Теория и практика экструзии полимеров

ГОЛОВКИ СО СМАЗОЧНЫМ МАТЕРИАЛОМ

В современной технологии переработки полимеров все чаше иг греча юте я аналогии, заимствованные из обработки металлов пилением. Идея использования смазок тоже связана с этим. В об - p. 1оотке металлов давлением она нашла достаточно широкое при­менение. Применение смазок при экструзии дает возможность су­щественного снижения давления в головке, увеличения линейной • корости экструзии и износостойкости рабочих органов экструде­ра и элементов конструкции экструзионной головки (6|.

Обычно при рассмотрении течения жидкостей в каналах пола - Iлют, что скорость его вблизи неподвижной стенки равна нулю. < > шако в ряде случаев жидкость может проскальзывать по стенке » анала. Это явление пристенного скольжения существенно влияет на характер течения. Предложен целый ряд моделей, объясняю­щих механизм проскальзывания. Из них можно выделить три ос­новных механизма, каждый из которых справедлив для опреде­ли ною класса сред |7|:

1. Скольжение вязкопластичных материалов, у которых напря­жение сдвига превосходит предел текучести и которые находятся вблизи стенки в пластическом, а в ядре потока — в твердофазном I <)СТОЯНИИ.

2. Скольжение вязкоупругих среде релаксационным переходом материала в высокоэласгичсское состояние. Характерным приме­ром является механизм скольжения, заключающийся в чередова-

нии прилипания частиц полимера к стейке и отрыва от нее пол действием накопленной упругой деформации.

3. Скольжение дисперсных сред с выделением вблизи стенки тонкого слоя маловязкой жидкости и образованием двухслойной) потока.

Во всех трех случаях механизм проскальзывания может бын> усилен выполнением стенок канала из материала с малой адгезией

Для этих целей используется фторопласт, политетрафгорли ленпропилен или покрытие тонкоизмельченной твердой смазкой, фторуглеродной смолой, сополимером тетрафторэтилена с перф торакрилвиниловым эфиром. Однако механизмы подпитки пости янно расходуемого слоя смазки не разработаны, а материалы ■ низкой адгезией не обладают износостойкостью.

Создание устойчивого проскальзывания материала может обес­печить принудительно создаваемый тонкий жидкий или газооб разный смазочный слой. Использование смазки заключается и том, что в газообразном или жидком состоянии она подается дли создания разделительной пленки между материалом и стенками инструмента. Может быть два принципиально отличных cnocoim подвода смазки в канал: локальный (рис. 5.33, а, б) и распределен­ный (рис. 5.33, в, г). При локальном способе подвод смазки прой• водится по ограниченной поверхности канала (кольцевой зазор |10|, пористое кольцо |11|). Распределенный способ характеризу ется подачей смазки от выбранного места подвода до окончании канала. В этом случае стенка канала выполняется из пористых ми териалов. обеспечивающих проникновение смазки к внутренней поверхности. Мри распределенном способе подвода часть наруж* ной поверхности пористого элемента может быть выполнена не­проницаемой (рис. 5.33, г ). Регулирование потока подводимой смазки может быть произведено изменением гидродинамического сопротивления подводящих смазку каналов или прикладываемым давлением.

Мри распределенном способе подвода смазка, подаваемая пол давлением, фильтруется через пористый элемент, попадает на всю внутреннюю поверхность канала от места подвода до конца. Мри локальном способе смазка, попадая на ограниченный участок ка­нала после фильтрации (пористое кольцо) или протекания через кольцевой зазор, затягивается материалом и создает смазочный слой на оставшейся части канала. Необходимо отметить, что при

ни I и мой схожести способов подами

I матки они принципиально отли­чаются, особенно когда основной материала обладает выра­вненными вязкоупругими свойства­ми Недооценка сказанного явн­ые I», по-видимому, причиной от - ».1 ia в ряде случаев от смазок, несмотря на то что использование и сулило значительный выигрыш.

Схема подвода смазки в формую­щий инструмент изображена на рис. 5.34 |9|. Система подвода « ма иси работает следующим обра - шм: сжатый газ, находящийся в баллоне высокого давления /, по - « I упает в воздушный редуктор 2. в

и. юром происходит понижение I. тления до величины, необходи­мой для осуществления процесса и мения со смазочной пленкой. Затем по соединительным трубо­проводам газ поступает к датчику замера давления смазки 3 и

i. i нее в емкость 5. Емкость 5 используется в случае примене­ния жидких смазок, а сжатый газ служит выдавливающей сре - !он. В системе после датчика давления установлен клапан 4 для

* проса давления.

Из емкости 5 смазка поступает в нагреватель 6, а затем из сма - ючной полости £ через пористые стенки канала — на внутреннюю поверхность фильеры, где создает разделительную смазочную

II ICHKV.

Система позволяет регулировать температуру подводимой

♦ мазки |12|, осуществлять управление подводом смазки в зависи­мости от параметров процесса |13|. Для вторичного использова­ния жидких смазок предусмотрена система отбора смазки с повер­хности экструдата.

Пористые элементы инструмента для подвода смазки. Использо­валось два их вида: пористые элементы локального и распределен­ною подвода смазки [6). При локальном способе подвода смазка подводится по ограниченной поверхности канала. На рис. 5.35 приведена одна из конструкций, в которой пористое кольцо / ус- мнавливается между формующим каналом 2 и фланцем 3. Смазка к кольцу / подводится через штуцер 4 и кольцевую проточку 5. 11Я устранения деформации пористого материала и снижения его открытой пористости поджатие осуществляют определенной на - фузкой, а уплотнение — с помощью герметиков или поджатием уплотнительного кольца 6дополнительной гайкой 7. В случае рас­пределенного способа подвода смазки (рис. 5.36) весь формующий

Рис. 5.35. Экструзионная головка с. то - Рис. 5.36. Экструзионная головка с ри< кальиым подводом смазки прслеленным подводом смазки

инструмент / выполняется из пористого материала |14]. Крепло нис и уплотнение аналогично ранее описанному.

При использовании смазок в процессе экструзии наблюдаютсм закономерности, общие для широкого класса материалов (от мо дельных до расплавов и композиций на их основе) и характерные для определенных материалов (вязкоупругие, магнитопласты, хи мически активные и т. д.).

Рассмотрим наблюдаемые эффекты на примере экструзии ПВХ и ПЭ-композиции. Зависимости давлений экструзии смазки и массовой производительности от частоты вращения шнека дам стационарных режимов показаны на рис. 5.37—5.39. Создание смазочной пленки при экструзии сказывается прежде всего на па дснии давления экструзии; так, для ПВХ оно уменьшается в 2—2,5 раза, для ПЭ-композиции — в 1,7—2,1 раза во всех исследованных режимах. При увеличении N до 30 об/мин (рис. 5.37) наблюдается интенсивный рост давления экструзии на обоих режимах, связан ный со значительным повышением производительности G. При дальнейшем увеличении N давление экструзии падает. Это вызвд

Рис. 5.37. Зависимость давления экстру зии, смазки и массовой производительно cm от частоты вращения шнека. Магсри ал — нспластмфннированный полившим хлорид (ПВХ). Изделие — пруток круглого сечения диаметром 3 мм:

I давление экструзии без смазки; 2 — давление экструзии со смазкой; 3 — давление экструзии (расчетная кривая) с учетом прнли пания расплава полимера к стенке канала; 4 — давление экструзии (расчетная кривая) при идеальном скольжении (напряжение сдвига ил стенке равно нулю); 5 — кривая давления см. ч ки (азот); 6 — кривая давления смазки (масло минеральное); 7 — производительность 6ci смазки; S— производительность со смазкой

I'm 5.38. Зависимость давления эк - 11|>у 1ии ПВХ, смазки и массовой н|иипво;1итсльности от частоты вра - 1ш пня шнека. Изделие — труба с на - 1»<*.ным диаметром 5мм и толщиной • и нки в / мм:

/ — давление экструзии без смазки:

(лнление зкегрузии со смазкой; .? —

снис смазки; 4 — производитсль-

it. без смазки; 5 — производитель-

со смазкой

I'm. 5.39. Зависимость давления эк-

• i|»y сии и массовой производитель - HiiciH от частоты вращения шнека:

I — давление экструзии ПВХ без

• м. пки; 2 — давление экструзии II I композиции без смазки; J — давле - нис экструзии ПВХ со смазкой; 4 ллн - миие экструзии ПЭ-композиции со м нкой; 5 — производительность для IIBX без смазки; 6 — производительность ■ 1м ПЭ-композипии без смазки; 7— про-

II тельность для 11ВХ со смазкой; с —

м|нш»ВШИГСЛЫЮСТЬ ДЛЯ ПЭ-комиози - HHII со смазкой

по снижением давления на входе в формующий инструмент в ре - ильтате уменьшения вязкости расплава, связанного с повышением его температуры за счет внутренней диссипации тепла. Это хорошо прослеживается на зависимости G от А'. Кривые зависимости G = J(N) в режимах со смазкой и без нее в точке N = 30 об/мин имеют перегиб, после которого увеличение числа оборотов шнека приво - (ит к замедлению роста производительности. Сравнение обоих ре­жимов по этой характеристике показывает, что до N = 30 об/мин они практически совпадают. В случае соответствия параметров процесса экструзии точкам крутого участка напорно-расходной кривой, сопротивление формующей головки мало влияет на G. При этом производительность шнека при данной частоте враще­ния близка к максимально возможной и слабо зависит от противо­давления со стороны формующего инструмента. Поэтому эффект смазки в экструзионной головке проявляется только в снижении давления экструзии и не проявляется в увеличении производи­тельности.

При уменьшении давления экструзии рабочие параметры про­месса соответствуют точкам, лежащим на пологом участке кривой. Н этом случае уменьшение сопротивления формующей головки (режим со смазкой) приводит не только к падению давления экст­рузии, но и к увеличению производительности. Чем больше N
(ниже давление экструзии), тем эта разница значительнее: при ЛН = 86 об/мин она составляет 0,4 кг/ч, а при N = 100 об/мин (I *4 = 0,43 кг/ч. Описанное наблюдается при экструзии ПЭ-компош ций и других материалов.

Влияние утла конуса канала на гидродинамическое сопротивление при течении в конических каналах. Численным экспериментом но казано |6|, что зависимость давления от угла конуса канала ноет немонотонный характер с участком экстремума, причем увеличь ние аномалии вязкости смешает экстремум в область менмпич значений угла конуса. Гак, для ньютоновской жидкости минимум

/ - 10 об/мин: 2-30 об/мин; 2-50 об/мин.

Угол входного конуса равен 30*. N рав­но: 4 — 10 об/мии; 5 — 30 об/мин; 6-50 об/мин

о,. 1 2 Рс, МПа

Смазка газообразная 6

Рис. 5.41. Зависимость давления экст рузии />, от давления смазки рс — жил кой (а) и газообразной (б). Материал IIBX.

Угол входного конуса равен 60', ,% равно:

/ — 10 об/мин; 2—30 об/мин; J об/мин.

Угол входного конуса ранен 30*. Л‘ pan но: 4 - 10 об/мин; 5-30 об/мин; 6 mi об/мин

кипения приходится на область i юн -120°, а для жидкости с по - • .1 i. i Iслсм нелинейности 1,4 ми­нимуму соответствует угол 75*.

Рассматривая течение при нали­чии смазки как течение предель­но нелинейной жидкости, можно предположить, что экстремум /имжен сместиться в область очень малых углов. В экспери­менте были использованы кони­ческие каналы с углами 30е и 60° при одинаковом отношении п кицадей на входе и выходе из капала. Для двух материалов при использовании жидкой и газо­образной смазки результаты экс­перимента представлены на рис.

*1 К) и рис. 5.41. Сопоставляя кри­вые 1—4, 2—5, 3—6, видим, что давления, соответствующие углу <>0 , ниже по верхнему уровню (экструзия без смазки) и выше по нижнему уровню (экструзия со смазкой). Кривые, соответствую­щие углу 30*, переходят на нижний уровень при меньших давле­ниях смазки Рс и имеют несколько шире петлю гистерезиса. Ина­че говоря: во-первых, эксперимент подтверждает выводы о том, чю в обычном режиме конус с углом 60° имеет гидродинамичес - кое сопротивление меньше, чем с углом 30*; во-вторых, создание смазочного слоя смешает экстремум зависимости давления экст­рузии 1 = /(а) в сторону очень малых углов, во всяком случае меньше 30*. Это достаточно хорошо видно на рис. 5.42; в-третьих, пя малых углов конусов при распределенном способе подвода смазки требуется в 1,2—1,8 раз меньший уровень давления смазки 1ля выхода на режим и его поддержания.

ч>*