Экструзия профильных изделий: материалы, оборудование и особенности технологий

В. П. Володин





                ЭКСТРУЗИЯ ПРОФИЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ




            Материалы^ оборудование и особенности технологий



Санкт-Петербург
2019

ПРОФЕССИЯ

ЦП 1Т=
OL РАЭЭ JA1 ЕЛЫ 1ЫХ ПРОГРАММ

УДК 678.027.3
ББК 35.712
В68

       Володин В. П.
В68 Экструзия профильных изделий. Материалы, оборудование и особенности технологий/^ П. Володин. — СПб.: ЦОП «Профессиям, 2019. —816 с., ил.

       ISBN 978-5-91884-098-6

        Приведены сведения об основных материап-ах для производства профильных изделий (П И), включая их эксплуатационные характеристики и свойства. Описаны технологические сжмы экструзии профильных изделий различными методами: многоручьевая экструзия, соэкструзия и др. и особенности кащдой технологии. Подробно рассмотрено технологическое (экструдеры, шнеки, оснастка) и вспомогательное оборудование, его производительность и компоновка.
        В отдельной главе рассмотрены особенности экструзии ПИ из различных термопластов (ПВХ, ТПЭ, ТПУ, полиэлефинов, конструкционных пластиков и др.), влияние их свойств и технологических режимов на свойства готовых ПИ; выявление дефектов и устранение проблем.
        Книга предназначена для специалистов по экструзии ПИ, технологов, инженеров, студентов и преподавателей профильных вузов.
УДК 678.027.3
ББК 35.712



Все пра$а защищены. Никакая на ат, данной книги не моу.&п быть ■эоспроизюдена # какой бы>по ни было форме без писыленногорафешения мадетым авторских нра&.

Информация, содержащаяся в денной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как. надежные. Тем не менее, имея в виде возможные человеческие или технические ошибки, издательство не можетгарантировать абсолютную точность и полноту' прнводепггых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.










ISBN 978-5-91884-098-6

                      <	§> В. П. Володин
                                             <	ё> ЦОП «Профессия», 2019
                                             <	ё> Оформление: ЦОП «Профессия»,2019

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Предисловие.......................................................8

Глава 1. Экструзионные профильные изделия и материалы для их производства.12

   1.1. Группы профильных изделий и области их приме не ния...............12
   1.2. Материалы для изготовления ПИ............................15
     1.2.1. Общие сведения о полимерных мате риалах..............15
     1.2.2. Эксплуатационные свойства ПИ из тертиопластов........17
     1.2.3.  Термопласты, используемые при изготовлении профильных изделий.......................................................31
   1.3. Обработка и способы соединений полуфабрикатов ПИ.........44
     1.3.1. Механическая обработка...............................46
     1.3.2. Соединения изделий...................................48
     1.3.3. Термические и химические способы соединения..........50
   1.4. Классификация профильных изделий.........................53
     1.4.1. Общие положения классификации........................53
     1.4.2. Классификация по геометрическим признакам............55
     1.4.3.  Классификация ПИ по особенностям технологии формования из расплава.................................................  59
   1.5. Технологические требования к конструкции профиля.........60
     1.5.1. Технологичность формы................................60
     1.5.2. Допуски на форму и размеры...........................67
     Литература к главе 1........................................74

Оглавление

Ггава 2. Технолопнеские схемы и оборудование дчя производства профильных изделий „77

   Введение............................................................77
   2.1. Технологические схемы производства ............................78
     2.1.1. Трубо образные профили......................................79
     2.1.2. Полые, камерные неплотные профили...........................80
     2.1.3. Комбинированные профили.....................................83
     2.1.4. Профили с сердечником.......................................84
     2.1.5.   Профили из стеклопластиков (пултрузия) и из стекло на полненных термопластов.........................................................85
     2.1.6. Декорирование профильных изделий............................93
   2.2. Основное оборудование технологических линий....................109
     2.2.1. Технологические лини и для производства профильных изделий.109
     2.2.2. Экструдеры.................................................112
     2.2.3. Экструзионное оборудование Западной Европы.................114
     2.2.4. Технологическая оснастка...................................165
     2.2.5. Комплектую пре оборудование технологических линий..........177
     2.2.6. Процесс соэкструзии и приме няе мое для него оборудование..214
     2.2.7. Экструзионное оборудование для соэкструзии.................216
   2.3. Периферийное оборудование производства.........................222
     2.3.1. Системы обеспечения нормальной рабсты технологических линий... 222
     2.3.2. Смесите льное оборудова ние для пригстовле ния ком позиций.225
     2.3.3. Загрузчики идозаторы сырья.................................228
     2.3.4. Сушилки....................................................232
     2.3.5. Холодильники и термостаты..................................238
     2.3.6. Дробилки, грануляторы......................................239
   2.4. Производительность технологической линии.......................241
     2.4.1.   Выбор оборудования технологической линии в зависимости от тип а и размеров экструдируемого профиля.........................241
     2.4.2.   Факторы, отраничивающие производительность те хн оло гическойлинии.............................................245
     2.4.3. М но горучье в ая экструзия................................248
     Литература к главе 2..............................................252

Гтэва 3. Свойства, применение и экструзия профилей из различных термопластов.... 258

   3.1. Свойства, применение и экструзия профилей из поливинилхлорида..258
     3.1.1. Состав и свойства добавок композиций на снове ПВХ..........260

Оглавление

5

   3.1.2.  Сравнение результатов реологических измерений на приборах (в режиме offline) и в реальном процессе экструзии (режим online).278
   3.1.3. Влияние состава композиций на реологические свойства....296
   3.1.4.  Технологические свойства ПВХ-композиций в реальном процессе экструзии................................................327
   3.1.5. Соэкструзия ПВХ-композиций..............................337
   3.1.6.  Особенности экструзии композиций НПВХпри производстве профиле й различного назначе ния..................................344
   3.1.7. Технология изготовления оконных профилей и подоконников..351
   3.1.8. Экструзия полужестких и мягких композиций ПВХ...........395
   Литература кразделу 3.1........................................416
3.2. Свойства, применение и экструзия профилей из полиолефинов.....421
   Введение.......................................................421
   3.2.1. Свойства и применение...................................423
   3.2.2. Особенности экструзии полиолефинов......................439
   Литература кразделу 3.2........................................469
3.3. Стирольные пластики..........................................472
   3.3.1. П о л истиро л о бще го н аз наче ния....................472
   3.3.2. Сополимеры стирола......................................475
   3.3.3. Смеси на основе полистирола.............................483
   3.3.4. Особенности экструзии профилей из стирольных пластиков..484
   Литература кразделу 3.3........................................490
3.4. Полиакрилаты................................................ 492
   Введение.......................................................492
   3.4.1. Свойства и применение полиакрилатов.....................493
   3.4.2. Переработка ПМ МА.......................................502
   3.4.3. Некоторые смеси на основе ПММА..........................513
   Литература кразделу 3.4........................................517
3.5. Полиамиды....................................................519
   В веде ние.....................................................519
   3.5.1. Типы, свойства и области применения полиамидов..........521
   3.5.2. Особенности экструзии полиамидов........................538
   3.5.3. С в ой ств а не котор ых сме се й по л иам идо в........545
   Литература кразделу 3.5........................................546
 3.6.  Свойства, применение и особенности про из в одеть а профилей из поликарбоната..................................................548

б

Оглавление

   3.6.1. Свойства и области приме нения профилей из поликарбоната....548
   3.6.2. Экструзия поликарбонатных профилей.....................559
   3.6.3. Особенности переработки ПК.............................566
   Литература к разделу 3.6......................................569
 3.7.  Свойства, области применения и особенности экструзии профилей из конструкционных (инженерных) пластиков........................571
   3.7.1. Свойства, приме не ние и особенности экструзии полиацеталей.571
   Литература кразделу 3.7.1.....................................588
   3.7.2. Свойства, применение и особенности переработки ПЭТ.....590
   Литература кразделу 3.7.2.....................................606
   3.7.3. Другие типы конструкционных матер налов................607
   Литература к подразделу 3.7.3.................................620
 3.8. Эфиро целлюлозные пластики.................................621
   3.8.1. Получение, свойства и области применения...............621
   3.8.2. Особенности переработки................................627
   3.8.3. Последующая обработка изделий из этролов...............631
   Литература к разделу 3.8......................................631
 3.9.  Свойства, области применения и особенности экструзии профилей из наполненных политлеров........................................633
   3.9.1. Политлеры с минеральными наполнителями.................633
   3.9.2. Дре вес но-полимерные композиции (ДПК, WPO).................635
   Литература к разде лу 3.9..........................................644
 3.10. Пеноматериалы..................................................646
   3.10.1. Конструкции пе но про филей и области их применения..64 6
   3.10.2. П ено поливинилхлорид.................................648
   3.10.3. Пенополиэтилен........................................662
   3.10.4. Пенополистирол........................................669
   3.10.5. Другие пенопласты.....................................679
   Литература к разделу 3.10.....................................681
 3.11.  Свойства, применение и переработка термопластичных эластомеров и термопластичного полиуретана...................................684
   Введение......................................................684
   3.11.1. Термопластичные эластомеры............................685
   3.11.2. Термопластичный полиуретан............................707
   3.11.3. Переработка ТПЭ и ТПУ.................................713
   Литература к 3.11.............................................720

Оглавление

7

  3.12. Смеси и сплавы полимеров......................................723
    Введение..........................................................723
    3.12.1. Принципы совмещения взаиморастворимых
  и вз аим оне ра ств орим ых п ол имерн ых матери ало в..............724
    3.12.2. Типы полимерных смесей..................................725
    3.12.3. Способы приготовления смесей............................728
    3.12.4. Свойства, применение и переработка полимерных смесей......730
    Л ите ратур ак3.12..............................................734
  3.13. Свойства, применение и переработка вторичных материалов.......736
    3.13.1. Сбор, хранение и дробление технологических отходов......737
    3.13.2.   Влияние многократной переработки на технологические свойства материалов и свойства изделий.....................................738
    Литература к разделу 3.13.......................................742
  3.14. Автомобильные профили.......................................743
    Литература к 3.14...............................................748
   3.15. Проблемы при экструзии профильных изделий, их причины и способы устранения................................................749
    3.15.1. Характерные проблемы работы экструзионного оборудования...750
    3.15.2.   Характерные технологические проблемы при экструзии профильных изделий..................................757
    3.15.3.   Современное состояние проблем экструзии труб, листов, профилей..........................................................761
    Литература к разделу 3.15.......................................787
  3.16. Эксплуатация и чистка оборудования и оснастки...............789
    3.16.1. Чистящие композиции для экструзионного оборудования.......789
    3.16.2. Эксплуатация оборудования и технологической оснастки....800
    Литература к 3.16...............................................803
   3.17. Н орм ати вн о-те хниче с кая до куме нта ция, техника без о пас но сти и охрана труда на производстве......................................804
    3.17.1. Технологический регламент...............................804
    3.17.2. Международные и национальные стандарты..................805
    3.17.3. Техника безопасности, промышленная гигиена и охрана труда.810
    Литература к разделу 3.17.......................................811

            ПРЕДИСЛОВИЕ




Профильные изделия из термопластов являются одним из наиболее распространенны?: продуктов» производимых: шнековой экструзией. Применению» испытанию» различным аспектам производства этих изделий посвящено большое количество публикаций. Большинство из них касается проблем» связанных с применением изделий в различных областях промышленности» строительства» медицины и пр.» выбора материала для их производства» оборудования и техн о логической оснастки. В меньшей мере затрагиваются комплексные проблемы технологии производства. Несмотря на значительные успехи в производстве самых разнообразных профилей сложной формы многие вопросы их технологии еще не нашли теоретического обоснования и по-прежнему решаются методом проб и ошибок. К. ним» например» относятся выбор (или расчет) размеров формуюпрго инструмента экс-трузи онных гол овок с учетом разбухания и вытяжки расплава при различных схемах форм о -вания заготовки профиля (экструдата) и окончательного оформления конечного изделия» соответствующего установленным требованиям по форме» разтнсератнс» условиям эксплуатации. Трехмерное разбухание расплава на выхода из головки сложного сечения вызывает искажение формы отдельных участков экструдата» поэтому для конструирования каналов экструзионной головки необходимо учитывать взаимосвязи между локальными коэффициентами разбухания в поперечны?: направлениях. Разбухание чаще всего определяют на приборах с использованием капилляров круглого сечения. Попытки связать разбухание по диаметру с линейным разбуханием по толщине стенки для прямоугольных и кольцевых каналов и по ширине и наружному диаметру для них далеко не всегда дают положительные результаты. Современные математические модели» учитывающие предысторию течения расплава в каналах, предшествующих формующему каналу» используемые для расчета разбухания» также чаще всего относятся к разбуханию по диаметру; однако это - частный случай проявления высоко эластической деформации» тогда как при трехмерной схеме разбухания расплава необходимо учитывать обобщенный показатель формы канала» которым может служить, его пл ощадь поперечного сечения или гидравлическое сопротивление. С двумя последними характеристиками формуютдего канала можно связать разбухание по площади поперечного сечения при учете объемного расхода и температуры расплава. Обработка эк спериментальных данных» полученных автором» и литературных: источников позволила разработать полу эмпирические выражения для расчета разбухания по площади сечения» инвариантного относительно формы и размеров формующих каналов.
   При вытяжке экструдата («свободном» или принудительном) его размеры изменяются неодинаково. Это связано с неодинаковым разбухание м по ширине и толщине стенки для

Предисловие

9

прямоугольных: каналов и по диаметру и толщине стенки для кольцевых. Именно в этом кроется причина неодинаковых изменений размеров участков экструдата при формовании конечны?: изделий и эмпирический подесод к расчету размеров формующих: каналов экструзионных головок.
   Высокая эластичность расплава проявляется при вытяжке экструдата в продольном направлении и «-замораживании» при охлаждении. Охлаждение расплава фиксирует неравновесное его состояние» причем неравномерное по толщине (радиусу) экструдата. Это состояние обратимо при повышении температуры; оно различно для аморфных и кристаллизующихся полимеров. Для кристаллизующихся пластмасс влияние температуры заметно проявляется вблизи температуры фазового перехода (точки начала плавления), для аморфных — во всем диапазоне температур нагрева, при достижении температуры стеклования — особенно сильно. По этому при вы боре мате риала для конкретного применения изделия необходимо снимать (иметь) его термомеханическую кривую.
   Кроме приведенных проблем, важное влияние на качество экструдируемых профилей оказывают состав и технические характеристики экструзионного и вспомогательного оборудования и особенности переработки конкретных марок полимерных материалов, т е. технология производства.
   Состав экструзионных линий и технические характеристики отдельных: агрегатов кратко описываются в большинстве опубликованных источников. Однако многообразие моделей, особенно зарубежных, без критического анализа их: особенностей, ддетлишь общее представление об используемом оборудовании и не всегда позволяет правильно выбрать подходящее для конкретных целей.
   То же относится к переработке полимерных материалов, в данном случае при производстве профильных изделий. Каждый материал имеет специфические механические, физические, реологические и термические свойства, которые определяют оптимальные режимы экструзии, при которых: формируются свойства для заданной области применения. Этими вопросами занимается химическая технология переработки полимерных материалов.
   Технология производства профильных изделий чаще всего рассматривается на платных семинарах, особенно зарубежных. Это понятно, так как многие вопросы производства сложных изделий относятся к области know how. А некоторые особенности технологии патентуются и продаются вместе с лицензиями.
   К настоящему моменту опубликовано всего несколько книг, касающихся производства профильных изделий из термопластов, в которых комплексно излагаются все аспекты производства. Среди нихдве книги написаны автором.
   Со времени выхода книги «Экструзия профильных изделий из термопластов» (2005 г.) прошло уже более 10 лет За это время многое изменилось. Издательством «Профессия» были выпущены книги отечественных и зарубежных: авторов для профессионалов. Возобновлено издание библиотечки по переработке пластмасс (БПП), издававшейся в 1960-1980 годы и предназначавшейся для обучения основам переработки полимерных материалов мастеров, операторов экструдеров, литьевых, пневмо-вакуум-формовочных машин и другого оборудования.
   Значительно расширился бизнес в производстве изделий из пластмасс, в том числе и методом экструзии. Заметное место занимает в этом бизне се производство профильных изделий. В него привлекается много молодых работников, не имеющих: специального

Предисловие

профессионального образования. Для грамотного и эффективного использования технологического оборудования необходимы базовые знания свойств полимерных материалов и особенностей их переработки в изделия сложной формы» к которым относятся профильные изделия. А для специалистов промышленности представляют интерес современные сведения по используемому оборудованию» технологии формования изделий из расплава» методам оценки их качества» условиям эксплуатации производамых изделий» поскольку только комплексный подход к производству полимерных изделий можетгарантировать их высокое каче ство и долговременную эксплуатацию.
   В связи с этим автор книги посчитал своим долгом значительно расширить содержание книги» вышедшей в 2005 г. За прошедший период времени появилось множество новых публикаций зарубежны?: авторов» значительно расширилась информация по специальны?»! вопросам в интернете. Стал возможен доступ к зарубежной информации прежних лет; который в большинстве случаев был ограничен при публикации первой книги. За этот же период автором публиковано большое количество статей по основньш раздела?,! книги. Накоплен значительный опытв отработке технологии производства профильных изделий из различных термопластов на лабораторной экструзионной установке. В 2010 г в издательстве «Профессия» вышла книга автора из серии «Библиотечка по переработке пластмасс» под название?»! «Экструзия пластмассовых труб и профилей»» которая благожелательно была встречена специалистами.
   В 1965 г. на Опытном завод? пластмасс при НИИПМ была организована технологическая группа» основной задачей которой была отработка технологии производства экструзионных изделий по заказа?»! различных предприятий. С этого времени основной областью научно-производственных интересов автора стала технология производства профильных изделий.
   С организацией в 1970 г. Отделения по переработке пластмасс ив 1971 г. НПО «Пластик» на базе Дорогомиловского химического завода часть персонала НИИМП была переведена на это предприятие» на которо?»! автор проработал более 25 лет
   В 2016 г. авторот»! подготовлена книга с общим название?»! «Технология экструзии профильных изделий. Формование из расплава»» в которой изложены основные соображения по технологии производства профильных изделий сложной формы. Книга содержит три главы.
   В первой главе рассматриваются типы пластмассовых профилей» дается их классификация по различны?»! критерия?»! и приводится их анализ в сравнении с профилями из металла и пластичных сред (керамика» пищевые массы и др.). В основу классификации пластмассовых профилей положена технология их изготовления» которая заметно отличает их от технологии производства профилей из металлов (периодическое прессование (выдавливание» экструзия)» прокатка» волочение) вследствие непрерывности процесса. ■Эта классификация разработана впервые в Японии еще в начале 1970-х годов и используется поныне. Эта часть вместе с технологичностью профилей и допусками на размеры и форму описана в первой книге автора 2005 г.
   В этой же главе расс?»!атриваются свойства полимерных материалов» используемыхдля производства профильных изделий в аспекте применения изделий при различных условиях их эксплуатации.
   Во второй главе рассматриваются техн о логические схемы производства в соответствии с приведенной в первой главе классификацией профилей» основное оборудование