5 Функциональные зоны канала червяка. Движение материала в зоне загрузки, плавления, дозирования.

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.

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.

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

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. 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 в этой и следующей зонах, значительно выше температуры плавления материала.

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

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 материала 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.

В зоне дозирования все сечение канала занято расплавом, в котором могут содержаться вкрапления отдельных непроплавленных (или частично оплавленных) гранул или их агломератов, образовавшихся при разрушении пробки твердого полимера в зоне пластикации. Вследствие прилипания расплава к стенкам канала скорость его у стенок равна скорости самих стенок. Продольная компо­нента скорости цилиндра V₂ (рис 3) вызывает поток вдоль канала с эпюрой скоростей, показанной на рис. 3, а (поз. I). Этот поток называют вынужденным, так как движущаяся верх­няя стенка канала именно вынуждает течь расплав в направ­лении к выходу из канала.

На выходе из канала, как правило, существует значительное давление, так что вынужденный поток направлен в сторону возрастания давления (на рис. 3, 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.3, а, (поз. III).

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. 3, 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–p₁ возникает 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.