книги из ГПНТБ / Брагинский, Г. И. Технология магнитных лент

т. е. время, требующееся для нагревания гранул до температуры сушки, не включено. Однако в промышленном процессе пока гра­ нулят нагреется до оптимальной температуры сушки, проходит значительное время. Поэтому при практических расчетах времени, необходимого для высушивания полиэтилентерефталата до влаж­ ности 0,01%, суммируют время, необходимое для нагревания гранул до заданной температуры сушки, и теоретическое время, которое требуется для десорбции влаги при этой температуре.

На рис. 54 показан расход тепла, необходимый для нагревания полиэтилентерефталата до различной температуры. Из графика

нию производительности, однако значительно удорожает установку.

рефталата. Для того чтобы вызвать течение расплава полимера через щель формующей головки, в нем нужно создать значительное напряжение сдвига. Для этого используют экструзионные машины, основной частью которых является массивный червяк с винтовой нарезкой. На рис. 55 показана принципиальная схема одночервяч­ ной машины, использующейся для экструзии полиэтилентерефталата. Полимер поступает из бункера 1 через загрузочную воронку в канал червяка 3. Загрузочные воронки бывают с прямоугольным или круглым сечением. Длина загрузочного окна составляет обычно

121

ширина гребня нарезки е; со — ширина канала. Длину червяка выражают обычно числом его диаметров.

Первый участок червяка, где полимер перемещается в виде гра­ нул, называют зоной загрузки, подачи или питания. В этой зоне червяк работает только как транспортер и его нарезка должна быть глубокой, чтобы количество захватываемых гранул было возможно больше. Второй участок, проходя который полимер плавится, назы­ вают зоной пластикации или сжатия; здесь глубина канала умень­ шается до глубины следующей зоны. Третий участок, на котором осуществляется течение полимера в виде псевдопластичной жидкости, называют зоной нагнетания, гомогенизации, выдавливания или дозирующей. К течению расплава в этой зоне полностью применимы законы гидродинамики вязких жидкостей [99]. Для того чтобы компенсировать изменение объемной плотности полимера, возни­ кающее при переходе твердого полимера в расплав, площадь поперечного сечения канала червяка по мере приближения к головке машины делают меньше. В червяках для экструзии полиэтилентерефталата этого достигают, уменьшая глубину канала.

Кроме глубины канала червяка на эффективность работы зоны загрузки влияют: коэффициент трения между гранулами полиэтилентерефталата и червяком, а также между гранулами и внутренней поверхностью цилиндра. Для уменьшения первого коэффициента поверхность червяка полируют, а всю зону загрузки охлаждают, так как при повышении температуры коэффициент трения возрастает. Для увеличения же второго коэффициента трения внутреннюю по­ верхность цилиндра умышленно не подвергают тщательной обра­ ботке. Оптимальное значение угла подъема винтовой линии червяка зависит от коэффициента трения полимера по его поверхности. Если бы трения не было вообще, то оптимальный угол составил бы 45°, так как при углах 0° и 90° производительность червяка равна нулю [100]. Практически даже малое трение полиэтилентерефталата о червяк вызывает необходимость в резком уменьшении угла подъема винтовой линии. Этот угол для различных полимеров лежит в пре­ делах 17—25°; наиболее приемлемым считают среднее из этих двух значений. При такой величине угла шаг нарезки равен диаметру червяка, что соответствует широко распространенной его конструк­ ции [101].

Оптимальный температурный режим в зоне сжатия должен обес­ печить минимальный коэффициент трения полимера о червяк и макси­ мальный коэффициент трения о внутреннюю поверхность цилиндра. В зоне сжатия из расплава полимера удаляется содержащийся в нем воздух. Последняя зона, назначением которой является подача расплава в экструзионную головку, действует как нагнетательный

насос.

В описанной экструзионной машине, которую называют пластицирующей, осуществляется не только выдавливание расплава, но и перемещение твердого полимера, а также его расплавление. Проис­ ходящие при этом процессы настолько сложны, что пока не создан математический аппарат, при помощи которого можно было бы

124

с достаточной точностью описать работу экструзионной машины для переработки полиэтилентерефталата в пленку. Только в пос­ леднее время появились исследования [102], предлагающие удачные решения задачи о создании математической модели работы пластицирующей экструзионной машины. Однако объектами этих исследо­ ваний были такие полимеры, как полиэтилен, пластифицированный поливинилхлорид, полипропилен, найлон. Это безусловно облегчит дальнейшие работы по созданию математической модели экструдирования полиэтилентерефталата, пока же задачу нельзя считать окончательно решенной.

Создание математической модели пластицирующего экструдера для полиэтилентерефталата заключается в определении состояния, в котором расплав выходит из формующей щели головки, т. е. в опре­ делении для заданной производительности температуры расплава, количества нерасплавившегося полимера, давления и колебания температуры. Поскольку технологические параметры экструзии — температура червяка и цилиндра, глубина нарезки винтового канала, температура расплава, скорость сдвига — изменяются по длине канала, математическая модель должна описать процесс экструзии по всей длине канала, т. е. от загрузочного бункера, где все началь­ ные условия известны, до конца червяка.

Одним из основных требований к экструзионной машине для изготовления основы магнитных лент является постоянство произ­ водительности во времени, т. е. отсутствие пульсаций расплава на выходе из щели экструзионной головки, возникающих в основном вследствие неравномерности гранулята по насыпной плотности. Принято считать, что величина таких пульсаций не должна пре­ вышать 3—5%. Однако одночервячные экструзионные машины, совмещающие в себе функции перемещения гранул, их плавления и дозирования расплава, не способны обеспечить необходимого постоянства объемной производительности. Поэтому экструзионные установки, кроме червячных машин, комплектуют дозирующими приставками типа шестеренчатых насосов. Однако и такие при­ ставки при использовании гранулята с неравномерной насыпной плотностью не обеспечивают строгого постоянства объемной произ­ водительности.

Наиболее рационально расплавлять полимер вне пластицирующей экструзионной машины. В этом случае применяют специальные плавильные устройства или экструзионные машины, предназначен­ ные только для переведения гранулированного полимера в вязко­ текучее состояние. Тогда в линию для изготовления основы включают две экструзионные машины. В первой из них (дозирующей) проис­ ходит расплавление полимера, питание же второй (пластицирующей) осуществляется жидким полимером, и ее можно рассматривать как винтовой насос [90], что упрощает гидродинамические расчеты и поз­ воляет избежать математического анализа процесса экструзии.

Естественно, что различное назначение пластицирующей и дози­ рующей экструзионных машин обусловливает различие в геометрии их червяков. У червяка пластицирующей машины глубина канала

125

взагрузочной части должна быть значительно больше глубины ка­ нала в зоне дозирования. Это объясняется необходимостью подачи максимального количества полимера в зону дозирования во избежа­ ние ее «голодания» и пульсации экструдируемого расплава. У чер­ вяка дозирующей машины нет необходимости делать глубину канала

взагрузочной зоне большой, так как полимер поступает в машину уже в виде расплава. Зона сжатия у дозирующей машины по тем же соображениям может быть значительно короче, чем у червяка пластицирующей машины. Зону дозирования червяка дозирующей машины следует делать большой. На конце червяка дозирующей

машины обычно устанавливают смесительную торпеду, которая способствует перемешиванию расплава, происходящему благодаря возникновению деформации сдвига в очень малом зазоре между поверхностью торпеды и стенкой цилиндра. Эффект перемешивания усиливают различные насечки и рифления, имеющиеся на поверх­ ности торпеды.

Система, включающая две машины, имеет также значительные технологические преимущества. При изготовлении основы магнитных лент расплав полиэтилентерефталата подвергают тщательной очистке от механических включений, пропуская его через металлические сетки, размеры ячеек которых достигают 5 мкм. Обычно смена или очистка фильтра приводит к прерыванию процесса экструзии и зна­ чительным потерям полимера. Спаренная же установка позволяет продлить срок службы основного фильтра, расположенного перед головкой, путем использования предварительного фильтра, устана­ вливаемого между экструзионными машинами. При наличии двух параллельно установленных промежуточных фильтров их очистку можно проводить без прерывания работы линии.

На рис. 58 показана примерная схема установки, включающей две экструзионные машины. Из воронки гранулы полиэтилентере­ фталата поступают в машину для предварительного плавления 1. Расплав полимера проходит предварительный фильтр, фильтрующие элементы которого можно быстро заменять, не прерывая процесса. Затем расплав поступает во вторую машину 2, представляющую собой винтовой насос. Для питания дозирующей машины во время смены фильтра в ее загрузочной вакуумной воронке всегда имеется запас расплава полиэтилентерефталата, уровень которого можно регулировать.

Гидродинамика и энергетический баланс процесса экструзии.

Выше уже говорилось, что полиэтилентерефталат, загруженный в экструзионную машину, вначале будет перемещаться в виде твер­ дых гранул, затем смеси твердых гранул с расплавом и, наконец,

ввиде гомогенного расплава. Поскольку процессы, происходящие

взоне сжатия, т. е. в зоне, где одновременно находятся твердые частицы и расплав, мало исследованы, расчет производительности экструзионных машин обычно осуществляют по зоне дозирования, проверяя наряду с этим пропускную способность загрузочной зоны. Производительность зоны дозирования определяет производитель­ ность всей экструзионной машины, однако она зависит не только

126

Рис. 58. Схема установки, включающей две экструзионные машины:

1 — м а ш и н а д л я п р е д в а р и т е л ь н о го п л а в л е н и я ; 2 — о с н о в н а я м а ш и н а , р а б о т а ю щ а я к а к в и н то в о й насос.

от размеров червяка, числа его оборотов и процессов, протекающих в его канале, но также в значительной степени от конструкции экс­ трузионной головки. Поэтому при расчете производительности обычно определяют постоянные геометрических размеров червяка, после чего рассчитывают пропускную способность головки.

Рассмотрим гидродинамические обоснования работы экструзион­ ной машины, предположив, что она питается полимером, находя­ щимся в вязкотекучем состоянии [90, 103—105]. Принято рассма­ тривать три потока, возникающих при движении полимера, находящегося в вязкотекучем состоянии, по винтовому каналу червяка.

Первый — вынужденный, или прямой, поток — обусловлен по­ ступательным движением расплава, возникающим вследствие дви­ жения червяка относительно цилиндра машины. Второй поток, называемый противотоком, возникает из-за сопротивления головки экструзионной машины поступательному движению расплава. Этот не существующий реально поток можно рассматривать для облегче­ ния расчетов как мнимое течение расплава в обратном направлении. Третий поток характеризует реально существующую утечку рас­ плава через зазор между наружной поверхностью витков червяка

игильзой цилиндра. Так как червяки обычно достаточно точно пригнаны к внутренней поверхности цилиндра машины, утечка мала,

ипри расчетах величиной этого потока иногда пренебрегают.

Для описания процесса экструзии необходимо знать характери­ стику и величину сил и скоростей, возникающих в каналах червяка в результате его движения относительно цилиндра. Для этого удобно представить спиральный канал червяка развернутым на плоскости и полагать, что движется поверхность цилиндра относительно не­ подвижного червяка. Таким образом, течение расплава в канале червяка будет происходить так же, как происходило бы между параллельными пластинами, одна из которых движется, а вторая закреплена.

Для принятого условия движение цилиндра увлекает расплав, а неподвижная поверхность червяка тормозит его движение. Напра­ вление движения расплава в канале червяка обусловлено напра­ влением винтовой линии и, следовательно, не совпадает с на­ правлением движения стенки цилиндра. Таким образом, за счет адгезии с поверхностью цилиндра в канале червяка возникает также поперечное течение. Оно не влияет на величину вынужденного потока, а характеризует лишь интенсивность перемешивания рас­ плава.

Если пренебречь влиянием боковых стенок канала червяка, то характер течения вязкой жидкости можно описать частным слу­ чаем системы уравнений Навье — Стокса:

128

Уравнение (19) составлено в предположении, что ось у направлена по нормали к поверхностям цилиндра и червяка, ось z — вдоль винтового канала, а ось х — поперек него.

При т} = const

движущейся поверхностью. Второй член характеризует распре­ деление скоростей в потоке, обусловленном градиентом давления (противотоке). На рис. 59 показаны наиболее типичные эпюры ско­ ростей потоков в винтовом канале червяка. Эпюра скоростей выну­ жденного потока (см. рис. 59, а) имеет форму прямоугольного тре­ угольника, а эпюра скоростей противотока (см. рис. 59, б) — пара­ болы. Отношение этих потоков характеризуется величиной а. Действительный профиль скоростей потока получается при сложении профилей вынужденного потока и противотока. Эпюра скоростей,

построенная для а = х/з> наиболее интересна, так как при этом обеспечивается максимальная производительность экструзионной машины при любом противодавлении в головке.

Таким образом, можно прийти к выводу, что в канале червяка возникает область обратного течения, в которой расплав движется от головки к загрузочной воронке. Однако в действительности тече­ ния, направленного противоположно вынужденному потоку, если не считать незначительного потока утечки, в канале червяка не возникает. Предположение о наличии противотока оказывается полезным при анализе зависимости производительности экструзион­ ной машины от давления в головке и размеров червяка. В этом можно убедиться, если учесть наличие поперечного потока, возникающего в результате существования нормальных составляющих скорости потока, являющихся проекциями истинных скоростей на ось х. Этот поток представляет собой циркуляционное течение, распределе­ ние скоростей которого не зависит от давления в головке и полностью определяется геометрическими размерами канала и скоростью вра­ щения червяка. Поэтому результирующая скорость в каждой точке будет равна векторной сумме всех скоростей, действующих в данной точке. Суммарные векторы, изображающие фактическую величину скорости в данной точке потока, ни при каких случаях движения расплава в канале червяка не дают скоростей, направленных к за­ грузочной воронке [90].

Производительность экструзионной машины Q, соответствующая объемному расходу расплава, выражается следующим уравнением:

h

Q= ft)J V d y

о

После подстановки значения ѵ из уравнения (23) и интегрирова­ ния получим:

Первое слагаемое правой части уравнения (24) соответствует объемному расходу, вызванному движущейся поверхностью; второе слагаемое — объемному расходу, обусловленному наличием гра­ диента давления, т. е. противотоком.

Величина производительности экструзионной машины равна:

где Qd — объемная производительность вынужденного потока; Qp — объемная производительность противотока.

Рассмотрим скорость движущейся плоскости V в связи с раз­ мерами червяка и числом его оборотов N. Ширину нарезки выразим через ее шаг Ъ и угол подъема ср (рис. 60). Кроме того, учтем число заходов нарезки червяка і. Тогда скорость точки на гребне нарезки будет:

130