перевод 1. 1. общие сведения

• Название: 1. общие сведения
• Дата: 29.11.2018
• Размер: 400.49 Kb.
• Имя файла: перевод 1.docx
• Тип: Документы; #58212
• страница: 3 из 4

1.2. Процессы, происходящие при экструзии

Технологический процесс экструзии складывается из последовательного перемещения материала вращающимся шнеком в его зонах: питания, пластикации, дозирования расплава, а затем продвижения расплава в канал формующей головки.

Деление шнека на зоны I – III осуществляется по технологическому признаку и указывает на то, какую операцию в основном выполняет данный участок шнека. Разделение шнека на зоны условно, поскольку в зависимости от природы перерабатываемого полимера, температурноскоростного режима процесса и других факторов начало и окончание определенных операций могут смещаться вдоль шнека, захватывая различные зоны или переходя из одного участкав другой.

Цилиндр также имеет установленные длины зон обогрева. Длина этих зон определяется расположением нагревателей на его поверхности и их температурой. Границы зон шнека I – III и зон обогрева цилиндра могут не совпадать.

Для обеспечения успешного продвижения материала большое значение имеют условия продвижения твердого материала из загрузочного бункера и заполнения межвиткового пространства, находящегося под воронкой бункера.

Рассмотрим поведение материала последовательно на каждом этапе экструзии [5].

Загрузка сырья. Исходное сырье для экструзии, подаваемое в бункер, может быть в виде порошка, гранул, лент. Последний вид сырья характерен для переработки отходов промышленного производства пленок и осуществляется на специальных экструдерах, снабженных принудительными питателями-дозаторами, устанавливаемыми в бункерах. Равномерное дозирование материала из бункера обеспечивает хорошее качество экструдата.

Переработка полимера в виде гранул – наилучший вариант питания экструдера. Это объясняется тем, что гранулы полимера меньше склонны к «зависанию», образованию пробок в бункере, чем порошок.

Порошкообразный материал может слеживаться в процессе хранения и транспортировки, в том числе и при прохождении через бункер. Гранулированный материал в отличие от порошка имеет постоянную насыпную массу.

Загрузка межвиткового пространства под воронкой бункера проходит на отрезке длины шнека, равном (1…1,5)D [5].

При переработке многокомпонентных материалов для загрузки их в бункер применяются индивидуальные дозаторы: шнековые (объемные), вибрационные, весовые и т.п.

Если при применении порошкообразных материалов последние имеют непостоянную сыпучесть, то в бункерах образуются «своды», зависающие на стенках бункера. Питание шнека материалом прекращается. Для устранения этого необходимо в бункер помещать ворошители.

Сыпучесть материала зависит в большой степени от влажности: чем больше влажность, тем меньше сыпучесть. Поэтому материалы должны быть вначале подсушены [11, 14].

Для увеличения производительности машины гранулы можно предварительно подогреть. Применяя приспособления для принудительной подачи материала из бункера на шнек, также удается существенно повысить производительность машины (в 3 – 4 раза).

При уплотнении материала в межвитковом пространстве шнека вытесненный воздух должен выходить обратно через бункер.

Наилучшей сыпучестью отличаются гранулы, полученные резкой заготовки на горячей решетке гранулятора: они не имеют острых углов и ребер. При длительной работе экструдера возможен перегрев цилиндра под воронкой бункера и самого бункера. В этом случае гранулы начинают слипаться и прекращается их подача на шнек. Для предотвращения перегрева в этой части цилиндра делают каналы для циркуляции охлаждающей воды.

Зона питания. В зоне питания уплотнение материала происходит, как правило, за счет уменьшения глубины нарезки h шнека. Продвижение полимера осуществляется вследствие разности значений силы трения полимера о внутреннюю поверхность корпуса цилиндра и о поверхность шнека. Поскольку поверхность контакта полимера с поверхностью шнека больше, чем с поверхностью цилиндра, необходимо уменьшить коэффициент трения полимера о шнек, так как в противном случае материал перестанет двигаться вдоль оси шнека, а начнет вращаться вместе с ним. Это достигается повышением температуры стенки цилиндра (нагревом) и понижением температуры шнека (охлаждением водой в зоне I). Иногда количество выделяющегося при внутреннем трении тепла может быть достаточным для плавления полимера, тогда нагреватели отключают. Этот режим называют адиабатическим. В подавляющем большинстве случаев процессы по этому принципу не строятся. При оптимальной температуре полимер спрессован, уплотнен и образует в межвитковом пространстве твердую пробку. Лучше всего, если такая скользящая пробка образуется и сохраняется на границе зон I и II. Свойства пробки во многом определяют производительность машины, стабильность транспортировки полимера, величину максимального давления (рис. 3).

Длина зоны питания (загрузки) составляет (2…10)D. Объемная производительность этой зоны зависит от объема спирального канала V (см³), образованного поверхностью цилиндра ишнека [4]:

V = [π (D²–d²)/4] (t–e), (1)

где d – диаметр тела шнека.

При d = D–2h V = πh(D–h) (t–e). (2)

С увеличением частоты вращения шнека производительность экструдера должна возрастать в соответствии с уравнением:

Q = aρVN(кг/ч), (3)

где Q – производительность машины; ρ – плотность полимера; V – объем спирального канала (объем нарезки одного витка шнека); a– коэффициент заполнения шнека (0,15 – 0,50).

Таким образом, загрузочная зона шнека будет тем больше забирать поступающего материала, чем больше диаметр шнека, глубина нарезки и шаг резьбы, и тем выше станет общая производительность экструдера.

Глубина спирального канала в зоне загрузки h₁ > 2lг, где lг – максимальный размер гранулы перерабатываемого материала.

Зона пластикации и плавления (II). В начале зоны II происходит подплавление полимера, примыкающего к поверхности цилиндра. Расплав постепенно накапливается и воздействует на убывающую по ширине пробку (рис. 3). Поскольку глубина нарезки шнека уменьшается по мере продвижения материала от зоны I к зоне III, то возникающее давление заставляет пробку плотно прижиматься к горячей стенке цилиндра, где и происходит плавление полимера.



В зоне пластикации пробка плавится также и под действием тепла, выделяющегося вследствие внутреннего, вязкого трения в материале в тонком слое расплава (поз. 3 на рис. 3), где происходят интенсивные сдвиговые деформации, материал пластицируется. Последнее обстоятельство приводит к выраженному смесительному эф-

фекту. Расплав интенсивно гомоге- Рис_лав^{. 3.} _зонеСхема II_{вмежвитковом}плавления пробки _{сечении} материа _шне-низируется, а составляющие компо- ка: 1 – стенки цилиндра; 2 – гребень шнезиционного материала перемеши- ка; 3 – потоки расплава полимера; 4 – ^ваются. спрессованныйв экструдере твердый полимер (пробка)

Конец зоны II характеризуется распадом пробки на отдельные фрагменты. Далее расплав полимера с остатками твердых частиц попадает в зону дозирования. Уменьшающаяся глубина нарезки шнека создает давление, которое необходимо для продавливания расплава через фильтрующие сетки, подачи его в головку, уплотнения и в итоге – для выхода сформованного изделия.

Основной подъем давления Р расплава происходит на границе зон I и II. На этой границе образующаяся пробка из спрессованного материала как бы скользит по шнеку: в зоне I это твердый материал, в зоне II – плавящийся. Наличие этой пробки и создает основной вклад в повышение давления расплава. Запасенное на выходе из цилиндра давление расходуется на преодоление сопротивления сеток, течения расплава в каналах головки и формования изделия.

Зона дозирования (III). Продвижение гетерогенного материала (расплав, частички твердого полимера) продолжает сопровождаться выделением внутреннего тепла, которое является результатом интенсивных сдвиговых деформаций в полимере. Расплавленная масса продолжает гомогенизироваться, что проявляется в окончательном плавлении остатков твердого полимера, усреднении вязкости и температуры расплавленной части. В межвитковом пространстве расплав имеет ряд потоков, основными из которых являются продольный и циркуляционный. Величина продольного (вдоль оси шнека) потока определяет производительность экструдера Q, а циркуляционного – качество гомогенности полимера или смешения компонентов. В свою очередь продольный поток складывается из трех потоков расплава: прямого, обратного и потока утечек.

На рис. 4 показаны эпюры распределения скоростей прямого (a), обратного (б) и результирующего (в) потоков расплава в межвитковом пространстве шнека. Если бы не было сопротивлений потока (например при отсутствии сеток и головки), то распределение скоростей Vрезультирующего потока было изображено (рис. 5, a) следующим образом: у поверхности шнека V = max, у неподвижной поверхности цилиндра V= 0. Это имело бы место в случае отсутствия сопротивления течению расплава. При наличии сеток, оснастки, трения о поверхность цилиндра и шнека создается обратный поток, или противоток (рис. 5, б). Результирующий поток, изображенный на рис. 5, в, представляет собой сложение эпюр, приведенных на рис. 5, a и б. При отсутствии сопротивления расплава (сняты головка, сетки) давление Р чуть больше атмосферного; при максимальном сопротивлении (заглушка вместо головки) Р максимально, а величины прямого и обратного потоков равны.



Рис. 4. Эпюры скоростей расплава: а – прямой поток, б – обратный поток, в – результирующий поток, h – расстояние между движущейся (шнек) и неподвижной (цилиндр) поверхностями

Часть материала перетекает в направлении противотока в зазор между гребнем шнека и поверхностью цилиндра. Таким образом, производительность Q экструдера с учетом распределения скоростей различных потоков составляет

Q= Q_α −Q_β −Q_γ, (4)

где Qα,Qβ,Qγ – производительности экструдера от прямого потока, противотока и утечек расплава соответственно.

В свою очередь, Qα,Qβ и Qγ зависят от параметров технологии и экструдера:

Q= αN− (β + γ)P/η, (5)

где N– частота вращения шнека; P – давление на выходе из шнека (в конце зоны III); η – средняя вязкость расплава; α,β, γ – постоянные коэффициенты, зависящие от геометрических параметров шнека.

α = π²D²hsinϕcosϕ/2; β = πDh³ sin² ϕ/(12L); γ = π²D²δ³tgϕ/(10Le), где D– диаметр, L – длина, h – глубина нарезки, ϕ – угол подъема винтовой линии шнека, δ – зазор между гребнем и поверхностью цилиндра, e – ширина гребня шнека (см. рис.1).

Графическое изображение аналитической зависимости (5) представлено на рис. 5 прямыми 1 и 2. Из рисунка следует, что при отсутствии сопротивлений течению расплава (Р = 0) экструдер работает как винтовой насос с максимальной производительностью Q. Если на выходе из экструдера стоит заглушка, т.е. αN= (β+γ)P/η, то в нем развивается максимальное давление Р, а Q= 0.



Анализируя уравнение (5) и значения коэффициентов α, β, и γ, можно проследить влияние геометрических параметров шнека и свойств расплава полимера на производительность Q и характер изменения QотP, т.е. угол наклона прямых 1 и 2 на рис. 5 [5]. Последнее имеет важное практическое значение. При небольшом колебании ∆Р (см. рис. 5), которое может возникнуть при практической работе, последнее сказывается на вели-

Рисности. 5. Q Зависимостьот давления производитель Р расплава на- чине колебания ∆Q₁ или ∆Q₂. Чем выходе из экструдера: 1, 2 – харак- больше∆Q, тем больше пульсация теристикистики головки шнека: а и , 3 – б – рабочиехарактери точки-расплава, т.е. больше неравномерность во времени скорости и выхода

расплава. Это сказывается в первую очередь на разнотолщинности получаемых изделий. Разнотолщинность тем больше, чем выше ∆Q . Из уравнения (5) легко показать, что при прочих равных условиях у экструдеров с большим L/D колебания ∆Q, т.е. пульсация, меньше, чем у экструдеров с меньшим L/D. При равенстве D первый тип экструдера называется длинношнековым, второй – короткошнековым. Кроме того, увеличение L способствует получению расплава более гомогенного, так как время воздействия на него шнека больше, чем в короткошнековых экструдерах. Изделия, получаемые из гомогенного расплава, обладают лучшими свойствами.

Короткошнековые экструдеры имеют L/D= 12…18, длинношнековые – L/D> 30. Наиболее распространены экструдеры с L/D= 20…25.

Течение расплава через сетки и формующую оснастку. Расплав вращающимся шнеком продавливается через решетку, к которой прижаты металлические сетки. Сетки фильтруют, гомогенизируют и создают сопротивление движению расплава, на них теряется часть давления. Проходя через систему фильтрующих сеток, порции полимерного расплава с большей вязкостью задерживаются на сетках. Этого времени должно хватить для того, чтобы порция расплава достигла нужной температуры. Сверхвысокомолекулярные фракции полимера и различные примеси задерживаются сетками и через некоторое время они вместе с сеткой удаляются из цилиндра экструдера.

После прохождения сеток гомогенизированный расплав под остаточным давлением (Р = 5,0…35 МПа) продавливается в формующую оснастку и, приобретая определенный профиль, выходит практически под очень небольшим избыточным давлением из фильерной части головки. Кривая 3 на рис. 5 показывает зависимость Q от Р. Количество расплава Qгол, выходящего через головку, можно представить следующим соотношением:

∆^Р

Q_гол = К _η , (6)

где ∆Р = Р – Р_вых – перепад давления в головке (здесь Р – давление на входе в головку – конец зоны III, Р_вых – давление на выходе из головки);

η – вязкость расплава в головке; К – постоянная, характеризующая сопротивление течению расплава в каналах и формующей части головки.

Если в головке имеется только один цилиндрический канал, например для изготовления прутка, то К = πRн⁴/(8lф), а уравнение (6) преобразуется в известное уравнение Пуазейля. Для головки с плоской формующей щелью

К = n′δ_щ/(12lф),

с кольцевой

К = π(R н+Rв)(Rн _– Rв)³/(12lф),

где Rн– наружный радиус щели; Rв – внутренний радиус щели; n′ – ширина щели; δ_щ – толщина щели; lф – длина формующей части щели.

Таким образом, из трех основных форм сечений головок можно рассчитать К головки, состоящей из их сочетаний.

Для получения качественных изделий необходимо, чтобы заключительный отрезок пути расплав перемещался некоторое время при постоянной длине lф и толщине δ_щ калибруемой формующей части (рис. 6). В этом случае происходит наиболее полное выравнивание скоростей движения расплава, проходят релаксационные процессы, ликвидируется пульсация и т.д. Чем длиннее lф (больше lф/δ_щ), тем меньше пульсация расплава. В зависимости от типа выпускаемого изделия и требований к точности его размеров значения lф/δ_щ находятся в пределах 20 – 60.



Рис.6. Схема листовальной головки [5]: D – ширина (диаметр) подводящего канала от экструдера; W – ширина формующей щели; l₀, l₁ – длина пути расплава; lф – длина формующей части щели; δ_щ – толщина формующей щели

Работа экструдера в сочетании с головкой. Поскольку экструдер работает вместе с головкой, то и производительность его находится путем совместного решения уравнений (5) и (6) или графически (см. рис. 5) как точка пересечения прямых 1 и 2 с прямой 3. Точки a и б пересечения называются рабочими точками.

Упрощенный аналитический расчет Q машины с одним шнеком, уменьшающейся глубиной нарезки канала шнека, с учетом сеток и головки можно производить по формуле

Q = αKN/(K + β + γ), (7)

где Q – производительность, см³/мин; α, β, γ – постоянные прямого и обратного потоков и потока утечек, см³; K – постоянная головки, сеток, решетки, см³.

Для различных головок K различна и рассчитывается по соответствующим формулам общего вида:

K=1/∑(1/ Ki), (8)

где К_i – коэффициент сопротивления каждого из элементов головки, сеток и решетки.

Реальные зависимости Q – P (см. рис. 6) не являются прямолинейными. Зоны экструдера, формующей оснастки имеют различный внешний обогрев, кроме того, в зависимости от интенсивности вращения шнека в расплаве выделяется разное количество тепла. Поэтому такие важнейшие характеристики, как вязкость и плотность расплава зависят от температуры и не являются строго постоянными. Эти и другие факторы ведут к отклонению зависимостей (5) и (6) от прямолинейности.

Экструзия большинства расплавов термопластов происходит в следующих интервалах скоростей сдвига и напряжений сдвига:

lg(γ,c^-1) = 2…3; lg(τ,Па) = 4,5…5,5 (прил. 1).

Основные параметры процесса экструзии. К технологическим параметрам относится температура переработки полимера, давление расплава, температура зон головки температурные режимы охлаждения сформованного экструдата [1, 2].

Основными технологическими характеристиками экструдера являются L, D, L/D, скорость вращения шнека N, геометрический профиль шнека, степень изменения объема канала шнека (прил. 1, табл. 5).

Основной характеристикой формующей оснастки (вместе с фильтрующими сетками) является коэффициент сопротивления течению расплава K.

Перепад давления на фильтрующих сетках служит показателем засорения, т.е. увеличения сопротивления сеток, и, следовательно, сигналом к их замене.

Показателем работы экструдера является его эффективность – отношение производительности к потребляемой мощности.

1.3. Эструзионные установки.