СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПОРИСТОГО ЭКСТРУДАТА
METHOD OF PROCESSING POROUS EXTRUDED ARTICLE SURFACE LAYER

Изобретение относится к механической обработке или отделке поверхности изделий или полуфабрикатов из пористых полимерных масс - поропластов, полученных методом термопластической экструзии в шнековом экструдере, и может быть использовано в химической и пищевой промышленности.
До недавнего времени проблема снижения механических напряжений в поверхностном слое рассматривалась только в отношении жидкостей (см., например, патент РФ №2114414, кл. G01N 13/02, 1998, где предлагается способ снижения поверхностного натяжения жидкостей). С распространением технологий экструзионной обработки полимерных масс возникла необходимость решения этой проблемы в отношении экструдата.
Пористые полимерные массы, получаемые методом экструзии, формуются (то есть им придаются определенные размеры и форма в профиле) в основном при прохождении фильеры - специальной фигурной насадки на экструдере. Однако полученный после ее прохождения продукт является, как правило, всего лишь полуфабрикатом, называемым экструдатом, требующим существенной доработки для получения окончательного продукта. Газовые пузырьки в наружном слое продукта, хаотично расширяясь с преобладанием расширения в наружную, свободную сторону, создают нерегулируемые механические напряжения в поверхностном слое экструдата, в отличие от внутренних пузырьков, более равномерно сжатых внутри продукта. Происходит искажение его геометрической формы как в поперечном, так и в продольном направлении (см. фиг.1 и 2). Это осложняет последующее формование экструдата для придания ему определенного профиля, так как по существующей технологии требует значительных усилий.
По существующей технологии, для получения заданных размеров окончательного продукта экструдат сразу после выхода из фильеры подвергают механическому воздействию путем формовки при помощи формующих устройств. Чаще всего это подобие прокатных валков. При помощи производимого ими давления на этапе постэкструзионного формования часть пузырьков поверхностного слоя деформируется, иногда вплоть до их уничтожения. Для достижения результата - снижения механических напряжений в поверхностном слое экструдата - приходится прикладывать достаточные усилия, иногда значительные; особенно мешает тот фактор, что постэкструзионное формование (калибрование) приходится вести в тот момент, когда полуфабрикат еще не отвердел и пузырьки являются упругими, так что после сдавливания стремятся вернуться к исходной форме. К тому же существуют такие режимы экструзионного процесса, при которых из формующей фильеры выходит сверхпористый полуфабрикат - пенистый экструдат, далеко превосходящий необходимые размеры, уменьшить же эти размеры непосредственно уменьшением размера фильеры невозможно по техническим причинам; невозможно достичь этого и простыми формующими устройствами ввиду очень большого раздутия экструдата. Обычно требуется многоступенчатое формование с большими усилиями, что неизбежно удорожает конечный продукт. Это также ослабляет внешний слой пенистого экструдата - делает этот слой рыхлым. Задачей предлагаемого способа является уменьшение себестоимости конечного продукта путем снижения производственных затрат на формовку окончательного продукта и повышение качества за счет меньшей степени деформации оставшихся пузырьков.
Существует и другая проблема: по причинам, указанным ниже, у пористого экструзионного полуфабриката весьма желательно получить более плотный поверхностный слой с меньшим количеством пор или вовсе без них. На решение этих - первой и второй - задач и нацелен предлагаемый способ, более эффективно решающий проблему снижения механических напряжений в поверхностном слое экструдата с одновременным созданием упрочненного поверхностного слоя изделия.
Предлагаемый способ относится одновременно к способам модификации поверхностного слоя материала (см., например, патент РФ №2328548, кл. C22F 1/04, 2008) и способам упрочнения поверхностного слоя изделий (см., например, патент РФ №2151806, кл. В23В 1/00,2000).
Техническим результатом предлагаемого способа является снижение механических напряжений в поверхностном слое пористого экструдата и, как следствие, уменьшение искажения формы экструдата перед его окончательной формовкой, улучшение конструкционных и эксплуатационных свойств пенопластов, улучшение потребительских качеств и органолептики злаковых экструзионных продуктов.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе снижения механических напряжений в поверхностном слое экструдата, состоящем в механическом воздействии на указанный поверхностный слой после выхода его из фильеры, до или во время его формования, с целью ликвидации меньшей или большей части поверхностных газовых пузырьков на всей или на части поверхности экструдата, указанные пузырьки поверхностного слоя экструдата прокалывают колющим инструментом. При этом упомянутому колющему инструменту могут задаваться колебательные движения, поперечные по отношению к общему направлению выхода экструдата.
Известно, что газонаполненное, находящееся под внутренним давлением, превышающим внешнее, упругое тело обычно называется пузырем. Если его оболочка достаточно прочна, то оно в состоянии сопротивляться внешней силе, стремящейся уменьшить его объем, пропорционально упругости оболочки и ее прочности. При экструзии пористых полимерных масс выходящий из фильеры экструдат и представляет собой множество подобных пузырьков. Поэтому, если нам необходимо радикально уменьшить объем оболочки с минимальными усилиями, необходимо выпустить газ из оболочки. Самым доступным и энергосберегающим способом сделать это является точечное разрушающее оболочку пузыря приложение силы, в буквальном смысле ликвидирующее или уничтожающее пузырь.
Таким образом, прокалывание пузырьков поверхностного слоя экструдата колющим инструментом является самым доступным и энергосберегающим способом удаления их из поверхностного слоя экструдата.
Придание упомянутому колющему инструменту поперечных по отношению к общему направлению выхода экструдата колебательных движений значительно усиливает эффект удаления пузырьков из поверхностного слоя экструдата.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 схематично показано продольное сечение выхода экструдера с вышедшим из его фильеры экструдатом; на фиг.2 - поперечное сечение экструдата по А-А фигуры 1; на фиг.3 - колющий инструмент с одним и несколькими остриями; на фиг.4 - поперечное сечение экструдата по Б-Б фигуры 3; на фиг.5 - колющий инструмент в форме бочкообразного валика; на фиг.6 - колющий инструмент в форме бесконечной ленты; на фиг.7 - колющий инструмент в форме вращающихся дисков с шипами; на фиг.8 - вид колющего инструмента фигуры 7 по стрелке Г; на фиг.9 - колющий инструмент в виде радиально установленных на оси заостренных шипов; на фиг.10 - вид колющего инструмента фигуры 9 по стрелке Д; на фиг.11 - варианты перемещения остриев относительно экструдата; на фиг.12 - процесс формования несколькими вращающимися валиками с закрепленными на их боковой поверхности остриями; на фиг.13 - сечение по В-В фигуры 12.
Как показано на фиг.1 и 2, полимерная масса 1, выдавливаемая из экструдера 2 сквозь фильеру 3, превращается в пористый экструдат 4 с искаженной геометрической формой как в поперечном, так и в продольном направлении. Это происходит по той причине, что газовые пузырьки 5 в поверхностном слое продукта, хаотично расширяясь с преобладанием расширения в наружную, свободную сторону, создают нерегулируемые механические напряжения в поверхностном слое экструдата 4, в отличие от внутренних пузырьков 6, более равномерно сжатых внутри продукта.
Способ снижения механических напряжений в поверхностном слое экструдата 4 состоит в механическом воздействии на указанный поверхностный слой после выхода его из фильеры 3, до или во время его формования, с целью ликвидации меньшей или большей части поверхностных газовых пузырьков 5 на всей или на части поверхности экструдата.
В соответствии с целью изобретения - способа - указанные пузырьки 5 поверхностного слоя экструдата прокалывают колющим инструментом.
Предлагается устройство для снижения механических напряжений в поверхностном слое экструдата 4 (фиг.3-11). Устройство предназначено для ликвидации меньшей или большей части поверхностных газовых пузырьков 5 на поверхности экструдата 4 и основано на принципе механического воздействия на поверхностный слой экструдата.
В соответствии с целью изобретения, устройство для снижения механических напряжений в поверхностном слое экструдата (фиг.3-11) 4 выполнено в виде колющего инструмента, расположенного на выходе экструдера с таким расчетом, чтобы вершины остриев упомянутого колющего инструмента взаимодействовали с поверхностным слоем экструдата 4 и обеспечивали прокалывание указанных поверхностных газовых пузырьков 5.
Как показано на фиг.3 и 4, указанный колющий инструмент может представлять собой приспособление 7 (7а) с одним или несколькими неподвижными остриями 8.
Также указанный колющий инструмент (фиг.3-5, 11, 12) может представлять собой приспособление, включающее один или несколько вращающихся валиков 9, 10 с закрепленными на их боковой поверхности остриями 8. Как показано на фиг.5, валик может иметь бочкообразную форму или иной профиль.
Указанный колющий инструмент (фиг.6) может представлять собой приспособление, включающее одну или несколько бесконечных лент 11, надетых на валики 11а и 11б. Бесконечная лента 11 снабжена остриями 8, закрепленными на ее наружной поверхности.
Колющий инструмент (фиг.7, 8) может представлять собой приспособление, включающее один или несколько установленных на оси 12 дисков 13 с выполненными на периферии диска радиальными заостренными шипами 14.
Колющий инструмент (фиг.6, 9, 10) может представлять собой приспособление, включающее один или несколько наборов радиально установленных на оси 15 заостренных шипов 16. В нашем примере такого устройства на фиг.9 и 10 каждый набор заостренных шипов 16 включает два радиально противоположно установленных шипа.
Предлагаемый способ снижения механических напряжений в поверхностном слое экструдата, осуществляемый посредством одного или нескольких из описанных колющих инструментов, выполняется следующим образом (см. фиг 3, 4, 6, 11, 12).
Поверхностный слой экструдата 4, выдавленного из экструдера 2 сквозь фильеру 3 и состоящего из газовых пузырьков 5, подвергают механическому воздействию с целью ликвидации меньшей или большей части указанных пузырьков на всей или на части поверхности экструдата. Ликвидацию указанных пузырьков производят, прокалывая их одним из описанных выше или несколькими описанными выше колющими инструментами. Вращающиеся колющие инструменты могут приводиться во вращение либо путем захвата их движущимся экструдатом, либо электроприводом.
1
По меньшей мере, одному из упомянутых колющих инструментов могут задаваться поперечные по отношению к общему направлению выхода экструдата 4 колебательные движения. Колебательные движения (см. фиг.11) могут задаваться любому из применяемых колющих инструментов и в направлении поперечной линии, пресекающей осевую линию экструдера и экструдата под прямым (стрелка Е) или острым (стрелка E) углом.
Как упоминалось выше, выходящий из фильеры 3 экструдера 2 пористый продукт - экструдат 4 без применения колющих инструментов имеет слишком большие и неровные размеры в поперечнике и с трудом поддается формованию. При взаимодействии колющих инструментов хотя бы с частью поверхности экструдата 4 его размеры в поперечном сечении уменьшаются, облегчается формование, конечные размеры продукта получаются точнее, а поверхность - ровнее. На его поверхности возможны прерывистые или непрерывные следы от прокалывающих элементов в зависимости от давления устройств на экструдат, величины прокалывающих элементов и характера воздействия.
Пример 1. Для получения поверхностного слоя с минимальным количеством пузырьков на части поверхности пористого экструдата (см. фиг.3) устанавливают колющий инструмент таким образом, чтобы он контактировал с этой частью поверхности экструдата. При прохождении мимо этого инструмента контактирующая с ним поверхность экструдата, подвергаясь воздействию остриев инструмента, освобождается от определенного количества пузырьков. Подбором инструмента можно задать требуемое качество поверхности или соответствующий рисунок.
Пример 2. Для получения плотного поверхностного слоя с минимальным количеством пузырьков на всей поверхности пористого экструдата, по периметру поперечного сечения экструдата (см. фиг.4) устанавливают колющие инструменты с количеством и размерами прокалывающих элементов (остриев), соизмеримых с количеством и размерами пузырьков экструдата. Можно, например, применить две разновидности колющих инструментов из числа описанных выше: 1) приспособлений 7 и 7а с несколькими неподвижными остриями 8 и 2) валиков 9 и 10 с закрепленными на их боковой поверхности остриями 8, итого - четыре инструмента. При прохождении через эти устройства на данном участке периметра может быть подвергнуто уничтожению большинство пузырьков поверхностного слоя, создавая подобие плотной корочки различных рисунков.
Пример 3. Для получения плотного поверхностного слоя с минимальным количеством пузырьков на части поверхности пористого экструдата, с двух сторон поперечного сечения экструдата (см. фиг.6) устанавливают два колющих инструмента - сверху бесконечную ленту 11 с остриями 8, снизу - инструмент в виде радиально установленных на оси 15 заостренных шипов 16, представленный на фиг.9 и 10. При прохождении через эти устройства на данных участках периметра может быть подвергнута уничтожению определенная часть пузырьков поверхностного слоя, создавая подобие плотной корочки различных рисунков с двух сторон экструдата.
После данной операции требуется меньше усилий для последующего или одновременного формования. При увеличении количества прокалывающих элементов в устройстве наступает ситуация, когда их число сопоставимо с количеством пузырьков в наружном слое (наружный слой - условно - слой, на глубину которого проникают прокалывающие элементы) и на участке периметра сечения экструдата практически не остается пузырьков, в результате чего образуется плотный слой из обрабатываемого материала.
Таким образом, благодаря применению предлагаемого способа ликвидация части, большей или меньшей, пузырьков ослабляет хаотичные и чрезмерные силовые напряжения на поверхности экструдата, уменьшает его геометрические размеры перед возможным дальнейшим формованием или создает более плотный поверхностный слой материала.
Область применения способа и устройства - экструзия пористых полимеров как хозяйственного назначения (пенопласты, поролоны, резина и т.д.), так и для пищевых целей (соевые, злаковые и т.п.пищевые полимеры). Например, данное изобретение дает возможность упрочнения наружного слоя пенопластов, улучшая тем самым их конструкционные и эксплуатационные свойства. Возможные следы от проколов могут быть использованы как в декоративных, так и в идентификационных целях, также для повышения адгезии. Более плотная поверхность злаковых экструзионных продуктов препятствует быстрому прониканию внутрь них влаги, улучшая тем самым потребительские качества - органолептику, облегчая и упрощая потребление и хранение этих продуктов.
Источники информации
RU 2114414, G01N 13/02, 1998;
RU 2151806, В23В 1/00, 2000;
RU 2328548, C22F 1/04,2008.