Профиль «Технология и переработка полимеров»

В начале зоны плавления (пластикации) происходит под-плавление полимера, примыкающего к поверхности цилиндра. Расплав постепенно накапливается и воздействует на убываю-щую по ширине пробку (рисунок 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 плав-ление полимера.

В зоне пластикации пробка плавится также и под действии ем тепла, выделяющегося из-за внутреннего, вязкого трения в материале в тонком слое расплава (поз. 3 на рисунке 5), где про исходят интенсивные сдвиговые деформации – материал пласти-цируется, т.е переходит в текучее состояние.

На поверхности пробки образуется тонкий слой расплава. Постепенно толщина этого слоя увеличивается, и в тот момент, когда ширина пробки уменьшится до 0,1+0,2 ширины винтового канала червяка, циркуляционное движение в слое расплава, соби рающемся перед толкающей стенкой, разрушает остатки проб- ки, дробя ее на мелкие куски.

Рисунок 5 – Схема плавления пробки материала в зоне плавления в межвитковом сечении шнека:

1 – стенки цилиндра; 2 – гребень шнека; 3 – потоки расплава полимера; 4 – спрессованный твердый полимер (пробка) в экструдере.

Когда толщина пленки расплава становится равной толщи-не радиального зазора между стенкой корпуса и гребнем винто-вой нарезки червяка, последний начнет соскребать слой распла-ва со стенки, собирая его перед своей толкающей гранью. Это сечение червяка является фактическим концом зоны питания и началом зоны плавления.

Наличие в зоне плавления интенсивных сдвиговых деформа-

ций приводит к выраженному смесительному эффекту. Расплав интенсивно гомогенизируется, а составляющие композицион-ного материала перемешиваются.

Зона плавления наиболее сложная из зон червяка – харак-теризуется пребыванием в канале полимерного материала в двух состояниях: расплавленном и твердом

Конец зоны II характеризуется распадом пробки на отдель- ные фрагменты. Далее расплав полимера с остатками твердых

частиц попадает в зону дозирования.

Уменьшающаяся глубина нарезки шнека создает давление, ко-торое необходимо для продавливания расплава через фильтрующие сетки, подачи его в головку, уплотнения и в итоге – для выхода сформованного изделия.

Основной подъем давления расплава (P) 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 распла-ва. Запасенное на выходе из цилиндра давление расходуется на преодоление сопротивления сеток, течения расплава в каналах головки и формования изделия.

Рисунок 6 – Схема распределение давления по длине шнека

Распределение давления по типу А соответствует случаю, когда производительность зоны плавления шнека намного ниже производительности зоны выдавливания, а. кривая типа В – слу-чаю, когда плавление полимера идет с такой же скоростью как и выдавливание расплава через головку. В этих условиях давление начинает повышаться в зоне плавления, а перед головкой развивает-ся более высокое давление, что ведет к повышению производитель-ности по сравнению с вариантом А.

Кривая типа С соответствует условиям, при которых произво-дительность зоны плавления выше, чем производительность зоны дозирования.

Зона дозирования (III). Продвижение гетерогенного мате-риала (расплав, частички твердого полимера) продолжает сопро-вождаться выделением внутреннего тепла, которое является ре-зультатом интенсивных сдвиговых деформаций в полимере. Рас-плавленная масса продолжает гомогенизироваться, что проявля-

ется 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 – каче-ство гомогенности полимера или смешения компонентов.

В свою очередь продольный поток складывается из трех потоков расплава: прямого, обратного и потока утечек.

На рисунке 7 показаны эпюры распределения скоростей прямого (а), обратного (б) и результирующего (в) потоков рас-плава в межвитковом пространстве шнека.

Рисунок 7 – Эпюры скоростей расплава:

а – прямой поток; б – обратный поток; в – результирующий поток; h – расстояние между движущейся (шнек) и неподвиж-ной (цилиндр) поверхностями.

Если бы не было сопротивлений потока (например, при от-сутствии сеток и головки), то распределение скоростей V резуль-тирующего потока изобразилось бы рисунком 5-а, 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 цилинд-ра и шнека создается обратный поток, или противовоток (рис.5 б).

Результирующий поток, изображенный на рисунке 5- в, пред-ставляет собой сложение эпюр, приведенных на рисунке 5- а и 5- б.

При отсутствии сопротивления расплаву (сняты головка, сетки) давление P чуть больше атмосферного при максимальном сопротивле нии (заглушка вместо головки) P максимально, а величины прямого и обратного потоков равны. Часть материала перетекает в направлении противотока в зазор между гребнем шнека и поверхностью цилиндра.

Таким образом, производительность Q экструдера, с уче-том распределения скоростей различных потоков, описывается уравнением:

Q = Q_А – Q_B – Q_G (2)

где Q _А, Q _B, Q _G – производительности экструдера по прямому потоку, противотоку и утечке расплава, соответственно.

В свою очередь, Q _А, Q _B, Q _G – зависят от технологических параметров и конструкции экструдера:

Q=АN – (B+ G)P/ η (3)

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

A = (π²D²h sin φ cos φ) /2; B = (π Dh³sin² φ) /12L;

G = (π ²D² δ ³tg φ)/ 10 L e,

где: D – диаметр, L – длина, h – глубина нарезки; φ – угол подъема винтовой линии шнека; δ – зазор между гребнем и поверхностью цилиндра; е – ширина гребня шнека.

Для определения вязкости расплава по кривым течения необходимо рассчитать скорость сдвига в спиральном канале шнека:

ск = [c^-1] (4)

где: D – диаметр шнека, мм; h ср – средняя глубина канала в зоне дози-рования, мм; N – скорость вращения шнека, об/с; t – шаг нарезки шнека в зоне дозирования, мм

h ср = , h₂ и h₃ – глубина канала в начале и в конце зоны дозирования, мм.

Графическое изображение аналитической зависимости (3) представлено на рисунке 8 прямыми 1 и 2. Из рисунка следует, что при отсутствии сопротивлений течению расплава (Р = 0) экструдер работает как винтовой насос с максимальной произ-водительностью Q.

Если на выходе из экструдера стоит заглушка, т. е. прямой поток равен сумме обратного и потока утечек: АN = (B + G)P/ η, то в нем развивается максимальное давление Р, а Q = 0.

Анализируя уравнение (3) и значения коэффициентов А, B, G можно проследить влияние геометрических параметров шнека и свойств расплава полимера на производительность Q и харак-тер изменения Q от Р, т. е. угол наклона прямых 1 и 2 на рис. 8. Последнее имеет важное практическое значение.

Рисунок 8 – Зависимость производительности Q от

давления Р расплава на выходе из экструдера:

1, 2 – характеристики шнека; 3 – характеристика головки;

а и б – рабочие точки

При небольшом колебании Δ P (см. рисунок 6), которое может возникнуть при практической работе, последнее сказыва-ется на величине колебания ΔQ₁ или ΔQ₂. Чем больше ΔQ, тем больше пульсация 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 Δ Q. Из уравне-ния (3) легко показать, что при прочих равных условиях у экст-рудеров с большим L/D колебания ΔQ, т.е. пульсация, меньше, чем у экструдеров с меньшим L/D.

При равенстве D первый тип экструдера называется длин-ношнековым, второй – короткошнековым. Кроме того, увеличе-ние L способствует получению расплава более гомогенного, так как время воздействия на него шнека больше, чем в короткошне-ковых экструдерах. Изделия, получаемые из гомогенного рас-плава, обладают лучшими свойствами.