ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

Конструирование

При конструировании перфорированных пластин необходимо учитывать ряд тре­бований. В зависимости от области применения эти требования могут изменяться: например, пластина может применяться для грануляции или в качестве опоры для фильтрующих пакетов.

Типичные требования к формообразующим пластинам гранулятора следующие:

• низкие потери давления;

• неизменность формы экструдата с течением времени (течение расплава долж­но быть стабильным, разрывы потока расплава необходимо исключить) и по поперечному сечению (необходимо обеспечить одинаковый расход через все отверстия);

• формирование стренг заданного диаметра (т. е. следует учитывать разбухание экструдата);

• исключение возникновения застойных зон перед формообразующей плитой.

К распределительным решеткам в головке экструдера применяются следующие

типовые требования:

• низкие потери давления;

• возможность крепления фильтрующих пакетов;

• исключение возникновения застойных зон перед распределительной решет-

Правильная конструкция головки может быть получена только при условии сба­лансированности реологических и механических требований (механические аспек­ты конструирования рассматриваются в главе 9).

Потери давления на распределительной решетке ограничивают максимально воз­можный расход и, следовательно, снижают производительность оборудования. Это требование приобретает особую важность, когда на выходе из решетки по условиям переработки материала требуется относительно низкое давление или же за пакетом фильтров находится еще одно устройство с высоким гидравлическим сопротивлени­ем (например, головка для экструзии рукавной пленки). Допустимые потери давле­ния ограничиваются механической прочностью пластины; наличие в пластине отвер­стий снижает ее механическую прочность. Этот фактор должен учитываться при конструировании [18]. Расчет механической прочности перфорированных пластин, используемых для горячего гранулирования, очень важен, так как в случае прогиба плиты (что легко может произойти) прогиб происходит в направлении ножа, кото­рый отклоняется, что приводит к некачественному резанию стренг (см. рис. 5.1). Перепад давления на пластине складывается из следующих составляющих: потери давления на входе, перепад давления в самих отверстиях и потери давления на вы­ходе. Потери давления на входе и выходе вызваны перестройкой профиля скоро­стей от приблизительно стержневого перед входом в канал к параболическому в формующем канале и снова к стержневому на выходе из него (рис. 5.6) (см. также раздел 2.1.4).

Перфорированные пластины часто имеют на входе участок с коническим сужени­ем (рис. 5.7) [22,21]. Это делается для того, чтобы исключить возникновение застой­ных зон, вторичных течений и нестабильности течения перед входом. Отношение L/D для цилиндрического участка отверстия обычно составляет менее 10 [2], а угол ко­нусности на входе — от 30 до 90°.

Простой расчет потерь давления для коротких отверстий (L/D < 10) невозмо­жен, так как потери давления на входе имеют как минимум тот же порядок, что и по­тери давления в цилиндрической части сопла или даже выше [2, 24-27]. Поэтому рекомендуется следующая процедура расчета:

1. Выполнить расчет потерь давления на цилиндрическом участке отверстия, ис­пользуя, например, метод характерной вязкости:

8-rfo. V

При этом (в соответствии с реологическими уравнениями течения, например, Карро или Оствальда-де Виля) f]^ = f(yR), и

2. При расчете потерь давления на входе можно использовать хорошую корреля­цию между потерями давления на входе и напряжением сдвига на стенке при установившемся течении. Такая корреляция, для которой составлены табличные зависимости для многих полимеров, не зависит от температуры [20] (рис. 5.8). Для случая, когда площадь проходного сечения формующего отверстия отно­сительно велика по сравнению с его длиной, вышеприведенная корреляция практически не зависит от его геометрии (течение из бесконечно большого контейнера). Соотношение между потерями давления на входе и сдвиговым напряжением на стенке может быть определено на основании результатов из­мерений, полученных с помощью капиллярного реометра. Для этой цели при­меняют поправку по Бэгли или проводят измерения с помощью щелевого ка­пилляра, в котором один из датчиков давления устанавливается перед входом в капилляр, а два других таких же датчика — по длине капилляра.

Рис. 5.8. Соотношение между потерями давле­ния на входе и сдвиговым напряже­нием на стенке

Чтобы оценить корреляцию для вычисления полной потери давления, на втором шаге определяется сдвиговое напряжение на стенке на основе расчетной потери дав­ления, полученной на основе уравнения равновесия моментов:

To есть соответствующие потери давления на входе можно определить на основе ранее вычисленных напряжений сдвига:

ДР£=/(тцг). (5.5)

3. Полные потери давления при прохождении отверстия определяется путем сло­жения значений потерь давления за счет вязкого течения на цилиндрическом участке и потерь давления на входе:

АРtotal= aPr + АРе - (56)

Эта процедура позволяет получить хорошие результаты также и для каналов с ко­нической зоной входа в каналы с углами конусности более 60°. Для таких каналов также требуется вычисление напряжений сдвига на стенках цилиндрического участка.

При необходимости получения более точных данных целесообразно определять потери давления капиллярным реометром, используя рассматриваемый материал
и капилляры, обладающие такой же формой и длиной, как и каналы, которые будут применяться в рассматриваемом случае.

Массовый расход через одно отверстие может достигать 15 кг/ч [4]. Эти сведения можно использовать при предварительном проектировании формующих отверстий.

Рассмотренная выше процедура не учитывала взаимодействия потоков через каждое из отверстий. Для решения этой проблемы, помимо экспериментальных ис­следований, может применяться только трудоемкая процедура расчета трехмерного течения с использованием метода конечных элементов.

Требование постоянства геометрии получаемого экструдата и ее независимости от времени определяет отсутствие нестабильностей при течении. В зависимости от свойств перерабатываемого материала и рабочего режима в зоне входа могут возни­кать различные виды нестабильностей течения, например, штопорообразное закру­чивание экструдата или дробление струи, проявляющееся в виде возникновения шероховатой неоднородной поверхности экструдата. Основной причиной дробле­ния струи (эластическая турбулентность) является частичная потеря прилипания расплава к стенкам канала (рис. 5.9, см. также раздел 3.5.2) [23,28-30J. Как правило, возникновение нестабильностей течения зависит от уровня скорости деформации, а это означает, что производительность оборудования ограничена этими эффектами. То есть производительность оборудования зависит от перерабатываемого материала, оттого, возникают ли нестабильности течения в зоне входа и/или проявляются в ви­де шероховатости струи расплава, а также оттого, какой из этих двух эффектов про­является в конкретном диапазоне скоростей деформации.

Исключением из этого правила является ПЭВП: в диапазоне высоких скоростей сдвига на стенках канала наблюдается скольжение вследствие полного отсутствия прилипания к стенкам, что позволяет получать экструдат с высококачественной по­верхностью [30].

Конструкция канала может влиять на возникновение нестабильностей на входе, в результате чего экструдат закручивается по спирали в форме штопора. Коническая
зона впуска и длинный цилиндрический формующий участок позволяют снизить частоту появления этой проблемы.

Добиться равномерного объемного расхода через каждое отверстие можно за счет конструктивного решения, при котором путь расплава от входа (от адаптера экстру­дера) будет одинаков для каждого из отверстий. В качестве альтернативы можно применить подходящее предварительное распределение расплава, за счет которого приток расплава ко всем отверстиям будет равномерным. В общем случае справедли­во утверждение, что высокие потери давления для отдельных отверстий улучшают стабильность течения.

Задавая диаметры отверстий в перфорированной пластине, следует иметь в виду, что получаемые стренги на выходе из головки будут иметь больший диаметр из-за разбухания экструдата. Этот фактор особенно важен при разработке пластин для под­водной грануляции, поскольку в данном случае на размер экструдата не оказывает влияние дополнительная вытяжка.

Иа настоящем этапе развития технологии точный расчет разбухания экструдата возможен лишь в немногих случаях, и даже в них такому расчету должно предше­ствовать экспериментальное изучение поведения материала при соответствующих геометрических параметрах канала. В общем случае практически приемлемой свя­зью является корреляция между разбуханием экструдата и напряжением сдвига на стенке. Она подобна корреляции между потерями давления на входе и напряжением сдвига на стенке (см. главу 7).

Еще один аспект, который следует учитывать при конструировании перфориро­ванных пластин, — это возможность разрушения фильтров, которые могут возникать, если размеры отверстий в решетке небольшие. При решении этой проблемы необхо­димо принимать во внимание состав и размеры пакета фильтров, а также полные потери давления, вызываемые им. При расчете потерь давления пакет фильтров мо­жет рассматриваться как набор перфорированных дисков [31,32J. При использова­нии перфорированных пластин важно стремиться к тому, чтобы за ними не возникали застойные зоны, поскольку это увеличивает время пребывания материала и, следова­тельно, повышается вероятность ухудшения его свойств под воздействием темпера­туры. Для этой цели отверстия перфорированных пластин на выходе часто снабжа­ются коническими зенковками (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Пример узла распределитель­ной решетки в сборе: 1 — зона входа; 2 — зона выхода; 3 — па­кет фильтров; 4 — распредели­тельная решетка