Теория и практика экструзии полимеров

ПРИНЦИП РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИИ ДИСКОВЫХ И ДИСКОШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ

В последнее время (с 60-х голов XX столетия) в качестве смсси-

• Г'В’и и ласти каторов непрерывного действия стали применять •iii коиые экструдеры, впервые предложенные Максвеллом и « Н И юром I 11.

Принцип действия бесшнекового (дискового) экструдера Мак - III I i. i и Сксйлора основан на использовании упругости расплавов мп шмеров — свойства, существенным образом отличающею рас - м i. iiti. i и растворы полимеров от подавляющего большинства жид - ми icii. Это свойство, проявляющееся в упругом восстановлении фирмы, особенно наглядно продемонстрировано К. Вайссенбср - |им в его работе |2|, вследствие чего возникновение нормальных напряжений при деформации растворов и расплавов полимеров мп (учило название эффекта Вайссенберга. Сущность эффекта И иксенбсрга заключается в том, что при течении вязкоупругих «пакостей (растворов и расплавов полимеров) в условиях просто- |||« шига возникают не только касательные, но и нормальные на­пряжения, перпендикулярные плоскости сдвига.

На рис. 4.1 показаны формы поверхностей ньютоновской и и I «коупругой (неньютоновской) жидкостей в ротационном при - impc. Ротором прибора служит внешний цилиндр. Из рис. 4.1, а м ню, что при отсутствии статора поверхность ньютоновских м неньютоновских жидкостей во вращающемся цилиндре при - пирегает форму параболоида вращения в соответствии с зако­нами классической гидродинамики. Ту же форму стремится принять поверхность ньютоновских жидкостей и при наличии

• i. i гора.

Иначе обстоит дело в случае не ньютоновской жидкости. Воп­реки законам классической гидродинамики эти аномальные жид­ки-1 и поднимаются по стенкам внутреннего цилиндра, преодоле­ли! силы тяжести и центробежные силы (рис. 4.1, б, в). Если во пмреннем цилиндре имеется полость, аномальные жидкости миолняютее частично или полностью, в зависимости отскоро- III вращения. При работе прибора с аномальной жидкостью <рис. 4.1, е) пьезометры показывают нарастание давления по мере приближения к оси вращения. Если дисковый статор может пере-

Рис. 4.1. Формы поверхности ЖИДКОСТИ II тационных приборах при различных конец ниях и скоростях статора:

/ — жидкость Вайссснбсргл с конечной об| мой деформацией; // — жидкость Ньютона с o' малой обратимой деформацией. Скорость един / — нулевая: 2 — средняя; 3 — большая; 4| любая. Статор:

а — отсутствует; б — цилиндр; в — стержень / — открытая труба: d — закрытая снизу тр>< верстием: е — диск с пьезометрическими ip>< (пьезометрами); ж — диск

мешаться в вертикальном плоско] сти, то при вращении внешнего пн i линлра аномальная жидкость спГ собпа подмять диск на некого! высоту вместе с наложенным на н< грузом. В. Максвелл и А. Скей/к иллюстрируют эффект К. Вайссо берга несколько отличной схем< (рис. 4.2). В неподвижно закреплен ную чашу 4 введен вращающи! диск 5, укрепленный на валу 2. Вал - J * может вращаться и перемещал

вертикально в подшипниках 3. Если соответствующую жидкость поместить в чашу и вращать диск, жидкость втягивается в пространство между диском и дном непод­вижной чаши, заставляя диск подниматься (рис. 4.2, б). Силы, поднимающие диск, перпендикулярны плоскости сдвига и поэтс» му называются нормальными силами. Подъему ротора прспят ствуют заплечики на валу б, которые благодаря эффекту нормаль иых сил поднимаются к подшипнику 3 (рис. 4.2, в). Если в лив чаши просверлено отверстие, нормальные силы выдавливают ми териал по мере вращения диска.

X s *

в

Рис. 4.2. Иллюстрация эффекта Вайсссибсрга по Максвеллу и Сксйлору (1|:

а — диск не вращается; б — диск ирашастся и перемешается вверх; в — диск вращается, ми зафиксирован в вертикальном положении

I mi успешного применения эффекта ВаЙссенберга для экстру - ••1м расплавов полимеров необходимо разрешить следующие ВОП-

IMH М

I) и |учить, проявляют ли расплавы полимеров при сдвиговых »• формациях эффект нормальных сил (эффект ВаЙссенберга);

обеспечить непрерывный подвод перерабатываемого мате­ри. мм в юну сдвига.

На рис. 4.3 иллюстрируются различные конструктивные схе­мы Iисковых и шнекодисковых экструдеров. При этом рис. 4.3, а а I посгрирует предложенную Б. Максвеллом и А. Сксйлором 111 тик гейшую схему дискового экструдера, состоящего из врашаю- IIп пн я диска 2 и неподвижного диска /, размешенных в корпусе 3. Нсмочодимая температура переработки обеспечивается электро-

рсмагелями 4. Перерабатываемый материал подается из бун-

»> ра (на рисунке не показан) в загрузочную воронку А, откуда ими действием сил трения и спиральной траектории движения

(иол действием центробежных сил) втягивается в зону межлу иод вижным и неподвижным дисками, где нагревается и пластици стся, и выдавливается через формующий инструмент в виде го вого изделия заданного профиля.

Однако недостатками данной конструкции дискового экстру^] дера являются пульсация производительности и небольшое давлов ние, развиваемое на входе в формующий инструмент (до I Mll;i) Для ликвидации указанных недостатков стали применять пшс*| ковый дозатор 5 (рис. 4.3, б), который подает иерерабатывао*» мый материал из воронки А в зазор между вращающимся 2 и неподвижным У дисками, откуда пластицированный материал шнеком 6 выдавливается через формующий инструмент. II этом варианте днскошнскового экструдера шнек 6 выполняет роль винтового насоса, обеспечивающего необходимое давлс«| ние экструзии полимеров. При этом применяется шнек дойн рующего типа длиной не более (5:7)/). где D — диаметр шнеки

13,41.

На рис. 4.3, в представлена конструкция дискошнекового экст^ рудера, где применен только шнек 6 дозирующего типа, который выравнивает пульсацию производительности заборной дисковой части и обеспечивает высокое давление экструзии на входе в <|н>р - I муюший инструмент.

Оригинальная конструкция дискового экструдера со спираль-! ными канавками на поверхностях вращающегося диска 2 пред-1 ставлена на рис. 4.3, г. При этом правый и левый зазоры между неподвижным 3 и вращающимся 2 дисками сообщаются с помо-1 шью цилиндрических отверстий /У, через которые осуществляется массооб. мсн между указанными полостями.

На рис. 4.3, д представлен вариант конструктивного неполно* I ния с дисковым шнеком, когда на самом корпусе диска 2выпол-1 пена винтовая нагрузка, обеспечивающая при этом равномерную загрузку экструдера и необходимое давление экструзии. При этом длина нарезанной части диска не должна превышать (4+5)Д где D — диаметр шнека. Рекомендуется применять мно - I гоходовые винтовые нарезки.

Оптимальным считается вариант шнекодискового экструдера, представленный на рис. 4.3, е. Этот экструдер состоит из коротко I го шнека 6, выполняющего функцию транспортера гранул поли - 1 мера и генератора расплава, т. е. в отличие от традиционного шнс ка дозирующего типа в этом шнеке 6 можно обойтись без зоны до - I зирования. Гомогенизация расплава полимера осуществляется и правом и левом зазорах, образованных вращающимся вместе со шнеком 6 диском и неподвижным диском /.

В случае применения дисковых (рис. 4.3, а) или дискошнеко - I пых (рис. 4.3, б, а) экструдеров, когда перерабатываемый материал подается непосредственно в зазор между вращающимся 2 и непод - I вижным / дисками, необходимо предусмотреть в конструкции