Технологія виготовлення полімерних труб та сполучних деталей

Виготовлення всіх термопластичних труб, у тому числі металопластикових, поліпропіленових та армованих поліпропіленових виробляється на трубних лініях. Принциповий вигляд та окремі складові елементи такої лінії показані малюнку 1.

Мал. 1. Принципова класична схема технологічної лінії з виробництва полімерних труб методом екструзії:1 - змішувач компонентів, 2 - завантажувальний пристрій, 3 - екструдер, 4 - екструзійна головка, 5 - калібрувальний пристрій, 6 - охолоджувальна ванна, 7 - тягнуча 8 - маркувальний пристрій, 9 - намотує пристрій - барабан; застосовується під час випуску труб бухтами; 10 - відрізний пристрій; застосовується під час випуску труб відрізками.

Труби з термопластів виготовляють на спеціальних машинах - екструдерах, методом екструзії - безперервним видавлюванням в'язкотекучого полімеру через його робочу, вихідну частину - головку, що має кільцеву щілину, яка безпосередньо і утворює трубу.

Повністю технологічна схема виготовлення металополімерних труб і послідовність операцій виглядають таким чином:

1 — приймання сировини — поліетиленові гранули, алюмінієва стрічка, склад, що клеїть та ін., складування вихідних матеріалів,
2 - дозування та змішування компонентів,
3 - екструзія поліетиленового внутрішнього шару труби (5-й шар на рис. 2),
4а - екструзія клеючого складу (4-й шар) на зовнішню поверхню виготовленої поліетиленової труби,
5 - формування плоскої алюмінієвої стрічки в циліндричну оболонку (3-й шар), що впритул охоплює без нахлеста попередні виконані 2 шари (інші виробники виробляють формування оболонки зперекриттям - нахлестом - стрічки),
6 - поздовжнє (за утворює) зварювання встик країв алюмінієвої оболонки,
7 - контроль якості зварного шва,
8 - індукційне нагрівання отриманого виробу,
4б - екструзія клеючого складу (2-й шар) на зовнішню поверхню алюмінієвої оболонки,
9 - екструзія поліетиленового зовнішнього (першого) шару труби,
10 - охолодження готового виробу та маркування труби,
11 - різання труби на мірні відрізки, або - 12,
12 - намотування труби в бухти,
13 - контроль на герметичність,
14 - упаковка труби,
15 - складування готової продукції.

Робочим органом екструдера, рис. 3, є черв'як (шнек), що обертається, зазвичай з поступово зменшується до виходу діаметром гвинтового каналу. Вихідна сировина у вигляді гранул захоплюється черв'яком і просуваючись у зазорі між внутрішньою стінкою корпусу екструдера і каналом черв'яка, стискається (тиск досягає 15 - 50 МПа), розігрівається, пластицируется і гомогенезується. Тепло, необхідне для розігріву та пластикації, підводиться від електронагрівачів, встановлених на корпусі екструдера, а також виділяється внаслідок інтенсивного деформування полімеру та тертя його об стінки корпусу та черв'яка.

Мал. 3. Схема черв'ячного екструдера:1 — екструзійна головка, 2 — гвинтовий черв'ячний вал, шнек, 3 — втулка шнека, 4 — завантажувальний бункер, 5 — електронагрівачі, 6 — термопари для контролю температури, 7 — подача та відведення циркуляцій води, 8 - канали для водяного охолодження, 9 - електродвигун, 10 - редуктор, 11 - еластична муфта.

Мал. 4. Зовнішній вигляд сучасного екструдера: 1 - екструзійна головка, 2 - подвійний черв'ячний вал, 3 - завантажувальний бункер, 4 -дозатор, 5 – редукторна варіаційна система, 6 – асинхронний електродвигун, 7 – ємність водяного охолодження, 8 – блок термоконтролю зон нагріву розплаву по довжині черв'ячного валу, 9 – насос системи мастила, 10 – пульт управління.

Екструзійні головки конструктивно розроблені в численних варіантах прийому компонентів, що надійшли в них, і виходу розплаву композиційної маси полімеру, при яких може бути виготовлена однорідна за матеріалом труба, також труба з двох (трьох) матеріалів, що розрізняються, наприклад, за кольором або властивостями, технологічний процес, при якому одночасно екструдуються два або більше компонентів полімерної маси, називається соекструзія (з - extrusion) і одна з можливих схем такого процесу представлена на рис. 4.

Мал. 4. Принципова схема процесу співекструзії при виготовленні триколірної труби (подача трьома шнеками розплаву до кільцевої щілини головки)

Подача розплаву з екструзійної головки може відбуватися в поздовжньому, або в поперечному напрямку щодо осі труби, що виробляється. У першому випадку матеріал формується безпосередньо в трубу шляхом виходу полімерної маси через кільцеву щілину. У другому випадку матеріал видавлюється і наноситься на інший готовий виріб, що проходить через головку екструдера. Роль внутрішньої стінки труби, що виготовляється, при цьому варіанті виконує зовнішня стінка попередньо зробленої труби.

Калібрувальний пристрійвиконує роль початкового охолодження відформованої труби. Калібрування - забезпечення точних розмірів виробу в межах допуску - проводиться за внутрішнім або зовнішнім діаметром труби в залежності від вимог, що висуваються до виробу.

Оскільки температура отриманого виробу на виході з екструдерноїголовки досить висока, близька до температури розплаву: у поліетилену високої щільності 170-280 °С, а у пропілену 204-218 °С, то після екструдера встановлено охолодний пристрій. Воно призначене для охолодження готової труби і надання їй жорсткості і виконане у вигляді подовженої відкритої або закритої проточної водяної ванни, розділеної на кілька самостійних відсіків. Труба у ванні знаходиться під рівнем води тому герметизація відсіків, при вході та виході труби з ванни досягається установкою гумових манжет, круглий отвір у яких трохи менше діаметра полімерної труби.

Відтягування труби від екструдера і подальше її переміщення по технологічній лінії проводиться пристроєм, що тягне гусеничного типу.

Маркувальний пристрій, здійснює нанесення необхідних даних на зовнішню поверхню труби. Якщо раніше маркування труб проводилося механічним способом - гарячим штампуванням з поглибленням маркувального штампу в тіло труби на величину 0,1-0,2 мм, то тепер на сучасному етапі технічного прогресу дана операція виконується комп'ютером, що подає команди на фарбо-розпилювальний пристрій (наприклад, у вигляді струминного принтера), що наносить на зовнішню поверхню труби інформаційні відомості, що циклічно повторюються.

Відрізний пристрій, налаштований на певну, задану довжину різання, спрацьовує автоматично, від кінцевого вимикача. Так як труба знаходиться в постійному поступальному русі при її формуванні, то і відрізний пристрій при різанні також переміщується зі швидкістю руху труби.

Герметизація бухти в процесі виробництва досягається механічним перетисканням (сплющуванням) поперечного перерізу труби. За цим перетиском проводиться різання труби ножицями. Один кінецьперерізаної герметичної ділянки є закінченням потрібної довжини бухти (визначається за нанесеним маркуванням погонних метрів), що намотується на барабан, а інший кінець перерізаної ділянки, також герметичний, служить початком нової бухти, що намотується на другий - вільний барабан лінії.

Процес отримання поліпропіленової труби екструзією виконується одностадійно, на відміну від екструзії металопластикової труби тут відсутні операції з нанесення шарів, що клеять, і створення алюмінієвої оболонки.

Перевага екструзійного способу виробництва в тому, що він забезпечує безперервність та стабільність процесу, точність розмірів та високу якість виробу, високу продуктивність, легкість регулювання та автоматизацію процесу.

Зважаючи на еластичність полімеру і малої товщини стінок, труби, що виготовляються, гнучкі і це дозволило, випускаючи їх необмеженою довжиною, виробляти намотування труб у бухти, а не нарізати відрізками по 4 - 6 м.

Процес отримання армованих поліпропіленових труб способом екструзії поповнюється включенням в трубну лінію додаткового технологічного обладнання.

Технологічний режим екструзії труб і, якість труби залежать від багатьох чинників: хімічного складу вихідної сировини з набором добавок, технічної досконалості складових елементів технологічного устаткування, останніх досягнень технології переробки пластмас лише на рівні ноу-хау ("know-how", в дослівному перекладі з англійської - "знаю як").

Розглядаючи технологію виготовлення термопластичних труб необхідно зупинитися на самому матеріалі труб. Він є композицією, до складу якої крім основного матеріалу: поліетилен або поліпропілен, входять різні добавки: наповнювачі, пластифікатори,стабілізатори, пом'якшувачі (змащувальні речовини), пігменти та барвники, антистарителі, затверджувальні добавки. Кожен з цих компонентів надає полімерній масі певні властивості, а в сукупності, виходить композиційна технологічна марка, вироби з якої мають технічні характеристики, що задаються. За наявності ринкової конкуренції отримана марка розробником-технологом з набору компонентів не розкривається, це ноу-хау фірми.

У разі застосування пластмас для господарсько-харчових цілей, компоненти сировинної марки не повинні шкідливо впливати на живий організм і тому вони проходять тести на відповідність їх гігієнічним вимогам.

Сировинна марка полімеру виготовляється і поставляється у вигляді гранул - кулястих, циліндричних, сочевицеподібних, або інших округлих "зернят" малого розміру, максимальним діаметральним розміром близько 3 мм або у вигляді суспензійних порошків.

Покажемо призначення добавок окремо.

Наповнювачі- нейтральні до полімеру речовини органічного або нейтрального походження, що додаються для економії самого полімеру і в той же час надання йому цінних експлуатаційних властивостей: механічної міцності, термостійкості і т.д. Як наповнювачі застосовують бавовняну і азбестову тканину, склотканину, синтетичне волокно і скловолокно; у вигляді порошків: двоокис титану, оксиди заліза та кремнію, карбонат кальцію, азбест, графіт, сажу, тальк, слюду, каолін, деревне борошно та ін. Наповнення може досягати 60%, а кількість вихідного полімеру складати 40%. При введенні до складу полімерної композиції газоутворювачів одержують газонаповнені, спінені пластмаси - пінопласти.

Пластифікатори- речовини, що знижують температуру переходу полімеру в текучепластичний стан і при нагріванні зменшують в'язкість полімеру, тим самим збільшуючи рухливість макромолекул і полегшуючи переробку полімеру вироби. Збільшення кількості пластифікатора знижує міцність полімеру на розтяг і стиск, але при цьому різко підвищується міцність на удар і здатність до розтягування. Як пластифікатори застосовують рідкі маслоподібні речовини: фталати, алкіл- і арилфосфати та ін. При введенні великої кількості пластифікатора до 30 - 50% полімер називають пластифікованим.

Стабілізатори- речовини, які уповільнюють старіння полімерів, роблять їх менш чутливими до дії сонячних променів (світлостабілізатори), кисню, тепла, дозволяють продовжити термін експлуатації.

Пом'якшувачі(змащувальні речовини) призначені для зменшення тертя як між полімерною композицією та металевими оформляючими поверхнями переробного обладнання, так і зниження внутрішнього тертя в самій масі полімеру. Вводять у композицію для полегшення проштовхування розплаву полімеру через формувальну насадку. Приклади мастил: парафін, віск, жирні кислоти, спирт, стеарин, солі стеаринової кислоти.

Красники і пігментинадають полімеру необхідне забарвлення виробу, яке, торкаючись труб, розрізняє вироби різних фірм-виробників, що мають тільки їй один притаманний, зареєстрований фірмовий колір виробів, і в той же час дає можливість оцінити призначення труби - холодне , гаряче водопостачання, опалення та доступність візуального контролю правильності застосування труби для даної санітарно-технічної системи. Приклади барвників: двоокис титану, окису заліза, алюмінієва пудра (надає виробу перламутровий металевий блиск), пігменти — червоний, оранжевий, блакитний, зелений, коричневий іін.

Антиоксиданти (антистарителі)- продовжують довговічність труби. Отвердяючі речовини сприяють переходу полімеру в неплавкий, затверділий стан. Сутність затвердіння полягає у зшиванні молекулярних ланцюгів. Як затверджувачі застосовують поліаміни.

До її обов'язків входять наступні періодичні випробування пробних зразків безпосередньо з технологічного процесу, що проводяться у визначені Методикою перевірки або Інструкцією терміни:

гравіметричні:

зважування на електронних вагах стандартного зразка труби для визначення його маси та відповідності її еталону

механічні:

визначення мікрометром товщини стінок труби
розрив кільцевого зразка труби з метою визначення якості зварного шва алюмінієвої оболонки

гідравлічні:

визначення руйнівного тиску зразка труби
випробування серії зразків труб на довговічність шляхом моделювання прискореного режиму експлуатації зразків, поміщених у гарячу ванну та під робочим гідростатичним тиском.

Вихідним матеріалом для з'єднувальних деталей служать: латунь для МП труб і поліпропілен для ПП і ПП армованих труб.

Латунні з'єднувальні деталі виготовляють на високопродуктивних автоматах гарячого штампування з подальшою механообробкою.

Поліпропіленові з'єднувальні деталі, включаючи також і комбіновані із заставними латунними вкладишами, виробляють на термопластавтоматах під тиском.