Оборудование заводов по переработке пластмасс

КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭКСТРУДЕРА

Зона питания. Полимер в виде гранул, порошка или непрерыв­ной ленты (экструзия резиновых смесей) поступает через за­грузочную воронку в канал червяка и увлекается им за счет разности сил трения между полимером и стенкой цилиндра и полимером и стенками винтового канала. Очень грубой аналоги-

Ей движения полимера на этой стадии является взаимодействие винта и гайки. Если представить, что масса поступающего че­рез бункер полимера — это гайка, а червяк — винт, то в этом случае при вращении винта гайка начинает перемещаться вдоль винта. Следует лишь иметь в виду, что эта гайка имеет также возможность проскальзывать относительно стенок цилиндра, препятствующих ее вращению. Поэтому фактическое расстоя­ние, на которое перемещается такая гайка-полимер за один оборот червяка, не равно шагу нарезки, а за счет проскальзы­вания полимера относительно стенок оказывается во много раз меньшим.

По мере движения полимера по червяку в нем развивается высокое гидростатическое давление. Возникающие на контакт­ных поверхностях силы трения при движении полимера созда­ют работу трения. Выделяющееся при этом тепло идет на на­грев полимера. Некоторая часть тепла подводится также и за счет теплопроводности от стенок цилиндра, температура кото­рых обычно превышает температуру поступающего в экструдер полимера.

Верхний предел, до которого нагревают стенку цилиндра в зоне питания экструдера, определяется значением коэффициен­та трения и его температурной зависимостью. При слишком высокой температуре стенки интенсивные тепловыделения за счет работы внешнего трения и недостаточный теплоотвод вы­зывают преждевременное плавление пристенного слоя полиме­ра. При этом сила трения резко падает, полимер начинает пол­ностью проскальзывать относительно стенки цилиндра, и его движение по червяку прекращается. При нормальном темпе­ратурном режиме вначале образуется длинная пробка из поли­мера, которая проталкивается силами трения по винтовому ка­налу. Длина пробки должна быть достаточно велика для того, чтобы развивающаяся вследствие относительного движения продольная толкающая сила обеспечивала проталкивание по­лимера через зону плавления.

По мере продвижения твердой пробки по каналу червяка давление в ней возрастает, пробка уплотняется; поверхность пробки, соприкасающаяся с внутренней стенкой цилиндра, на­гревается, и на ней образуется тонкий слой расплава. Постепен­но толщина этого слоя увеличивается; когда она сравняется с размером радиального зазора между стенкой корпуса и греб­нем нарезки червяка, он начинает соскребать слой расплава со стенки, собирая его перед своей толкающей гранью. Это сече­ние червяка является фактически концом зоны питания и на­чалом зоны плавления.

Зона плавления. В пределах зоны плавления полимерная пробка расплавляется под действием тепла, подводимого от стенки корпуса, и тепла, выделяющегося в тонком слое рас­плава за счет вязкого трения. Принципиальная схема механиз­ма плавления приведена на рис. 5.16, на котором представлено

Рис. 5.16. Схема процесса плавления. Пояснения в тексте.

V, V///, уууууШу//уууууууууууу/

Сечение червяка на этом участке плоскостью, нормальной к оси винтового канала. Суммарный эффект поступательного движе­ния полимерной пробки и вращения червяка проявляется в су­ществовании относительного движения между стенкой корпу­са У и пробкой 4 в направлении к толкающей стенке. Под дей­ствием этого движения в тонком слое расплава 2, образовав­шемся на наружной поверхности 3 пробки (поверхность разде­ла фаз), возникает течение, направленное к толкающей стенке канала 6. Этот расплав натыкается на толкающую стенку, по­ворачивает вдоль нее и собирается в поток 5, оттесняя матери­ал пробки к передней стенке. В результате этого оттесняющего действия высота пробки h—б остается примерно постоянной, а ширина X по мере продвижения по червяку постепенно умень­шается.

Описанный механизм плавления обеспечивает плавление пробки при ее движении по каналу до тех пор, пока пробка сохраняет достаточную прочность (пока ее ширина остается больше 0,2 w). Как только ширина пробки достигает 0,1 w, цир­куляционное течение в потоке расплава, собирающемся перед толкающей стенкой, разрушает остатки пробки, дробя ее на мелкие куски. Сечение червяка, в котором начинается дробле­ние пробки, можно считать концом зоны плавления и началом зоны дозирования.

Зона дозирования. Течение расплава в зоне дозирования (рис. 5.17) возникает под действием сил вязкого трения, разви­вающихся вследствие относительного движения червяка и сте­нок цилиндра, подобно течению жидкости в винтовых насосах, и осуществляется по винтовой траектории (рис. 5.17, в). Приня­то представлять это течение как сумму двух независимых дви­жений: поступательного течения вдоль оси винтового канала (рис. 5.17, а) и циркуляционного течения, возникающего в виде кругового движения в плоскости, нормальной к оси винтового канала (рис. 5.17,6).

Объемный расход поступательного течения определяет про­изводительность экструдера и, следовательно, лимитирует ско­рость движения пробки гранул в пределах зон питания и плав­ления. Циркуляционное течение возникает вследствие сущест­вования составляющей скорости относительного движения в на­правлении, перпендикулярном оси винтового канала, увлекаю­щей расплав в этом направлении. Двигаясь поперек канала, по-

Ток встречает толкающую стенку и поворачивает вдоль нее к дну канала, а затем в обратную сторону. Циркуляционное те­чение обеспечивает гомогенизацию расплава, выравнивает рас­пределение температур и позволяет использовать экструдер для смешения.

В начале зоны дозирования температура расплава равна температуре плавления. Продвигаясь по винтовому каналу в зоне дозирования, полимер продолжает разогреваться как за счет подвода тепла извне, так и за счет тепла, выделяющегося вследствие интенсивной деформации сдвига. Одновременно идет процесс гомогенизации расплава. Происходит окончательное расплавление мелких включений и выравнивание температур­ного поля. Для нормальной работы экструдера необходимо, что­бы поступающий к рабочему инструменту (к головке) расплав имел заданную однородную по сечению температуру. Поэтому время пребывания расплава в зоне дозирования должно быть достаточным для его прогрева и гомогенизации.

Взаимосвязь отдельных этапов процесса экструзии показыва­ет, что для анализа процесса в целом надо рассматривать сово­купность всех его стадий, имея в виду соблюдение условий по­стоянства материального расхода полимера для любого сече­ния червяка.