Теория и практика экструзии полимеров

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВУХШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ

В середине 30-х годов XX века появляется новый тип экс труде­ра для переработки пластмасс многошнековый, в конструкцию которого был заложен принципиально иной механизм продвиже­ния перерабатываемого материала, чем в олношнсковом, — при­нудительный. 11есомнспными преимуществами многопшековых экструдеров, наиболее распространенные из которых — двухшне­ковые, являются хороший захват исходного материала в зоне пи­тания (загрузки) независимо от его агрегатного состояния и фор­мы частиц материала, принудительное продвижение материала к формующему инструменту и взаимная самоочистка шнеков.

Основными элементами двухшнековых экструдеров (рис. 3.1) являются два шнека 2, вращающиеся навстречу друг другу (или в одну и ту же сторону) в цилиндре /. Перерабатываемый мате­риал загружается в экструдер через загрузочное окно 6 (матери­альный бункер не показан), и с помошыо шнеков 2 разогретый электронагревателями 3 расплав полимера выдавливается через формующий инструмент 4. Температурный режим переработки контролируется термопарами 5. Привод шнека состоит из элект­родвигателя 9 и редуктора 8, а возникающее распорное усилие воспринимается подшипниковым узлом 7, состоящим из последо­вательно расположенных двумя рядами упорных и радиальных подшипников качения.

Большие осевые усилия, развиваемые двухшнсковыми экстру­дерами, воспринимаются упорными подшипниками, диаметраль­ные размеры которых ограничиваются мсжосевым расстоянием между шнеками.

Упорные подшипники, смонтированные на двухшнековых машинах в пределах межосевых расстояний, могут иметь пони­женную долговечность по сравнению с одно шнековым и экстру­дерами. Поэтому для двухшнековых экструдеров разрабатывают­ся специальные конструкции упорных подшипников. 13 этих эк­струдерах точно так же, как и в одношисковых, применяются консолыю закрепленные шнеки.

На рис. 3.2 представлены различные варианты конструктивно­го исполнения опорных узлов двухшнековых экструдеров.

На рис. 3.2, а представлена конструкция подшипникового узла двухшнекового экструдера с одним укороченным шнеком.

Шнеки / (укороченный) и 2(удлиненный) соединяются с приход­ным н штамп 7и 13шлицевыми втулочными муфтами 2 и 15. Осе - ные усилия со шнеков передаются на приводные валы через зака - 1снныс сферические упоры 16, установленные с торнов шнеков и приводных валов. Приводные валы 7 и 13 выполнены двухопор­ными. Опоры валов смешены одна относительно другой вдоль осевой линии с целью установки подшипников возможно болыие - I о диаметра.

Радиальными опорами вала 7являются два роликоподшипни­ка 6 и конический роликоподшипник 8, а вала 13 — роликопод­шипник 14и конический роликоподшипник 12. Осевые нагрузки, передаваемые шнеками на валы, воспринимаются, соответствен но, упорным подшипником 9 с коническими роликами и упор­ным роликоподшипником II. Подшипники смонтированы в разъемном корпусе 5, а задняя опора вала 7 — в приставном кор­пусе 10, что обеспечивает возможность применения крупногаба­ритных подшипников, так как осевые усилия, развиваемые рабо­чим шнеком 2, значительно превосходят осевые усилия, развивае­мые укороченным шнеком /.

Установка конического роликоподшипника 8 совместно с упорным подшипником Рна промежуточной втулке обеспечивает жесткое закрепление вала и, соответственно, шнека в осевом на­правлении. Зашита подшипников от воздействия окружающей среды обеспечивается манжетами 4, установленными на выходных концах валов. Вращение удлиненного шнека 2 и вала 7осуществ­ляется через зубчатую муфту (на рис. 3.2, а не показана), установ­ленную на правом шлицевом конце этого вала, от редуктора, а вращение укороченного шнека / — при помощи зубчатых колес, изготовленных за одно целое с валами 7 и 13.

На рис. 3.2, в показан подшипниковый узел несколько иной конструкции. Шнеки (на рис. 3.2, б не показаны) вращаются в разные стороны, при бесступенчатом регулировании частоты их вращения, с помошью электродвигателя постоянного тока. Пере­дние опоры приводных валов шнеков 3 и 7 смонтированы друг против друга и состоят из двух игольчатых подшипников 2 в каж-

юй опоре, а задние опоры сметены одна относительно другой. Радиальные нагрузки в задней опоре воспринимаются ролико­подшипниками 4 и 8, а осевые — упорно-радиальным подшип­ником 5. Уплотнение опор производится резиновыми манжета­ми /. Шнеки соединяются с валами 3 и 7 шлицевыми втулками (на рис. 3.2, 6 не показаны), одеваемыми на левые шлицевые концы указанных валов. Привод шнеков осуществляется двух­рядной цепью через звездочку 6, установленную на удлиненном валу 3, и при помощи зубчатых колес, выполненных за одно це - юе с валами 3 и 7. Свободный правый конец вала 3 опирается на подшипник, установленный в специальном корпусе (на рис. 3.2, б не показан).

На рис. 3.2, в показан подшипниковый узел, где у порно-ради - альные подшипники заменены на упорные подшипники с кони­ческими роликами.

Различие в принципах работы двух - и одношнековых экструде­ров связано с разными механизмами создания давления в перера­батываемом материале.

Если у одношнскового экструдера давление развивается благо­даря вязкому течению, вызванному относительным движением шнека и цилиндра, то у двухшнсковых экструдеров к указанному фактору добавляется выжимающее действие витков сопряженного шнека. У одношнсковых экструдеров способность к развитию дав­ления определяется глубиной винтового канала (точнее /г3), в то время как у двухшнсковых экструдеров — геометрической степе­нью замкнутости винтового канала (степенью сжатия) 111, опреде­ляемой по формуле:

|дс е — ширима гребня шшктои нарезки; г — шаг нарезки винтового канала;» — число заходов винтовой нарезки.

Величина Ь, показывает, какая часть сечения канала перекрыва­ется, и характеризует принудительность транспортирования пере­рабатываемого материала к формующему инструменту экструдера и способность шнеков развивать давление.

Теория двухшнековых экструдеров только в последние 20—25 лет вышла за рамки элементарных представлений, несмотря на то, что труды, посвященные анализу их работы, стали появляться уже в 50-е годы прошлого века |2|.

Все публикации, посвященные этой теме, можно условно раз­делить на три группы.

К первой фуппе относятся работы, в которых описываются конструкции двухшнсковых экструдеров и их особенности, основ­ные узлы и детали [2—15).

Во вторую группу можно включить публикации, в которых ана­лизируется процесс переработки каких-либо конкретных материа­
лов и факторы, влияющие на проведение процесса (геометричес­кие параметры шнеков и скорости их вращения, теплофизичсскис свойства материалов и состав исходной смеси, влияние давления и температуры на качество готового продукта и т. д.) 116—221.

К третьей группе относятся работы, в которых в большей или меньшей степени сделаны попытки теоретически рассмотреть те­чение перерабатываемого материала в двухшнековых экструдерах 11,6, 16, 23—27|. Однако в работах третьей группы анализ прохо­дящих в двухшнековых экструдерах процессов не учитывает ре­альную картину течения как в самих винтовых каналах, так и в за­зорах зацепления шнеков.

У двухшнековых экструдеров основными рабочими органами являются два шнека, которые могупг вращаться как в одну, так и в разные стороны.

При вращении в одну сторону направление винтовой нарезки обоих шнеков совпадает (рис. 3.3, и, г, е), в случае встречного вра­щения оно различно (рис. 3.3, а, в, д).

В зависимости от назначения и конструкции шнеки двухшнско­вых экструдеров могут не зацепляться друг с другом (рис. 3.3, а, б) или находиться в зацеплении (рис. 3.3, в—е). В первом случае двухшнековые экструдеры работают как два одношнековых экст­рудера, но при этом за счет массообмена между двумя шнеками будет обеспечено хорошее смешение исходных компонентов.

В случае зацепляющихся шнеков для лучшего смешения пре­дусматривается наличие зазоров зацепления (рис. 3.3, в, г), но при этом будет наблюдаться меньшая производительность экст­рудера за счет потоков утечек через боковые зазоры и ради­альные зазоры зацепления. Шнеки с плотным зацеплени­ем (рис. 3.3, д, с) обеспечивают высокую производительность и хорошую самоочистку. Но при этом следует учесть, что изго­товление шнеков с плотным за­цеплением обходится дороже, чем два других варианта.

На рис. 3.4 представлены конструктивные схемы различ­ных шнеков, предназначенных для переработки разных поли­меров. Шнеки первого типа (рис. 3.4, а) имеют три зоны с различным шагом винтовой на­резки. Они хорошо зарекомен-

Рис. 3.3. Схемы со.,ряжения шнеко. Довали себя при переработке

лвухшнскового экструдера термочувствительных материа­

лов и обеспечивают хорошее смешение. Шнеки второго типа (рис. 3.4, в) в зоне вылавлива­ния имеют меньший шаг вин­товой нарезки, что обеспечива­ет необходимую степень сжатия шнеков И шнеках третьего типа (рис. 3.4, в) степень сжа­тия обеспечивается увеличени­ем ширины гребня винтового канала. В шнеках четвертого и пятого типов, представленных на рис. 3.4, г, д, необходимая степень сжатия достигается за счет уменьшения глубины вин­товою канала.

В зависимости от назначе­ния экструдеры Mojyr осна­щаться одним из следующих типов шнеков [ 16]:

1) с малой или нулевой сте­пенью сжатия; в основном их применяют для смешения мате­риалов при относительно низ­ких температурах, а также для переработки полимеров, чув­ствительных к перегреву;

2) со степенью сжатия 1:1,5; обычно их используют для смеше­ния и переработки в изделия широкой номенклатуры термоплас­тов;

3) со степенью сжатия 1:2; они, как правило, применяются для смешения композиций с тщательным распределением добавок в смеси.

В двухшнсковых экструдерах с зацепляющимися шнеками вин­товые каналы разбиты витками сопряженных шнеков на отдель­ные С-образные секции (рис. 3.5), заполненные расплавом поли­мера.

За счет выжимающего действия витков сопряженного шнека перерабатываемый материал, который занимает полости объемом V и V2 (см. рис. 3.5), образованные боковыми поверхностями вит­ков и цилиндрическими поверхностями сердечника шнека и охва­тывающего цилиндра, последовательно двумя рядами движется к формующему инструменту. При неизменной геометрии винтового канала (как правило, это справедливо для зоны выдавливания) ха­рактер поведения вязкой жидкости в каждой С-образной секции будет идентичным. Поэтому основным элементом при анализе ра­боты двухшнекового экструдера является отдельная С-образная

i. w. h — шаг. ширина и глубина шиповых каналов; 6„ боковые и межвалковыс зазоры зацепления шнеков; <о — угловая скорость вращения шнеков; У и Pi — обьсмы С-образных секний винтовых камазов шнеков

секция. В зоне сопряжения витков с сердечником шпека возника­ет интенсивная циркуляция перерабатываемого материала, благо­приятно сказывающаяся на процессе смешения и лвухшнековых экструдерах.

Для иллюстрации механизма работы 3. Добонки |16| предло­жил модель двухшнекового экструдера (рис. 3.6, а, б). Как при встречном (рис. 3.6, а), так и при одностороннем (рис. 3.6, б) вра­щении автор указанной работы предложил плоскую модель двух­шнековою экструдера, при которой гребни винтового канала / обкатывают винтовой канал 3, образованный стенкой цилиндра 2 и сердечником шнека 4. При этом расплав полимера А выдавлива­ется к формующему инструменту.

За счет относительного движения поверхностей шнеков в зоне их сопряжения как при встречном (рис. 3.7, а), так и при односто­роннем их вращении (рис. 3.7, б) возникает интенсивная циркуля­ция, благоприятно влияющая па процесс смешения. При этом че­рез боковые зазоры зацепления осуществляется массообмсн между соседними С-образными секциями.

Двухшнековыс экструдеры с вращением шнеков в одну и ту же сторону обеспечивают лучшее качество смешения, вследствие большой разницы относительных скоростей в зоне их сопряже-

ним, но имеют меньшую производительность при одинаковых геометрических размерах шнеков. Уменьшение производительно­сти объясняется худшими условиями захвата материала в зоне заг­рузочной воронки, так как один шнек препятствует захвату мате­риала другим шнеком.

Авторы некоторых исследований |2, 6, 281 исходят из предпо­ложения. что в случае полностью заполненных винтовых каналов шнеков за один их оборот выдавливаются две С-образные сек­ции. Такое упрощенное представление, естественно, приводит к значительному расхождению между расчетной и действительной производительностью двухшнсковых экструдеров. Однако в ре­альных машинах необходимость обеспечения геометрической совместимости шнеков предполагает наличие зазоров зацепле­ния 60 и б* между сердечником и поверхностью выступов нарезки

(So) и боковыми поверхностями стенок винтовых каналов (5Д) (см. рис. 3.5).

Наличие этих зазоров нарушает изолированность С-образных секций и приводит к развитию в продольном направлении винто­вого канала перетока перерабатываемого материла из одной С-об - разной секции в другую. Этот переток обусловлен, во-первых, за­тягивающим влиянием движущихся поверхностей сопряженных шнеков и, во-вторых, наличием в зоне зацепления градиента дав­ления, причинами возникновения которого являются выжимаю­щее действие витков второго шнека и сопротивление формующего инструмента.