Podstawy technologii wytłaczania tworzyw

Do podstawowych metod przetwórstwa tworzyw polimerowych należy metoda wytłaczania, za pomocą której wytwarza się przede wszystkim profile, w tym rury i płyty, które stosowane są głównie w budownictwie oraz folie używane w opakowaniach. Metodą wytłaczania z rozdmuchiwaniem w formie wytwarza się również znaczne ilości pojemników.

Proces technologiczny wytłaczania polega na ciągłym uplastycznianiu i ujednorodnianiu tworzywa polimerowego w układzie uplastyczniającym wytłaczarki i przetłaczaniu go przez kanały przepływowe głowicy wytłaczarskiej.

Proces uplastyczniania tworzywa polimerowego obejmuje przejście tworzywa wejściowego na skutek nagrzewania i ruchu, ze stanu stałego w stan plastyczny lub plastyczny i ciekły.

Tworzywo wyjściowe musi charakteryzować się określoną temperaturą, ciśnieniem, stopniem wymieszania składu, stopniem ujednorodnienia cieplnego, w tym ujednolicenia historii termomechanicznej i lepkości, oraz natężeniem przepływu. Uplastycznione i ujednorodnione tworzywo jest przetłaczane, często przez zespół filtrujący, do głowicy wytłaczarskiej. Zadaniem głowicy jest ukształtowanie uplastycznionego strumienia tworzywa do wymaganej postaci, np. kształtownika lub rury.

Proces wytłaczania przebiega w wytłaczarkach, gdzie narzędziem jest głowica, przeważnie współpracująca z układem kalibrującym wytłoczynę. Wytłaczarkę tworzy układ uplastyczniający, układ napędowy ślimaka (ślimaków) oraz układ sterowania i regulacji.

Proces uplastyczniania tworzywa polimerowego odbywa się w układzie uplastyczniającym wytłaczarki, który powinien spełniać następujące podstawowe funkcje:

• transportowanie, tj. przemieszczanie tworzywa przez układ z uzyskaniem na jego końcu wymaganej prędkości wypływu w kierunku głowicy,
• nagrzewanie, które prowadzi do zapewnienia zadanego przebiegu zmian stanów fizycznych tworzywa przetwarzanego, określanego temperaturą i jej fluktuacją,
• sprężanie, mające na celu wytworzenie w tworzywie przetwarzanym zadanego przebiegu zmian ciśnienia,
• mieszanie, prowadzone w celu ujednorodnienia składu i właściwości, głównie cieplnych oraz mechanicznych, jak również ujednolicenie właściwości reologicznych przetwarzanego tworzywa.

Istnienie znacznej liczby konstrukcyjnych rozwiązań uplastyczniających układów ślimakowych świadczy o złożoności problematyki wytłaczania tworzyw polimerowych.

W celu zwiększenia wydajności wytłaczania, polepszenia jakości wytworów, a zwłaszcza efektywniejszego uplastyczniania tworzyw trudno przetwarzalnych (w tym niestabilnych cieplnie), oprócz wciąż często stosowanych układów jednoślimakowych, stosowane są układy wieloślimakowe - liniowe, planetarne, kaskadowe i inne. Wśród układów wieloślimakowych najszersze zastosowanie znalazły układy dwuślimakowe.

Liczba i różnorodność funkcji układu uplastyczniającego wytłaczarki, które mogą występować w różnych miejscach wzdłuż danego układu powoduje, że zostało opracowanych i praktycznie jest stosowanych wiele rozwiązań konstrukcyjnych tego układu.

Wytłaczanie rur

W ujęciu ogólnym linia do rur lub profili składa się z następujących urządzeń: wytłaczarki, głowicy, kalibratora, wanny chłodzącej, urządzenia odbierającego, przecinarki i układarki. Podstawowymi urządzeniami linii mającymi istotny wpływ na jakość rury oprócz wytłaczarki są głowica i układ kalibrujący rurę.

Wytłaczanie profili

Linia do wytłaczania profili składa się z analogicznych elementów składowych jak linia do rur z tym, że różni się istotnie rozwiązaniem konstrukcyjnym układu formująco-kalibrującego profil (tj. głowicy i kalibratora). Wydajność wytłaczania linii do profili nie jest ograniczana wydajnością uplastyczniania wytłaczarki, lecz zdolnością kalibrowania zastosowanego systemu kalibrującego.

Kalibracja - to proces ostatecznego ustalania kształtu i wymiarów wytłoczyny. Kalibracja polega na niwelowaniu spęcznienia powytłoczeniowego (efektu Barusa) metodami mechanicznymi. Spęcznienie to jest procesem powiększania się wymiarów poprzecznych wyrobu po wyjściu z ustnika głowicy; jest efektem dużego skoku naprężeń normalnych po wyjściu polimeru z ustnika i jest cechą materiałów lepko-sprężystych do których zalicza się polimery. Spęcznienie zależy od szybkości ścinania, temperatury stopu polimerowego, cech reologicznych przetwarzanego polimeru

Wyróżnia się następujące typy kalibratorów:

• nadciśnieniowe - stosowane do kalibracji rur
• podciśnieniowe - stosowane do kalibracji rur, węży
• na zasadzie przeciągania - stosowane do kalibracji profili otwartych,
• na zasadzie walcowania - stosowane do kalibracji płyt

Wytłaczanie z rozdmuchiwaniem folii

Folie z tworzyw polimerowych mają różnorodne zastosowania. Największą ich ilość zużywa przemysł opakowaniowy do jednostkowego pakowania produktów, ale są one użytkowane również w budownictwie, elektrotechnice i innych dziedzinach gospodarki.

Folie takie najczęściej wytwarza się metodą wytłaczania z rozdmuchiwaniem, natomiast w mniejszym zakresie - przy użyciu dyszy szczelinowej płaskiej; są one nazywane wówczas foliami płaskimi. Folie płaskie o grubości do 0,25 mm ochładza się na drodze wylewania na walec chłodzony wodą (cast lub chill roll), a folie grubsze są ochładzane na walcach gładziarki (na ogół trójwalcowej). Otrzymana folia jest przeznaczona przede wszystkim do formowania (kształtowania) próżniowego, w celu otrzymania pojemników np. na produkty spożywcze.

Metoda wytłaczania z rozdmuchiwaniem folii ma dominujące znaczenie, ponieważ umożliwia wytłaczanie bardzo szerokich folii rurowych (rurę nazywa się zazwyczaj rękawem folii) oraz pozwala na przetwarzanie tworzyw polimerowych o bardzo dużym ciężarze cząsteczkowym, dzięki czemu uzyskuje się folie charakteryzujące się korzystnymi właściwościami mechanicznymi.

Na właściwości folii można wpływać poddając tworzywo orientacji molekularnej, która występuje w procesie wytłaczania z dwustopniowym rozdmuchiwaniem folii (double-bubble line), można również bez dodatkowych nakładów finansowych różnicować wymiary folii, co powoduje, że metoda ta jest bardzo opłacalna.

Procesy technologiczne wytłaczania folii, zwłaszcza folii opakowaniowych, uległy w ostatnich latach znacznej intensyfikacji, głównie dzięki zastosowaniu automatyzacji i znacznemu zwiększeniu wydajności wytłaczania.

Podstawowymi tworzywami polimerowymi stosowanymi w produkcji folii są najczęściej poliolefiny, głównie polietylen małej gęstości (PE-LD), polietylen liniowy małej gęstości (PE-LLD) i polietylen dużej gęstości (PE-HD), ale często wykorzystuje się również polistyren (PS), polipropylen (PP), polichlorek winylu (PVC), poli(tereftalan etylenu) (PET). Poza tym stosowane są inne tworzywa polimerowe, m.in. poliamid (PA), kopolimer etylen/octan winylu (EVAC), kopolimer etylen/alkohol winylowy (EVOH), poli(alkohol winylowy) (PVOH) i polichlorek winylidenu (PVDC).

Istnieją możliwości pewnego regulowania właściwości folii na drodze łączenia różnych tworzyw metodą współwytłaczania, w wyniku czego uzyskuje się folie wielowarstwowe. W wyniku odpowiedniego doboru zestawu tworzywa można uzyskać materiał o znaczenie korzystniejszych właściwościach.

Folie takie stanowią grupę materiałów charakteryzujących się stałym wzrostem zużycia i znaczenia.

Metoda współwytłaczania folii pozwala na polepszenie właściwości przetwórczych folii, np. zgrzewalności, ułatwienie pracy maszyn pakujących, m.in. ze względu na zwiększenie sztywności folii, obniżenie kosztów, m.in. dzięki zmniejszeniu całkowitej grubości folii bez zmiany właściwości mechanicznych, polepszenie właściwości użytkowych, np. zwiększenie współczynnika tarcia, przejrzystości, odporności cieplnej, a zwłaszcza barierowości folii.

Poszczególne warstwy tworzyw w folii wielowarstwowej spełniają określone funkcje, tj. głównie przenoszą obciążenia zewnętrzne (tworzywa nośne), stanowią barierę w odniesieniu do tlenu lub pary wodnej (tworzywo barierowe) lub łączą współwytłaczane tworzywa (tworzywo wiążące).

W zależności od spełnianej funkcji, stosuje się zwykle następujące rodzaje tworzyw: tworzywa nośne: PE-LD, PE-HD i PP; tworzywa nośne jednocześnie o dobrych właściwościach zgrzewalnych: PE-LLD, polietylen bardzo małej gęstości (PE-VLD), EVAC, tworzywa monomerowe; tworzywa barierowe: PA6, PVDC, kopolimery po¬liamidowe, EVOH; tworzywa wiążące: na podstawie PE-LLD, PE-HD i EVAC.

Obecnie szerokie zastosowanie, oprócz folii barierowych w stosunku do tlenu, znalazły folie trójwarstwowe wytwarzane tylko z poliolefin, w tym folie ze środkową warstwą z poliolefin napełnionych składnikami mineralnymi, których zawartość osiąga już powyżej połowy ogólnej masy tworzywa.

Obecnie technologia współwytłaczania pozwala na dobór tworzyw prowadzący do uzyskania materiału o przewidywanych właściwościach. Dlatego też coraz częściej folie jednowarstwowe są zastępowane foliami wielowarstwowymi. Zwiększenie sztywności folii jednowarstwowej zapewnia stosowanie jako napełniaczy składników mineralnych, np. kredy i talku. Orientowane folie zarówno z poliolefin, jak i PVC w porównaniu z foliami nieorientowanymi charakteryzują się większą wytrzymałością mechaniczną i przezroczystością oraz kurczliwością.

W technologii wytłaczania z rozdmuchiwaniem jednostopniowym wyróżnia się następujące etapy:

• dozowanie tworzywa (lub tworzyw) oraz składników dodatkowych,
• uplastycznianie w wytłaczarce (lub w wytłaczarkach),
• kształtowanie strumienia w głowicy do postaci rury cienkościennej,
• ochładzanie i jednoczesne formowanie folii na drodze jej wyciągania i rozdmuchiwania do wymaganych wymiarów,
• spłaszczanie folii do postaci podwójnie złożonej wstęgi,
• odbieranie spłaszczonej folii oraz jej zwijanie.

Wytłaczanie folii płaskiej

Należy zaznaczyć, że od wielu lat obserwuje się dynamiczny wzrost zastosowań w technice opakowaniowej orientowanej folii polipropylenowej (OPP) wytwarzanej za pomocą dyszy szczelinowej płaskiej, a obecnie również tzw. folii wylewanej. Stały wzrost zastosowania folii OPP wynika z jej specyficznych właściwości, takich jak ochronne utrzymywanie jakości różnorodnych produktów, zwłaszcza spożywczych, oraz przede wszystkim, możliwości użycia ich w różnych systemach pakowania.

W obrocie handlowym występują zasadniczo dwa rodzaje folii polipropylenowej: folia orientowana (na świecie oznaczana przeważnie OPP, w Polsce zaś częściej jako BOPP) oraz folia wylewana (znana jako nieorientowana, cast lub CPP).

Wytłaczanie folii obejmuje następujące procesy składowe : wytłaczanie za pomocą wytłaczarki jednoślimakowej, formowanie tworzywa w głowicy szczelinowej, wygładzanie powierzchni zewnętrznej wytłoczyny i jej ochładzanie na walcu chłodzącym lub w gładziarce, następnie transportowanie i chłodzenie na przenośniku rolkowym, odciąganie, obcinanie brzegów folii i jej zwijanie.

Wytłaczanie z rozdmuchiwaniem w formie

Proces technologiczny wytłaczania z rozdmuchiwaniem w formie odbywa się przy użyciu stanowisk technologicznych, które tworzą: wytłaczarka z głowicą krzyżową, układ odcinająco-podający, układ formy rozdmuchowej oraz urządzenie do odbierania i ewentualnie orientowania pojemników. Wytłaczanie jest procesem ciągłym, natomiast następujące po nim procesy są cykliczne, zatem cały proces wytłaczania z rozdmuchiwaniem w formie jest cykliczny.

Proces może być jednoetapowy, jak i dwuetapowy. W tradycyjnym jednoetapowym procesie wytłaczania z rozdmuchiwaniem w formie głowicę wytłaczarską opuszcza wąż tworzywa w stanie plastycznym, który jest wprowadzany do otwartego gniazda formy rozdmuchowej. Po wprowadzeniu węża do gniazda, forma jest zamykana, w obszarze szyjki i dna pojemnika jest on zgrzewany oraz odcinany, a po jej zamknięciu rozdmuchiwany do kształtu i wymiarów gniazda formującego, odpowiadających kształtowi i wymiarom pojemnika. Tworzywo zostaje w formie ochłodzone, po czym formę się otwiera a pojemnik usuwa z gniazda.

Dwuetapowy proces wytłaczania z rozdmuchiwaniem w formie polega na formowaniu wstępnym, podczas którego następuje wytłaczanie z rozdmuchiwaniem podobnie jak w odmianie tradycyjnej, jednak nie w celu otrzymania gotowego pojemnika tylko kształtki wstępnej zwanej prepojemnikiem, o mniejszych wymiarach i grubszej ściance, formowaniu zasadniczym, w którym po ustaleniu temperatury prepojemnika jest on rozdmuchiwany w gnieździe formy, z ewentualnym wzdłużnym rozciąganiem mechanicznym w celu otrzymania gotowego pojemnika.

JL
oprac. na podst.
Stasiek J., „Wytłaczanie tworzyw polimerowych. Zagadnienia wybrane”, Wyd. Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno - Przyrodniczego, Bydgoszcz 2007
Sikora R., Przetwórstwo tworzyw wielkocząsteczkowych. Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa 1993.