Функциональные зоны канала червяка

Качество выходящего из цилиндра расплава, производительность машины и затрачиваемая на вращение червяка мощность непосредственно зависят от силового взаимодействия материала с рабочими поверхностями червяка и цилиндра, а также от обусловленного этим взаимодействием механизма движения и прогрева материала в канале червяка.

В обычной пластицирующей машине полимерный материал, перемещаясь по каналу червяка проходит через 3 состояния: в начале – это твердый материал, затем – смесь расплава и твердого материала и, наконец, расплав. Для соответствующих этим состояниям участков канала (функциональных зон) приняты соответствующие названия: зона питания, или зона загрузки; зона пластикации, или зона плавления, или переходная зона; зона расплава, или зона дозирования.

Рис. 69

Материал в виде гранул из загрузочного окна 1 свободно просыпается на винтовую поверхность 2 нарезки червяка и скатывается с неё под воздействием силы тяжести (рис. 69). При указанном стрелкой направлении вращения поверхность 2 перемещается вверх вместе с частицами, которые, продолжая ссыпаться с нее, в итоге смещаются влево. Т.о., движущей силой процесса транспортирования материала является преимущественно сила его веса.

Свободному перемещению материала в канале препятствует сопротивление на выходе из цилиндра (например, в виде каналов головки), вследствие чего практически на всей длине червяка материал полностью заполняет канал и в нем развивается давление. Показанная на рис. 69 очередная порция материала, переместившись вдоль по цилиндру на небольшую длину, примерно равную первому шагу нарезки, встречает материал предыдущих порций (уже уплотнившийся и полностью заполнивший канал) и присоединяются к нему.

В этой части канала, вследствие развивающегося в уплотняемом материале давлении на поверхности контакта его с червяком и цилиндром возникает сила трения. Положительная разность между силами трения в парах материал – цилиндр и материал – червяк являются основной движущей силой транспортирования материала на участке уплотненного твердого материала, и это является первым отличием движения уплотненного материала от движения рыхлого материала под загрузочным окном. Второе отличие состоит в том, что уплотненные частицы уже не могут свободно смещаться (пересыпаться) друг относительно друга и двигаются в канале как монолитная масса (пробка).

Приближенное представление о механизме движения уплотненного материала можно получить, сравнив его с гайкой, навинченной на винт – червяк. Если гайка не соприкасается ни с чем кроме винта, то при вращении его она начинает вращаться с ним. Если же препятствовать повороту гайки, то она начинает перемещаться вдоль по оси винта поступательно, скользя по его нарезке. Препятствие повороту гайки – материала в рассматриваемом случае оказывает контактирующая с ним поверхность цилиндра, однако она не может полностью исключить вращательное движение материала, так что расстояние, на которое смещается полимер за один оборот червяка несколько меньше шага нарезки. Чем меньше отмеченная разность сил трения, тем больше величина этого смещения, тем, следовательно, больше производительность зоны питания и больше создаваемый ею напорный эффект, способствующий транспортированию материала в последующих зонах.

С целью увеличения производительности стремятся различными способами коэффициент трения пары материал-цилиндр увеличить, а пары материал-червяк – уменьшить. Имеется несколько приемов для выполнения этого условия.

1. Поверхность цилиндра в зоне загрузки выполняют шероховатой, делают мелкие продольные канавки, а поверхность червяка тщательно шлифуют.

2. Известно, что коэффициент трения у большинства полимеров значительно возрастает с ростом температуры T [нисходящие ветви кривых соответствуют уже началу плавления полимера у поверхности скольжения и нарушению режима сухого трения]. В связи с этим стараются поддерживать температуру цилиндра в зоне питания в соответствующей области максимума функции – как правило, в пределах 80–100 .

Давление p, развивающееся в канале на выходе из зоны питания создает усилие, действующее на материал этой зоны в направлении, противоположном направлению его движению. В противоположность разности сил трения, являющейся движущей силой , сила, создаваемая давлением, является силой сопротивления движению . Чем меньше по абсолютной величине и по сравнению с , тем больше производительность зоны, и тем в меньшей степени самопроизвольные, неконтролируемые пульсации давления сказываются на производительности Q. В этом случае говорят, что напорно-расходовая характеристика, т.е. функция обладает достаточной жесткостью.

Чтобы обеспечить достаточную жесткость напорно-расходовой (рабочей) характеристики зоны, стремятся увеличить по отношению к . Два возможных способа увеличения рассмотрены выше.

3. Движущая сила процесса есть результирующая баланса сил трения и, следователь, представляет собой произведение давления в канале на коэффициент трения и на площадь поверхности трения, которая пропорциональна длине зоны. Величина же есть произведение давления на площадь поперечного сечения канала и, следовательно, от длины зоны не зависит. Т.о. удлиняя зону можно увеличить по сравнению с , обеспечивая тем самым большие значения Q и большую жесткость характеристики . У большинства универсальных червячных пластикаторов длина зоны питания составляет от 4 до 6 D.

Работа сил трения скольжения материала по стенкам канала превращается в тепло, выделяющееся на поверхности и вызывающее нагрев, как полимера, так и стенок канала. При этом температура стенки цилиндра может превысить температуру, соответствующую максимуму упомянутой функции . Это приведет к резкому уменьшению сил трения на поверхности цилиндра, препятствующей вращательному движению материалу, и, следовательно, к уменьшению производительности. Во избежание этого избыточное количество генерируемого на поверхности тепла отводят, оснащая часть цилиндра, соответствующую зоне питания, каналами охлаждения. Поддержание оптимальной температуры цилиндра осуществляют регулированием расхода охлаждающей воды в каналах охлаждения.

В зону пластикации пробка твердого материала попадает из зоны питания по винтовому каналу. Температура цилиндра Т_ц в этой и следующей зонах, значительно выше температуры плавления материала.

Механизм перехода термопластов в вязкотекучее состояние в этой зоне можно наглядно представить, рассмотрев картину транспортирования в обращенном движении, т. е. предположив, что червяк неподвижен, а цилиндр вращается с окружной ско­ростью V, равной реальной скорости гребня нарезки червяка. Зона пластикации охватывает несколько витков канала, поэтому представим эту зону канала развернутой на плоскости (см. рис. 70)

Развертка имеет следующий вид. Плоский прямоугольный канал 7 накрыт плоской крышкой 8 (рабочей поверхностью ци­линдра), смещающейся под углом φ по отношению к продоль­ной оси канала z со скоростью V (здесь φ – угол подъема вин­товой нарезки червяка). Твердый материал 1 движется вдоль канала со скоростью V_м. Как только твердый материал попа­дает в обогреваемую секцию цилиндра с температурой Т_ц, большей Т_д, он начинает плавиться на поверхности контакта с цилиндром, образуя пленку расплава 2 (см. сечение канала А–А). Расплав прилипает к стенке цилиндра и увлекается ею к толкающей стенке 3 нарезки благодаря поперечной компоненте скорости цилиндра V_х. Пленка расплава, натолкнувшись на стенку 3, как бы соскребается с цилиндра и скапливается пе­ред стенкой 3, образуя область расплава 4, которая также начи­нает перемещаться вдоль канала.

По мере продвижения твердой пробки все большая доля ма­териала переходит из нее в пленку и затем в область распла­ва 4, которая, расширяясь, оттесняет все уменьшающуюся по ширине пробку к пассивной стенке канала 5.

Рис. 70

Процесс плавления можно было бы считать законченным в том месте канала, где ширина пробки К становится равной нулю; длина зоны пласти­кации в этом случае была бы равной z_п. Однако реально моно­литность пробки 1 не сохраняется вплоть до конца ее плавле­ния. При достижении К= (0,l÷0,2)В (где В — ширина канала) прочность ее становится низкой, и развившимся в области 4 циркуляционным течением (показано стрелками) пробка разры­вается на отдельные фрагменты и разносится по всему попереч­ному сечению канала. Вследствие этого реальная длина зоны пластикации, характеризующаяся рассмотренным механизмом плавления, несколько меньше z_п.

Переход материала в расплав сопровождается уменьшением его объема, поэтому во избежание образования пустот в канале и с целью надежного прижатия пробки к стенке цилиндра объем канала, приходя­щийся на один виток его, в зоне пластикации делают умень­шающимся по ходу материала. Снижение объема канала дос­тигается уменьшением глубины канала Н или шага нарезки t.

Толщина образующейся пленки 2 (рис. 70) очень мала: не превышает нескольких десятых долей мм, поэтому в ней из-за разности скоростей пробки V_м и цилиндра V расплав подверга­ется чрезвычайно интенсивному сдвиговому деформированию. Преобразующаяся в тепло работа деформирования вносит зна­чительный вклад в прогрев и плавление материала. Несколько меньший вклад от аналогичных по природе диссипативных теп­ловыделений наблюдается в области 4. В высокоскоростных ма­шинах диссипативные тепловыделения часто бывают достаточ­ными для плавления и разогрева расплава до требуемой тем­пературы. Обогрев цилиндра в этом случае включают только при пуске машины. Такой режим работы пластикаторов назы­вают автогенным

Пленочный механизм плавления не в полной мере реализуется при работе изношенных червяков. В этом случае большой зазор 9 (см. рис. 70) между гребнем нарезки и цилиндром не препятствует уносу образовавшегося в пленке расплава в предыдущий виток, так что твердый материал 1 не отжимается к стенке 5, оказыва­ется посредине канала и разрушается гораздо скорее, вследствие чего область пленки с интенсивной теплогенерацией в ней исчезает, и интенсивность плавления резко уменьшается.

Зона пластикации, как правило, составляет (8-12)D. В зоне дозиравания все сечение канала занято расплавом 6 (рис. 70), в котором могут содержаться вкрапления отдельных непроплавленных (или частично оплавленных) гранул или их агломератов, образовавшихся при разрушении пробки твердого полимера в зоне пластикации. Скорости материала во всех точ­ках сечения канала не равны по величине и не коллинеарны. Кинематика движения расплава в зоне дозирования столь сложна из-за того, что вектор скорости цилиндра V не парал­лелен оси канала z. Вид траектории каждой из материальных частиц определяется тем, что полный вектор скорости ее v можно представить как сумму двух компонент v_x и v_z, распо­ложенных в плоскостях поперечного (В–В) и продольного (Б–Б) сечений канала (см. рис. 70 и 71), т. е. в плоскостях ху и yz.

Вследствие прилипания расплава к стенкам канала скорость его у стенок равна скорости самих стенок. Продольная компо­нента скорости цилиндра V_z (рис. 71) вызывает лоток вдоль канала с эпюрой скоростей, показанной на рис. 71, а (поз. 1). Этот поток называют вынужденным, так как движущаяся верх­няя стенка канала именно вынуждает течь расплав в направ­лении к выходу из канала.

Рис. 71

На выходе из канала, как правило, существует значительное давление, так что вынужденный поток направлен в сторону возрастания давления (на рис. 71, а, давление р₁ больше давле­ния p₂. Если бы верхняя стенка канала была неподвижной, то в нем под воздействием перепада давления р=р₂–p₁ возник поток с эпюрой скоростей II. Направление этого потока проти­воположно вынужденному, потоку, поэтому его принято назы­вать противотоком, или обратным потоком. Результирующая эпюра скоростей потока вдоль канала при наличии как V_Z так и р есть сумма эпюр I и II рис. 71, а, (поз. III). Площадь под этой эпюрой определяет производительность зоны дозиро­вания Q:

где H – глубина канала.

C ростом р обратный поток возрастает, производительность уменьшается, и суммарная эпюра v_z(y) может принять вид, показанный на поз. IV. В области, прилегающей к червяку (ни­же точки О, при которой v_z= 0), появляется поток, движущийся в направлении, противоположном выходу из канала. При даль­нейшем росте р при некотором его значении р_макс производи­тельность Q становится равной нулю. Таким образом, из рас­смотренного вид рабочей характеристики Q( р) для зоны до­зирования ясен.

В плоскости ху (рис. 71, б) картина течения во многом по­добна рассмотренной. Поперечная компонента скорости цилинд­ра V_x вызывает поток с эпюрой скоростей I. Так как выход из канала в направлении х практически закрыт стенкой I нарезки, то при нагнетании к ней расплава у нее развивается давление р₂ большее, чем давление p₁ у пассивной стенки 2. Вследствие возникшего в поперечном сечении перепада давлений р=р₂–p₁возникает поток с эпюрой скоростей II. Результирующая эпюра скоростей III в направлении, поперечном оси канала, v_x(y) на­ходится как сумма эпюр I и II. Таким образом, в верхней части канала расплав, увлекаемый стенкой цилиндра, натекает на толкающую стенку 1 нарезки; изменяя направление своей ско­рости, он стекает вдоль этой стенки в нижнюю часть канала, где образуется поток в направлении от стенки 1 к стенке 2. Вернув­шись к стенке 2 и поднявшись по ней вверх, расплав вовлекает­ся цилиндром в новый виток циркуляции. Траектории частиц в поперечном потоке представляют собой замкнутые кривые, поэтому поперечный поток называется циркуляци­онным.

В процессе транспортирования материала в зоне дозирования происходит дальнейший прогрев расплава как от стенки цилиндра, так и за счёт диссипативных тепловыделений в массе деформируемого материала, завершается также проплавление попавших в зону твёрдых частиц полимера. Циркуляционный поток способствует смешению областей полимера, имеющих различную температуру, т.е. усреднению температуры в поперечном сечении. Длина зоны дозирования для пластицирующего экструдера должна быть достаточной, чтобы за время пребывания в ней полимера в нем успели завершиться процессы плавления и температура гомогенизации. Эта длина, как правило, составляет (4÷6) Д.