Шнековые транспортеры серии MDL

 

Обычно этот процесс регулируется с помощью датчиков, которые установлены под емкостями с сырьем, или установкой реле давления. Жесткие шнековые конвейеры дают хороший коэффициент полезного действия, но они работают эффективно только при относительно малых углах наклона. Кроме того, они склонны к заторам и являются очень шумными, если используются совместно с мощными двигателями привода, которые монтируются на выходе. С другой стороны, гибкие шнековые дозаторы, которые вращаются в полиамидных трубах, могут работать под любым углом и потому более универсальны в использовании. Основным преимуществом данных конвейеров является возможность их применения для перемещения на короткие расстояния партий больших объемов, а также порошковых материалов (поскольку нет необходимости в использовании фильтров). Однако в литье под давлением они используются редко.

Подача материала от накопителей к ТПА осуществляется центральными транспортировочными системами (ЦТС). Общий объем материала, расстояния от источников сырья и количество машин определяют необходимый тип транспортной системы.

В последнее время используются централизованные системы подачи материала, состоящие из центрального вакуумного насоса, центрального пылевого фильтра, вакуумного приемника из нержавеющей стали, клавишного устройства управления как основного элемента системы.

Расширенное контрольное устройство позволяет отслеживать время загрузки, состояние аппаратуры при работе, воспроизводит сигналы любой формы. Данные о подаче материала на все машины в цехе выносятся на экран центрального пульта управления, за которым следит один оператор. Он же осуществляет и программирование управления подачей.

 

По оценкам специалистов, если парк ТПА составляет больше пяти машин, экономически выгоднее устанавливать ЦТС вместо отдельных загрузчиков.

Особенно эффективно применение ЦТС при работе с гигроскопичными материалами типа полиамидов, поликарбонатов и других конструкционных пластиков.

Если в ЦТС включено сушильное оборудование и высушенный материл хранится в герметизированном бункере, то даже через неделю можно смело подавать этот материал в переработку — он сохранит свою остаточную влажность неизменной.

Применение центрального фильтра при подаче материала освобождает воздух производственного помещения от пыли и взвесей, что существенно уменьшает влияние вредных факторов на работающих.

изготовленные из специально закаленного стекла толщиной 10 мм, благодаря чему удалось увеличить долговечность загрузчика в сотни раз.

Перед подачей сырья в производство происходит его обязательная проверка на соответствие требованиям стандартов и техническим условиям, а так же могут проводиться процессы окрашивания и смешения базового полимера с различными добавками.

Окрашивание

Простой способ окрашивания – опудривание. При этом в смеситель загружают определенное количество полимера, добавляют навеску красителя и проводят перемешивание в течение 1 часа. Затем смеситель разгружают, и окрашенное сырье направляют в работу. Этот способ довольно прост, но он не дает равномерного окрашивания полимерных материалов.

По другому методу окрашивание полимера идет непосредственно в литьевой машине. Для эффективного сцепления с поверхностью гранул рекомендуется дополнительно вводить смазывающие вещества. Используемые красители должны быть сухими, тонко измельченными.

 

Универсальным способом окрашивания является использование скперконцентратов красителей. Суперконцентраты представляют собой дисперсии пигментов в веществах, легко совмещающихся с окрашиваемым полимером. При переработке частицы красящего вещества будут легко и равномерно распределяться по всему объему будущего изделия, не слипаясь и не оседая в нижней части материального цилиндра.
В названии суперконцентратов приставка «супер» означает высокое содержание порошка красителя в красящей массе (до 90%). При этом наряду с суперконцентратами существуют просто концентраты красителей, которые содержат в своем составе до 20% пигмента. Производителям пластмассовых изделий более выгодно иметь дело с суперконцентратами, так как из-за высокого содержания пигмента их расход на производство значительно ниже.
В зависимости от способа получения конечный красящий продукт может быть в виде гранул, порошка, пасты или раствора.

В простейшем виде суперконцентрат красителя представляет собой систему из двух компонентов: пигмента и матрицы (связующего вещества). В качестве матрицы могут быть использованы практически все полиолефины, полиолефиновые воска, полистирол, твердые эпоксидные смолы и т.д. Выбор таких материалов определяет способ получения суперконцентрат – диспергирование в расплаве, для чего используют двухшнековые экструдеры.

Помимо перечисленных выше материалов, связывающим веществом могут быть пасты некоторых пластификаторов, стеорокс, а также латексы, в которые можно ввести пигмент путем перетира. Такой способ получения суперконцентратов аналогичен получению типографских офсетных красок на краскотерочных машинах.

При получении эмульсии пигмента в растворе полимера используют полистирол, полиуретан, поливинилацетат. В этом случае могут применяться лопастные смесители, миксеры и т.д.

Наиболее востребованы суперконцентраты, полученные методом диспергирования пигмента в расплаве полиолефинов, полиолефиновых восков и полистирола. Объясняется это прежде всего тем, что львиная доля перерабатываемых материалов – именно полиолефины.

Для окрашивания пластиков могут использоваться как неорганические, так и органические пигменты. Среди неорганических пигментов наиболее часто используют диоксид титана, карбонат кальция, сажу, кадмиевые, кобальтовые, желеоокисные, хромовые пигменты, ультрамарин, литопон и др.
Из органических пигментов наиболее важными являются пигменты, имеющие молекулярно-кристаллическую структуру и отличающиеся нерастворимостью в окрашиваемых средах. К таким относятся азопигменты, фталоциановые пигменты, трифенилметановые и полициклические. Обладая более широкой гаммой ярких оттенков и большей красящей способностью, органические пигменты уступают неорганическим по термо-, свето- и атмосферостойкости, а также миграционной стойкости.

Зачастую к окрашенным изделиям из полимерных материалов предъявляют специфические требования. Например, если полимерное изделие находится в непосредственном контакте с пищевыми продуктами, то используемые добавки к полимерным материалам и суперконцентраты должны иметь соответствующее разрешение.
На данный момент имеется множество суперконцентратов, которые позволяют окрасить полимер практически в любой цвет и оттенок в пределах известной цветовой гаммы. Кроме того, появились суперконцентраты, позволяющие получить при окрашивании различные спецэффекты, от которых внешний облик изделий из полимеров существенно меняется.
К спецэффектам относятся перламутровые, флуоресцентные, опалесцирующие, фосфоресцирующие и радужные окраски полимеров. Добавки с такими эффектами используются в дорожных знаках, рекламе, спецодежде, игрушках и многих других изделиях, где важен визуальный эффект.
В суперконцентратах могут использоваться также флеки и флиттеры, как вкрапления в основную массу полимера волокон, чешуек или точек. С их применением возможно получать окраску «под горные породы» – мрамор, гранит и другие. Такие эффекты достигаются за счет того, что данные вкрапления являются окрашенными частицами полимеров с более высокой температурой плавления, чем окрашиваемый материал.

 

Основные преимущества окрашивания в массе:

· сокращение технологических операций;

· качество окраски сохраняется весь период эксплуатации изделия;

· окрашенный слой не отслаивается из-за плохой адгезии или механических повреждений поверхности;

· окрашенный в массе материал не выгорает.

 

Преимущества использования суперконцентратов:

– возможность окрашивания полимера в любые цвета;

– высокое качество окраски;

– окрашивание может производиться на любом стандартном оборудовании без каких-либо дополнительных материальных и временных затрат;

– экологичность производства;

– простота введения необходимо количества суперконцентрата в расплав полимера;

– возможность быстрого перехода с одного цвета на другой.

 

 

Сушка

Влияние влажности на свойства и переработку. При высоких температурах влага проникает внутрь расплава путем диффузии, что приводит к уменьшению текучести расплава и его термопластичности. Вызывая гидролитическую деструкцию при температурах переработки, влажность влияет на стабильность свойств готовых изделий. Избыток влаги ослабляет межмолекулярное взаимодействие, что приводит к снижению механических показателей, диэлектрической прочности. Кроме всего прочего, уменьшается прозрачность материала, появляются такие дефекты, как волнистость (акулья кожа), вздутие, пористость, пузыри, каверны, отслоение поверхности, коробление, серебристые полосы. Повышение влажности ухудшает сыпучесть материалов.

Для просушивания полимеров есть несколько методов – вакуумная сушка, конвективная, сушка осмосом (термоциклическая), сушка в «кипящем слое». Но можно использовать такие добавки, как «осушители». Эти добавки представляют собой концентраты, которые вводятся вместе с полимером и удаляют влагу прямо в процессе переработки.

 

Большинство полимеров способно абсорбировать влагу, а это уменьшает их прозрачность и увеличивает пористость поверхности отливки, что, в свою очередь, может негативно повлиять на их физические свойства, например, на ударную прочность. Влага, содержащаяся в гранулах и образующаяся на их поверхности, испаряется при температурах, преобладающих при переработке, в результате чего образуются затеки поверхности, а в некоторых случаях, пузырьки в деталях. В случае с пластмассами, которые особо чувствительны к гидролизу, распад молекулярных цепочек также произойдет, что вызовет ухудшение механических свойств.

Влага может аккумулироваться на поверхности гранул в процессе конденсации воды, которая попала в мешки при запаивании, из-за неравномерного охлаждения после смешения или из-за хранения вне помещения или в условиях повышенной влажности.

С целью уменьшения влажности пластмасс перед переработкой проводят предварительную сушку при невысоких температурах - ниже температуры размягчения полимера - в течение нескольких часов. Как правило, для сушки используется воздух, нагретый и осушенный различными методами.

Обязательной предварительной сушки сухим воздухом требуют: АБС, САН, ПА, ПК, ПЭК, ПММА, ПУР; желательна предварительная подсушка: ПП, ПЭ, ПС.

Последние разработки в технологии обезвоживания гранулята предполагают применение бункеров с равномерным распределением внутри него воздушного потока. Такая конструкция обеспечивает поддержание постоянной температуры сушки, повышая ее эффективность. Гранулы в бункере данного типа высушиваются равномернее и быстрее, чем в обычном бункере, без образования мертвых зон с пересушенным или недосушенным материалом. Кроме того, для обеспечения равномерного воздушного потока требуется меньшее количество воздуха. Применение подобной сушки позволяет экономить до 40 % электроэнергии по отношению к обычным сушкам. Зонд для сушки состоит из стальной трубы, в которую монтируются нагреватель, термопара и датчик защиты от перегрева. Через трубу в основание заполненного бункера нагнетается атмосферный воздух, который рассеивается в сыром материале через диффузионную головку. Сушка горячим воздухом обычно уменьшает содержание влаги до 0,2% или до более низких значений.

Рис. Бункер с сушилкой

 

 

Температура и время сушки выбираются для каждого полимера. При их привышении возможна деструкция полимера или дополнительная полимеризация или поликонденсация, приводящие к увеличению ММ и повышению вязкости расплава, спекание гранул материала с образованием комков.

В случае применения более высокоавтоматизированных методов используется бункер-осушитель, который может быть мобильным, установленным отдельно или непосредственно на входе в литьевую машину.

Емкость этого предварительного бункера определяется необходимым временем сушки при температуре, рекомендованной производителем данного полимера.

Сушка на входе в литьевую машину устраняет возможность загрязнения или повторной абсорции влаги при транспортировке гранул из общего сушильного автомата. Сочетание процесса сушки и подогрева повышает производительность литьевой машины, снижает расход энергии на переработку.

Влажность для различных полимеров нормируется. Материалы обязательно подвергаются входному контролю на влажность перед переработкой. Содержание влаги в термопластах определяется путем высушивания навески до постоянной массы.

Концентраты для поглощения влаги в полимерах

Для примера представим два типа «осушителей» от разных производителей.

 

Рис. 1 Рентгенограммы двух типов осушителей.

 

Легко заметить разницу в составах этих добавок. По результатам рентгеноструктурного анализа видно, что в обоих добавках присутствует оксид кальция – негашеная известь. Во второй добавке добавлен модифицированный доломит – кальций магнезиум карбонат (CAS 43 – 0692). Эти минеральные наполнители являются рабочими компонентами. Оба хорошо абсорбируют влагу. Отличие их в том, что оксид кальция в присутствии влаги «гасится» и превращается в негашеную известь. Частицы негашеной извести имеют пористую структуру и обладают высокой твердостью, что приводит к повышению износа шнеков вследствие абразивного эффекта. Модифицированный доломит, как все магнезиальные минералы, имеет пластинчатую структуру с гладкими плоскостями. Его применение в качестве рабочего компонента позволяет снизить абразивные свойства наполнителя, не уменьшая абсорбционной способности осушителя в целом.

Процентное содержание минеральной компоненты в грануле у обоих осушителях примерно одинаковое - 50 – 51 %.

Применение этих добавок необходимо для полиамидов, при использовании вторичного сырья полиолефинов – ПЭ и ПП, и для ряда других технологических задач, которые возникают в процессе переработки полимеров

 

Дозирование и смешение.

Отдельные добавки, такие как красители, стабилизаторы, антистатики, антиоксиданты, наполнители и вторичный материал могут быть внесены в процессе предварительного смешения перед подачей сырья в литьевую машину, а также могут смешиваться в самой машине.

 

Для точного дозирования компонентов используются различные модификации объемных и весовых дозаторов. Системы дозирования предназначены для автоматического дозирования добавок в основной материал, либо нескольких материалов одновременно, обеспечивая на выходе готовую смесь с потребным соотношением компонентов.

Рис. Система объемного дозирования

Бункерные смесители для сырья (120 — 330 литров) серии MV

 

При этом в зависимости от потребной точности дозирования есть вариант в установке объемных дозаторов для процессов, не требующий высокой точности дозирования, либо дозаторов весовых, которые обеспечивают сверхточное дозирование, что позволяет обеспечить точность соотношения компонентов и сократить издержки на перерасход дорогостоящих добавок.

Для дозирования так же применяются различные механизмы. Ниже приведено описание четырех наиболее распространенных типов дозаторов:

1. Шнековые питатели с переменной скоростью подачи, которые передают сырье не пневматически по гибкому шлангу, а посредством длинного стального шнека, вращающегося в специальной пластиковой трубе. Шнековые дозаторы-загрузчики подразделяются на одношнековые и двухшнековые.

Одношнековые предназначены для подачи легкосыпучих гранул, порошков, хлопьев и чешуек; они подходят для точного ввода в экструдер или ТПА вторичного дробленого материала. Модульная конструкция позволяет применять шнеки различных конфигураций: спиральные, винтовые, а также спиральные без вала.

Объем дозирования может варьироваться от 0,1 до 45300 литров в час; при этом соблюдается высочайшая точность дозирования порошковых материалов.

 

Двухшнековые дозаторы подходят для подачи порошковых, в том числе трудносыпучих ингредиентов: липких, склонных к комкованию и сводообразованию. Для подобных материалов в конструкции дозаторов, помимо горизонтального ворошителя, расположенного в чаше, применяется вертикальный, находящийся в бункере. Кроме того, для встряхивания материала в бункере можно применять накладки виброаэрационного типа.

 

2. Дисковые питатели вращаются горизонтально или вертикально ниже накопительного бункера с запрограммированной последовательностью сброса небольших порций гранул из каждого пакета. Минимальная величина дозы ограничивается размерами пакетов, но иногда случается застревание продукта из-за несовершенства гранул.

3. Конусные питатели дозируют гранулы или порошки в свободном потоке под действием сил тяжести и не имеют внутренних движущихся частей, которые вызывают застревание продукта. На точность может влиять вибрация или статическое электричество.

4. При помощи насоса производится окрашивание жидким пигментом. При этом порция пигмента предварительно растворяется в инертном веществе, а затем поступает прямо в подаваемый шнеком материал. Такой метод дает хорошее смешение, но может служить причиной неблагоприятных механических эффектов и влиять на физические свойства компонентов.

 

Дозирование и смешение могут осуществляться в напольных бункерных смесителях или непосредственно в бункере литьевой машины.

При использовании дозаторов сложность состоит в том, чтобы сохранить весовое соотношение компонентов в потоке материала при автоматизированной подаче его в машину, ведь один и тот же физический объем первичного сырья и дробленки весит по-разному. Дробленка имеет форму неравномерных частиц неправильной формы, в то время как первичное сырье представляет собой одинаковые гранулы. При пневматической подаче сырья из бункера с материалом с помощью вакуумного загрузчика легкие куски дробленки пролетают шланг пневмозагрузчика со скоростью, отличающейся от скорости гранул первичного материала и суперконцентратов красителей. Поэтому даже если в исходном бункере первичное, вторичное сырье и красители были перемешаны очень хорошо, то после обычной пневматической загрузки в бункер машины смесь будет попадать в совсем других пропорциях. Таким образом, поток расплавленной массы от цикла к циклу будет состоять из разного соотношения первичного и вторичного материала.

Чтобы обеспечить стабильность процесса переработки, нужно приготовить и доставить эту смесь в загрузочное окно оборудования, не теряя качества перемешивания. Для смешивания первичного сырья, дробленки и красителя лучше использовать специальные устройства — дозаторы-смесители, которые установлены прямо на бункере машины.

Чистота помещений

Чистота помещений имеет первостепенное значение, когда литые детали используются в медицине или пищевом производстве. Для достижения наивысших стандартов чистоты необходимо следить за состоянием воздуха и поддерживать внутри помещения повышенное давление (чтобы избежать попадания туда загрязнений внешнего происхождения). Кроме того, в производственных помещениях необходимо обеспечить влажность воздуха на уровне 37% и температуру 24 °С.

Поверхности пола и стен должны быть антистатическими, гладкими, без неровностей, чтобы их было легко очищать. В помещениях необходимо поддерживать режим стерильности для исключения бактериального загрязнения. Этого можно добиться также продувкой рабочего помещения талоном или другим инертным газом.

Стандарт American FDA* (действующая версия 209£), требованиям которого должна соответствовать чистота помещений, определяет допустимые уровни количества взвешенных частиц в воздухе размером более 0,5 мк на кубический ярд. Большинство полимерных материалов для стерильного применения требуют соответствия классу 100000 (100 000 частиц размером более 0,5 мк в одном кубическом или 10000, но окружающая среда класса 10000 может быть повышена до класса 100 при использовании высокоэффективных сухих воздушных фильтров. Классы 10 или 1 часто необходимы в производстве микроэлектроники.

Персонал должен носить стерильную спецодежду, головные уборы, маски для лица, бахилы. При контакте с перерабатываемым продуктом следует использовать латексные хирургические перчатки. Поскольку гидравлические механизмы, используещиеся в литьевых машинах, являются потенциальным источником загрязнения вследствие утечек, эту часть литьевой машины, как правило, изолируют от узла формования изделий. Этого можно добиться установкой экрана из ПВХ или защитного кожуха. Предпочтительным вариантом является использование машин с полностью электрическим приводом.

Вход в чистое помещение, как правило, осуществляется по электронным пропускам, кроме этого, персонал перед входом должен принять душ. Для покрытия пола при входе в помещение выбирается материал, обладающий адгезионными свойствами, чтобы аккумулировать частицы пыли; этот пол регулярно промывается специальной жидкостью. Дополнительное оборудование должно быть изготовлено из нержавеющей стали с полированным поверхностным покрытием 3 мк.

Непосредственно процесс литья под давлением можно разбить на следующие стадии:

1. Дозирование материала и загрузка его в цилиндр.
2. Пластикация материала.
3. Впрыск пластифицированного материала в сомкнутую форму и выдержка его под давлением.
4. Охлаждение изделия в форме.
5. Размыкание формы и удаление изделия из неё.

Для получения высококачественных изделий необходимо поддерживать согласованность всех операций процесса литья под давлением — смешение, нагрев и сдвиговые деформации, испытываемые материалом. Циклический процесс литья под давлением должен быть максимально воспроизводимым.

Перерабатываемый материал загружается в бункер 9, захватывается червяком 7 и за счет разности коэффициентов трения между материалом и обогреваемым цилиндром 8 и материалом с червяком транспортируется вперед.

 

 

Рис.

 

Доза расплава 12 накапливается в передней части материального цилиндра, перемещая червяк-поршень вправо. Это обеспечивается шлицевым соединением хвостовика червяка с колесом редуктора 10. При наборе необходимой дозы расплава вращение червяка поршня прекращается концевыми выключателями 13 и одновременно включается подача рабочей жидкости в поршневую полость цилиндра впрыска 11. Весь узел пластикации и впрыска перед этим гидроцилиндром 14 подводится к литниковой втулке литьевой формы 5. Подвижная часть формы 5 закреплена на плите 4, а неподвижная на плите 6. Замыкание и раскрытие формы происходит под действием гидроцилиндра 1, шток которого связан с подвижной плитой 4. Гидроцилиндр 1 закреплен на регулируемой плите 2, и стягивают все плиты колонны 3, по которым движется подвижная плита с полуформой.

Инжекционная часть в зависимости от конструкции или режима работы машины может быть прижата к литниковой втулке формы в течение всего цикла (при работе с точечными литниками), может отводиться от формы по окончании выдержки материала под давлением (при работе с самозапирающимися соплами и др.) и может отводиться от формы после окончания пластикации (при работе с открытыми соплами).

 

 

Основными функциями узла пластикации являются перемещение твердых ве­ществ, плавление или пластикация, перемещение расплава, дегазация и смешение.

Большинство литьевых машин имеют сво­бодное питание. При этом шнек захватывает столько материала, сколько поступает, и он практически полностью заполнен. Произво­дительность определяется частотой вращения шнека. Однако питание можно ограничить.

При ограниченном питании подаваемый материал отмеряется в горловину бункера с меньшей скоростью (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Отмеривание материала в бун­кере для создания системы ограниченной подачи

 

В этом случае производительность шнека определяется не только частотой его вращения, но и произво­дительностью питателя. В результате исклю­чаются проблемы неравномерности переме­щения материала в бункере.

Изменяя скорость подачи или частоту вращения шнека, можно влиять на пара­метры узла пластикации. Увеличение частоты вращения шнека снижает степень за­полнения, тогда как увеличение скорости подачи материала приводит к росту степе­ни заполнения.

При ограниченном питании может быть получен ряд преимуществ:

• снижение нагрузки на двигатель и уменьшение частоты вращения шнека;

• можно варьировать удельное потребление энергии (УПЭ);

• исключение проблемы просачивания расплава в вентиляционное отверстие;

• можно исключить нестабильность подачи, то есть разрывы в сплошном слое твердого материала;

• снижение агломерации подаваемых компонентов.

 

После попадания частиц полимерного материала в канал шнека механизм пе­ремещения материала становится принудительным. Существуют две конкурирующие силы, дейст­вующие на материал. Одна — сила трения между полимером и материальным ци­линдром. Вторая — сила трения между материалом и шнеком.

Движущей силой является сила трения между полимером и материальным ци­линдром. При отсутствии трения о материальный цилиндр происходит только вращение материала в шнеке без его перемещения. Следовательно, для хорошего, стабильного перемещения важно иметь большую силу трения на материальном ци­линдре и низкое значение силы трения на шнеке.

 

Для увеличения производительности оборудования необходимо повысить скорость перемещения материала. Она может быть повышена следующим образом:

1. снижением трения на поверхности шнека;

2. увеличением трения на поверхности материального цилиндра;

3. увеличением насыпной плотности подаваемого материала.

 

Уменьшение трения на поверхности шнека может быть достигнуто:

• применением антифрикционного покрытия шнека;

• использованием специальной обработки поверхности нарезки, например, ка­талитической конверсии поверхности (J-Tex или Dyna-blue);

изменением геометрии нарезки шнека (исключением многогребневой геометрии в зоне питания; использованием гребней с большим радиусом торца по всему шнеку, исключением направляющего короткого гребня в зоне питания.)

•

Увеличение трения на поверхности материального цилиндра обеспечивается:

• регулировкой температуры материального цилиндра;

• увеличением шероховатости внутренней поверхности цилиндра;

• нарезкой канавок на внутренней поверхности цилиндра.

•

Существует два источника нагрева при пластикации. Первый — нагрев от электро­нагревателей, расположенных вдоль материального цилиндра; второй — за счет об­разования тепла при трении и вязком течении полимерного материала. Нагрев за счет трения происходит при скольжении частиц пластмассы по металлической по­верхности или друг по другу. Нагрев за счет вязкого течения возникает в основном в расплаве полимера при сдвиговых нагрузках из-за вращения шнека. Скорость сдвига является мерой сдвигового воздействия на расплав. В узле пластикации при­мерная скорость сдвига в канале шнека равна отношению тангенциальной скорости вращения шнека к глубине канала. Скорость сдвига в узле пластикации возрастает при увеличении частоты враще­ния шнека.

В результате высокой вязкости расплава в полимерном материале зачастую об­разуется значительное количество тепла. Это особен­но справедливо при высокой частоте вращения шнека. По мере увеличения частоты вращения шнека вклад нагрева за счет вязкости растет, а вклад нагревателей матери­ального цилиндра снижается. Теплообразование за счет сдвига и вязко­сти является фактически преобразованием механической энергии привода шнека в тепловую, что приводит к росту температуры полимерного материала.

 

Процесс плавления материала начинается с достижения полимером температуры плавления. Плавление обычно начинается на поверхности материального цилиндра на расстоянии примерно 5 диаметров от отвер­стия питателя. Сначала на поверхности ци­линдра образуется пленка расплава. По мере роста толщины пленки расплав собирается на ведущем торце гребня, проталкивая твер­дую пробку на тыльный торец гребня. Твердая пробка находится у заднего торца гребня, расплав собирается у ведуще­го торца, а пленка расплава находится между цилиндром и твердой пробкой. Толщи­на пленки расплава возрастает от заднего торца гребня к ведущему торцу. Предпола­гается, что плавление происходит в основном на поверхности раздела пленки рас­плава и твердой пробки.

Для эффективно­го плавления необходимо поддерживать толщину пленки расплава минимальной. Тол­щина пленки расплава сильно зависит от величины зазора над гребнем шнека. Поэтому его следует сохранять минимально возможным. С увеличением зазора (например, в ре­зультате износа шнека) скорость плавления может существенно снизиться.

 

Модель плавления, показанная на рис. 4.22, также называют моделью совмещен­ного плавления твердых веществ (СПТВ). Такое плавление наблюдалось во многих экспериментальных исследованиях в одношнековых экструдерах. Но в некоторых случаях наблюдался другой вид плавления, при котором твердые частицы материа­ла разделены и плавают в матрице расплава. Такой тип плавления называют дис­персным плавлением твердых веществ (ДПТВ) [17] или рассеянным смешением расплава [18] (рис. 4.23). ДПТВ наблюдалось в двухшнековых экструдерах и однош­нековых смесителях с ВП-шнеком. При ДПТВ плавление происходит более эффек­тивно, чем при СПТВ.

Рис. 4.22. Модель плавления Маддока

Рис. 4.23. Дисперсная модель плавления

 

При повышении температуры материального цилиндра количество теплоты, передаваемое от него потоку, возрастает. В то же время теплообразование за счет сил вязкого трения в тонкой пленке расплава снижается, так как повышение тем­пературы материального цилиндра снижает вязкость расплава в пленке.

При низкой часто­те вращения шнека, когда нагреватели цилинд­ра являются основным источником теплоты, более высокие температуры цилиндра повы­шают скорость плавления. Однако при высокой частоте вращения шнека основ­ная доля теплоты, идущей на плавление, при­ходится на долю теплоты, генерирующейся за счет сил вязкой диссипации. Поэтому в дан­ном случае повышение температуры матери­ального цилиндра может фактически умень­шить долю теплоты, идущей на разогрев мате­риала.

 

Для повышения эффективности плавления используют следующие способы:

• Предварительный нагрев полимерного материала перед его входом в узел пластикации.

• Повышение температуры материального цилиндра при работе на низких час­тотах вращения шнека.

• Снижение температуры материального цилиндра при работе на высоких час­тотах вращения шнека.

• Обеспечение малого зазора над гребнем шнека.

 

 

Существуют очевидные пределы увеличения глубины канала. Если она слиш­ком велика, способность к плавлению в узле пластикации станет недостаточной для работы на больших скоростях перемещения в шнеке. Подобная проблема может быть решена увеличением длины узла пластикации.

Оптимальная гео­метрия зоны перемещения расплава шнека зависит от вязкости расплава полимера и условий переработки. Существует несколько практических способов, которые могут улучшить пере­мещение расплава, а именно:

• понижение температуры материального цилиндра;

• повышение температуры шнека;

• уменьшение зазора над гребнем;

• снижение сопротивления потока;

• увеличение частоты вращения шнека.

 

В некоторых случаях при литье под давлением используется вентиляционное отвер­стие (клапан) для удаления летучих веществ из пластмассы. Вентиляция требует специальной конструкции шнека, позволяющей создавать область нулевого давле­ния под вентиляционным отверстием. Это условие называется условием вентиля­ционного потока, и его соблюдение необходимо для предотвращения вытекания рас­плава полимера через вентиляционное отверстие. Используемый в вентилируемом экструдере шнек называется двухстадийным (рис. 4.32).

Рис. 4.32. Двухстадийный экструдер

 

Системы вентиляции часто используются для гигроскопичных полимеров в целях снижения в них уровня влажности. Также можно удалять и другие летучие ве­щества, например, мономеры, растворители и воздух. Во многих случаях удаление летучих с помощью вентилирования экономически выгоднее, чем предварительная сушка сырья.

Эффективного удаления летучих веществ можно добиться выполнением сле­дующих условий:

• Полимерный материал должен быть полностью расплавлен к тому моменту, когда он достигает зоны под вентиляционным отверстием (клапаном). По этой причине вентиляционное отверстие не должно располагаться слишком близко к загрузочному отверстию.

• Давление под вентиляционным отверстием должно быть нулевым; следова­тельно, зона улавливания и отвода летучих примесей должна иметь большую пропускную способность и быть заполненной лишь частично.

• Зона шнека непосредственно перед зоной улавливания и отвода летучих должна быть полностью заполнена расплавом полимера. Это достигается вве­дением зоны шнека с низкой пропускной способностью.

• Зона шнека, расположенная за зоной улавливания и отвода летучих (вторая стадия), должна иметь большую пропускную способность по сравнению с зо­ной шнека, предшествующей зоне улавливания и отвода. Этого можно до­биться увеличением глубины канала и/или шага винтового гребня на второй стадии по сравнению с первой.

 

Смешение

Требования к узлам пластикации литьевых машин со временем постоянно повыша­ются, поскольку отсутствие эффективного смешения в ВП-шнеке зачастую ограничивает качество литьевых изделий.

Трехзонные шнеки стали стандартом универсального шнека общего назначения благодаря гибкости в работе. Однако пределы возможностей этой конст­рукции шнеков были быстро исчерпаны, когда появилась необходимость оператив­ного смешения в процессе литья. Целью практически любого производителя являет­ся переработка различных материалов без замены шнека. Для обеспечения такой возможности шнек должен отвечать следующим требованиям:

• тонкое измельчение вторичных компонентов;

• гомогенное смешение первичных и вторичных компонентов;

• термическая гомогенность расплава;

• высокая скорость потока;

• минимизация сдвиговых напряжений;

• возможность самоочистки;

• минимальный износ.

 

Виды течения

Для разрабо