Оборудование заводов по переработке пластмасс

Параметры режима пластикации

Литьевая машина с червячным пластикатором во многом по­добна обычному одночервячному экструдеру. Поэтому матема­тическое описание стадии пластикации, во время которой чер­вяк пластикатора нагнетает в переднюю полость очередную порцию материала, аналогично описанию процесса экструзии.

Используя математическую модель экструзии для описания процесса пластикации, следует иметь в виду, что по окончании стадии впрыска часть червяка в пределах зоны питания AL» (0,1-^-4) D оказывается не заполненной полимером. Поэто­му в начале стадии пластикации в червяке одновременно про­текают два процесса. Продолжается пластикация материала, оставшегося в винтовом канале от предыдущего цикла. При этом конец заполненного участка червяка смещается к выходу из червяка по мере выдавливания пластицированного расплава. Одновременно по начальному участку зоны питания ускоренно перемещается фронт пробки гранулята, который до­гоняет смещающийся к выходу конец предыдущей порции.

Только после того как новая порция гранулята, забранная червяком из бункера, сомкнётся с концом предыдущей, меха­низм работы пластикатора становится полностью подобен ра­боте червяка обычного пластицирующего экструдера. Един­ственное отличие заключается в том, что іпластицируемьш ма­териал собирается перед концом червяка, вызывая его смеще­ние назад. Поэтому эффективная длина червяка в процессе этой стадии цикла не остается постоянной, а изменяется. По­скольку снижение эффективной длины приводит к уменьшению температурной однородности расплава, смещение обычно огра­ничивается величиной (0,1-т-4)/).

Разогрев расплава и степень гемогенизации в значительной мере зависят от противодавления, которое задается в гидроци­линдре осевого перемещения. Его следует выбирать таким об­разом, чтобы давление расплава на выходе из червяка во вре­мя пластикации не превышало 35 МПа. Рекомендованные значения давления и температуры пластикации для ряда тер­мопластов приведены ниже:

Эти данные получены при экспериментах с червяком диа­метром 63 мм. Опыт показал, что эти давления и температу­ры можно рекомендовать и для червяков большего размера. Температура загрузочной зоны должна поддерживаться на 28— 56 К ниже приведенных значений.

Частота вращения червяка выбирается в зависимости от типа перерабатываемого материала. Для машины с диаметром червяка 63 мм рабочий диапазон частот вращения может со­ставлять от 20 до 180 об/мин. Нижний предел рекомендуется применять при переработке термочувствительных материалов (например, поливинилхлорида), а верхний — для переработки полиэтилена, полиамида и АБС-пластика.

Поскольку разогрев материала осуществляется преимуще­ственно за счет работы вязкого трения, можно определить про­изводительность и пластицирующий эффект (разогрев материа­ла) в червячном пластикаторе, если воспользоваться уравне­нием политропического режима экструзии.

Допустим для простоты, что расплав обладает свойствами ньютоновской жидкости, и применим математическую' модель политропической экструзии ньютоновской жидкости.

Для дальнейшего упрощения анализа используем модифи­цированное уравнение политропической экструзии:

Q=aN -■■ $AKiN*bP/(cpQ&T)
где а и (3 определяются выражениями (5.68) и (5.69); А и Кі определяются выражениями (5.80) и (5.84); ДР и АТ — приращения давления и температуры расплава, достигаемые в зоне дозирования; Q — объемный расход.

Особенность этого уравнения состоит в том, что оно в явной форме связывает все основные параметры процесса пластика­ции. Воспользуемся уравнениями (5.87) и (5.88) для того, чтобы исключить из правой части Q и Л7 После несложных алгебраических преобразований получим уравнение для расче­та характеристик пластикатора:

|ЗРПЛ cxlnfl In і?

Qr]o — MNL ~~ R — 1 (/14)

■где Рил — давление пластикации; M=Ki'(i:,bA/ (рср).

Уравнение (7.14) позволяет выбрать все основные парамет­ры рабочего режима. Если задана температура на выходе из червяка, то, определив величину R и задавшись противодавле­нием, можно рассчитать значение N. Напротив, зная частоту вращения червяка, можно подобрать противодавление, которое обеспечит заданную величину разогрева. Остановимся несколь­ко подробнее на анализе уравнения (7.14), представив его для этой цели графически (рис. 7.40) в координатах PnnlQ=f(N-1). Каждому значению R, характеризующему величину разогрева, соответствует своя прямая. С ростом разогрева, определяемым значением In/?, эти прямые располагаются все более и более круто, поскольку при этом возрастает угловой коэффициент прямых, равный alnR/(ML). Одновременно смещается влево и точка пересечения прямой с осью абсцисс, так как ее значе­ние определяется выражением

N'1 = ML/[a (R—Щ (7.14а)

Чтобы получить рабочие характеристики пластикатора, не­обходимо установить зависимость между производительностью, частотой вращения и противодавлением. Производительность при фиксированном значении частоты вращения червяка можно определить из формулы (5.83).

Противодавление рассчитывается по зависимости Pnn==f(R)N с использованием данных, представленных на рис. 7.40. Расчет выполняется следующим образом.

1. Выбирается ряд фиксированных частот вращения чер­вяка.

2. При соответствующих значениях аргумента 1 IN по номо­грамме на рис. 7.40 определяется значение PnnlQ, соответствую­щее разным значениям R.

3. По формуле (5.83) рассчитывается производительность при каждом значении R. Для каждого Q рассчитывается вели­чина противодавления Pnn=Q(Pi^/Q). Затем строится график

Рис. 7.40. Типичные графики зависимости Рпл/Q—fiN-1), рассчитанные для червячного пластикатора литьевой машины Д 3130-125 (материал — поли­амид 68). Числа на кривых — температура расплава, К-

Рис. 7.41. Внешние характеристики червячного пластикатора литьевой машины

Д 3130-125 (материал — полиамид 68); частота вращения червяка:

1 —25 об/мин; 2 — 50; 3 — 80; 4 — 100 об/мин.

Числа у пунктирных кривых — температура расплава.

Q(Pnx) (рис. 7.41). Построенная таким образом характеристи­ка пластикатора имеет вид кривой с максимумом, соответ­ствующим некоторому максимальному противодавлению. Каж­дой точке этой кривой (при фиксированном N) соответствует свое значение приращения температуры. Если нанести на гра­фик серию кривых, построенных для различных значений ча­стоты вращения, а затем соединить между собой точки с оди­наковым значением R (пунктирные кривые на рис. 7.41), то получится сетка изотерм. Каждая такая изотерма позволяет определить всю гамму параметров режима (Q, Рпл и N), обес­печивающих разогрев расплава до заданной температуры (при фиксированных значениях температур корпуса).

Располагая этими двумя номограммами, очень просто вы­брать основные параметры режима пластикации (Рпл и N). Для этого сначала по выбранной из соображений усадки и формуемости температуре впрыска рассчитывается приращение температуры AT (за ДТ принимается разность между темпера­турой впрыска и температурой плавления Tg). Затем по вели­чине объема впрыска w и продолжительности стадии пластика­ции рассчитывается объемная производительность пластикато­ра Q=W/Тпл - По номограмме рабочих характеристик опреде­ляется необходимое противодавление. Для этого через точку оси ординат с нужным значением Q проводится прямая, парал­лельная оси абсцисс, до пересечения с соответствующей изо­термой. Абсцисса точки пересечения и определяет значение

Противодавления. Затем рассчитывается величина параметра •Рпл/Q и по номограмме на рис. 7.40 определяется частота вра­щения червяка. Выбранный таким образом режим обеспечи­вает непрерывную пластикацию материала в течение всего воз­можного времени. При этом снижается до минимума продол­жительность пребывания материала в состоянии покоя в каме­ре пластикатора, во время которого в результате теплообмена между корпусом и расплавом может возникнуть дополнитель­ная неоднородность температур расплава.

При выборе рабочего режима следует иметь в виду, что начальная область кривой (от точки нулевого противодавле­ния до точки Рпл макс) — это область устойчивых рабочих ре­жимов. Если технологические параметры процесса выбраны так, что его рабочая точка лежит на этом участке, то всякие случайные отклонения в свойствах материала при параметрах процесса (Рпи, N) будут автоматически вызывать соответствен­ное изменение параметров, режима, направленное на его ста­билизацию.

Допустим, что в результате флуктуации свойств сырья в червяк попала порция материала с повышенной вязкостью. При этом температура расплава несколько повысилась. Сле­дующая порция расплава, чтобы разогреться до этой же тем­пературы, должна поступить под более высоким давлением и при меньшей производительности. Поскольку значение проти­водавления зафиксировано настройкой регулятора давления, такое повышение давления практически невозможно. Следова­тельно, разогрев расплава автоматически уменьшается. На­против, при уменьшении температуры производительность по­высится, но одновременно должно будет снизиться давление. Регулятор подаст в гидроцилиндр осевого перемещения червя­ка дополнительную порцию масла, и червяк сместится вперед, компенсируя таким образом увеличение производительности.

Участок характеристики, расположенный между Q(PMaKc) и Q=0,— область неустойчивых рабочих режимов. Если рабо­чая точка выбрана в этой области, то всякая флуктуация в свойствах будет приводить к самопроизвольному нарушению режима.

Рассмотрим случай перегрева расплава, который в этой области сопровождается уменьшением производительности и падением давления. Поскольку регулятор настроен на более высокое давление, снижение давления вызывает подачу масла в цилиндр осевого перемещения, и червяк начинает смещаться вперед, вызывая обратное течение расплава и дополнительное уменьшение производительности. Такое смещение будет сопро­вождаться дальнейшим перегревом расплава и может в резуль­тате привести к термическому разложению полимера. Поэтому рабочую точку следует выбирать только в области устойчивых режимов.