Vytlačování
Vytlačování Patří k jednoduchým způsobům tváření materiálů Jde v podstatě o proces tváření profilovaným otvorem (hubice) do volného prostoru Podmínkou je ROZTAVENÍ a STLAČENÍ polymeru na potřebný tvářecí tlak
Tvářecí tlak se vyvozuje: - Šnekem ->vytlačovací stroj: jednošnekový dvoušnekový šroubovicový -
Pístem Válcem Diskem (využití Weissenbergova efektu N1)
Cíle vytlačování Velkou vytlačovací výkonnost úměrnou otáčkám šneku a co nejméně závislou na protitlaku Rovnoměrnou dopravu taveniny bez pulsací Místně i časově rovnoměrnou dopravu taveniny Vytlačování taveniny bez orientace Homogenní zamíchání polymeru se všemi přísadami Vytlačení výrobku bez pórů, bublinek, tedy přípravu taveniny bez těkavých podílů i při velké výkonnosti
Rozdělení vytl. strojů
Pístový vytl. stroj
1 — pracovní válec, 2 — pracovní píst, 3 — vytlačovací hlava, 4 — vytlačovaný materiál, 5 — topné tělesa, 6 bajonetový uzávěr, 7 — vedení pístnice, 8 — hydraulický válec, 9 — píst, 10 — pístnice
Diskový vytl. stroj
Výkon diskového vytlačovacího stroje závisí na průměru a tvaru disku, smykové rychlosti a druhu zpracovávaného polymeru
Konstrukčně velmi jednoduché
Disk vytváří proti čelní desce štěrbinu, do které přes chlazenou násypku vstupuje materiál a účinkem elastických napětí se dopravuje v radiálním směru k hubici. Potřebné teplo k tavení vzniká v důsledku smykového namáhání materiálu ve štěrbině a také je dodáváno topnými tělesy
Nevýhoda - nízké vytlačovací tlaky, které lze v určitém rozsahu ovlivňovat změnou otáček disku
Diskový vytl. stroj
Spirálový vytl. stroj
Vytlačovací stroje spirálové tvoří přechod mezi vytlačovacími stroji diskovými a šnekovými
Konstrukčně vychází z diskového vytlačovacího stroje, ale rozdíl spočívá v tom, že pohyb materiálu nastává v kanálku, který má tvar spirály, účinkem rychlostních složek a ne účinkem viskoelastických vlastností zpracovávaného materiálu.
Spirálový vytl. stroj
Vytl. stroj diskový se šnekem
Šnekový vytlačovací stroj (VS) Šnek: Válcové těleso opatřené závitovým profilem (Jednochodný, vícechodný), různý pro termoplasty a kaučuky Analýza funkce šneku - Doprava - Stlačení - Homogenizace (současná změna stavu; často fázová)
Schéma
Jednochodý šnek
Vstupní pásmo - Vstup materiálu: Sypký (prášek, granule) - míchání Pásek (folie, „odpad“ z výroby)
Pro dopravování tuhých granulí nebo prášků směrem dopředu musí tření na válci být vyšší než na šneku, tzn. vnitřní povrch válce musí být drsný, zatímco povrch šneku velmi hladký
uvažujme šroub a tuhou matici... Dopravovaný materiál představuje matici, která se bude při otáčení šneku (šroubu) pohybovat v axiálním směru pouze tehdy, nebude-li se protáčet
Bez dostatečného tření na stěně válce nebude existovat pohyb tuhého polymeru dopředu
Proto jsou šneky LEŠTĚNY (nízký koeficient tření). Válce jsou DRSNÉ a někdy jsou pod násypkou záměrně drážkovány (pro vyšší tření). K tavení dochází ve vrstvičce blízko vyhřívaného válce a postupně se na tlačné části křídla šneku tvoří zásobník taveniny.
Přechodové pásmo Podíl roztaveného materiálu
(po délce kanálu)
vzrůstá vlivem:
- OHŘEVU od stěny válce - Dissipačního tepla.
Výstupní pásmo Celý profil je vyplněn taveninou – probíhá: - doprava (neprobíhá generace tlaku) - míchání (generuje se tlak p) - kombinace
chlazení
Teplo, které se vyvine v důsledku tření a vedení tepla ze stěny válce má za následek vzrůst teploty podél šneku Když dosáhne teplota bodu tání krystalického polymeru nebo teploty skelného přechodu amorfního polymeru, na povrchu válce s vytváří vrstvička taveniny Další smykové namáhání vyvolává víc viskózního tepla, které je vedeno k tuhému loži a roztaví víc polymeru Jakmile se vrstvička stane silnější než je vůle mezi lopatkou šneku a válcem, vytvoří se zásobník taveniny v zadní části šnekového kanálu
Regulace tlaku ve výstupním pásmu
Příklady šneků pro zpracování plastů
Jednošnekový vytlačovací stroj
Konstrukční uspořádání vytlačovacího trnu s rozdělovačem
a, b, c — způsoby řešení rozdělovače 1 – těleso vytl. hlavy, 2 — rozdělovač, 3 - vytlačovací trn
Tok v pouzdru vytlačovacího stroje
Q-p diagram vytl. stroje S – charakteristika vytlačovací hlavy n – otáčky Tmax - teplota degradace polymeru W – přímka hospodárnosti
Zvláštní typy vytl. strojů
Rychloběžné – po překročení 250 až 1500 ot/min stačí mech. energie pro tavení – autogenní - podíl mechanické energie přeměněné vnitřním třením v teplo postačuje k tavení materiálu, není třeba vnější přívod tepla Nezbytný větší příkon větší namáhání pohonné soustavy šneku, především axiálních ložisek. Výhoda - díky velkým otáčkám lze pohánět šnek přímo, bez převodu vyšší mechanická účinnost pohonu stroje. nezbytné zařízení pro regulaci otáček šneku Rychlost vytlačování - dle dávkování materiálu a teplota taveniny se nastavuje samočinně - při vzrůstu teploty viskozita menší, materiál je méně mechanicky namáhán, teplota opět samočinně sníží, až se dosáhne ustáleného stavu vytápění jen při zahájení provozu, ne speciální regulace teploty pouzdra, regulace teploty pouze v hlavě Nevýhoda - větší opotřebení šneku, pouzdra a ložisek, velké tepelné namáhání vytlačovaného materiálu Použití při přípravě taveniny polyethylenu pro nanášení na papír) vertikální uspořádání, krátké šneky s délkou10 - 17D
S odplyňovacím šnekem - umožňuje zvětšit míchací účinek šnekového vytlačovacího stroje V odplyňovací části jsou z horkého plastikovaného materiálu odsávány těkavé podíly (voda, monomer apod.) Použití stroje tohoto typu - zvláště výhodné pro výrobu desek, kdy se požaduje materiál bez těkavých podílů, které by mohly vytvářet bublinky, a tedy i místa kazů při dalším zpracování (např. vakuovým tvarováním) Celková délka odplyňovacích šneků - 25 D až 35 D moderní konstrukce - hnětací a míchací elementy Optimální řešení odplyňování vytl. strojů kaskádové uspořádání - oba šneky pracují do určité míry nezávisle a změnou jejich otáček lze přesně nastavit tlakové poměry ve stroji
Vytlačovací stroje s nucenou dopravou
pouzdro ve vstupním pásmu upraveno - opatřeno podélnými drážkami granule plastu zachycovány šnekem a díky tomu, že podélné drážky brání jejich otáčeni se šnekem, jsou posunovány pouze vpřed a záhy stlačeny v zátku zátka šnekem dopravována vpřed - nucená doprava materiálu granule nesmí být křehké intenzívní chlazení a tepelné oddělení pouzdra – nesmí dojít k natavení ve vstupním pásmu (zanesení drážek) již vstupní pásmo vyvozuje tlak lze zplastikovat 2x větší množství než na klasickém jednošneku použití hlavně při vyfukování dutých předmětů
Vytl. stroje na kaučuky Teplé vytlačování - plastikace a předehřátí kaučukové směsi na dvouválci na 60 - 100°C a pak ve formě pásku dodány do vytl. Stroje Krátké šneky – 4-6D
Studené vytlačování – ohřev i plastikace ve vytlačovacím stroji, delší šneky (10-18D), míchací a hnětací elementy
Vytl. stroje se zvýšenou účinností
Dvoušnekové vytlačovací stroje
výhody dvoušnekových vytl. strojů nucená
doprava materiálu dává vytlačovací výkonnost nezávislou na typu polymeru rychlejší a dokonalejší tavení polymeru umožňuje použití strojů s kratšími šneky při dokonalejším míchání šneky jsou samočisticí - zabraňují uváznutí materiálu ve stroji
Šneky dvoušnekových vytlačovacích strojů do sebe zasahují řada komor vytvořených profilem jednoho šneku a závitem druhého při otáčení šneků se tyto komory posouvají materiál tak nuceně dopravován k hlavě hnětací a míchací účinek dvoušnekového vytlačovacího stroje závisí na směru otáčení šneků a na vůli mezi závitem jednoho šneku a profilem druhého šneku šneky se otáčejí proti sobě - menší hnětací účinnost, stejnoběžné větší vytlačovaný materiál hněten především při průchodu vůlí mezi závitem jednoho šneku a profilem druhého šneku protiběžné - těsně do sebe zasahují (nemají vůli), nenastává významná výměna materiálu mezi komorami stejnoběžné - nelze konstruovat s příliš těsně do sebe zasahujícími šneky větší výměna hmoty mezi komorami vyšší hnětací účinnost
Protiběžné šneky
Souběžné šneky
Typy šneků u dvojšnekových vytl. strojů
Vícešnekové vytl. stroje
Konstrukční řešení vytl. strojů
šnek – pro každý polymer by měl být jiný – stavebnicové konstrukce
houževnaté materiály s velkou povrchovou tvrdostí, pro korozivní polymery (PVC) tvrdě chromované nebo slitiny z odolných kovů s vysokým obsahem Ni
pohon šneku - v provozu velice namáhán aby snesl i krátkodobé přetížení
tlaky vyvozené šnekem zachycovány axiálním a radiálním ložiskem
pouzdro menších strojů - vyrobeno v celku z nitridační ocelí, pouzdra větších strojů odlévána z oceli, vypouzdřena vložkou z nitridační oceli
zásobování plnicím otvorem - okolí plnicího otvoru chlazeno vodou
dávkování studené kaučukové směsi - v pouzdru v plnící části vytvořeny spirálové drážky s velkým stoupáním nebo se používají dávkovací válečky váleček tvoří se šnekem „dvouválec“ a hmota je vtahována do štěrbiny mezi šnekem a válečkem
obvodová rychlost válečku je poněkud vyšší než šneku
řešen dostatečně robustně,
Násypka - upevněna na plnicím otvoru, kónický tvar, zhotovená většinou z nerezavějícího plechu s průzorem velikost se řídí velikostí stroje (má pojmout množství materiálu odpovídající 1 až 2hodinovému provozu) pro granulát, suchou směs, aglomerát apod. může násypka být vybavena míchadlem - zabraňuje vytváření můstků při zpracování PA a PC - předsoušení granulí - násypkový sušič vyhřívacím systém – třeba přesně regulovat v širokém rozsahu teplot Ohřev vytlačovaného polymeru na požadovanou teplotu - jednak přeměnou mechanické energie šneku v teplo, jednak teplem přiváděným stěnou pouzdra Ohřev vytlačovacích strojů - elektrickým vytápěním, méně cirkulující kapalinou
Elektrické vytápění - odporové, nověji i indukční, výhoda odporového – dosažení libovolné teploty, snadná regulace, nepatrná spotřeba místa, malé pořizovací a udržovací náklady i čistota prostředí
Výhodou indukčního topení - vznik tepla v pouzdru bezprostředně v blízkosti plastu - vytápění rovnoměrné, snazší regulace teploty Nevýhoda indukčního ohřevu - větší spotřeba místa, větší pořizovací náklady
Vytlačovací hlavy
Součást vytlačovacích strojů – umožňují: Tváření materiálu do požadovaného tvaru
Vytlačovací hlavy - rozdělení
Konkrétní typy vytlačovacích hlav Přímá hlava na vytlačování tyčí
Přímá hlava na vytlačování Trubek
Hlava se spirálovým rozdělovačem
Nevýhoda přímých hlav - v trubce vznikají slabá místa v oblastech, kde se spojují proudy taveniny rozdělené žebry rozdělovače. Proto se někdy používají rozdělovače s dělenými nebo přesazenými žebry
Odstraněno pomocí hlavy se spirálovým rozdělovačem
Rozdělovač může být i vytápěný
Průřez spirálových kanálků se postupně zmenšuje a zároveň se zvětšuje mezera mezi hřbetem závitu a vnitřní stěnou hlavy proudy taveniny vytékající z kanálků se dobře mísí bez vzniku slabých míst
Obdobné, ovšem bez rozdělovače a trnu, jsou hlavy pro vytlačování plných profilů tj. tyčí nebo drátů.
Širokoštěrbinová hlava
Konstrukční řešení širokoštěrbinových hlav
Hlavy na vyfukování fólií
Hlava pro oplášťování vodičů
Kalibrace rozměrů vytlačovaných (kruhových) profilů Kalibrace: - Průvlaková - Podtlaková - Přetlaková
Scéma průvlakové kalibrace
Schéma podtlakové kalibrace
Schéma přetlakové kalibrace
Kalibrace vlnitých trubek
Odtahová zařízení
Vytlačovací linky Výroba: - Profilů (trubek) - Vláken - Desek - Vytlačovaných fólií - Vyfukovaných fólií - Oplášťovaných vodičů - Vinutých trubek
Linka na výrobu profilů (trubek)
Problematika vytlačování profilů Jev
„narůstání profilu za hubicí“ Nutno uvažovat při navrhování hlavy
HDPE trubky Trubky o průměru až 1m
Odtah a ořezávání
Linka na výrobu vláken
Linka na výrobu desek
Linka na vytlačování fólií
Linka na výrobu vyfukovaných fólií
Výrobní linka na pětivrstvé folie
Linka na oplášťování vodičů
a - odvíjecí zařízení, b - vedení a rovnání vodiče, c předehřev vodiče, d - vytlačovací stroj, e - oplášťovací hlava, f- chladicí lázeň, g- odtahovací zařízení, h - navíjecí zařízení
Linka na výrobu vinutých trubek
Linka na běhouny
Další typy vytlačovaných výrobků Vytlačování
napěněných profilů, desek a
folií Výroba PP pásků Výroba vyztužených zahradních hadic Výroba sendvičových struktur vytlačováním
Zvlákňování
Zvlákňování z taveniny
Zvlákňování z roztoku za mokra
1 — přívod viskózy, 2 — čerpadlo, 3 — svíčkový filtr, 4 — tryska, 5 — vodič vlákna, 6 — držák cívky, 7 — cívka, 8 — vana, 9 — galeta,
Schéma zvlákňování viskózového kordového hedvábí 1 — tryska, 2 — zvlákňovací trubice v lázni, 3 — galety, 4 — změkčovací lázeň, 5 — prací válce, 6 - sprchy, 7 — odmačkávací část válce, 8 — aviváž, 9 — sušicí válce, 10 — cívka
Skaní
Tvarování vláken pěchováním
1 - podávací válce, 2 - elektrické topení, 3 — pěchovací komůrka, 4 — záklopka s pružinou, 5 — odtahovací válečky, 6 - hedvábí, 7 — tvarované hedvábí
