Введя в эксплуатацию линии по производству листов полипропилена на заводах от Вьетнама до Венесуэлы, я узнал, что большинство людей — даже опытные специалисты по пластмассам — недооценивают сложность современных линий экструзии листов из полипропилена . Фундаментальная концепция кажется достаточно простой: расплавить полипропилен, расплющить его в лист, охладить и свернуть. Но инженерные разработки, необходимые для производства однородного, плоского, не подверженного напряжениям полипропиленового листа на коммерческих скоростях, требуют точности на каждом этапе. В этой статье описывается оборудование, производственный процесс и критические контрольные точки, которые отделяют хороший лист от лома.
Полный комплект оборудования
Линия экструзии листов ПП состоит из последовательности взаимосвязанных станций, каждая из которых выполняет определенную функцию. Понимание того, что делает каждая станция и как она взаимодействует с другими, важно для любого, кто эксплуатирует, обслуживает или покупает это оборудование.
Обращение с материалами и подача
Линия начинается с хранения и транспортировки смолы. Полипропиленовая смола поставляется в мешках по 25 кг, октабинах по 1000 кг или в автоцистернах. Система вакуумной транспортировки перемещает смолу из хранилища в расходный бункер над экструдером.
Большинство линий по производству полипропиленовых листов включают гравиметрический или объемный дозатор для добавления маточной смеси (концентрат красителя), наполнителей (тальк, карбонат кальция) или добавок (антиблокировочные средства, скользящие вещества, УФ-стабилизаторы). Гравиметрические дозаторы, которые измеряют вес, а не объем, значительно более точны и стоят дополнительных инвестиций для любой линии, работающей с наполненными сортами или строгими цветовыми характеристиками.
В отличие от ПЭТ, ПП не требует сушки перед экструзией. Полипропилен негигроскопичен и не впитывает атмосферную влагу в количествах, влияющих на обработку. Это одно из практических преимуществ ПП перед материалами на основе ПЭТ, которое упрощает предварительную установку оборудования.
Экструдер
Экструдер – сердце любого Экструзионная машина для производства пластиковых листов , а для производства листов ПП одношнековые экструдеры являются универсальным стандартом. Типичный экструдер для листов ПП имеет следующие характеристики:
Соотношение L/D: от 30:1 до 33:1 для стандартных марок и до 36:1 для марок с наполнителем или с высоким содержанием компаундов.
Диаметр шнека: 90 мм для небольших линий (200–300 кг/ч), 120–150 мм для средних линий (500–1200 кг/ч), 200 мм+ для крупнообъемных линий (1500+ кг/ч).
Степень сжатия: от 2,5:1 до 3,5:1, в зависимости от марки смолы и содержания наполнителя.
Ствол разделен на несколько независимо контролируемых температурных зон. Для гомополимера ПП типичный температурный профиль варьируется от 190°С в зоне подачи до 220–230°С на конце головки. Сополимерные сорта обычно перерабатываются на 10–20°C ниже из-за более низкой температуры плавления. Настройки температуры экструзии листов полипропилена напрямую влияют на качество плавки, энергопотребление и свойства листа.
Экструдер приводится в движение через редуктор, а в современных машинах используются инверторные двигатели переменного тока для плавного и бесступенчатого регулирования скорости. Редуктор часто является наиболее трудоемким компонентом линии, требующим регулярной замены масла и периодического осмотра подшипников и шестерен.
Устройство смены сит и насос расплава
Между экструдером и матрицей большинство линий включает устройство смены сит — либо ручное, либо автоматическое непрерывного типа. Сетчатый фильтр отфильтровывает загрязнения: частицы нерасплавленного полимера, обугленный материал и посторонние предметы. Для вторичного полипропилена, который часто содержит примеси, необходима установка непрерывной смены сеток, чтобы избежать перерывов в производстве.
Насос расплава (шестеренчатый насос) является настоятельно рекомендуемым, я бы сказал, почти обязательным компонентом любой линии по производству тонкого полипропиленового листа. Насос расплава устраняет колебания давления в экструдере, обеспечивая устойчивый, безимпульсный поток к головке. Без насоса для расплава обычно отклонение толщины листа составляет плюс-минус 5%. При правильно настроенном насосе расплава отклонение манометра падает до плюс-минус 2% или выше.
Кубок
Плоская матрица распределяет расплав по всей ширине листа. Для листов ПП при ширине более 800 мм предпочтительны вешалки, а для более узких профилей приемлемы Т-образные матрицы. Корпус матрицы должен поддерживать одинаковую температуру по всей своей ширине, и для достижения этой цели большинство матриц имеют внутренние нагревательные каналы и изоляцию.
Регулировка кромки матрицы — ручная или автоматическая — контролирует локальную толщину листа. Для ручной регулировки используются отдельные болты, расположенные по ширине матрицы. В автоматических системах используются моторизованные болты, приводимые в движение по обратной связи от онлайн-толщиномера.
Стек калибраторов
После выхода из матрицы горячий расплавленный лист поступает в калибратор — стопку прецизионных валков с контролируемой температурой, которые определяют конечную толщину листа, качество поверхности и плоскостность. Линии по производству листов ПП обычно используют три рулона, расположенных вертикально или под наклоном.
Лист проходит через точку зажима между двумя верхними валками, оборачивается вокруг среднего рулона и выходит через зазор между средним и нижним рулонами. Температура каждого валка контролируется индивидуально, а разница температур между валками влияет на блеск поверхности, внутреннее напряжение и плоскостность.
Варианты поверхности рулона включают в себя:
Зеркальный хром для глянцевого листа
Сатиновый хром для полуглянцевой отделки.
Матовые или гравированные поверхности для текстурированного листа
Покрытие из ПТФЭ для обеспечения антипригарных свойств (полезно для марок с наполнением)
Система охлаждения
Валки калибратора охлаждаются за счет циркуляции охлажденной воды по внутренним каналам. Мощность охладителя должна быть рассчитана на максимальную производительность и тепловую нагрузку как от расплава, так и от теплоты кристаллизации полипропилена. Полипропилен — полукристаллический полимер, при кристаллизации которого выделяется около 90 Дж/г тепловой энергии. Это тепло необходимо отводить во время охлаждения, а чиллеры недостаточного размера являются хронической проблемой бюджетных систем.
Помимо валков, многие линии оснащены дополнительными охлаждающими вентиляторами или воздушными ножами для отвода тепла от поверхности листа по мере его прохождения от калибратора к намоточному устройству.
Обрезка кромок и намотка
Края листа обрезаются по ширине с помощью вращающихся ножей, а обрезки обычно гранулируются и подаются обратно в экструдер для доизмельчения. Для ненаполненного полипропилена степень измельчения обычно составляет 10–20 %, что не оказывает существенного влияния на качество.
Намотчик протягивает лист через линию и собирает его в рулон. Поверхностные намоточные устройства являются стандартными для тонких и средних толщин. Центральные намоточные устройства обеспечивают лучший контроль натяжения толстолистового листа. Контроль натяжения во время намотки имеет решающее значение: слишком сильное натяжение приводит к растяжкам, слишком слабое – к ослаблению рулонов, которые выдвигаются во время хранения или транспортировки.
Процесс производства шаг за шагом
Шаг 1: Подготовка материала
Смола и добавки дозируются в бункер экструдера в правильных пропорциях. Для простых сортов без наполнителя это может быть так же просто, как засыпать гранулы гомополимера ПП в бункер. Для наполненных или окрашенных сортов дозатор точно измеряет каждый компонент, чтобы обеспечить консистенцию.
Шаг 2: Плавление и гомогенизация
Внутри цилиндра экструдера вращающийся шнек транспортирует смолу через градуированные температурные зоны. Смола размягчается, плавится и расщепляется до однородного расплава. Конструкция шнека и температурный профиль цилиндра должны соответствовать марке смолы — несоответствие приводит к плохому плавлению, нерасплавленным частицам геля или чрезмерному сдвиговому нагреву, который разрушает полимер.
Шаг 3: Фильтрация и повышение давления
Расплавленный полимер проходит через сменщик сит, где удаляются загрязнения, а затем через насос расплава, который сглаживает колебания давления и обеспечивает постоянную скорость потока к фильере.
Головка распределяет расплав в плоскую ленту с заданной шириной и начальным распределением толщины. Регулировка кромки — ручная или автоматическая — позволяет точно настроить локальный поток для достижения желаемого профиля толщины по ширине листа.
Шаг 5: Калибровка и охлаждение
Валки калибратора сжимают лист до конечной толщины, одновременно охлаждая его ниже температуры кристаллизации. Скорость охлаждения влияет на кристаллическую структуру полипропилена, что, в свою очередь, влияет на жесткость, прозрачность и усадку листа. Быстрое охлаждение позволяет получить сферолиты меньшего размера и большей прозрачности; Медленное охлаждение приводит к увеличению сферолитов и более высокой жесткости, но снижению прозрачности.
Шаг 6: Отделка и намотка
После обрезки по ширине лист сматывается в рулоны для отправки или для термоформования на предприятии. Натяжение намотки и структура рулона должны контролироваться во избежание телескопирования, слипания (слипания слоев) или деформации.
Марки листов ПП и различия в их обработке
Не все листы ПП одинаковы. Три основные категории ведут себя на экструзионной линии по-разному:
Гомополимер ПП. Самый распространенный сорт. Высокая жесткость, хорошая прозрачность (для тонких толщин) и простота обработки. Идеально подходит для канцелярских товаров, упаковки и общего назначения.
Статистический сополимер ПП. Содержит сомономер этилена для улучшения прозрачности и ударопрочности при низких температурах. Обрабатывается при несколько более низких температурах, чем гомополимер. Лучший выбор для упаковки пищевых продуктов и прозрачных контейнеров.
Блок-сополимер (ударный сополимер) ПП. Более высокая ударная вязкость и ударная вязкость за счет жесткости и прозрачности. Используется в автомобилях, багаже и промышленности. Более высокая вязкость расплава требует большей мощности двигателя.
Если ваше предприятие обслуживает разнообразные рынки, линия, способная переключаться между этими сортами, добавляет значительную гибкость. Технология экструзионного оборудования для листов полипропилена поддерживает все три сорта, но для каждого перехода необходимо регулировать конкретную конструкцию шнека и температурный профиль.
Распространенные проблемы и основные причины
Завивка или изгиб листа. Неравномерное охлаждение верхней и нижней поверхностей листа приводит к дифференциальной усадке. Если верхняя поверхность остывает быстрее нижней, лист скручивается вверх. Отрегулируйте температуру валков, чтобы сбалансировать охлаждение.
Калибровочные ленты. Периодические изменения толщины по ширине листа обычно происходят из-за фильеры или насоса расплава. Если измерительные ленты расположены на одинаковом расстоянии, причина, скорее всего, в механической проблеме — поврежденном ролике, изношенной шестерне или погнутом валу. Если температура неравномерна, проверьте регулировку кромки матрицы и однородность температуры плавления.
Плохая оптическая прозрачность. Для тонкого листа ПП прозрачность зависит от быстрого охлаждения, чтобы минимизировать размер сферолита. Если охлаждающие валки нагреваются (выше 30°C), сферолиты увеличиваются в размерах и мутность увеличивается. Снизьте температуру валков и увеличьте охлаждающую способность.
Лист прилипает к рулонам. Часто возникает из-за переохлаждения валков — ПП может прилипнуть к очень холодным металлическим поверхностям. Немного увеличьте температуру валков или нанесите разделительный состав. Блок-сополимеры более склонны к слипанию, чем гомополимеры.
Неравномерный цвет. Для листов, окрашенных в маточную смесь, плохая дисперсия в экструдере приводит к появлению полос и пятен. Убедитесь, что шнек имеет достаточную перемешивающую способность и что дозатор обеспечивает постоянную подачу маточной смеси.
Если ваш лист ПП предназначен для термоформования (а большая его часть так и есть), качество экструзии напрямую определяет успех формования. Остаточные напряжения в листе вызывают неравномерную вытяжку во время формовки, что приводит к тонким стенкам, неровным углам и высокому проценту брака в термоформовочной машине. Инвестиции в правильное охлаждение и контроль натяжения на экструзионной линии приносят дивиденды на формовочной станции.
Для переработчиков, производящих одноразовые контейнеры, подход экструзионной машины для термоформования листов из полипропилена объединяет вопросы экструзии и формования в единую производственную стратегию.
Полный обзор технологии экструзии листов см. в нашем руководстве по экструзионной машине для листов жесткого ПВХ.
Узнайте больше об экструзионной машине для производства листовой упаковки для пищевых продуктов.
Узнайте больше о сроке службы листовой экструзионной машины.
Часто задаваемые вопросы
Какова стандартная ширина листа ПП? Обычная ширина включает 600 мм, 900 мм, 1200 мм, 1500 мм и 2000 мм. Доступна нестандартная ширина, но для этого требуется специальный инструмент.
Нужно ли сушить лист ПП перед экструзией? Нет. В отличие от ПЭТ и нейлона, полипропилен негигроскопичен и не требует сушки в обычных условиях. Однако, если смола хранилась на открытом воздухе или в очень влажной среде, может помочь кратковременная сушка при температуре 60–80°C.
Какова максимальная скорость линии экструзии листов ПП? Скорость линии зависит от толщины и ширины листа. Для листа толщиной 0,3 мм и шириной 1200 мм возможна скорость 40–80 м/мин. Для листа толщиной 3 мм скорость снижается до 5–15 м/мин.
Сколько измельченного материала можно добавить в лист ПП? Для ненаполненного гомополимера и сополимера ПП стандартным является переизмельчение 10–20%. Для марок с наполнителем уровень измельчения должен быть ниже (5–10%), чтобы обеспечить однородность распределения наполнителя. Всегда проверяйте уровни измельчения, прежде чем приступить к производству.
В чем разница между линией экструзии листов ПП и линией по производству пленки ПП? На линиях по производству листов используется плоская матрица и калибратор охлаждающих валков для производства плоских листов толщиной 0,15 мм и выше. На линиях по производству пленки обычно используется башня для производства пленки с раздувом или литой охлаждающий вал для производства более тонкого материала толщиной менее 0,15 мм с различными механическими свойствами.
