Новая конструкция спиц дорнодержателя для улучшения свойств полимерных труб

Дорнодержатели используются в сфере экструзии для различных областей применения, в том числе при  изготовлении труб, шлангов или экструдированных заготовок при выдувном формовании. Одним из недостатков  технологии с применением дорнов является появление так называемых линий спая, которые возникают в  экструдированных изделиях из-за наличия в конструкции экструзионной головки спиц дорнодержателя. Наличие  линий спая может отрицательно повлиять на механические и оптические свойства изделий. Чтобы уменьшить их  влияние на качество, было проведено детальное исследование различной геометрии спиц дорнодержателя и степень  ее влияния на механические и оптические свойства линий спая.

Дорнодержатели используются в сфере экструзии для различных областей применения,в том числе при изготовлении  труб, шлангов или экструдированных заготовок при выдувном формовании. Одним из недостатков  технологии с применением дорнов является появление так называемых линий спая, которые возникают в  экструдированных изделиях из-за наличия в конструкции экструзионной головки спиц дорнодержателя. Наличие  линий спая может отрицательно повлиять на механические и оптические свойства изделий. Чтобы уменьшить их  влияние на качество, было проведено детальное исследование различной геометрии спиц дорнодержателя и степень  ее влияния на механические и оптические свойства линий спая.

Конструкции спиц были спроектированы по аналогии со статическим смесительным элементом для того, чтобы  создать поперечный поток и тем самым получить оптимальную в структурно-механическом отношении линию спая.  Из существующих вариантов на рынке хорошо зарекомендовали себя смесители типов X, Kenics и LPD. В ходе  последующей практической проверки различных конструкций дорнодержателей были изготовлены образцы труб,  которые тестировались для анализа эксплуатационных характеристик и обнаружения наличия линии спая. По результатам исследований под микроскопом и гидравлических испытаний удалось подтвердить требуемое смещение  линии спая, а также более высокую сопротивляемость полученных труб внутреннему давлению.

Линии спая ухудшают качество продукции

Дорнодержатели отличаются хорошим распределением расплава и низким нагревом при сдвиге, и их можно устанавливать практически независимо от рабочей точки. Из-за наличия спиц дорнодержателя поперечный поток в инструменте локально снижается. В результате происходит ускорение течения расплава. Одновременно расплав  прилипает к стенкам спицы (адгезия Стокса) [4]. Вследствие прилипания к стенкам и ускоренного течения  макромолекулярные цепи полимера ориентируются в направлении экструзии. После обтекания спиц потоки снова  сходятся, так что за каждой спицей возникает радиально проходящий спай, который представляет собой оптический  дефект и ослабляет механические свойства изделия. Исследования показали, что на прочность спая влияет главным  образом подвижность молекулярных цепей [3]. Для предотвращения ухудшения качества продукции, обусловленного  наличием линии спая, существуют различные способы. Например, можно повысить температуру расплава или  увеличить время нахождения в формующем инструменте [4]. Однако этот метод по причине высокой термической  нагрузки на материал не подходит для термочувствительного сырья. Еще один способ состоит в том, чтобы переместить линию спая таким образом, чтобы она проходила по периметру потока, что можно реализовать,  например, с помощью спиральных канавок на дорне и корпусе с противоположным направлением витков,  тангенциального расположения спиц дорнодержателя или их расположения со смещением [4]. Данный метод был  реализован в конструкциях головок с различными типами спиц дорнодержателя, адаптированных для статического  смешения расплава. Подробнее с процессом их разработки и испытаний можно познакомиться в статье «Новая конструкция спиц дорнодержателя для повышения качества труб» («Экструзия». — №6, 2020, с. 24-27).

Разработка и моделирование новой конструкции спиц

Статические смесительные элементы используются в переработке пластмасс для гомогенизации расплава в  соответствии с температурой переработки и составом. Статический смеситель состоит, как правило, из трубы, в  которой друг за другом установлены одинаковые смесительные элементы. Они расположены по одному или в  группах и смещены на 90 градусов по отношению друг к другу [11]. Эти смесительные элементы вызывают  многократное разделение и соединение потока расплава, в результате чего достигается так называемое распределительное смешение. Одновременно расплав подвергается сильному воздействию сил растяжения и сдвига,  что приводит и к дисперсионному смешению расплава. Для достижения смешения используется энергия  потока протекающей жидкости (расплава) [7].
В экструзии хорошо зарекомендовали себя смесители типов X, Kenics и LPD [1, 6, 7, 11]. На базе различных концепций  смешения были разработаны новые спицы дорнодержателя с целью создания поперечных потоков за участком нахождения спиц. Поперечные потоки расплава в сочетании с его прилипанием к поверхности спиц создают благоприятные условия для оптимального в структурно-механическом отношении смещения линий спая (рис. 1). Чтобы при разработке спиц можно было проверить все возможные варианты геометрии, для практических  испытаний их производили с помощью технологии аддитивного производства — селективного лазерного спекания  (SLM). Но этот метод требует соблюдения различных указаний по проектированию, таких как, например,  минимальная толщина стенки, радиус и размер монтажного пространства [8, 9]. Кроме того, для практических испытаний, а именно для производства образцов труб с внешним диаметром 32 мм и толщиной стенки 2 мм, был задействован модульный дорнодержатель со сменным блоком спиц производства компании G&G Extrusionstechnik  GmbH (Германия), который также ограничивалвозможные размеры изготавливаемых образцов спиц. Таким образом,  блок спиц имел максимальную длину 30 мм, внутренний радиус 35 мм, а внешний радиус 55 мм.Спроектированные  варианты дорнодержателей были первоначально проверены с помощью методов вычислительной гидродинамики  (CFD) посредством программного пакета OpenFOAM (OpenFOAM Foundation Ltd, Великобритания). Результаты  моделирования показали, что потеря давления на спицах, сконструированных на основании смесителя типа X,  увеличилась в 9 раз по сравнению с традиционной конструкцией спиц [2]. Попытки варьировать ширину спиц или их  количество не смогли в достаточной степени компенсировать рост давления [5]. В результате дальнейшие практические испытания фокусировались на конструкции спиц, подобных спицам в смесителях Kenics и LPD (рис. 2).

Дорнодержатель в варианте LPD (A) имеет, как и конструкции спиц типа LPD, две перекрещивающиеся пластины,  фиксирующие дорн. Однако угол скрещивания пластин был уменьшен со стандартных 90 до примерно 52 гра- дусов  из-за ограниченности пространства для монтажа. Так как в результате первого компьютерного моделирования в этой  конструкции были зафиксированы зоны застоя за спицами и высокие потери давления [2], то спицы доработали четырьмя отверстиями диаметром 4 мм каждое (рис. 2). Для второго варианта конструкции LPD (B) количество спиц было увеличено до трех, и они получили гидродинамически-эффективный профиль. Длина спиц была адаптирована к имеющемуся пространству в дорнодержателе. Третий вариант спиц LPD (C) состоит из четырех толстых спиц, имеющих одинаковую толщину. Четвертая представленная конструкция (D) создана на основе спиц из смесителя  типа Kenics. Изначально в этом варианте спицы выполнены как фрагменты спиралей с углом закручивания 180  градусов каждая. Чтобы адаптировать эту конструкцию к размеру инструмента, угол закручивания уменьшили до 38,8  градуса. Уменьшение угла закручивания уже было ранее изучено Галактионовым и другими, и доказано, что оно  может способствовать более однородному распределению границ разделения потоков расплава, чем стандартный  угол 180 градусов [1].

Испытания дорнодержателей новой геометрии

После подробного изучения различных вариантов геометрии спиц с помощью методов вычислительной  гидродинамики [5] они были испытаны на практике, в процессе экструзии. Для этого дорнодержатель установили на  лабораторном экструдере производства компании Brabender GmbH & Co. KG (Германия) с трехзонным шнеком  диаметром D19 мм и длиной 25D. Были выбраны два наиболее характерных для производства труб материала:  полиэтилен низкого давления (ПЭНД) типа Vestolen A 6060 и полипропилен (ПП) 531 PH фирмы Sabic. Распределение  температур переработки материалов по зонам экструдера представлено в таблице 1. Производительность для всех  вариантов составляла 3 кг/ч. Для оценки потери давления в зависимости от конструкции дорнодержателя за ним и перед ним были установлены тензометрические датчики давления, с частотой измерения один замер в секунду.  Форма рукава расплава поддерживалась благодаря подаче сжатого воздуха. Рукав расплава поступал в калибратор,  где его температура снижалась за счет подачи воды, имеющей температуру 18°C. Наряду с этим рукав прижимался к  стенке калибратора вакуумом, созданным с помощью вакуумного насоса CT-200-S производства фирмы Gruber & CO Group GmbH (Гремания), и таким образом проводилась калибровка внешнего диаметра трубы. С помощью гусеничного тянущего устройства HO-06 про- изводства Gruber & CO Group GmbH труба перемещалась с постоянной  скоростью 0,24 м/мин. Сначала производилась оценка уровня потери давления для различных вариантов  конструкции дорнодержателя. Результаты представлены на рис. 3 с указанием распределения по вариантам. Кроме  того, на рисунке указан общий объем, занимаемый спицами в канале течения расплава. Вязкость полиэтилена  (ПЭНД) выше, чем у полипропилена, и приводит к большей потере давления. В соответствии с законом Пуазейля  можно ожидать корреляции между падением давления расплава и изменением поперечного сечения канала,  вызванного наличием спиц дорнодержателя[4]. Видимо, на данный эффект также накладывается возникающее  поперечное течение расплава, так как не наблюдается строгого соответствия между изменением давления расплава  и изменением проходного сечения. Самые высокие потери давления по сравнению с традиционной конструкцией  спиц были получены для варианта LPD (A), где давление вызросло на 36% для ПЭНД и на 52% для ПП. Для третьей  конструкции LPD (C) с четырьмя спицами, а также для дорнодержателя типа Kenics (вариант D) наблюдалась потеря  давления до 27% для ПЭНД и 40% для ПП. Следовательно, при использовании спиц вариантов A, C и D на  производственных линиях можно ожидать увеличения энергопотребления для преодоления потери давления. В  противоположность этому в варианте конструкции LPD (B) потери давления сравнимы со значениями для спиц традиционной геометрии. Кроме потери давления для окончательной оценки эффективности новых конструкций  также необходимо оценить наличие линия спая и механические свойства труб. Для этого были проведены исследования срезов трубы с помощью микроскопа и проведено тестирование на выдерживаемое изделием  давление. Для анализа параметров линии спая посредством вибротома Microm HM 650V от компании Thermo Fisher Scientific Inc. (США) были изготовлены образцы толщиной 20 мкм. Далее, при 200-кратном увеличении с помощью микроскопа проходящего света VHX 500 фирмы Keyence Deutschland GmbH (Германия) были сделаны их цветные фотографии. Для оценки длины линии спая фотографии обрабатывались в пакете в ImageJ (Национальный институт здоровья, США). Места прохождения линии спая и ее длина (зеленая сплошная линия) наглядно представлены на рис. 4.

Улучшение механических свойств труб

Поскольку длительная прочность материала трубы в значительной степени определяется действующим напряжением и в меньшей степени температурой, то максимальное допустимое внутреннее давление или разрывное  давление можно использовать для оценки механических свойств экструдированных изделий [12]. Возникающее  трубах по трем осям напряженное состояние можно в упрощенном виде оценить с помощью так называемой  формулы Барлоу. При этом расчете считается, что линии спая проходят строго радиально. С учетом возникающего  внутреннего давления p, среднего диаметра трубы Dm, а также толщины стенки e рассчитывается эквивалентное  напряжение σv. Для определения того, разрушится ли труба под действием внутреннего давления, эквивалентное  напряжение сравнивается с допустимым напряжением σzul, зависящим от используемого материала и принятого  коэффициента надежности S. Фактическую прочность трубы при воздействии внутреннего давления можно  определить с помощью испытания на разрывное давление. Для проведения испытания на разрывное давление в соответствии с DIN EN ISO 1402 [10] образцы труб были разрезаны на отрезки длиной 180 мм и установлены в герметизирующем устройстве фирмы Dunze GmbH (Германия). Затем в трубу подавали непрерывный поток воды со  скоростью 3 см3/с, и образец подвергался действию все возрастающего давления в интервале времени от 30 до 60 с  до момента разрушения — в соответствии с нормативом DIN EN ISO 1402. Тест повторяли трижды для каждого исследуемого варианта дорнодержателя. Определенные по итогам испытания значения разрывного давления  представлены на рис. 5. Для труб из полипропилена конструкции спиц вариантов A, C и D не показали значительного  повышения стойкости к воздействию внутреннего давления в сравнении с традиционной конструкцией спиц. В  отличие от них для ПЭНД явно доказано, что образцы труб, выполненные в конструкции вариантов C и D, в состоянии  выдержать намного более высокое внутреннее давление (рис. 5). Так, для трубы, произведенной на головке с дорном  в варианте C, разрывное давление составило около 56 бар. Это означает увеличение устойчивости трубы к  воздействию внутреннего давления примерно на 40% по сравнению с трубой, произведенной на головке с  дорнодержателем традиционной конструкции. В этом случае, согласно расчету по формуле Барлоу, можно уменьшить  толщину стенки трубы максимум на 32,9%, причем стойкость изделия к воздействию внутреннего  давления останется прежней. Образцы труб, произведенных с использованием конструкции вариантов A и B, не показали роста стойкости к воздействию внутреннего давления. Это наблюдение соответствует ожиданиям для  конструкции варианта B вследствие сравнительно небольшого смещения линии спая (рис. 4). Для образцов труб,  изготовленных с применением конструкции варианта A, напротив, было отмечено самое большое смещение шва,  таким образом, можно было ожидать, что и показатель разрывного давления в этом случае также будет выше.  Возможным объяснением такого эффекта может быть наличие дополнительных линий спая внутри трубы. Раз- ница между результатами для материалов ПП и ПЭНД может быть объяснена различными релаксационными свойствами обоих материалов. Если ПП релаксирует быстрее, чем ПЭНД, то это приводит к уменьшению ослабления  механических свойств трубы, вызванных наличием линии спая. Результаты исследования Для снижения эффекта  наличия линии спая в экструдированных трубах, произведенных на фильерах с дорнодержателем, была осуществлена  разработка новых конструкций спиц дорнодержателя. Для смещения потока расплава и тем самым  для смещения линии спая конструкция спиц была выполнена по аналогии с конструкцией статических смесительных  элементов. Для анализа эксплуатационных характеристик и для изучения фактического влияния линии спая были  изготовлены методом селективного лазерного плавления (SLM) и протестированы четыре новых варианта конструкции спиц, аналогичных смесителям типов LPD и Kenics. Изучение изготовленных труб под микроскопом подтвердило, что таким образом можно добиться смещения потока расплава и тем самым получить оптимальную  геометрию линии спая, а также уменьшить влияние на механические свойства трубы. Последующие испытания на  разрывное давление также показали, что воздействие линии спая на механические свойства трубы уменьшается. Так,  для протестированных труб из ПЭНД наблюдался рост допустимого давления на 40%. Однако применение  дорнодержателя новой конструкции приводит к увеличению потери давления расплава, что в свою очередь ведет к  росту расходов на электроэнергию. Потеря давления увеличилась максимум на 27%. С другой стороны, благодаря  повышенной стойкости труб, произведенных по новой технологии, к воздействию внутреннего давления можно будет  уменьшить толщину стенки трубы без негативного воздействия на ее механическую прочность, а значит, сократить  расход материала на 32,94%. Это позволяет сократить энергозатраты, необходимые для плавления полимера, что  приносит как экономическую, так и экологическую выгоду. Поскольку полученные результаты изменяются в  зависимости от типа используемого полимера, необходимо осуществить дополнительные испытания с  альтернативными материалами и добиться более высокой производительности для обеспечения промышленного масштаба переработки.