Теория и практика экструзии полимеров

ВРЕМЯ ПРЕБЫВАНИЯ ЧАСТИЦ РАСПЛАВА ПОЛИМЕРА В ДВУХШНЕКОВОМ ЭКСТРУДЕРЕ

Существенное влияние на процессы, протекающие вдвухшне- »оных экструдерах, оказывает время пребывания полимерных ма - гериалов в винтовых каналах. Определение времени пребывания по осевой составляющей скорости потока |1, 24, 37, 43] не соот - шчетвует действительности, так как в реальных машинах из-за на - шчия зазоров зацепления шнеков имеют место перетоки распла - п.| полимера из одной С-образной секции в другую.

Использованная во многих работах |1, 24, 311 методика отбора проб с последующим выделением из них индикатора отличается "«»папой трудоемкостью и не позволяет получать непрерывную шк])ормацию о распределении времен пребывания частиц поли­мера. Можно предполагать, что из-за многократного наложения
субъективных и объективных ошибок точность полученных при этом результатов значительно снижается.

В работах [36. 45, 55J авторы проводили исследование распря деления времен пребывания частиц жидкости в двухшнсковых эк­струдерах. Работа проводилась на экспериментальном двухшнеко­вом экструдере (рис. 3.53) с модельной жидкостью, причем рас­пределение времен пребывания определялось путем получения ни выходе из экструдера кривых отклика на импульсное изменение концентрации индикатора в загрузочной зоне. Основным элемен­том двухшнекового экструдера являлся прозрачный цилиндр /, выполненный из органического стекла с отверстием под шнеки диаметром 40,2 мм. Экструдер был снабжен комплектами одно! заходиых шнеков 4 без компрессии с межцентровым расстояни­ем А = 32 мм и длиной винтовой нарезки 300 мм. Винтовые кана­лы шнеков имели различную конфигурацию поперечного сече-! пия и различное отношение глубины канала /; к его ширине W (см. табл. 3.1). Универсальный привод 5экструдера позволял плав­но и в широких пределах изменять скорость и направление вращс-1 ния шнеков со встречного на одностороннее, а конструкция уста-1 новки давала возможность быстрой смены исследуемых шнеков. На выходе из экструдера были установлены образцовый манометр <? и пробковый кран 6, с помошыо которого менялось давление в головке, а следовательно, и производительность установки. При необходимости с помощью гибкого шланга 7 и штуцера ^для по! дачи жидкости в загрузочное окно 2 обеспечивалась циркуляция жидкости в системе.

Для непрерывной регистрации изменения концентрации мн-| дикатора в потоке модельной жидкости использовалась измери-

* н. ндя схема, состоящая из уравновешенного моста, в одной

hi которого были установлены два фотосопрогивления Ф{ и

•/• I Фх рабочее, Ф2 — компенсирующее), освещаемые электри - •т I им источником света Лх, а в другой — два постоянных со - нршпиления R] и R2, определяющие чувствительность схемы.

• меткой поток от стабилизированного источника света Лх, иро - *<• 11 через прозрачный цилиндр и поток модельной жидкости с

и. шиами индикатора, ослаблялся пропорционально концент­рации индикатора и падал на фотосопротивление Ф. Вызывае - Ч1.1И ослаблением потока разбаланс моста фиксировался и запи­ши 1ся самопишущим потенциометром, чем и достигалось нс-

"I - рывное измерение концентрации. В диагональ моста было

и. иочоно балансировочное переменное сопротивление /?&, опре - т* ннощее чувствительность схемы. Во избежание помех отокру - *,мощей среды мост экранировался, за исключением фогосопро - Iми 1СПИЯ Фх и соответствующего источника света Лх, размещен - 1И.1Ч на головке экструдера.

1. |рировка устройства для измерения концентрации индикато - I* I (алюминиевой пудры) в модельной жидкости (глицерине) про - по шлась путем снятия показания прибора при достижении равно- мирного распределения в замкнутом объеме жидкости данного ко­мпоста индикатора, вводимого в экструдер с помощью шприца юре» отверстие 9, при многократной рециркуляции жидкости в | IU юме.

Представленный на рис. 3.54 тарировочный график иоказыва - I прямую пропорциональность разбаланса моста (показания прибора) и концентрации индикатора, не зависящую от объем­ной производительности экструдера. Однако следует отметить, •но в случае измерения кон - м< пфации, изменяющейся во времени в данной точке, дат­чики необходимо располагать в тчках, где достигается рав­номерное распределение кон­иин рации индикатора по се­чению канала (в данном слу­чае датчики устанавливались непосредственно на входе в миовку — в месте схода жид - юс ги со шнеков). В про­питом случае показания прибора будут занижены при п смерении возрастающих кон - п нтраций и завышены — при и 1мерснии убывающих. Экспе­рименты проводились на гли­церине вязкостью 5,2 - 10~1 и

Давление Р = 9.81 • 10° МПа

~t~P - 49.05• 10 3 Mila

Отклики

125 150 175

Время I, с

Рис. 3.55. Характерные времена пребывания перераба­тываемого материала в двухшнековом экструдере со встречным вращением шнеков (шнек. V.> 8 по табл.

З.1.); jV - 0,333 с-'

9,61 • 10 1 Па с при встречном и одностороннем вращении шне­ков, геометрия и размеры которых приведены в табл. 3.1. Рас­пределение времен пребывания исследовалось по отклику сис-, темы на импульсное возмущение на входе в экструдер. С этой целью в отверстие 9 экструдера в некоторый момент времени % (рис. 3.55) вводилось определенное количество индикатора в виде маточной смеси глицерина и алюминиевой пудры с кон­центрацией 0,01 г/мл. Время ввода индикатора не превышало

2— 3 с.

Кривые отклика на выходе из экструдера регистрировались описанным выше прибором. В экспериментах исследовалось вли­яние производительности, противодавления в головке, вязкости модельной жидкости, плотности зацепления, скорости и направ­ления вращения шнеков на распределение времен пребывания ча­стиц индикатора.

На рис. 3.56 представлены кривые распределения времен пре­бывания частиц индикатора в винтовых каналах двухшнекового экструдера, полученные на одном из исследованных режимов. Представленные кривые позволяют выделить несколько характер­ных времен, описывающих распределение времен пребывания ча­стиц индикатора, а именно: минимальное время /|, наиболее веро­ятное время /2, среднее время / и максимальное время пребыва­ния /3, определяемое полным удалением индикатора из экструдера (в пределах погрешности измерений). Минимальное время Г, не­обходимое для прохождения первыми частицами индикатора рас­стояния от загрузочной воронки до фотосонротивления Ф, опре­деленное экспериментально, с достаточной точностью совпадает с

0 10 20 30 40 50

Лавлснис в головке р • 10 . МПа

Давление в головке р • 10^, МПа

г

1м. I s(>. Зависимость характерных времен пребывания частиц ключевого комионсн - . к тух шнековом экструдере со немречным вращением шнеков (шнек >fe 8, табл. 3.1 при ратных значениях N (а - г)

и• шачением, рассчитанным как для аппаратов идеальною вы - Н-» пения по формуле:

*1 = Кг I @тах *

. I. объем находящейся в экструдере жидкости; £>шач — максимальная теорс - чгвч кая производительность двухшнекового экструдера, рассчитываемая в случае.... работы в режиме идеального вытеснения по формуле (3.65).

Наиболее вероятное время пребывания /2 значительно отлича-

• н и от среднего времени пребывания, определяемого по формуле

T = Vo/0r,

•" Ок — действительная (фактическая) производительность экструдера.

)то обстоятельство может внести существенные ошибки в ана - м t работы двухшнековых экструдеров при использовании в каче-

• те расчетного времени пребывания частиц времени { , а тем бо- кч времени /|.

Обращает на себя внимание явная асимметрия кривой отно-

• шельно h (рис. 3.56), а именно: разброс в интервале времен /; /т значительно меньше, чем в интервале t2—/3. Это может имгь объяснено спецификой работы двухшнсковых экструдеров в наличием соответствующих потоков жидкости, направленных как в сторону выхода из экструдера, так и в обратном направле­нии.

Представленные на рис. 3.56, а—г зависимости характеры! времен /|, t2> i и /3 от противодавления в головке, полученные при различных скоростях вращения шнеков, показывают, что во все исследованных режимах наблюдается эквидистантность завис и мостей / и /2 от противодавления. Кроме того, наблюдается увели­чение дисперсии времен пребывания при увеличении противодан ления. Аналогичная картина наблюдалась и при односторонне вращении шнеков. Полученные первичные экспериментальны кривые были обработаны в безразмерных координатах «относи тельная концентрация — относительное время». Относительн концентрация С индикатора определялась как

c=q/c0.

где С, — текущая концентрация индикатора; Со — средняя начальная концентра­ция при условии равномерного распределения индикатора, вводимого в экстру при импульсном возмущении, по всему объему жидкости в экструдере;

C0=G/Va,

0 = (/,—/|)/г,

. I к-кушсс время.

I (щученные таким обратом зависимости представлены на 1<Н1 I 57, а—г. Из графиков рис. 3.57, а, б видно, что указанные

• |>нт. к - инвариантны относительно частоты врашения шнеков, м|»>и шолительности экструдера и противодавления в головке, нс - »1НМ( ммо от направления врашения шнеков. Это объясняется, ве - ню, тем, что распределение времен пребывания определяется

• ii. Mi соотношением между потоком утечек и прямым потоком,

saвисит только от перепада давления между С-образными

•» киями при заданных зазорах зацепления и может быть получе-

•II• |м I шчной комбинацией указанных выше параметров. В то же время наблюдается значительное влияние на распределение вре - и. н пребывания направления врашения шнека, плотности их за - >>• и к*пня и вязкости жидкости (рис. 3.57, «, г). При олносторон - п м вращении шнеков имеет место большая по сравнению со ». ||н*чным вращением дисперсия распределения времен пребыва­ния )гим доказывается лучшая перемешивающая способность шумпнековых экструдеров с односторонним вращением шнеков.