PL206198B1 - Sposób wytwarzania ciągłej taśmy do separatora taśmowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Dziedzina wynalazku

Przedmiotowy wynalazek dotyczy ruchomej taśmy, która może być stosowana w separatorze taśmowym do rozdzielania mieszaniny cząstek opartego na nadawaniu cząstkom ładunku elektrycznego, a bardziej szczegółowo dotyczy on udoskonalonej taśmy i sposobu wytwarzania taśmy.

Stan techniki

Układy separatorów taśmowych (BSS- belt separator system) są stosowane do rozdzielenia składników mieszanin cząstek opartego na ładowaniu różnych składników za pomocą kontaktu stykowego (efekt tryboelektryczny - tj. wytwarzanie statycznych ładunków elektrycznych za pomocą tarcia). Fig. 1 przedstawia układ separatora taśmowego 10 ujawniony powszechnie w patentach US 4 839 032 i US 4 874 507, które są tu powołane w całości. Jedno z wykonań układu separatora taśmowego 10 obejmuje równolegle rozstawione elektrody 12 oraz 14 i 16 umieszczone w kierunku wzdłużnym i wyznaczające wzdłużną linię środkową 18, oraz taśmę 20 przemieszczającą się w kierunku wzdłużnym pomiędzy rozstawionym i elektrodami, równolegle do wzdłużnej linii środkowej. Taśma 20 tworzy ciągłą pętlę napędzaną parą końcowych walców 22, 24. Mieszanina cząstek podawana jest na taśmę 20 w obszarze podawania 26 pomiędzy elektrodami 14 i 16. Taśma 20 zawiera przeciwbieżnie przemieszczające się segmenty taśmy 28 i 30, które przemieszczają się w przeciwnych kierunkach w celu przenoszenia składników mieszaniny cząstek wzdłuż elektrod 12 oraz 14 i 16.

Jako jedyna część ruchoma, taśma 20 stanowi krytyczny komponent układu BSS. Taśma 20 przemieszcza się z wysoką prędkością, np. około 40 mil na godzinę, w ekstremalnie ściernym środowisku. Segmenty taśmy 28 i 30, przemieszczają się w przeciwnych kierunkach, równolegle do wzdłużnej linii środkowej 18, a więc jeśli się zetkną ich względna prędkość wyniesie około 80 mil na godzinę. Znane taśmy tkane były z włókien elementarnych odpornych na ścieranie. Taśmy te były dość drogie i wytrzymywały jedynie około 5 godzin. Rodzaj zużycia stanowił typowo wzdłużne pasy zużycia wywołane wzdłużnym marszczeniem, co powodowało wzdłużne przecieranie taśmy na wylot tak, że taśma rozpadała się i zahaczała się o siebie. Włókna zużywały się także w miejscach skrzyżowań wzajemnych i naciągu przy przemieszczaniu przez separator. Zgłaszający starał się ulepszyć takie taśmy przez stosowanie różnych materiałów i różnych splotów, dla uzyskania tkanego materiału o dłuższej żywotności. Próby te jednak zakończyły się niepowodzeniem.

Taśmy obecnie stosowane w BSS 10 wytwarzane są z materiałów otrzymywanych przez wytłaczanie, które posiadają większą odporność na ścieranie od pasów tkanych i posiadają trwałość rzędu 20 godzin. Wytłaczanie takich pasów opisane jest w patencie US 5 819 946 zatytułowanym „Konstrukcja Taśmy Układu Separacji („Separation System Belt Construction).

Na Fig. 2 przedstawiono schematycznie sekcję taśmy 40 obecnie stosowanej w BSS z Fig. 1. Pożądane jest sterowanie geometrią taśmy, ale jest ono trudne do osiągnięcia przy taśmach otrzymywanych przez wytłaczanie.

Przykładowa taśma stosowana w BSS może posiadać strukturę ukształtowaną z maszynowo skierowanych włókien 42, tj. z włókien, które są rozmieszczone wzdłuż poziomej długości taśmy w kierunku ruchu taśmy (wskazanego strzałką (41), oraz poprzecznie skierowanych włókien 46, tj. włókien, które są zasadniczo prostopadłe do maszynowo skierowanych włókien, jak pokazano na Fig.2. Poprzecznie skierowane włókna 46 mogą być wykonane ze szczególnym ukształtowaniem krawędzi natarcia 43 taśmy. Maszynowo skierowane włókna 42 przenoszą obciążenie ładunkiem, tj. mieszaniną składników, a jednocześnie wytrzymują rozciąganie wywołane przechodzeniem przez końcowe walce 22, 24 (patrz Fig. 1), z częstotliwością około 6 przejść przez walec na sekundę.

Proces wytłaczania, za pomocą którego taśmy do BSS są obecnie wytwarzane, jest z konieczności kompromisem pomiędzy szeregiem czynników obejmujących wybór stosowanego polimeru, wybór dodatków, oprzyrządowania wytłaczarki, temperatur stosowanych w procesie wytłaczania i prędkości wytłaczania. Według jednego z przykładów, operacje w procesie wytłaczania przy wytwarzaniu obecnie stosowanych taśm wytłaczanych przebiegają następująco. Właściwa mieszanka podstawowego polimeru i dodatków (korzystnie wstępnie zmieszanych) podawana jest do urządzenia wytłaczającego, gdzie mechaniczne działanie śrub podgrzewa materiał do temperatury, w której jest on plastyczny, i urządzenie wytłaczające przemieszcza tworzywo sztuczne wzdłuż tulei do matrycy. Matryca posiada przekrój kołowy i posiada szereg rowków równoległych do osi, które odpowiadają ciągłym maszynowo skierowanym włóknom 42. Poprzecznie skierowane włókna 46 wykonywane są przez przemieszczanie wewnętrznej części matrycy tak, że obwodowy rowek wypełniony materiałem

PL 206 198 B1 opróżnia się tworząc w ten sposób poprzecznie skierowane włókno 46. Sterowanie geometrią taśmy uzyskiwane jest przez regulację chwilowej prędkości wytłaczania przy formowaniu poszczególnych indywidualnych poprzecznie skierowanych włókien 46. Materiał, który tworzy poprzecznie skierowane włókno 46 nie może tworzyć maszynowo skierowanego włókna 42 i na odwrót. Wobec powyższego może być trudno uniknąć zmian przekroju maszynowo skierowanych włókien 42 przy zmianie prędkości wytłaczania dla sterowania geometrią włókna poprzecznego. Po ukształtowaniu siatki maszynowo skierowanych włókien 42 i poprzecznie skierowanych włókien 46 z przekrojem okrągłym jest ona chłodzona, na przykład przez zanurzanie w kąpieli wodnej oraz rozcinana i spłaszczana dla ukształtowania siatki płaskiej.

Istotnym aspektem taśmy do zastosowania w BSS jest wytrzymałość zmęczeniowa. Dla uzyskania wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej należy unikać koncentracji naprężeń w miejscach zmian przekroju poprzecznego włókien. Jednak utrzymanie jednolitego przekroju jest trudne, tak więc wytrzymałość zmęczeniowa taśm wytłaczanych stanowi częsty problem.

Taśmy przenośnikowe są szeroko stosowane do przenoszenia materiałów i konwencjonalne taśmy przenośnikowe są dobrze opanowane. Zwykle taśmy przenośnikowe wytwarzane są z materiału elastomerowego z kordem wzmacniającym z materiału tekstylnego. Zwykłą praktyką jest stosowanie masywnych taśm bez perforacji. Taśmy takie nie nadają się do przedmiotowego zastosowania ze względu na konieczność przenikania materiału przez taśmę w BSS.

Sterowanie geometrią taśmy jest także ważne, jak to opisano w patencie US 5 904 253. Nawiązując do Fig. 3, która przedstawia powiększony fragment BSS z Fig. 1, kierunki ruchu przeciwbieżnych segmentów taśmy 28 i 30 pokazane są, odpowiednio, strzałkami 34 i 36. Jak pokazano na Fig. 3, jednym z przykładów pożądanej geometrii taśmy 40 jest ostry kąt 44 krawę dzi natarcia 43 (patrz Fig. 2) poprzecznie skierowanych włókien 46.

W obecnej praktyce wytłaczania, geometrią krawędzi natarcia steruje się poprzez regulację składu polimeru, stosowanych dodatków oraz warunków wytłaczania. Zmiany parametrów wywierają wpływ także na inne właściwości taśmy oraz na jej pracę w BSS. Ponadto, w procesie wytłaczania, ograniczony jest zakres polimerów, które mogą być stosowane do wytwarzania takich taśm. Jest szereg polimerów, które nie mogą być wytłaczane i nie stanowią dostępnej opcji przy wytwarzaniu taśm przez wytłaczanie. Ponadto, aby osiągnąć pożądane właściwości taśmy w procesie wytłaczania, niezbędne są przy wytłaczaniu duże ilości dodatków. Obecność wielu dodatków komplikuje proces wytłaczania i może stwarzać problemy kompatybilności, szczególnie w zastosowaniach do produktów o jakości spożywczej. Wiele z dodatków niezbędnych do kontroli wymiarowej działa także jak plastyfikatory i zwiększa współczynnik płynięcia, co zmniejsza wytrzymałość taśmy na zużycie. Często zmiana jednej właściwości w jednym kierunku niekorzystnie wpływa na inne właściwości.

Tak więc, znane sposoby wytwarzania taśm do BSS są poddane ograniczeniom procesu wytłaczania, który ogranicza wybór materiału, który może być stosowany na konstrukcję taśmy i prowadzi do niekorzystnych kompromisów odnośnie uzyskiwanej geometrii. Obecne taśmy nie posiadają pożądanej trwałości, tj. odporności na zużycie, wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej i pożądanej łatwości wytwarzania.

Istota wynalazku

Wynalazek w kategorii sposobu wytwarzania ciągłej taśmy do separatora taśmowego polega na tym, że łączenie ze sobą pierwszej krawędzi pierwszej części arkusza i drugiej krawędzi drugiej części arkusza obejmuje czynności, w trakcie których:

kształtuje się skos w kierunku pierwszej krawędzi pierwszej części arkusza i skos w kierunku drugiej krawędzi drugiej części arkusza;

kształtuje się pierwszy szereg wycięć w pierwszej części pierwszego arkusza, przy czym wycięcia te rozciągają się poprzecznie od pierwszej krawędzi w głąb pierwszej części arkusza;

kształtuje się drugi szereg wycięć w drugiej części arkusza łączonego z pierwszą częścią arkusza, przy czym wycięcia te rozciągają się poprzecznie od drugiej krawędzi w głąb drugiej części arkusza;

następnie umieszcza się razem pierwszą i drugą krawędź pierwszej i drugiej części arkusza tak, żeby pierwsza i druga część arkusza zawierały zachodzące na siebie części, oraz łączy się ze sobą pierwszą i drugą części arkusza, przy czym sposób zgodny z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że wycięcia rozciągają się poza zachodzące na siebie części i tym, że arkusz jest wykonany z tworzywa termoplastycznego.

PL 206 198 B1

Korzystnie jest, aby czynność łączenia obejmowała czynność zgrzewania ze sobą pierwszej części i drugiej części arkusza termoplastycznego, a czynność kształtowania skosów obejmowała kształtowanie, w zasadzie spasowanych kątów ostrych na pierwszej krawędzi i na drugiej krawędzi.

Zaleca się, aby czynność łączenia obejmowała:

nagrzewanie pod naciskiem co najmniej zachodzących na siebie części pierwszej części i drugiej części arkusza termoplastycznego powyżej temperatury topnienia pierwszej części i drugiej części arkusza termoplastycznego tak, że zachodzące na siebie części pierwszej części i drugiej części arkusza termoplastycznego zostają ze sobą połączone; oraz chłodzenie co najmniej zachodzących na siebie części pierwszej części i drugiej części arkusza termoplastycznego.

Korzystnie jest, aby w trakcie czynności łączenia następowało: dociskanie do siebie pierwszej i drugiej krawę dzi;

nagrzewanie pierwszej i drugiej krawędzi powyżej temperatury topnienia arkuszy termoplastycznych;

utrzymywanie styku pomiędzy pierwszą i drugą krawędzią przez ustalony okres czasu; oraz chłodzenie pierwszej i drugiej krawędzi tak, aby były połączone ze sobą.

W etapie nagrzewania jak opisano powyż ej zaleca się , aby czynność nagrzewania obejmowała nagrzewanie przez bezpośredni kontakt z nagrzanymi płytami dociskowymi, a czynność chłodzenia obejmowała chłodzenie przez bezpośredni kontakt z chłodzonymi płytami dociskowymi.

Wymieniona czynność dociskania do siebie pierwszej i drugiej krawędzi jest korzystnie, jeśli obejmuje dociskanie do siebie pierwszej i drugiej krawędzi za pomocą pary płyt dociskowych, przy czym dobrze jest, jeśli grubość każdej z płyt dociskowych w tej parze płyt dociskowych wynosi w przybliżeniu około 3,8 cm.

W korzystnym wykonaniu sposobu wedł ug wynalazku materiał termoplastyczny stanowi polietylen o ultra wysokim ciężarze molekularnym.

W procesie wytwarzania cią głej taśmy do separatora taśmowego zgodnym z wynalazkiem pożądane jest, aby pierwszą część i drugą część arkusza termoplastycznego dodatkowo poddać procesowi perforacji, przy czym czynność perforowania obejmuje perforowanie pierwszej części i drugiej części arkusza termoplastycznego, w ten sposób, że otwarta przestrzeń perforowanego arkusza przekracza 50% całkowitej powierzchni perforowanego arkusza.

W trakcie perforowania pierwszej części i drugiej cz ęści arkusza termoplastycznego moż na kształtować perforację w ten sposób, żeby utworzyć krawędź natarcia taśmy o kącie ostrym, który korzystnie jest, jeśli wyniesie mniej niż w przybliżeniu 60°.

W korzystnym wykonaniu wynalazku w trakcie realizacji sposobu wytwarzania cią g ł ej taś my do separatora taśmowego czynność umieszczania razem pierwszej i drugiej krawędzi pierwszej części i drugiej części arkusza termoplastycznego może obejmować umieszczanie razem pierwszej części i drugiej części arkusza termoplastycznego, tak aby zachodzące na siebie części posiadały grubość, która w przybliżeniu jest o 10% większa od grubości pierwszej części arkusza termoplastycznego.

Etap kształtowania wycięć może obejmować takie ich kształtowanie, aby odstępy między tymi wycięciami wynosiły w przybliżeniu 2,5 cm. Zaleca się, żeby wycięcia kształtowane były także tak, aby miały szerokość większą od około 0,3 cm, i ewentualnie długość około 5,1 cm.

W zalecanym wykonaniu wynalazku stosuje się arkusz termoplastyczny, który zawiera lub stanowi nylon.

Sposób według wynalazku stosuje się, korzystnie, do łączenia ze sobą pierwszej krawędzi pierwszego arkusza termoplastycznego i drugiej krawędzi drugiego arkusza termoplastycznego.

W takim wykonaniu wynalazku czynność kształtowania wycięć w pierwszej krawędzi obejmuje kształtowanie wycięć w pierwszej krawędzi pierwszego arkusza termoplastycznego, przy czym te wycięcia rozciągają się poprzecznie od pierwszej krawędzi w głąb pierwszego arkusza termoplastycznego.

Natomiast czynność kształtowania wycięć w drugiej krawędzi obejmuje kształtowanie wycięć w drugiej krawędzi drugiego arkusza termoplastycznego, przy czym te wycięcia sytuuje się tak, aby rozciągały się poprzecznie od drugiej krawędzi w głąb drugiego arkusza termoplastycznego.

Generalnie, w trakcie realizacji sposobu według wynalazku w etapie czynności łączenia ze sobą pierwszej części i drugiej części arkusza termoplastycznego można łączyć ze sobą pierwszą krawędź i drugą krawę d ź tego samego arkusza termoplastycznego, dla ukształ towania cią g ł ej taś my.

PL 206 198 B1

Można prowadzić ponadto łączenie pierwszej części i drugiej części arkusza termoplastycznego z co najmniej jednym dodatkowym arkuszem termoplastycznym dla utworzenia arkusza zbiorczego, którego przeciwległe krawędzie można łączyć dla ukształtowania ciągłej taśmy.

W zalecanych wykonaniach wynalazku termoplastyczny materiał moż e zawierać produkt polimeryzacji co najmniej jednego monomeru olefinowego, ewentualnie może materiał termoplastyczny zawierać polietylen o ultra wysokim ciężarze molekularnym.

Odrębną kategorię wynalazku stanowi taśma, obejmująca:

- pierwszą część arkusza z pierwszą krawędzią nachyloną względem powierzchni taśmy oraz z pierwszym szeregiem wycięć wzdł uż pierwszej krawę dzi pierwszej części, tworzą cych wgłębienia,

- drugą część arkusza obejmującą drugą krawędź nachyloną względem powierzchni taśmy oraz drugi szereg wycięć wzdłuż drugiej krawędzi drugiej części, tworzących wgłębienia, w której to taśmie pierwsza krawędź i druga krawędź połączone są ze sobą na zakładkę tak, ż e tworzą zachodzące na siebie części, oraz która, zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że wycięcia rozciągają się poza zachodzące na siebie części, i tym, że arkusz jest wykonany z tworzywa termoplastycznego.

Korzystnie, jeśli arkusz lub arkusze termoplastyczne objęte taśmą zawierają nylon, zaleca się jeśli arkusz termoplastyczny zawiera polietylen o ultra wysokim ciężarze molekularnym, ewentualnie aby arkusz zawierał co najmniej jeden monomer olefinowy.

Pożądane jest, aby każda z nachylonych krawędzi taśmy była zbieżna.

W taśmie według wynalazku pierwsza część i druga część arkusza termoplastycznego moż e obejmować jeden arkusz termoplastyczny, przy czym pierwsza i druga krawędź są połączone tak, że tworzą ciągłą taśmę. Ponadto, taśmą objęta jest co najmniej jedna dodatkowa część arkusza termoplastycznego, która jest połączona co najmniej z jedną spośród pierwszej części i drugiej części arkusza termoplastycznego, tworząc zbiorczy arkusz termoplastyczny. W takim wykonaniu przeciwległe krawędzie zbiorczego arkusza mogą być połączone ze sobą, tworząc ciągłą taśmę.

Taśma według wynalazku może zawierać ponadto element wytrzymałościowy.

Element wytrzymałościowy może obejmować nieperforowaną sekcję arkusza termoplastycznego, która jest usytuowana w pobliżu pierwszej i drugiej krawędzi.

Element wytrzymałościowy, w korzystnym wykonaniu obejmuje nieperforowaną sekcję arkusza termoplastycznego, rozmieszczoną wzdłuż krawędzi wzdłużnej taśmy i korzystnie jest, aby taśma była perforowana.

Zaleca się, aby otwarty obszar perforowanej taśmy przekraczał 50% całkowitej powierzchni taśmy. Perforacje w taśmie dobrze jest, jeśli obejmują krawędź prowadzącą z kątem ostrym.

W taś mie wedł ug wynalazku zachodzą ce na siebie części mogą wyznaczać zakł adkę o grubości w przybliżeniu o 10% większej od grubości pierwszej części arkusza termoplastycznego, przy czym korzystnie jest, aby wycięcia rozciągały się w zasadzie poza zachodzące na siebie części, przy czym odstęp między pierwszym i drugim szeregiem wycięć może wynosić w przybliżeniu 2,5 cm, szerokość wycięć w pierwszym i w drugim szeregu może być większa niż w przybliżeniu 0,3 cm, a ich długość może w przybliżeniu wynosić 5,1 cm.

Krótki opis rysunku

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na podstawie przykładów jego wykonania przedstawionych na rysunku, na którym: Fig. 1 przedstawia schematycznie przykładowy układ separatora taśmowego (BSS), Fig. 2 przedstawia schematycznie w powiększeniu fragment wytłoczonego pasa stosowanego w BSS, Fig. 3 przedstawia w powiększeniu widok części BSS zawierającej dwie elektrody i segmenty taśmy, Fig. 4 przedstawia schematycznie części dwóch sekcji taśmy, które są ze sobą łączone, zgodnie z wykonaniem przedmiotowego wynalazku, Fig. 5 przedstawia widok z boku dwóch sekcji pasa, które są ze sobą łączone, zgodnie z wykonaniem przedmiotowego wynalazku, Fig. 6 przedstawia schemat przepływowy jednego z przykładów sposobu wytwarzania taśmy według przedmiotowego wynalazku, Fig. 7 przedstawia widok z boku dwóch sekcji taśmy, które są ze sobą łączone, zgodnie z wykonaniem przedmiotowego wynalazku, a Fig. 8 przedstawia widok z góry części taśmy według przedmiotowego wynalazku.

Szczegółowy opis wynalazku:

Niektóre materiały, takie jak materiały termoplastyczne, które zawierają produkty polimeryzacji co najmniej jednego monomeru olefinowego, termoplastyczne tworzywa sztuczne i termoplastyczne elastomery, są materiałami o właściwościach odpowiednich dla taśm BSS. Jednym z przykładów potencjalnie użytecznego materiału termoplastycznego jest nylon. Innym takim przykładem jest polietylen

PL 206 198 B1 o ultra-wysokim ciężarze molekularnym (UHMWPE - ultra high molecular weight poliethylene). UHMWPE jest jednym z przykładów doskonałego materiału, który posiada właściwości, które czynią go idealnym dla taśm BSS. Jest on nadzwyczaj odporny na ścieranie, tj. o jeden rząd bardziej odporny niż następny najlepszy materiał do podobnego zastosowania. Posiada on niski współczynnik tarcia, jest nietoksyczny, jest doskonałym dielektrykiem i jest łatwo dostępny. Niestety nie może być wytłaczany, a więc nie można wytwarzać z niego taśm znaną techniką wytłaczania.

UHMWPE topi się w temperaturze 138°C. Punkt topnienia wyznaczany jest optycznie jako punkt, w którym matowy, biały materiał staje się całkowicie przezroczysty. Lepkość stopionego UHMWPE jest tak wysoka, że nie płynie on w stanie stopionym i wyroby zachowują swój kształt nawet, gdy jest on całkowicie stopiony. Nadzwyczaj wysoka lepkość UHMWPE w stanie stopionym powoduje znaczące opóźnienie formowania się domen krystalicznych przy ochładzaniu stopionego UHMWPE, a więc krystalizacja UHMWPE nie jest natychmiastowa. Podobnie, jak wszystkie materiały polimerowe, UHMWPE posiada wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej. Rozszerza się także znacząco w trakcie topnienia. To rozszerzanie się i kurczenie, podczas i po cyklu termicznym, przedstawia istotne trudności przy przeróbce termicznej UHMWPE. Konwencjonalne materiały odlewane, takie jak metale, posiadają dużo niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej od UHMWPE. W konsekwencji skurcz przy ochładzaniu UHMWPE wytwarza znaczące naprężenia termiczne w formowanym materiale pomiędzy różnymi sekcjami UHMWPE o różnych temperaturach, a nawet pomiędzy sekcjami UHMWPE o różnym stopniu krystalizacji. Stopień krystalizacji jest czynnikiem określającym gęstość, a stąd też objętość danej części wyrobu z UHMWPE.

Według jednego przykładowego sposobu wytwarzania wyrobów z UHMWPE, UHMWPE jest syntetyzowany jako proszek. Proszek ten może być formowany ciśnieniowo, w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia do postaci grubych kęsów, które mogą być spłaszczane na gorąco do postaci arkuszy o żądanej grubości. UHMWPE jest formowany jako grube kęsy, ponieważ gradienty temperatury krystalizacji gęstości, a stąd i objętości właściwej, są małe w stosunku do wymiarów kęsa, co daje małe naprężenia termiczne. W grubym kęsie stosunek naprężeń kształtowanej powierzchni do naprężeń skurczowych całości materiału jest względnie niski. Wprost przeciwnie, w cienkich wyrobach ten stosunek jest wyższy i są one bardziej podatne na pękanie lub deformacje asymetryczne, co powoduje naprężenia wewnętrzne.

Według jednego z przykładów, taśmy BSS są cienkie, np. rzędu jednej 0,3 cm i szerokie na około 1,1 m. Długość materiału stosowanego do kształtowania taśmy BSS może wynosić w przybliżeniu 18 m. Arkusze UHMWPE są dostępne na rynku w rozmiarach 1,2 m x 2,4 m lub 1,2 m x 3 m. Tak więc, taśma BSS może być utworzona przez połączenie ze sobą kilku takich arkuszy, jak to szczegółowo opisano poniżej. Alternatywnie, taśma BSS może być ukształtowana z pojedynczego arkusza UHMWPE, którego końce mogą być połączone ze sobą tworząc ciągłą taśmę. W jeszcze innym przykładzie wykonania, kilka wąskich arkuszy może być połączonych wzdłużnie tworząc szeroki arkusz zbiorczy, którego końce mogą być połączone ze sobą tworząc ciągłą taśmę.

Zgrzewanie, czyli łączenie ze sobą kawałków UHMWPE nie jest w stanie techniki praktykowane w znaczącym zakresie, głównie ze względu na trudności związane z wynikającymi naprężeniami termicznymi. Tak więc, chociaż UHMWPE jest szeroko stosowany do ochrony stalowych powierzchni przed ścieraniem, stosowany jest on w postaci indywidualnych arkuszy mechanicznie przytwierdzanych do chronionej powierzchni stalowej. Przy zastosowaniu konwencjonalnych urządzeń do zgrzewania, przy próbach zgrzewania UHMWPE technikami właściwymi dla innych polimerów, wyniki nie były zadowalające. Strefa zgrzewu stawała się płynna, na co wskazywała jej przejrzystość, i dwa płynne kawałki przywierały do siebie po dociśnięciu. Jednakże po ochłodzeniu wyrobu nagrzana wcześniej strefa kurczyła się znacząco, co powodowało istotne wypaczenie arkusza. Wypaczenie to zwiększało się w trakcie krystalizacji wyrobu i często arkusze pękały w trakcie chłodzenia. Na przykład, nagrzewany materiał gromadził naprężenia termiczne deformując się plastycznie w stanie gorącym. Następnie, kiedy ochładzany materiał kurczył się, stawał się on zbyt sztywny na deformację plastyczną i albo wypaczał się albo pękał. Arkusze mogły wydawać się płaskie natychmiast po wyjęciu ich z urządzenia zgrzewającego i ochłodzeniu do temperatury pokojowej, ale zniekształcać się dzień później z uwagi na postępującą krystalizację i skurcz.

Sztywność UHMWPE wynika znacząco ze stopnia krystalizacji. Materiał mniej skrystalizowany jest miększy i posiada niższy moduł Younga. Jednakże w czasie prac taśmy w BSS, materiał ten jest rozciągany wiele razy na sekundę. To rozciąganie powoduje dalszą krystalizację materiału taśmy, co powoduje dalsze zmiany jej wymiarów i sztywności.

PL 206 198 B1

Taśmy w BSS przemieszczają się z dużą prędkością, np. rzędu 20 m/s w ciasnej przestrzeni. Przy takiej prędkości, taśma może łatwo ulec zniszczeniu, jeżeli o coś zahaczy, albo uderzy w przypadkowy kawałek materiału. Wypaczenie taśmy, które powoduje jej odchodzenie od płaszczyzny elektrod jest niedopuszczalne, ponieważ wtedy taśma napiera na elektrody i na drugi fragment przechodzący pomiędzy elektrodami BSS, co zwiększa obciążenie i może prowadzić do „zaczepiania się taśmy o siebie lub o wycięcie w elektrodzie, którym podawany jest wsad. „Zaczepianie się taśmy może prowadzić do katastrofalnej awarii taśmy. Taśma może zostać zupełnie rozerwana wzdłużnie na dwa niezależne kawałki. Kiedy te dwa pozostałe segmenty taśmy nadal pracują, w BSS powstaje niepożądana sytuacja, ponieważ tworzy się martwy obszar pomiędzy dwoma ruchomymi kawałkami taśmy, gdzie może zbierać się materiał przewodzący, co może doprowadzić do spięcia między wysokonapięciowymi elektrodami.

Dla uniknięcia zahaczania się taśmy o wycięcie, wypaczenie taśmy nie może przekraczać połowy szerokości odstępu 31 (patrz Fig.3) pomiędzy elektrodami 12 i 16. Może się wydawać, że zastosowanie naciągu taśmy wyprostuje wszelkie wypaczenia. Jednakże, praktycznie każdy materiał ulegnie wypaczeniu pod wpływem odpowiednio dużych naprężeń. Wszystkie materiały charakteryzują się określoną liczbą Poissona, co powoduje, że kiedy materiał jest rozciągany w jednym kierunku, to kurczy się on we wszystkich kierunkach do tego kierunku prostopadłych. Na przykład, cienki materiał taśmy nie wytrzymuje obciążenia ściskającego działającego w poprzek jego szerokości, a więc wybacza się, co powoduje wzdłużne marszczenie. Jeden z rodzajów uszkodzenia, obserwowany w pewnych tkanych taśmach, stanowi wzdłużne marszczenie prowadzące do całkowitego zużycia wystających części taśmy. Zużycie całkowite wyboczonych sekcji taśmy jest w większości zastosowań BBS niedopuszczalne.

Teoretycznie, jednoczesne nagrzewanie i ochładzanie całych sekcji taśmy umożliwia ich zgrzewanie ze sobą. Jednakże w praktyce to podejście jest także problematyczne. Wypaczenie powodowane jest przez gradienty rozszerzania termicznego prowadzące do różnicowych naprężeń termicznych powodujących różnicowe naprężenia w materiale. Rozszerzalność temperaturowa materiału powodowana jest zarówno zmianami temperatury jak i przemianą fazową. Ta przemiana fazowa nie jest całkowicie jednorodna i izotropowa. Tak więc, jednakowa temperatura zastosowana do całych sekcji taśmy niekoniecznie daje równomierne rozszerzanie się i kurczenie się jej materiału. Powyżej punktu topnienia materiał ten jest lepkosprężysty, przy czym naprężenia zależą od stopnia odkształcenia. Ponadto, jednoczesne nagrzewanie i chłodzenie całych sekcji taśmy wymaga bardzo dużej formy, a ponieważ taśma jest korzystnie dość cienka, taśma ta prawdopodobnie popęka w trakcie chłodzenia w styku ze sztywną formą metalową.

Wypaczenie, które występuje przy zgrzewaniu ze sobą dwóch arkuszy materiału, pochodzi od nieodwracalnej deformacji, która ma miejsce podczas cyklu nagrzewania i chłodzenia. UHMWPE musi zostać nagrzane dużo powyżej punktu topnienia dla osiągnięcia dostatecznej mobilności cząstek powierzchniowych i ich wzajemnej dyfuzji, prowadzącej do ukształtowania wytrzymałego połączenia podczas chłodzenia. UHMWPE podczas nagrzewania rozszerza się, przy czym całkowita zmiana objętościowa jest rzędu 10%, a naprężenia odkształceniowe gorącego materiału są dużo mniejsze niż materiału nienagrzanego. Chłodny materiał w pobliżu strefy objętej nagrzewaniem powstrzymuje gorący materiał, który ulega odkształceniom plastycznym. W miarę jak gorący materiał ochładza się to kurczy się on, a w miarę jak staje się chłodniejszy i sztywniejszy to naprężenia odkształceniowe rosną i mogą powodować naprężenia w nienagrzanym materiale wystarczające dla spowodowania wypaczenia lub deformacji. Zmniejszanie grubości strefy zgrzewanej powoduje, że naprężenia nagromadzone w nagrzanym materiale podczas jego chłodzenia przekraczają wytrzymałość chłodzonego materiału i ulega on pękaniu. Znaczne zmniejszenie grubości zgrzewu zmniejsza ponadto jego wytrzymałość.

Deformacja lub wypaczenie taśmy wykonanej z UHMWPE jest wyznaczana przez skurcz cieplny w strefie nagrzewania i wyboczenie otaczającego ją materiału. Wielkość danego wypaczenia zależy od sumy naprężeń, która zależy od całkowitej długości zgrzewu. Na przykład, w taśmie o szerokości 1 m, występują 10% odkształcenia (wynikające z omówionej powyżej 10% zmiany objętości) plus 5,1 cm odkształcenia dla chłodnego materiału oraz minus 5,1 cm odkształcenia dla gorącego materiału. Występują pewne odkształcenia plastyczne gorącego materiału, ale nawet 2,5% zmiana długości (2,5 cm na 100 cm) powoduje znaczne wypaczenie.

Wypaczenie prostopadłe do płaszczyzny taśmy jest krytycznym parametrem taśmy BSS i zależy od długości fali deformacji. Jeżeli przyjąć, że wypaczenie stanowi pojedynczą falę sinusoidalną, to

PL 206 198 B1 maksymalne wypaczenie prostopadłe do płaszczyzny wypaczenia może być w przybliżeniu obliczone następująco:

(1)d² * 1,025 gdzie d = maksymalne wypaczenie, a λ = długość fali.

Tak więc, jeżeli długość fali sinusoidalnej wynosi 2 m (dwukrotna długość 1 m zgrzewu), to z równania (1) wynika maksymalne wypaczenie d równe 11,4 cm. Jest ono zbyt duże dla większości układów, ponieważ, w celu uniknięcia zahaczania się taśmy o wycięcie, co omówiono powyżej, wypaczenie taśmy musi wynosić mniej niż połowa odstępu między elektrodami. Deformacja o wielkości 11,4 cm oznacza, że odstęp między elektrodami powinien wynosić co najmniej 22,8 cm. Jest to zbyt duża odległość między elektrodami dla efektywnej pracy BSS. Dla porównania, jeżeli takie samo odkształcenie procentowe będzie zachodzić przy długości fali deformacji równej 5,1 cm to wypaczenie prostopadłe do płaszczyzny wypaczenia, d, wyliczone z równania (1) wyniesie 0,2 cm. Ta wielkość jest mniejsza od typowego odstępu między elektrodami w BSS. W praktyce, większość tego odkształcenia stanowi odkształcenie plastyczne i sprężyste tak, że rzeczywiste wypaczenie wyniesie dużo mniej niż 0,3 cm.

Jak wspomniano powyżej, długość fali deformacji wyznacza wielkość jej wystawania z płaszczyzny taśmy lub arkusza. Ta część arkusza, która doświadcza termicznych naprężeń ściskających wybacza się, ponieważ siła ściskająca jest większa od obciążenia krytycznego, które może być przenoszone bez wyboczenia. Obciążenie krytyczne, które powoduje wyboczenie jest najniższe przy największej długości fali deformacji i zwiększa się gwałtownie z jej zmniejszaniem. To obciążenie krytyczne może być obliczone z wzoru Eulera na wyboczenie słupa.

(2) Pcr ' * E * L gdzie E jest modułem Younga dla danego materiału, A jest momentem bezładności słupa, a L jest długością zgrzewu.

Naprężenia gromadzą się pomiędzy strefą objętą nagrzewaniem i strefą nie objętą nagrzewaniem zgrzewanych sekcji taśmy wykonanej z UHMWPE i powodują odkształcenie. Długość fali deformacji wywołanej tym odkształceniem można kontrolować poprzez ustalenie warunków granicznych naprężeń i odkształceń na zero na końcach zgrzewu przez utworzenie wolnych krawędzi. Krótkie zgrzewy dają wyższe obciążenie krytyczne na wyboczenie, a przy wyższym obciążeniu krytycznym więcej odkształceń termicznych przechodzi w odkształcenia niewyboczające. Jeżeli zgrzewy będą krótkie to całe wypaczenie zostanie rozprowadzone wewnątrz zgrzewów, przy czym długość fali deformacji nie przekroczy dwukrotnej długości zgrzewu (połowa fali sinusoidalnej). Tak więc, przez zmniejszenie długości zgrzewów (do około 2,5 cm) otrzymuje się małą składową deformacji prostopadłą do jej płaszczyzny.

Wobec powyższego, jednym z aspektów sposobu zgrzewania arkuszy według przedmiotowego wynalazku jest zapewnienie wycięć, na przykład wyciętych w sekcjach z UHMWPE, które ma być zgrzewane tak, aby długość pojedynczego zgrzewu była względnie mała i aby strefa grzana mieściła się w obszarze ograniczonym tymi wycięciami. Umożliwia to przejmowanie naprężeń termicznych przez materiał nagrzewany i nienagrzewany. Na przykład, arkusze połączone sposobem według przedmiotowego wynalazku mogą mieć długość 3 m. Strefa nagrzewania ma szerokość rzędu 3 cm, lub, w przybliżeniu 1% długości arkusza. Zgrzewanie UHMWPE w taki sposób powoduje powstawanie otworów w taśmie, jednakże, w układach BSS większość taśmy stanowi przestrzeń otwartą i dodatkowe otwory wokół połączenia nie mają ujemnego wpływu. Jakiekolwiek wypaczenia w tak zgrzewanych arkuszach są bardzo małe i nie wystają poza płaszczyznę taśmy. Jest oczywiste, że tak łączone mogą być zarówno małe pojedyncze arkusze dla utworzenia arkuszy zbiorczych, jak i pojedynczy arkusz lub arkusz zbiorczy może być łączony ze sobą dla utworzenia nieskończonej pętli.

Na Fig. 4 przedstawiono część jednego przykładowego wykonania krawędzi arkusza przygotowanych do zgrzewania według przedmiotowego wynalazku. Jest oczywiste, że połączenie to może zostać zrealizowane za pomocą zgrzewania cieplnego jak również za pomocą innej techniki zgrzewania tworzyw sztucznych, takiej jak ultradźwiękowa, dielektryczna lub promieniowaniem podczerwoPL 206 198 B1 nym. Jak omówiono powyżej, wycięcia 50 kształtowane są w każdej z pierwszych sekcji (lub arkuszu) 52 i drugiej sekcji (lub arkuszu) 54 z UHMWPE, które mają być łączone dla otrzymania taśmy. Należy rozumieć, że sekcje 52 i 54 mogą stanowić różne arkusze, które mają być ze sobą łączone lub mogą stanowić krawędzie tego samego arkusza lub zbiorczego arkusza, które mają zostać połączone dla utworzenia nieskończonej taśmy. Wycięcia 50 wykonywane są w arkuszu przed utworzeniem połączenia. Wycięcia 50, wykonane w materiale łączonym, służą dwóm celom. Po pierwsze, w miejscach, z których materiał został usunięty przez wycięcie, zapewnieniu swobody rozszerzania się UHMWPE podczas nagrzewania. Po drugie, przyległe łączone sekcje 56 (wypustki materiału) są oddzielone od siebie nawzajem tak, że naprężenia termiczne w jednej sekcji, powstające podczas chłodzenia i skurczu, nie dodają się do naprężeń w przyległej sekcji, a więc nie kumulują się na całej długości połączenia. Umożliwienie swobodnej ekspansji materiału przy nagrzewaniu i jego skurczu przy chłodzeniu zapobiega akumulacji naprężeń termicznych na szerokości taśmy i powodowania wypaczeń taśmy podczas procesu zgrzewania.

Linie 58 i 60 wyznaczają zakres stref nagrzewania w procesie łączenia. Jak widać, wycięcia 50 rozciągają się poza strefy nagrzewania tak, że strefa nagrzewana mieści się w obszarze ograniczonym przez te wycięcia. Umożliwia to elastyczne przejmowanie naprężeń termicznych zarówno w materiale nagrzewanym jak i w materiale nienagrzewanym, jak omówiono powyżej. W ilustrowanym przykładzie, wycięcia posiadają zaokrąglone powierzchnie. Pożądane jest zapobieganie koncentracji naprężeń w zakończeniach wycięć, stąd pożądane jest zastosowanie zaokrąglonego wycinaka, ale równie dobrze można stosować wycięcia inaczej ukształtowane. Według jednego z przykładów, szerokość taśmy (sekcji materiału, które mają być ze sobą łączone) wynosić może, w przybliżeniu, 1 m, a wypustki 56 materiału, które stanowią materiał zgrzewany, mają, w przybliżeniu, szerokość 2,5 cm. Szerokość wycięcia 50 nie jest krytyczna, o ile materiał z przyległych wypustek 56 nie rozszerza się poza wycięcie 50 zakłócając wolne od naprężeń i odkształceń warunki graniczne na krawędzi.

Podział zgrzewu na szereg krótkich segmentów zgrzewu z otwartą przestrzenią między nimi (tj. wycięciami 50), jak pokazano, ma także taką zaletę, że otwarte przestrzenie działają jako ograniczniki pęknięć. Pęknięcia rozprzestrzeniają się łatwo w masywnym materiale, ponieważ naprężenia koncentrują się w zakończeniach pęknięć. Przestrzeń na tyle duża, aby pęknięcie mogło się rozejść sprężyście, działa jako skuteczny ogranicznik pęknięcia.

Krytycznym parametrem taśm BSS jest jednorodność ich grubości i brak występów na ich powierzchni, które mogą zaczepiać o wycięcie w elektrodach lub przeciwbieżną sekcję taśmy, w czasie jej przemieszczania się w BSS. Jak omówiono powyżej, wykonanie połączenia pomiędzy arkuszami w postaci wielu krótkich zgrzewów rozwiązuje problem wypaczeń, ale proces łączenia także nie powinien generować występów. Zgrzew czołowy, tj. zgrzew powierzchni płaskich, nie posiada dostatecznej wytrzymałości dla wytrzymywania normalnych obciążeń rozciągających w pracującym BSS, przy czym na takim połączeniu występuje nieciągłość sztywności materiału. Przy przechodzeniu przez szereg bębnów separatora (z częstotliwością około 6 bębnów na sekundę), połączenie poddawane jest cyklicznemu obustronnemu zginaniu. Cykliczne obustronne zginanie powoduje niszczenie połączenia wykonanego w postaci zgrzewu czołowego. Z drugiej strony, złącze wykonane przez proste zakładkowe nałożenie materiału może powodować nadmierną grubość złącza w taśmie. Ograniczenie tej grubości przez utrzymywanie zgrzewu między dwoma nagrzanymi płytami może powodować wypływanie nadmiaru materiału. W takim przypadku UHMWPE nie deformuje się plastycznie, lecz pęka. W pęknięciach koncentrują się naprężenia, które potencjalnie mogą przenikać w głąb masywnego materiału. Nieciągłości w przebiegu temperatury mogą także powodować nieciągłość w stopniu krystalizacji i stąd nieciągłości modułu Younga tego materiału. Takie nieciągłości modułu Younga mogą także prowadzić do koncentracji naprężeń i pękania materiału.

Odpowiednio, dla uniknięcia wyżej opisanych problemów, można zastosować przygotowanie złącza zgrzewanego, polegające na nadaniu zbieżności sekcjom, które mają być łączone. Fig. 5 przedstawia przekrój zgrzewu, według przykładowego wykonania przedmiotowego wynalazku. Jak pokazano na Fig. 5, każda z wypustek 56 materiału (patrz Fig. 4) może być zbieżna pod kątem 70. W jednym z wykonań, zasadniczo pasujące do siebie ścięcia mogą być wykonane w każdym z dwóch arkuszy (lub w każdej z dwóch krawędzi), które mają być łączone tak, że kiedy arkusze są zestawione ze sobą z lekkim nachodzeniem na siebie, zasadniczo odpowiadające sobie ścięte krawędzie pasują do siebie, jak pokazano na rysunku. Ta zbieżność ma w złączu szczególne znaczenie. Zbieżność ta umożliwia rozprowadzenie w większym obszarze jakiejkolwiek nieciągłości modułu Younga, która pojawi się w zgrzewanym materiale i tym samym zmniejsza tendencję do koncentracji naprężeń.

PL 206 198 B1

W taśmie BSS pożądany jest duży procent przestrzeni otwartej, a jednocześnie pożądane jest, aby taśma była „mocna. Tak więc, istnieje potrzeba optymalizacji tych cech. Wytrzymałość złącza zgrzewanego zależy od przekroju tego złącza. Wytrzymałość materiału w złączu, poddanego obróbce cieplnej, jest niższa od wytrzymałości materiału masywnego. Jednakże, większość tego masywnego materiału jest usuwana, aby zapewnić otwartą przestrzeń niezbędną dla właściwej pracy BSS. Zgrzew musi mieć, wobec powyższego, wytrzymałość taką jak osłabiony materiał pozostałych części taśmy. Zwiększając obszar zgrzewu umożliwia się wykorzystanie przy połączeniu pełnej wytrzymałości materiału, pomimo to, że sam zgrzew ma niższą wytrzymałość. Stosując ukosowane złącze, jak pokazano na Fig. 5, zmniejsza się także nieciągłości tych własności materiału, które mogą prowadzić do koncentracji naprężeń, a w efekcie do uszkodzenia.

Nawiązując ponownie do Fig. 5, przedmiotowy zgrzew może być wytwarzany poprzez maszynową obróbkę obu końców 52 i 54 pod odpowiadającymi sobie kątami ostrymi, jak omówiono powyżej. W jednym z przykładów wykonania kąt ten może być mniejszy od około 30°. Im mniejszy jest ten kąt, tym większy jest przekrój zgrzewu. Obciążenia rozciągające przenoszone są w takim zgrzewie przez ścinanie. W innym przykładzie wykonania zastosowano kąt 70 równy 15° i dał on dobre wyniki. Taki kąt zwiększa przekrój obszaru łączenia, dla zamiany naprężeń rozciągających na ścinające, około czterokrotnie w stosunku do przekroju materiału nieobrobionego. W innym przykładzie wykonania można stosować zakres 10 do 45°. Jeżeli kąt ten jest zbyt duży to nałożenie zakładkowe jest ograniczone i może być wymagana nadmierna dokładność przygotowania krawędzi. Podobnie, kiedy kąt ten jest zbyt mały to sekcje stają się bardzo cienkie i szerokość zgrzewu może być zbyt duża.

Wytrzymałość takiego złącza przekracza wytrzymałość masywnego materiału, nawet jeżeli wytrzymałość samego zgrzewu wynosi jedynie 1/3 wytrzymałości podstawowego materiału. Jednakże, złącze stanowi osłabioną część taśmy i należy dołożyć starań, aby w jakimś jego miejscu nie wystąpiło uszkodzenie, które rozejdzie się zmęczeniowo do innych obszarów. Osiągane jest to przez zapewnienie, że otwarte segmenty są otwarte w dostatecznym stopniu, aby nadmiar materiału mógł się swobodnie rozszerzać podczas procesu zgrzewania i poprzez zapewnienie, że w materiale objętym nagrzewaniem nie występują defekty powierzchniowe takie, jak pęknięcia powierzchniowe, które mogą zainicjować rozchodzenie się pęknięć zmęczeniowych. Jeżeli takie pęknięcia utworzą się w procesie zgrzewania to przed zastosowaniem taśmy należy je usunąć za pomocą obróbki maszynowej.

Na Fig. 6 przedstawiono schemat przepływowy dla jednego z przykładowych wykonań sposobu wytwarzania taśmy według przedmiotowego wynalazku. Jak omówiono powyżej, w pierwszym kroku 200 podanych zostaje jeden lub większa liczba arkuszy termoplastycznych, które mają być łączone ze sobą. W jednym z przykładów, dwa lub większa liczba arkuszy może być łączona, aby zapewnić większy arkusz zbiorczy, który ostatecznie zostanie ukształtowany w postać ciągłej taśmy. Przeciwległe krawędzie pojedynczego arkusza lub zbiorczego arkusza mogą być łączone dla otrzymania ciągłej taśmy. Następujący sposób ma zastosowanie zarówno do łączenia odrębnych arkuszy jak i do łączenia przeciwległych krawędzi tego samego arkusza.

W następnym kroku 202, krawędzie, które mają być łączone mogą mieć nadawaną zbieżność, a wycięcia 50 (patrz Fig. 4) formowane (krok 204), jak omówiono powyżej. Można rozpocząć wykonywanie zgrzewu, w krokach 206 i 208, po usytuowaniu obu końców arkuszy 52 i 54 w zgrzewarce, która obustronnie dociska do siebie obrobione końce arkuszy za pomocą płaskich płyt dociskowych 76 i 78, tak, że końce te zachodzą na siebie, jak pokazano na Fig. 5. Odległość między płytami dociskowymi może być kontrolowana przez wprowadzenie elementów przekładkowych 72 i 74 w kroku 210. Kiedy stosuje się dostatecznie sztywne płyty dociskowe, to przekładki mogą być umieszczone na końcach. Jeżeli stosowane są mniej sztywne płyty, to przekładki mogą być wstawione wzdłuż przestrzeni wewnętrznej, na przykład w otwartą przestrzeń zapewnianą przez wycięcia 50 pomiędzy wypustkami 56 materiału (patrz Fig. 4). Rozmieszczenie tych przekładek pokazane jest na Fig. 7, która pokazuje widok z boku arkuszy 52 i 54 pomiędzy płytami dociskowymi 76 i 78. Elementy przekładkowe 72 i 74 mogą mieć grubość zasadniczo równą grubości taśmy i wykonane są z materiału, który nie mięknie w stosowanych temperaturach.

Następnie płyty dociskowe 76 i 78 są zamykane, jak pokazano w kroku 212, i na płyty przekazywany jest nacisk, który przez te płyty przenosi się na arkusze 52 i 54. W następnym kroku 214 płyty są nagrzewane, albo elektrycznie, albo, bardziej konwencjonalnie, za pomocą gorącego płynu obiegowego. Nacisk na zgrzew utrzymuje się podczas trwania cyklu nagrzewania i chłodzenia. W jednym z przykładów wykonania temperatura jest podwyższana do około 395°F (202°C) i utrzymywana przez około 30 minut. Następnie zaprzestaje się grzania i wprowadza do obiegu płyn chłodzący dla ochłoPL 206 198 B1 dzenia zgrzewu do temperatury bliskiej temperaturze otoczenia. Zgrzew jest chłodzony, aby nie deformował się przy wyjmowaniu ze zgrzewarki. Taśma powinna być utrzymywana przez jakiś czas w miarę płasko po wykonaniu zgrzewu, w czasie gdy UHWPE nadal krystalizuje. Temperatura zeszklenia wynosi dla polietylenu 153°K. Powyżej tej temperatury będzie on z upływem czasu nadal krystalizował.

Jak omówiono powyżej, w jednym z wykonań, tworzywo sztuczne doprowadza się do temperatury zgrzewania przez bezpośredni kontakt z nagrzewanymi płytami dociskowymi. Znane są alternatywne sposoby nagrzewania takie, jak nagrzewanie za pomocą ultradźwięków lub za pomocą promieniowania podczerwonego. Alternatywne sposoby mogą być stosowane, o ile kontrolowana jest temperatura materiału podczas zgrzewania i stosowany jest docisk, dla zapewnienia, aby grubość złącza była zasadniczo równa grubości materiału macierzystego.

Stosowanie ukosowanego zgrzewu umożliwia poddanie zgrzewu, podczas procesu zgrzewania, znacznym naciskom. Czasami dwa zgrzewane kawałki materiału nie są dokładnie spasowane i występuje między nimi lekkie przestawienie 81, jak pokazano na Fig. 5. Podczas procesu zgrzewania materiał jest utrzymywany pomiędzy dwoma nagrzanymi płytami dociskowymi 76 i 78. Płyty dociskowe stanowią powierzchnie odniesienia i wyznaczają grubość zgrzewu. Uwzględnienie nakładania się zapewnia, że w zgrzewie będzie dostateczna ilość materiału i że pewna ilość materiału może wypływać do zapewnionej otwartej przestrzeni. Współczynnik przestawienia może być wyznaczony ilościowo przez porównanie grubości połączenia przed zgrzewaniem (wymiar 80) z wymiarem materiału macierzystego (wymiar 82). Suma wymiaru 82 materiału macierzystego i przestawienia 81 równa jest grubości przed zgrzewaniem (80). Ułamkowy współczynnik przestawienia wynosi (80 - 82)/82. Aby ten ułamek wyrazić procentowo, trzeba go pomnożyć przez 100. W jednym z przykładów wykonania, współczynnik przestawienia wynosi w przybliżeniu 10%. W innym przykładzie zastosowano współczynnik przestawienia 60% z dobrymi wynikami, ale można stosować również inne jego wartości. Zachodzenie na siebie z przestawieniem służy także zmniejszeniu wymaganej dokładności obróbki maszynowej pasowanych powierzchni. Szczególnie ważne jest to, że roztopione powierzchnie są do siebie podczas procesu zgrzewania dociskane. Jeżeli w procesie obróbki maszynowej wystąpią niedokładności powierzchni tak, że nie będą one się stykać, to nie utworzą one zadowalającego zgrzewu. Dzięki zapewnieniu zachodzenia na siebie, do dociskania do siebie obu powierzchni można zastosować jedną nieruchomą i jedną ruchomą płytę dociskającą.

Należy docenić wagę cyklu nagrzewania i chłodzenia, zarówno odnośnie osiąganych temperatur, jak i czasów przebywania w różnych temperaturach. Stwierdzono także, że zjawiska krawędziowe są w ważne dla przenikania ciepła do taśmy i od taśmy, podczas procesu zgrzewania. Te zjawiska krawędziowe można przezwyciężyć przez zastosowanie traconego materiału przy krawędzi taśmy, który następnie może być odcięty od taśmy i odrzucony, co przerzuca zjawiska krawędziowe na element tracony. Korzystnie element ten może także stanowić przekładkę, która steruje odstępem płyt dociskających dla uzyskania żądanej grubości taśmy.

Potencjalnym uszkodzeniem takiej taśmy jest odwijanie się zgrzewu. Taśma poddawana jest znacznemu ścinaniu na powierzchni, którą styka się z elektrodami z prędkością dziesiątków metrów na sekundę. Odwijanie się wskutek zużycia odsłoniętego kawałka, a czasami z wystającym kawałkiem zahaczającym o otwór podawczy, może prowadzić do katastrofalnej awarii taśmy. Ryzyko wystąpienia takiego uszkodzenia można zmniejszyć poprzez wybór usytuowania zachodzenia zgrzewu tak, aby cienka zbieżna część zgrzewu wypadała z tyłu względem kierunku przemieszczania taśmy. Przy takiej orientacji nie ma tendencji do odwijania z powrotem krawędzi i do rozpoczęcia się takiego uszkodzenia zgrzewu i jego rozchodzenia się w złączu. Usytuowanie krawędzi złącza względem krawędzi natarcia poprzecznie skierowanych włókien 46 pokazane jest na Fig. 5. Taśma może być zainstalowana w urządzeniu z powierzchnią 88 zwróconą w stronę elektrody i stroną 90 zwróconą w stronę drugiej sekcji taśmy. Wówczas kierunek ruchu taśmy względem stacjonarnych elektrod będzie wskazywany strzałką 92.

Taki sposób wytwarzania taśmy z obrabianych maszynowo arkuszy UHMWPE pozwala wykorzystać profile omówione w powołanym tu patencie US 5 904 253. Jednym z przykładów korzystnego sposobu jest zastosowanie obrabiarki wieloosiowej. Przy takim urządzeniu arkusz podawany jest na stół, a głowica tnąca jest przemieszczana w poprzek arkusza i każde wycięcie w taśmie może być wycinane indywidualnie. Poprzez właściwy wybór narzędzia tnącego, wycięcia mogą uzyskać pożądany kształt krawędzi natarcia i krawędzi spływu. Należy podkreślić, że żądaną geometrię krawędzi

PL 206 198 B1 natarcia można uzyskać za pomocą środków kształtujących takich, jak prasowanie, wykrawanie, obróbkę skrawaniem, wycinanie laserowe i tym podobne.

Wracając do Fig.6, w kroku 216 tego wykonania sposobu wytwarzania taśmy, całkowita długość połączonych sekcji może być szacowana dla określenia, czy jest ona dostatecznie długa dla utworzenia kompletnej taśmy do żądanego zastosowania. Jeżeli nie, to dodatkowe arkusze mogą być zgrzane z nią przez powtórzenie kroków 208 - 214, jak wskazano w kroku 218, dla utworzenia arkusza zbiorczego o żądanej długości. Następnie przeciwne krawędzie arkusza zbiorczego mogą zostać ze sobą połączone, tworząc ciągłą taśmę, jak wskazano w krokach 220 - 224.

Przedstawiony tu sposób wytwarzania może być także stosowany do wytwarzania taśm do innych zastosowań. W wielu innych zastosowaniach otwory w taśmie mogą być niepożądane. Jak opisano powyżej, zgodnie z jednym z wykonań, materiał przy zgrzewie może być usuwany dla podzielenia zgrzewu na krótkie niezależne sekcje. Po zrobieniu podziału i wykonaniu zgrzewu, otwory te mogą być zapełnione materiałem dla otrzymania taśmy bez otworów. Pożądane jednak może być pozostawienie niezależnych zgrzewów i rozkładów naprężeń wokół zgrzewów. Jednym ze sposobów realizacji powyższego jest wypełnienie otworów materiałem o niskim module Younga, takim jak folia lub piana polietylenowa. Piana łatwo się deformuje i może przejmować istotne naprężenia termiczne powstałe podczas zgrzewania.

Zdolność zgrzewania arkuszy UHMWPE do postaci ciągłych nieskończonych taśm nie ogranicza elastyczności w zakresie osiąganej geometrii taśmy. Arkusze mogą być przytrzymywane na stole, a wycięcia mogą być wykonywane w arkuszu metodami obróbki maszynowej. Jest zachowana całkowita swoboda w doborze geometrii poprzecznie skierowanych włókien i maszynowo skierowanych włókien. Można zaprojektować maszynowo skierowane włókna tak, aby miały doskonałą wytrzymałość zmęczeniową, a poprzecznie skierowane włókna tak, aby miały doskonałe właściwości separacji. Sposób wytwarzania i materiały tu opisane mogą więc zostać wykorzystane do osiągnięcia większej żywotności taśm poddających się lepszej kontroli ich geometrii. Wytwarzanie taśm BSS tym sposobem umożliwia także zapewnienie im dodatkowych właściwości.

Należy docenić, że taśma BSS używana jest w środowisku trudnym. Popiół lotny posiada silne właściwości ścierne, a ponadto często zawiera materiał przypadkowy. W popiołach lotnych znajdywano kamienie, elektrody spawalnicze, śruby, rękawice, materiały ogniotrwałe i różnorodne inne rodzaje materiału przypadkowego, który powodował liczne awarie taśmy. Jeżeli obcy obiekt jest większy od odstępu pomiędzy elektrodami to nie dostanie się on do urządzenia, lecz zawiśnie w punkcie podawania, do momentu jego rozdrobnienia lub zniszczenia taśmy. W jednym z wykonań taśmy według przedmiotowego wynalazku, w taśmie mogą znajdować się okresowo wytrzymałościowe elementy poprzeczne. Ilustracja części takiej taśmy z wytrzymałościowymi elementami 100, 101, 102 i 103 została przedstawiona na Fig.8. Taśma może zostać zatrzymana przy jednym z wytrzymałościowych elementów tak, aby można było otworzyć urządzenie i usunąć materiał przypadkowy. Zgodnie z tym przykładem wykonania, te wytrzymałościowe elementy mogą zostać zapewnione poprzez okresowe opuszczenie wykonywanych otworów 106 w taśmie. Często korzystne jest aby taki segment 100 o zwiększonej wytrzymałości znajdował się w obszarze zgrzewu. Taśma rozrywa się wtedy wzdłużnie dopóki rozdarcie nie sięgnie zgrzewu, na którym się zatrzymuje. Taka taśma może wytrzymać kilka takich rozdarć w różnych jej miejscach, podczas gdy w uprzednich taśmach, rozpoczęcie się pojedynczego rozdarcia doprowadzało do rozdarcia wzdłuż całej długości taśmy i do jej zniszczenia. Należy podkreślić, że te nieperforowane obszary mogą być pogrupowane liniowo wzdłuż długości, np. wzdłuż krawędzi 104. Alternatywnie wytrzymałościowy element 101 może być wykonany jako sekcja nieperforowana wzdłuż szerokości taśmy lub skośnie (np. obszar 102), lub takie elementy mogą być rozmieszczone przypadkowo (np. obszary 103), albo tworzyć wzór regularny.

Po opisaniu różnych przykładowych wykonań wynalazku i jego cech, możliwe są modyfikacje i zmiany w realizacji, oczywiste dla fachowca w tej samej dziedzinie. Na przykład ujawniony sposób zgrzewania arkuszy może zostać zastosowany do zgrzewania materiałów różnych od UHMWPE, takich jak nylon polietylenowy o wysokiej gęstości, czy poliester oraz zbiorcze arkusze mogą zawierać zarówno arkusze perforowane jak i nieperforowane, z dowolnego materiału termoplastycznego. Takie modyfikacje i zmiany są w zamierzeniu objęte przedmiotowym ujawnieniem, zawartym w opisie, bowiem jako takie jedynie ilustrują wynalazek, i nie ograniczają zakresu jego ochrony. Zakres ochrony przedmiotowego wynalazku wyznacza natomiast właściwa interpretacja zastrzeżeń patentowych, oraz wykładnia uznawania ekwiwalentów, wsparta opisem.

Claims (46)

1. Sposób wytwarzania ciągłej taśmy do separatora taśmowego poprzez łączenie ze sobą pierwszej krawędzi pierwszej części arkusza i drugiej krawędzi drugiej części arkusza, w trakcie którego:

kształtuje się skos w kierunku pierwszej krawędzi pierwszej części arkusza i skos w kierunku drugiej krawędzi drugiej części arkusza;

kształtuje się pierwszy szereg wycięć w pierwszej części pierwszego arkusza, przy czym wycięcia te rozciągają się poprzecznie od pierwszej krawędzi w głąb pierwszej części arkusza;

kształtuje się drugi szereg wycięć w drugiej części arkusza łączonego z pierwszą częścią arkusza, przy czym wycięcia te rozciągają się poprzecznie od drugiej krawędzi w głąb drugiej części arkusza;

umieszcza się razem pierwszą i drugą krawędź pierwszej i drugiej części arkusza tak, żeby pierwsza i druga część arkusza zawierały zachodzące na siebie części, oraz łączy się ze sobą pierwszą i drugą części arkusza, znamienny tym, że wycięcia (50) rozciągają się poza zachodzące na siebie części (52, 54) a arkusz jest wykonany z tworzywa termoplastycznego.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynność łączenia obejmuje czynność zgrzewania ze sobą pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynność kształtowania skosów obejmuje kształtowanie, w zasadzie spasowanych kątów ostrych (70) na pierwszej krawędzi i na drugiej krawędzi.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynność łączenia obejmuje: nagrzewanie pod naciskiem co najmniej zachodzących na siebie części pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego powyżej temperatury topnienia pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego tak, że zachodzące na siebie części pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego zostają ze sobą połączone; oraz chłodzenie co najmniej zachodzących na siebie części pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynność łączenia obejmuje: dociskanie do siebie pierwszej i drugiej krawędzi;

nagrzewanie pierwszej i drugiej krawędzi powyżej temperatury topnienia arkuszy termoplastycznych;

utrzymywanie styku pomiędzy pierwszą i drugą krawędzią przez ustalony okres czasu; oraz chłodzenie pierwszej i drugiej krawędzi tak, aby były połączone ze sobą.

6. Sposób według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że czynność nagrzewania obejmuje nagrzewanie przez bezpośredni kontakt z nagrzanymi płytami dociskowymi.

7. Sposób według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że czynność chłodzenia obejmuje chłodzenie przez bezpośredni kontakt z chłodzonymi płytami dociskowymi.

8. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że czynność dociskania do siebie pierwszej i drugiej krawędzi obejmuje dociskanie do siebie pierwszej i drugiej krawędzi za pomocą pary płyt dociskowych.

9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że grubość każdej z płyt dociskowych w tej parze płyt dociskowych wynosi w przybliżeniu około 3,8 cm.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał termoplastyczny stanowi polietylen o ultra wysokim ciężarze molekularnym.

11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowo perforuje się pierwszą część (52) i drugą część (54) arkusza termoplastycznego.

12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że czynność perforowania pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego obejmuje perforowanie pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego, w ten sposób, że otwarta przestrzeń perforowanego arkusza przekracza 50% całkowitej powierzchni perforowanego arkusza.

13. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że czynność perforowania pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego obejmuje kształtowanie perforacji w ten sposób, żeby utworzyć krawędź natarcia taśmy o kącie ostrym (70).

PL 206 198 B1

14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że czynność perforowania obejmuje kształtowanie perforacji w ten sposób, aby utworzyć krawędź natarcia taśmy o kącie ostrym (70) wynoszącym mniej niż w przybliżeniu 60°.

15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynność umieszczania razem pierwszej i drugiej krawędzi pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego obejmuje umieszczanie razem pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego, tak aby zachodzące na siebie części posiadały grubość (80) w przybliżeniu o 10% większą od grubości (82) pierwszej części (52) arkusza termoplastycznego.

16. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynności kształtowania wycięć (50) obejmują takie kształtowanie wycięć (50), że odstępy między tymi wycięciami wynoszą w przybliżeniu 2,5 cm.

17. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynności kształtowania wycięć (50) obejmują kształtowanie wycięć (50) o szerokości większej od około 0,3 cm.

18. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynności kształtowania wycięć (50) obejmują kształtowanie wycięć (50) o długości około 5,1 cm.

19. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że arkusz termoplastyczny zawiera lub stanowi nylon.

20. Sposób według zastrz. 1, stosowany do łączenia ze sobą pierwszej krawędzi pierwszego arkusza termoplastycznego i drugiej krawędzi drugiego arkusza termoplastycznego.

21. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że czynność kształtowania wycięć (50) w pierwszej krawę dzi obejmuje kształ towanie wycięć (50) w pierwszej krawę dzi pierwszego arkusza termoplastycznego, przy czym te wycięcia (50) rozciągają się poprzecznie od pierwszej krawędzi w głąb pierwszego arkusza termoplastycznego.

22. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że czynność kształtowania wycięć (50) w drugiej krawędzi obejmuje kształtowanie wycięć (50) w drugiej krawędzi drugiego arkusza termoplastycznego, przy czym te wycięcia (50) sytuuje się tak, aby rozciągały się poprzecznie od drugiej krawędzi w głąb drugiego arkusza termoplastycznego.

23. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynność łączenia ze sobą pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego obejmuje łączenie ze sobą pierwszej krawędzi i drugiej krawędzi tego samego arkusza termoplastycznego, dla ukształtowania ciągłej taśmy.

24. Sposób według zastrz. 1, obejmujący ponadto łączenie pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego z co najmniej jednym dodatkowym arkuszem termoplastycznym dla utworzenia arkusza zbiorczego.

25. Sposób według zastrz. 24, obejmujący ponadto łączenie przeciwległych krawędzi arkusza zbiorczego, dla ukształtowania ciągłej taśmy.

26. Sposób według zastrz. 1, gdzie termoplastyczny materiał zawiera produkt polimeryzacji co najmniej jednego monomeru olefinowego.

27. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał termoplastyczny obejmuje polietylen o ultra wysokim ciężarze molekularnym.

28. Taśma, obejmująca:

- pierwszą część (52) arkusza obejmującą pierwszą krawędź nachyloną względem powierzchni taśmy oraz pierwszy szereg wycięć (50) wzdłuż pierwszej krawędzi pierwszej części (52) tworzący wgłębienia,

- drugą część (54) arkusza obejmują c ą drugą krawę d ź nachyloną wzglę dem powierzchni taś my oraz drugi szereg wycięć (50) wzdłuż drugiej krawędzi drugiej części (54) tworzących wgłębienia, w której pierwsza krawę d ź i druga krawę d ź połączone są ze sobą na zakł adkę tak, ż e tworzą zachodzące na siebie części (58, 60), oraz która charakteryzuje się tym, że wycięcia (50) rozciągają się poza zachodzące na siebie części, i tym, ż e arkusz jest wykonany z tworzywa termoplastycznego.

29. Taśma według zastrz. 28, znamienna tym, że arkusz lub arkusze termoplastyczne zawierają nylon.

30. Taśma według zastrz. 28, znamienna tym, że arkusz termoplastyczny zawiera polietylen o ultra wysokim ciężarze molekularnym.

31. Taśma według zastrz. 28, znamienna tym, że arkusz termoplastyczny zawiera co najmniej jeden monomer olefinowy.

32. Taśma według zastrz. 28, znamienna tym, że każda z nachylonych krawędzi jest zbieżna.

PL 206 198 B1

33. Taśma według zastrz. 28, znamienna tym, że pierwsza część (52) i druga część (54) arkusza termoplastycznego obejmują jeden arkusz termoplastyczny, przy czym pierwsza i druga krawędź są połączone tak, że tworzą ciągłą taśmę.

34. Taśma według zastrz. 28, obejmująca ponadto co najmniej jedną dodatkową część arkusza termoplastycznego, która jest połączona co najmniej z jedną spośród pierwszej części (52) i drugiej części (54) arkusza termoplastycznego, tworząc zbiorczy arkusz termoplastyczny.

35. Taśma według zastrz. 34, znamienna tym, że przeciwległe krawędzie zbiorczego arkusza połączone są ze sobą, tworząc ciągłą taśmę.

36. Taśma według zastrz. 28, zawierająca ponadto element wytrzymałościowy.

37. Taśma według zastrz. 36, znamienna tym, że element wytrzymałościowy obejmuje nieperforowaną sekcję arkusza termoplastycznego usytuowaną w pobliżu pierwszej i drugiej krawędzi.

38. Taśma według zastrz. 36, znamienna tym, że element wytrzymałościowy obejmuje nieperforowaną sekcję arkusza termoplastycznego, rozmieszczoną wzdłuż krawędzi wzdłużnej taśmy.

39. Taśma według zastrz. 36, znamienna tym, że taśma jest perforowana.

40. Taśma według zastrz. 39, znamienna tym, że otwarty obszar perforowanej taśmy przekracza 50% całkowitej powierzchni taśmy.

41. Taśma według zastrz. 39, znamienna tym, że perforacje w taśmie obejmują krawędź prowadzącą z kątem ostrym.

42. Taśma według zastrz. 28, znamienna tym, że zachodzące na siebie części wyznaczają zakładkę o grubości (80) w przybliżeniu o 10% większej od grubości (82) pierwszej części (52) arkusza termoplastycznego.

43. Taśma według zastrz. 42, znamienna tym, że wycięcia (50) rozciągają się w zasadzie poza zachodzące na siebie części.

44. Taśma według zastrz. 28, znamienna tym, że odstęp między pierwszym i drugim szeregiem wycięć (50) wynosi w przybliżeniu 2,5 cm.

45. Taśma według zastrz. 28, znamienna tym, że wycięcia (50) w pierwszym i w drugim szeregu mają szerokość większą niż w przybliżeniu 0,3 cm.

46. Taśma według zastrz. 28, znamienna tym, że wycięcia (50) w pierwszym i w drugim szeregu mają długość w przybliżeniu 5,1 cm.