Podstawy ogólne

I Co to jest przetwórstwo?

Przetwórstwo jest pojęciem o charakterze dualnym:

1) Jest to zespół nauk syntetycznych zaliczanych do dyscypliny naukowej zwanej technologią maszyn i wchodzącą w zakres nauki zwanej wytwarzanie maszyn.

Klasyfikacja ta jest kontrowersyjna, gdyż technologia wytwarzania maszyn obejmuje jedynie fragment nauki zwanej przetwórstwo.

Nauki syntetyczne są to takie nauki, które opierają się na wykorzystaniu i

połączeniu różnych dziedzin nauki, innymi słowy są to nauki o charakterze interdyscyplinarnym. W przypadku przetwórstwa korzysta się z nauk podstawowych t. j.:

- fizyki i chemii, w zakresie interpretacji procesów przetwórstwa

- matematyki

- teorii systemów

- ekonomiki

- a także logiki.

Szczególne znaczenie ma fizyka i chemia polimerów.

Chemia przede wszystkim bada właściwości procesów, w których następuje synteza pierwiastków.

Fizyka zajmuje się głównie zmianą właściwości materiałów zachodzącą pod wpływem takich czynników jak: siła, energia (cieplna), promieniowanie.

2)Rozumiane jest to jako proces przetwarzania tworzyw w określonych

potrzebami użytkownika wytworów lub przetworów pożądanej jakości.

Wytwór - pojęcie odnoszące się do gotowych elementów użytkowych, t. j.

wypraska, wytłoczyna.

Przetwór - pojęcie odnoszące się do tworzywa na ogół znajdującego się w

stanie ciekłym lub plastycznym nie mającym jeszcze cech wytworu.

II Podział przetwórstwa jako nauka

1. Dokonywany jest na wyraźne, ze względu treści, następujące działy:

a) podstawy przetwórstwa: ogólne, reologiczne (nauka o płynięciu), technologiczne.

b) metody przetwórstwa: fizyka, chemia, technika przebiegu stanu skupienia i stanów fazowych (gazowy, ciekły, stały).

2. Konstrukcja i eksploatacja maszyn i narzędzi stosowanych w przetwórstwie

- maszyny: wtłaczarki, wytłaczarki, mieszalniki, kalandry

- narzędzia: głowice i formy

3. Projektowanie technologiczne procesów przetwórstwa. Wybór i optymalizacja parametrów technologicznych przetwórstwa, a także sposobów przeprowadzania kontroli.

4. Organizacja przetwórstwa

Polega między innymi na odpowiednim doborze i rozmieszczeniu wszystkich linii technologicznych, określeniu kolejności operacji technologicznych, a także określeniu zapasów magazynowych i dróg transportu materiałów.

III Przetwórstwo jako proces przekształcania

tworzyw

1. Przekształcanie produktu wyjściowego jakim najczęściej jest polimer w stanie granulatu, tłoczywa, cieczy, następuje najczęściej pod wpływem działania energii cieplnej i mechanicznej, która powoduje wzrost ciśnienia w tworzywie oraz działania sił najczęściej ścinających.

Procesy te występują w maszynach i urządzeniach przetwórczych. Mają one charakter złożony i wieloaspektowy. Ostatecznym celem przetwórstwa jest uzyskanie wytworu o żądanych właściwościach .

2. Klasyfikacja metod przetwórstwa jako:

a) ze względu na dominujący charakter zjawisk, przetwórstwo:

- fizyczno-chemiczne I rodzaju - dominują tu zjawiska fizyczne, a przede wszystkim cieplne - spajanie (spawanie, zgrzewanie), porowanie, rozdzielanie cieplne, suszenie i podgrzewanie (dwa bardzo ważne procesy występujące najczęściej w fazie wstępnej procesów przetwórstwa, których

zadaniem jest usunięcie wilgoci z tworzyw), ulepszanie fizyczne (cieplne, radiacyjne, plazmowe).

- fizyczno chemiczne II rodzaju - dominującą rolę odgrywają zjawiska fizyczne cieplne i reologiczne, czyli związane z procesem płynięcia tworzyw. Jest to najważniejsza grupa, do której zalicza się: wytłaczanie, wtryskiwanie, prasowanie, laminowanie, kandelabrowanie (walcowanie w układzie co najmniej dwóch walców obracających się przeciw bieżnie), odlewanie i przędzenie.

- chemiczno-fizyczne - gdzie dominującą rolę odgrywają zjawiska chemiczne i fizyko-chemiczne zachodzące w warstwie wierzchniej: nanoszenie powłoki ochronnej, klejenie, zamszowanie, zdobienie.

b) ze względu na kolejność zmian

- wstępne procesy przetwórcze, których zadaniem jest przygotowanie materiału do dalszego przetwarzania: suszenie i podgrzewanie, rozdrabnianie i mieszanie.

- procesy formowania wytworu, zadaniem ich jest nadanie odpowiedniego kształty końcowej postaci wytworu: procesy wytłaczanie (rura, folie, płyty i inne profile), prasowanie, kalandrowanie, wytłaczanie z rozdmuchiwaniem (butelki).

- procesy wykańczające, zadaniem, których jest przede wszystkim nadanie właściwości warstwie wierzchniej lub powierzchni wytworu.

Warstwa wierzchnia, jest to warstwa, która może się różnić w sposób zasadniczy właściwościami od materiału położonego w głębi. Warstwa ta może mieć różną grubość, zależnie od warunków wytwarzania od kilku mikrometrów, otrzymujemy w procesach cieplnych, których zadaniem jest utwardzenie. Najcieńsze warstwy 15 nm otrzymujemy podczas poddawania tworzyw działaniu plazmy promieniowania ultra fioletowego lub wiązki elektronów. Te procesy stosowane są jako procesy oczyszczania tworzyw, które mają zastosowanie w szczególnie odpowiedzialnych obszarach (medycyna).

Przemiany stanu skupienia

W procesie formowania wytworu mamy najczęściej do czynienia z przetwórstwem fizyczno- chemicznym II rodzaju tzn. takim gdzie dominują procesy cieplne reologiczne.

Uwaga:

1. Wytwór najczęściej kojarzony jest z postacią ciała stałego, jednakże nie jest

to skojarzenie do prawdziwe, gdyż pewna część wytworów może

występować w stanie plastycznym bądź ciekłym.

2. W przypadku większości pierwiastków mówimy o 3 stanach skupienia

(stałym, ciekłym, gazowym) w przypadku tworzyw wyróżniamy jeszcze

stan czwarty, który stanowi fazę pośrednią między ciałem stałym, a

cieczą. Stan ten nazywa się stanem plastycznym. W procesach

formowania wytworu tworzywowego (można zamiennie stosować pojęcia

tworzywo i polimer, aczkolwiek nie są one zupełnie tożsame). W procesie

przetwórczym mamy do czynienia ze zmianami stanu skupienia jakie

zachodzą podczas tego procesu. Symbolicznie stosujemy 3 oznaczenia:

CC - ciało ciekłe (stan ciekły)

CP - ciało plastyczne (stan plastyczny)

CS - ciało stałe (stan stały)

3. W przypadku tworzyw nie mówimy, nie rozważmy stanu gazowego, gdyż stan taki jest możliwy jedynie dla związków małocząsteczkowych i może być uzyskany w procesie rozkładu polimeru, przy czym tak uzyskany gaz nie jest polimerem, a jest jedynie produktem jego rozkładu.

Z praktycznego punktu widzenia najważniejsze znaczenie mają przemiany :

CS→CS

Oznacza to, że w trakcie przetwórstwa mamy do czynienia, nie ze zmianą stanu skupienia, a ze zmianą struktury tworzywa lub właściwości warstwy wierzchniej. Typowymi przemianami tego typu są procesy suszenia podgrzewania, ulepszania fizycznego (przez naświetlanie promieniami ultrafioletowymi, laserem, wiązką wysoko energetycznych elektronów), w tego typu procesach poza zmianą struktury fizycznej mamy do czynienia ze zmianą składu warstwy wierzchniej procesem tego typu jest też mieszanie, które ma duże znaczenie ze względu na konieczność ujednorodnienia masy mieszanego tworzywa.

CS→CP→CS

Tworzywo wprowadzone zostaje pod wpływem działania ciepła ze stanu stałego w stan plastyczny. W stanie plastycznym następuje uformowanie kształtu wytworu (w głowicy, formie) a następnie jego chłodzenie celem uzyskania ostatecznej postaci. Chłodzenie tworzywa jest nieodłącznym elementem procesów przetwórczych wszędzie tam gdzie z stanu plastycznego przechodzi do stany stałego. Podstawowym procesem przebiegu według tej zasady jest wytłaczanie.

CS→CP→CC→CP→CS

Przebieg tego procesu jest podobny jak poprzedniego, z tym że w środkowej jego fazie (przejście z CP→CC) przebiega on w wyższej temperaturze. Proces ten stosowany jest głównie podczas wtryskiwania tworzyw, po to aby polimer podczas wtryskiwania cieczy mógł dokładnie wypełnić gniazdo formy. W przypadku wtryskiwania jednym z najważniejszych problemów jest dokładne formy tworzywa dlatego szczególnie podczas wtryskiwania elementów precyzyjnych (o małej tolerancji wymiarów) przeprowadzamy polimer w fazę ciekłą tak, aby obniżyć jego lepkość i stworzyć możliwość dokładnego wypełnienia formy. Przeprowadzenie polimerów w stan ciekły poprzez dostarczanie do niego ciepłą ma również negatywny wpływ gdyż towarzyszą temu procesy destrukcji polimerów.

CP→CS

Przemiana ta zachodzi w takich procesach jak porowanie, prasowanie, kalandrowanie, nanoszenie (warstwy ochronnej), klejenie.

CP→CP

W procesie przetwórstwa zachodzi jedynie zmiana lepkości i struktury cieczy. Proces mieszania z podgrzewaniem.

CP→CS

Przemiana tego typu zachodzi najczęściej wówczas gdy podczas procesów przetwórstwa łączymy ze sobą dwie różne substancje, które reagując ze sobą tworzą ciało stałe procesami tego typu są: przędzenie, laminowanie, klejenie, formowanie polimeryzacyjne (proces ten polega na tym, że formowanie wytworów przebiega równocześnie z polimeryzacją tworzywa - proces ten przebiega w formie lub gnieździe formującym)

Interpretacja przemiany stanu

Rodzaj zjawiska fizycznych i chemicznych zachodzących w procesie przetwórstwa zależy od tego czy przetwarzane tworzywo jest termoplastyczne czy termoutwardzalne. Przebieg przemian zależy nie tylko od parametrów przetwórstwa, ale również od rodzaju i zawartości składników dodatkowych.

Stan ciekły lub plastyczny tworzywa wyjściowego poddanego przetwórstwu uważa się jako:

a) normalny - gdyż uzyskany został w procesie polimeryzacji, tzn. gdy

produktem polimeryzacji jest ciecz lub CP

b) uplastycznionym lub stopionym - gdy wcześniej polimer ten został poddany

działaniu siły zewnętrznej lub ciepła

c) roztwór - gdy stan ten powstał w wyniku rozpuszczania rozpuszczalnikiem

d) dyspersja - wówczas gdy zostało one rozpuszczone w ośrodku

rozpuszczającym, towarzyszy temu proces mieszania

e) pasta - jeżeli w wyniku działania na tworzywo plastyfikatora powstają

łączenia o charakterze solwatacyjnym

Solwatacja - oddziaływanie cząsteczek rozpuszczalnika na jony lub

cząsteczki substancji rozpuszczalnej prowadzące do powstawania

połączeń (tzw. solwatów) solwatacja w roztworach wodnych

nazywa się hydratacją.

Przemiany tworzyw w procesach przetwórstwa zachodzą w skutek:

a) zmiany fizyczne i zmiany stany

b) polimeryzacji

c) ochładzania i krzepnięcia ( ze stanu ciekłego)

d) odparowywanie (rozpuszczalnika)

Dominujące znaczenie mają przemiany CC i CS w CS Zachodzą we wszystkich procesach, w których wychodzimy ze stanu ciekłego

- odlewanie

- nanoszenie powłok ochronnych

- klejenie

- kitowanie

CS→(CP lub CC )→CS gdzie przemiany stanu zachodzą głównie pod wpływem ciepła i ciśnienia.

Przemiany te nie występują oddzielnie, ale są w pewnym stopniu ze sobą powiązane wynika to z faktu, że tworzywa w odróżnieniu od metali nie mają jednoznacznie ustalonej temperatury mięknienia i krzepnięcia, temperatury te zależą w dużym stopniu od wielkości masy cząsteczkowej i wraz z tą masą rosną.

Tworzywa utwardzalne nie przechodzą w stan ciekły, gdyż doprowadzenie ciepła powoduje wcześniejsze ich zwęglenie.

Obszar przetwórstwa.

W procesie formowania wytworu wg. schematu CS→(CP lub CC )→CS mamy do czynienia z koniecznością doprowadzenia do tworzywa energii cieplnej umożliwiającej jego uplastycznienie. Energia ta może być doprowadzona z umieszczonych na zewnątrz grzejników lub może być generowana w samym tworzywie w skutek procesów tarcia. W tym ostatnim przypadku źródłem tej energii jest silnik napędowy powodujący ruch ślimaka (wytłaczarka), tłoku lub ślimaka ( wtryskiwarka), walców (kalander). W związku z tym, że doprowadzone ciepło powoduje wzrost temperatury tworzywa mogą zachodzić w nim szkodliwe procesy destrukcji.

Natężenie tych procesów wzrasta wraz ze wzrostem czasu przebywania tworzywa w podwyższonej temperaturze i wraz ze wzrostem temperatury.

Z drugiej strony celem właściwego uplastyczniania tworzywa potrzebny jest pewien czas w którym tworzywo to przebywa w podwyższonej temperaturze, zatem jednym z podstawowych zadań technologa jest dokonanie optymalizacji czasu przebywania tworzyw w podwyższonej temperaturze i wielkości tej temperatury.

Rozwiązanie to (optymalizacja) nie daje wyniku punktowego tzn. nie daje jednoznacznie pary liczb (t, T) T- czas przebywania tworzywa w podwyższonej temperaturze T - temperatura.

Nastawy prędkości ruchu maszyny mają taki charakter (10', 200°), ale wynikiem procesu optymalizacji jest pewien obszar(Δt, ΔT) Δt=t_max-t_min

ΔT=T_max-T_min te dwa zbiory wielkości wyznaczają nam obszar przetwórstwa.

T_max - maksymalna temperatura przetwórstwa

T_min - minimalna temperatura przetwórstwa

t_min - minimalny czas ogrzania

t_max - maksymalny czas ogrzania

Obszar nad krzywą destrukcji jest obszarem destrukcji czyli powstawania oligomerów.

Obszar nad krzywą rozpadu - jest obszarem rozpadu gdzie polimer ulega rozkładowi do związku małocząsteczkowego.

Wnioski:

1. Obszar przetwórstwa musi leżeć powyżej krzywej płynięcia i poniżej krzywej destrukcji. Po to aby tworzywo przeszło w stan plastyczny musi ono przez pewien okres czasu być poddanym działaniu temperatury. t _max jest ograniczony punktem, w którym krzywa płynięcia przecina się z krzywą destrukcji.

Każde dwa parametry (t, T) przyjęte z obszaru przetwórstwa mogą być parametrami przetwórstwa, w dalszej optymalizacji bierze się również pod uwagę wielkość zużycia energii, stanowi kolejny parametr optymalizacji, przyjęte wynikające z tego wielkości (t, T) muszą się znajdować w obszarze płynięcia.

Stany fizyczne polimerów

Tk - temperatura kruchości

Tz - temperatura mięknienia (zeszklenia)

Tp - temperatura płynięcia

Tr - temperatura rozkładu

Obszar A₁+A₂ - obszar tworzywa w stanie szklistym

A₁ - obszar kruchości

A₂ - wymuszonej elastyczności

B+C - stan lepko sprężysty

D - obszar płynięcia tworzywa [°C]

	PE-LD	PE-HD	PP	PVC	PS	PC	PET
Tz	-60	-123	-10	80	82	147	81
Tp	110	135	170	160	240	267	265
Tr	335	360	330	210	325	330	283

W obszarze A₁ gdzie temperatura tworzywa jest mniejsza od Tk następują niewielkie odkształcenia sprężyste pod wpływem przyłożonej zewnętrznej siły. Wykres εδ ma tu postać odcinka prostoliniowego, wydłużenie jakie obserwujemy w tym obszarze wynosi kilka % utrzymuje się nadal duża wielkość modułu Yanga, która kształtuje się na poziomie 10 ⁶[N/m²] odkształcenie pojawia się po przyłożeniu siły i znika po ustaniu. Długość próbki wraca do poziomu wyjściowego mamy więc tu typowy zakres odkształceń sprężystych określonych parametrem Hooka.

Obszar A₂ Tk<T<Tz w obszarze tym odkształcenia mają tu charakter odkształceń sprężystych, a następnie przechodzą w odkształcenia o charakterze plastycznym, gdzie odkształcenie może wzrosnąć kilka set %, następuje tu wyprostowanie łańcuchów cząsteczek po zdjęciu obciążenia obserwujemy powrót próbki do stanu wyjściowego, przy czym stan wyjściowy często nie jest osiągany

B obszar, w którym znacznie spada moduł Yanga (10⁴ razy), natomiast przyjmuje się, że Tz leży w środku tego obszaru. Jeżeli obniżamy temperaturę przejścia ze stanu ciekłego w stan kruchy to mamy Tz odwrócone Tm - temp. mięknienia

Wnioski

Tz jest w pewnym momencie wymieniana na Tm aczkolwiek nie ma jednoznacznego znaku = pomiędzy tymi temperaturami, wynika to z faktu, że obszar ten jest obszarem przejściowym, w którym wielkości fizyczne nie są dokładnie zdefiniowane.

C - obszar wysoko elastyczny Tz<T<Tp w obszarze tym wydłużenie próbki ma charakter proporcjonalny do przybliżonej siły z tym, że odkształcenia następują pod wpływem małej siły.

Dla niektórych polimerów (wulkanizowane kauczuki) to ostatnie stadium występowania, obszar rozkładu.

D - T>Tp gdzie Tp - temperatura płynięcia jest określona niekiedy jako temperatura topnienia. Temperatura ta nie jest również jednoznacznie określona a to głównie z tego powodu gdyż polimer charakteryzuje się makrocząsteczkami o różnej długości, a także dla tego, że występują z nim zarówno faza amorficzna jak i krystaliczna, które mają różne temperatury topnienia.

Cała dyskusja dotycząca struktury polimeru, a w tym jego podziału na obszary amorficzne i krystaliczne ma na celu uzmysłowienie faktu, iż jest to struktura niejednorodna, a jej właściwości szczególnie fizyczne są różne dla każdej z tej faz. One też decydują o tym, że polimery w odróżnieniu od np. metali nie mają jednoznacznie zdefiniowanych temperatur, w których przechodzą one w różne stany.

Tz - nie zależy od masy cząsteczkowej polimeru

Tp - zależy od wielkości masy cząsteczkowej i rośnie wraz z jej wzrostem

Tz - można zmienić przez:

- częściowe usieciowanie polimeru wówczas Tz wzrasta

- kopolimeryzacja - wówczas kiedy mamy do czynienia z dwoma różnymi

polimerami o różnych wielkościach Tz , to po przeprowadzeniu

procesu kopolimeryzacji otrzymujemy nową temperaturę Tz, leżącą

pomiędzy wyjściowymi.

- przez dodanie plastyfikatora, który powoduje rozsunięcie makrocząste-czek, a tym samym ułatwia przejście polimeru w stan ciekły.

Uwagi:

1. W/w czynniki powodują, że tego samego typu polimer może mieć różne temperatury charakterystyczne ( m. in. Tz).

2. Nie wszystkie polimery mają wyraźnie zaznaczone poszczególne stany przedstawione na wykresie, główna krzywa - dotycząca tworzyw utwardzalnych nie wykazuje charakterystycznych załamań, obowiązujących poszczególne stany.

3.Tz zależą również od metody pomiaru oraz od wzrostu lub spadku temperatury. Dotyczy to procesów dynamicznych, gdzie temperatury zmieniają się w czasie.

4. Stan wysoko elastyczny nie istnieje dla tworzyw małocząsteczkowych, przechodzą one bezpośrednio ze stanu stałego w stan ciekły. Tworzywa usieciowane mają praktycznie tylko stan skupienia kruchy.

5. Wzrost Tp powoduje

a) obniżenie lepkości

b) procesy degradacji i destrukcji.

WNIOSEK

Najłatwiej przetwarzają się tworzywa gdzie odległość między Tz, Tp i Tr są jak największe.

Najbezpieczniej przetwarza się PE, trudnym jest PVC gdzie różnica między Tz a Tr wynosi 50° podobnie jest z PET różnica 18°C

Z tego względu zarówno przy PVC jak i PET łatwo jest doprowadzić do sytuacji w której tworzywa ulegają degradacji lub destrukcji.

Podstawy procesu uplastyczniania

Jednym z podstawowych problemów występujących w przetwórstwie jest uplastycznianie polimerów.

Jest to proces przemian tworzywa wyjściowego ze stanu stałego (wysoko -elastycznym, lepko - sprężysty) następnie w razie potrzeby (wtryskiwanie) tworzywo to może być przeprowadzone w stan ciekły.

Uplastycznianie tworzywa zachodzi pod wpływem ciepła i ścinania generowanych w tworzywach za np. pomocą ślimaka obrotowego, a także dostarczanych z zewnętrznych źródeł energii.

Charakterystycznymi źródłami uplastyczniania są T, ciśnienie, stopień homoge-nizacji (wymieszanie) prędkości napędu w maszynie, stężenia przepływu. Parametry te, a szczególnie właściwy dobór wielkości stanowią o prawidłowo-ściach podstawowych procesów przetwórczych jakimi są wtryskiwanie i wytłaczanie.

Procesy uplastyczniające zachodzą w układach uplastyczniających.

Układ uplastyczniający ślimakowy występujący w wtryskarkach i wytłaczarkach.

1. ślimak 2. cylinder 3. grzejnik 4. zasobnik 5. ruch finalny tworzywa przetwarzanego 6. ruch obrotowy ślimaka 7. ruch liniowy postępowo- zwrotny ślimaka.

Różnice między układem uplastyczniającym wtryskarki i wytłaczarki polegają na tym, że w :

- wtryskarce ślimak wykonuje ruch obrotowy i oscylacyjno zwrotny (działa jak tłok)

- wytłaczarce, ślimak wykonuje tylko obrotowy i tworzywo płynie w sposób jednostajny przez ten układ.

Układ uplastyczniający pełni następujące funkcje:

a) nagrzewania tworzywa, które prowadzi do zmian stanu fizycznego, przy czym nagrzewanie odbywa się w skutek działania energii dostarczonej z grzejników jak też w skutek działania energii dostarczonej przez pracę wewnętrznego tarcia między cząsteczkowego wymuszonego ruchem ślimaka i zewnętrznego o elementy ślimaka i cylindra.

b) sprężanie, które stanowi czynnik napędowy (przesuwanie tworzywa) oraz prowadzi do wzrostu jego temperatury (wewnętrznej przez tarcie wewnątrz cząsteczkowe)

c) mieszanie - prowadzone w celu ujednolicenia mieszaniny tworzywa i to zarówno przestrzennego rozkładu jego cząsteczek jak też wyrównania temperatury, ciśnienia i lepkości.

d) transportowanie - przemieszczanie tworzywa wzdłuż cylindra oraz nadanie odpowiedniej prędkości. Podczas transportu występują fluktuacje jego ciśnienia - są one szczególnie niekorzystne na końcach cylindra, gdzie tworzywo transportowane jest do głowicy, bądź formy. Funkcje te powodują nierówności w strukturze materiału, które pogarszają jakość wytworu.

Układy uplastyczniające dzieli się na układy:

1. jedno ślimakowe

2. dwu ślimakowe

3. wielo ślimakowe (spotykane żadziej)

4. mieszane

Najpopularniejszym układem uplastyczniającym jest układ jedno ślimakowy, przy czym jest on prawie wyłącznie w wtryskarkach.

Drugą grupą dość powszechną są układu dwu ślimakowe, ich idea polega na tym, że w cylindrze wytłaczarki umieszczone są dwa ślimaki, które mogą ze sobą współpracować wówczas cylinder ma przekrój , w tym układzie ślimaki mogą się zazębiać.

Układy zazębiające się

a) ślimaki współbieżne zazębiające się szczelnie, gdzie kierunek ślimaków jest taki sam

b) zazębiające się nie szczelnie

c) nie zazębiające się

d) a), b), c) przeciwbieżne

Zalety układów dwu ślimakowych.

Powodują wymuszony szybki transport tworzyw przez co czas pobytu tworzywa w cylindrze maszyny jest krótki. Ślimaki te stosowane są głównie do PVC, który jest wrażliwy na długie przebywanie tworzywa w podwyższonej temperaturze.

Nagrzewanie tworzywa

Całkowity strumień ciepła dostarczony do tworzywa składa się z trzech składników: Q_c=Q_g+Q_tw+Q_tz

Q_g - ciepło grzejników Q_tw - ciepło tarcia wewnętrzne

Q_tz - ciepła tarcia zewnętrznego

W stanie ustalonym, ideałem było by gdyby Q_g=0, gdy całe ciepło dostarczone było od strony napędu, generowane w skutek tarcia, taka sytuacja jest najkorzystniejsza zarówno pod względem energetycznym jak pod względem jednorodności temperatur.

W normalnie skonstruowanych układach uplastyczniających grzejniki pracują w sposób dorywczy, sterowane są układem regulacji temperatur, dla którego sygnałem wejściowym jest temperatura mierzona w cylindrze maszyny przez specjalny czujnik.

W przypadku gdy Q_c=Q_tw mamy do czynienia z procesem autotermicznym.

Konstrukcja ślimaka

W celu sprawnego transportu tworzywa oraz dokładnego jego ujednorodnienia wymagane są specjalne konstrukcje ślimaka.

Klasyczny ślimak dzieli się na strefy:

- zasypu

- zasilania

- przemiany (sprężania)

- dozowania

Charakterystycznymi parametrami ślimaka są:

a) długość L lub stosunek długości do średnicy

b) skok linii śruby

c) głębokość kanału h

d)szerokość zwoju

W celu dokładnego ujednorodnienia tworzy się różne typy ślimaków.

Układy wielo ślimakowe są bardzo drogie i z wyjątkiem dwu ślimakowych

żadko stosowane.

Cena wynika głównie z trudnej operacji głębokiego wiercenia cylindrów

(głębokość długich ślimaków wynosi 5m.)

Funkcje i budowa cylindra

Wewnętrzna powierzchnia jest powierzchnią gładką z tym, że bardzo często w strefie zasypu wewnętrzna część cylindra jest rowkowana. Rowkowanie strefy zasypu dokonywane jest najczęściej przez umieszczeni w tej części tulei rowkowanej. Wynika to z faktu, że łatwiej jest pod względem technicznym wykonać rowkowaną tulejkę, niż wykonywać te rowki bezpośrednio w cylindrze. Kanały chłodzące, w których mogą być umieszczone przewody z cieczą chłodzącą (5), a także gniazda głębsze do umieszczenia czytników (4)

(3) miejsce mocowania głowicy lub dojazdu do formy.

Funkcje

- utrzymanie narzędzi w postaci ślimaka i głowicy.

- zapewnienie możliwości przepływu ciepła z i do tworzywa.

Z punktu widzenia ekonomicznego ważne jest aby w jak najmniejszym stopniu odprowadzać ciepło od tworzywa, gdyż ciepło wyprowadzone od tworzywa stanowi straty energii.

Cylinder musi być na tyle wytrzymały aby nie występowały odkształcenia w czasie pracy Ciśnienie na jego krańcach sięga 200 MPa (2000 atmosfer). Konieczne jest właściwe wykonanie połączeń i uszczelnień między cylindrem, a głowicą gdyż w przeciwnym razie występują przecieki tworzywa.

Dotychczas zjawisk zachodzących w układzie uplastyczniającym nie udało się opisać za pomocą jednej teorii, poszczególne teorie stanowią przybliżenie procesów rzeczywistych bądź też opisują jednie fragment zjawisk bądź urządzenia.

Z reguły zmiennymi niezależnymi są tu prędkość obwodowa ślimaka oraz wymiary geometryczne tego ślimaka.

Zmiennymi zależnymi są wydajność układu uplastycznienia, lepkość tworzywa, energochłonność procesu.

Specyficzną rolę pełni tu temperatura. Może być ona traktowana jako zmienna niezależna wówczas gdy mamy do czynienia z pracą grzejników, a może być także zmienną zależną wówczas gdy energia dostarczana jest na drodze mechanicznej.

η - lepkość Q - wydajność

Bardzo często w wielu recepturach technologicznych w jakich granicach powinno się utrzymywać temperaturę tworzywa. Dość często jako obszar tolerancji podaje się ±0,5°C. Na tego typu wymagania należy zawsze patrzeć bardzo krytycznie a mianowicie z punktu widzenia struktury układu regulacji temperatury i tzw. stałych czasowych grzejników, bardzo często jest bowiem tak, że powinno nastawień zgodnie z tą zasadą, z punktu widzenia układu grzewczego i regulatora, nie jest możliwe utrzymanie takiego reżimu pracy pomimo, że wskazania regulatora mogą tego nie wykazywać. W układach rzeczywistych wahania temperatury sięgają często kilkunastu stopni. Dlatego należy przyjąć zasadę możliwie krótkiego przebywania tworzywa w układzie uplastyczniającym.

W przypadku ślimaków jako zasadę stosuje się, że wraz z ich długością maleje głębokość zwoju ślimaka. Powoduje to przy ciągłości przepływu przez układ uplastyczniający, że im bardziej zbliżamy się do jego końca tym tworzywo ma mniejszą objętość.

Wniosek:

Wraz z długością ślimaka różnie ciśnienie tworzywa w cylindrze.

Bardzo często długość nasypową określa się stosunkiem L/D (długość /średnica)

Niektóre ślimaki stosowane są do:

- cieczy z nagrzewaniem wstępnym 3÷6

- ogólnie wytłaczarki mają L/D rzędu 20÷30

- do butelek 30÷35

Generalnie wytłaczarki dwu ślimakowe mieszczą się pod względem długości w obszarze wytłaczarek jedno ślimakowych.

Podajemy L/D ze względu na podobieństwo geometryczne, można dzięki temu porównać warunki przepływu.

Podstawy reologii

reologia - to nauka o procesach związanych z odkształceniem ciał pod wpływem działania sił zewnętrznych. W procesach reologicznych analizując dane ciało rozważa się jedynie ruch cząstek tego ciała względem siebie, nie rozważa się ruchu ciała jako całości.

W przetwórstwie interesują nas procesy reologiczne w stanie uplastycznionym i ciekłym.

Fundamentalnym pojęciem odkształcenia:

a) odkształcenia sprężyste

b) odkształcenia plastyczne

c) przepływ

ad. a)

Odkształcenie sprężyste po ustaniu sił ciało wraca do kształtu wyjściowego.

ad. b)

Odkształcenie plastyczne po ustaniu działania siły ciało nie powraca do stanu pierwotnego, natomiast zmianie ulega jego temperatura, gdyż jest ona miarą dyspersji (rozproszenia) energii.

ad. c)

Przepływ mamy do czynienia z ciągłą zmianą kształtu przy działaniu niewielkich sił.

Odkształcenia postaciowe - to zmiana kształtu ciała bez zmiany jego objętości (przypadek teoretyczny !!)

W przetwórstwie takim przypadkiem jest ścinanie proste, które można rozpatrywać zarówno w warunkach odkształceń a)b)c)

dh, dl, dA, dF - bardzo małe wielkości

dl - przesunięcie liniowe

dA - powierzchnia przyłożenia siły

dF - siła

dh - wysokość

γ - gradient przesunięcia

τ- napięcie ściągające

Obszar sprężystości jest tam gdzie naprężenie ściągające jest wprost proporcjonalne do gradientu przesunięcia, a współczynnikiem proporcjonalności jest współczynnik sprężystości postaciowej zwany modułem Kirkofa.

W przetwórstwie analizując warunki przepływu tworzyw posługujemy się pojęciem naprężenia ścinającego.

Ścinanie w warunkach przepływu

P₂ dolna płyta, P₁ górna płyta, F siła przyłożona do P₁

Pomiędzy płytami warstwa uplastycznionego tworzywa.

Pod wpływem siły F P₁ porusza się z prędkością dV_x w wyniku tego ruchu i procesów tarcia rozkład prędkości cząsteczek w uplastycznionym tworzywie jest taki jak przyłożona siła przy płycie P₁, prędkość zmniejsza się przy płycie P₂ w skrajnym przypadku V=0.

Uwaga:

Z przedstawionego modelu wynikają konkretne wnioski jakie należy uwzględniać przy projektowaniu układów uplastyczniających. Wynika z nich bowiem, że w układzie tym może występować nierównomierny rozkład prędkości cząsteczek tworzywa co powoduje niejednakowy czas ich przebywania w układzie uplastyczniającym. W efekcie może to powodować, że niektóre cząsteczki przebywają w tym układzie zbyt długo co powoduje ich rozkład (przypalanie tworzywa)

[s.^-1]

gradient poprzeczny prędkości = prędkość ścinania

dVx=γ°dy, dVy=dδ_z=0

Najbardziej podatne miejsca na przypalanie tworzywa to wszelkiego rodzaju zwężenia i zgrubienia oraz te miejsca, w których następuje zmiana przepływu tworzywa.

Płyny niutonowskie i nieniutonowskie

Płyny niutonowskie

τ-napięcie ścinające η- lepkość dVx - prędkość po osi X

dy- wysokość

Płyny niutonowskie są to płyny spełniające zależność, a zatem są to płyny których naprężenie ścinające jest wprost proporcjonalne do prędkości ścinania, co znaczy, że lepkość tworzywa nie zmienia się w trakcie przepływu tworzywa przez układ uplastyczniający

Płyny nie niutonowskie to takie, dla których ich lepkość zmienia się wraz z prędkością ścinania.

Tworzywa w stanie uplastycznionym i ciekłym należą do grupy płynów nie niutonowskich tzn. ich lepkość zmienia się wraz z prędkością ścinania, a także wraz z temp.

Ważnym parametrem tworzywa jest tzw. krzywa płynięcia. Podaje ona zależność między naprężeniem ścinającym, a prędkością ścinania. Mamy trzy podstawowe rodzaje krzywych płynięcia.

Krzywa płynięcia.

lub

1 -prosta krzywa charakterystyczna dla płynów niutonowskich,a jej kąt nachylenia zależy od

2,3 - krzywa charakterystyczna dla płynów nie niutonowskich przy czym

2 tzw. krzywa rozcieńczania ścinaniem, lepkość tworzywa maleje wraz ze wzrostem prędkości ścinania

3 wraz ze wzrostem prędkości ścinania następuje wzrost lepkości.

W przypadku polimeru, który zachowuje się jak płyn nie niutonowski zagęszczany ścinaniem wraz ze wzrostem prędkości ścinania następuje wzrost lepkości tego tworzywa, a tym samym wzrost oporów ślimaka, może to w skrajnym przypadku prowadzić do jego uszkodzenia natomiast w przypadku tworzywa rozcieńczonego ścinaniem gdzie jego lepkość maleje wraz ze wzrostem prędkości ścinania, maleją też opory, ale tworzywo może być zbyt rzadkie, aby uformować wytwór w głowicy, natomiast takie tworzywo nadaje się do wtryskiwania.

Modele reologiczne

Dla zobrazowania procesów uplastyczniania i nadania im eleganckiej postaci matematycznej wprowadza się pojęcie ciała doskonałego (idealnego), które w rzeczywistości nie istnieje.

Na podstawie właściwości tego ciała buduje się model matematyczny, który w prosty sposób podaje nam zależności między prędkością ścinania, a naprężeniem ścinającym, bądź prędkością ścinania a gradientem przesunięcia.

Oczywistym jest, że takie modele stanowią tylko pewne przybliżenie procesów rzeczywistych, mają jednak one na celu przedstawienie w prostej formie.

MODELE

potęgowy Ellisa

prędkość ścinania

- prasowanie 1÷10 [s^-1]

- mieszanie 10÷5*10²

- wytłaczanie 10²÷10³

- wtryskiwanie 10³÷10⁴

- przędzenie 10³÷3*10⁴

lepko-sprężystość - ponieważ tworzywa w stanie ciekłym i uplastycznionym łączą w sobie właściwości ciał sprężystych i lepkich mówimy o nich jako o ciałach (płynach) lepko-sprężystych, z tym pojęciem wiąże się efekt Barrusa, który polega na tym, że przy wylocie tworzywa z kanału, gdzie następuje gwałtowna zmiana ciśnienia tzn. spadek ciśnienia tworzywa zmienia swoje kształty. Współczynnik Barrusa określa się dla 3 rodzajów:

β₁ - zmiany wyników liniowych kształtu

D₁ - średnica kształtu

D₀ - średnica kształtki

β₂ - zmiana powierzchni

S₁ pole przekroju kształtu opuszczającego dyszę

S₂ pole przekroju dyszy

β₃ zmiana objętości

V₁ objętość kształtu po opuszczeniu dyszy

V₀ objętość dyszy odpowiadająca kształtom

β_i zmienia się o kilkanaście do kilkudziesięciu % w stosunku do parametrów wyjściowych.

Najczęściej spotykany obszar β_i jest około 130÷250%

Wiskozymetria

Jest to dział reologii, która zajmuje się przede wszystkim pomiarami lepkości polimerów. Pomiary te przeprowadza się na podstawie szybkości przepływu polimeru znajdującego się w odpowiednim rozpuszczalniku przez rurkę o małej średnicy (kapilar) przy czym warunki przepływu, a w szczególności temperatury roztworu, jego objętości i średnica kapilary są ściśle określone.

Prawo rządzące przepływem kapilarnym nosi nazwę Hagena - Poisseuille'a

Δp. - spadek ciśnienia V - objętość płynącego roztworu t czas wypływu

R≈0,2÷0,5 mm

L≈12 cm

V≈200 cm³

Stwarzając takie warunki i określoną w normie temp. w miarę wzrostu lepkości rośnie czas przepływu.

Prawo Hagena - Poisseuille'a jest słuszne jedynie dla laminarnego przepływu cieczy odbywającego się w warunkach izotermicznych czyli stałych temperatur.

Przepływ laminarny tory cząsteczek są zgodne z kierunkiem ruchu cieczy i są w przybliżeniu równoległe.

przepływ laminarny

przepływ turbulentny

Cząsteczki cieczy poruszają się po bardzo zróżnicowanych torach. W przypadku przepływu turbulentnego prawo temperatur nie może być stosowane. Po to aby stosować to prawo do pomiaru lepkości polimeru należy zapewnić laminarny jego przepływ w kapilarze.

Miarą laminarności jest tzw. liczba Reinoldsa, która jest liczbą bezwymiarową

ρ - gęstość

V- prędkość przepływu

R - promień rurki

η - lepkość

V i R zależy od warunków przepływu

Wraz ze wzrostem prędkości przepływu dla danego promienia R liczba Reinoldsa rośnie. W przypadku cieczy małocząsteczkowych przepływ laminarny jest wówczas gdy Re≤20000. W przypadku polimerów uznajemy, że przepływ jest laminarny gdy Re≤100.

W warunkach rzeczywistych należy w równaniu Hagena - Poisseuille'a uwzględnić przyrost E_k wypływającej cieczy z kapilary oraz rozpuszczenie jej strumienia.

W związku z tym równanie na lepkość może przyjąć następującą postać:

A i B są to stałe reometru (przyrząd do pomiaru lepkości)

η≡ρ

Warunki przepływu ustala się często przez porównanie wypływu rozpuszczonego polimeru z cieczą wzorcową

Mając ciecz wzorcową o znanej lepkości η₀ i znanym czasie jej wypływu to dokonujemy pomiaru czasu wypływu badanego roztworu polimeru i lepkość oznaczamy

Warunki te dotyczą stałej objętości wypływającej cieczy i stałej temperatury. W celu uniknięcia błędów należy pomiary reologiczne przeprowadzać bardzo starannie, konieczne jest wielokrotne przedmuchiwanie kapilary powietrzem pozbawionym pyłu - czas termostatowania czyli utrzymywania badanej próbki polimeru w termostacie przy stałej temperaturze musi wynosić co najmniej 15 min.

Przyjmuje się, że regulacja temperatury w termostacie powinna zapewnić dokładność utrzymania tej temperatury na poziomie 0,01°C. Poziom czasu wypływu ustala się z dokładnością 0,1s.

A zatem parametrami decydującymi o dokładności pomiaru jest staranne ich wykonanie.

Stosowane są jeszcze 2 popularne w przemyśle metody pomiaru lepkości:

1. Metoda Englera - polega na określeniu lepkości danego roztworu polimeru jako stosunek czasu przepływu 200cm³ destylowanej wody i roztworu tego polimeru. t₀ czas wypływu 200cm³ destylowanej wody. Mierzymy w stopniach Englera.

2. Metoda H*pplera - polega na określaniu czasu opadania szklanej kulki w kapilarze.

Pomiar lepkości polega na pomiarze czasu w jakim znormalizowana kulka opadnie na dno tej probówki. Lepkość tą określa się w stopniach h*pplera. Oczywistym jest, że lepkości mierzone różnymi metodami mają różne wartości liczbowe.

Uwaga:

1. Pomiary lepkości i wynikająca z tego znajomość lepkości danego polimeru odgrywa bardzo ważną rolę w projektowaniu maszyn, narzędzi przetwórczych. Ważna jest również ze względu na projektowanie procesów technologicznych.

W większości obliczeń inżynierskich stosowanych podczas konstruowania głowic wytłaczarskich oraz form tworzywowych oraz form wtryskowych lepkość polimeru jest jednym z podstawowych parametrów.

2. Pomiary wiskozymetryczne przeprowadzane są z próbkami polimeru rozpuszczonymi w odpowiednim rozpuszczalniku. Konieczność rozpuszczania polimeru wynika z faktu, że lepkość polimerów czystych i ciekłych jest bardzo wysoka i nie były by one w stanie płynąć w kapilarze o małej średnicy.

Z drugiej strony duża liczba polimerów jest w stanie stałym i rozpuszczenie ich jest konieczne ze względu na warunki pomiaru.

Oprócz liczby Reinoldsa w reologii stosujemy jeszcze kilka innych liczb bezwymiarowych, które są parametrami przepływu. Są to liczby Mussela, Pacelta, Hagera. Liczby te mają charakter parametrów pomocniczych.

Podstawy cieplne przetwórstwa

Pod pojęciem podstaw cieplnych przetwórstwa rozumiemy przede wszystkim zagadnienia przenoszenia ciepła różnymi sposobami od ciał o wyższej temperaturze do ciał o niższej temperaturze.

Temperatura (T) jest miarą stanu cieplnego danego ciepła.

Ciepło (Q) jest normą energii jaką mają cząsteczki danego ciała.

W przypadku przepływu ciepła mamy trzy podstawowe jego rodzaje, są to: przewodzenie ciepła, konwekcja, promieniowanie.

W podstawach cieplnych przetwórstwa zajmujemy się warunkami przepływu ciepła oraz modelami matematycznymi opisującymi ten proces.

Fizyka procesów cieplnych jest dobrze znana w przypadku metali oraz związków małocząsteczkowych. W przypadku polimerów brak jest konkretnych teorii i modeli opisujących ten proces. Wynika to stąd, że polimery są niejednorodne pod względem masy cząsteczkowej i niejednorodne pod względem ich budowy. Procesy cieplne przebiegają w różny sposób w fazie amorficznej i w fazie krystalicznej stąd dokładny, uniwersalny ich opis nie jest praktycznie potrzebny.

W przypadku przepływu ciepła ważne są następujące pojęcia:

t - [K][*C] - temperatura

Q - [J] [kJ] - ilość ciepła

Q^o - [W] [kW] - strumień ciepła, moc[wat] (ilość energii przechodzącej przez

daną powierzchnię w ciągu 1s.)

q^o - [W/m²] - gęstość strumienia ciepła

Ważnym pojęciem jest:

Pole temperatury - jest to obszar przestrzenny, w którym każdemu jego punktowi przyporządkowana jest pewna wielkość zwana temperaturą.

t=f(x,y,z,T) T- czas

Proces dynamiczny, w którym temperatura zmienia się nie tylko wraz ze zmianą przestrzeni ale w czasie.

Uproszczony jest proces tarcia? t=f(x,y,z)

Przewodzenie ciepła opisane jest równaniem Fouriera:

q⁰v - natężenie objętościowe wewnętrznego źródła ciepła [W/m²]

λ - przewodność ciepła [W/mK]

Podstawowym obszarem naszych badań jest przewodzenie ciepła. Polega ono na przekazywaniu energii cieplnej przez stykające się drobiny i atomy lub przez dyfuzję swobodną roztworów.

Przewodzenie występuje we wszystkich rodzajach stanu skupienia z tym, że jest szczególnie dominujące w przypadku ciał stałych. Równanie to dotyczy przede wszystkim sytuacji:

Przegroda płaska

Warunki brzegowe przepływu wzdłuż X:

b - grubość przegrody

λ - rodzaj materiału

t₁ - temp. ścianki zewnętrznej

t₂ - temp. ścianki wewnętrznej

Zgodnie z równaniem Fouriera:

dt= Δt = t₁-t₂ dx = Δx = b

Rc - oporność cieplna

Dla całej ściany o powierzchni A

Jeżeli mamy ścianę o powierzchni A i grubości b z materiału rodzaju λ i pomierzymy temperaturę na krańcach to otrzymamy .

Wzór ten służy do obliczeń cieplnych wykonanych podczas konstruowania maszyn przetwórczych.

Podobnym przypadkiem jest przepływ ciepła przez ściankę trójwarstwową.

Natężenie strumienia ciepła obliczane jest na podstawie zmiennych t₁ i t₄ (nie jest konieczna znajomość t₂ i t₃ ) oraz na podstawie znajomości grubości poszczególnych ścianek i ich przewodności cieplnej.

Ścianka rury o przekroju kołowym.

ale

Ilość ciepła jaka przepływa przez rurę jest wprost proporcjonalne do temp ścianek wewnętrznej i zewnętrznej i odwrotnie proporcjonalne do

Rozkład temperatury jest nieliniowy. Ten model jest bardzo ważny w praktyce, gdyż na jego podstawie prowadzi się obliczenia cieplne dla przepływu ciepła w cylindrach wtryskarek i wytłaczarek.

Przenikanie ciepła: płyn - przegroda - płyn

t₁,t₄ - ośrodek w postaci płynu

λ - współczynnik przenikalności cieplnej

α - współczynnik wnikania

Wyszukiwarka