14. Экструзия термопластов, червячные прессы. Зоны червяка. Виды потоков. Распределение расплава по длине корпуса экструдера. Температурный режим экструзии.

Экструзия в настоящее время осущ-тся в осн-м на шнековых прессах.

Червячный пресс состоит из след-х узлов: червяк, матер-й цилиндр, загруз-я воронка, редуктор, электропривод, шкафы автоматики, пульт упр-я.

З оны червяка. Червяк по длине можно разбить на три зоны (рис. 4.6).

Участок, на котором перемещается не расплавленный материал, принято называть зоной загрузки или питания. Назначение зоны загрузки – подача в зону сжатия холодного материала. Движение материала происходит, когда коэффициент трения материала о стенку цилиндра выше, чем о поверхность винтового канала. Материал в экструдере уплотняется и монолитная масса перемещается по винтовому каналу как пробка – пробковый механизм течения

Далее материал переходит во вторую зону – зону сжатия или пластикации. На этом участке глубина канала постепенно уменьшается. Конструкция этой зоны должна обеспечить не только сжатие материала, но она должна учитывать изменение объема при переходе материала из твердого состояния в вязкотекучее. Воздух, содержащийся в материале, поступающим из бункера, должен быть отжат в зону загрузки. Во время передвижения материала через зону сжатия, он гомогенизируется и уже в третью зону поступает в виде гомогенного расплава.

Третья зона – зона дозирования или выдавливания (нагнетания и гомогенизации). Эта зона работает как дозирующий насос с постоянной объемной производительностью и постоянным давлением. В конце этой зоны гомогенный расплав через пакет решеток и фильтрующих сеток поступает в головку.

Границы между зонами условны. Они могут изменяться в зав-сти от сопротивления потоку расплава. В последнее время исп-тся червяки с длинной зоной выдавливания (1/2 длины червяка).

В комбинации с цилиндрами, имеющими отверстия для вакуум-отсоса, на практике встречаются двухстадийные червяки – они позволяют удалять из расплава летучие вещества и газы и они этим улучшают качество расплава. При этом можно исключить предварительную сушку и этим повысить производительность экструдера. Двухстадийные червяки состоят из двух частей: трех стандартных зон, но после зоны дозирования следует участок с увеличенной глубиной нарезки – эта зона называется зоной вакуумного отсоса или зоной декомпресии. Именно в этой зоне летучие и другие вещества удаляются из расплава с помощью вакуума через отверстия в цилиндре или червяке. Пройдя зону вакуумирования, расплав сжимается и поступает во вторую зону дозирования, затем в головку.

В иды потоков. Рассмотрим движение расплава в зоне дозирования (рис. 4.7). Под действием направленной вдоль оси канала силы, возникает поступательное движение расплава. Форма этого потока соответствует форме потока между двумя пластинами, из которых одна неподвижна, а другая движется. Этот поток получил название прямого или вынужденного. Рис. 4.7. Эпюры потоков расплава вдоль червяка: а) прямой поток, б) обратный поток, в) результирующий поток: 1 – при малом сопротивлении головки, 2 – при большом сопротивлении головки

О сновными параметрами, определяющими расход вынужденного потока, являются глубина и ширина канала, диаметр червяка и скорость его вращения. Если на выходе потока из канала есть сопротивление, то возникает минимальный обратный поток в сторону загрузочной зоны. Его физически нет, но прямой поток при этом тормозится, и профиль его искажается. На величину противотока влияет глубина канала, диаметр червяка, вязкость расплава и величина давления в головке.

Результирующий поток определяется разностью скоростей этих двух потоков. Одновременно с движением вдоль канала имеется циркуляционное течение расплава в поперечном направлении (рис. 4.8).

Под движением набегающего гребня шнека материал как бы снимается с поверхности цилиндра, и на передней части витка будет увеличиваться объем материала. Увеличение объема материала вызывает повышение давления, а это в свою очередь вызывает появление циркуляционного потока в межвитковом объеме. Циркуляционный поток не влияет на производительность экструдера, но оказывает большое влияние на гомогенность расплава. Кроме перемещения расплава в канале червяка при наличии сопротивления потоку на выходе из канала, небольшая часть расплава течет в зазоре, образующимся между наружным диаметром червяка и цилиндром в сторону зоны загрузки. Обычно утечка по сравнению с вынужденным потоком и противотоком очень не значительна и ею часто пренебрегают. Поэтому производительность дозирующей зоны с учетом всего сказанного равна разности между расходом вынужденного потока, расходом противотока и течения утечки.

Между шнеком и входом в формующий инструмент устанавливается решетка, часто с несколькими сетками. Эта решетка служит для дополнительной гомогенизации материала, поступающего в формующий инструмент. При этом одновременно достигается дополнительный прогрев потока материала сетки способствуют задержанию посторонних включений.

Увеличением сопротивления на выходе можно улучшить качество изделий, но при этом незначительно может снизится производительность, а это особенно проявляется при малых диаметрах червяка. При повышении давления в головке происходит смещение зоны сжатия назад вдоль оси червяка, при этом усиливается эффект смешения и возрастает стабильность работы машины. С помощью решеток и набора фильтрующих сеток на практике решают проблему увеличения давления.

Распределение давления по длине корпуса экструдера. Коэффициент сопротивления головки

Д авление по длине корпуса распределяется неравномерно. Головка должна обладать достаточным сопротивлением, чтобы на выходе из червяка создавалось противодавление, которое обеспечивает качественное смешивание и гомогенизацию полимера. Коэффициент сопротивления позволяет рассчитать давление экструзии и определить фактическую производит-ть экструдера.

Рис. 4.9. Распределение давления по длине цилиндра

1 – при малом сопротивлении головки, 2 – при среднем сопротивлении головки, 3 – при большом сопротивлении головки

Кривая 1 соответствует случаю экструдирования через головку малого сопротивления. Давление, которое достигнуто в зоне загрузки и сжатия превышает на выходе из дозирующей зоны. В результате противоток меняет свое направление и течет в сторону головки. Фактическая производительность экструдера в этом случае превышает величину расхода вынужденного течения.

Кривая 2 изображает распределение давлений при экструдировании через головку такого сопротивления, при котором давление в начале и конце дозирующей зоны почти одинаково. В этом случае величина производительности приблизительно равна расходу вынужденного течения.

Кривая 3 соответствует наиболее распространенному случаю, при котором давление по всей длине червяка увелич-ется примерно равномерно. Создаваемое в головке машины давление необходимо для продавливания расплава через головку и для его уплотнения. Для ПЭНП минимальное давление 50 кгс/см².

Температурный режим экструзии

Температура технологического процесса должна соответствовать основному условию – термопласт не должен подвергаться длительному воздействию высокой температуры. Это условие выполняется, если материал нагревается постепенно по мере его продвижения по цилиндру от первой до последней зоны. Температура по зонам обычно устанавливается с разницей в 5-20 ºС. Постепенным повышением температуры по зонам обеспечивается равномерная пластикация полимера, что исключает деструктивные процессы. Темп-ра переработки в различных зонах для каждого полимера различна, зависит от товарной формы материала (гранулы, порошок), от природы материала, от формы и размеров экструдируемого изделия, от скорости экструзии, параметров червяка, конструкции формующего инструмента.

В процессе работы необходимо поддерживать постоянство температурного режима. Это обеспечивается автоматическим регулированием температуры, а также водяным или воздушным охлаждением. Для нагрева чаще всего используют хомутовые электронагреватели сопротивления, которые объединяют в секции; последние обогревают отдельные участки цилиндра – зоны. Секции включают в электрическую цепь параллельно для того, чтобы при перегорании одного элемента это не могло сказаться на работе других. В последнее время все большее распространение получили индукционные нагреватели. Этот способ нагрева увеличивает срок службы нагревателей, улучшает равномерность нагрева и точность регулирования температуры.

Охлаждению подвергают загрузочную воронку, отдельные участки цилиндра, червяк. Загрузочная воронка охлаждается с помощью водяной рубашки, которая вмонтирована либо непосредственно в воронку, либо в кожух цилиндра. Отдельные участки цилиндра охлаждаются периодически, если наблюдается перегрев материала. Охлаждение осуществляется водой или воздухом. Водяное охлаждение осуществляется с помощью змеевиковых или кольцевых охладителей, которые одеваются на корпус цилиндра. Охлаждение червяка не всегда обязательно. В конструкции универсальных экструдеров предусматривается использование полых червяков с водяным охлаждением, которое включается по мере необходимости. В машинах специального типа, в тех случаях, когда это необходимо, червяки изготавливаются либо сплошными, либо в них сверлится канал для охлаждения только загрузочной зоны.

Важным моментом является разделение на зоны пути прохождения материала. В то время, когда загрузочная воронка обычно охлаждается водой, при переработке некоторых материалов оказывается целесообразным для обеспечения хорошей подачи материала первую зону цилиндра нагревать до высокой температуры, а шнек на этом участке охлаждать (переработка пластикатов).

При переработке ПА рационально в большинстве случаев температуру первой зоны оставлять низкой и применять нейтральный или обогреваемый шнек. В выходной зоне не допускается большая разница температур цилиндра и шнека. Это необходимо, чтобы не нарушить гомогенность массы. Для переработки пластифицированного ПВХ в выходной зоне может быть предпочтительна невысокая температура цилиндра и шнека, в то время как для ПА в этой зоне должны поддерживаться высокие температуры – на 5-10 ºС выше температуры плавления ПА.

15 вопрос