Теория и практика экструзии полимеров

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ОДНОШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ

Существует большое множество одновинтовых шнековых ма­шин для проведения непрерывных процессов переработки поли­мерных материалов. Им присущи общие закономерности:

— винтовое движение материала or входа к выходу машины;

— деформация сдвига частиц материала вдоль и поперек вин­тового канала;

минимальный технологический зазор между корпусом и

шипом;

минимальные застойные зоны (неперемешанные объемы с vm - шченным временем пребывания);

возможный обогрев или охлаждение через рубашку корпуса, I мри больших размерах — через полый винт.

Прогресс в развитии смесительного оборудования выявил ряд принципиально новых конструкций смесителей шнекового типа.

II «вестно, что смесительный эффект, имеющий место в обыч­ных шнековых машинах, невелик. Поэтому с целью увеличения 1 мстительного воздействия шнековые машины снабжают специ-

• мамами смесительными зонами или совмещают вращение рабо - •irio органа с его возвратно-носту нательным движением.

На рис. 2.6, а—е показаны основные пути, наметившиеся в

• инструктивном оформлении одновинтовых шнековых машин

• hi интенсификации процесса смешения.

Для интенсификации процессов смешения между витками шнека закрепляют поперечные перегородки, выполненные с зазо­ром по отношению к корпусу. Кроме того, витки шнека в отдель­ных местах подрезают, организуя дополнительные зазоры для пе­ретока материала (рис. 2.6, а).

На рис. 2.6, б представлен шнек, на сердечнике которою вы­полнена спираль, примыкающая к витку шнека, в виде выступа с шириной, возрастающей в направлении перемещения расплава полимера 11011. Степень гомогенизации повышается за счет нало­жения двух потоков.

Наличие винтовых канавок на внутренней поверхности корпуса, как показано на рис. 2.6, б. в смесительной зоне шнековой машины обеспечивает циркуляцию материала и высокий сдвиговый эффект.

Для повышения гомогенизирующего воздействия шнека корпус снабжают пазами, например в форме многогранника (рис. 2.6, г), или ось шпека располагают эксцентрично оси отверстия корпуса (рис. 2.6, д).

На рис. 2.6, с показан шнек со ступенчато установленными эк­сцентричными кулачками, что повышает пластикацию материала, проходящего по зазорам.

Экструдерный винт Маклифера представляет собой двухзаход - пый шнек, в котором от основного транспортирующего гребня от­ветвляется гомогенизирующий гребень с несколько большим ша­гом, чем шаг основного гребня (рис. 2.6, ж). Гомогенизирующий гребень шнека образует с корпусом несколько больший зазор, чем основной гребень шнека. Деформация материала осуществляется в узком зазоре между гомогенизирующим гребнем и корпусом.

Интересен трансферный смеситель системы Френкеля «Trans - fcrmix», изображенный на рис. 2.6, з. Большая эффективность смешения достигается за счет того, что глубина нарезок витков шнека и корпуса переменная и колеблется между определенными минимальным и максимальным значениями так, что в процессе работы материал непрерывно переходит из винтовых каналов кор­пуса в канал винта. Инженерное решение предусматривает вместе с вращением шнека и вращение корпуса.

В шнековой машине системы «Ко-Kneter» одновременное вра­щением шнека осуществляют осевое осциллирующее (возвратно - поступательное) движение, как показано на рис. 2.6, и. Месиль­ные выступы, жестко закрепленные в корпусе машины, входят в разрывы (пазы) винтовой нарезки шнека. Таким образом достига­ется высокая эффективность смешения.

Дтя повышения качества смешения, как показано на рис. 2.6, к, по окружности шнека с определенным интервалом установлено несколько рядов штифтов, изменяющих направление централь­ной части потока.

Для усиления смесительного воздействия боковые поверхности винта шнека снабжены выступами (рис. 2.6, л).

Конструктивное оформление шнековых машин направлено на переориентацию линий тока жидкости в канале смесителя.

Приведенное выше многообразие одновинтовых шнековых ма­шин свидетельствует о гидродинамической сложности процессов « мешения и гомогенизации. Поэтому решение задач о течении по - шмерных материалов в каналах смесителей различного конструк - I ивиого оформления возможно при определенных допущениях.

Наиболее широкое применение нашли одношнековые машины 1» специальными смесительными зонами (рис. 2.7, а). На участке смешения этой машины применена S-образная лопасть.

Для увеличения перемешивающей способности стенки цилин - ip. i на этом участке снабжены внутренней нарезкой с коротким шагом, направление которой противоположно наклону витка сме - ■ тельной лопасти. За счет интенсивной циркуляции расплава в

• месительной зоне и сдвига в узком кольцевом зазоре происходит |чшее смешение перерабатываемой композиции.

Значительно более сложной является машина (рис. 2.7, б), снаб­женная шнеком, имеющим смесительный участок в виде скручен­ною многогранника с винтовой нарезкой определенного шага.

И зоне дозирования винтовой канал выполнен двухзаходным. И i месительной зоне происходит резкое изменение движения ча-

• тчек и интенсивный сдвиг перерабатываемого материала, что приводит к интенсификации процесса смешения. Особенностью

данной машины является наличие встроенного в радиальном отверстии цилиндра (в зоне смешения) поршня / с прижимной пружиной, обеспечивающей необходимое удельное давление на перерабатываемый материал. Принцип действия подпружиненно­го поршня аналогичен работе верхнего затвора резиносмеситсля закрытого типа.

На рис. 2.7, в представлен олношнековый смеситель, средний участок шнека которого (зона смешения) снабжен нарезкой с уменьшенными значениями глубины и ширины канала. При за­данной скорости вращения шнека средняя скорость сдвига в зоне смешения, обратно пропорциональная глубине канала, резко воз­растает. Кроме того, за счет уменьшения объема винтового канала изменяется траектория движения частичек перерабатываемого ма­териала. Нее это обусловливает интенсивное смешение.

Для других одношнсковых смесителей-пластикаторов, приме­няемых в промышленности производства и переработки пласт­масс, характерными являются следующие конструктивные осо­бенности 11, 2, 7, 28, 29|:

1) наличие участков шнека с переменным шагом нарезки;

2) наличие зон торможения (участков с нарезкой разных на­правлений);

3) участки без нарезков (наличие в середине шнеков гладких цилиндрических смесительных участков);

4) кольца с отверстиями для дросселирования массы;

5) специальные каналы для возвратных потоков массы (проре­зи), предусмотренные в боковых стенках винтового капала.

Для интенсификации процесса смешения в последние годы стали применять различные смесительные приспособления на вы­ходном конце шнека (рис. 2.8).

В то время, как при гладкой насадке (торпеде) (рис. 2.8, а), применяющейся для гомогенизации массы, достигается только

Рис. 2.9. Одношнсковмй экструдер с конической сачоустанавлинаюшейся насадкой

■ффект смешения, обусловленный наличием сдвиговых деформа - ним (напряжений сдвига) в относительно узком цилиндрическом и юре, при ториедовидной насадке с многозаходной нарезкой и при насадке «дульмейдж» — торпеде (рис. 2.8. б, в), имеющими н. I поверхности несколько рифленых участков и кольцевых ирогочек, наблюдается также эффект смешения, вызванный не­прерывным обновлением поверхностей контакта слоев перера - н. пмвасмого материала (аналогично с воздействием на среду мешалок в смесителях с перемешивающим устройством) и из­менением траекторий движения отдельных частичек.

Кроме того, «дульмейдж» создает предпосылки для выравнива­ния потоков массы в зоне вылавливания.

II основу конструкции, изображенной на рис. 2.9, заложен дру - м*и принцип действия. Расплав полимера (смеси) проходит через | ольцевон зазор конической формы, диаметр которого увеличи-

Н.1СТСЯ в направлении ее течения. Конический кольцевой зазор поразован конической насадкой на шнеке, имеющей рифленую поверхность, и соответствующей поверхностью цилиндра.

Под действием давления массы в формующем инструменте шнек перемещается в осевом направлении влево. Вследствие

• вязанного с этим уменьшения величины конического зазора мщение массы в зоне формующего инструмента падает, что вы­пивает обратное осевое перемещение (вправо). Через некоторое время величина конического зазора стабилизируется и устано­вившийся зазор соответствует равновесию сил, действующих на мяшчсскую насадку. При этих условиях не только сохраняется постоянным давление массы и имеет место более или менее

в и. ное диспергирование в коническом зазоре, но также значи - I - и. но разгружается подшипник. При выборе смесительных приспособлений к шнекам необходимо учитывать свойства пере­рви гываемых полимерных материалов. Так, для нетермостойких мк риалов недопустимо наличие застойных зон.

б последние годы стали применять одношнековые экструдеры и мпстарного типа (рис. 2.10). При этом, в отличие от традиии - •нною одношнекового экструдера, центральный шнек В входит

• 1 топление с планетарными шнеками А. Планетарные шнеки А

• в ыкреплены в подшипниках, а свободно «плавают» в расплаве

полимера и входят и зацепление с основным шнеком В, обкаты­вая внутренние зубья на цилиндре экструдера. После прохожде­ния планетарной зоны расплав выдавливается дозирующим шне­ком С.