4 Основы технологии ГИМ
Технология – наука о процессах и способах производства. Химическая технология – наука о методах и процессах химической переработки сырья в продукты, материалы и изделия.
При большом разнообразии технологии ГИМ можно выделить ряд типичных процессов и переделов общих для многих технологий. К ним относятся: подготовительные работы, перемешивание отдозированных компонентов, формование смеси и ее уплотнение, специальная обработка материалов и изделий.
4.1 Подготовительные работы
Цель подготовительных работ – придание сырью технологичного состояния, удобного для прохождения его по всей последовательности технологических операций. В них входят: дробление, помол, распушка и другие способы диспергирования сырья; фракционирование и очистка поверхности частиц; обогащение, т.е. повышение однородности сырья по массе и по качественным показателям. Эти операции зачастую совмещаются с физико-химической обработкой с целью повышения активности поверхности частиц или изменения ее полярности, поверхностного натяжения и др. К подготовительным операциям относятся также нагревание компонентов, высушивание и увлажнение.
4.2 Перемешивание
Перемешивание отдельных сырьевых компонентов и всей смеси – основная технологическая операция. При перемешивании наблюдаются процессы смачивания, растворения, набухания, формирования гетерогенных многофазных систем.
В производстве кровельно-гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, особенно с использованием полимеров, выбор типа смесителя определяет качество перемешивания, структуру (на микро- и макроуровне) готовой продукции.
Наиболее распространено механическое перемешивание в роторных смесителях принудительного действия.
Основой частью таких смесителей служит ротор, т.е. вращающийся вал с насаженным на нем фигурным валком. В рабочей камере смесителя расположены два валка, вращающихся навстречу друг к другу с разными скоростями. В камеру с помощью плунжера периодически подается перемешиваемая масса из отдозированных компонентов. Выгрузка перемешанной смеси осуществляется через днище, оборудованное скользящей дверцей, приводимой в действие пневмоцилиндром.
1 – загрузочная воронка; 2 – откидная дверца; 3 – пневматический цилиндр; 4 – запирающее устройство; 5 – камера смесителя; 6 – фигурные смесительные роторы; 7 – фундаментная чугунная плита; 8 – скользящая дверца разгрузочного устройства; 9 – пневматический цилиндр для перемещения нижнего затвора
Рисунок 12 – Роторный смеситель
Наряду с роторными используются смесители других конструкций как периодического, так и непрерывного действия: барабанные – стальные цилиндры, вращающие на цапфах; лопастные – имеют два лопастных вала, вращающихся навстречу друг к другу с разной скоростью и перемешивающие смесь в горизонтально либо вертикально расположенном корпусе; валковые – со смешением на вальцах, вращающихся навстречу друг другу при некотором зазоре между ними; червячные – типа шнеков; гравитационные – со свободным перемешиванием при падении смеси под действием силы тяжести.
Смесители СМБ. Имеют два вала, оборудованные Z-образными лопастями и расположенными в корпусе, состоящем из двух полуцилиндров. Привод от электродвигателя осуществляется на один из роторов, а на второй передается через шестереночную пару, расположенную снаружи корпуса. Смесь пластифицируется при прохождении ее через узкий зазор между корпусом и поверхностью ротора.
Рисунок 13 – Схема смесителя СМБ
Для выгрузки готовой смеси корпус посредством винтового механизма поворачивается вокруг оси приводного вала ротора на угол от 120° до 130°.
Некоторые смесители СМБ разгружаются посредством шнека, расположенного в нижней части корпуса. Рабочий объем смесителей: 100, 200, 400, 600 дм3.
Резиносмеситель (РС). Перемешивание осуществляется двумя роторами. У смесителя вместо крышки корпуса сверху располагается поршень с пневматическим приводом. В закрытом положении поршень увеличивает поверхность пластификации и качество ее. Возрастает производительность смесителя. Смесь выгружается через низ рабочей камеры, днище которой состоит из двух створок, открывающихся при помощи гидропривода. Рабочий объем смесителей 72, 250 и 600 дм3.
Шнековые смесители. Представляют собой корпус, в котором размещены два вала с насаженными на них кулачками. Кулачки обоих роторов по длине имеют различную форму двоякой кривизны или треугольную с выгнутыми наружу поверхностями. Корпус имеет паровую рубашку, штуцера для подачи компонентов. Роторы вращаются синхронно в одну сторону; вращение передается от электродвигателя и редуктора через систему шестерен. Мощность привода смесителя СН-800 – 180 кВт при числе оборотов n=80 мин-1. Производительность смесителя – от 1,5до 2,0 т/ч. Работают по принципу непрерывного процесса.
Недостатки:
1) высокая стоимость;
2) небольшая загрузка перемешиваемой массы;
3) способность возвращать массу с последующих участков на предыдущие;
4) большая масса смесителя.
Смесительные вальцы. Используется для приготовления резиновых смесей и пластмасс. По эффективности уступают другим конструкциям смесителей, но вследствие простоты конструкции, обслуживания и низкой стоимости имеют широкое применение. Конструктивно представляют собой два массивных полых вала, установленных на станине. Один валок смонтирован в неподвижных корпусах подшипников, другой в подвижных (могут вручную либо механическим путем перемещаться по станине в направлении перпендикулярном оси валка для регулирования зазора между валками). По центру оси валков (во внутренней полости) устанавливается труба для подачи (при необходимости) воды для охлаждения или пара для обогрева.
1 – плита станины; 2 – станина; 3 – ограничивающая стрела; 4 – траверса; 5 – привод механизма перемещения переднего валка; 6 – валки; 7 – поддон
Рисунок 14 – Схема смесительных вальцов (поперечный разрез)
Валки приводятся во вращение от одного привода через редуктор и шестереночную пару. Валок, расположенный в неподвижных подшипниках, вращается с большей скоростью, нежели валок, расположенный в подвижных подшипниках. Различие в скорости вращения валков определяется коэффициентом фрикции – отношением большей скорости вращения к меньшей. Значение коэффициента фрикции – от 1,05 до 1,25.
Вальцы могут работать как по периодическому, так и непрерывному принципу действия.
Периодический процесс работы: на предварительно нагретые валки загружаются исходные компоненты раздельно в определенной последовательности и соотношении. Загруженный материал затягивается в зазор между валками, подвергаясь при этом сжатию и пластификации, возникающей из-за разной скорости вращения валков.
1 – валок несущий; 2 – валок смешивающий; 3 – масса в запасе; 4 – масса на несущем валке
Рисунок 15 – Смесительные вальцы периодического действия
В первые моменты обработки материал не имеет достаточной пластичности, а на выходе из зазора между валками стремится принять первоначальную форму или разрывается на куски. Эти куски падают на поддон вальцов или транспортер и возвращаются обратно на вальцы.
Под действием нагрева от вальцов и механического сжатия материал нагревается, когезионные силы ослабевают, адгезия возрастает и он начинает налипать на валки, а затем преимущественно к более нагретому и быстро вращающемуся несущему валку. На нем впоследствии он и формируется в виде пластины, толщина которой зависит от величины зазора между валками. Загружаемый материал должен полностью покрыть весь несущий валок, а в зазоре должно остаться некоторое количества массы, которая размещается над зазором в виде валика, вращающегося при работе валков в ту же сторону, что и несущий валок.
Эффективность смешения зависит от запаса массы на валках (смотри рисунок 16).
а – малый объем запаса массы; б – средний объем запаса массы; в – большой объем запаса массы
Рисунок 16 – Кинетика движения отдельных слоев массы при работе смесительных вальцов
При малом ее запасе очень небольшое количество подвергается пластификации (только запас); при чрезмерном запасе внутренние слои ее не перемешиваются – «мертвый запас». И только при умеренном запасе наблюдается интенсивная пластификация. В этом случае верхние слои массы на несущем валке при подходе к запасу теряют скорость и меняют направление. Происходит активный сдвиг между отдельными слоями при одновременном активном перемешивании за счет различных скоростей движения отдельных слоев массы. При подходе к зазору между валками оба этих слоя захватываются валками и втягиваются в зазор. При этом происходит пластификация и интенсивное смешение, т.к. ранее контактировавшие слои подходят к зазору в разное время.
Непрерывный процесс вальцевания массы осуществляют путем загрузки грубой смеси исходных компонентов на один конец валков и снятия такого же количества смеси с противоположного. Поскольку в месте подачи смеси компонентов диаметр валика запаса максимальный, то при его вращении он стремится выровняться, за счет чего наблюдается перемещение массы в сторону меньшего диаметра запаса (к разгрузочному концу).
Смешение массы происходит, таким образом, как за счет смещения ее слоев в радиальном направлении, так и в осевом, т.е. масса перемещается по винтовой линии. При недостаточной степени перемешивания срезаемую массу передают на другие вальцы.
1 – несущий валок вальцов; 2 – холостой ход вальцов; 3 – вход массы; 4 – смешиваемая масса; 5 – ограничивающая среда; 6 – выход массы
Рисунок 17 – Смесительные вальцы непрерывного действия
Роторно-эксцентриковые смесители (РЭС). Эти смесители просты в изготовлении, менее металлоемки, дешевы. Могут работать по периодическому и непрерывному циклам. Производительность их высока, т.к. рабочим пространством у РЭС является вся рабочая загрузка смесителя, в то время как у вальцов рабочий объем – только запас между валками.
РЭС конструктивно представляет собой корпус цилиндрической формы при однороторном типе или сдвоенную цилиндрическую форму при двухроторном исполнении.
1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – люк для загрузки компонентов; 4 – люк для выгрузки готовой смеси; 5 – корпус ротора; 6 – вал ротора; 7 – кулачки ротора
Рисунок 18 – Однороторный роторно-эксцентриковый смеситель
Однороторный смеситель состоит из корпуса и крышки, соединенных при помощи фланцев. Внутри корпуса размещен ротор, состоящий из полого вала, на котором эксцентрически размещены цилиндрические кулачки. На последней модификации на валу установлено 18 полых кулачков диаметром 450 мм, шириной 100 мм и эксцентриситетом 25 мм. Кулачки устанавливаются на валу таким образом, чтобы угол между их максимальными радиусами был равен 120 градусам; их поверхность образует винтовую линию. Расстояние между гребнем зубцов корпуса и максимальным радиусом кулачка от 5 до 10 мм.
Корпус внутри имеет зубчатую поверхность; зубцы располагаются вдоль корпуса. Угол зубцов при вершине 90 °. Одна из плоскостей зубца и касательная к максимальному радиусу кулачка образует угол 30 °, а другая плоскость – 60 °. Ротор вращается в таком направлении, чтобы масса надвигалась на меньший угол. Корпус сварен из уголков, снаружи к которым привариваются такие же уголки. В образующиеся полости подается пар или горячая вода. Крышка разделена по длине на шесть отсеков; в крайних отсеках расположены загрузочный и разгрузочный люки. Ротор вращается со скоростью от 30 до 50 мин-1.
Работа смесителя протекает следующим образом. Компоненты загружают в загрузочный люк. Попадая в зазор между кулачками и зубцами, материал при вращении ротора сжимается. Одни слои его сжимаются относительно других и материал подвергается активной пластификации. Масса также выдавливается и в боковом направлении относительно плоскости кулачка. Наблюдается перемещение массы в осевом направлении. При непрерывном процессе масса выгружается в противоположном загрузочному конце смесителя; при периодическом она возвращается в начало смесителя по пространству, огороженному специальными заслонками.
Недостатком однороторного смесителя является то, что при загрузке крупных кусков компонентов может возникнуть заклинивание ротора. Поэтому загрузка смесителя осуществляется постепенно, что снижает его производительность. Этого недостатка лишен двухроторный смеситель с рабочим объёмом 60 дм3 (смотри рисунок 19).
Червячные машины. Могут заменить вальцы, смесители и даже каландры. Являются агрегатами непрерывного действия. Представляют собой цилиндрический корпус, в котором вращается вал (червяк). Материал загружается в загрузочное отверстие, разрезается, перемешивается и перемещается червяком к выходному отверстию, в котором отдельные частицы смеси спрессовываются и выдавливаются через отверстие мундштука в виде жгутов, труб, пластин в зависимости от необходимости.
Качество готовой смеси оценивается по её однородности, критериями которой являются величина дисперсии, среднеквадратичное отклонение, коэффициент однородности, показатель вариации. Последний должен отвечать нормативам и не превышать 4 % для хорошо перемешанных смесей.
1- загрузочный патрубок; 2 – разгрузочный патрубок; 3 – привод ротора; 4 – полумуфта привода; 5 – корпус; 6 – вал ротора; 7 – станина; 8 – кулачкиэксцентрики
Рисунок 19 – Двухроторный роторно-эксцентриковый смеситель
4.3 Формование
Формование является одной из наиболее важных технологических операций, позволяющей получить изделия определенной формы и размеров. В технологии гидроизоляционных материалов наиболее распространенной операцией формования является каландрирование. Схема производства пленочных ГИМ, на которой наряду с каландрированием показаны и другие технологические операции, представлена на рисунке 20.
1 – емкости гранулированных полимеров; 2 – склад каучукообразных материалов; 3 – ёмкости битума и антисептика; 4 – насосы; 5 – трёхходовые краны; 6 – дозаторы битума и антисептика; 7 – нож для резки каучука; 8 – дозаторы гранулированных полимеров; 9 – весы для каучукообразных полимеров; 10 – вальцы для пластикации каучука; 11 – смеситель; 12 – вальцы; 13 – шприц-машина со щелевой головкой; 14 – каландр; 15 – охлаждающий транспортер; 16 – посыпное устройство; 17 – намоточный станок
Рисунок 20 – Технологическая схема производства (смешение, формование и уплотнение) пленочных материалов
Каландр представляет собой механизм, применяемый для формования пленочного материала из предварительно перемешанной смеси. Основным элементом конструкции является станина, на которой монтируется от двух до пяти валков диаметром до 600 мм и длиной до 2 м. Схема расположения валков представлена на рисунке 21.
а – двухвалковые с вертикальным (1) и горизонтальным (2) расположением валков; б – трехвалковые с вертикальным (1), Г-образным (2) и треугольным (3) расположением валков; в – четырехвалковые с вертикальным (1), Г-образным (2) и Z-образным расположением валков
Рисунок 21 – Расположение валков в каландрах
Валки полые и имеют по окружности отверстия для подачи в них теплоносителя с целью регулирования температуры поверхности валков. Валки могут вращаться с одинаковой либо различной скоростью как за счет фрикционного контакта, так и от своего вала редуктора. Относительно друг друга валки располагаются по вертикали, по горизонтали, Г-образно, L-образно, по треугольной схеме. Каждый валок, как правило, имеет свою температуру поверхности.
На каландры смесь подается после предварительной обработки в смесителях (роторном), вальцевания, а иногда и после пропускания через шприц-машину, из которой масса выходит в виде пластин толщиной от 5 до 8 мм с необходимой температурой.
Каландрируют резиновые и полимерные смеси. Скорость каландрирования до 30 м/мин. Температура первых двух каландрирующих валков находится в пределах от 50 °C до 90 °С. При работе каландра на заданном режиме толщина пленки определяется и регулируется автоматическими приборами. В процессе каландрирования с формированием пленки осуществляется вытягивание, перемешивание, прессование и истечение. На рисунке 22 показаны схемы взаимодействия валков и каландриуемой массы.
1 – подача массы с лотка с большим запасом; 2 – подача массы с лотка с нормальным запасом; 3 – подача массы со шприц-машины (наилучший вариант); 4 – подача массы без лотка с большим запасом; 5 – подача массы без лотка с нормальным запасом; 6 – нормальный процесс каландрования
Рисунок 22 – Схема взаимодействия валков каландра и каландрируемой массы
Кромки образующегося полотна обрезаются с обеих сторон на ширину от 50 до 70 мм, что устраняет сбег ленты со средней линии, исключает усадку полотна, имеющую место по краям пленки. Для исключения слипания пленки в рулонах её перед намоткой посыпают тальком. Намотка осуществляется на бумажные втулки или деревянные скалки. Схема намоточного станка представлена на рисунке 23.
1 – стойки; 2 – корпуса подшипников; 3 – запорное устройство; 4 – ось ведущего привода; 5 – диск фракционный стационарный; 6 – шкив тиксотропный ведомый; 7 – штурвал регулировки силы прижатия ведомого шкива к фрикционному диску; 8 – шкив тиксотропного привода (ведущий); 9 – редуктор червячный; 10 – квадрат скалки
Рисунок 23 – Схема намоточного станка
К формованию и уплотнению относят ещё две технологические операции – экструзия и прессование.
Экструзия – это операция непрерывного выдавливания размягченного материала через отверстие определенного сечения – мундштук. Осуществляется в экструдере – шнековом (червячном) либо с помощью шприц-машины, представленной на рисунке 24.
Прессование осуществляют с помощью обогреваемых прессов при изготовлении листовых материалов и плит. В технологии гидроизоляционных материалов таким образом перерабатывают термореактивные полимеры. Обогрев прессов осуществляется паром или водой. Усилие прессования – от 100 до 500 кН.
1 – редуктор с электродвигателем; 2 – загрузочный люк; 3 – шнек; 4 – корпус; 5 – щелевая головка; 6 – позонный обогрев корпуса
Рисунок 24 – Шприц-машина со щелевой головкой
Вспенивание – способ изготовления пористых герметизирующих прокладок и жгутов обработкой жидких или вязкотекучих полимеров с помощью газов. Последние выделяются при протекании реакций между компонентами или при разложении порофоров, выделяющих газ при нагревании до температуры текучести полимера. Порофоры – (NH4)2CO3 и NaHCO3, для которых характерны обратимые термические разложения и органические соединения – необратимые разложения.
Напыление – нанесение вещества в дисперсном состоянии на поверхность изделий или полуфабрикатов для получения тонких пленок, предохраняющих изделие от коррозии или физического износа. Используют порошкообразные полимеры, которые наносят на подогретую поверхность защищаемой конструкции. Последующее самослипание напыленных частиц создает покрытие в виде сплошной пленки. Для напыления используют газопламенный, вихревой и псевдоожиженный способы.
Пропитка и допропитка кровельного картона горячим битумом и битумнополимерной массой – одна из важнейших операций в технологии гидроизоляционных материалов. Процесс проводится в пропиточных ваннах при температуре 180-200°С. При погружении картона в расплавленный битум наблюдается испарение влаги с поверхности волокон. Часть пара, устремляясь во внутренние слои картона, подсушивает его и частично защемляется там битумом. Благодаря этому до 30 % пор остается незаполненными битумом. Для большей полноты пропитки необходимо охладить полотно картона от 180 °С до 140 °C (воздухом либо более холодным битумом); при этом перегретый пар сорбируется волокнами картона, что способствует допропитке картона битумом.