Экструзия труб из полиэтилена высокой плотности: микропроцессы, связанные с зазором

Динамика и проблемы при экструзии труб из ПЭНД

ПЭВП, используемый в трубах, представляет собой кристаллический полимер со степенью кристалличности 60–80%. Обработка осуществляется при температуре около 200°C, при которой все кристаллические структуры, по мере выхода материала из матрицы, трансформируются в неопределенную структуру. Экструдированные пластики зачастую имеют более высокую вязкость расплава, позволяющую экструдату сохранять форму, приобретенную в матрице.
Зазор является наиболее важной зоной: здесь экструдируемая заготовка находится между экструзионной матрицей и входом в калибратор, где оператор впервые видит экструдат.
Как подробно объяснил инженер Яшодан Канаде в 2020 году, в этой зоне происходит множество микропроцессов, одновременно протекающих в зазоре:

• Набухание матрицы
• Усадка
• Увеличение плотности
• Разрушение экструзионного потока (в определенных условиях)
• Контакт с воздухом и окисление поверхности
• Вытягивание, пока экструдат горячий (ориентация расплава)
• Резонанс при вытяжке экструдата (в некоторых случаях)
• Терморелаксация горячего материала перед входом в калибратор
• Калибрование с помощью вакуума или давления
• Охлаждение ниже заданной температуры

В идеале, в случае экструзионной трубы из ПЭВП экструдат должен иметь одинаковые плотность и температуру по окружности, а величина зазора должна оставаться постоянной.
Зона зазора - это участок, где горячий ПЭВП вступает в контакт с кислородом, содержащимся в воздухе, следствием чего является окислительная деструкция на поверхности. Предотвращение окисления в зазоре не является особо эффективным, поскольку именно здесь образуется большая часть альдегидов и кислот.

Изменение матрицы ПЭВП зависит от:

• Используемого ПЭВП:чем выше индекс текучести расплава (MFI), тем меньше набухание матрицы

• Щели головки экструдера: чем меньше щель, тем больше набухание матрицы
• Оформляющего канала мундштука экструзионной головки: чем длиннее данный канал, тем меньше набухание матрицы
• Эксцентриситета трубы, который может обусловить изменения в набухании матрицы
• Температуры экструдата: чем выше температура, тем меньше набухание матрицы.

Разрушение экструзионного потока и резонанс при вытяжке экструдата в экструзионных трубах из  ПЭВП

Существует два типа изменений зазора при экструзии труб из ПЭВП: разрушение экструзионного потока и резонанс при вытяжке экструдата. Оба ведут к снижению качества экструдата, что в целом ограничивает производительность.
Оба явления вызывают повреждение поверхности, от простой шероховатости («акулья шкура») до беспорядочных спиралевидных конфигураций или серьезных искривлений (растрескивание расплава).
Разрушение экструзионного потока может привести к разрушению при растяжении, короблению экструдата, прерывистому скольжению полимера по поверхности матрицы.
Резонанс при вытяжке экструдата имеет более циклический характер и выражается в пульсациях по диаметру экструдата. Это происходит только тогда, когда степень вытяжки и/или скорость вытяжки достигает критического значения при фиксированной скорости пропускания. Cила резонанса при вытяжке возрастает с увеличением степени вытяжки и/или скорости до тех пор, пока экструдат не разрушится.
Еще одной неподвижной зоной при втягивании экструдата через зазор является место его входа в вакуумную камеру.  Данный процесс осложняется тем, что вход в охлаждающую емкость занят текущей водой.  Обычно, с помощью перемычек, диафрагм и переливов, осуществляется точная регулировка потока воды, чтобы поддерживать его как можно более постоянным, предотвращая нестабильный или неустойчивый контакт воды с конусом расплава.
Здесь внешняя поверхность экструдированной заготовки переходит из высокотемпературного вязкого жидкого состояния в твердое, при этом сначала экструдат вступает в контакт с водой из закалочного бака, вследствие чего продукт переходит в необратимое состояние.