Технология формования изделий из пластмасс методом экструзии (продолжение.)

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.

-Производительность экструдера.

- Потоки расплава в зоне дозирования

В одночервячном экструдере, как отмечалось ранее, термопласт проходит через три состояния: твердое (для аморфных термопластов – стеклообразное (аморфное), для кристаллизующихся – кристаллическое), размягченное (высокоэластическое) и расплавленное (вязкотекучее), реализуемое в трех зонах червяка, последней из которых является зона дозирования. Их производительность одинаковая, поэтому производительность экструдера принято определять по дозирующей зоне червяка.

Принято считать, что здесь действуют три потока расплава: прямой, обратный (мнимый, т.е. на самом деле не существующий) и поток утечек через радиальные зазоры между цилиндром и гребнем винтовой нарезки червяка.

Прямой поток иногда называют вынужденным. Он появляется в результате вращения червяка, действующего подобно винтовому насосу. Производительность прямого потока Q_пр (Q_α) определяется скоростью вращения червяка ω_ч и геометрическими характеристиками α винтового канала (глубина, ширина, шаг и угол наклона нарезки, диаметр червяка, профиль канала).

При отсутствии сопротивления движению расплава будет действовать лишь один прямой поток, пропорциональный частоте вращения. Такой режим работы одночервячного экструдера называют также насосным.

Обратный поток Q_об (Q_β) обусловлен сопротивлением движению расплава, которое определяется перепадом давления в головке Δp, и зависит от эффективной вязкости η.

где β – геометрическая константа обратного потока.

Величина константы β зависит от:

· глубины винтового канала,

· диаметра червяка,

· длины зоны дозирования.

Вектор обратного потока направлен навстречу вектору прямого потока и поэтому уменьшает его производительность.

Следует отметить, что обратный поток является мнимым, т.е. не существующим реально, а искусственно введенным для расчета процесса экструзии.

Поток утечек также создается перепадом давления Δp в головке, действующим навстречу движению расплава. Он зависит от геометрической константы γ и вязкости расплава η. Следует отметить, что его производительность Q_ут (Q_γ) в десятки раз меньше, чем Q_пр.

На рис. 18.4 показаны эпюры распределения скоростей пря­мого (а), обратного (б) и результирующего (в) потоков расплава в межвитковом пространстве шнека. Если бы не было сопротивле­ний потока (например, при отсутствии сеток, решетки и головки), то рас­пределение скоростей V результирующего потока изобразилось бы рис. 18.4, а: у поверхности шнека V= max, у неподвижной по­верхности цилиндра V= 0.

При наличии сеток, оснастки, трения о поверхность цилиндра и шнека создается обратный поток, или противоток (рис. 18.4, б). Результирующий поток, изображенный на рис. 18.4, в, представ­ляет собой сумму эпюр, приведенных на рис. 18.4, а 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.

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

(18.2)

где Q_α, Q_β, Q_γ - производительности экструдера от прямого потока, противотока и утечек расплава соответственно.

В свою очередь, Q_α, Q_β, Q_γ зависят от технологических пара­метров и характеристик экструдера:

(18.3)

где N — частота вращения шнека; Р — давление на выходе из экструдера (в конце зоны дозирования); η — средняя вязкость расплава; α, β, γ — постоянные коэффициенты, зави­сящие от геометрических параметров шнека, выражающиеся следующими формулами;

; ; ;

здесь D — диаметр червяка, L — длина его, h — глубина нарезки; φ — угол подъема винтовой линии шнека; δ — зазор между гребнем и поверхностью цилиндра; е — ширина гребня шнека.

Графическое изображение ана­литической зависимости (18.3) представлено на рис. 18.5 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)Р/η, то в нем развивается максимальное давление Р, a Q = 0.

Анализируя уравнение (18.3) и значения коэффициентов α, β, γ, можно проследить влияние геометрических параметров шнека и свойств расплава полимера на производительность Q и характер изменения Q от Р, т. е. угол наклона прямых 1 и 2 на рис. 18.5. Последнее имеет большое значение. При небольшом колебании ΔР (см. рис. 18.5), которое может возникнуть при практической ра­боте, последнее сказывается 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.

Причины пульсации:

1) неравномерное поступление материала в зону загрузки;

2) недостаточное нагревание и следовательно расплавление материала до дозирующей зоны;

3) прилипание материала к червяку.

Разнотолщинность тем больше, чем выше ΔQ. Из уравне­ния (18.3) следует, что при прочих равных условиях у экструдеров с большим L/D колебания ΔQ, 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 их вместе с сеткой удаляют 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. 18.5 показывает зависимость Q от Р. Коли­чество расплава Q_гол, выходящего через головку, можно предста­вить следующим соотношением:

(18.4)

где ΔР = 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.

Для получения качественных изделий необходимо, чтобы за­ключительный отрезок пути l_ф расплава перемещался при постоян­ной толщине δ_щ формующей части (рис. 18.6). В этом случае про­исходит наиболее полное выравнивание скоростей движения расплава, проходят релаксационные процессы, ликвидируется пуль­сация и т. д. Чем длиннее l_ф (больше l_ф / δ_щ), тем меньше пульса­ция расплава. В зависимости от типа выпускаемого изделия и тре­бований к точности его размеров значения l_ф / δ_щ находятся в пре­делах 20-60.

- Работа экструдера в сочетании с головкой.

Поскольку экстру­дер работает вместе с головкой, то производительность его нахо­дится путем совместного решения уравнений (18.3) и (18.4) или графически (см. рис. 18.5) как точка пересечения прямых 1 или 2 с прямой 3. Точки пересечения а и б называются рабочими точ­ками экструдера.

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

;

где Q — производительность, см³/мин; α, β, γ — постоянные прямого и обратного потоков и потока утечек, см³ [см. уравнение (18.3)]; К — постоянная головки, се­ток, решетки, см³.

Для различных головок значения К различны и рассчитыва­ются по соответствующим формулам общего вида

(18.6)

где K_i — коэффициент сопротивления каждого из элементов головки, сеток и ре­шетки.

Реальные зависимости Q = f(Р) (см. рис. 18.5) 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 (18.3) и (18.4) от прямолинейности.

-Влияние различных параметров на процесс экструзии.

Процесс экструзии является непрерывным. Поэтому он должен отличаться стабильностью технологических параметров. Рассчитать параметры экструзии можно было бы, если учесть:

1) конструктивные переменные экструдера и головки

2) переменные процесса – условия, в которых протекает процесс: скорость вращения шнека, температура по зонам цилиндра, головки и др.

3) свойства перерабатываемого полимера – вязкость, плотность, теплофизические свойства.

Однако общая и полная теория процесса пока до сих пор не разработана и поэтому рассчитать параметры экструзии можно лишь в некоторых частных случаях.

К технологическим параметрам экструзии относятся:

Температура материального цилиндра по зонам; производительность; давление, развиваемое шнеком; температура экструдата; потребляемая мощность.

При работе экструзионного агрегата все эти параметры связаны между собой, и изменение одного из них вызывает соответствующее изменение других.

У технолога в руках имеется возможность влиять на параметры экструзии (управлять процессом) через:

1) изменение температурного режима по зонам;

2) изменение числа оборотов.

Оптимальным считается такой режим работы экструзионной машины, когда достигнута максимальная производительность при хорошем качестве экструдируемых изделий. Это не означает, что при таком режиме увеличение производительности уже становится невозможным, однако оно обязательно должно привести к снижению качества готовой продукции.

Лекция 4