|
Статьи
|
Вращать не вредно
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РУЛОНА ПРИ РАЗДУВНОЙ ЭКСТРУЗИИ
|
Смышляев А.Р.,К.т.н., Беззубаев В.П.,К.т.н.
|
Требования к качеству пленки растут вместе с ростом скоростей процессов ее изготовления и с ужесточением конкуренции на рынке гибких полимерных материалов. В то же время, при производстве пленки, даже на самом лучшем оборудовании не удается избавиться от некоторых видов дефектов, ухудшающих ее качество.
Любой технолог, имеющий отношение к производству пленки, знает, насколько важно и одновременно трудно добиться получения качественного рулона пленки. Один из характерных дефектов рулонов появляется при намотке плёнки, имеющей разнотолщинность в поперечном направлении. Случайные факторы приводят к локальным отклонениям толщины пленки, которые не оказывают влияния на геометрию рулона. (В данной статье эта, по-своему важная тема, не рассматривается.) Напротив, регулярные неравномерности толщины проявляются в виде кольцевых неровностей поверхности, которые сопровождаются рыхлостью или, наоборот, уплотнениями отдельных частей рулона.
|
|
Рисунок 1. Общий вид современной экструзионной пленочной линии. Слева находится эстакада с установленным наверху вращающимся приемно-вытяжным устройством. Намотчик расположен справа.
|
Если тонкая или эластичная плёнка имеет даже незначительную регулярную разнотолщинность в поперечном направлении, то при её намотке в рулон происходит ее деформация, ведущая к потере плоскостности. Если такую пленку положить на стол, то подобные дефекты становятся хорошо заметными. Подобный тест качества, кстати, широко применяется переработчиками пленки. Дальнейшее использование неплоской плёнки для процессов флексографской печати и последующего кэширования, либо ламинирования становится практически невозможным.
Регулярная разнотолщинность плёнки в поперечном направлении возникает в процессе её изготовления в результате локально действующих факторов, влияющих на её толщину. Такими факторами, к примеру, могут быть могут риски и нагар на экструзионной фильере, плохое распределение полимерной массы в спиральном раздатчике, неравномерный обдув пленочного рукава и тому подобные явления, речь о которых пойдет ниже. Полностью избавится или компенсировать действие перечисленных факторов за счет применения систем управления толщиной пленки пока не удается. В связи с этим применяются способы повышения качества рулона за счет распределения регулярных отклонений толщины пленки по ширине рулона. Такое распределение можно реализовать путем вращения отдельных узлов и агрегатов оборудования, приводящего к смещению регулярных неравномерностей толщины по ширине рулона. В разные годы машиностроителями были реализованы схемы вращения практически всех основных узлов: экструзионной головки (ЭГ) или всего экструзионного модуля (ЭМ) относительно неподвижно расположенного приёмно-тянущего устройства (ПТУ); намотчика вокруг неподвижно расположенного экструзионного модуля; приёмно-тянущего устройства относительно неподвижно расположенных экструзионной головки и намотчика. Иногда применяются такие методы, как вращение фильерного дорна или циклическое боковое перемещение (осциллирование) намотчика.
Сейчас уже трудно сказать, почему появлялись и исчезали те или иные методы. Возможно, дело тут в необходимости обеспечения патентной чистоты. Возможно также, что на определенных этапах развития техники оптимальными представлялись различные методы. Далеко не все методы сегодня имеют практическое применение, но для понимания проблемы практическим специалистам будет полезно рассмотреть не только самые распространенные, но и более экзотические решения.
В приведенной ниже таблице в левой колонке показаны основные неблагоприятные факторы, влияющие на качество рулона, и методы, которые позволяют уменьшить их влияние. Символ "+" означает, что данный метод позволяет снизить соответствующий неблагоприятный фактор.
|
Факторы, влияющие на качество изготавливаемого рулона плёнки
|
Реверс ЭМ
|
Реверс ЭГ
|
Реверс намотчика
|
Реверс ПТУ
|
Реверс дорна
|
Автоматическая корректировка толщины в долевом и поперечном направлениях
|
|
Неравномерное распределение давления или температуры расплава полимера в спиральном раздатчике
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
|
Неравномерное распределение давления или температуры расплава полимера по периметру формующей щели в связи с неравномерным нагревом головки
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
|
Неравномерное распределение давления или температуры расплава полимера по периметру формующей щели в связи с неправильной регулировкой щели
|
+
|
+
|
+
|
+
|
-
|
+
|
|
Неравномерное (по периметру экструдированного и раздуваемого рукава) охлаждение
|
+
|
+
|
+
|
+
|
-
|
+
|
|
Влияние случайных воздушно-конвективных потоков на разнотолщинность раздуваемого рукава
|
-
|
-
|
+
|
+
|
-
|
+
|
|
Дефекты формующей щели (риски, нагар)
|
+
|
+
|
+
|
+
|
-
|
-
|
Наиболее существенное влияние на появление дефектов рулона обычно оказывает плохое распределение расплава полимера в спиральном раздатчике. Исключить влияние этого фактора на толщину пленки иногда можно только заменой экструзионного модуля, стоимость которого иногда достигает половины цены всей экструзионной линии. По этой причине для сохранения конкурентоспособности предприятия в большинстве случаев будет проще купить новую линию.
Несколько менее сложно исключить влияние плохого обдува. Установка более качественного воздушного обдувочного кольца и мероприятия по капсуляции раздуваемого рукава позволяют решить и эту проблему. Другие факторы обычно преодолеваются с меньшими затратами.
|
|
Рисунок 2. Однослойная головка с узлом вращения
|
Рассмотрим перечисленные выше методы распределения дефектов по ширине полотна более предметно.
Применение таких способов, как вращение или осцилляция намотчика, были опробованы в 60..70-х годах ХХ века. Вращающиеся намотчики, в частности, выпускались на немецком предприятии Kiefel, а осцилляцию намотчика применяли на фирмах Kampf и Reifenhauser. Осцилляция, то есть циклическое перемещение намотчика или рукава в поперечном направлении, связана с ростом отходов, вызванным необходимостью обрезки дополнительной части кромки. К тому же влияние далеко не всех дефектов поддается устранению подобным способом. По этим причинам осцилляция на практике давно не применяется.
Вращение намотчиков также сегодня вышло из моды, но по другим причинам. Современные намотчики должны обеспечивать обработку джамбо-рулонов весом до нескольких тонн. В связи с этим намотчики превратились в громоздкие и тяжелые устройства, установка которых на вращающуюся платформу становится проблематичным. Есть определенная проблема и в том, что намотчик надо останавливать в определенном положении для съема готовой продукции, а также и в удлинении пути движения пленки. Впрочем, нельзя исключать возможность появления таких конструкций в будущем для машин средней производительности.
Похожие проблемы возникают и при решении проблемы вращения экструзионного модуля. При этом на вращающуюся платформу устанавливаются шнековые прессы с системой подачи сырья и экструзионная головка с системой воздушного охлаждения. Технические проблемы возникают в связи с необходимостью подвода воздуха, воды, а также электроэнергии. Необходимость вращения всей платформы с установленными на ней крупногабаритными и тяжелыми узлами приводит к заметному росту необходимых производственных площадей. Еще одна проблема связана с необходимостью обеспечить подачу многокомпонентного сырья к движущимся загрузочным бункерам. В Подмосковье имеется как минимум одна подобная линия. В настоящее время производители отказались от данной технологической схемы, как слишком сложной и нетехнологичной в эксплуатации.
Наиболее часто при производстве однослойных пленок сегодня применяется метод вращения экструзионной головки. Единственный, по сути, недостаток такого метода заключается в необходимости применения дополнительных мер по капсулированию зоны формирования рукава для исключения влияния случайных воздушных потоков на разнотолщинность формируемого рукава после выхода из вращающейся головки.
|
|
Рисунок 3. Многослойная экструзионная вращающаяся головка фирмы Райфенхойзер. Хорошо виден кольцевой сочлененный короб с воздуховодами, через который подается воздух к системе внутреннего охлаждения пленочного рукава.
|
Для вращения головки применяется специальный вращающийся адаптер, называемый узлом вращения. При создании таких узлов возникает сложнейшая технологическая проблема предотвращения утечек полимерного расплава через подвижное соединение. Современные экструдеры развивают давление в сотни атмосфер, а температура расплава может достигать 300 градусов Цельсия. При таких давлениях малейшая неплотность приводит к неустранимым утечкам жидкого расплава.
Задача уплотнения соединений при таком сочетании температуры и давления в технике встречается крайне редко и до сих пор решается с трудом. Для уплотнения узлов вращения однослойных головок без системы внутреннего охлаждения
могут применяться небольшие по размеру торцевые уплотнения. В случае необходимости уплотнения узлов вращения соэкструзионных головок с внутренним охлаждением задача принципиальным образом усложняется. Из зарубежных производителей такую головку предлагает, к примеру, фирма Райфенхойзер.
Это сложные и дорогие изделия. По нашим оценкам, только себестоимость трехслойных экструзионных головок с узлом вращения у европейских производителей лежит в диапазоне от 100 до 200 тысяч Евро. К тому же такие головки сложны и дороги в эксплуатации. Так, к примеру, стоимость комплекта сменных уплотняющих прокладок узла вращения достигает суммы 7000 Евро.
Следует добавить, что западные производители не смогли решить проблему изготовления кольцевых уплотнений большого диаметра, в связи с чем в конструкции головки применяется нетехнологичная и дорогостоящая схема подачи воздуха через радиальные каналы.
Вращение дорна, как метод улучшения не только рулона, но и альтернатива спиральному раздатчику, применяется редко, поскольку не исключает влияния большинства неблагоприятных факторов. Однако для некоторых видов пленок, например пленок из ПЭНД, этот метод можно считать достаточно перспективным. Подобную машину, например, выпускает одна из венгерских фирм.
поскольку не исключает влияния большинства неблагоприятных факторов. Однако для некоторых видов пленок, например пленок из ПЭНД, этот метод можно считать достаточно перспективным. Подобную машину, например, выпускает одна из венгерских фирм.
Сегодня на современном высокопроизводительном оборудовании для получения многослойных пленок наиболее широко применяется метод реверсивного вращения приёмно-тянущего устройства. В состав такого устройства входят: система складывания цилиндрического рукава в рукав плоской формы; система фальцующих приспособлений; система вытяжного каландра; система преобразования продольно-вращательного движения рукавной плёнки в продольное.
Диапазон реверса приёмно-тянущего устройства обычно составляет от +45 до +177 градусов C. Недостаток метода состоит в сложности изготовления и обслуживания механизма преобразования продольно-вращательного движения рукавной плёнки в продольное. Это устройство дорого в изготовлении и эксплуатации. Вес ПТУ с вращением, называемом на жаргоне "вращающейся башней", достигает нескольких тонн.
|
|
Рисунок 4. Вращающаяся "башня"
|
Для монтажа подобного крупногабаритного узла на высоте 10 или даже более метров от уровня пола необходимо изготовить и смонтировать крупногабаритную дорогостоящую эстакаду. Все это увеличивает стоимость оборудования на 70..100 тысяч долларов США. Следует добавить к этому необходимость дополнительного увеличения высоты помещения примерно на 1 метр в связи с тем, что над вытяжными валками устанавливается система горизонтальных или вертикальных поворотных валов. Отметим, что применение схемы с вертикальным расположением валов приводит к циклическому изменению скорости намотки, что не всегда допустимо. Впрочем, есть, как минимум, еще одно родимое пятно подобной схемы. Вращение башни приводит к значительному рысканию пленочного полотна, не до конца устраняемого даже применением специальных устройств выравнивания края.
К тому же сложная система вращающихся валов часто приводит к образованию складок на пленочном полотне, которые становятся практически неизбежными на тонких или жестких пленках.
Как видим, до последнего времени не существовало идеального решения проблемы. Впрочем, по причинам копирования решений, на поиск которых ведущие производители затрачивают значительные ресурсы, прогресс за последние 15 лет в области совершенствования пленочных экструдеров несколько замедлился. По этой причине за этот период не появилось практически ни одного нового устройства для решения задачи распределения регулярных дефектов по ширине рулона.
Однако 2 года назад произошло событие, которое может несколько изменить расстановку сил на рынке оборудования для производства трехслойных пленок. Решая проблему изготовления качественных рулонов 3-хслойных плёнок на технологической линии Арсенал 3М, специалисты российского научно-производственного объединения Арсенал Индустрии разработали оригинальную конструкцию 3-хслойной кольцевой головки с механизмом вращения. Первая серийная головка была установлена в 2004 году и работает непрерывно без разборки и поломок более 12 месяцев. Этому достижению предшествовала многолетняя работа по совершенствованию однослойных узлов вращения, а также изготовление около десятка прототипов трехслойных узлов вращения. На пути к созданию нового узла специалисты НПО Арсенал Индустрии получали консультации в ведущих научных центрах страны и проводили бесконечные испытания новых конструкций и материалов. Прорывное решение было подсказано, например, разработчиками уплотнений для приводов радиолокационных станций системы раннего оповещения (аналога западных систем АВАКС), устанавливаемых на фюзеляже самолета Ил-60. Следует отметить, что отечественная разработка не заменяет и не копирует решения других производителей. В отличие аналогичных головок с узлом вращения, на отечественном узле удалось решить проблему осевой подачи охлаждающего воздуха и ряд других, не менее важных проблем. Так, к примеру, значительно уменьшены габариты узлов по сравнению с любыми аналогами, что сокращает время пребывания полимерного материала в каналах экструзионной головки.
|
|
Рисунок 5. Рулон, полученный с применением вращающегося ПТУ и устройства выравнивания края полотна. Периодические отклонения кромки в виде волн на торце рулона вызваны циклическим поворотом ПТУ в противоположные стороны.
|
Сегодня можно считать задачу создания недорогого, компактного и надежного узла вращения трехслойной головки решенной. Это значительно повышает конкурентоспособность отечественного оборудования и открывает новые перспективы для производителей многослойной пленки. Если учесть, что на линии Арсенал 3М с использованием такой кольцевой головки изготавливаливаются полиэтиленовые плёнки с абсолютной разнотолщинностью не превышающей +5% даже без использования системы управления толщиной, то можно с определенными основаниями ожидать успеха оборудования производства НПО Арсенал Индустрии не только в России, но и за рубежом.
|
|
Журнал "Международные новости мира пластмасс", №4 2006г.
|
|
Русский 