Теория и практика экструзии полимеров

ШНЕКИ

Шнек — это основной конструктивный элемент шнековых ма­шин. Шнек должен транспортировать исходный материал (по­рошкообразный или гранулированный) от загрузочной воронки, перемешивать, пластипировать и равномерно без пульсации пода­вать его в виде расплава к головке.

На рис. 2.1, б представлена наиболее распространенная типо­вая схема разделения шнека на основные зоны: зоны питания (загрузки), сжатия (пластикации) и дозирования (выдавливания).

В зоне питания происходит прием сыпучего материала, транс­портирование и его частичное перемешивание.

В этой зоне винтовой канал (пространство между винтами, корпусом цилиндра и сердечником шнека) исполняется большего объема. Эта зона составляет около 30 % рабочей длины шнека.

В зоне сжатия глубина канала плавно уменьшается до глубины дозирующей зоны. По мере приближения к зоне дозирования для компенсации изменений объемной плотности и насосного КПД при переходе полимера из твердого в расплавленное состояние площадь поперечного сечения винтового канала шнека, а следова­тельно. и объем винтового канала уменьшается. Это уменьшение площади поперечного сечения достигается за счет уменьшения глубины канала шнека или шага, или за счет того и другого. Длина этой зоны колеблется в широких пределах (40—70 % рабочей дли­ны шнека) и зависит ог назначения шнека.

В зоне дозирования происходит образование готового расплава и сю гомогенизация, создание давления, обеспечивающего продав­ливай не расплава через головку. Эта зона обычно составляет около 30 % длины шнека. При проектировании шнеков следует учиты­вать, что от конструкции, размеров и формы геометрических эле-

Mi'iiioB шнека, а также от их механической и термической обработ­ки ыиисят производительность и долговечность машины в целом.

Основными геометрическими параметрами шнеков являются: . гспснь сжатия, диаметр, длина нарезки, шаг, глубина винтового к шала, число витков нарезки шнека.

11рактикой установлено, что при неизменном диаметре и длине на|ч-зки шнека режим работы шнековой машины зависит от про­филя и закона изменения объема винтового канала подлине шне­ка 11ри этом для различных типов полимеров профиль винтового капала подбирается экспериментальным путем.

I еомстричсская компрессия, или геометрическая степень сжа­та. есть отношение объемов винтового канала одного витка шне­ка в юнах загрузки и дозирования.

11я каналов переменной глубины и постоянного шага геомет­рическая степень сжатия определяется как отношение разности

• на фатов наружных и внутренних диаметров шнеков в соответ-

* жующих зонах 11—31: , ,

D~d

(2|)

Л/. Dj — наружные диаметры шнека в юнах загрузки и дозирования; Jh d2 - нммстры сердечника шнека в этих зонах.

Для различных полимерных материалов геометрическая сте­пень сжатия различна и ориентировочно может выбираться по » кдуюшим экспериментальным данным |7—9J:

Полимерные смеси................................................................................. 1:1,5

I |ынулированный полиэтилен высокой плотности...................... 1:(2,5*3)

Порошкообразный полиэтилен высокой плотности..................... 1:(3*5)

Полиэтилен низкой плотности........................................................... 1:(2+2,5)

Полининилбутираль.............................................................................. 1:(2,5+3)

11оливинилхлорил................................................................................ 1:(2,5+3)

Фторопласт............................................................................................... 1:(5*6)

Ыаметр шнека является основным параметром, характеризую­щим шнековые машины. С увеличением диаметра шнека увеличи - н. к*гея объемная производительность.

1лина винтового участка шнека определяет в конечном итоге иг Iолько габариты машины, но и се производительность. Увели­чите длины нарезанного участка шнека приводит обычно к уве - | имению производительности, по оно возможно до определенных 1>< молов, за которыми может наступить термодеструкция полиме­нт п возрасти энергоемкость и металлоемкость машины из-за ие шчения времени пребывания расплава полимера в зоне высо - | их температур и диссипативного тепловыделения.

Iмина нарезанного участка шнека выполняется различной дмя многих разновидностей экструдеров, но не выходит за пределы | ■ Ю диаметров шнеков.

Выбор длины рабочей части шнека в указанных пределах ока­зывается вполне достаточным, чтобы обеспечить нормальный процесс экструзии.

От шага винтовой нарезки шнека зависит напорное усилие, со­здаваемое шнеком. Большое напорное усилие можно создавать, уменьшая шаг, но при этом уменьшается производительность. Большинство шнеков одношнсковых машин изготовляется с по­стоянным шагом и переменной глубиной нарезки, несмотря на то, что при наличии переменного шага обеспечивается ускоренное перемещение перерабатываемой массы вдоль цилиндра и повы­шенное давление массы перед входом в формующий инструмент — такие шнеки находят ограниченное применение вследствие труд­ности их изготовления.

Шаг винтовой линии назначается в следующих пределах:

Для пластмасс.................................................................................... (О,7*|,5)0

Для резиновых СМСССЙ

В крупных шнековых фильтр-прессах и грануляторах диамет­ром 380—450 мм применяются литые конусно-цилиндрические шнеки с переменным шагом, равным 0,95/) в зоне загрузки и 0,6/) в зоне пластикации.

Глубина винтового канала зависит от типа перерабатываемого материала и диаметра шнека. Глубокую нарезку применяют. для мягких материалов при низких давлениях. Шнеки с мелкой нарез­кой обеспечивают хорошее смешение. Но при этом снижается производительность и повышается давление.

В эксплуатирующихся в настоящее время одношнековых экст­рудерах глубина винтового канала шнека h колеблется в таких пределах:

Для пластмасс................................................................................. (0.12-*0,16)£>

Для резиновых смесей

Мри проектировании шнеков с переменной глубиной винтово­го канала следует учитывать уменьшение прочности в зоне загруз­ки, что может привести к деформации шнека в процессе эксплуа­тации машины.

Для шнеков одношнековых машин толщина витка е принима­ется в пределах:

Для пластмасс................................................................................ (0,08 ♦0,12)0

Для резиновых смесей

Меньшая толщина витков у шнеков для переработки резино­вых смесей объясняется тем, что резиновые смеси имеют большую вязкость, чем пластмассы, и поэтому уменьшается процент утечки массы через зазоры в процессе переработки. Этот фактор также влияет на производительность одношнсковых экструдеров.