Принципиальная конструкция дискового и поршневого экструдеров

Перерабатывающие машины, чьи названия вынесены в заголовок, объединяет лишь одна общая особенность — малая распространенность.

Дисковые или эластодинамические экструдеры устроены и действуют следующим образом (рис. 6.12). Основной рабочий элемент — диск 2 — вращается в массивном корпусе 1, в котором имеется загрузочное отверстие, расположенное тангенциально к окружности диска. Полимерный материал 3 захватывается вращающимся с частотой до 45 с^-1 диском и увлекается в кольцевой конический зазор. Под действием силы трения материала у поверхности диска и корпуса происходит его быстрый нагрев и расплавление. Расплав испытывает как пластическую, так и вязкоэластическую деформации. Последняя вызвана распрямлением макромолекулярных цепей и поэтому является обратимой. Результирующая микроусилий в распрямленных макромолекулах действует по радиусу к центру вращения диска (эффект Вайсенберга). В результате расплав испытывает давление, смещающее его к центру вращения и выдавливающее его через формующее отверстие. На выходном узле дискового экструдера устанавливают кольцевой электронагреватель 4.

Достоинством дисковых экструдеров является высокий коэффициент полезного действия, а недостатки состоят в малом значении давления на расплав (до 1 МПа), в чувствительности к гранулометрической неоднород-ности перерабатываемого полимер-ного материала и наличию в его составе наполнителей.

Поршневые экструдеры используются для переработки определенных марок фенопластов и фторопластов. При производстве трубок и капилляров из фторопласта 4 применяют машину, схема которой представлена на рисунке 6.13. Ее основными элементами являются материальный цилиндр 4 (в данном случае не обогреваемый), плунжер 3, совершающий возвратно-поступательное движение, и дорн 5 с дорнодержателем 6. Порошковый полимер 1 из бункера 2 самотеком через загрузочное отверстие поступает в цилиндр. При движении плунжера перекрывается загрузочное отверстие, создается значительное давление на полимер, под действием которого он уплотняется и перемещается по кольцевому зазору к выходу из цилиндра. При возвратном движении плунжера загрузочное отверстие открывается, и новая порция порошкового полимера поступает в рабочий цилиндр. При необходимости (отверждение реактопластов, спекание изделий из фторопластов) экструдер комплектуется необходимым количеством нагревателей, а дорн существенно удлиняется.

Лекция 3.

Тема 2 (продолжение).

2.4. Движение полимера в экструдере.

Общие сведения

Исходное сырье для экструзии, подаваемое в бункер, может быть в виде порошка, гранул, лент. Последний вид сырья характерен для переработки отходов промышленного производства пленок, которая 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 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.

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.

Для увеличения производительности машины гранулы можно предварительно подогреть, но не доходя до температуры, при которой они начнут слипаться. Применяя приспособления для принудительной подачи материала из бункера на шнек, 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 формования образует в изделии полости. Это является браком изделий.

Изменение уровня заполнения бункера материалом по высоте также влияет на полноту заполнения шнека. Поэтому бункер снабжен специальными автоматическими уровнемерами, по команде которых происходит загрузка бункера материалом до нужного уровня. Загрузка бункера экструдера осуществляется, как правило, при помощи пневмотранспорта.

Питание шнека зависит от формы частиц сырья и их плотности. Гранулы, полученные резкой заготовки на горячей решетке гранулятора, не имеют острых углов и ребер, что способствует их лучшей сыпучести. Гранулы, полученные холодной рубкой прутка-заготовки, имеют острые углы, плоское сечение среза, что способствует их сцеплению и, как следствие, ухудшению сыпучести. 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 (образуется так называемый "козел", т.е. слипшийся комок гранулированного термопласта, находящийся в загрузочном отверстии и мешающий поступлению гранул на шнек).

Для предотвращения перегрева этой части цилиндра в нем делаются полости для циркуляции охлаждающей воды.

2.4.2. Технологические зоны экструдера.

Зона питания.Полимер в виде гранул, порошка или непрерывной ленты (экструзия резиновых смесей) поступает через загрузочную воронку в винтовой канал червяка и увлекается им за счет раз­ницы сил трения между полимером и стенкой цилиндра и поли­мером и стенками винтового канала. Очень грубой аналогией движения полимера на этой стадии является взаимодействие винта и гайки. Представим, что масса поступающего через бункер полимера — это гайка, а червяк — винт. При вращении винта «гайка» начинает перемещаться вдоль винта. Следует лишь иметь в виду, что эта «гайка» имеет возможность проскальзывать отно­сительно стенок цилиндра, препятствующих ее вращению. По­этому расстояние, на которое перемещается такая гайка-полимер за один оборот червяка, не равно шагу нарезки; за счет проскаль­зывания полимера относительно стенок оно во много раз меньше.

По мере движения полимера по червяку в нем развивается вы­сокое гидростатическое давление. Силы трения, возникающие па контактных поверхностях при движении полимера, создают работу трения. Выделяющееся при этом тепло идет на нагревание полимера. Некоторая часть тепла подводится также и за счет теплопроводности от стенок цилиндра.

Верхний предел, до которого нагревают стенку на этом участ­ке экструдера, определяется коэффициентом трения и его темпе­ратурной зависимостью. При слишком высокой температуре стен­ки интенсивные тепловыделения за счет работы внешнего трения при недостаточном теплоотводе приводят к преждевременному плавлению пристенного слоя полимера. При этом сила трения резко уменьшается, полимер начинает полностью проскальзывать относительно стенки цилиндра, и его движение вдоль червяка прекращается. При нормальном температурном режиме вначале образуется достаточно длинная пробка полимера, которая протал­кивается силами трения по винтовому каналу. Длина пробки дол­жна быть достаточно велика для того, чтобы развивающаяся вследствие относительного движе­ния продольная толкающая сила могла протолкнуть полимер через зону плавления.

По мере продвижения твердой пробки по каналу червяка давление в ней возрастает, пробка уплотняет­ся, поверхность пробки, соприкасаю­щаяся с внутренней стенкой цилинд­ра, нагревается, и на ней образует­ся тонкий слой расплава. Посте­пенно толщина этого слоя δ увели­чивается, и в тот момент, когда она станет равна толщине радиального зазора между стенкой корпуса и гребнем нарезки червяка, последний начинает соскребать слой рас­плава со стенки, собирая его перед своей толкающей гранью. Это сечение червяка является фактически концом зоны питания и на­чалом зоны плавления.

Зона плавления.В пределах зоны плавления полимерная проб­ка расплавляется под действием тепла, подводимого от стенки корпуса, и тепла, выделяющегося в тонком слое расплава за счет работы сил вязкого трения. На рис. V. 3 представлено сечение червяка на этом участке плоскостью, нормальной к оси винтового канала. Суммарный эффект поступательного движения полимерной пробки и вращения червяка проявляется в относи­тельном движении между стенкой корпуса и пробкой в направле­нии, показанном стрелкой. Под действием этого движения в тон­ком слое расплава, образовавшемся на наружной поверхности пробки, возникает течение, направленное к толкающей стенке ка­нала. Этот поток расплава натыкается на толкающую стенку и направляется вдоль нее, оттесняя материал пробки к передней стенке. В результате этого высота пробки остается примерно по­стоянной, а ширина по мере продвижения по червяку постепенно уменьшается.

Описанный механизм плавления пробки реализуется при ее движении по каналу до тех пор, пока сохраняется достаточная прочность пробки, т. е. пока ее ширина больше 0,1-0,2 ширины винтового канала. Как только ширина пробки уменьшается до этих значений, циркуляционное движение в слое расплава, соби­рающемся перед толкающей стенкой, разрушает остатки пробки, дробя ее на мелкие куски. Сечение червяка, в котором начинается дробление пробки, можно считать концом зоны плавления. От этого сечения и до конца червяка расплав полимера движется в зоне дозирования.

Зона дозирования.Течение расплава в зоне дозирования проис­ходит под действием сил вязкого трения, развивающихся вслед­ствие относительного движения червяка и стенок цилиндра, подобно течению жидкости в винто­вых насосах — по винтовой тра­ектории (рис. V. 4). Принято представлять это течение как сумму двух независимых движе­ний: поступательного движе­ния расплава вдоль оси винтового канала (рис. V. 4, а) и цирку­ляционного (кругового) движе­ния в плоскости хоу, нормаль­ной к оси винтового канала (рис. V.4, б).

Объемный расход поступа­тельного течения определяет про­изводительность экструдера и, следовательно, лимитирует ско­рость движения пробки гранул в пределах зон питания и плавле­ния. Циркуляционное течение воз­никает вследствие существования составляющей скорости относи­тельного движения в направле­нии, перпендикулярном оси вин­тового канала, увлекающей рас­плав в этом направлении. Дви­гаясь поперек канала, поток встре­чает толкающую стенку и направ­ляется вдоль нее ко дну канала, а затем в обратную сторону. Цир­куляционное течение обеспечи­вает гомогенизацию расплава, вы­равнивает распределение темпе­ратур и позволяет использовать экструзию для смешения.

В начале зоны дозирования температура расплава равна температуре плав­ления. Продвигаясь в зоне дози­рования, полимер продолжает ра­зогреваться как за счет подвода тепла извне, так и за счет тепла, выделяющегося вследствие интен­сивной деформации сдвига. Одновременно идет процесс гомогени­зации расплава. Происходит окончательное расплавление мелких включений и выравнивание температурного поля. Для нормальной работы экструдера необходимо, чтобы расплав, поступающий к головке, имел заданную, однородную по сечению температуру. Поэтому время пребывания расплава в зоне дозирования должно быть достаточно для его прогрева и гомоге­низации.

Для правильного анализа процесса экструзии надо рассматривать совокупность всех его стадий, соблюдая условие постоянства материального расхода полимера для любого сечения червяка.

Лекция 4.

Тема 2. (продолжение).

2.4.3. Связь процессов в экструдере с термомеханической кривой.

В зоне сжатия (плавления) экструдера термопласт переходит в вязкотекучее состояние, что соответствует на термомеханической кривой переходу из состояния, соответствующего точке А, в состояние, обозначенное точкой Б (рис.1). При этом в зависимости от типа полимера возможен промежуточный его переход в высокоэластическое состояние (плато), но возможен также переход материала непосредственно в вязкотекучее состояние.

Знание термомеханических кривых (ТМК) полимеров весьма существенно для технологов-переработчиков, поскольку характерные точки на этих кривых определяют выбор температур по зонам червяка. Необходимо только иметь в виду, что с увеличением скорости деформации ТМК сдвигаются в область более высоких температур. На первый взгляд может показаться, что для обоснованного выбора температур по зонам червяка нет необходимости располагать всей ТМК, а достаточно знать температуру размягчения полимера, при которой полимер начинает течь. Однако существенное повышение деформируемости материала может быть следствием не истинного течения (необратимой деформации), а началом развития высокоэластической (обратимой) деформации. Если температуру в зоне пластикации экструдера выбрать как температуру размягчения материала, не зная вида термомеханической кривой, то в зоне пластикации могут создаться условия, соответствующие области высокоэластичности. Тогда экструдированный материал при нагреве будет стремиться восстановить форму, которую он имел до экструзии.