Рабочий орган такого экструдера (рис. 11) состоит из относительно короткого червяка /, длина которого не превышает 10 диаметров, и жестко закрепленного на нем подвижного диска 2 большого диаметра, расположенного в цилиндре 3. Функцию неподвижного диска выполняет корпус 4. Совместное применение червяка и диска позволяет в одной машине использовать преимущества экструдеров двух типов и обеспечивать:
1) высокую смешивающую способность при незначительном времени переработки и высокую производительность; 2) стабильность процесса и возможность создания необходимых давлений экструзии (30—35 МПа). Киевским заводом «Большевик» совместно с Киевским политехническим институтом создан экспериментально-промышленный образец червячно-дискового экструдера типа ЭЧД, имеющий червяк с насаженным на него диском. Диаметр диска больше диаметра червяка, поэтому в дисковой зоне образуется два зазора, в которых развиваются высокие деформации сдвига, обеспечивающие интенсивную переработку и смешение полимерного материала. Перерабатываемый материал перемещается через дисковую зону за счет давления, создаваемого в червячной зоне. В дисковой зоне при необходимости могут быть установлены устройства для дополнительного воздействия на расплав полимера. В зависимости от величины и геометрии рабочих зазоров, частоты вращения диска, реологических характеристик перерабатываемого материала, производительности экструдера, противодавления формующего инструмента, можно задавать такие режимы послойного сдвигового течения, при которых скорость перемещения частицы в радиальном направлении рабочего зазора увеличивается, остается постоянной или уменьшается. При этом в каждом слое полимер подвергается действию растягивающих деформаций. Кроме того, возможность создания условий возникновения вторичных течений позволяет осуществлять обмен между слоями полимера. Все это в комплексе обеспечивает высокое качество диспергирования, смешения или гомогенизации полимерной композиции.
Существенным достоинством ЭЧД является также значительно меньший (по сравнению с червячными машинами) износ при введении абразивных добавок, поскольку для обеспечения устойчивой работы и высокого качества смешения образование расплава происходит на стыке червячной и дисковой зон, т. е. после прохождения червячной зоны, а время пребывания в дисковой зоне очень мало — секунды или десятки секунд.
Агрегаты типа ЭЧД позволяют изготавливать однородный и воспроизводимый от партии к партии продукт, осуществлять достаточно точный контроль и эффективное управление параметрами технологического процесса, устанавливать высокий уровень автоматизации процесса переработки, обеспечивать непрерывное получение изделий из композиционных полимерных материалов, перерабатывать высоконаполненные, термочувствительные и термодинамически несовместимые полимеры.
Качество смешения и интенсивность процесса переработки повышается .при использовании композиций с нанесенным на базовый полимер дозированным количеством дисперсного наполнителя.
Перспективным способом дозирования наполнителя при получении композиционных полимерных материалов является дражирование в тарельчатых аппаратах с последующей подачей полученных гранул в приемное устройство литьевой машины или экструдера, оснащенного червяком с зоной диспергирования. Такой способ грануляции позволяет вести процесс при комнатной температуре, он весьма прост и отличается малой металло-и энергоемкостью.
В этом случае для дозирования наполнителя и грануляции используются тарельчатые (дисковые или чашевые) аппараты — дражираторы. Основной частью такого аппарата является тарелка (чаша, диск), вращающаяся вокруг оси, угол которой относительно вертикали регулируется в пределах 15—30°.
В дражираторе могут подвергаться смешению и грануляции различные порошкообразные продукты (дисперсные наполнители, минеральные и органические при разном их соотношении, порошкообразные и гранулированные термопласты). В них возможно осуществлять и дозированное нанесение дисперсных наполнителей или их смесей на гранулы полимера с последующим диспергированием в одном из видов червячного оборудования.
Простота конструкции и эксплуатации дражиратора, его высокая: производительность и низкая стоимость, хорошее качество получаемых гранул, отсутствие механодеструктивных процессов ввиду того, что в дражираторе гранулирование осуществляется при комнатной температуре (это особенно важно при переработке вторичных, легко деструктируемых термопластов), малые износ оборудования и энергоемкость процесса, а также возможность достижения более высокого коэффициента смешения при получении композиции в процессе последующей переработки выгодно отличают дражираторы от используемого традиционного оборудования.
При наличии в экструдерах и литьевых машинах червяков соответствующей конструкции, обеспечивающих качественное диспергирование, гранулы после дражиратора можно перерабатывать непосредственно в изделия.
При производстве крупногабаритной тары из термопластичных композиционных материалов решающим фактором, определяющим технологию ее производства, является выбор перерабатывающего оборудования. Выбор оборудования и технологической оснастки обусловливается конфигурацией и функциональным назначением формуемой тары, а выбор материала, как указывалось ранее,— условиями эксплуатации и сроком службы, который оценивается стойкостью к старению.
Изготовление полимерной тары в промышленности осуществляется различными технологическими способами: экструзией и соэкструзией, раздувным формованием, литьем под давлением, ротационным формованием; из листов и пленок — сваркой, склеиванием, термоформованием, формованием в твердой фазе (штамповкой), прессованием. В последние годы разработана и получает сравнительно широкое распространение новая технология изготовления изделий непосредственно из реакционноспособных компонентов — так называемый RlM-процесс, а также радиационно-химическая технология, которые могут успешно использоваться и в производстве транспортной тары
Эффективность традиционных способов переработки полимерных материалов и композиций в тару определяется в первую очередь серийностью выпускаемых изделий, их габаритами, стоимостью оборудования и оснастки и т. д. Так, при серийности свыше 10 тыс. шт. тары емкостью до 20 л эффективно литье под давлением, при меньшей серийности и большей емкости — ротационное формование.
ЭКСТРУЗИОННОЕ ФОРМОВАНИЕ
Экструзия представляет собой процесс получения из исходного полимерного материала в виде гранул или порошка непрерывного изделия заданного поперечного сечения продавливанием расплава через формующий инструмент. Это один из наиболее распространенных способов переработки полимеров. Как способ получения тары экструзия представляет существенный интерес, поскольку этим методом можно получать мягкую транспортную тару в виде мешков (в том числе с газоселективным устройством для хранения плодоовощной продукции), комбинированную тару и т. д. При этом первоначально экструзией или соэкструзией получают однослойные или комбинированные (двухслойные) пленочные материалы, которые затем могут подвергаться сварке, склеиванию или другому виду обработки [24, 25, 29]. Экструзия является также неотъемлемой операцией при получении тары из листов термоформованием, раздувом, склеиванием и штамповкой.
Экструдеры для переработки полимерных материалов делятся на червячные (одно-, двух-, многочервячные) и бесчервячные — дисковые, работающие на использовании эффекта Вайссенберга. В последнее время появились модели, в которых сочетаются диск и червяк — червячно-дисковые экструдеры.
Наибольшее распространение для переработки полимерных композиций в пленку и листы получили одночервячные экструдеры с постоянным диаметром червяка.
В настоящее время широкое распространение получило использование многослойных комбинированных материалов в сочетании с бумагой, фольгой, картоном, другими полимерами, что позволяет на базе ограниченного числа полимеров, изготавливать тару и упаковку с любым комплексом заданных свойств. Такие комбинированные материалы получают экструзией с нанесением расплава на подложку или склеиванием исходных пленочных материалов
Комбинированные пленочные материалы улучшенного качества для производства тары (мешков) можно производить и таким прогрессивным способом, каксоэкструзия. Соэкструзия позволяет получать комбинированный материал за счет соединения двух или нескольких потоков расплавов в головке специальной конструкции. В головку (рис. 2, а), которая имеет два входовых канала 1 и 2 (1 — внутренний кольцевой канал, 2 — наружный), расплавы полимеров подаются из двух экструдеров. Сваривание их происходит в кольцевом зазоре 3, при этом они не смешиваются друг с другом, так как ламинарное течение расплавов обеспечивает четкое разграничение слоев.
Метод соэкструзии имеет существенное преимущество перед другими способами получения комбинированных материалов (экструзионным покрытием и ламинированием, ламинированием с помощью мокрого: или сухого связующего и др.). Достоинства этого метода заключаются в следующем. Он обеспечивает возможность получения многослойных материалов в одну стадию с оптимальными затратами энергии и металла; исключает применение клеев, растворителей, горячих расплавов и других компонентов для соединения отдельных слоев; позволяет создать высокую адгезию между слоями за счет соединения их в расплаве и получить более качественный материал с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками; дает возможность получать комбинированный материал за счет соединения очень тонких слоев, что позволяет уменьшать расход полимеров; позволяет уменьшать степень деструкции термочувствительных полимеров за счет того, что они могут быть использованы в качестве среднего слоя; способствует повышению производительности процесса благодаря применению двух и более экструдеров в сочетании с одной головкой