Особенности переработки экструзией

Основной рабочий орган экструдера — червяк (шнек). Производительность и назначение экструдера зависит от диаметра червяка, отношения его длины к диаметру (L/D), скорости вращения червяка, а также его геометрических особенностей, к которым относятся: зонность, глубина канала по зонам, шаг и направление винтовой линии, а также коэффициент сжатия, являющийся отношением объема одного витка винтового канала в зоне загрузки к объему одного витка в зоне дозирования.

В зависимости от экструдируемого материала и частично от вида и назначения изделий изготовляют однозаходные и многозаходные червяки с постоянным и переменным шагом, с постоянной и переменной глубиной канала.

Для переработки термопластов обычно применяются цилиндрические червяки с постоянным шагом и переменной глубиной винтового канала. Они сравнительно просты в изготовлении и обеспечивают высокую производительность. Диаметр червяков отечественных экструдеров регламентирован (ГОСТ 14773) и составляет размерный ряд - 20; 32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 320; 450; 630 мм. Чем больше диаметр червяка, тем выше производительность экструдера. Длина червяков L характеризуется ее отношением кдиаметру D. Это соотношение может изменяться в интервале 8-35. В наименовании типоразмера отечественного экструдера указывается D и L/D. Например, ЧП 90x25 означает: ЧП — червячный пресс с червяком диаметром D = 90 мм и длиной 25 D.

Степень сжатия обычно находится в интервале от 1,5:1 до 5:1. Для переработки полиолефинов и полиамидов применяют более высокие значения степени сжатия, а при производстве кабельных изделий и пленки, когда требуется повышенное давление экструзии, применяют более низкую степень сжатия.

Большое значение в работе экструдера имеет размер кольцевого зазора между гребнем червяка и внутренней поверхностью цилиндра. При увеличенном зазоре повышается эффективность смешения материала, но уменьшается подача материала из-за увеличения обратного потока материала.Не менее важным, чем диаметр и размер кольцевого зазора, является длина червяка или отношение L/D. Более короткие червяки рекомендуются при изготовлении труб, выдувных изделий, непрерывных профилей, листов. Длинные червяки следует применять в быстроходных экструзионных установках, предназначенных для получения пленок, волокон, гранул, покрытия бумаги и ткани пленкой, а также для дублирования пленок, и наложения полимерной изоляции на провода и кабели. В большинстве случаев червяк имеет постоянный шаг, равный диаметру.

Рис. V.2. Типичные конструкции червяков экструдеров и шприц-машин:

а — типичный червяк экструдера для переработки пластмасс с постоянным шагом и кониче­ским сердечником в зоне плавления (1 — зона питания, 2 — зона плавления, 3 — зона дози­рования, 4 — шаг червяка, 5 — глубина канала в зоне дозирования, 6 — диаметр червяка, 7 — глубина канала в зоне питания, 8 — угол подъема винтового канала; б — различные конструкции червяков экструдеров для переработки пластмасс (1 — червяк с постоянным шагом и ступенью сжатия, 2 — червяк с постоянным шагом и коническим сердечником — глубина канала плавно уменьшается, 3 — червяк с переменным шагом и постоянной глубиной канала, 4 — червяк с постоянным шагом и гладким смесительным наконечником, 5 — чер­вяк с уменьшающимся шагом и ребристым смесительным наконечником); в — типичные кон­струкции червяков шприц-машин.

Геометрическая форма червяка зависит главным образом от перерабатываемого материала. На рис. 8, а показан червяк с тремя зонами: зоной питания 1 с постоянной глубиной винтового канала длиной 15 D короткой зоной сжатия 2, длина которой составляет (0,5-1) D с переменной глубиной канала и зоной дозирования 3 длиной (4-5) D с постоянной глубиной нарезки. Червяк применяют главным образом для переработки полиамидов. Универсальный червяк с тремя четко выраженными зонами питания, сжатия и выдавливания, длина которых равна соответственно 8, 7, и 5 D, показан на рис. 8, б. На рис. 8, в показан червяк с короткой зоной питания (3 D), длинной зоной сжатия (12 D) и нормальной зоной выдавливания (5 D), применяемый при переработке полиолефинов. При переработке непластифицированного поливинилхлорида применяют червяк длиной 20 D с одной зоной постепенного сжатия, в начале которой осуществляется питание материалом, а в конце — выдавливание однородного пластицированного материала (рис. 8, г). Отсутствие резких переходов между зонами позволяет избежать термической деструкции материала.

Для переработки полиэтилена наиболее эффективно применение червяка с зоной питания длиной (9-10) D и короткой зоной сжатия на участке (0,5-0,75) D (рис. 8, д). Зона выдавливания длиной 13 D обеспечивает качественную гомогенизацию материала. При переработке полистирола некоторые фирмы применяют червяк с гладким, без винтовой нарезки, наконечником. Такой наконечник, называемый иногда торпедой, предназначен для дополнительной пластикации и гомогенизации материала в тонком слое.

Большинство червяков для одночервячных экструдеров являются одностадийными, у которых процесс пластикации и выдавливания материала осуществляется в одну стадию. Такие червяки могут состоять из трех зон (питания, сжатия и выдавливания), двух зон (питания-сжатия и выдавливания) или одной совмещенной зоны

Для дегазации и обезвоживания материала в процессе экструзии применяют обычно двухстадийные специальные червяки: с зоной декомпрессии и вакуумным отсосом в цилиндре (рис. 8, е), или с глубокой зоной декомпрессии и каналом в червяке (рис. 8, ж). На червяке имеются зоны: питания I, дозирования II, декомпрессии III, выдавливания IV. Между зонами питания и дозирования, а также зонами декомпрессии и нагнетания расположены короткие зоны сжатия V. Для предотвращения чрезмерного повышения давления на гребне винтовой линии двух-трех последних витков зоны питания иногда фрезеруют пазы 5 шириной 10-13 мм. Эти пазы также уменьшают пульсацию материала в процессе экструзии. В конце зоны декомпрессии (или вакуумной зоны) имеется отверстие 4 для удаления летучих из материала.

В связи со значительным увеличением объема винтовых каналов отверстие для вакуумного отсоса не забивается материалом. Степень декомпрессии, т. е. отношение объемов винтовых каналов на участке одного шага в зоне декомпрессии и в зоне выдавливания, обычно применяют в пределах 3-5. Более высокая степень декомпрессии рекомендуется для червяка, показанного на рис. 8, ж. Поскольку винтовой канал зоны декомпрессии не заполняется полностью материалом, представилась возможность с тыльной стороны гребня канала просверлить радиальное отверстие А, соединенное с продольным каналом Б, по которым удаляются летучие вещества в процессе экструзии.

Для интенсивного перемешивания, пластикации и гомогенизации материала, его окрашивания, а также смешивания отдельных компонентов применяют составные, комбинированные червяки, состоящие из нескольких участков с постоянной или переменной глубиной канала. Шаг и количество заходов на участках различны, причем отдельные участки имеют противоположное большинству участков направление винтовой линии.

Профиль резьбы червяка может быть прямоугольным или трапецеидальным, симметричным или асимметричным с различным углом наклона стенок (рис 6.4.). Чаще используется профиль трапецеидальный симметричный с углом наклона стенок 15-20 град.

Повышение производительности экструдеров достигается увеличением диаметра, длины и скорости вращения червяка. Одновременно с увеличением эффективной длины червяка обычно уменьшают глубину канала в зоне выдавливания.

Образованию фрикционного тепла способствует не только удлинение зоны выдавливания, но и охлаждение червяка, а также клапанные устройства в зоне выдавливания. Охлаждение червяка позволяет добиться такого же эффекта, как и при неглубоких каналах нарезки, но вызывает уменьшение производительности экструдера и увеличение удельной мощности привода. Увеличением длины зоны выдавливания и уменьшением глубины каналов удается устранить или значительно уменьшить пульсирующую подачу материала червяком.

Для получения качественных изделий методом экструзии материал необходимо полностью пластицировать до поступления в зону выдавливания. Для эффективного повышения качества экструдата при высокой производительности экструдер должен обеспечивать заданные температурные градиенты и изменение текучести материала по длине червяка и глубине винтового канала, а также химическую гомогенность материала.

Однако в обычных экструдерах частицы термопласта, соприкасающиеся с поверхностью червяка или цилиндра, нагреваются сильнее, чем удаленные от этих поверхностей частицы. Скорость сдвига и поглощаемая материалом энергия больше у стенок цилиндра, чем в удаленных местах. Термические и механические воздействия на материал изменяются в зависимости от его положения по длине червяка.

Для устранения указанных недостатков швейцарская фирма Meillefer разработала червяк новой конструкции. Червяк обеспечивает обязательное соприкосновение с поверхностью цилиндра и червяка всех частиц перерабатываемого материала. Поэтому повышается эффективность передачи тепла материалу, качество экструдата и производительность экструдера, устраняется необходимость охлаждения червяка, а также установки решеток и клапанов в конце дозирующей зоны для повышения гомогенности расплава за счет увеличения обратного потока материала.

Входной винтовой канал нарезки червяка 1 (рис. 9, а) начинается в точке А загрузочной воронки и кончается в точке В. Выходной винтовой канал начинается в точке С на ребре третьего или четвертого витка и заканчивается в головке 2 в точке D. Ширина входного канала постепенно и плавно уменьшается, в то время как ширина выходного канала постепенно увеличивается.

Таким образом, пластицированный во входном канале 4 (рис. 9, б) материал попадает через зазор Е в выходной канал 3. Поскольку через узкий зазор Е может проникать только хорошо пластицированный материал, через выходной канал транспортируется однородный расплав, без гелеобразных включений. По мере плавления во входном канале каждая частица подвергается одинаковому воздействию при прохождении через зазор Е.

При переработке рыхлых порошкообразных материалов с небольшой насыпной массой производительность экструдера резко уменьшается. Для таких материалов рекомендуется устройство, состоящее из конических червяка 4 (рис. 10, а) и загрузочной камеры 5. Материал, загружаемый через воронку 3, захватывается витками червяка 4, уплотняется и нагнетается к пластикационному червяку 1. Для облегчения подачи материала на входной конической части цилиндра нанесены продольные каналы 2.

Отделение зоны загрузки от остальных зон червяка для автономной регулировки пропускной способности этой зоны в зависимости от перерабатываемого материала обеспечивается устройством, состоящим из основного червяка 1 (рис. 10, б) и загрузочного червяка 7 увеличенного диаметра. Червяки имеют независимый привод. Полый червяк 7 расположен во втулке 8, между основным и загрузочным червяками установлено подпорное кольцо 6, выравнивающее количество подаваемого в первую зону пластикации материала. При необходимости профиль загрузочного червяка можно менять в зависимости от перерабатываемого материала.

Благодаря коническому сердечнику в зоне загрузки выравнивается температура материала и снижается максимальное давление в начале зоны выдавливания. Величина предварительного сжатия при этом должна составлять от 1,3:1 до 1,6:1.

Для переработки порошкообразных материалов на одночервячном экструдере применяется устройство, которое отличается тем, что на входе материала цилиндр 9 (рис. 10, в) вверху и с боков червяка 11 выполнен конусным и установлен шибер 10.

Конусность цилиндра на входе обеспечивает более эффективное уплотнение порошка в начале червяка, в то время как шибер препятствует выталкиванию порошка в зону загрузки. Шибером также регулируется степень заполнения червяка. Проведенные эксперименты показали, что на одночервячном экструдере с конусностью цилиндра и шибером можно получать при одном и том же червяке одинаковую производительность при переработке как порошкообразных, так и гранулированных материалов.

Основная часть порошкообразного полимерного сырья перерабатывается в двухчервячных экструдерах. Червяки могут быть зацепляющимися и незацепляющимися (рис. 6.10, а, б), вращаться в совпадающем (рис. 6.10, в) или встречном направлении, иметь правую или левую нарезку. Зацепление червяков может быть плотным или неплотным. Зазоры в зацеплении червяков δ_В и между червяками и цилиндром δ₀ (рис. 6.10, б) способствуют как обеспечению их геометрической совместимости, так и перетоку перерабатываемого материала между витковыми секциями. Производительность зоны питания двухчервячных экструдеров зависит от свободного объема между сопрягаемыми витками и от равномерности подачи материалов.

В современных двухчервячных экструдерах часто используются так называемые сегментальные червяки, состоящие из шлицевого сердечника, на который надеваются червячные втулки-сегменты. Эта конструкция позволяет гибко изменять характеристики нарезки по его длине за счет использования сегментов с различной геометрией винтового канала (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Сегментные конструкции червяков двухчервячных экструдеров