Теория и практика экструзии полимеров

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ IIA ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЗОНЫ ЗАГРУЗКИ

При анализе работы зоны загрузки одношнекового экструдера необходимо рассмотреть вопросы, связанные с конструктивным исполнением этой зоны, ее производительностью и развиваемым давлением.

поршненого загрузочного устройства (рис. 2.14, в). Однако в этом случае необходимо согласовывать работу запиточных устройств с работой зоны загрузки, так как в случае превышения производи­тельности питателя нал независимой производительностью зоны загрузки возникает высокое давление в загрузочном окне, наблю­дается резкое увеличение плотности перерабатываемой массы и потребляемой мощности. Чрезмерное уплотнение массы может привести к уменьшению производительности зоны загрузки.

Значительное увеличение производительности зоны загрузки достигается применением пазов переменной глубины под загруз­кой воронки и в зоне транспортировки нерасплавленных гранул (рис. 2.14, г). Увеличение производительности в этом случае объясняется тем, что пазы препятствуют перемещению гранул в окружном направлении, и материал перемешается относительно цилиндра только в направлении оси экструдера.

Для загрузки материалов, имеющих малую подвижность (во - локниты, пропитанное рубленное стекловолокно), часто приме­няется зона загрузки с вакуумным отсосом (рис. 2.14, <)). Это по­зволяет не только осуществлять загрузку экструдера, но и произво­дить предварительное уплотнение материала в канале шнека |7, 8|. Повышенную производительность (до двух раз) по сравнению с экструдерами горизонтального типа имеют экструдеры верти - кального исполнения (рис. 2.14, е). Это объясняется лучшими усло­виями заполнения канала шнека. Применение же и таких экструде­рах конической заходной части в сочетании с продольными пазами на материальном цилиндре позволяет перерабатывать различные волокниты с производительностью, сравнимой с той, которая дос­тигается при переработке гранулированных материалов.

Зависимость массовой производительности С зоны загрузки от частоты вращения шнека для вариантов конструктивного оформления (рис. 2.14, а—д) также приведена на рис. 2.14. Вид­но, что в довольно большом диапазоне частот вращения эта зави­симость линейна. Только при больших частотах вращения УУпри свободной подаче гранул полимера наблюдается некоторое уменьшение темпа роста производительности с увеличением N (на рисунке не показано), что связано с отрицательным действи­ем центробежных сил |68|.

Исследования работы зоны загрузки одношнекового экструде­ра автор работы 1111 проводил на экспериментальной установке (рис. 2.15), снабженной набором сменных цилиндров 3 (из орга­нического стекла) с пазами различной конфигурации (рис. 2.16, I—VI). Привод шнека / (на рис. 2.15 привод не показан) позволял плавно изменять частоту его вращения в пределах 0—1 с-1. Разме­ры шнека /: наружный диаметр D - 36 мм, глубина канала h = 6 мм, угол подъема нарезки а = 17’42’ (т. е. I = D). Для создания регули­руемого давления, имитирующего сопротивление зон плавления и дозирования, а также формующего инструмента, на выходе из ци-

Рис. 2.16. Сменные цилиндры с различной конфигурацией пазов

линдра было предусмотрено специаль­ное приспособление — конус опираю­щийся на образцовый динамометр сжа­тия 5. Температура в процессе исследо­ваний составляла 20 'С. Исследуемый полимер (ударопрочный полистирол, полиэтилен высокого давления и сухо - смешанная тсрморсактивная компози­ция К-18-2) загружался либо в цилиндр с гладкой поверхностью через бункер I (см. рис. 2.15), либо непосредственно в сменный цилиндр через бункер II. Ха­рактер движения полимера в канале шнека изучали по кинокадрам, снятым кинокамерой 2.

Из векторной диаграммы скоростей движения гранул в винтовом канале од - нош иекового экструдера (рис. 2.17) вид­но, что с уменьшением угла В возрастает осевая составляющая Va скорости движения гранул, определяю­щая производительность зоны загрузки. В пределе, когда (3 = 0, а Va = VR. производительность зоны загрузки одношнскового экст­рудера становится максимальной. На рис. 2.18 представлены зави­симости угла 90 — р от частоты вращения шнеков (рис. 2.18, а) и длины зоны загрузки (координаты) / (рис. 2.18, б), полученные ки­носъемкой траекторий движения контрольных (окрашенных) гра­нул ударопрочного полистирола. На рис. 2.19 приведены графики
таиисимостн результирующей скорости VR движения указанных (ранул от тех же параметров. Эксперименты проводились с глад­кой цилиндрической втулкой (см. рис.2.15).

Из рис. 2.18 видно, что увеличение давления в конце юны заг­рузки от 0 до 0.6 МПа приводит к уменьшению угла р от 25* до 2 >го объясняется тем, что с увеличением давления в конце юны заг­рузки уменьшается проскальзывание гранул полимера за счет уве - шчения силы трения материала о поверхность как цилиндра, гак и шнека. Эти данные хорошо согласуются с данными рис. 2.19, отку - ia следует, что увеличение давления от 0 до 0,6 МПа в конце юны и грузки приводит к увеличению результирующей скорости VR по­чт в 2 раза. На основе анализа приведенных на рис. 2.18 и 2.19 жепериментальных данных можно сделать очень важный для практических целей вывод, а именно: для одношнековых экстру- (сров с гладким цилиндром в зоне загрузки установкой в ее кон - IC дросселирующего элемента можно добиться увеличения про - и шолителыюсти почти в 2 раза. Мри этом величина зазора между (росселируюшим элементом и стенкой цилиндра должна быть <>олыие максимального характерного размера частиц персраба - (ываемого материала. Уменьшение угла |3, а следовательно, уве - шчение производительности зоны загрузки олношнекового эк - чрудера достигаются также приданием внутренней поверхности цилиндра в указанной зоне специальной формы. Длина зоны мгрузки зависит от типа перерабатываемого полимера, темпера - (уры, геометрических параметров шнека, конфигурации внут­ренней полости цилиндра, частоты вращения шнека и иротиво-

I. тления в конце зоны загрузки.

На рис. 2.20, а приведены результаты исследований зависимос­ти производительности зоны загрузки шнека от частоты вращения шнеков для цилиндров с различной конфигурацией внутренней поверхности (цифры на кривых соответствуют номерам цилинд­ров на рис. 2.16). Из приведенных графиков видно, что наимень­шая производительность при прочих равных условиях наблюдает­ся для цилиндра с гладкой внутренней поверхностью (кривая /), в то время как цилиндрические втулки с коническими прямоуголь­ными пазами (кривые /Ки V) обеспечивают в 3—4 раза большую производительность. Наименьшее увеличение производительнос­ти обеспечивает цилиндр с внутренней винтовой нарезкой (кри­вая //).

Эксперименты (121 показали, что наибольший эффект увеличе­ния производительности при применении указанных выше ци­линдров (см. рис. 2.16) достигается в том случае, если пазы (риф­ления) во внутренней полости цилиндра расположены непосред­ственно под загрузочной воронкой.

Увеличение производительности в случае применения цилинд­ров с пазами объясняется изменением характера движения частиц полимера (гранул) вследствие частичного устранения проскальзы­вания и проворачивания материала на цилиндре. Это приводит к уменьшению угла р движения материала (см. рис. 2.17), а следова­тельно, к увеличению осевой составляющей ^скорости движения (соответственно, и VR) материала, определяющей производитель­ность зоны загрузки одношнскового экструдера. Очевидно, что при р = 0 будет наблюдаться максимальная осевая составляющая ^скорости движения гранул полимера, т. е. максимальная произ­водительность. На практике это достижимо путем расположения

но внутренней полости цилиндра (но направлению образующих) как можно большего количества пазов с минимально допустимым числом перемычек между пазами.

Глубина и ширина паза должны быть больше определяющего размера гранул (длины или диаметра). Только в этом случае возможно предотвращение проворота гранул относительно ци - жндра.

Попытки интенсификации работы зоны загрузки путем приме­нения аналогичных цилиндров при переработке порошкообраз­ных материалов не увенчались успехом 112— 14|. Это объясняется Юм, что если при переработке гранулированного полимера грану - 1ы. находящиеся в пазах, оказывают на примыкающие к ним час­тим полимера заклинивающее действие, препятствующее их проворачиванию относительно цилиндра, то в случае переработки порошкообразного материала «прочность» сцепления частиц по­рошка недостаточна, чтобы противостоять сдвиговому воздей­ствию со стороны шнека.

Исследования влияния противодавления на производитель­ность зоны загрузки (рис. 2.20, в) показали, что цилиндры с паза­ми и рифлениями (кривые 2—5) имеют «жесткую» напорную ха­рактеристику, в отличие от гладкого цилиндра, у которого наблю­дается резкое уменьшение производительности при увеличении противодавления от 0 до 0.1 МПа (кривая I) и ее стабилизация при увеличении давления выше 0,2 МПа.

Полученные результаты можно объяснить специфической ук - • а л кой гранул в пазах и вблизи них. Гранулы, находящиеся в па - »ах, препятствуют проворачиванию и проскальзыванию других частиц материала, причем по мере удаления от пазов их влияние оудет уменьшаться. При некоторой критической глубине канала шнека воздействие пазов на удаленные слои гранул прекращает­ся. Наличие пазов приводит к тому, что деформация гранул в них и в пределах некоторой критической глубины будет практически •нсутствовать. Таким образом, продольные пазы в пределах каж - юго витка шнека могут создавать значительное давление, кото­рое, возможно, даже будет превышать давление на выходе.

При применении гладкого цилиндра под действием давления происходят уплотнение и деформация гранул в канале шнека. По юстижснии некоторого значения противодавления заканчивается образование пробки гранул, которая в дальнейшем перемешается по каналу как сплошная масса, и дальнейшее увеличение давле­ния уже не сказывается на производительности.

Наряду с коэффициентом трения материала о поверхность шпека на производительность зоны загрузки оказывает влияние и к омегрия шнека. С целью выяснения характера зависимости про - и июдительности от глубины винтового канала и угла его подъема м. I описанной выше установке (см. рис. 2.15) проводились соот - | гствующие эксперименты.

Экспериментальные данные, полученные на гранулах полиэти­лена высокого давления (низкой плотности), представлены на рис. 2.21. Видно, что с увеличением до определенного предела угла подъема винтового канала шнека а при всех исследованных частотах вращения шнека наблюдается повышение производи­тельности. Мри этом на участке приблизительно до 20’ наблюдается резкое увеличение производительности зоны загрузки (увеличение производительности до 40 % при увеличении угла на 5*). Дальней­шее увеличение угла подъема а винтового канала приводит к за­метной стабилизации производительности (увеличение угла подъема с 20* до 25"50' даст прирост производительности только на 8 %).

Характер зависимости производительности от угла подъема винтового канала легко объясним из анализа векторной диаг­раммы скоростей движения частиц полимера в зоне загрузки (см. рис. 2.17).

На начальном участке кривой (рис. 2.21), вероятно, наблюдает­ся резкое увеличение осевой составляющей Va скорости частиц полимера, а затем наступает ее стабилизация. Следует ожидать, что при каком-то критическом значении угла подъема а винтово­го канала наступает случай, когда Va= 0; превышение критического а может привести к возникновению отрицательной скорости Va.

Графики на рис. 2.21 показывают, что во всех исследованных диапазонах частот вращения шнека наблюдается линейная зави­симость производительности зоны загрузки от глубины винтово­го канала. Однако здесь следует иметь в виду, что оптимальная

о

10 15 20 25 а. град 3 4 5 6 //, мм

Рис. 2.21. Влияние угла наклона винтового канала шнека а и глубины канала h на производительность зоны загрузки G. Частота вращения шнека А:

А I с*1; О — :/« с ■; Д - */3 с*1

| |убина канала зависит от многих факторов: стабильности работы •кструдера, нагнетающей и смешивающей способности зоны дози­рования, пластипирующей способности зоны плавления и т. д. Ве­роятнее всего, пока эта сложная задача может быть решена только с помощью экспериментов для каждого конкретного случая.

На производительность зоны загрузки одношнекового экстру - iepa большое влияние оказывает конфигурация и размеры загру - ючного отверстия, а также его расположение (ориентация) отно­сительно материального цилиндра экструдера.

На серийно выпускаемых одношнековых экструдерах приме­няется тангенциальное и центральное сопряжения (расположе­ния) загрузочного отверстия с материальным цилиндром (на мате­ри ал ь ном цил и ццре).

В литературе 11, 8, 9, 15| приводятся только эмпирические дан­ные по размерам загрузочного отверстия, однако отсутствуют ре­комендации в отношении его формы и ориентации относительно винтового канала.

В связи с этим авторами работ |7, II, 16| проводились исследо­вания влияния формы загрузочного отверстия и его ориентации относительно винтовою канала (рис. 2.22) на производительность одношнскового экструдера. Эксперименты проводились на опи­санной выше (см. рис. 2.15) модельной установке с гранулирован­ным полиэтиленом высокого давления. Экспериментальные дан­ные представлены на рис. 2.23. Из рисунка видно, что максималь­ная производительность при одних и тех же частотах вращения наблюдается при 4-м варианте расположения загрузочного отвер- сIия, когда длинные его стороны перпендикулярны боковым гонкам винтового капала, хотя площадь живого его сечения меньше, чем у второго и третьего вариантов расположения загру - ючного отверстия. Из этого следует, что большое значение у од - ношнековых экструдеров имеет ориентация загрузочного отвер-

Рис. 2.23. Зависимость производктсльно - сти зоны загрузки от частоты вращения шнека дня различных вариантов располо­жения загрузочного окна (см. рис. 2.22)

стия относительно пинтового канала.

Можно предположить, что увеличение производительности при четвертом варианте располо­жения за фу зоч но го отверстия до­стигается за счсг увеличения осе­вой составляющей Уи скорости движения гранул (см. рис. 2.17), вследствие меньшего воздей­ствия на материал толкающей стенки винтового канала. Резуль­таты данного исследования при­знаны изобретением |17|.