются друг с другом.

Профилированные трубы могут изготавливаться также с применением заранее изготовленных профилей, например, из готовой трубы кольцевого сечения малого диаметра (40-63 мм), которые наматываются спиралью с одновременным формированием основной достаточно тонкой двухслойной трубы большого диаметра с ровной поверхностью методом соэкструзии (рис. 3.3).Таким методом производят трубы диаметром до 5000мм.

Наряду с основными технологиями получения немонолитных труб существуют менее распространенные специальные процессы. Например, спиральные трубы могут собираться из профилей непосредственно на месте монтажа.

Рис. 3.1. Монолитные и гофрированные трубы: трубы круглого сечения; труба с плоским «дном». Схема стенки гофрированной трубы: De - наружный диаметр; Di - условный проход; e5 - толщина стенки; L1 - ширина профиля Рис. 3.2. Схема стенки спиральновитой трубы Рис. 3.3. Профилированные трубы разрез с изделия с разреженной намоткой 3.1. Общее представление об экструдерах Основным оборудованием производства труб методом экструзии служат шнековые машины.

Шнековые экструдеры могут быть различных типов: одно- и двухшнековые, универсальные и специализированные, и т. п. [1].

Наиболее простым является одношнековый экструдер без зоны дегазации (рис. 3.4).

Основными элементами экструдера являются обогреваемый цилиндр, шнек (с охлаждением или без него), сетки, размещаемые на решетке, и формующая головка.

Рис. 3.4. Схема одношнекового экструдера: 1 — бункер; 2 — шнек;

3 — цилиндр; 4 — полость для циркуляции воды; 5 — нагреватель; 6 — решетка с сетками; 7 — формующая головка; I, II, III — технологические зоны [1] В зависимости от природы полимера, технологических режимов переработки применяются шнеки различного профиля, в частности с различным характером изменения глубины нарезки по длине шнека (рис. 3.5).

В зависимости от вида выпускаемого изделия применяют либо коротко-, либо длинношнековые машины, т.е. с малым или большим отношением длины L к диаметру D шнека (L/D) (рис. 3.5). Значения D и L/D являются основными характеристиками одношнекового экструдера [1].

Рис. 3.5. Основные типы шнеков: а — шнек общего назначения с тремя (I, II, III) геометрическими зонами; б — шнек для переработки высококристаллических полимеров; в — шнек для экструзии ПВХ; D — наружный диаметр; L — длина (технологическая) шнека; h — глубина нарезки шнека [1] Следует отметить, что современные экструдеры устроены значительно сложнее, чем простейшая машина, изображенная на рис. 3.4 и, особенно экструдеры для производства труб больших диаметров, имеют много зон термостатирования цилиндра и головки, имеющих как электронагреватели, так и воздушные охлаждающие устройства на зонах цилиндра (рис 3.6). Актуальность охлаждения цилиндра объясняется необходимостью отвода автогенного тепла, выделяющегося при работе современных экструдеров на высоких скоростях.

Конструкции современных шнеков очень разнообразны и дифференцированы для переработки различных полимеров и композиций.

3.2. Основные процессы, протекающие при экструзии В простейшем случае технологический процесс экструзии складывается из последовательного перемещения твердого материала, а затем расплава, вращающимся шнеком в технологических зонах экструдера: питания, пластикации, дозирования расплава, изображенных на рис 3.4.

Деление цилиндра и шнека на зоны осуществляется по технологическому признаку, и название зоны указывает на то, какую операцию в основном выполняет данный участок шнека.

Разделение шнека на зоны условно, поскольку в зависимости от природы перерабатываемого полимера, температурноскоростного режима процесса и других факторов, начало и окончание определенных операций могут смещаться вдоль шнека, захватывая различные зоны или переходя из одного участка в другой [1].

Цилиндр имеет зоны регулирования температуры определенной длины. Длина этих зон определяется расположением нагревателей и охладителей на его поверхности и их температурой. Границы зон шнека и зон обогрева цилиндра могут не совпадать. Для устойчивой работы экструдера большое значение имеют условия продвижения твердого материала из загрузочного бункера и заполнение межвиткового пространства шнека, находящегося под воронкой бункера.

Загрузка сырья. Исходное сырье для экструзии, подаваемое в бункер, может быть в виде порошка, гранул, лент. Дозирование лент характерено для переработки резиновых смесей, отходов промышленного производства пленок, концентратов и осуществляется принудительными питателями-дозаторами, устанавливаемыми в бункерах или сбоку экструдера. Равномерное дозирование материала из бункера обеспечивает хорошее качество экструдата, стабильные геометрические размеры и показатели внешнего вида труб.

Гранулы - лучшая форма материала для питания экструдера. Гранулы полимера меньше склонны к "зависанию", образованию пробок в бункере, чем порошок. Порошкообразный материал может слеживаться в процессе хранения и транспортировки, в том числе и при прохождении через бункер. Гранулированный материал в отличие от порошка имеет постоянную насыпную массу. Качество питания шнека зависит от формы частиц сырья и их плотности. Гранулы, полученные резкой заготовки на горячей решетке гранулятора, не имеют острых углов и ребер, что способствует их лучшей сыпучести. Гранулы, полученные холодной рубкой прутка-заготовки (стренга), имеют острые углы, плоское сечение среза, что способствует их сцеплению и, как следствие, ухудшению сыпучести.

При переработке многокомпонентных материалов для загрузки их в бункер применяются индивидуальные дозаторы:

шнековые (объемные), вибрационные, весовые, и которые могут объединяться в каскады. Если порошкообразные материалы или липкая крошка имеют нестабильную сыпучесть, то в бункерах образуются "своды", зависающие на стенках бункера. Для устранения зависания необходимо в бункер помещать ворошители ( рис. 3.7).

Для увеличения производительности экструдера гранулы можно предварительно подогреть. Применяя приспособления для принудительной подачи материала из бункера на шнек (рис. 3.8), также удается существенно повысить производительность машины (в 3–4 раза).

Уровень сырья в бункере также влияет на полноту заполнения шнека. Поэтому бункер снабжен специальными автоматическими уровнемерами, по команде которых происходит загрузка бункера материалом до нужного уровня.

Рис. 3.8. Одно-, двухшнековые устройства для принудительной подачи материала из бункера на шнек экструдера и вибропитатель [9] При уплотнении материала в межвитковом пространстве шнека вытесненный воздух выходит обратно через бункер. Если удаление воздуха будет неполным, то он останется в расплаве и после формования образует в изделии нежелательные полости.

Для предотвращения перегрева зоны загрузки цилиндра и повышения производительности экструдера в нем делаются полости для циркуляции охлаждающей воды ( рис. 3.4, поз. 4).

Зона питания (I, рис. 3.4) [1]. Поступающие из бункера гранулы заполняют межвитковое пространство шнека зоны I и уплотняются. Уплотнение и сжатие гранул в зоне I происходит, как правило, за счет уменьшения глубины нарезки h шнека. Если температура цилиндра такова, что начинается преждевременное плавление полимера у его стенки, то материал будет проскальзывать по этой поверхности, т. е. вращаться вместе со шнеком. Поступательное движение материала прекращается.

При оптимальной температуре полимер спрессован, уплотнен и образует в межвитковом пространстве твердую пробку. Лучше всего, если такая скользящая пробка образуется и сохраняется на границе зон I и II. Свойства пробки во многом определяют производительность машины, стабильность транспортировки полимера, величину максимального давления и т.д.

Зона пластикации и плавления (II рис. 3.4) [1]. В начале зоны II происходит плавление полимера, примыкающего к поверхности цилиндра. Поскольку глубина нарезки шнека уменьшается по мере продвижения материала от зоны I к зоне III, то возникающее давление заставляет пробку плотно прижиматься к горячей стенке цилиндра, где и происходит плавление полимера.

В зоне пластикации пробка плавится под действием тепла, выделяющегося вследствие внутреннего, вязкого трения в расплаве, где происходят интенсивные сдвиговые деформации, материал пластицируется. Расплав интенсивно гомогенизируется, а составляющие композиционного материала перемешиваются.

Конец зоны II характеризуется распадом пробки на отдельные фрагменты. Далее расплав полимера с остатками твердых частиц попадает в зону дозирования. Уменьшающаяся глубина нарезки шнека создает давление, которое необходимо для продавливания расплава через фильтрующие сетки, подачи его в головку, уплотнения и в итоге — для выхода сформованного изделия.

Основной подъем давления Р расплава происходит на границе зон I и П. На этой границе образующаяся пробка из спрессованного материала как бы скользит по шнеку: в зоне I это твердый материал, в зоне II — плавящийся. Наличие пробки и создает основной вклад в повышении давления расплава. Запасенное на выходе из цилиндра давление расходуется на преодоление сопротивления сеток, течения расплава в каналах головки и формования изделия.

Зона дозирования (III рис. 3.4) [1]. Продвижение гетерогенного материала, представляющего собой смесь расплава и нерасплавленных частиц твердого полимера, сопровождается выделением внутреннего (автогенного) тепла, которое является результатом интенсивных сдвиговых деформаций в полимере. Расплавленная масса продолжает гомогенизироваться, остатки твердого полимера плавятся, вязкость и температура расплава усредняются. В межвитковом пространстве расплав имеет ряд потоков, основными из которых являются продольный и циркуляционный.

Величина продольного потока (вдоль оси шнека) определяет производительность экструдера Q, а циркуляционного — качество гомогенизации полимера или смешения компонентов.

В свою очередь, продольный поток складывается из трех потоков расплава: прямого, обратного (по шнеку) и потока утечек. Сетки фильтров, другие локальные гидравлические сопротивления, трение о поверхность цилиндра и шнека создают противоток. Часть материала перетекает в направлении противотока в зазор между гребнем шнека и поверхностью цилиндра.

Течение расплава через сетки и формующую оснастку [1]. Вращающимся шнеком расплав продавливается через фильтры: металлические сетки. Сетки фильтруют, гомогенизируют и создают сопротивление движению расплава, на них теряется часть давления. Механические примеси задерживаются сетками и через некоторое время их вместе с сеткой удаляют из цилиндра экструдера. После прохождения сеток гомогенизированный расплав под остаточным давлением (Р = 5.035 МПа) продавливается в формующую оснастку и, приобретая форму трубы, выходит под небольшим избыточным давлением из головки.

Для получения качественных изделий необходимо, чтобы заключительный отрезок формующего инструмента имел постоянное сечение. В этом случае происходит наиболее полное выравнивание профиля скоростей движения расплава, проходят релаксационные процессы, ликвидируется пульсация и т. д.

Экструзия большинства расплавов термопластов происходит в следующих интервалах скоростей сдвига и напряжений сдвига: lg(, с-1) = 23; lg(, Па) = 4.55.5.

Основные параметры процесса экструзии [1]. К основным технологическим параметрам экструзии относятся температура цилиндра и шнека по зонам, давление расплава, температура зон головки, калибрующее давление или вакуум, скорости вращения шнека и отвода трубы, а также и температурные режимы охлаждения сформованного экструдата.

Основной характеристикой формующей оснастки (вместе с фильтрующими сетками) является коэффициент сопротивления течению расплава К. Нарастание давления на фильтрующих сетках служит показателем засорения, т. е. увеличения сопротивления сеток и, следовательно, сигналом к их замене. Показателем работы экструдера является его эффективность — отношение производительности к потребляемой мощности.

Роль свойств материала при экструзии. Как уже отмечалось выше, большинство термопластов, термоэластопластов и композиций на их основе могут перерабатываться экструзией.

Для этого необходимо, чтобы время пребывания расплава в экструдере при данной температуре было меньше времени термостабильности полимера при той же температуре. Естественно, это требование обычно недостаточно для организации стабильного промышленного производства полимерных труб, которое выдвигает целый ряд дополнительных требований к таким полимерам как ПНД и ПВД, ПВХ (пластифицированный и непластифицированный), ПП, ПА, а также композициям на их основе. Технологичность материала в производстве труб, т. е. возможность получения из данного полимера или композиции изделия надлежащей формы с желаемыми свойствами, зависит от химического строения цепи, макромолекулярной, надмолекулярной структуры полимера и состава композиции. В производственной практике, в первом приближении, технологичность многих полимерных материалов оценивают по вязкости расплава.

Для производства труб методом экструзии обычно применяются материалы, имеющие сравнительно высокую (по сравнению с литьевыми марками) вязкость, а также упругость расплава, что необходимо для сохранение формы трубы после формования и калибрования, в процессе охлаждения материала до твердого состояния. Этот технологический параметр называют формоустойчивостью. Слишком вязкие материалы плохо перерабатываются методом экструзии из-за большого сопротивления течению расплава, возникновения неустойчивого режима движения потока. Все это приводит к образованию дефектов изделий. Повышение температуры переработки может привести к термодеструкции расплава, а увеличение давления, мощности привода при более низких температурах — к механодеструкции, т. е. для экструзии расплавов должны применяться полимеры с довольно узким интервалом варьирования вязкости [1]. В общем случае, выбирая материал для производства труб, анализируют как его свойства в условиях эксплуатации, так и поведение расплава при переработке. Хорошим примером может быть оптимизация экструзионных марок ПЭ, описанная в разделе 2.1.

Производительность экструзионной установки [7]. Производство полимерных труб с применением шнековой экструзии в качестве метода подготовки расплава представляет собой непрерывный процесс, состоящий из ряда параллельных и последовательных взаимосвязанных операций, происходящих в шнековой машине и за ее пределами. Это транспортирование, нагрев, плавление, перемешивание и пластикация материала и подача его под давлением в экструзионную головку; течение расплава по каналам головки и формирование экструзионной заготовки; пластическое деформирование и охлаждение заготовки и формование конкретного изделия; окончательное охлаждение изделия, его резка или намотка.

В непрерывном процессе производительность всей установки определяется скоростью самой медленной операции.

Обычно для многих видов экструзионных процессов – это стадия охлаждения и калибрования. В принципе, максимальная и минимальная производительность одношнекового пластицирующего экструдера, на котором осуществляется технологический процесс изготовления конкретного изделия, известна. Она определяется геометрическими характеристиками шнека (диаметром, глубиной нарезки, длиной нарезанной части, конструкцией и распределением зон шнека и т.д.), диапазоном скорости вращения шнека, свойствами перерабатываемого материала (реологическими, теплофизическими). Максимальная же производительность линии определяется способностью системы охлаждения пропустить требуемoe количество продукции в единицу времени. В пределе она стремится к максимальной (пластикационной) производительности экструдера [7].

Приводимые в рекламной и технической документации данные по производительности экструдера относятся к переработке пластифицированного ПВХ (если специально не указывается, по какому материалу приводятся данные). Поэтому при переработке различных термопластов максимальная производительность экструдера может варьироваться в довольно широких пределах. Приблизительно можно «прикинуть» максимальный расход для любого термопласта введением поправочного коэффициента на тип материала. Например, для одношнековых экструдеров, оснащенных стандартными трехзонными шнеками и при использовании одинаковых головок, приводятся [7] следующие поправочные коэффициенты (индексы производительности):

ПВХ пластикат — 1,0; ПВД — 0,8; ПНД — 0,6; НПВХ — 0,5; полистирол — 0,45; полипропилен — 0,4; полиамиды — 0,35, т. е.

даже при правильном подборе геометрии шнека и параметров технологического режима переработки только смена материала может значительно снизить расчетную производительность, на которую ориентируются при дальнейших расчетах.

Зная максимальную весовую производительность экструдера при переработке конкретного термопласта, можно рассчитать максимально возможную скорость отвода изделия, то есть «погонажную» производительность:

где G — массовая производительность линии, кг/мин.; q — масса 1 м погонажного изделия, кг/м.

Погонажную скорость экструзии определяют с помощью теплофизических расчетов или по аналогии с экструзией подобных изделий на линиях, по составу и конструкции близких к имеющейся.

3.3. Общие принципы технологии производства Технологическая схема производства. Процесс получения гладких, перфорированных, армированных, гофрированных труб и шлангов имеет общие технологические стадии, такие как:

формование исходной заготовки методом экструзии расплава через головку; калибровка; одно- или двухстадийное охлаждение готового изделия в процессе его равномерной транспортировки; резка, упаковка, а также много специальных стадий необходимых для реализации в производстве соответствующих требований технологии и технических требований на изделия.

Например, напорные трубы обязательно маркируются горячим инструментом или несмываемой краской.

Полимерные трубы являются весьма ответственным видом изделий, так как они предназначены для работы под давлением, под осевым нагружением; кроме того, геометрические размеры труб должны точно соответствовать техническим требованиям.

Наиболее простая схема получения гладких труб среднего диаметра показана на рис. 3.9 [1].

Рис. 3.9. Технологическая схема агрегата для получения труб:

1 — экструдер; 2 — прямоточная кольцевая (трубная) головка;

3 — термоизоляционное кольцо; 4 — калибрующе-охлаждающее устройство;

5— ванна с водой; 6 — тянущее устройство; 7 — отрезное устройство;

8 — приемное устройство; 9 — труба [1] Гранулы полимера направляются в бункер экструдера 1.

Расплав продавливается в прямоточную кольцевую головку 2, к которой примыкает теплоизолирующая кольцевая втулка 3.

К головке, через втулку, соосно с дорном головки, крепится калибрующее устройство 4. В калибраторе происходит калибровка экструзионной заготовки до необходимых размеров либо по внутреннему, либо по внешнему диаметру. Здесь же труба частично охлаждается и приобретает формоустойчивость, достаточную для дальнейшего охлаждения. Частично охлажденная и калиброванная труба далее поступает в ванну 5, где окончательно охлаждается проточной водой, после чего проходит счетно-маркирующее устройство. Все движение экструдата и трубы после головки осуществляется тянущим устройством 6, захватывающие элементы которого соответствуют профилю гладкой или гофрированной трубы. После тянущего устройства трубы большого диаметра режутся отрезным устройством 7 на мерные отрезки, а трубы малых диаметров и шланги наматываются на барабан или в бухты. Готовые изделия собирают в накопитель 8 и транспортируют на склад.

Вышеприведенная схема производства труб рентабельна для получения изделий наружным диаметром DH до 400 мм, а трубы диаметром более 400 мм изготавливают иными способами: методами центробежного литья, намоткой лент из полимера на дорн с последующей сваркой или склейкой слоев, спеканием порошка.

Вместе с тем в высокоразвитых странах мира, а с начала 80-х годов прошлого века и в СССР (на Казанском трубном заводе), методом шнековой экструзии производятся монолитные ПЭ трубы DH до 1200 мм. В последние годы освоен выпуск монолитных труб больших диаметров на ряде других Российских заводов. В мировой практике много лет широко применяются монолитные ПЭ трубы DH до 1600 мм. Имеются сообщения об организации производства ПЭ трубы DH 2000мм. На рис. 3.10-3.12 изображены трубные линии, различного назначения.

Рис. 3.10. Экструзионная линия для производства труб Линия изображенная на рис. 3.10 комплектуется двухшнековыми экструдерами с коническими шнеками или двухшнековыми экструдерами с параллельными шнеками, трехленточным, четырехленточным или шестиленточным тянущим устройством, отрезным устройством планетарного типа и другим оборудованием.

Рис. 3.11. Экструзионная линия с гофратором Формующий комплекс линии на рис. 3.11 состоит из формующей головки экструдера и системы формующих блоков.

Формующие блоки могут легко заменяться на новые и имеют водяную или воздушную систему охлаждения. В зависимости от физических свойств используемого сырья для производственной линии могут изготавливаться специально спроектированные экструдеры.

В процессе экструдирования возможно формование раструбов. Высокая точность обрезки гарантируется обрезным устройством роторного типа. На линию может устанавливаться автоматизированная система управления производством.

Рис. 3.12. Экструзионная линия для производства труб Главной машиной линии по производству труб из ПНД (рис. 3.12) является высокоэффективный одношнековый экструдер со специальным барьерным шнеком, который обеспечивает полное расплавление сырья и высокую производительность.

Компьютерная система управления, модульный контроль температуры, обеспечивают эффективное управление процессом.

Экструзионная головка со спиральным распределением расплава позволяет производить одно- и двухслойные трубы для газои водоснабжения. Вакуумно-калибровочная и многозонная охлаждающая системы обеспечивают легкий пуск и высокую скорость производства труб с большой толщиной стенки и большого диаметра.

Рис. 3.13. Экструзионная линия для производства труб малых диаметров из различных материалов В линии изображенной на рис. 3.13, используется высокоэффективный экструдер со шнеком конструкции барьерного типа, обеспечивающей низкую температуру пластификации и высокую производительность. Формующая головка спирального типа. Вакуумно-калибровочная и многозонная охлаждающая система. Экструдер имеет высокую степень автоматизации, оборудован сенсорным экраном и системой сигнализации.

Линия многофункциональна, производит трубы из ПЭ, ПБ, ABS, ПП, сшиваемого ПЭ или ПА-11. Обычно линии для производства труб малых диаметров снабжаются намоточными устройствами (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Намоточное устройство Традиционные формующие головки. Для формования труб, шлангов, профилей используют формующие головки различных конструкций.

Для производства труб (гладких, гофрированных, перфорированных) и шлангов применяют кольцевую прямоточную головку (рис. 3.15). Толщину стенок и эксцентриситет стенки экструзионной трубчатой заготовки регулируют вращением нескольких регулировочных винтов 3. Давление расплава в головке находится в пределах 15—20 МПа (реже 30 МПа). К дорну крепится трос 5, который удерживает уплотнительные пробки, скользящие по внутренней поверхности трубы. Пробки нужны для создания внутреннего давления в трубной заготовке для ее калибрования по наружному диаметру. При калибровании по внутреннему диаметру и вакуум-калибровании пробки не применяют.

Рис. 3.15. Прямоточная кольцевая головка для изготовления труб и шлангов: 1 — штуцер для подвода сжатого воздуха;

2 — корпус; 3 — регулировочные винты; 4 — крепежное устройство;

5 — трос для удержания скользящих пробок в калибрующем устройстве; 6 — трубная заготовка; 7 — канал для поступления в трубу сжатого воздуха; 8 — матрица; 9 — дорнодержатель; 10 — дорн [1] Конструкции головок постоянно совершенствуются и дифференцируются (рис. 3.16). В конструкции головки для ПВХ (рис. 3.16а) учитывают низкую термостойкость материала. Головка обеспечивает оптимальное течение расплава по всему каналу, исключая образование зон застоя.

Рис. 3.16. Схема головки для переработки: а – ПВХ; б – ПНД Конструктивные особенности головки, изображенной на рис 3.16 б, обеспечивают низкий перепад давления и температуры расплава, высокую скорость вытяжки, хорошую гомогенизацию расплава.

Калибрующее устройство. При производстве труб и шлангов применяют два вида калибровки: по наружному и по внутреннему диаметру трубы или шланга. На рис. 3.17 показана схема пневматической (избыточным давлением) калибровки трубы по наружному диаметру. Это трубная рубашка (4, 5), в которую через штуцер подается холодная вода. Эта насадка прикрепляется к головке через термоизоляционное кольцо 2. В трубу нагнетается сжатый воздух через каналы в дорне головки (1, 7). Внутри трубы-заготовки помещают несколько скользящих пробок с резиновыми манжетами, чтобы поддерживать высокое давление воздуха. Пробки крепятся тросом 6 к дорну головки.

Рис. 3.17. Схема калибрующего устройства с применением внутреннего давления (калибровка трубы по наружному диаметру) 1 — трубная головка экструдера; 2 — термоизоляционное кольцо;

3 — экструзионная трубная заготовка; 4 — калибрующая пустотелая труба; 5 — водяная рубашка; 6 — трос; 7 — скользящие пробки;

8 — калиброванная труба; DH — наружный диаметр трубы;

S — толщина стенки трубы; L — длина охлаждающей зоны;

Т0 и Ti — температуры на входе в насадку и на внутренней поверхности трубы; Тm — средняя температура стенки трубы на выходе из насадки;

Т01 и T02 — температуры внутренней поверхности насадки в начале и конце контакта с трубой [1] Сравнительно недавно считалось, что пневматическая калибровка незаменима для производства труб больших диаметров, а вакуумная калибровка (прижим заготовки к перфорированному или пластинчатому калибратору осуществляется вакуумом, создаваемым в герметичной ванне) применялась для получения шлангов, но в последние годы освоена вакуумная калибровка всех размеров труб. Некоторые разновидности калибраторов изображены на рис. 3.18 3.20.

Рис. 3.18. Калибратор вакуумный.

Назначение: калибровка ПВХ-труб диаметром 10-630 мм. Принцип действия: интенсивное охлаждение Рис. 3.19. Калибратор вакуумный.

Назначение: калибровка ПНД-труб действия: интенсивное охлаждение с дополнительным водяным кольцом Рис. 3.20. Калибратор вакуумный. Назначение: калибровка ПНД-труб диаметром 110-1200 мм. Принцип действия:

интенсивное охлаждение разбрызгиванием Недавно появившиеся калибраторы регулируемого сечения облегчают регулировку размеров труб.

Калибровка гофрированных труб происходит в гофраторах различной конструкции (рис. 3.21 3.23).

Для калибровки трубы по внутреннему диаметру применяют перфорированный калибратор, охлаждаемый водой, или для интенсификации охлаждения, хладагентом с температурой ниже 0С и соединенный с вакуумной линией. Низкотемпературные хладагенты применяются, например для калибровки первого слоя многослойной гофртрубы (рис. 3.23).

Рис. 3.22. Горизонтальный гофратор Калибратор, помещенный внутрь трубы, разделен на три зоны. В первую подается охлаждающая вода или хладоагент, во второй, где и происходит калибровка, создается вакуум. В этой зоне калибровочная насадка перфорирована. В третьей зоне происходит охлаждение калиброванной трубы.

Рис. 3.23. Зона формования и калибровки линии Охлаждающие ванны. Калиброванные трубы охлаждают в каскаде ванн, заполненных водой или имеющих оросители (рис. 3.24, 3.25). В первых ваннах линий с вакуумным калиброванием поддерживается постоянный вакуум.

Рис. 3.25. Каскад охлаждающих ванн.

По торцам каждой ванны имеются герметизированные эластичными уплотнителями отверстия для входа и выхода трубы. Внутри ванны помещаются ролики, которые поддерживают трубу.

Тянущее устройство. В производстве монолитных труб обычно применяют роликовые, гусеничные комбинированные тянущие устройства с механическим, гидравлическим или пневматическим зажимом трубы (рис. 3.26). Элементы тянущего устройства обрезинены для лучшего сцепления с поверхностью изделия.

Рис. 3.26. Шеститраковое тянущее устройство Для намотки тонких труб и шлагов используют намоточные устройства.

Отрезное устройство. Для получения труб заданной длины применяют различные отрезные устройства: дисковые пилы, резцы и гильотины. При производстве мерных труб отрезные устройства включаются автоматически.

Рис. 3.27. Отрезные устройства и пилы Отрезные устройства (рис. 3.27) в процессе резания перемещаются вместе с трубой, и после ее разрезания возвращаются в исходное положение. В качестве рабочих элементов пил предлагают, в частности, беззубые диски, не дающие отходов.

Описанный выше состав трубной линии можно охарактеризовать, как минимально необходимый. Состав современных линий обычно включает многочисленные дополнительные устройства, например автоматический узел по изготовлению раструбов (рис. 3.28).

Рис. 3.28. Автоматический узел по изготовлению раструбов Технологический режим процесса. При выборе технологии производства труб необходимо знать конструкцию трубы, технические характеристики сырья, наружный диаметр DH и толщину стенки трубы, а также допуски на них. Технологические параметры экструзии труб подбирают, учитывая, кроме экономических соображений, большую молекулярную массу трубных марок полимера и необходимость сохранения исходной макромолекулярной структуры, обеспечивающей необходимые эксплуатационные свойства труб, а также показателей внешнего вида.

Выбор оптимальных технологических параметров производства, естественно, остается важной задачей технологов, которая решается на практике экспериментально. Вместе с тем полезно использовать и априорную информацию. Так, например известны рекомендации о снижении максимального уровня температурного профиля экструдера при переработке ПНД ниже 210°С.

Очень важное значение для всего процесса имеет длина охлаждающей части насадки. Это объясняется несколькими причинами: 1) следует избегать быстрого охлаждения трубыэкструдата, чтобы свести к минимуму неравномерность усадки и предупредить образование пустот и дефектов в стенке трубы, а также уменьшить уровень остаточных напряжений; 2) длина насадки зависит от размеров, свойств полимера, температуры расплава на выходе из головки и скорости выхода экструдата; 3) длина насадки должна быть достаточна (при всех прочих условиях экструзии и т. п.) для охлаждения трубы к моменту фиксации ее геометрических размеров и иметь достаточную формоустойчивость при попадании в агрегаты окончательного охлаждения; 4) повышенная длина насадки ведет к увеличению силы трения между ее поверхностью и неподвижной поверхностью насадки, т. е. к увеличению усилия отвода трубы, а в крайнем случае — к необратимому деформированию трубы в насадке [1].

Влияние параметров переработки на свойства труб [1].

Наибольшее влияние на свойства труб оказывает такая стадия технологической схемы производства, как калибрование с одновременным частичным охлаждением.

При калибровании труб по внешнему или внутреннему диаметру заготовка деформируется при радиальном растяжении.

В зависимости от увеличения диаметра заготовки замораживаются остаточные напряжения ориентированных цепей либо на внешней, либо на внутренней поверхности.

Если раздув велик, то замороженная ориентация цепей проявится при эксплуатации труб при повышенных температурах: труба необратимо деформируется. То же самое, но в продольном направлении происходит при значительной вытяжке расплава тянущим устройством. Таким образом, при калибровании необходимо стремиться как можно меньше деформировать заготовку в радиальном и осевом направлениях. Оптимальная степень относительной деформации в радиальном направлении для труб — 10-20 %.

Скорость охлаждения заготовки при калибровании.

Наружное охлаждение труб из полимерных материалов, обладающих сравнительно низкой теплопроводностью, приводит к созданию значительных внутренних напряжений, называемых экструзионными. Наружные слои труб сжаты, а внутренние растянуты (рис. 3.29). Экструзионные напряжения суммируются с напряжениями от давления транспортируемой среды (растягивающими), и поэтому учитываются при прогнозе эксплуатационной надежности труб.

Рис. 3.29. Эпюры распределения остаточных напряжений по толщине трубы тр, полученной при калибровании по внешнему диаметру: + — растягивающие, - — сжимающие напряжения [1] Уровень напряжений оказывает существенное влияние на показатели производственных испытаний: на тепловую усадку и также на долговечность изделий при различных температурах испытаний. С повышением остаточных напряжений долговечность изделий резко снижается.

Параметры экструзии изделий. С увеличением температуры экструдата условия для релаксации напряжений улучшаются, однако перепад температур между поверхностью трубы и калибровочного устройства также растет. Чем выше перепад температур, тем больше вероятность создания остаточных напряжений.

Если при этом повысить и температуру поверхности калибрующей насадки, то произойдет наиболее полная релаксация внутренних напряжений. Долговечность изделий возрастает.

Однако в этом случае необходимо увеличить длину калибрующей насадки.

Виды брака при производстве труб. Шероховатая наружная или внутренняя поверхность труб получается: 1) при наличии в материале повышенного содержания влаги или летучих; 2) при загрязнении поверхности формующей части головки; 3) в случае низкой температуры расплава. В последнем случае происходит неустойчивое течение расплава (эластическая турбулентность). Поскольку температура мала, то при калибровании крупные выступы на поверхности трубной заготовки не смогут разгладиться. Поверхность трубы, которая не калибруется, сохранит или даже усилит тот уровень шероховатости, который получился при экструзии заготовки.

Вместе с тем возможно появление дефектов внешнего вида, обусловленных нежелательной сшивкой полимера при слишком высокой температуре переработки.

Несоответствие геометрических размеров изделия чертежам на него может происходить из-за неполадок в оборудовании: 1) разнотолщинность — из-за неотрегулированного формующего зазора щели; 2) овальность — из-за смещения дорна относительно оси симметрии дорн—мундштук или из-за овальности калибрующей насадки и т. п.

Продольные трещины, как непосредственно видимые после изготовления, так и возникающие при контрольных испытаниях труб, образуются из-за плохой сварки потоков расплава полимера при его рассечении дорнодержателем. Свариваемость улучшается, если увеличить взаимодиффузию сегментов поверхности отдельных потоков расплава. Последнее достигается увеличением температуры расплава, а также повышением давления.

Концентрические складки, кольца по длине трубы образуются: 1) из-за большой пульсации расплава полимера при экструзии; 2) из-за неравномерного по времени охлаждения; 3) изза неравномерной скорости отвода трубы тянущим устройством.

Низкий уровень механических свойств, долговечности при эксплуатации обусловлен наличием высоких остаточных напряжений. Необходимо изменить температуру, скорость выхода экструдата и температурно-временные условия предварительного охлаждения трубной заготовки так, чтобы произошла максимальная релаксация напряжений.

Повышенная усадка при тепловых испытаниях изделий связана с высоким уровнем ориентации цепей полимера либо в осевом, либо в радиальном направлении. Это негативное явление устраняется за счет уменьшения степени радиальной и осевой вытяжки труб на стадии калибрования, а также за счет наиболее полной релаксации напряжений.

Роль качества сырья. Причинно-следственные связи дефектов и технологических факторов, рассмотренные выше, конечно не могут отразить все разнообразие причин брака в трубном производстве. Ясно, что многие виды брака обусловлены как спецификой конструкции различных видов труб (например многослойных, витых, гофрированных и армированных), так и особенностями сырья.

Следует отметить, что современные экструзионные линии, снабженные надлежащей оснасткой, обеспечивают эффективное ведение процесса производства труб при условии высокой квалификации машинистов экструдеров и надежном контроле процесса. В этом случае основными причинами брака могут быть колебания свойств сырья. Для устойчивого ведения процесса необходим надлежащий входной контроль сырья по показателям, характеризующим, как макромолекулярную структуру полимерных компонентов материала, так и состав композиций.

Следует контролировать также эффективность стабилизирующих систем.

1. Власов, С.В. Основы технологии переработки пластмасс:

учебник для вузов/ С.В. Власов [и др.].- М.:Химия, 2004. - 600 с.

2. Рекламные материалы Drossbah. - 2003. – 54с.

3. Рекламные материалы Krah. - 2006. – 42с.

4. Рекламные материалы Battenfeld. - 2003. – 30с.

5.Володин В.П. Экструзионная оснастка / Пластикс. №2(16).

2004. 30-36 с.

6. Володин, В.П. Конструкции экструзионной оснастки / В.П.Володин // Пластикс. - 2004. - №3(17). – С. 39-46.

7. Володин В.П. Конструкции экструзионной оснастки / В.П.Володин// Пластикс. - 2004. - №4(18). – С. 49-52.

8. Рекламные материалы Shenk. - 2005. – 24с.

4. АКТУАЛЬНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ