курсовая по экструдеру. Курсовая работа технология переработки из расплавов аморфных и кристаллизующихся веществ
 Скачать 171.07 Kb.
|
 Рис. 1. Схема одношнекового экструдера: 1- бункер; 2- червяк (шнек); 3- цилиндр; 4- полость для циркуляции воды; 5- нагреватель; 6- решетка с сетками; 7- формующая головка с адаптером 2. Двухшнековые экструдеры могут применяться как в тех же случаях, что и одношнековые, так и в специальных условиях, когда одношнековые экструдеры не справляются с задачами. В российских реалиях двухшнековые экструдеры в подавляющем большинстве случаев используются для экструзии ПВХ (поливинилхлорида) в изделия строительного назначения. Технология процесса экструзии ПВХ зачастую подразумевает применение порошкообразного основного сырья (ПВХ-композиции), которую невозможно переработать на стандартной одношнековой экструзионной линии. Как правило, двушнековые экструдеры в обязательном порядке оснащаются устройством дегазации. Двухшнековые экструдеры различают двух основных типов: · экструдеры со шнеками, находящимися в зацеплении (с однонаправленным или противоположно направленным вращением шнеков); · экструдеры со шнеками, не находящимися в зацеплении (с однонаправленным или противоположно направленным вращением шнеков). 3. Многошнековые экструдеры применяются сравнительно редко. К таким экструдерам можно отнести четырехшнековый экструдер, а также планетарный экструдер. Червячная система последнего состоит из одного центрального червяка и еще, как правило, 6 дополнительных шнеков, расположенного вокруг основного на одинаковом радиальном расстоянии. Эти шнеки называют планетарными, отсюда и название экструдера. Такая конструкция позволяет перерабатывать материалы, склонные к быстрой термической деструкции (часто – композиции ПВХ) без применения высоких температур, но со значительным смесительным эффектом и интенсивной дегазацией расплава. 4. Дисковые экструдеры относятся к достаточно редкому типу экструзионных машин современности. Работа дискового экструдера основана на перемещении полимерного материала и создании давления за счет адгезии полимера к подвижным частям экструдера. Такие экструдеры могут быть как однодисковыми, так и многодисковыми. Последний является наиболее современным вариантом и позволяют давать давление расплава на выходе в несколько раз превышающее давление расплава стандартного одношнекового экструдера. Однако, обычно это преимущество нивелируется высокой стоимостью многодискового экструдера вследствие его конструкционной сложности. 2.2 Поведение полимера при экструзии Поведение полимера внутри экструдера рассмотрим на примере одношнековой экструзии гранулированного материала. Технологический процесс экструзии складывается из последовательной пластикации и перемещения материала вращающимся шнеком в зонах материального цилиндра. Различают следующие зоны – питания (I), пластикации (II), дозирования расплава (III). Можно сказать, что деление шнека на зоны I-III достаточно условно, оно осуществляется по технологическому признаку и указывает на то, какую операцию в основном выполняет данный участок шнека. Цилиндр также имеет определенные 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 перемещения материала большое значение имеют условия продвижения твердого материала из загрузочного бункера и заполнение межвиткового пространства, находящегося под воронкой бункера. Загрузка сырья. Полимерный материал для экструзии, подаваемый 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. Наиболее часто экструзией перерабатываются гранулированные пластики. Переработка полимера в виде гранул - оптимальный вариант питания экструдера. Гранулы полимера меньше склонны к "зависанию" и образованию пробок в бункере, чем порошок, а также гранулы легче пластицируются и гомогенизируются. Загрузка межвиткового пространства щнека под воронкой бункера происходит на отрезке длины шнека, равном (1 - 1,5)D. При переработке многокомпонентных материалов для загрузки их в бункер применяются индивидуальные дозаторы: шнековые (объемные), вибрационные, весовые и т. п. Сыпучесть материала сильно зависит от его влажности: чем больше влажность, тем меньше сыпучесть. Поэтому гигроскопичные материалы необходимо сушить перед загрузкой в экструдер. Применяя приспособления для принудительной подачи материала из бункера в материальный цилиндр, также удается существенно повысить производительность машины. При уплотнении материала в межвитковом пространстве шнека вытесненный воздух выходит обратно через бункер. Если удаление воздуха будет неполным, то он останется в расплаве и после прохождения через головку образует в изделии нежелательные полости. При длительной работе экструдера возможен перегрев цилиндра под воронкой бункера и самого бункера. В этом случае гранулы начнут слипаться и прекратится их подача на шнек. Для предотвращения перегрева этой части цилиндра в нем делаются полости для циркуляции охлаждающей воды. Обычно зона загрузки является единственной охлаждаемой зоной современных экструдеров. 1. Зона питания (I). Поступающие из бункера гранулы или порошок полимера заполняет межвитковое пространство шнека зоны I и уплотняется. 2. Зона пластикации и плавления (II). В зоне II происходит подплавление полимера, примыкающего к поверхности цилиндра. В тонком слое расплава полимера происходят интенсивные сдвиговые деформации, как следствие материал пластицируется, что приводит к интенсивному смесительному эффекту. Основной подъем давления P 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 экструдируемого профиля. 3. Зона дозирования (III). Расплавленная масса полимера продолжает гомогенизироваться, однако она все еще не является однофазной и состоит из расплавленных и твердых частиц. В конце зоны III пластик становится полностью гомогенным и готовым к продавливанию через чистящие сетки и формующую головку. 2.3 Основные параметры процесса экструзии К технологическим параметрам переработки пластмасс методом экструзии относятся: · температура по зонам экструдера, · давление расплава, · температура зон головки, · режимы охлаждения экструдированного профиля. Основными технологическими характеристиками экструдера являются длина шнека L, диаметр шнека D, соотношение L/D, скорость вращения шнека N, а также профиль шнека и степень изменения объема канала шнека. Основной характеристикой формующего инструмента, состоящего как правило из экструзионной головки (вместе с фильтрующими сетками) и калибрующего узла, 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. Укрупненным показателем работы любого экструдера можно назвать его эффективность, измеряемую как отношение производительности экструдера к его потребляемой мощности [7, 8, 11]. 3. Технологические параметры переработки (литья) термопластичных полимеров Необходимо различать параметры процесса литья, задаваемые в системе управления термопластавтомата, термостата, и фактические параметры процесса, которые реализуются в литьевой машине и пресс-форме. В первую очередь это связано с тем, что стадии процесса литья, определяемые системой управления литьевой машины, отличаются от стадий (или фаз) процесса, реализуемых для конкретной отливки. Задаваемые параметры процесса зависят от особенностей системы управления литьевой машины.
1 - хотя "подушка" соответствует моменту окончания выдержки под давлением (подпитки), она регулируется изменением дозы расплава. Поэтому здесь она отнесена к стадии загрузки. [19-25] 3.1 Принципы качественного литья 3.1.1 Влияние конструкции изделия и пресс-формы на процесс уплотнения при литье термопластов Стадия уплотнения (подпитки) оказывает большое влияние на качество изделия из термопластичного материала [20, 26.27] наряду с другими стадиями литьевого цикла. После окончания заполнения отливки в литьевой полости происходит нарастание давления за счет уменьшения перепадов давления в системе сопло-литник-изделие. В процессе уплотнения уменьшение объема охлаждаемого полимера частично компенсируется за счет подачи в литьевую полость дополнительного количества полимерного расплава под давлением. При недостаточном уплотнении на литьевом изделии появляются утяжки, внутренние усадочные полости, дефекты текстуры. Недостаточное и неравномерное уплотнение может приводить к короблению изделия. Эффективным методом изучения процесса уплотнения при литье под давлением является конечноэлементный анализ [28-30]. В примерах, которые приводятся в данном докладе, моделирование процесса впрыска, уплотнения и охлаждения отливки проводилось в программном продукте MPI/Flow, а коробления – в программном продукте MPI/Warp компании Moldflow. Процесс литья моделируется в MPI/Flow как двумерное течение сжимаемого расплава в неизотермических условиях (модель Хеле-Шоу), с учетом основных факторов, влияющих на поведение полимера в литьевом канале (теплоперенос в пристенных слоях пресс-формы, диссипативное тепловыделение при течении, тепловые эффекты сжатия-растяжения расплава и др.). В отдельных случаях учитывались входовые эффекты. Расчеты проводились при симметричном равномерном охлаждении литьевой полости. Температуры расплава и формы соответствовали средним значениям рекомендуемого диапазона переработки полимера. Скорость впрыска выбиралась так, что изменения рассчитываемой температуры фронта расплава в изделии не превышали 1-3 С. 3.1.2 Процесс уплотнения для аморфных и кристаллизующихся материалов Современное количественное прогнозирование процесса уплотнения базируется на использовании экспериментальной PVT-диаграммы, характеризующей сжимаемость полимера под действием давления, а также усадочные процессы в условиях, приближенных к равновесным. PVT-диаграммы аморфных и кристаллизующихся материалов (рис. 2) имеют принципиальные различия.  Рис. 2. PVT-диаграммы АБС-пластика (аморфный) и ПП (кристаллизующийся) Оценка уплотнения в реальном или моделируемом процессе может производиться по максимальному давлению в пресс-форме, по зависимости давления от времени, а также по весу изделия. При моделировании наиболее эффективна оценка уплотнения по величине объемной усадки материала, рассчитываемой на момент раскрытия пресс-формы. Объемная усадка определяется на основе рассчитываемой временной зависимости температуры и давления в узлах модели на стадиях впрыска, выдержки под давлением и выдержки на охлаждение. Аморфные полимеры отличаются от кристаллизующихся невысоким уровнем объемной усадки. При оценке объемной усадки необходимо учитывать влияние неравновесных условий на усадочные процессы. Скорость охлаждения оказывает большое влияние на степень кристалличности полимера, поэтому объемная усадка кристаллизующихся материалов, рассчитываемая на основе равновесных PVT-диаграмм, оказывается завышенной по сравнению с усадкой в реальном процессе. Например, для ненаполненного ПА 6 объемная усадка, рассчитываемая на основе равновесной PVT-диаграммы, может превышать фактическую объемную усадку на 100% [31]. Проводились экспериментальные работы [31 и др.] по изучению «неравновесных» PVT–диаграмм, полученных при высокой скорости охлаждения, и их применению в конечно-элементном анализе. Однако в современном коммерческом программном обеспечении данная методика не применяется. Вязкость полимера на стадии уплотнения Повышение вязкости полимера затрудняет процесс уплотнения. Однако при сравнении материалов по вязкости необходимо учитывать, что течение расплава на стадии подпитки осуществляется при низких скоростях сдвига. Материал может проявлять более высокую вязкость при больших скоростях сдвига, характерных для впрыска, и меньшую вязкость при уплотнении (рис. 3).  Рис. 3. Кривые течения для АБС-пластиков: Сплошная линия – Stylac ABS 100 (Asahi Kasei), пунктир – ABS 728-A (Kumho Chemicals) Технологические параметры процесса уплотнения Для управления подпиткой в материальном цилиндре перед шнеком должна оставаться достаточная «подушка» полимера (обычно 3-6 мм после окончания уплотнения). Необходимо различать параметры процесса, задаваемые в системе управления литьевой машины, и параметры, реализуемые в конкретной пресс-форме. Какое бы большое время выдержки под давлением не было задано, после застывания впускного литника подача расплава полимера в литьевую полость прекращается. Однако процесс течения в незастывших внутренних слоях полимера может продолжаться за счет перераспределения давления внутри гнезда пресс-формы. В реальном процессе время выдержки под давлением часто оценивают по весу изделия: время, при котором вес изделия перестает меняться, принимается за время выдержки. Аналогичную оценку можно проводить и в компьютерном анализе. На рис. 4 приведена зависимость веса отливки от времени для расчета (табл. 2). При проведении компьютерного анализа оценка времени выдержки под давлением обычно выполняется по рассчитываемому времени охлаждения впускного литника.  Рис. 4. Зависимость веса отливки (в % от максимального) от времени Если давление выдержки оказывается равным максимальному давлению при впрыске, в начале процесса уплотнения наблюдается скачок давления в изделии. Для устранения этого скачка часто рекомендуется проводить «сброс давления» и задавать в качестве давления выдержки 80% от максимального давления при впрыске. Однако расчеты показывают, что оптимальное давление выдержки, определенное на основе оценки объемной усадки, в общем, не связано с максимальным давлением при впрыске и зависит от особенностей конструкции изделия и литниковой системы и вязкости материала. Повышение давления выдержки до определенного уровня способствует улучшению уплотнения изделия. Одним из факторов, ограничивающих давление выдержки, является величина распорного усилия, развиваемого в полости формы. Распорное усилие должно быть меньше усилия замыкания термопластавтомата (необходимо предусмотреть запас 20-30%). Типовые конструкции форм обычно рассчитаны на давление в литьевой полости, не превышающее 80-100 МПа. При использовании большего давления выдержки необходимо повысить жесткость конструкции пресс-формы, например, за счет увеличения толщины плит, применения дополнительных опорных колонок и др. Слишком высокое давление выдержки приводит к переуплотнению полимера, что ведет к залипанию изделия в форме, повышению уровня остаточных напряжений, растрескиванию (для хрупких материалов). Влияние конструкции изделия и места впуска на уплотнение Чем дальше от места впуска находится область изделия, тем сложнее обеспечить ее уплотнение. В табл. 2 приведены расчеты процесса уплотнения пластины 200 х 30 мм толщиной 2.5 мм с холодноканальной литниковой системой для материалов Stylac ABS 100 (изготовитель Asahi Kasei) и ненаполненного полипропилена HD120M (изготовитель Borealis). Время выдержки под давлением превышало время, необходимое для застывания впускного литника. Время выдержки на охлаждение соответствовало времени полного застывания центрального литника (в реальном процессе изделие можно извлекать из пресс-формы, не дожидаясь застывания центрального литника). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||