Курсовая работа (т): Расчет производительности экструдера

Изменяя скорость вытяжки, температуру и интенсивность охлаждения рукава, форму рукава, а, следовательно, и свойства пленки, можно получить следующие формы рукава. [3]

- экструдер, 2 - подача сжатого воздуха, 3 - головка экструдера,4 - охлаждающее кольцо, 5 - рукав, 6 - щеки, 7 - тяговые валки, 8 - натяжной ролик, 9 - наматывающее устройство

Рисунок 4 - Схема агрегата для получения пленок рукавным методом с подачей расплава вниз

На рисунке 5 представлена схема агрегата «Henschel» (ФРГ) для экструзии раздувной пленки в горизонтальном направлении.

После прохождения через отжимные тянущие валки пленка сматывается в один или несколько рулонов. Полиэтиленовую пленку можно наматывать на бобины в виде рукава, а при обрезке кромок с двух сторон - в виде двух полотен; «полурукав» получается, когда обрезается только с одной стороны.

Для намотки пленки существуют два вида устройств с центральным и периферийным приводом. В первом случае пленка наматывается на бобину, приводимую во вращение от центрального вала со скоростью, обеспечивающей постоянное натяжение пленки между вытяжными валками и рулоном пленки независимо от его диаметра.

Во втором случае бобина приводится во вращение за счет фрикции рулона с пленкой о валок, движущийся с постоянной окружной скоростью. Устройство фрикционной намотки значительно проще центральной, но создает значительное натяжение, и намотка пленки в рулонах получается очень плотной.

- бункер-дозатор сырья; 2 - экструдер; 3 - кольцевая прямоточная головка; 4 - рама со складывающими пластинами; 5 - тянущие валки; 6 - механизм продольной резки; 7 - намоточная машина

Рисунок 5 - Схема агрегата «Henschel» (ФРГ) для экструзии раздувной пленки в горизонтальном направлении

.3 Общие свойства полимерных пленок

Полимерные пленки должны обладать комплексом определенных свойств. Эти свойства можно разделить на следующие группы.

.3.1 Эксплуатационные свойства

Деформируемость - свойство проявляющееся в изменении размеров или формы конструкции (образца) под действием внешних сил (при нагревании, охлаждении, изменении влажности и т.д.), вызывающих изменение относительного положения частиц тела. Деформируемость определяется структурой и физическим состоянием.

.3.2 Физико-механические свойства

Долговечность и надежность. Основной характеристикой долговечности и надежности является длительная прочность, то есть способность сохранять к концу предполагаемого эксплуатационного периода необходимый и достаточный запас прочности для выполнения служебных функций.

Прочность и деформация при двухосном растяжении. Эти параметры определяются растяжением круглых плоских образцов на приборе Шоппера - Дален, действие которого основано на передаче давления сжатого воздуха через резиновую мембрану на образец, прочно закрепленный по периметру. Метод позволяет определить прочность пленки при растяжении, относительное удлинение при разрыве, а также предел текучести при растяжении.

.3.3 Физико-химические свойства

Стойкость к агрессивным средам определяется сохранением заданного комплекса эксплуатационных свойств испытуемого материала при воздействии жидкой или газообразной среды. Для полиэтиленовых пленок, находящихся в контакте с пищевыми продуктами, важное значение имеет экстрагируемость этими продуктами низкомолекулярных веществ, входящих в состав материала (стабилизаторов, пластификаторов, модификаторов и т.д.).

Предложено с учетом реакционной способности полимера классифицировать агрессивные среды в зависимости от характера взаимодействия их с полимерами на две группы - физические и химически активные.

Физически активные среды вызывают обратимые изменения полимера, не сопровождающиеся разрушением химических связей (например, набухание, растворение), в то время как химически активные среды производят необратимые изменения химической структуры полимера. Некоторые среды могут быть одновременно и физически, и химически активными.

На стойкость к агрессивным средам существенное влияние оказывают проницаемость полимеров, зависящая от их физического состояния, степени кристалличности, плотность упаковки, степень ориентации, наличие и тип пространственных связей, свойство и количество наполнителей, различные добавки и т.д.

Специфическим свойством пленочного материала является его проницаемость - способность пропускать жидкости, пары или газы. Описаны два механизма проницаемости полимерных материалов - фазовый (при котором молекулы жидкости и, пара или газа, не изменяя фазового состояния материала проходят через имеющиеся в нем поры, капилляры, микротрещины, размер которых сопоставим с размерами молекул проникающего вещества или превосходят их) и активированный диффузии (при котором молекулы жидкости, пара или газа сорбируются на оной стороне пленочного материала, диффундируют через толщу материала и десорбируются с другой стороны).

Водопроницаемость определяется количеством воды, проходящей через единицу поверхности пленки за заданное время.

Водопоглощение определяется количеством воды, поглощенной при заданной температуре единицей массы (объема) материала. При этом необходимо учитывать количество экстрагированных водой веществ из пленки.

Важной характеристикой ПЭ пленки является проницаемость по отношению к водяным парам. Значение константы паропроницаемости ПЭНП Р = 7,5·1017 кг/(м·с·Па).

Газопроницаемость является важнейшим свойством пленки, определяющим возможность использования ее в качестве материала для упаковки, гермочехлов. Для упаковки продуктов большое значение имеет определение газопроницаемость по отношению к кислороду, азоту и диоксиду углерода.

Газопроницаемость полиэтиленовых пленок зависит главным образом от молекулярной структуры полимера, химической природы диффундируемых газов, толщины пленочного материала, температуры, давления и градиента концентраций, физических и фазовых состояний полимерных слоев и степени ориентации макромолекул или их фрагментов.

Стойкость к воздействию атмосферных условий является важнейшей эксплуатационной характеристикой ПЭ пленки. Она определяется на образцах материалов, экспонированных на стендах, расположенных под углом в 45 ° к югу. Стенды устанавливаются в различных климатических зонах страны. При экспозиции тонких пленочных материалов их размещают на рамках с тканевой подложкой во избежание надрыва образцов. Периодически у части образцов определяют изменение комплекса свойств, которые и являются критерием пленки.

Светостойкость пленки характеризуется пригодностью ее к эксплуатации при воздействии ультрафиолетового излучения. Оценку светостойкости полимерной пленки производят путем воздействия на них световых лучей от искусственного источника света.

Стойкость к радиационному воздействию ПЭ пленки имеет существенное значение при использовании в зоне излучений ядерных реакторов, ускорителей заряженных частиц, рентгеновских установок, в условиях космоса. Радиационное воздействие приводит к химическим изменениям в полимерах - сшиванию, деполимеризации, деструкции, сопровождающимися газовыделением. Эти изменения в большинстве случаев ухудшают свойства полимерной пленки - снимают прочность, светопрозрачность, повышают жесткость. Степень облучения характеризуется энергией излучения, поглощенной единицей массы пленки.

.3.4 Физические свойства

Под теплостойкостью полимерной пленки понимают температуру, соответствующую максимально допустимой деформации. Ее оценку производят путем нагревания образца, подвешенного с грузом в термостате при регламентированной скорости нагревания, температуре и нагрузке. На основании данных испытаний строят термомеханическую кривую в координатах температура - деформация.

О морозостойкости пленок судят по их температуре хрупкости, которую определяют, подвергая образец деформации изгиба после выдержки в охлаждающей среде. Морозостойкость определяют по температуре хрупкости путем сдавливания образца в виде полоски, сложенной петлей и зажатой в зажиме. Появление трещин после деформации считается разрушением образца, а температура, при которой появились трещины в пяти образцах (из 10 испытаний), - температурой хрупкости.

Теплопроводность пленки характеризуют коэффициентом теплопроводности, значение которого необходимо при теплофизических расчетах конструкций и изделий. Коэффициент теплопроводности определяют в двух режимах теплового потока: стационаром и нестационарном. В первом режиме изменяется перепад температур, создаваемый постоянным тепловым потоком, между фиксированными точками образца. Во втором режиме, как правило, могут быть определены как теплофизические свойства, так и температурная зависимость этих свойств.

Горючесть (воспламеняемость) пленки характеризуют различными критериями: способность гореть при удалении источника огня, скоростью распространения пламени при горении, температурой самовоспламенения на воздухе и др.

Диэлектрические свойства пленки характеризуются следующими показателями: тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ, удельным объемным электрическим сопротивлением pv, удельным поверхностным электрическим сопротивлением ps, электрической прочностью в широком интервале температур и частот, диэлектрической проницаемостью ε и электризуемостью материала при трении.

Оптические свойства пленки, как правило, оценивают по интегральному светопропусканию, или светопрозрачности (по коэффициенту светопропускания): избирательному поглощению света; коэффициента отражения и рассеивания света; блеску пленок.

.3.5 Санитарно-гигиенические свойства

Полимерные компоненты пленок способны выделять в окружающую среду вещества, оставшиеся или образовавшиеся в полимерах при их синтезе, а также в процессе переработки в изделия, хранении и эксплуатации.

Санитарно - гигиеническая оценка таких материалов заключается в изучении их влияния на организм человека и окружающую среду с целью определения условий применения, при которых будут исключены или сведены к минимуму отрицательные эффекты. Гигиеническая оценка полимерной пленки включает в себя испытания органолептические, санитарно - химические и токсикологические. [5]

.4 Описание технологического процесса производства рукавной пленки из ПЭНП

Процесс изготовления пленки рукавным методом основан на непрерывном выдавливании расплава полимера через узкую кольцевую щель формующей головки с последующей вытяжкой рукава в продольном и поперечном направлении и его охлаждение.

Технологический процесс производства ПЭ пленки состоит из следующих стадий:

подготовки и загрузка сырья;

экструзия полиэтилена с формованием рукавной заготовки через кольцевую щель;

пневматическое растяжение, вытяжка и охлаждение пленочного рукава;

намотка пленки в рулоны;

упаковка и транспортировка;

Технологическая схема производства ПЭ термоусадочной пленки представлена на рисунке 6.

Гранулированный ПЭ со склада сырья (позиция 1) напольным транспортом (позиция 2) перевозится к месту подготовки сырья. Далее все необходимые компоненты (ПЭНП, ЛПЭНП (линейный полиэтилен низкой плотноти) и добавка d2w) взвешиваются на напольных весах (позиция 3).

После этого сырье поступает на смешение в подвижный лопастной смеситель СПЕМП -2/0,5 (позиция 4) через люк для загрузки компонентов. Под действием лопастей мешалки достигается вращение гранул материала, которые прижимаются к стенкам смесителя и поднимаются на некоторую высоту, а затем падают вниз, вследствие чего достигается взаимное перемещение их в объеме смесителя, что позволяет быстро получить однородную смесь.

Загрузка гранул в бункер экструдера осуществляется с помощью однофазного вакуумного загрузчика (позиция 5), предусмотренного для замены ручного труда механизированным и снижения запыленности.

Материальный цилиндр экструдера (позиция 6) имеет 5 зон обогрева Нагрев осуществляется с помощью ленточных электронагревателей, охлаждение водой.

Рисунок 6 - Технологическая схема производства ПЭ термоусадочной пленки

Перед началом экструзии включается обогрев зон цилиндра и головки. Температурный режим зон устанавливается в зависимости от свойств перерабатываемого ПЭ и приведен в таблице 1.

До включения нагревателей цилиндра открывается подача воды на охлаждения загрузочной зоны цилиндра. После достижения заданных температур выдерживается на данном режиме при отсутствии ПЭ в течение - 0,5 часа, при наличии - до 3,0 часов.

В период подготовки экструдера к пуску производится калибровка щелевого зазора головки по щупу.

Разогретая установка запускается с частотой вращения шнека от 0 с последующим постепенным увеличением частоты вращения. При этом необходимо обращать внимание на показание приборов, указывающих нагрузку на двигатель экструдера и приборов регулирования температуры расплава по зонам цилиндра и головки.

Гранулы ПЭ захватываются шнеком с переменной глубиной нарезки и продвигаются по цилиндру. При этом происходит сжатие, расплавление и гомогенизация ПЭ.

Таблица 1 - Температурный режим зон в зависимости от свойств перерабатываемого ПЭ

Внутреннее пространство материального цилиндра (экструдера) условно делится на три зоны загрузки, пластикации и дозирования. Поступающие из бункера гранулы заполняют межвитковое пространство шнека зоны 1 и уплотняются. Уплотнение и сжатие гранул в этой зоне происходит, как правило, за счет уменьшения глубины нарезки шнека. Продвижения гранул осуществляется вследствие разности значений силы трения полимера о внутреннюю поверхность корпуса цилиндра и о поверхность шнека. Перемещение материала возможно, когда крутящий момент на поверхности цилиндра больше, чем на поверхности шнека. Это условие может быть обеспечено путем изменения температуры цилиндра и шнека. Для достижения максимальной разности крутящих моментов сил трения, температура поверхности цилиндра должна быть близкой к температуре плавления полимера, а температура шнека на 30-50 ºС ниже, чем температура цилиндра.

В начале зоны пластикации происходит подплавление полимера, примыкающего к поверхности цилиндра. Движение материала происходит за счет течения вязкой жидкости по поверхности цилиндра и скольжения слоя гранул по поверхности шнека. Поскольку глубина нарезки шнека уменьшается по мере продвижения материала от зона I к зоне II, то возникающее давление заставляет пробку плотно прижиматься к горячей стенке цилиндра, где и происходит плавление полимера. Пробка плавится также за счет тепла, выделяющегося за счет внутреннего трения в материале в тонком слое расплава, где происходят интенсивные сдвиговые деформации - материал пластифицируется. В зоне дозирования расплавленная масса продолжает гомогенизироваться, что проявляется в окончательном плавлении остатков твердого полимера, усреднении вязкости и температуры расплавленной части. В межвитковом пространстве расплав имеет ряд потоков, основными из которых являются продольный и циркуляционный. Длина зоны дозирования должна быть около 8-10 D, чтобы обеспечить высокое давление и выравнивание температуры расплава по сечению. Частота вращения шнека и его геометрические размеры выбираются в зависимости от ширины и толщины пленки и максимально допустимой скорости отвода пленки. Расплавленный ПЭ через пакет фильтрующих сеток поступает в формующую часть головки (позиция 7).