Теория и практика экструзии полимеров

Теория и практика экструзии полимеров

КИМ Валентин Сен-Хакович

Экструзией называется процесс непрерывного вылавливания расплавов полимеров через формующий инструмент для получения п (лелий определенного профиля. Экструзия как способ получения н I Юлий из вязких материалов применялась еще в древнем Китае ия изготовления традиционного пищевого продукта — вермишели п I мучного теста. Позднее этот процесс стал использоваться для из - I отопления изделий из цветных металлов (в основном из свинца), строительных материалов (глина для кирпича), а также для получе­ния мыла. Для этой цели пользовались прессами поршневого типа, приводимыми в движение мускульной силой человека. При этом способе производства некоторое количество материала помещалось в цилиндр машины и с помощью поршня (плунжера) выдавлива­юсь через простой инструмент.

В середине XIX века в Англии и Германии начали использовать вместо ручного привода прессов механические или гидравличес­кие и применять прессы для покрытия гуттаперчей (невулканизо - и. шпая резиновая смесь) проводов и морских кабелей. Периодич­ное и. (прерывность) действия поршневого пресса создавала при ном весьма серьезные затруднения, что способствовало замене поршневого пресса подающим шнековым устройством, которое могло непрерывно опрессовывать кабель гуттаперчевой массой. С •ох пор шнековые прессы стали широко применяться для перера­ботки резиновых смесей.

В первое время при переработке полимерных материалов ис­пользовались шнековые машины, применявшиеся для персработ - I и резиновых смесей, по со шнеками большей длины.

Однако специфические свойства полимерных материалов (вяз - когскучесть, эластичность, вязкоупругость и зависимость вязкое - in or температуры и скорости сдвига) привели к созданию специ­альных типов шнековых машин — экструдеров для переработки полимерных материалов. Все возрастающие требования к экстру - юрам обусловили разработку и создание экструдеров с увеличен­ными длинами шнеков, со специальными шнеками для дегазации и диспергирования наполнителей, а также к выпуску многошне - мшых (двухшнековых, трехшнековых, планетарных) и дисковых жструдеров. В настоящее время шнековые машины отличаются •и» 1ЫПИ. М разнообразием конструкций, типов и могут быть клас - «пфицированы по конструктивным и технологическим призна­кам.

Выделяют следующие вилы шнековых машин: и о конструкции корпуса станины:

а) шнековые машины с неподвижным корпусом;

б) с откатным корпусом; к) с литой станиной;

г) со сварной станиной;

по способу регулирования и поддержания тем п с р а т у р ы :

а) шнековые машины с электрическим обогревом;

б) с водяным охлаждением;

в) с воздушным охлаждением;

г) с паровым обогревом; по типу привода:

а) шнековые машины с электродвигателями постоянного тока, регулируемого по схеме «мотор — генератор* или при помощи ртутных, селеновых или кремниевых выпрямителей;

б) с коллекторным электродвигателем переменного тока с бес­ступенчатой регулировкой числа оборотов;

в) с электродвигателями переменного тока с бесступенчатыми вариаторами;

г) с электродвигателями переменного тока с коробкой скоростей; но количеству шнеков в корпусе машины:

а) одношнсковыс;

б) двухшнековые;

в) многошнскоиыс;

по конструкции шнеков:

а) машины с простым профилем шнека (цилиндрическим, с постоянным и переменным объемами витка);

б) со сложным профилем шнека (со шнеками специальной формы для создания перемешивающего и гомогенизирующего эффекта - с эксцентричным шнеком, переменным шагом, со смесительными лопастями, с наборным шнеком из кулачков и т. д.);

в) с дегазацией;

г) с короткими шнеками и отношением длины шнека к его ди­аметру I./D = 12 ( для переработки резин);

д) с длинными шнеками и отношением длины шнека к его ди­аметру L/D > 12 ( для переработки пластмасс).

Следует отметить, что основными конструктивными показате­лями машин являются число оборотов, диаметр шнека и отноше­ние L/D.

Рекомендуемый ряд размеров для выбора шнека - следующий: диаметр шнека D - 20, 25, 32, 45, 63, 90, 125, 160, 200, 250, 320, 4(H) мм;

L/D — 5, 8, 10, 12 (для резиновых смесей);

I. /1) — 15, 20, 25, 30, 35 и более (для переработки пластмасс);

х

п о скорости вращения шнеков:

а) машины тихоходные, с числом оборотов до 150 об/мин;

б) быстроходные, с числом оборотов шнека более 150 об/мин.

Первые теоретические работы в области техники экструзии по­лимеров стали появляться в 1946—1953 годах. В эти же годы про­изошел переход от индивидуального изготовления каждого экст­рудера к серийному производству, основанному на теоретических (инженерных) расчетах.

Первые книги, обобщающие опыт конструирования, эксплуата­ции и расчета экструдеров, были почти одновременно написаны Э. Фишером (Fisher E. G. Extrusion of Plastics. New York; London: John Willey and Sons, 1958) и Г. Шенкелем (Schenke) G. Schnckcnprcsscn fUr KunststofTe. Munchen: Carl-Hanser-Verlag, 1959). Эти книги были рассчитаны на широкий круг специалистов, занимающихся вопро­сами экструзии термопластов. Поэтому в них отсутствовал слож­ный математический аппарат и они содержали обширные сведения чисто инженерного характера.

Теоретические обобщения работ, посвященных вопросам экст­рузии полимеров,, приведены в монографиях Э. Бернхардта (Bernhardt С. С. Processing of thermoplastic materials. New York: Keinhold publish Co, 1959), Д. Мак-Кслви (Me Kelvcy J. M. Polymer Processing. New York: John Willey and Sons, 1962), P. B. Торнсра (Основные процессы переработки полимеров: теория и методы расчета. Москва: Химия, 1972), Э. Тадмора и К. Гогоса (Tadmor /.., Gogos С. Principles of Polymer Processing. New York: John Willey and Sons, 1979). Однако в указанных книгах рассматриваются юлько процессы, протекающие в винтовых каналах одношнеко - вых экструдеров. При этом авторы игнорируют тот факт, что лю - оой экструдер прежде всего предназначен для получения конк­ретного качественного изделия. Следовательно, наряду с процес­сами, протекающими в винтовых каналах шнека, необходимо и зучать смешение и диспергирование при экструзии, взаимодей - | вис экструдера с формующим инструментом, а также расчет и конструирование формующего инструмента и калибрующих уст­ройств.

В последние годы для экструзии полимеров наряду с однош ис­ковыми стали широко применять двухшнсковые и дисковые экст­рудеры. Однако в известных работах нет сведений по теории про­цессов и расчету двухшнековых и дисковых экструдеров.

Предлагаемое учебное пособие написано с учетом многочис­ленных работ в области экструзии полимеров, появившихся после опубликования указанных выше книг. В нем рассматривается со - времснос состояние техники экструзии и экструзионных машин с н орстических и практических позиций.

Приводимые теоретические исследования по диспергированию м смешению дтя двухшнековых и дисковых экструдеров базиру­ются на собственных работах профессора В. С-Х. Кима, проведен­ных в Московском государственном университете инженерной экологии (ранее — Московский институт химического машино­строения) со своими учениками и коллегами.

Книга состоит из шести глав.

Первая глава посвящена некоторым вопросам реологии поли­меров в процессах переработки. В ней приведены классифика­ция жидкостей но «кривым течения», основные уравнения дви­жения, уравнения неразрывности и теплопередачи, а также рас­смотрены процессы течения жидкостей через каналы различной геометрии. Теоретические вопросы экструзии полимеров, изло­женные в последующих главах, базируются на основных уравне­ниях движения, неразрывности и теплопередачи, рассмотренных в первой главе.

Ипюрая глава посвящена конструированию и расчету одно­шнековых экструдеров. Большое внимание в этой главе уделе­но экспериментально-теоретическому исследованию процессов смешения и диспергирования при экструзии полимерных мате­риалов. Это обусловлено тем, что любая экструзия сопровожда­ется смешением и диспергированием частиц полимерного мате­риала.

И третьей главе рассмотрены вопросы конструирования и расчета двухшнсковых экструдеров. Особое внимание уделено гидродинамике процессов течения расплавов полимеров в рабо­чих каналах и зазорах зацепления шнеков как при встречном, так и при одностороннем их вращении. При этом впервые приво­дятся экспериментально построенные профили скоростей пото­ка как в самих винтовых каналах, так и в зазорах зацепления. На основе экспериментальных данных получены теоретические вы­ражения для расчета скоростей потока и производительности двухшнскового экструдера при встречном и одностороннем вра­щении шнеков.

Н четвертой главе приведены результаты экспериментально-те­оретического исследования дисковых и дискошнековых экструде­ров. Показано, что, благодаря высоким (по сравнению с традици­онными экструдерами) скоростям сдвига, реализуемым в рабочем зазоре, дисковые и дискошнсковые экструдеры обеспечивают хо­рошее смешение и диспергирование материала.

В пятой главе книги рассматриваются методы расчета и конст­руирования формующих инструментов для получения листов, пленок, труб, профильных изделий и гранул, поскольку в состав любого экструдера и экструзионного агрегата входит формующий инструмент, от грамотного конструирования которого зависит ка­чество получаемого изделия.

Н шестую главу вынесены сведения по исследованию экструзи­онных агрегатов для получения методом экструзии рахтичных из-

М)

юлий — листов, пленок, труб, объемных изделий - и нанесения покрытий на кабель и провода.

При этом особое внимание уделено видам брака и мероприяти­ям но их устранению при получении указанных изделий методом жструзии.

Автор надеется, что предлагаемое учебное пособие «Теория и практика экструзии полимеров» будет полезно не только студен­ым вузов и аспирантам, но и научным сотрудникам и инженерно - гсхническим работникам заводов но переработке пластмасс и предприятий полимерного машиностроения, занимающимся воп­росами экструзии полимеров, а также проектированием и изго- юнлением экструзионных машин и агрегатов. Автор с благодарно­стью примет все замечания и пожелания читателей.