Теория и практика экструзии полимеров

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОДНОШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ

Важнейшие конструктивные и рабочие элементы каждого од­ношнекового экструдера — привод, шнек с цилиндром и формую­щий инструмент — можно в известной степени рассматривать как
мускулы, сердце и голову машины. Кроме того, существенную роль играют, по крайней мере у обычных типов машин, внешний обогрев и охлаждение, а также соответствующие приспособления. В случае автогенных машин также не всегда можно обойтись без охлаждения.

Каждый из этих элементов в своей работе и во взаимодействии с другими элементами подчиняется определенным физическим *акономерностям, которые в связи с принятыми условиями рабо - 1Ы позволяют сделать выводы относительно конструкции и разме­ров соответствующих элементов. Однако исследование может иметь смысл только в том случае, если оно учитывает также физи­ко-технологические особенности перерабатываемых пластмасс. 11оскольку число экструдируемых термопластов очень велико и их гехнологические свойства весьма разнообразны, прежде всего воз­никает вопрос, возможно ли все эти материалы перерабатывать одним шнеком либо одним комплектом подобных шнеков (в смысле различной их величины) или для переработки каждого ма­к-риала или группы материалов требуется специальный шнек со - ответствуюшей конструкции.

Flo этому поводу можно сказать, исходя из современного уровня жепериментальных и теоретических знаний: надежда, что все тер­мопласты можно будет перерабатывать с помощью одного универ­сального шнека, притом перерабатывать рационально, т. е. с при­емлемой производительностью, не оправдалась. Очевидно, что фи - шко-тсхнологическое поведение всей совокупности термопластов (от полиамидов с очень низкой вязкостью расплава до нспласгифи - Iшpoeaiтого IIХВ с высокой структурной вязкостью) стишком раз­нообразно, чтобы можно было обеспечить качественную и одно* временно экономичную переработку их только варьированием ре­жима работы (числа оборотов, температуры, давления и т. п.).

В связи с этим возникает вопрос: как следует проектировать и использовать шнек для изготовления определенного изделия из определенного термопластичного материала? Ответ таков: соот­ветствующие данные получают частично с помощью эксперимен - ia и частично на основании теоретических соображений.

Необходимо отметить, что некоторые характеристики боль­шинства термопластов — такие как, например, вязкость, имеют оольшое значение для переработки этих материалов, — не явля­ются материальными константами в общепринятом смысле, так как кроме температуры зависят от соответствующего сопротив­ления сдвигу и частично от времени. Однако даже для тех термо­пластов, свойства которых более или менее постоянны, напри­мер для полиамидов, течение процессов в различных зонах изу­чено не настолько (особенно в зоне пластикации и частично в el ФУ зоч ной зоне), чтобы имеющиеся сведения могли быть ис­пользованы в качестве основы для проектирования соответствую­щих шнеков. Поэтому неудивительно, что один и тот же материал перерабатывается с одинаково хорошим результатом при исполь­зовании различных шнеков, параметры которых при одинаковом диаметре не совпадают даже приблизительно.

Если имеется шнек, который оправдал себя в определенных ус­ловиях производственной переработки конкретного термоплас­тичного материала или группы термопластов, может быть постав­лена задача определения (исходя из этого шнека-модели диамет­ром Dq) данных для конструирования и использования шнеков меньших и больших диаметров D применительно к переработке таких же или аналогичных материалов в соответствующие изде­лия.

Необходимость в использовании определенных закономерно­стей, особенно для проектирования больших шнековых экстру­деров, легко объяснима. Крупные экструдеры выпускаются, ко­нечно, не в таком количестве, как экструдеры среднего и малого типов; для их конструирования и изготовления имеется относи­тельно немного экспериментальных данных, которые в большин­стве случаев могут быть применены с рядом весьма разнообразных допущений. С другой стороны, именно при больших диаметрах шнека, примерно свыше 120 мм, неправильное проектирование (например, шнека диаметром 200 мм и длиной 201) = 4 м) приво­дит к значительным материальным убыткам. Первые попытки вы­ведения законов подобия одношнсковых прессов содержатся в ра­ботах 1952—1953 годов. Однако эти попытки лишь частично удов­летворяли требованиям и возможностям практики.

Исходя из исследования термодинамических процессов, осо­бенно проблем преобразования энергии и теплопередачи, Г. Шен­келем 1201 была приведена достаточно полная система законов моделирования для проектирования и использования одношнеко­вых прессов при переработке пластмасс, которая охватывала всю область возможных способов работы между чисто теплопроводно - конвекционным и чисто адиабатическим режимами |1, 5|.

Очевидно, что множество имеющих значение факторов и пара­метров, а также требование возможно большей экономичности производства машин вызывают необходимость известных ограни­чивающих предпосылок и установления определенных основных пропорций, прежде всего в проектировании шнеков. При этом ус­тановлено, что для надежного, экономичного и универсального проекта крайние значения параметров подходят меньше, чем оп­ределенные средние их значения. Это относится как к длинам и числам оборотов шнеков, так и к способу нагрева пластмассового сырья до необходимой для переработки температуры.

В связи с этим в последующем изложении мы ограничимся оп­равдавшими себя на практике длинами шнека L = (15+25)/), при­чем примем постоянным шаг винтовой нарезки по всей длине шнека. Глубина нарезки входной и средней зон длиной /.] = CD (порядка от 2/3 до 3/4 Ц должна иметь постоянную величину к\

глубина нарезки выдавливающей зоны длиной /.2 = С2/)|пример­но от 1/4 ло /ЪЦ должна быть также постоянной, но иметь вели­чину /»2. Мри этом Л[ > /»2, и в случае h > h2 переход от одного уча­стка к другому должен быть относительно коротким (от 0,5 до 1,00).

Таким образом, речь идет о так называемом ступенчатом шнеке (рис. 2.35).

Конечно, необходимо также указать определенные условия ра­боты. Особо важную роль при этом играет способ нагрева матери­ала между началом и конном шнека. Как будет показано ниже, в зависимости от примененного режима работы получаются неоди­наковые правила моделирования как для режимных параметров, гак и для размеров шнеков.