Теория и практика экструзии полимеров

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОДНОШНЕКОВОГО ЭКСТРУДЕРА С ФОРМУЮЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ

Экструдеры любого типа оснащены формующим инструмен - юч для получения изделий определенной геометрии. Наличие формующего инструмента, определяющего в конечном итоге дав- гение в конце шнека (на входе в формующий инструмент), оказы­вает большое влияние на работу зон загрузки, плавления и дози­рования.

Фактическая производительность одношискового экструдера, снабженного конкретным формующим инструментом, определя­ется взаимодействием экструдера с формующим инструментом.

Пропускная способность формующего инструмента (произво - ппельность) равна:

(2.165)

I ю Q — объемный расход, см}/с; Aw — коэффициент геометрической формы (со - и|н»тиилення) формующего инструмента, см1; р — перепал давления в формую - шем инструменте; ч — эффективная вязкость расплава полимера в формующем инструменте.

С другой стороны, производительность одношнекового экстру - лера равна |см. уравнение (2.73)):

л Z) sinacosaf 1 — п 1/1 kD Ар. з • 2

(? =----------- —i---- 1---- ——-j-h sin a

2 12pfl L

Последнее уравнение можно переписать в следующем виде: л п2 D2 Mtsmacosa nDh* . ? Pi~ Р

Q= 2 n^SmaL~' <2|66>

• не pe - эффективная (кажущаяся) вязкость расплава полимера в винтовом канале | кл; р, - давление расплава полимера в начале зоны дозирования. р> - давле­ние расплава полимера в конце зоны дозирования; L - длина зоны дозирования (параллельно оси шнека).

Соответственно потоки в винтовом канале шнека выразятся так: прямой поток:

„ rc^Z^AVjsinacosa W) = 2 ’

ююк под давлением (обратный поток):

^ nZVi3sin2a />2 - Pi 12цд L ’

Выражения для прямого и обратного потоков показывают, что потоки по разному зависят от размеров шнека (D, h, a, L), рабочих режимов экструзии (N, р, р2) и эффективной вязкости расплава полимера р„.

Как видно, прямой поток Qp, не зависящий от величины (р2 — P)/L, растет с увеличением глубины винтового канала И и частоты вращения шнека N. Обратный поток Q(, (поток под давле­нием) пропорционален величине (р2 - P)/L и обратно пропорци­онален вязкости расплава ia.

Кроме того, поток Qp растет пропорционально третьей степени величины h (глубины канала), являющейся, таким образом, важ­нейшим геометрическим параметром шнека. При этом, однако, следует отметить, что удельное паление давления (р2 — P)/L, со своей стороны, также в большей или меньшей степени зависит от размеров шнека, числа его оборотов и вязкости расплава и, кроме того, от сопротивления, которое создает расплаву формующий инструмент [см. коэффициент Kw в уравнении (2.165)|.

Графики в координатах «-производительность — давление* на­зывают рабочими характеристиками экструдера и формующего инструмента.

Для экструдера такой график выражает зависимость произво­дительности от давления, развиваемого на конце шнека.

Рабочая характеристика шнека представляет собой прямую ли­нию [39| (рис. 2.37, а). При постоянной скорости вращения шнека производительность @ связана примерно линейной зависимостью с противодавлением р, развиваемым формующим инструментом. Точка пересечения кривой с ординатой дает производительность

(?тах ПРИ ОТСУТСТВИИ НрОЗ ИВОДЭВЛСНИЯ В форМуЮЩС. М ИНСТруМСНТС

(р = 0), а угод наклона зависит от глубины винтового канала. Если в зоне дозирования глубина винтового канала h{ — большая (на рис. 2.37, ah > h2 >Л3), то кривая имеет крутой наклон, т. е. шнек чувствителен к противодавлению; если же глубина канала неболь­шая (/i3), кривая имеет небольшой наклон. На угол наклона кри­вой оказывает влияние также и длина зоны дозирования шнека. Для шнеков с одинаковой глубиной нарезки, но с различной дли­ной зоны дозирования /ь 12, /3 (/| > 12 > /3) угол наклона к оси абс­цисс кривых, которые пересекают ось ординат в одной и той же точке, по мере увеличения длины зоны дозирования будет умень­шаться (рис. 2.37, б). Из сказанного следует, что шнек имеет так называемую жесткую характеристику. Охлаждение шнека оказы­вает на его рабочую характеристику такое же влияние, как и уменьшение глубины нарезки (рис. 2.37, в) (рабочие характерис­тики / получены без охлаждения шнеков, // — с охлаждением).

Повышение температуры расплава в зоне дозирования влия­ет на работу экструдеров так же, как и уменьшение длины зоны дозирования (рис. 2.37, г, цифры на кривых — температура рас­плава).

Мри увеличении частоты вращения шнека N его характерис - гика перемешается в сторону увеличения производительности (рис. 2.37, в, цифры на кривых — частота вращения шнека).

И тех же координатах «■производительность — давление» рабо­чая характеристика формующего инструмента, графически изоб­ражающая зависимость производительности от давления в голов­ке. представляет собой некоторую кривую, проходящую через на­чало координат (рис. 2.37, д). Кривизна этой кривой зависит от I идраэтического сопротивления формующего инструмента (кри­вая 1 - для малого сопротивления, 2- для большого сопротивле­ния. 3 — шнек с малой глубиной канала, 4 — с глубоким каналом).

Повышение температуры влияет на характеристику формую­щего инструмента так же, как увеличение его выходного диаметра; при этом наклон графика возрастает.

Пересечение рабочих характеристик шнека и формующего ин­струмента представляет собой рабочую точку. показывающую зна­чение производительности и развиваемого при этом давления на входе в экструзионную головку для конкретного сочетания шнека и инструмента при заданной скорости вращения шнека (рис. 2.37, б).

Изложенные выше некоторые другие зависимости, характер­ные для одношнскового экструдера, можно вывести непосред­ственно из уравнений (2.73) и (2.165), если принять, что давление в начале зоны дозирования равно давлению в зоне загрузки Ро, т. с. Pi — Р ~ Pi — Ро = Р - Прежде всего из уравнения (2.73) с учетом Pi — Ро = Р можно получить значения CW (Р = 0) и ртлх ((J = 0);

Л 7t2/>2/»yVsinacosa. /Л

Отах”0о---------- 2 ’ (2.167)

6тWaLDN

Ртах ~ 2, ' (2.168)

/rtga

Величина (?пт, определяемая уравнением (2.167), составляет всегда меньше 50 % той максимальной производительности шне­ка, которая могла бы иметь место, если бы движение материала происходило аналогично перемещению ходовой гайки по враща­ющемуся винту. Такая производительность рассчитывается для шнека с мелкой нарезкой (А < 0,ln/7lga) по уравнению 11J;

Q,, йм/*»п = *2 tg«- (2.169)

Отсюда отношение

dttr Н4 <2170>

которое в известном смысле можно рассматривать как объемный коэффициент полезного действия.

Для наиболее распространенных шнеков с шагом t = D (а = = 17°40') Стах/Огайка/винт имеет величину 0,465. Другими словами, объемный коэффициент полезного действия таких шнеков равен 46,5 %.

Значение уравнения (2.168) заключается в том, что оно позво­ляет рассчитать максимальное давление, которое может возник­нуть при работе с формующими инструментами, имеющими боль­шое сопротивление, и таким образом дает исходные данные для прочностного расчета размеров формующего инструмента (напри­мер, дорнодержателя) и деталей крепления головки к материал ь -

ному цилиндру одношнскового экструдера (откидных болтов, байонетных затворов и т. п.). Как следует из уравнения (2.168), максимальное давление пропорционально эффективной вязкости расплава ца, величине размеров шнека D и А, числу оборотов шне­ка А и обратно пропорционально квадрату глубины канала h и гангенсу угла подъема винтовой линии шнека а.

Исходя из уравнений (2.167) и (2.168) можно определить угол наклона линии характеристики шнека (см. рис. 2.37):

_<?max _*0/;3sin2a __

tgY*= = ——/—• (2.171)

Ртах «2 xaL

Аналогично из уравнения (2.165) при Др = р->- р ж р опре - (еляется наклон линии характеристики формующего инстру­мента:

Q/p = Kw/»a - (2-172)

Из соотношения (2.172) следует, что чем больше коэффициент геометрической формы головки Kw (меньше сопротивление голов­ки W = /Kw) и меньше вязкость расплава рв, тем круче характе­ристика формующего инструмента. Следовательно, вязкость рас­плава полимера оказывает одинаковое влияние на характеристику как шнека, так и формующего инструмента.