Основные процессы переработки: экструзия и каландрование

Экструзия

Процессы экструзии предназначены для непрерывного производства изделий высокого качества и точных раз­меров с требуемой производительностью. В экструдере исходный материал, подаваемый в виде гранул, порош­ка, лент, а иногда и расплава, превращается в гомоген­ный расплав с заданной температурой. Экструдер, в ко­тором полимер расплавляется и гомогенизируется, яв­ляется основной машиной промышленных линий, на ко­торых осуществляется ряд взаимосвязанных операций технологического процесса переработки. Некоторые из этих операций приводятся на рис. 32.

Все стадии про­цессов, базирующихся на экструзии, несмотря на значи­тельные различия между этими процессами, можно раз­делить на следующие стадии: а) пластикация материала в экструдере; б) процесс формования расплава, заклю­чающийся в том, что материалу с помощью головки (фильеры) придается определенная форма (в некоторых случаях материал подается на дальнейшую переработ­ку); в) приемка (отвод), отделка, резка и намотка про­дукта; г) вторичная переработка отходов производства.

Краткое описание конструкции экструдера

Экструзия — достаточно старый и хорошо известный тех­нологический процесс. Ее применяют в различных отра­слях производства для переработки самых разных мате­риалов — от изготовления макарон до изготовления ке­рамических труб. Любой, кто выдавливал зубную пасту из тюбика или пользовался мясорубкой, воспроизводил экструзионные процессы, в первом случае — плунжер­ную, периодическую экструзию, а во втором — червяч­ную (шнековую), непрерывную.

Для переработки полимерных материалов экструде-ры начали применять в 1845—1850 гг. С их помощью на медную проволоку наносили гуттаперчу для получе­ния изолированных проводов и кабелей.

Первые экструзионные машины были плунжерными и имели существенный недостаток, состоящий в дискрет­ности рабочего процесса. В настоящее время плунжер­ные машины используют лишь в редких случаях, напри­мер, когда необходимо обеспечить очень высокие дав­ления. Применение так называемых многокаскадных машин (экструдеров с несколькими плунжерами, рабо­тающими последовательно) частично решает вопрос обе­спечения непрерывности процесса, однако при этом резко возрастает стоимость и усложняется конструкция обору­дования.

Переход к червячной, или шнековой, экструзии озна­чал переход от периодического процесса переработки к непрерывному. Первый патент на экструзионную маши­ну с винтом Архимеда был выдан в 1879 г. Грею в Анг­лии. Почти в то же время шнековая машина была создана

в США. А уже в конце XIX — начале XX века фирмы «Shaw and Iddon» в Англии и «Troester» в Гер­мании начали промышленный выпуск червячных (шнековых) экструдеров. Первые серийные машины мало от­личались по конструкции от экструдера, запатентован­ного Греем в 1879 г. Исходное сырье подавали в виде предварительно разогретых полосок, для обогрева мате­риального цилиндра применяли пар.

В 1920—1930 гг. появилось большое количество но­вых полимерных материалов, и существовавшее экструзионное оборудование перестало отвечать предъявляе­мым к нему требованиям. В частности, шнеки машин были слишком короткими, чтобы обеспечить нужную температуру расплава. Одной из первых машин, скон­струированных специально для переработки термопла­стов, был экструдер, построенный в 1935 г. Тростером. Несколько лет спустя, в 1937—1938 гг., аналогичная ма­шина была изготовлена Ф. Шоу. Этот экструдер обла­дал более длинным шнеком, нагрев осуществлялся элек­трическими нагревателями или с использованием масла в качестве теплоносителя. Приблизительно в это же время стали использовать шнеки с переменной частотой вращения и системы автоматического регулирования температуры. Экструдеры,

изготовленные в 1938 г. Тро­стером, уже мало отличались от современных машин.

Одношнековый экструдер

Одно из основных достоинств машин этого типа — отно­сительная простота конструкции и, как следствие этого, низкая стоимость. В связи с этим одношнековые экструдеры очень широко используются в современной хими­ческой технологии. Одношнековый экструдер (рис. V. 2) состоит из шнека специальное профиля 1, который пе­ремещает полимер, загружаемый обычно в виде гранул или порошка, от загрузочной воронки в зону питания и далее, вдоль нагретого материального цилиндра. Во время этого продвижения полимер плавится. Плавление происходит как за счет тепла нагретых стенок цилиндра, так и за счет тепла, диссипированного при механической работе шнека. Расплав полимера продавливается через экструзионную головку и приобретает заданную форму. Для того чтобы получить расплав с высокой степенью гомогенизации, работа экструзионной установки должна быть идеально стабильной и протекать в равновесном режиме. Это, однако, практически никогда не реали­зуется, и существует ряд факторов, от которых зависят производительность экструдера и качество экструдата. Эти факторы (или параметры) можно разделить на два типа: а) конструктивные параметры; б) динамические, или рабочие, параметры, которые определяют режим работы экструдера.

Оценить и учесть степень влияния всех параметров на процесс экструзии крайне сложно. Вследствие этого большинство экструзионных установок работает с произ­водительностью, намного меньшей максимально возмож­ной. Естественно, это снижает эффект от использо­вания шнеков оптимальных конструкций. Во многих процессах, например в выдувном формовании или экстру­зии пленок, производительность линии определяется вре­менем, необходимым для охлаждения отформованных заготовок. При очень высоких скоростях экструзии могут возникать колебания расхода (производительности). В этих условиях особую важность приобретают такие вопросы, как правильный выбор исходного сырья и кон­струкции оборудования.

Конструктивные параметры

Значения этих параметров заранее подбираются такими, чтобы обеспечить максимально возможную эффектив­ность работы установки. Они не могут быть изменены без остановки процесса. Эти параметры определяют гео­метрию узлов и деталей. К ним относятся диаметр, длина шнека и глубина его нарезки, конструкции загру­зочной воронки, головки, материального цилиндра, а также природа и фазовое состояние перерабатываемого полимера.

Перерабатываемые термопласты существенно разли­чаются по своим механическим и теплофизическим свой­ствам. Очевидно, что конструкция шнека, оптимальная для переработки одного полимера, может не подходить для другого. Идеально было бы располагать специаль­ными шнеками для всех типов полимеров.

Типичный шнек состоит из трех зон: зоны питания, зоны сжатия, или пластикации, и зоны дозирования, или зоны нагнетания расплава (рис.33 , а).

На рис. 33, б и в показаны профили шнеков специальной конструкции, предназначенные для переработки полимеров, обладающих специфическими характеристиками. На рис. Б изображен шнек для экструзии найлона и других материалов с узким интервалом температьур плавления и низкой вязкостью расплава. Шнек для переработки ПВХ, изображенный на рис.33 в,

используют также для экструзии других материалов с повышенной чувствительностью к тепловым воздействиям.

Рисунок 33 Основные типы шнеков (D – наружный диаметр шнека):

а – шнек общего назначения, с тремя геометрическими зонами («каскадами»); б – шнек для переработки полиамида (найлона); в – шнек для экструзии ПВХ

Достижения в конструировании одношнековых машин

Мощность, диссипированная в одношнековом экструдере, определяется выражением N^1+1/υ, где N— частота вра­щения шнека, υ — индекс псевдопластичности, или ин­декс течения. Величина υ показывает степень отклоне­ния поведения расплава от ньютоновского течения.

Следует отметить, что для ньютоновской жидкости производительность прямо пропорциональна частоте вращения шнека,

в то время как для реальных распла­вов полимеров мощность, диссипируемая в канале шне­ка, резко уменьшается с ростом v (рис. 34).

Рисунок 34 Зависимость мощности, диссипируемой в канале шнека отего линейной скорости для материалов с различной «степенью псевдопластичности» (индекс течения n):

1 – ньютоновская жидкость (n=1); 2 – псевдопластичная жидкость с n=1 ; 3 – псевдопластичная жидкость с n=3.

При конструировании экструдера всегда можно пред­усмотреть систему привода, обеспечивающую практиче­ски любую частоту вращения шнека, необходимую для достижения заданной производительности.

Таким образом, основная задача при разработке кон­струкции экструзионной машины состоит в обеспечении оптимальной степени смешения (гомогенизации) при заданной производительности и минимальных затратах мощности. Однако при увеличении частоты вращения шнека гомогенность расплава может ухудшаться, несмо­тря на повышение его температуры, так как сокращается время пребывания полимера в материальном цилиндре, т. е. время пластикации. Существуют два способа поддержания неизменным качества смешения при возрастании производительности: а) увеличение длины винтового канала шнека, т. е. удлинение пути, проходимого частицами полимера от загрузочной воронки до головки; б) повышение степени смешения путем установки на пути расплава препят­ствий, вызывающих изменение направления его дви­жения.

Теоретическое изучение и математическое моделиро­вание одношнековых экструдеров показало, что произ­водительность этих машин зависит в первую очередь от следующих параметров: 1) окружная скорость поверх­ности цилиндра по отношению к шнеку — в направлении z по спирали (рис. 35); 2) ширина канала w; 3) глу­бина нарезки h; 4) длина винтового канала z (т. е. дли­на траектории частицы полимера от загрузочной ворон­ки до головки).

Значение z можно увеличить за счет удлинения шне­ка при сохранении остальных его размеров. За послед­ние десять лет относительная длина L/D экструзионных машин возросла от 20:1 до 30:1. Чрезмерное удлинение шнека приводит, однако, к нежелательным послед­ствиям. В частности, возрастает опасность возникнове­ния «биения» шнека, что может быть причиной прежде­временного износа материального цилиндра. Кроме того, резко возрастает стоимость и масса опорных подшипни­ков (особенно для

Рисунок 35 Геометрические характеристики шнека:

а – обозначение основных размеров шнека; б – развертка канала шнека (двух полных витков нарезки)

экструдеров большой производитель­ности). Удлинить винтовой канал можно также за счет увеличения диаметра шнека (рис. 36).

Рисунок 36 Два шнека очень близкие по технологическим характеристикам, но резко различающиеся по геометрическим параметрам

Рассмотрим два экструдера, длины и диаметры шне­ков которых соответственно равны L₁, D₁ и L₂, D₂ . Если выполняется условие

L₂ / L₁ = D₁ /D₂ = sin θ ₂ /sin θ₁

и частоты вращения шнеков подобраны так, что

N₂/N₁ = D₁ cos θ₁/D₂ cos θ₂

то производительность обеих машин будет приблизи­тельно одинаковой. При пропорциональном увеличении диаметров шнеков незначительно изменяется потребляемая экструдерами мощность, но это изменение в широ­ком диапазоне L/D невелико. Таким образом, теоретиче­ски шнек длиной L = 20 и диаметром D = 1 подобен шнеку с параметрами L=10 и D = 2, хотя отношение L/D изменяется при этом от 20 до 5. Необходимо пом­нить, что нагрузка на шнек практически пропорциональ­на квадрату его диаметра, поэтому уменьшение соотно­шения L/D требует усиления опорных подшипников. С другой стороны, уменьшение относительной длины шне­ка L/D (за счет увеличения D) значительно упрощает конструктивное решение

системы охлаждения шнека из­нутри, что обеспечивает возможность более точно регу­лировать температуру материала по зонам.