Теория и практика экструзии полимеров

МЕХАНИЗМ ПЛАВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРА В ОД HOI IIIIEM ЖОМ ЭКСТРУДЕРЕ

Основополагающей в экспериментальном изучении механизма и пиления в канале шнека является работа 1231. Многочисленные

1.1 (ьнейшие исследования (24—26| лишь детализировали ее глав­ные положения. В. Меддоком |23] было установлено два возмож­ных, принципиально различных режима пластикации: пленочный и блочный (рис. 2.25).

Пленочный режим исследован гораздо более подробно и широко «к-ношен во многих известных книгах |4—6), касающихся вопросов и хнологии экструзии. Существо пленочного режима заключается в следующем (рис. 2.25, а). Твердый уплотненный полимер (об­меть 4) по мере продвижения вдоль канала контактирует с горя­чен стенкой цилиндра 5 (стадия А), имеющей компоненту скорое - in поперек винтового канала шнека Vcxy плавится в месте контакта (область I) и, прилипая к стенке цилиндра 5, уносится ею к толка-

стенке 6 нарезки шнека, где и скапливается (область 2), об-

разуя «жидкое ядро-» и начиная циркулировать (стадия В). Твер­дый полимер в области J, контактируя с жидким ядром, также н мнится. Ширина жидкого ядра растет в направлении к выходу из | л нала шнека до тех пор, пока весь твердый полимер не распла­вится. На завершающих стадиях пленочный режим может нару­шаться вследствие того, что уже достаточно прогретый твердый полимер начинает разрушаться на довольно крупные агрегаты (куски) и поглощаться жидким ядром, вовлекаясь в циркуляцию.

Скорость плавления этих агрегатов при этом становится малой, и они, практически не подвергаясь деформированию (смешению), часто достигают выхода из канала шнека. Это одна из причин пло­хою качества смешения в пленочном режиме. Пленочный режим н пиления характерен для порошков и гранул термопластов с низ - • oii и средней вязкостью расплава, смачивающего металлическую нонерхность цил 111шра.

Блочный режим плавления схематически показан на рис. 2.25, б. I иердый полимер (область I), контактируя со стенкой цилиндра, i>.i 1мягчается, но не прилипает, а скользит по стенке цилиндра и но ному практически не деформируется.

а 5 V 2 Рис. 2.25. Механизм плавления по­

лимерии в одношнековом экструдере

Л

Подобное же явление наблюдается и у стенок шнека, однако размягчение идет с меньшей скоростью, так как относительная скорость скольжения и, следовательно, тепловыделение на повер­хности шнека меньше. Толщина области размягчения и уплотне­ния II и следующей за ней области перехода в вязкотекучее состо­яние III по мере транспортировки растет (стадии от В до /■). Поли­мер в зазоре между гребнем 7 шнека и цилиндром 5 испытывает воздействие гораздо больших напряжений, и поэтому при плавле­нии подвергается деформации сдвига (смешению), вытекая из за­зора и скапливаясь у пассивной (в отличие от пленочного режи­ма) стенки канала. Здесь образуется область IV минимально сме­шанного расплава, доля которой в сечении к моменту полного проплавления всего полимера мала. Скорость нагрева в блочном режиме гораздо ниже, чем в пленочном, так как практически отсутствуют конвективный теплообмен и диссипативные тепло­выделения. В связи с этим длина зоны плавления больше, и по-
ному более затруднен отвод к загрузочной воронке воздуха из юны И уплотняющегося полимера. Причина неудовлетворитель­ною смешения в этой зоне при блочном механизме плавления очевидна. Данный режим плавления имеет место при переработке но мистифицированного поливинилхлорида как в виде порошка, i;ik и в виде гранул. Детализация картины этого режима принадле­жи г авторам работы (25|.

В соответствии с различием причин плохого качества смеше­ния полимера с его расплавом в этих режимах меры по его улуч­шению также различны.

Для блочного режима усилия направлены на развитие дефор­мирования расплава. С этой целью применяют шнеки с эксцент­ричным сердечником или синусоидально изменяющимся его диа-

г

С

метром (цикличное изменение глубины канала), шнеки с преры­вистой нарезкой (рис. 2.26, а) или с участками обратной нарезки, торпеды с винтовыми каналами |25j и штыри (рис. 2.26, б, в). Эф­фективность этих элементов далеко не эквивалентна.

Для пленочного режима плавления полимера существует кон­цепция сохранения пленочного режима до конца плавления или принудительного отбора образовавшеюся расплава с фильтрацией нерасплавленных частиц. Этой концепции отвечают шнек с двумя нарезками винтового канала различного шага и различной высоты гребня (рис. 2.26, г) и устройства самой различной конструкции, фильтрующие расплав через малый зазор (рис. 2.26, д, е, ж, з). Од­нако исследования, проведенные автором работы |13|, показали, что для интенсификации процесса плавления пленочный ре­жим надо разрушать принудительно, причем еще задолго до его естественного вырождения. При этом считают, что погло­щение расплавом агломератов твердого полимера не замедля­ет, а ускоряет процесс их плавления и смешения. Для реализа­ции этого принципа предлагают конструкцию шнека, пока­занную на рис. 2.26. и 130. 31|.