Принципы технологии переработки полимеров

Проведение измерений и обработка результатов

За результат испытания принимают среднее арифметическое всех измерений, округленное до 1,0. Допускаемое отклонение каждого измерения от среднего арифметического значения не должно превышать ±3 ед.

2.7 Определение эластичности резин (ГОСТ 6950-73)

3. Основное оборудование переработки полимеров

3.1 Оборудование для переработки эластомеров

3.1.1 Червячные машины

Червячные машины являются машинами непрерывного действия, отличаются высокой эффективностью работы, универсальны по назначению и поэтому относятся к числу основных машин резинового производства. Они предназначены для получения из резиновых смесей заготовок различного профиля и любой длины, для гранулирования каучуков и резиновых смесей, для пластикации натурального каучука, отжатия влаги из каучука и регенерата, для обкладки кабелей, шлангов и рукавов резиновой смесью. Червячные машины специальной конструкции используются в качестве резиносмесителей непрерывного действия, служат узлами пластикации и впрыска в червячно-плунжерных литьевых машинах.

С помощью червячных машин реализуется процесс шприцевания резиновых смесей, заключающийся в непрерывном продавливании разогретого пластичного материала через профильное отверстие инструмента, размещаемого в головке червячной машины. В результате этого продавливания формуется заготовка, поперечное сечение которой соответствует геометрической форме отверстия. Таким методом получают заготовки протекторов, камер, прокладок, шнуров, шлангов и т. д. В промышленности пластических масс подобный метод широко применяется для получения готовых изделий и известен под названием экструзия. По этой причине червячные машины для переработки термопластичных материалов называют экструдерами. В резиновом производстве червячные машины называют также шприц-машинами, шнековыми машинами, червячными прессами.

Применение червячных машин для переработки резиновых смесей относится к семидесятым годам прошлого века. Первый патент на шнековый пресс был получен английской фирмой «М. Грей» в 1879 г. Одновременно другой английской фирмой «Шоу и Иддон» была построена шнековая машина для резины, в которой содержались основные узлы и элементы, присущие современным червячным машинам. С этого времени червячные машины начали пользоваться большим спросом и стали выпускаться в больших количествах различными фирмами. Типовая конструкция червячной машины

Основными узлами и деталями червячной машины являются: червяк 3, цилиндр 4, головка 2, загрузочная воронка 6, станина 9 с элементами привода червяка, электродвигатель 14 и пульт управления1. Главный рабочий орган машины -- червяк, имеющий глубокую винтовую нарезку с большим шагом. Червяк помещен в цилиндр и приводится во вращение от электродвигателя через систему передач.

1 -- пульт управления; 2 -- головка; 3 -- червяк; 4 -- цилиндр; 5 -- кожух; 6 -- загрузочная воронка; 7 -- фланец; 5 -- приводная шестерня; 9 -- станина; 10 --упорный подшипник; 11 -- шпиндель; 12 -- система охлаждения червяка; 13 -- шкив клиноременной передачи; 14 -- электродвигатель. имеет рубашки, в которые подается теплоноситель (вода) для нагрева или охлаждения; спереди к нему крепится головка, а сзади имеется окно, сообщаемое с загрузочной воронкой.

Принцип действия

Резиновая смесь или другой исходный материал, подлежащий переработке на червячной машине, может иметь форму полосы, кусков, гранул. Резиновая смесь в большинстве случаев подается в виде ленты, срезаемой с валков вальцев (при теплом питании) или закатанной в рулон (при холодном питании). Материал загружается в воронку, попадает на поверхность вращающегося червяка и его нарезкой увлекается в цилиндр. При этом происходит уплотнение и непрерывное деформирование материала, сопровождаемое перемещением его вдоль цилиндра от загрузочной воронки к головке. Головка и размещенный в ней профилирующий инструмент оказывают сопротивление осевому движению материала, вследствие чего и в самой головке и в цилиндре машины создается значительное давление, оказывающее влияние на работу червячной машины.

Перерабатываемый материал последовательно проходит через четыре рабочих зоны машины: загрузочную зону, зону пластикации, выдавливающую (или дозирующую) зону и зону формования (или зону головки). В загрузочной зоне червяк выполняет транспортирующую функцию и его задачей является непрерывное перемещение материала из воронки по направлению к головке. В пластицирующей зоне за счет контакта с нагретой поверхностью цилиндра и за счет превращения механической энергии в тепловую осуществляется нагревание материала и его пластикация, перемешивание и гомогенизация. Винтовая нарезка червяка обеспечивает и деформирование материала и его непрерывное перемещение вдоль цилиндра от воронки к головке.

В дозирующей зоне червяк служит элементом винтового насоса; здесь материал дополнительно гомогенизируется и находится в пластичном и вязкотекучем состоянии. В четвертой зоне материал формуется в заготовку того или иного профиля. Решающим фактором для перемещения материала в червячной машине является его взаимодействие с поверхностью червяка и цилиндра. В зоне загрузки большое значение имеет величина коэффициента трения между материалом и поверхностью цилиндра. Чтобы материал мог перемещаться вдоль оси червяка, коэффициент трения материала на поверхности червяка должен быть по возможности мал, а коэффициент трения материала на поверхности цилиндра достаточно велик. Если это условие не выполняется, то материал может вращаться вместе с червяком, не перемещаясь в направлении головки. Благоприятный режим работы машины в загрузочной зоне достигается выбором соответствующей геометрии винтовой нарезки червяка, формы загрузочного отверстия в цилиндре, обработкой поверхности червяка и цилиндра, а также подбором нужных тепловых и скоростных параметров технологического процесса.

В зоне пластикации осуществляются решающие процессы обработки материала. Вследствие сопротивления головки, а также переменного объема винтовой канавки червяка в цилиндре материал находится под давлением и за счет сцепления с рабочей поверхностью вращающегося червяка и неподвижной поверхностью цилиндра вовлекается в сложное движение. Деформации сдвига по мере перемещения материала к головке все больше и больше проникают в его глубину. Создается поток материала, который проявляет свойства аномально-вязкой жидкости. Переработка материала в этой зоне машины носит гидродинамический характер. Это и положено в основу современной теории работы червячной машины. В зоне пластикации происходит основной нагрев материала; здесь материал доводится до такого состояния, чтобы его можно было формовать с минимальной затратой усилий.

За исключением последней зоны (формования) все указанные зоны не имеют четких границ друг с другом. Длина каждой зоны зависит от состояния материала, загружаемого в воронку, и от технологического назначения машины. Так, в машинах, питаемых разогретой резиновой смесью и предназначенных для выпуска профильных заготовок, преобладает функция формования. Здесь не требуется длительной обработки материала, зона пластикации невелика по длине. Червяк в таких машинах имеет длину не более пяти диаметров. В машинах, предназначенных для пластикации каучуков, разогрева резиновых смесей зона пластикации должна быть увеличена. Общая длина нарезной части червяка в машинах подобного назначения увеличивается до десяти и даже до двенадцати диаметров.

По технологическому назначению червячные машины классифицируются на

· формующие или профилирующие, которые обычно и называют шприц-машинами;

· пластицирующие (пластикаторы) -- для пластикации натурального каучука;

· стрейнирующие червячные машины (стрейнеры) -- для очистки резиновых смесей от посторонних включений;

· гранулирующие червячные машины (грану-ляторы) -- для грануляции каучуков и резиновых смесей;

· обкладочные червячные машины -- для обкладки кабелей, рукавов резиновой смесью;

· смесительные червячные машины -- для дополнительной обработки резиновых смесей после резиносмесителей.

Такую классификацию нельзя назвать достаточно строгой, поскольку при небольшой переналадке (например, смене головки или червяка) червячную машину можно приспособить для выполнения той или иной технологической операции. На крупных заводах резиновой промышленности, где производство организовано по поточному принципу, червячные машины имеют узкоцелевое, специальное назначение, и там они полностью отвечают названной выше классификации. Червячные машины могут иметь не один червяк, а два. Такие двухчервячные машины более сложны по конструкции и предназначены для переработки жестких каучуков и резиновых смесей на их основе. Двухчервячные машины более эффективны в работе как смесители. Наибольшее распространение имеют одночервячные машины; они в основном и рассматриваются в настоящей главе.

Типы и размеры одночервячных машин для переработки резиновых смесей определены ГОСТ 11441--76. Согласно этому ГОСТу, машины должны изготавливаться следующих типов: МЧТ -- с теплым питанием, предназначенные для переработки резиновых смесей, имеющих в момент поступления в загрузочную воронку температуру не ниже 50 °С, а для машин, принимающих резиновую смесь из резиносмесителей, от 80 до 200 °С; МЧХ -- с холодным питанием, предназначенные для переработки резиновых смесей, имеющих в момент поступления в загрузочную воронку температуру не ниже 15 °С, а в момент поступления в профилирующую головку -- не менее 60 °С; МХЧВ -- с холодным питанием и вакуумированием, предназначенные для переработки с вакуумированием резиновых смесей, имеющих в момент поступления в загрузочную воронку температуру не ниже 15 °С, а в момент поступления в профилирующую головку -- не менее 60 °С. Основной характеристикой червячной машины является диаметр червяка. Согласно вышеупомянутому ГОСТу, установлен следующий ряд диаметров червяков (в мм): 32; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 300; 300/380; 400; 380/450; 530/660. Для дробных обозначений диаметров в числителе указан диаметр червяка в зоне выдавливания, а в знаменателе -- в зоне питания. Пример условного обозначения одно-червячной машины типа МЧТ с диаметром червяка 63 мм с правосторонней схемой обслуживания и ступенчатым регулированием частоты вращения червяка: «Машина МЧТ-63-П-С ГОСТ 11441--76». Сторона обслуживания определяется по положению рабочего места (если смотреть со стороны загрузочной воронки в сторону головки).

3.1.2 Каландры

Каландрирование -- процесс, при котором размягченный полимерный материал пропускается через зазор между валками, расположенными в горизонтальной плоскости. При этом образуется бесконечная лента, толщину и ширину которой можно регулировать.

На каландрах осуществляются следующие технологические процессы: листование ткани, промазка ткани, изготовление профилированной ленты или полосы, тиснение поверхности материала, дублирование ткани или листов пластического материала, обработка поверхностей жестких материалов и удаление избыточной жидкой фазы из листов и лент жестких материалов. Валков в каландре бывает два, три, четыре, пять и реже шесть.

Для дублнровочных, тиснильных и лнетовальных операций, как правило, применяются двухвалковые каландры; для глажения и промазки -трехвалковые; для листования и универсальных технологических операций -трех- и четырехвалковые; для профилирования -- четырех-валковые каландры. У каландров, предназначенных для листования, дублирования, тиснения и профилирования, окружные скорости валков, как правило, одинаковы. У каландров для промазки фрикция (отношение окружной скорости одного валка к окружной скорости другого валка) необходима; она колеблется в пределах от 1,2 до 1,35 для каждой пары валков; наружные валки имеют близкие значения окружных скоростей, иначе говоря, от нижнего валка к среднему окружные скорости увеличиваются, а от среднего к верхнему уменьшаются. В отличие от вальцов обрабатываемый на каландре материал проходит через зазор между валками в большинстве случаев однократно; поэтому почти всегда валки каландра выполняются одинакового диаметра в пределах одной машины. По характеру изменения давления и зазора каландры делятся на каландры с постоянным зазором, с постоянным давлением н с переменным зазором и давлением. В первом случае положение осей валков н, следовательно, величина зазора фиксируются жестко н могут несколько меняться только в результате деформации системы. При различной толщине втягиваемого в зазор материала давление валков на материал меняется, возрастая с увеличением степени обжатия. Во втором и третьем случаях в паре валков ось одного неподвижная, а ось другого имеет возможность поперечного перемещения за счет подвижных опор. Для создания давления валка на материал применяются грузы, пружины, гидравлические устройства и т. п. Следовательно, в этих случаях для достижения статического равновесия величина зазора будет меняться в процессе работы, пока реакции обрабатываемого материала на валки не будут уравновешивать опорные реакции. Опорные силы могут иметь постоянную величину (например, при установке грузов или гидравлических цилиндров с жидкостью постоянного давления); тогда и общее давление валков на материал не будет зависеть от его начальной толщины при поступлении в зазор. Если же опоры подвижного валка упруги (при установке пружин, пневматических цилиндров и т. п.), то с изменением толщины материала зазор между валками будет меняться и давление валков на материал также не останется постоянным; при увеличении начальной толщины материала зазор и давление возрастут, при уменьшении -- снизятся.

Для листования, профилирования, обмазки и обкладки необходимы каландры с постоянным зазором; для тиснения, дублирования и глажения--с переменным зазором и постоянным давлением; для обкладки и глажения можно пользоваться схемой с переменным зазором и давлением. Принцип работы каландров рассмотрим на схеме технологических процессов, осуществляемых на двух наиболее распространенных конструкциях--с треугольным и 5-образным расположением валков. На каландре с треугольным расположением валков можно осуществлять одностороннюю обкладку корда (рис. 3, а), промазку тканей, листование резины и дублирование резиновых листов или прорезиненных тканей. В зазор между валками / и 6 подается резиновая смесь и направляется в зазор, образованный валками 6 и 5. В этот же зазор между валками 5 и 6 через систему натяжных роликов 3, валик 4 и прижимной валик 2 подается корд или хлопчатобумажная ткань, подлежащая обкладке. По выходе из зазора корд с обкладкой через систему роликов 8 отводится с машины. При отводе с машины с помощью ножа 9 отрезаются кромки, которые при помощи приспособления 7 возвращаются в зазор между валками / и 6. На рис. 3, б показана технологическая схема промазки тканей резиной. Отличительная особенность данной схемы -- тормозное устройство // для подачи ткани в зазор между валками 5 и 6 я приводное приемное устройство 8, вращающееся от цепной передачи. При листовании резины (рис. 3, в) применяется ролик 4 с дисковыми ножами для обрезки кромок и возврата их в зазор. На рис. 3, г показана схема дублирования резиновых листов. При этом процессе применяется специальный прессовочный валик 5, через который подается резиновый лист или прорезиненная ткань; при отводе продублированного листа применяется ролик 4 с дисковыми ножами для обрезки кромок. На каландре с 5-образным расположением валков можно осуществлять двустороннюю обкладку металлотросового полотна; одностороннюю и двустороннюю обкладку тканей; одностороннюю и двустороннюю промазку тканей; листование резиновых смесей дублирование.

3.1.3 Резиносмесители

Резиносмеситель представляет собой машину, в которую загружают точно дозированные компоненты смесей, а получают однородную массу с более или менее одинаковым содержанием каждого компонента в любом элементарном ее объеме.

Эффект перемешивания достигается силовым воздействием рабочих органов резиносмесителя на материал, в результате которого каждый компонент равномерно распределяется по всему объему, и смесь усредняется. При перемешивании смесь и рабочие органы машины нагреваются. Поэтому резиносмесители снабжены системами охлаждения для обеспечения лучшего смешения компонентов и предотвращения подвулканизации смеси. В некоторых случаях, резиносмесители могут быть использованы в качестве пластикаторов, для пластикации каучуков.

Различают резиносмесители периодического и непрерывного действия. Наибольшее распространение получили резиносмесители периодического действия. В последнее время создают и внедряют в производство резиносмесители непрерывного действия.

На станине монтируется корпус резиносмесителя, основой которого является рабочая камера; внутри нее вращаются роторы , установленные в подшипниках . Рабочая камера имеет два окна: верхнее для загрузки компонентов, закрывающееся верхним затвором, и нижнее для выгрузки смеси, закрывающееся нижним затвором . Затворы управляются силовыми цилиндрами. Загрузочная воронка имеет заслонку, управляемую цилиндром. Роторы оснащены системой водяного охлаждения. Рабочая камера охлаждается водой с помощью коллектора. Для увеличения поверхности теплообмена наружную поверхность камеры выполняют ребристой. Роторы приводятся во вращение от электродвигателя через обычные или блок-редукторы.

Так же есть резиносмесители с треугольными роторами, несколько отличающийся по конструкции от резиносмесителя, периодического действия. На раме такого смесителя рабочая камера укреплена не горизонтально, а наклонно. Затвор для выгрузки смеси расположен не внизу, а сбоку и значительно больше по площади. По конструкции верхний затвор не отличается от описанного выше. Роторы в поперечном сечении имеют треугольную форму. Резиносмеситель такой конструкции принципиально не отличается от рассмотренного ранее, но обладает некоторыми особенностями, которые иногда, для конкретных технологических схем, имеют существенное значение. Например, возможность боковой выгрузки позволяет устанавливать смеситель на полу цеха. Принцип работы резиносмесителя периодического действия заключается в том, что в закрытой камере с помощью двух вращающихся роторов некоторый объем смеси интенсивно перемещается и периодически занимает большее или меньшее пространств. В результате воздействия роторов перемещающих смесь в уменьшающееся пространство, смесь начинает перетекать из одной полости камеры в другую через зазоры между ротором и стенкой камеры. При соответствующем положении роторов объем смеси разделяется на части, а затем вновь объединяется.

Благодаря постоянным изменениям направления перемещения смеси в объеме и в зазорах между роторами и стенкой камеры, а также значительным изменениям по величине и направлению перемещений смеси вдоль оси роторов, вызванным их сложной формой, в камере создаются благоприятные условия для усреднения состава смеси по всему объему, а также перетирания ее, разогрева и гомогенизации. Воздействие на смесь в камере резиносмесителя настолько интенсивно, что перемешивание длится не более нескольких минут. За это время температура смеси поднимается до предельных значений, что составляет главную проблему при смешении.

При переработке компонентов смеси в резиносмесителе протекают одновременно два процесса: смешение и диспергирование, что значительно усложняет описание процесса смешения.

Смешение -- процесс, при котором происходит изменение первоначального распределения компонентов в системе.

Резиносмесители периодического действия являются основным смесительным оборудованием современных заводов. Они обеспечивают получение резиновых смесей хорошего качества, имеют высокую производительность, долговечны и надежны в работе. Однако недостатки, заложенные в самом принципе периодического смешения, заставляют искать новые, более прогрессивные технические решения аппаратурного оформления процесса. Для обеспечения производительности, требуемой промышленностью, резиносмесители периодического действия строят с большим объемом камеры смешения. Кроме того, роторы этих смесителей вращаются с большой частотой, что обусловливает повышенное тепловыделение в смесительной камере и затрудняет отвод тепла. Опасность перегрева смеси не дает возможности еще более интенсифицировать процесс смешения в смесителях периодического действия. На таких машинах можно получать готовые смеси в виде бесформенных глыб, что требует применения дополнительных устройств для их переработки в форму, удобную для дальнейшего использования (листы, ленты, гранулы). Высокие температуры в смесительной камере затрудняют проведение процесса в одну стадию в резиносмесителях периодического действия. Вулканизующие агенты нередко вводятся в такие смесители во время следующих за первичным смешением процессов. Периодические процессы плохо поддаются регулированию. В таких резиносмесителях довольно сложно получить готовый продукт с хорошими и стабильными свойствами.

Непрерывные процессы смешения являются более совершенными. Они регулируются с высокой точностью, высокопроизводительны; потребление энергии во время непрерывного процесса равномерно в отличие от потребления ее при периодическом.

Все эти соображения привели к поискам возможности создания смесителей непрерывного действия.

При непрерывном процессе смешения, в отличие от периодического, не происходит резких циклических изменений мощности и температуры. Кроме того, появляется возможность использовать отводимую из зон интенсивного теплообразования энергию для предварительного нагревания ингредиентов, поступающих в зону загрузки, что позволяет значительно повысить КПД оборудования, обеспечить стационарность температурного режима смешения и получение смесей с одинаковыми свойствами, а также совмещать процессы смешения и формования резиновых смесей.

В большинстве случаев резиносмесители непрерывного действия имеют такую же конструкцию, что и машины червячного типа с одним или несколькими роторами (червяками). Интенсивная деформация и перемешивание материалов достигаются двухчервячных смесителях непрерывного действия, в которых червяки рас- положены так, что витки нарезки и перемешивающие элементы одного червяка входят в соответствующие пространства нарезки другого червяка. Червяки с переменным шагом нарезки имеют зоны с обратной нарезкой, в которых тормозится движение смеси к разгрузочному отверстию и увеличивается деформация сдвига.

В червячных машинах основным рабочим органом является винт, вращающийся в цилиндре с минимальным зазором. Червячные машины относятся к устройствам непрерывного действия. В них непрерывно подается исходный материал, который пластицируется, разогревается, уплотняется и выдавливается через профилирующее отверстие в головке. в виде профиля определенной формы, трубы или листа. Приближенно цилиндр по всей его длине можно разделить на три зоны: загрузки (питания), пластикации и нагнетания. В первой зоне жесткий (или упругий) материал захватывается гребнями нарезки, вдавливается в пространство между витками и поверхностью цилиндра и перемещается во вторую зону. В первой зоне червяк как бы вывинчивается из материала (как из гайки), двигая его вперед. Во второй зоне материал уплотняется под действием давления, оказываемого на него с одной стороны вращающимися витками нарезки червяка, а с другой -- встречным (обратным) потоком смеси, возникающим под действием давления в головной части цилиндра. Величина этого потока возрастает по мере продвижения материала к головке.

3.1.4 Вальцы

Вальцы являются одним из самых распространенных видов оборудования, их применяют на всех шинных заводах и заводах РТЙ, а также на многих заводах других отраслей промышленности. фальцы представляют собой машину с двумя горизонтальными валками, вращающимися навстречу друг другу. Они предназначены для обработки вязкоупругих или пластичных материалов путем их многократного пропускания через зазор между валками, где они подвергаются интенсивным деформациям сдвигового характера. Машина может работать как в периодическом, так и в непрерывном режиме.

Вальцы используют: для смешения, когда требуются мягкие условия проведения этого процесса; для подогрева смесей перед их дальнейшей переработкой; для получения листов смеси; для размола регенерата; для очистки смесей от посторонних включений (рафинирования).

Основанием вальцов служит массивная фундаментная плита 11, на которую монтируют детали станины 8 и 12. В станине расположены мощные подшипники, в которых вращаются валки 1 и 2. Для увеличения прочности и жесткости станины на правую и левую ее части устанавливают траверсы 5 и 17. Задний валок приводится во вращение от приводной шестерни 4. Передний валок вращается от пары шестерен 16, одна из которых укреплена на заднем, а другая на переднем валке. Разность частот вращения валков зависит от соотношения чисел зубьев этих шестерен. Зазор между валками регулируется перемещением переднего валка винтами 7, величина перемещения фиксируется с помощью делительных дисков 6. Устройства регулирования зазора расположены со стороны рабочего места вальцовщика. Ближайший к рабочему месту вальцовщика валок называют передним. Для того чтобы смесь в процессе вальцевания не выдавливалась за пределы валков и не забивала подшипники, на вальцах устанавливают ограничительные стрелки 3, представляющие собой металлические щитки, нижняя часть которых тщательно пригнана к поверхности валков. Стрелки крепятся к подшипникам валков. Подшипники несут большую нагрузку и требуют обильной смазки. Подшипники скольжения смазывают с помощью масленок 18. На современных вальцах установлены подшипники качения, смазываемые централизованной системой смазки. Вальцы относятся к машинам повышенной опасности, так как их рабочие органы (валки) открыты. Для аварийного останова машины предусмотрена специальная система. При нажатии на балансир 20 производится переключение выключателей в коробке 19, которые выключают двигатель и приводят в действие тормоз Приводные и фрикционные шестерни на вальцах закрыты металлическими кожухами (на рисунке не показаны).

Обработка смеси на вальцах происходит следующим образом. Смесь загружают в пространство между вращающимися валками, которые захватывают ее и затягивают в зазор; величина зазора может изменяться от нескольких долей миллиметра до 10--12 мм. В зазоре смесь подвергается сжатию и постепенно равномерно распределяется по всей длине валка. Кроме того, в зазоре на резиновую смесь действуют значительные усилия сдвига, вызывающие ее перетирание. Сдвиговые усилия возникают также вследствие различия частот вращения переднего и заднего валков, т. е. за счет фрикции, которая может быть значительной. Фрикция -- отношение линейных скоростей поверхностей заднего и переднего валков; так как задний валок вращается быстрее, чем передний, то значение , фрикции больше единицы. После прохода через зазор смесь прилипает к одному из валков, обычно к переднему, и образует на нем сплошной слой. При этом часть смеси перед зазором за счет фрикции также вращается. Такую бесформенную вращающуюся массу называют «вращающимся запасом». При дальнейшей обработке все новые и новые порции резиновой смеси из вращающегося запаса будут затягиваться в зазор и равномерно распределяться по поверхности валка. Обработка смеси происходит в зоне зазора между валками; интенсивность обработки зависит от величины зазора. Смесь можно многократно пропускать через зазор и после достаточной ее проработки снять с вальцов в виде листа. Такой режим работы машины называется периодическим.

При непрерывном режиме работы смесь загружается в пространство между валками и после равномерного ее распределения по всей длине валка срезается в виде узкой ленты и непрерывно отбирается транспортером. Вращающийся запас перед зазором расходуется на возобновление слоя массы на валке и пополняется питающим устройством. Вальцы -- тяжелая машина, масса ее может достигать 50 т; мощность двигателя привода 300 кВт.

Загруженная в межвалковое пространство смесь за счет трения о поверхности вращающихся валков и адгезии к этим поверхностям втягивается в зазор между валками и попадает в область деформации. Областью деформации считается пространство между поверхностями валков она расположена между сечениями В этом пространстве образуется клин из резиновой смеси. По мере движения смеси вместе с валками в межвалковое пространство ширина его уменьшается, и под давлением валков материал частично продавливается вниз через зазор, а частично выдавливается в обратном направлении. Это движение вызывает интенсивные деформации сдвига и сжатия смеси. Деформации сдвига возникают также вследствие разности окружных скоростей валков, так как грань клина, касающаяся поверхности валка, движется быстрее противоположной грани. Часть смеси, выдавленная в сторону, противоположную движению валков, вследствие разности их скоростей начинает вращаться, образуя вращающийся запас. Содержание смеси в запасе постоянно обновляется, в него включается часть смеси, которая прошла зазор и совершила полный оборот с валком, а смесь из запаса постоянно втягивается в зазор и образует слой на валке.

При движении смеси к сечению минимального зазора давление в массе возрастает. Скорость массы в этой части клина меньше скорости движения поверхности валков. После того как смесь пройдет минимальное сечение, давление в ней резко падает, а скорость возрастает, и смесь опережает рабочую поверхность валков.

Слой смеси обычно остается на поверхности переднего валка. Но в зависимости от состава смеси и температуры поверхности она может оставаться и на заднем валке. В процессе деформации смесь интенсивно нагревается и передает часть тепла валку. Во избежание перегрева материала валки охлаждают водой. При обработке резиновой смеси на вальцах в зоне деформации протекает ряд физико-химических и механических процессов (совмещение полимера с добавками, пластикация, изменение вязкости системы и конформации молекул, деструкция и др.).

Вальцы старых конструкций снабжены подшипниками скольжения. Они представляют собой массивный корпус с проточкой для шейки валка. Проточка имеет вставку (гильзу) из антифрикционного материала. Слой такого материала, например баббита, может наноситься на внутреннюю поверхность подшипника методом наплавления.. В таких подшипниках выделяется значительное количество тепла, поэтому корпус подшипника имеет каналы и снабжен устройством для подвода охлаждающей воды.

Современные вальцы оборудованы системой централизованной смазки. Насос-лубрикатор непрерывно подает смазочный материал к подшипникам. У подшипников скольжения окна для подачи смазки и канавки для равномерного ее распределения расположены с ненагруженной стороны подшипника. Отработанная смазка стекает по специальным отверстиям в сборник, фильтруется и опять подается насосом к подшипникам. Машины небольшого размера могут иметь систему смазки с подачей от ручного насоса или масленки с вращающимися крышками. В крышки закладывается консистентная смазка, при их вращении она подается в трубку, ведущую к поверхности трения. К вальцам прикладывается карта смазки, в которой указывается вид применяемого смазочного материала, порядок проверки и обслуживания системы, точки смазки, ее периодичность.

3.2 Переработка пластмасс

3.2.1 Гидравический пресс

Прессование-это технологический процесс изготовления изделий из полимерных материалов, заключающийся в пластической деформации материала при действии на него давления и последующей фиксации форм изделия. Если формуемый материал способен к пластической деформации без нагревания, то процесс ведется в холодной форме и носит название холодного прессования. Формование в нагретой форме, т.е. горячее прессование, применяется в том случае, если нагрев необходим для снижения вязкости материала перед подачей давления или когда фиксация форм изделия осуществляется за счет реакций отверждения, протекающих при повышенных температурах. Горячее прессование в зависимости от аппаратурного оформления проводится методами компрессионного (прямого) или литьевого (трансферного) прессования.

Метод прессования широко применяется при переработке реактопластов, резиновых смесей, а в ряде случаев и при переработке термопластов.

Компрессионное прессование реактопластов- наиболее распространенный и простой в аппаратурном оформлении метод. Он применяется при переработке пресс-порошков, волокнитов, слоистых пластиков. Его используют при изготовлении несложных по конструкции изделий, при переработке высоконаполненных материалов, в производстве изделий, к которым предъявляются высокие требования по однотонности, и изделий массой свыше 1 кг.

Прессование ведется в пресс-формах, конфигурация полости которых соответствует форме изделия. Давление в форме создается прессом, на котором она устанавливается с помощью крепежных плит.

При формовании изделий сложной конструкции, имеющих тонкую сквозную арматуру, в момент смыкания форм при компрессионном прессовании возникают перекос армирующих элементов, что приводит к браку. Достаточно часто наблюдаются недопрессовки при формовании изделий с малой толщиной стенок, но достаточно большой высотой.

Эти недостатки устраняются при использовании метода литьевого прессования, который отличается от компрессионного тем, что пресс-форма имеет загрузочную камеру и соединенную с ней литниковыми каналами формующую полость.

При горячем прессовании материал, например в виде пресс-порошка (обычно таблетированного или гранулированного) или листов, помещают в разомкнутую пресс-форму, нагретую до заданной температуры. При опускании плунжера пресс-форма замыкается, материал в результате нагревания и создаваемого прессом давления растекается и заполняет формующую полость, приобретая размеры и конфигурацию изделия. Реактопласты и резиновые смеси, выдерживают в пресс-форме под давлением до завершения процесса отверждения или вулканизации, после чего плунжер пресса поднимают и вталкивают из разомкнутой формы готовое изделие. Горячее прессование термопластов применяют ограниченно, т.к. в этом случае пресс-форму перед извлечением из нее изделия необходимо охлаждать. Температура прессования полимерных материалов может изменяться в пределах 80-300?С, давление от 2 до 90 Мн/м2 (20-900 кгс/см2), продолжительность выдержки под давлением- от долей мин. до 30 мин. Давление тем выше, чем меньше текучесть материала и сложнее конфигурация изделия. Длительность прессования полимерных материалов определяется скорость нагрева и отверждения (вулканизации) материала. Процесс ускоряется при загрузке в пресс-форму предварительно нагретого материала (например токами ВЧ).

Холодное прессование использую главным образом для переработки термопластов, не размягчающихся при нагревании, например фторопластов. В этом случае материал прессуют (уплотняют) в холодных формах, а затем, после извлечения изделия из формы, подвергают термообработке (т.е. спеканию). Прессование - одно из распространенных методов получения изделий из полимерных материалов, особенно термореактивных. Прессование осуществляется на прессах, назначение которых - создание необходимого усилия (давления) для растекания пластмасс в полости формы и удержание ее от раскрытия выделяющимися газообразными продуктами химической реакции (для реактопластов). Процесс прессования происходит в пресс-формах, конфигурация рабочих полостей которых соответствует конфигурации изделий. Пресс-форму устанавливают между плитами пресса, создающими необходимое давление. Прессы оказывают статическое (неударное) воздействие на пресс-форму.

Рисунок 1. Схема основного узла пресса.

1 - цилиндр, 2 - плунжер недифференциального типа (в прессе Д-2428 - дифференциальный), 3- направляющая втулка, 4 - уплотнение, 5 - пуансон и 6 - матрица пресс-формы; р - давление масла, F - площадь плунжера, q - давление прессования материала, f - площадь проекции изделия.

3.2.2 Экструзия

В соответствии с конструкцией основного рабочего органа экструдеры могут быть:

1. Шнековые (червячные) - одно- и многошнековые;

2. Безшнековые:

2.1. плунжерные (поршневые)

2.2. дисковые

3. Комбинированные (дисково-червячные).

Одношнековые экструдеры могут создавать давление расплава перед головкой (формующей оснасткой) до 50 МПа (в интервале 10-50 МПа), двухшнековые -в интервале 10-35 МПа, дисковые не более 5 МПа (в интервале 0,5 - 5 МПа) и плунжерные более 100 МПа.

В соответствии с этим свойством и различные области применения экструдеров для получения различных видов изделий из разных материалов: для высоковязких расплавов и изделий с высокими требованиями к точности геометрических размеров применяются плунжерные машины; для изделий с невысокими требованиями к геометрической точности - дисковые; для всех остальных - шнековые (червячные).

Основным рабочим органом этого класса экструдеров является шнек или червяк, благодаря вращению которого осуществляется транспортировка и продавливание пластической массы в формующую головку (оснастку). Поэтому основой классификации служит принцип количества, конструкции, расположения и т. п. шнека (шнеков) в машине. Червячные экструдеры бывают следующих видов:

1. Одношнековые,

2. Двух- и более шнековые,

3. Одно-, двух- или многоцилиндровые (каждый шнек может бытьразмещен в общем или индивидуальном цилиндре),

4. Одно- и двухстадийные (пластикация и выдавливание расплаваосуществляются соответственно в одну или две стадии),

5. По расположению шнека- горизонтальные и верти¬кальные (в двухшнековых экструдерах один шнек может быть горизонтальным, другой - вертикальным),

6. Цилиндры и шнеки с зоной дегазации и без неё,

7. Экструдеры с модульной (сменной секцией цилиндров и шнеков)конструкцией.

Двухшнековые могут иметь цилиндрические или конические шнеки зацепляющиеся (совмещаемые) и без зацепления (не совмещаемые); с зонами дегазации и без них; модульной конструкции и т. д.Наиболее распространены экструдеры с одним шнеком.

Двухшнековые экструдеры с зацепляющимися шнеками применяются для переработки полимерных композиций, полимеров с плохой термостабильностью (ПВХ).Для них характерны свойства самоочищения после окончания экструзии иулучшенная дозирующая способность (отсутствие пульсаций) расплава.Двухшнековые экструдеры с незацепляющимися шнеками имеютпревосходную смесительную способность благодаря сложной конфигурациипотоков расплава полимера, большим сдвиговым напряжениям и т. д. Опасны для переработки нетермостабильных полимеров (термомеханическая деструкция).

Обогрев экструдеров осуществляется с помощью электронагревателей или теплоносителей, которые подаются в рубашку цилиндра. Охлаждение зон цилиндра, шнека может быть водяным, воздушным и комбинированным. Датчиками температуры служат термопары и термометры сопротивления. Привод шнека может быть электрическим (с помощью двигателей постоянного и переменного тока) или гидравлическим.

Шнековые экструдеры, как правило, работают в диапазонах изменения скорости и напряжения сдвига расплава полимера 100 - 500 с"1 и 0,1 МПа и давлении расплава перед решеткой с сетками (максимальное) 10 - 20 (30) МПа.

Рис. 1. Одношнековый экструдер для переработки термопластов.

Рис.2. Вертикальный экструдер с питанием со стороны открытого конца червяка: а -общий вид; б, в - варианты загрузочной части экструдера; г - вариант зоны выдавливания.

Технологический процесс экструзии складывается из последовательной пластификации и перемещения материала вращающимся шнеком внутри материального цилиндра. Различают три зоны в экструдере - зону питания (I), зону пластификации (II) и зону дозирования расплава (III).

Можно сказать, что деление шнека на зоны I-III условно, оно осуществляется по технологическому признаку и указывает на то, какую задачу выполняет на данном участке шнек. Цилиндр так же имеет определенные зоны обогрева. Длина этих зон определяется расположением нагревателей на его поверхности и их температурой. Границы зон шнека I-III и зон обогрева могут не совпадать. Для обеспечения успешного перемещения материала большое значение имеют условия продвижения твердого материала из загрузочного бункера и заполнение межвиткового пространства, находящегося под воронкой бункера.

Загрузка сырья. Полимерный материал для экструзии, подаваемый в бункер, может быть в виде гранул, порошка, лент. Последний вид характерен для переработки отходов промышленного производства пленок и осуществляется на специальных экструдерах, оснащенных принудительными питателями-дозаторами. Наиболее часто экструзией перерабатываются гранулированные пластики. Переработки полимера в виде гранул - оптимальный вариант питания экструдера. Гранулы полимера меньше склонны к зависанию и образованию пробок в бункере, чем порошок, а так же легче пластифицируются и гомогенизируются.

Загрузка межвитнового пространства под воронкой бункера происходит на отрезке длины шнека, равном 1 - 1.5D. При переработке многокомпонентных материалов для загрузки их в бункер применяются индивидуальные дозаторы - шнековые, вибрационные, весовые и другие. Сыпучесть материала сильно зависит от его влажности, поэтому гигроскопичные материалы необходимо сушить перед загрузкой в экструдер.

При длительной работе экструдера возможен перегрев цилиндра под воронкой бункера и самого бункера. В этом случае гранулы начнут слипаться и прекратится их подача на шнек. Для предотвращения перегрева в этой части цилиндра производится охлаждение. Это осуществляется циркулирующей водой в специальных полостях.

В первой зоне поступающие из бункера гранулы заполняют межвитковое пространство шнека и уплотняются.

Во второй зоне происходит подплавливание полимера, примыкающего к стенкам цилиндра. В тонком слое полимера происходят интенсивные сдвиговые деформации, что приводит к интенсивному смешению.

Основной подъем давления расплава происходит на границе зон I и II. На этой границе образующаяся пробка скользит по цилиндру. Наличие этой пробки и создает основной вклад в повышение давления расплава. Запасенное на выходе их цилиндра давление расходуется на преодоление сопротивления сеток, течения расплава в каналах головки и формирования профиля.

В третьей зоне, зоне дозирования, расплавленная масса полимера продолжает гомогенизироваться, но все еще не является однофазной и состоит из расплава и твердых частиц в расплаве. К концу зоны пластик полностью проплавляется и становится гомогенным. После чего продавливается через чистящие сетки и формующую головку.

3.2.3 Сварочные агрегаты

Сварка пластмасс - один из способов создания неразъемного соединения элементов конструкций. В результате сварки между соединяемыми поверхностями исчезает граница раздела, превращаясь в размытый переходный слой. Прочность соединения обусловливают возникающие в этом слое силы межатомного и межмолекулярного взаимодействия. При сварке термопластов и термоэластопластов переходный слой образуется в результате диффузии сегментов макромолекул полимера, находящегося в вязкотекучем состоянии. Это состояние реализуется при нагревании свариваемых материалов или при действии на них растворителя. Соответственно различают диффузионную тепловую сварку и диффузионную сварку с помощью растворителя. Прочное сварное соединение термореактивных полимеров, которые невозможно перевести в расплав или раствор, может быть образовано при химическом взаимодействии макромолекул между собой или с введенным в зону сварки сшивающим агентом. Такой способ создания соединения называется химической сваркой.

Его используют также для сварки некоторых кристаллических или ориентированных термопластов, когда необходимо в максимальной степени сохранить структуру свариваемых материалов.

Источники нагрева при сварке - нагретые газ, инструмент, присадочный материал или тепло, генерируемое в материалах в результате преобразования различных видов энергии - токов высокой частоты, ультразвука, трения, инфракрасного или лазерного излучения.

Контактно-тепловая (термоконтактная) сварка - универсальный способ, которым принципиально можно соединить все термопласты больших и малых толщин. При данном методе сварки нагрев соединяемых поверхностей деталей происходит за счет контакта с нагревательным (сварочным) инструментом, через который чаще всего передается давление на свариваемые поверхности. Классификация сварочного оборудования по принципу действия: