Wytłaczanie

Proces wytłaczania prowadzony jest w celu:

1. formowania – uplastyczniony materiał na skutek dużego ciśnienia wytworzonego w układzie uplastyczniającym wytłaczarki jest przeciskany przez odpowiednio ukształtowany ustnik, który nadaje żądany kształt formowanemu tworzywu.

Do procesów formowania materiałów jednorodnych (np. czyste polimery) stosowane są zwykle wytłaczarki jednoślimakowe (najtańsze). Do procesu wytłaczania tworzyw wrażliwych termicznie (jak PVC) stosuje się również wytłaczarki dwuślimakowe przeciwbieżne lub planetarne, natomiast do wytłaczania tworzyw modyfikowanych oraz kompozytów polimerowych znajdują zastosowanie wytłaczarki dwuślimakowe współbieżne.

Profile o różnych kształtach uzyskane w wyniku wytłaczania tworzyw sztucznych

2. mieszania – wytłaczarki (głównie dwuślimakowe współbieżne, w mniejszym stopniu również przeciwbieżne) są bardzo dobrymi urządzeniami mieszającymi. Do procesu mieszania można również wykorzystać inne urządzenia, jak mieszalniki lub walcarki, które w odróżnieniu od wytłaczarek pracują w sposób cykliczny (załadowanie mieszaniny – mieszanie – odbieranie materiału – czyszczenie urządzenia). Rodzaj wykorzystanego urządzenia zależy głównie od wymaganej wydajności procesu – dla niewielkich wydajności, do kilku kg/dobę, głównie w laboratoriach, stosuje się urządzenia pracujące w sposób cykliczny, natomiast dla większych wydajności (zastosowania przemysłowe) lepszym rozwiązaniem wydaje się być wytłaczarka dwuślimakowa, pracująca w sposób ciągły.

Znane są dwa podstawowe rodzaje procesu mieszania:

- mieszanie ścinające (ścierające), związane przyśpieszeniem procesu uplastyczniania materiału oraz rozdrabniania cząstek dodatków (np. pigmentów),

- mieszanie rozprowadzające, odpowiedzialne za homogenizację składu i temperatury materiału.

Urządzenia służące do mieszania materiałów polimerowych w stanie stopionym

Strefy geometryczne układu uplastyczniającego wytłaczarki determinowane są przez geometrię ślimaka. Najczęściej stosowanym ślimakiem wytłaczarskim jest klasyczny ślimak trójstrefowy:

Typowy wytłaczarski ślimak tróstrefowy

Poszczególne strefy geometryczne ślimaka wyznaczane są przez zmieniającą się wysokość kanału ślimaka:
- w strefie zasilania wysokość kanału jest stała i największa,
- w strefie sprężania wysokość kanału się zmniejsza (najczęściej liniowo),
- w strefie dozowania wysokość kanału jest stała i najmniejsza.

W strefie zasilania tworzywo jest pobierane z leja zasypowego i transportowane do cylindra. W cylindrze, w wyniku ciągłego ruchu obrotowego ślimaka tworzywo zostaje zagęszczone i transportowane dalej w kierunku głowicy. Strefę zasilania stanowi odcinek cylindra wytłaczarki liczony od zasobnika do miejsca, w którym zaczynają się elementy grzejne na cylindrze.

Zdolność transportowania materiału zależy od:
- objętości kanału między zwojami ślimaka w strefie zasilania,
- prędkości obrotowej ślimaka,
- współczynnika zapełnienia kanału ślimaka tworzywem polimerowym,
- współczynnika tarcia tworzywa (stałego) o cylinder i ślimak.

Zagęszczanie jest wynikiem powstawania gradientu ciśnienia w transportowanym tworzywie, zależnego od:
- współczynnika tarcia tworzywa o cylinder (współczynnik tarcia powinien być możliwie duży),
- współczynnika tarcia tworzywa o ślimak (współczynnik tarcia powinien być jak najmniejszy).

Dalsze zagęszczanie tworzywa zachodzi w strefie sprężania. W strefie tej tworzywo przechodzi ze stanu stałego w uplastyczniony. Teoretycznie uplastycznienie tworzywa powinno być zakończone właśnie w tej strefie. W rzeczywistości, w wyniku danego rozkładu ciśnienia wewnątrz cylindra, w pewnych sytuacjach może nastąpić przemieszczenie punktu początku uplastycznionego tworzywa do strefy zasilania, gdzie zagęszczanie jest niedostateczne (efekt niekorzystny, tworzywo w strefie zasilania powinno być w stanie stałym). Uplastycznione tworzywo opuszczające strefę sprężania powinno być już odgazowane.

Długości strefy sprężania mogą być różne w zależności od przerabianego surowca:
- dla tworzyw o małej lepkości (semikrystalicznych) - ślimaki z krótką strefą sprężania,
- dla tworzyw o większej lepkości (amorficznych) - ślimaki z dłuższą strefą sprężania.

W strefie dozowania zachodzi ujednorodnienie mechaniczne i termiczne przetwarzanego tworzywa oraz ustalenie wartości ciśnienia do poziomu potrzebnego do pokonania oporów przepływu przez głowicę. W celu uzyskania możliwie dużego ciśnienia, głębokość kanału ślimaka w tej strefie jest na ogół mała. Natężenie przepływu (wydajność) układu uplastyczniającego, obliczone na podstawie wydatku strefy dozowania, jest proporcjonalne do:
- kwadratu średnicy ślimaka,
- kąta pochylenia linii śrubowej,
- głębokości kanału w tej strefie.

Najważniejsze parametry geometryczne ślimaka wytłaczarskiego przedstawiono na poniższym rysunku:

Parametry geometryczne ślimaka wytłaczarskiego:

L – długość części roboczej (20-30D, obecnie istnieje tendencja do wydłużania ślimaków nawet do 36D), D – średnica zewnętrzna (20 – 300 mm), H – wysokość kanału (0,12-0,16D), W – szerokość kanału (0,8-1,2D), S – skok linii śrubowej zwoju (0,8 - 1,2 W), φ – kąt pochylenia zwoju (~17°40’), e – szerokość zwoju (0,1D). R – stopień sprężania, definiowany jako Hzas / Hdoz : 1.3 - 5 dla tworzyw termoplastycznych, 1 - 1.5 dla tworzyw termoutwardzalnych, 0.8 - 1 dla elastomerów

Z uwagi na to, że różne rodzaje tworzyw polimerowych wymagają różnych parametrów procesu przetwórczego, istnieje duża różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych, a także wymiarów i kształtów ślimaka, co pozwala zapewnić wymagane warunki dla procesów mieszania, uplastyczniania i sprężania przetwarzanych materiałów.

Typowy ślimak trójstrefowy (A), ślimak trójstrefowy z krótką strefą sprężania (B) oraz ślimak dwustrefowy z długa strefą sprężania (C)

Długość geometrycznej strefy zasilania ślimaka powinna być tym większa, im wyższa jest temperatura mięknienia tworzywa, przy czym niekiedy redukuje się jej długość kosztem wstępnego podgrzania materiału.

Długości strefy sprężania ślimaków powinna być tym większa, im większy jest zakres temperatury mięknienia. Tworzywa amorficzne, jak PS, PC czy PMMA wykazują dość duży zakres, natomiast krystaliczne, jak POM czy PA topią się w zakresie zaledwie kilku stopni, zatem do ich wytłaczania stosuje się ślimaki z krótką (1-2D) strefą sprężania (rys. B). Nieco inaczej jest w przypadku tworzyw łatwo odkształcalnych, jak LDPE, gdzie można stosować nawet ślimaki dwustrefowe z długą strefą sprężania, w której niestopione jeszcze ziarna materiału ulegają od początku powolnemu ściskaniu (rys. C).
Optymalny stopień sprężania ślimaka (stosunek wysokości kanału ślimaka w strefie zasilania do jego wysokości w strefie dozowania) powinien być większy od stosunku gęstości stałego tworzywa do jego gęstości nasypowej. Stąd też wynika, iż materiał w postaci proszku wymaga ślimaka o większym stopniu sprężania niż ten sam materiał w postaci granulatu. Zależy on także od lepkości materiału w warunkach wytłaczania i tak dla tworzyw amorficznych, wykazujących dużą lepkość stopu wskazane są ślimaki o małym stopniu sprężania, aby uniknąć przegrzewania intensywnie ścinanego materiału oraz uniknąć nadmiernego obciążenia układu napędowego ślimaka. Niewielkie stopnie sprężania, rzędu 2 zalecane są również przy przetwórstwie tworzyw niestabilnych termicznie, jak PVC, dla których zbyt duży stopień sprężania mógłby spowodować degradację materiału. Dla stabilnych termicznie tworzyw semikrystalicznych, jak PE czy PP stosować można duże stopnie sprężania, rzędu 4 i więcej.

Ślimaki o różnej geometrii

Podziału wytłaczarek można dokonać ze względu na różne kryteria. Poniżej przedstawiono podział ze względu na ilość ślimaków w wytłaczarce:

Podział wytłaczarek

Wytłaczarki jednoślimakowe (klasyczne)

            Wytłaczarki jednoślimakowe są najczęściej stosowane w wytłaczaniu tworzyw sztucznych. Pierwsze takie wytłaczarki miały krótkie cylindry i ślimaki, a kanały jednozwojowych ślimaków miały dużą głębokość, co powodowało dużą niejednorodność mechaniczną i termiczną materiału na końcu układu uplastyczniającego. W latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku pojawiły się ślimaki trójstrefowe (ze strefą zasilania, sprężania i dozowania), charakteryzujące się już znacznie większą długością i mniejszą głębokością kanałów. Zwiększona długość ślimaka powodowała zwiększenie czasu przebywania tworzywa w układzie uplastyczniającym, natomiast zmniejszenie głębokości kanału spowodowało poprawę warunków ogrzewania materiału poprzez przewodzenie ciepła od ścianek cylindra i ślimaka, jak również zamianę energii mechanicznej ślimaka na ciepło w wyniku procesów tarcia oraz ścinania w tworzywie.

            Obecnie konwencjonalne wytłaczarki jednoślimakowe mają długość ślimaków rzędu 20-36 D. Ich prędkości obwodowe przy przetwórstwie tworzyw stabilnych termicznie wynoszą 0,5-0,8 m/s, a dla materiałów niestabilnych cieplnie – ok. 0,3 m/s.

W ostatnich latach obserwuje się wyraźny wzrost wydajności pracy wytłaczarek jednoślimakowych, co odbywa się poprzez:

- zastosowanie w strefie zasypu i zasilania rowkowanego cylindra,

- umieszczenie na ślimaku stref intensywnego ścinania i mieszania,

- zwiększenie momentu napędowego ślimaka.

Na rynku wytłaczarek jednoślimakowych obserwuje się tendencje do produkcji maszyn specjalistycznych zamiast uniwersalnych, tzn. przeznaczonych do przetwórstwa określonego tworzywa i otrzymywania konkretnego wyrobu. Wytłaczarki takie charakteryzują się przede wszystkim dużą wydajnością wytłaczania oraz zapewniają otrzymywanie wyrobów o optymalnych właściwościach.

Wytłaczarki szybkobieżne (wytłaczarki adiabatyczne)

Pracują one z dużymi szybkościami obrotowymi (do 700 obr/min, prędkości obwodowe do 4 m/s). Ślimaki są tak skonstruowane, że topienie tworzywa następuje wyłącznie za pomocą tarcia (energii ścinania).

Są one proste w  budowie i nadają się dla tworzyw niewrażliwych na działanie temperatury,  jak np. PE lub PA6.

Wytłaczarki dwuślimakowe

            Wytłaczarki dwuślimakowe podzielić można ze względu na różne kryteria, z których najważniejszym jest kierunek obrotów ślimaków. Z tego powodu wyróżnia się wytłaczarki:

• współbieżne, w których ślimaki obracają się w tym samym kierunku,
• przeciwbieżne, w których ślimaki obracają się w kierunkach przeciwnych.

Ze względu na stopień zazębienia zwojów obu ślimaków wytłaczarki dwuślimakowe można podzielić na zazębiające się całkowicie, częściowo lub niezazębiające się. Tabelarycznie podział ten przedstawiono na rys. 9. W przemyśle zastosowanie znalazły głównie wytłaczarki współbieżne i przeciwbieżne o zwojach zazębiających się nieszczelnie, w których występują luzy międzyzwojowe spełniające ważną rolę w procesie uplastyczniania, szczególnie w procesach homogenizacji materiałowej. Wśród wytłaczarek nie zazębiających się praktyczne znaczenie posiadają  wyłącznie wytłaczarki przeciwbieżne. Warto zwrócić uwagę, że w wytłaczarkach dwuślimakowych ze ślimakami zazębiającymi się zwoje (oraz kanały) ślimaków nie mogą być kształtowane w sposób dowolny tak, jak to miało miejsce w przypadku wytłaczarek jednoślimakowych. Kształty i wymiary kanałów oraz zwojów jednego ślimaka są tutaj ściśle zależne od kształtów i wymiarów drugiego.

Typy wytłaczarek dwuślimakowych

Inne, ważne kryterium podziału to krotność zwojów ślimaka i tak wśród wytłaczarek dwuślimakowych znane są wytłaczarki jedno- , dwu- lub trójzwojowe. Ponadto wytłaczarki dwuślimakowe mogą się różnić kształtem rdzeni ślimaków i tak wytłaczarki dwuślimakowe produkowane są w wersjach walcowych i stożkowych. Wytłaczarki o wydajności do 200-300 kg/h wykonywane są najczęściej jako stożkowe, natomiast wytłaczarki o większej wydajności produkuje się jako walcowe.

Wytłaczarki 3 i więcej-ślimakowe

Wytłaczarki wieloślimakowe pracują w wersjach przeciwbieżnych i znajdują zastosowanie, podobnie jak wytłaczarki przeciwbieżne, do przetwórstwa materiałów wrażliwych termicznie, jak PVC. Na rys. 10 przedstawiono typowe układy wieloślimakowe.

Układy wieloślimakowe: (1) – układ trójślimakowy z centralnym ślimakiem; (2) – układ czteroślimakowy z centralnym ślimakiem (a) oraz bez centralnego ślimaka (b); (3) – układ planetarny

Tworzywo polimerowe w postaci granulatu lub proszku podawane jest do leja zasypowego wytłaczarki (zasobnika), skąd grawitacyjnie (najczęściej, lub za pomocą odpowiednich podajników ślimakowych) transportowane jest do cylindra. W cylindrze w wyniku ciągłego ruchu obrotowego ślimaka materiał jest transportowany (transport wleczony) w kierunku głowicy. W pewnym momencie tworzywo dostaje się do ogrzewanej strefy cylindra, gdzie ulega stopieniu, a następnie homogenizacji materiałowej i termicznej. Jednorodny stop podawany jest z odpowiednią prędkością do głowicy, gdzie materiał jest formowany, przyjmując kształt ustnika.

Schematyczny przebieg procesu wytłaczania

Porównanie działania układów uplastyczniających wytłaczarek jednoślimakowych oraz dwuślimakowych współbieżnych i przeciwbieżnych przedstawiono w poniższych tabelach.

Podstawowa charakterystyka wytłaczarek ślimakowych (D=75mm)

Wybrane charakterystyki układów uplastyczniających wytłaczarek

Skurcz przetwórczy odgrywa istotne znaczenie w procesie wytłaczania.

Wartości skurczu są odmienne dla różnych rodzajów tworzyw. W powyższej tabeli zestawiono dane dla niektórych tworzyw w przypadku skurczu pierwotnego wzdłużnego. Większe wartości skurczu pierwotnego tworzyw termoplastycznych krystalicznych niż amorficznych wynikają ze znanego zjawiska gęstszego upakowania makrocząsteczek struktury krystalicznej, zachodzącego podczas procesu krystalizacji. Skurcz pierwotny zmniejszają i stabilizują napełniacze włókniste i w mniejszym stopniu proszkowe. Zjawisko skurczu wtórnego występuje przede wszystkim w przypadku tworzyw termoplastycznych krystalicznych, gdyż w nich zachodzą dalsze procesy przemian strukturalnych.

Efekt Barusa polega na pęcznieniu strugi uplastycznionego tworzywa polimerowego opuszczającego głowicę wytłaczarki. W wyniku występowania tego efektu pole przekroju poprzecznego wytłoczyny jest zatem większe od pola przekroju poprzecznego otworu dyszy wytłaczarskiej.
Jeżeli profile nie wykazują przekroju kołowego, to przekroje dyszy  i wytłoczyny, ze względu na nierównomierne rozszerzanie się materiału, są  najczęściej różne. Aby otrzymać kształt wytłoczyny zgodny z oczekiwanym, należy obliczeniowo lub empirycznie zmienić kształt ustnika tak, aby po procesie pęcznienia strugi uzyskać wymagany kształt profilu. Do eliminowania efektu Barusa w linii technologicznej służą urządzenia zwane kalibratorami.

Schematyczny wynik występowania efektu Barusa

Podstawowym urządzeniem linii technologicznej jest wytłaczarka, której zadaniem jest dostarczenie do głowicy uplastycznionego tworzywa o odpowiednim natężeniu przepływu, temperaturze, ciśnieniu oraz stopniu homogenizacji materiałowej i termicznej. Zadaniem głowicy wytłaczarskiej jest nadanie przetwarzanemu materiałowi odpowiedniego kształtu przy zapewnieniu odpowiedniej jego jednorodności, jak również wytworzenie odpowiedniego spadku ciśnienia umożliwiającego realizację całego procesu. Proces ten realizowany jest poprzez stopniową zmianę przekroju poprzecznego kanału przepływowego głowicy lub poprzez zastosowanie kanałów rozprowadzających. Końcowe ukształtowanie materiału ma miejsce w dyszy wytłaczarskiej. Na skutek zjawiska rozszerzania się strumienia tworzywa wypływającego z dyszy przekrój poprzeczny wytłoczyny nie jest taki sam jak przekrój poprzeczny wylotu dyszy, dlatego też wprowadza się najczęściej poprawki kształtu dyszy, zwykle w sposób doświadczalny, choć istnieją już metody komputerowe wspomagające ten proces.

Linia technologiczna klasycznego procesu wytłaczania

Kolejnymi elementami linii technologicznej wytłaczania są urządzenia kalibrujące i chłodzące, których zadaniem jest nadanie i utrwalenie ostatecznego, żądanego kształtu wyrobu. Kalibrowanie polega na przeprowadzeniu wytłoczonego profilu przez długą, chłodzoną tuleję przy odpowiednim docisku. W procesie tym, na skutek różnicy temperatur pomiędzy chłodną tuleją a uplastycznionym tworzywem materiał zestala się, utrwalając swój kształt i wymiary, które są określone poprzez kształt i wymiary tulei. Wyeliminowane zostają zatem dwa podstawowe negatywne efekty, wpływające na zmianę kształtu profilu po procesie przetwórstwa: efekt Barusa oraz skurcz wytłaczarski. W celu efektywnego przebiegu procesu, materiał musi zostać dociśnięty do tulei, co przeprowadza się na dwa sposoby.

Pierwszy z nich to tzw. kalibrowanie ciśnieniowe, polegające na wprowadzeniu do wnętrza profilu powietrza pod pewnym nadciśnieniem, przy czym metoda ta ma zastosowanie wyłącznie do profili zamkniętych (pustych w środku). Drugi sposób to tzw. kalibrowanie próżniowe.

Zasadę kalibrowania ciśnieniowego przedstawiono na poniższym rysunku. Wewnątrz wytłaczanego profilu, w pewnej odległości od głowicy umieszcza się przyczepiony do niej tzw. korek uszczelniający (3). Sprężone powietrze (4) jest doprowadzane pomiędzy głowicę (1) a korek, powodując dociskanie zewnętrznej ścianki profilu do wewnętrznej ścianki tulei kalibracyjnej (2).

Zasadę kalibrowania próżniowego przedstawiono na kolejnym, poniższym rysunku. Docisk profilu do tulei kalibrującej przeprowadzany jest poprzez wytworzenie podciśnienia (3) na jej powierzchni.

W czasie procesu kalibrowania materiał jest chłodzony, ale zazwyczaj stosuje się również dodatkowe chłodzenie profilu po opuszczeniu kalibratora w urządzeniach chłodzących, które stanowią zwykle długie wanny z doprowadzeniem i odprowadzeniem wody chłodzącej. Profil przesuwa się w wannie po zamontowanych w niej rolkach będąc zanurzony w wodzie lub jest  spryskiwany wodą za pomocą zraszaczy.

Kalibrowanie ciśnieniowe: 1 – głowica, 2 – tuleja kalibrująca, 3 – korek uszczelniający, 4 – sprężone powietrze
 

Kalibrowanie próżniowe: 1 – głowica, 2 – wlot wody chłodzącej, 3 – doprowadzenie próżni, 4 – wylot wody chłodzącej
 

Urządzenia odbierające służą do odbierania wytłoczonego profilu z głowicy, który przeciągany jest kolejno przez kalibrator i urządzenie chłodzące, oraz podawania go do następnych urządzeń linii technologicznej, a więc urządzenia obcinającego i składującego. Materiał jest przesuwany wykorzystując siły tarcia pomiędzy nim a elementami napędowymi urządzenia. W zależności od kształtu tych elementów, urządzenia odbierające podzielić można na rolkowe, taśmowe i gąsienicowe. Ważnym parametrem urządzenia odbierającego jest prędkość odbioru, którą można regulować, dostosowując ją do prędkości kalibrowania.

BIBLIOGRAFIA do ćwiczenia "Wytłaczanie tworzyw sztucznych" :

[1] Praca zbiorowa pod red. K. Wilczyńskiego, „Przetwórstwo tworzyw sztucznych”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000
[2] Stasiek J., „Wytłaczanie tworzyw polimerowych. Zagadnienia wybrane”, Wyd. Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno - Przyrodniczego, Bydgoszcz 2007
[3] Praca zbiorowa pod red. H. Zawistowskiego, „Wytłaczanie tworzyw sztucznych”, PLASTECH Wyd. Poradników i Książek Technicznych, Warszawa 1999
[4] Sikora R., „Przetwórstwo tworzyw wielkocząsteczkowych”, Wyd. Edukacyjne Zofii Dobkowskiej, Warszawa 1993