Штамповка (пластмассы) - Die forming (plastics)

А умереть при переработке полимеров представляет собой металлический ограничитель или канал, способный обеспечивать постоянный профиль поперечного сечения для потока жидкости. полимер. Это позволяет непрерывно обрабатывать такие формы, как листы, пленки, трубы, стержни и другие более сложные профили. Это непрерывный процесс, обеспечивающий постоянное производство (при условии постоянной подачи расплава полимера), в отличие от последовательного (непостоянного) процесса, такого как литье под давлением.

Процесс

Линия экструзии пластиковых шнурков

Штамповка обычно происходит сразу после выхода расплава полимера из экструдер. Самый простой процесс включает направление потока расплавленного полимера под давлением через фильеру, которая состоит из трех отдельных областей: коллектора, подхода и кромки. «Коллектор» служит для направления расплава полимера от его начальной точки экструзии до почти чистой формы конечного продукта. Область «приближения» далее приводит расплав к окончательной форме и начинает исправлять любые неоднородные поток. Наконец, «выступ» придает расплаву окончательное желаемое поперечное сечение и компенсирует любую оставшуюся асимметрию потока. После выхода из кромки фильеры расплав полимера подвергнется умереть набухать перед отверждением. Набухание матрицы - это расширение расплава при сбросе давления и зависит от химического состава полимера и конструкции матрицы. После отверждения сплошная непрерывная деталь вытягивается на приемный валок или разрезается на транспортируемые отрезки, в зависимости от типа детали. Этот процесс может значительно различаться в зависимости от типа фильеры и процесса экструзии.^[1]

Экструзия листа / пленки

Для экструзии плоских листов используются два основных типа матриц: Т-образные и вешалки. Головка Т-образной формы состоит из двух плеч, отходящих под прямым углом от канала первоначальной экструзии; Эти рычаги имеют небольшую прорезь по длине, позволяющую протекать расплаву полимера. Затем расплав дополнительно разбавляют путем короткого плоского подхода, прежде чем протолкнуть его через кромки матрицы. Эта установка может вызвать неравномерный поток по ширине экструдированного листа, при этом расплав в центре течет быстрее, чем расплав на краях матрицы, что приводит к короблению и другим дефектам после выхода из матрицы.^[2]

Более современный дизайн - плашка для плечиков. Этот штамп отличается от Т-образного штампа тем, что рычаги расположены не под прямым углом к направлению ввода; вместо этого руки расположены под меньшим углом и часто изогнуты. Плечи также имеют переменный диаметр, сужаясь к меньшему радиусу дальше от входного канала. Подходящая часть матриц вешалок длиннее, чем их Т-образные аналоги, что дополнительно снижает неравномерность потока. Наконец, расплав экструдируется через выступы, как в Т-образной головке.

Для таких продуктов, как пластиковые листы или пленки, охлаждение достигается путем протягивания через набор охлаждающих валков (также известных как каландровые или охлаждающие валки), обычно 3 или 4. При экструзии листов эти валки не только обеспечивают необходимое охлаждение, но также помогают определять толщину листа и текстуру поверхности (в случае структурированных валков, т. Е. Гладких, левантных, волосковых и т. Д.). Обычный технологический дефект, известный как нерв, может возникнуть, когда время контакта между валками и экструдатом слишком короткое, что приводит к недостаточному времени охлаждения.

Совместная экструзия широко используется при экструзии листов и пленок, что позволяет быстро производить многослойные детали. Это достигается путем соединения нескольких полимерных расплавов на стадии коллектора или подхода. Слои разной толщины могут быть сформированы путем введения расплавов с разными скоростями потока или разными размерами коллектора.

Экструзия пленки с раздувом

Выдувная экструзия пластиковой пленки

Изготовление пластиковая пленка для таких продуктов, как пакеты для покупок и непрерывная пленка, достигается с помощью линии для производства пленки с раздувом.^[3] Расплав полимера из экструдера подается через прямую фильеру с кольцевым отверстием. В зависимости от конечных требований к качеству пленки и характеристик расплава полимера можно использовать несколько типов матриц: крестообразные, крейцкопфные и спиральные.

Матрица «паук» состоит из внутренней оправки, соединенной с внешней стенкой матрицы несколькими «ножками», и представляет собой умеренно сложную конструкцию. В результате на пленке будут видны сварные линии везде, где были опоры. Эти сварные линии более слабые, чем окружающий полимер, и могут также иметь другие оптические характеристики, такие как матовость. Эта слабость вызвана неполным залечиванием полимерной молекулярной матрицы. Кроме того, градиент давления, создаваемый ножками крестовины, вызовет неравномерное набухание матрицы, что приведет к неоднородной толщине пленки.

Крейцкопфная матрица разделяет поток расплава на две части на входе коллектора, объединяя их на противоположной стороне цилиндрической центральной оправки. Эта относительно простая конструкция приводит к несимметричному потоку, поскольку молекулам требуется больше времени, чтобы достичь противоположной стороны, чем закрытой стороны оправки. Таким образом, полученная пленка не будет иметь однородную толщину. Чтобы уменьшить эту неоднородность, входные диаметры могут варьироваться, и могут быть добавлены различные вставки, чтобы минимизировать застойные области.

Спиральная фильера является наиболее сложной из трех основных типов фильер для экструзии с раздувом. Расплав полимера равномерно распределяется по нескольким подающим трубкам, которые наматываются на центральную оправку. Каждая из этих подающих трубок соединена с пространством между оправкой и внешними стенками матрицы; подающие трубы постепенно уменьшаются в диаметре по мере того, как они вращаются вокруг оправки. В то же время увеличивается пространство между оправкой и внешними стенками матрицы. Это позволяет полимеру расплавляться и смешиваться, что приводит к однородному профилю расплава без линий сварки. Такая конструкция фильеры позволяет получать самые однородные пленки, но при этом является самой дорогой.

Через экструзионную головку создается давление воздуха, так что после того, как расплав полимера покидает кромку матрицы, он расширяется по окружности. Трубку также протягивают по длине быстрее, чем ее экструдируют. Это приводит к истончению пленки, поскольку она расширяется как в направлении вытяжки (или машинном), так и в поперечном (или в кольцевом) направлении. Отношение диаметра выдувного материала к диаметру экструдированного материала известно как степень раздува и влияет на конечные физические свойства пленки, такие как жесткость и прочность. Толщину пленки и степень раздува можно изменять, изменяя скорость наматывания роликов, внутреннее давление в выдувной трубе и скорость экструзии расплава.

По мере того как пленка вытягивается вверх, она охлаждается кольцом воздуходувок, так что расплав сначала становится аморфным вязкоупругим твердым телом, а затем полукристаллическим твердым телом, при так называемом линия мороза. После затвердевания трубка из пленки, полученной экструзией с раздувом, продолжает охлаждаться, поскольку она поднимается несколькими наборами роликов, сдувая пленку с образованием плоской трубки. Затем плоская пленка наматывается на катушку перед дальнейшей обработкой или отправкой. Высота линии пленки часто в 10 раз больше диаметра выдувной трубы; Возможны пленки длиной более 30 метров.

После того как пленочная трубка полностью остынет, ее захватывают несколько прижимных роликов. Ширина полученной наложенной вдвое плоской пленки равна половине окружности выдувной трубы. Затем пленка либо наматывается в виде сплющенной трубки, либо сразу же разделяется на две отдельные части. На этом этапе пленка готова к дальнейшей обработке, такой как печать или нарезание окончательной формы.

Экструзия покрытия

Коаксиальный кабель, один из примеров провода в оболочке.

Экструзия внешней оболочки - это процесс нанесения покрытия, при котором отдельные оголенные провода или пучки предварительно покрытых проводов покрываются слоем изоляционного полимера. В зависимости от конкретного применения могут использоваться самые разные материалы. Для многих приложений, таких как изолированные кабели полимер должен быть хорошим изолятором, гибким и износостойким.^[4]

В этом процессе проволоку (или пучок проводов) предварительно нагревают до температуры, превышающей температуру стеклования или плавления полимерного покрытия, которое должно быть нанесено. Это необходимо для обеспечения адгезии нового покрытия. Затем эту предварительно нагретую оголенную проволоку очень быстро протягивают через фильеру, которая покрывает проволоку тонким полимерным покрытием. Благодаря геометрии используемых матриц возможны относительно высокие скорости экструзии, при этом избегая разрушения расплава. Проволока с новым покрытием затем протягивается через воздух или газовое пламя для сглаживания поверхности покрытия и, наконец, через водяную баню для полного охлаждения проволоки с покрытием. Проволока с покрытием теперь наматывается на катушку для подготовки к дальнейшей обработке, если это необходимо.

Существует два основных типа фильер, используемых при экструзии с покрытием, оба основаны на общей конструкции крейцкопфа. Независимо от типа используемой фильеры, расплав полимера часто экструдируется со скоростью, меньшей, чем скорость неизолированной проволоки, протягиваемой через фильеру, как правило, в 1-4 раза быстрее скорости расплава. Это заставляет полимерную оболочку удлиняться, тоньше и стягиваться вокруг центральной проволоки, увеличивая адгезию нового слоя.

Первый тип красителя представляет собой кольцевую головку или головку для трубки / оболочки, которая экструдирует трубку из полимера, которая изначально нет касаясь оголенного провода. Затем к еще расплавленной полимерной трубке прикладывается вакуум, в результате чего она втягивается и связывается с поверхностью неизолированного провода. Этот тип фильеры обычно используется для покрытия очень тонких проводов полимерной оболочкой с высокой вязкостью.

Второй тип фильеры, известный как пресс-форма, основан на контакте между полимерным кожухом и неизолированным проводом внутри фильеры. В фильерах этого типа кольцо из расплава полимера под давлением насаживается на оголенный провод. Из-за приложенного давления расплава отверстие вокруг входа для неизолированной проволоки должно быть очень маленьким, порядка 0,05 мм. Размер выходного отверстия определяет толщину получаемого покрытия. Этот тип матрицы обеспечивает более тесный контакт между внешним покрытием и оголенным проводом, чем матрица для оболочки.

Волокна (полимеры)

Вытягивание волокна - это гибридный процесс, в котором сила тяжести или другая сила используется для геометрического и механического изменения экструдированных волокон. Этот процесс не только уменьшает поперечное сечение полимерного волокна, но также увеличивает прочность волокон за счет выравнивания отдельных молекул полимера.

Перед вытяжкой расплав полимера проталкивается через фильеру с большим количеством мелких отверстий, известную как фильера. Обычно волокна охлаждаются воздухом без отверждения. Если требуется отверждение, доступны два метода: сухое и мокрое прядение. При мокром прядении полимер растворяется и экструдируется через фильеру в химическую ванну. При сухом прядении растворителю дают испариться по мере охлаждения волокон.

Обычно вытягивание волокна происходит сразу после прядения. Приложение внешней силы, будь то сила тяжести или приемные ролики, заставляет волокна сжиматься в боковом направлении и удлиняться. Это ориентирует отдельные молекулы полимера по длине волокна, увеличивая прочность. Было показано, что радиус волокон гиперболически уменьшается по мере их удлинения. Когда волокна затвердевают, они могут начать кристаллизоваться, причем каждое зерно изначально ориентировано беспорядочно. Дальнейшее вытягивание приведет к удлинению кристаллических зерен и их переориентации в направлении оси растяжения, дополнительно упрочняя волокна.

Стабильность вращения

На практике не все полимеры подходят для прядения или вытягивания волокна. Это особенно актуально для полимеров, разжижающихся при растяжении, когда капиллярные разрушения или шею может вызвать отделение расплава перед затвердеванием.

Резонанс вытяжки - наиболее частая проблема, которая может возникнуть при вытяжке расплава полимера, независимо от пригодности полимера. Резонанс возникает, когда скорость массового потока между фильерой и приемным роликом волокна не постоянна, несмотря на то, что она постоянна для каждого из этих отдельных компонентов. Когда массовый расход непостоянен, диаметр волокна будет изменяться в соответствии с изменением. После запуска этот резонанс может не исправиться сам по себе, что потребует полного останова экструзионной линии.

Было показано, что резонанс вытяжки возникает при превышении критического коэффициента просадки; это соотношение зависит от поведения потока (т. е. ньютоновского, разжижения при сдвиге) и вязкоупругого поведения жидкости. Однако было обнаружено, что резонанс вытяжки не является функцией скорости потока. Расплав полимера, приближающийся к ньютоновской жидкости, такой как ПЭТ, может иметь коэффициент вытяжки около 20, тогда как разжижающиеся при сильном сдвиге и вязкоупругие полимерные расплавы, такие как полиэтилен, полистирол и полипропилен, могут иметь критические коэффициенты вытяжки всего 3.

Формовка труб

Головки для формования труб позволяют непрерывно экструзировать толстостенные (по сравнению с экструзией пленки с раздувом) и трубы.^[5] Сами матрицы почти идентичны тем, которые используются при экструзии пленки с раздувом; единственное существенное отличие - это зазор между внутренней оправкой и внешней стенкой матрицы. Как только полимерный расплав выдавливается из фильеры, он отводится приемными роликами. Охлаждение достигается за счет использования водяных бань или большого количества охлаждающих вентиляторов. После охлаждения трубка либо наматывается на большие катушки (если они гибкие), либо нарезаются на отрезки заданной длины и складываются в стопки (если жесткие).

Для специальных применений необходимо использовать трубки с несколькими просветами (отверстиями). Для этих применений инструмент изготавливается путем размещения более одной оправки в центре матрицы для получения необходимого количества люменов. В большинстве случаев на эти оправки подается давление воздуха из разных источников. Таким образом, можно регулировать размеры отдельных просветов, регулируя давление на отдельные оправки.

Экструзия профиля

Экструзия профилей, экструзия сложных форм, таких как водостоки, конструкционные опоры и другие компоненты, приносит с собой одни из самых сложных конструкций фильер из любого процесса экструзии.^[6] Эта трудность возникает из-за двух основных проблем: получения начального, еще расплавленного профиля, а затем контроля асимметричной усадки и разбухания матрицы из-за различной толщины стенок.

В отличие от экструзии пленки, труб и листов с раздувом, матрицы, используемые при экструзии профиля, редко бывают круглыми или полностью плоскими. В то время как круглый (или плоский) профиль имеет равномерную скорость потока по всем краям, это не относится к более сложным формам. Возьмем, к примеру, простой твердый квадратный профиль. Скорость расплава самая высокая в центре матрицы и самая низкая на краях и углах из-за трения между расплавом и стенками матрицы. При перемещении от центра матрицы к середине одной из кромок градиент скорости велик, особенно вблизи внешней стенки матрицы. Однако при движении от центра к одному из углов градиент скорости более постепенный. В результате экструдированный квадратный профиль будет испытывать большее разбухание по краям, чем по углам, в результате чего квадратный профиль станет более круглым. Это можно компенсировать за счет изгиба по бокам матрицы, так что она приближается к форме четырехконечной звезды; стороны расплава полимера теперь набухнут до предполагаемых размеров.

По мере того, как желаемый профиль становится более сложным, штамп в свою очередь становится более сложным. Необходимо следить за тем, чтобы минимизировать количество линий сварки, а также обеспечить полное заполнение матрицы для предотвращения образования пузырей и других дефектов в готовом экструдированном профиле. После завершения начальной экструзии профиль расплавленного полимера немного охлаждается перед пропусканием через калибровочную фильеру. Эта матрица гарантирует, что экструдированный профиль соответствует спецификациям, и может корректировать форму в соответствии с этими спецификациями. По завершении калибровки профиль охлаждают перед дальнейшей обработкой.

Коэкструзия

5: 5-слойная совместная экструзия косметической "прессованной" тубы

На практике многие пленки, листы и другие экструдированные детали являются многослойными; это позволяет оптимизировать широкий спектр свойств, таких как проницаемость для кислорода, прочность и жесткость. Основная трудность соэкструзии - преодоление разрыва в свойствах каждого слоя.^[7] Добавление тонкого слоя «совместимости» является обычным решением для уменьшения несовместимости по вязкости или жесткости.^[8]

Для соэкструзии существует два основных типа фильер: одинарный и множественный. Оба типа используют отдельный экструдер для каждого химического состава полимера. В фильерах с несколькими коллекторами каждый слой экструдируется отдельно и комбинируется только непосредственно перед кромкой фильеры. Этот тип фильеры является дорогостоящим из-за необходимого сложного инструментария, но может уменьшить значительные различия в реологическом поведении различных слоев. Одиночные фильеры коллектора образуют несколько слоев в один слой, обеспечивая контакт между полимерными слоями в течение более длительного периода времени. Это обеспечивает оптимальное соединение, но требует полимеров с более высокой совместимостью.

Есть два типа дефектов обработки, которые могут возникнуть во время соэкструзии. Первый дефект - нестабильность интерфейса, вызывающая непредусмотренные формы интерфейса. Это может вызвать «инкапсуляцию» расплава с более высокой вязкостью расплавом с более низкой вязкостью, что приведет к плохим конечным характеристикам экструдированной детали. Серьезность этого типа дефекта пропорциональна разнице вязкостей двух полимерных расплавов. Другой тип дефекта образуется в результате колебаний потока расплава, вызывая небольшие волнообразные узоры на поверхности расплава и снижая оптическую прозрачность.