УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕРМОУСАДОЧНОЙ ПЛЕНКИ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности, к устройствам для производства однослойной термоусадочной пленки.
Термоусадочная пленка представляет собой полиэтиленовый материал с эластичными свойствами, особенностью которого является способность сокращаться при нагревании, таким образом, плотно обтягивать упакованные в него изделия. Термоусадочная пленкастала популярной за счет того, что позволяет надолго сохранять не только товарный вид продукции, но также ее качество и свежесть. Кроме того, следует отметить и то, что за счет применения термоусадочной пленки транспортировка товаров и их хранение становится более простым и удобным.
Среди видов термоусадочной пленки полиэтиленовая термоусадочная пленка считается наиболее эластичной. Ее отличает очень высокая прочность, надежные влагозащитные характеристики. Способность менять свои размеры под термовоздействием. Ее изготавливают методом экструзии и подвергают пневматическому растяжению. Кроме того, термоусадочную пленку различают по форме выпуска (рукав, полурукав, полотно), толщине (20-250 мкм) и длине намотки.
Известно устройство для производства термоусадочной пленки (RU 2299810 RU, опубликовано 27.05.2007 г.), принятое за прототип, содержащее последовательно установленные экструдер с формующей головкой, сопло с центральным подводом воздуха, камеру противодавления цилиндрического сечения со штуцером для подачи рабочего агента и кольцевым выходным каналом, механизм регулировки давления рабочего агента в камере противодавления, термостатирующую рубашку, зажимные валки и наматывающее приспособление, дополнительно установлено калибрующее устройство для повторной двухосной ориентации полимерных рукавных пленок на основе ПВХ, содержащее приспособления для подачи и распределения горячего теплоносителя и камеру противодавления.
Недостатком известного устройства - сложность регулировки рабочих параметров и относительно низкое качество получаемой термоусадочной пленки (точность диаметра усадки рукава, его разнотолщинность).
Технический результат заявляемого устройства для производства термоусадочной пленки - упрощение регулировки рабочих параметров и относительно высокое качество (точность диаметра усадки рукава, его разнотолщинность) термоусадочной пленки на основе мультиполиэтиленовой композиции, в состав которой входит линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП) рукавным методом с приемкой рукава вверх.
Технический результат достигается тем, что в устройство для производства термоусадочной пленки содержащее загрузочную воронку, шнековый экструдер с формующей рукавной головкой, сопло с подводом воздуха, камеру противодавления с кольцевым выходным каналом, механизм регулировки давления рабочего агента в камере противодавления, валки, наматывающее приспособление, калибрующее устройство, средства нагрева,, введены ворошитель в загрузочную воронку, складывающие щеки, дополнительные валки, режущее приспособление, средства нагрева расположены на корпусах шнекового экструдера и камере противодавления, одни валки выполнены вытяжными, другие направляющими, шнек экструдера выполнен с уменьшающимся шагомвинтовой нарезки и увеличением числа витков в сторону формующей рукавной головки, при этом глубина канала канавки постоянна, кольцевой выходной канал образован m коаксиальными кольцами, расположенными торец к торцу и предназначены для колибровки кольцевого зазора и толщины рукавной пленки. Средства нагрева выполнены воротниковыми. Одно из колец кольцевого выходного канала выполнено с возможностью регулирования положения по горизонтали. Шнек выполнен с размерами в отношении длины к диаметру 18/1. Шнек экструдера содержит n секций, каждая из которых выполнена с разным шагом и резкими переходами между смежными секциями. Одна из секций шнека экструдера - загрузочная, выполнена рифленой, двухвиточной, а другая - секция гомогенизации - с длиной 6-8 диаметров шнекаэкструдера.
Производитель термоусадочной пленки стремится обеспечить стабильно высокое качество поставляемой продукции. В тех случаях, где важна только прочность, этого можно добиться, оптимизируя толщину и состав пленки. Использование более дорогих материалов и увеличение толщины дают рост прочности. Однако в структуре производственных затрат при выпуске пленки примерно 80% расходов приходится на сырье. Поэтому применение мультиполиэтиленовой композиции на основе ЛПЭНП производитель может сбалансировать на экономии и качестве.
Добавление ЛПЭНП имеет многочисленные преимущества как в производственном процессе, так и в свойствах изделий. Меньшее количество разрывов рукава, лучшая способность к растяжению, большая прочность при сваривании (важное свойство для производства герметичных упаковок), улучшенная прочность на прокол, более высокая прочность при растяжении, большая твердость и ударопрочность.
При этом производителю придется учитывать более высокую температуру расплава, более высокое давление в формующей рукавной головке экструдера (осуществляется регулировкой кольцевой щели головы экструдера).
ЛПЭНП имеет преимущественно линейную структуру сходную с ЛЭВП. Вследствие этого различаются реологические свойства этих смол и процессы их производства и переработки. Для выявления возможных трудностей и определения необходимых изменений в имеющихся оборудовании или технологии, нужно понимать реологические требования, которые будут соответствовать процессу производства. Были выбраны следующие параметры: температура расплава, износостойкость, крутящий момент.
ЛПЭНП более вязок, у него меньше снижается вязкость с увеличением скорости сдвига, и он менее чувствителен к температуре. Это приводит к большей требуемой мощности, большей температуре расплава и более высокому давлению в голове экструдера при экструзии ЛПЭНП на оборудовании для ПЭНП. Необходимы соответствующие шнеки и формующей рукавной головкиэкструдера, приспособленные к такому поведению при сдвиге диаметр шнека D, соотношение L/D, скорость вращения шнека N, а также профиль шнека и степень изменения объема канала шнека. Основной характеристикой формующего инструмента, состоящего как правило из экструзионной головки (вместе с фильтрующими сетками) и калибрующего узла, является коэффициент сопротивления течению расплава K. Перепад давления на фильтрующих сетках служит показателем засорения, т.е. увеличения сопротивления сеток и, следовательно, сигналом к их замене. Укрупненным показателем работы любого экструдера можно назвать его эффективность, измеряемую как отношение производительности экструдера к его потребляемой мощности.
На фиг. 1 - схематично показан общий вид устройства для производства термоусадочной пленки, на фиг. 2 - показан шнек экструдера, на фиг. 3 - показана камера противодавления, на фиг. 4 - вид сверху выхода пленочного рукава, где приняты следующие обозначения:
1 - загрузочная воронка с ворошителем;
2 - шнековый экструдер;
3 - формующая рукавная головка;
4 - сопло с подводом воздуха;
5 - камера противодавления с кольцевым выходным каналом;
6 - складывающие щеки;
7 - вытяжные валки;
8 - направляющие валки;
9 - режущее приспособление;
10 - наматывающее приспособление для рулона пленки;
11 - кольцевая щель для выхода пленочного рукава;
12 - воздушная щель для охлаждения термоусадочной пленки;
13, 14 - калибровочные кольца воздушного потока;
15 - дорн;
16 - средства нагрева;
17 - пленочный рукав;
L, L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7 - длины секций шнека экструдера.
Заявляемая полезная модель содержит загрузочную воронку с ворошителем 1, шнековый экструдер 2 с формующей рукавной головкой 3, сопло с подводом воздуха 4, камеру противодавления с кольцевым выходным каналом 5, складывающие щеки 6, вытяжные валки 7, направляющие валки 8,режущее приспособление 9, наматывающее приспособление 10, средства нагрева 16. Средства нагрева 16 выполнены воротниковыми и расположены в 8 зонах: 5 - на корпусе шнекового экструдера 2 и 3 на корпусе камеры противодавления 5. Шнек экструдера 2 выполнен с уменьшающимся шагомвинтовой нарезки и увеличением числа витков в сторону формующей рукавной головки 3, при этом глубина канала канавки постоянна. Кольцевой выходной канал камеры противодавления 5 образован m коаксиальными кольцами 14, 18, расположенными торец к торцу и предназначены для колибровки кольцевого зазора и толщины рукавной пленки 17. Одно из колец кольцевого выходного канала камеры противодавления 5 выполнено с возможностью регулирования положения по горизонтали. Шнек эксрудера 2 выполнен с размерами в отношении длины к диаметру 18/1. Шнек экструдера 2 содержит n секций, каждая из которых выполнена с разным шагом и резкими переходами между смежными секциями. Одна из секций шнека экструдера 2 - загрузочная, выполнена рифленой, двухвиточной, а последняя секция гомогенизаци - с длиной 6-8 диаметров шнекаэкструдера.
Устройство работает следующим образом. В загрузочную воронку с ворошителем 1 засыпается полимерная смесь на основе ЛПЭНП, размешивается ворошителем и нагревается, затем поступает в загрузочную секцию шнекового экструдера 2. Захватывая исходный продукт, шнек экструдера 2 перемещает его от загрузочного устройства вдоль корпуса экструдера, на котором установлены средства нагрева 16, выполненные воротниковыми. При этом продукт сжимается, разогревается, пластифицируется и гомогенизируется. Давление в экструдере достигает 15…100 МПа.
При экструзии мультиполиэтиленовой композиции, в состав которой входит ЛПЭНП, применена конструкция шнека экструдера с уменьшающимся шагом (УШ). Такой шнек характеризуется постоянной глубиной канала и тремя секциями с разным шагом и резкими переходами между ними. Последняя секция, длиною около 6-8 диаметров, контролирует производительность шнека. Двухвиточная загрузочная секция шнека значительно увеличивает долговечность; такой же эффект дает и увеличение числа витков вдоль длины шнека (естественное следствие концепции уменьшающего шага (УШ). Вдобавок, ширина витков увеличена на 20% по сравнению с общепринятой одной десятой диаметра. Длина шнека может быть изменена с учетом ограничений на крутящий момент, позволяя сохранить промышленную производительность.
Сравнение производительность шнеков с рифленой и гладкой загрузочной секциями (63 мм, гладко цилиндровый щнек 24:1 УШ, ЛПЭНП, ИР 1,100 об/мин)
Гладкая
С канавками
Производительность (кг/ч)
100
116
Температура расплава (°C)
218
204
Крутящий момент (кВ/об.мин<sup>-1</sup>)
24
34
2
-1
Иногда при переработке ЛПЭНП желательно уменьшить требуемый момент. Это легко достигается укорачиванием по длине шнека, что видно из приведенного ниже выражения для крутящего момента, который необходимо приложить к шнеку экструдера: (момент) * (вязкость) (длина шнека) (уровень сдвига)/об.мин
Если производительность ограничена достигаемым крутящим моментом, для ЛПЭНП ее можно реально увеличить, укоротив шнек. При шнеке с отношением длины к диаметру (L/D) 18:1 для ЛПЭНП была достигнута максимальная производительность - большая, чем в случае ПЭНП и шнека 24:1, и большая, чем для шнека 24:1, разработанного для ЛПЭНП. Шнек 24:1 для ЛПЭНП дает большую эффективность нагнетания (кг/ч*об/мин), но общая производительность меньше из-за ограниченного крутяшего момента данной линии. Температурный контроль (195-220°С) для шнека 18:1 удовлетворителен, несмотря на более высокие скорости вращения. Заметим, однако, что другие факторы, как, например, возможности внутреннего охлаждения или последующей обработки пленки, зачастую являются действенными ограничителями производительности линии.
Рабочие характеристики шнека - 63 мм, экструдер с рифленым цилиндром 24:1
Производительность
удельная производительность
Кофигурация
(кг/ч)
(кг/ч*об/мин)
ЛПЭНП; шнек 18:1 с УШ
168 при 150 об/мин
1,12
ЛПЭНП; шнек 24:1 с УШ
150 при 90 об/мин (момент ограничен)
1,16
Обычно рифленые загрузочные секции интенсивно охлаждаются водой для повышения давления нагнетания и производительности. Как видно из таблицы 6, при экструзии ЛПЭНП с использованием типичного шнека с дробной компрессией, использование интенсивного охлаждения ведет к увеличению производительности и уменьшению температуры расплава.
Несмотря на улучшение показателей, полученное при интенсивном охлаждении, опыт работы с ПЭВП говорит о том, что использование интенсивного охлаждения с ЛПЭНП может привести к увеличению скорости износа шнека (из-за пика давления в загрузочной секции). Правильно подобранная конструкция шнека позволяет решить эту проблему, исключая необходимость интенсивного охлаждения для получения высокой производительности. Показатели шнека с УШ всего лишь немного ухудшаются при отсутствии интенсивного охлаждения; производительность существенно не меняется и температура расплава увеличивается менее чем на 10°C. Не создается пика давления, и износоустойчивость повышается.
Эффект охлаждения загрузочной секции шнека с дробной компрессией (90 мм, темп. цилиндра 195°C, ЛПЭНП, ИР 1,40 об/мин)
Без охлаждения
С охлаждением
Производительность (кг/ч)
140
172
Температура расплава (°C)
215
200
Эффект охлаждения загрузочной секции шнека с УШ (63 мм, темп. цилиндра 195°C, ЛПЭНП, ИР 1,100 об/мин)
Без охлаждения
С охлаждением
Производительность (кг/ч)
91,8
92,7
Температу рарасплава (°C)
214
205
При производительности до примерно 2,4 кг/ч.см. с большой эффективностью может быть применена широко щелевая формующая рукавная головка экструдера. При более высокой производительности разумнее использовать присадки. Если головка имеет слишком большое сопротивление, каналы должны быть расширены для уменьшения давления в головке, особенно при использовании узкощелевой формующей рукавной головки экструдера. Воздушное кольцо должно быть типа Вентури, для соответствия с поведением мультиполиэтиленовой композиции при растяжении. Для максимальной эффективности нужно использовать холодный воздух. Дополнительные устройства, созданные для первичного воздушного кольца, диапазона степеней раздува и нормальных условий могут потребоваться, особенно если первичное кольцо создано для ПЭНП. Предел прочности повышается на 30-35%. Это позволяет упаковывать более тяжелые товары в менее тонкие пленки, изготовленные на базе ПВД 10803-020, 15803-020. Например, для упаковки поддона кирпичей (312 шт.) достаточно использовать пленку 130 микрон вместо 200 микрон.
Регулировочные кольца воздушного потока приспособлены к свойствам мультиполиэтиленовой композиции для улучшения их рабочих показателей путем уменьшения широкой щели с помощью дополнительного кольца, расположенного на калибровочном воздушном кольце. Путем смещения данного кольца достигается точная регулировка воздушного потока, устраняется разнотолщинность пленки.
Таким образом, применение ворошителя в загрузочной воронке, складывающих щек, вытяжных и направляющих валков, режущего приспособления, средств нагрева расположенных на корпусах шнекового экструдера и камере противодавления, шнека экструдера определенной конструкции, и кольцевого выходного канала образованного m коаксиальными кольцами упрощается регулировка рабочих параметров и обеспечивается высокое качество (точность диаметра усадки рукава, его разнотолщинность) термоусадочной пленки на основе мультиполиэтиленовой композиции, в состав которой входит линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП) рукавным методом с приемкой рукава вверх.