Єдина Країна! Единая Страна!
Полипластик
RU   UA
     
Забули пароль? -->
Вхід         Реєстрація
Прайс-листи Акції Продукція Документація Філіали Про нас

Популярні статті

Опис методу екструзії пластичних мас

10 Березня 2006г.

Джерело: Журнал Полімер-Гроші

Екструзія
Екструзія - метод формувань в екструдері виробів або напівфабрикатів необмеженої довжини продавлюванням розплаву полімеру через формувальну голівку з каналами необхідного профілю. Для цього використовують шнекові, або черв'ячні екструдери. 

Виробництво різних видів виробів методом екструзії здійснюється шляхом підготовки розплаву в екструдері і додання екструдати тієї чи іншої форми за допомогою продавлювання його через формувальні головки відповідної конструкції з подальшими охолодженням, калібруванням і т.д.

Пристрій екструдера 
По пристрою і принципу роботи основного вузла, продавлювати розплав в голівку, екструдери поділяються на шнекові, бесшнекові і комбіновані. 

Основним обладнанням для переробки пластмас методом екструзії служать шнекові машини, називаємі також черв'ячними пресами. 

В окремих випадках переробки пластмас застосовуються бесшнекові, або дискові, екструдери, в яких робочим органом, що продавлює розплав в голівку, є диск особливої форми. Рушійна сила, що продавлює розплав, створюється в них за рахунок розвитку в розплаві нормальних напружень, спрямованих перпендикулярно дотичним (що збігається з напрямком обертання диска). Дискові екструдери застосовуються, коли необхідно отримати покращене змішання компонентів суміші. Через неможливість розвивати високий тиск формувань такі екструдери застосовуються для отримання виробів з відносно невисокими механічними характеристиками і невеликою точністю геометричних розмірів. 

Комбіновані екструдери мають в якості робочого органу пристрій, що поєднує шнекову і дискову частини, і називаються черв'ячно-дисковими. Застосовуються для забезпечення хорошого змішувального ефекту, особливо при переробці композитів. На них переробляються розплави пластмас, що мають низьку в'язкість і досить високу еластичність. 

Шнекові екструдери можуть бути різних типів: одно- і двошнекові; одно- та двоступеневі; універсальні та спеціалізовані; з осцилюючим (вздовж осі) і одночасно обертовим шнеком; із зоною дегазації і без неї; з обертанням шнеків в одну і в протилежні сторони, і т. п. 

Найбільш простим є одношнековий екструдер без зони дегазації (рис. 1). Основними елементами екструдера є циліндр, що обігрівається, шнек (з охолодженням або без нього), сітки, що розміщуються на решітці, і формуюча голівка. Залежно від природи полімеру, технологічних режимів переробки застосовуються шнеки різного профілю, зокрема з різним характером зміни глибини h нарізки по довжині шнека (рис. 2) .
Изображение

Рис. 1. Схема одношнекового екструдера: 1 - бункер; 2 - шнек; 3 - циліндр, 4 - порожнина для циркуляції води; 5 - нагрівач; 6 - решітка з сітками; 7 - формуюча голівка; /, / /, / / / - технологічні зони (пояснення в тексті).

Изображение

Рис. 2. Основні типи шнеків: а-шнек загального призначення з трьома (/, //, III) геометричними зонами; б-шнек для переробки висококрісталічних полімерів; в-шнек для екструзії ПВХ; D-зовнішній діаметр; L-довжина (технологічна) шнека; h-глибина нарізки шнека.

Залежно від виду виробу, що випускається застосовують або коротко-, або длінношнекові машини, тобто з малим або великим відношенням довжини L до діаметру D шнека (L/D) (рис. 2). Значення D і L/D є основними характеристиками одношнекового екструдера. Параметричний ряд вітчизняних екструдерів побудований за діаметрами шнека: D = 20; 32, 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 320 мм. У найменуванні типорозміру преса вказуються D і L/D. Наприклад, ЧП-45х20 означає наступне: ЧП-черв'ячний прес, D = 45 мм, L/D = 20.

Процеси, що відбуваються при екструзії 

Технологічний процес екструзії складається з послідовного переміщення матеріалу обертовим шнеком в його зонах (див. рис. 2): живлення (I), пластикации (II), дозування розплаву (III), а потім просування розплаву в каналах формуючої голівки. 
Ділення шнека на зони I-III здійснюється за технологічною ознакою і вказує на те, яку операцію в основному виконує данна ділянка шнека. Поділ шнека на зони умовно, оскільки залежить від природи полімеру, що переробляється, температурно-швидкісного режиму процесу та інших факторів початок і закінчення певних операцій можуть зміщуватися вздовж шнека, захоплюючи різні зони або переходячи з однієї ділянки в іншу. Циліндр також має певні довжини зон обігріву. Довжина цих зон визначається розташуванням нагрівачів на його поверхні і їх температурою. Межі зон шнека I-III і зон обігріву циліндра можуть не збігатися. Для забезпечення успішного переміщення матеріалу велике значення мають умови просування твердого матеріалу з завантажувального бункера і заповнення межвиткового простору, що знаходиться під воронкою бункера. 

Розглянемо поведінку матеріалу послідовно на кожному етапі екструзії. 

Завантаження сировини. Вихідна сировина для екструзії, що подається в бункер, може бути у вигляді порошку, гранул, стрічок. Останній вид сировини характерний для переробки відходів промислового виробництва плівок і здійснюється на спеціальних екструдерах, забезпечених примусовими живильниками-дозаторами, що встановлюються в бункерах. Рівномірне дозування матеріалу з бункера забезпечує гарну якість екструдата. 

Переробка полімеру у вигляді гранул-найкращий варіант живлення екструдера. Це пояснюється тим, що гранули полімеру менше схильні до "зависання", утворення пробок у бункері, ніж порошок. 

Порошкоподібний матеріал може злежуватися в процесі зберігання і транспортування, у тому числі і при проходженні через бункер. Гранульований матеріал на відміну від порошку має постійну насипну масу. Завантаження межвиткового простору під воронкою бункера відбувається на відрізку довжини шнека, рівному (1 - 1,5) D. При переробці багатокомпонентних матеріалів для завантаження їх в бункер застосовуються індивідуальні дозатори: шнекові (об'ємні), вібраційні, вагові та т.п. Якщо при застосуванні порошкоподібних матеріалів останні мають непостійну сипучість, то в бункерах утворюються "склепіння", зависачі на стінках бункера. Живлення шнека матеріалом припиняється. Для усунення цього необхідно в бункер поміщати ворушитель. Сипучість матеріалу залежить у великій мірі від вологості: чим більше вологість, тим менше сипучість. Тому матеріали повинні бути спочатку підсушені. 

Для збільшення продуктивності машини гранули можна попередньо підігріти. Застосовуючи пристосування для примусової подачі матеріалу з бункера на шнек, також вдається істотно підвищити продуктивність машини (в 3-4 рази). При ущільненні матеріалу в межвитковому просторі шнека витиснене повітря виходить назад через бункер. Якщо видалення повітря буде неповним, то він залишиться в розплаві і після формування утворить у виробі порожнини. Це є браком виробів. 

Зміна рівня заповнення бункера матеріалом по висоті також впливає на повноту заповнення шнека. Тому бункер забезпечений спеціальними автоматичними рівнемірами, по команді яких відбувається завантаження бункера матеріалом до потрібного рівня. Завантаження бункера екструдера здійснюється за допомогою пневмотранспорту. 

Живлення шнека залежить від форми частинок сировини і їх щільності. Гранули, отримані різкою заготовки на гарячій решітці гранулятора, не мають гострих кутів і ребер, що сприяє їх кращій сипучості. Гранули, отримані холодної рубкою прутка-заготовки, мають гострі кути, плоский перетин зрізу, що сприяє їх зчепленню і, як наслідок, гіршій сипучості. При тривалій роботі екструдера можливий перегрів циліндра під воронкою бункера і самого бункера. У цьому випадку гранули почнуть злипатися і припиниться їх подача на шнек. Для запобігання перегріву цій частині циліндра в ньому робляться порожнини для циркуляції охолоджуючої води (див. рис. 1, поз. 4). 

Зона живлення(I).
Поступаючі з бункера гранули заповнюють межвитковий простір шнека зони (I) і ущільнюються. Ущільнення і стиснення гранул в зоні (I) відбувається, як правило, за рахунок зменшення глибини нарізки h шнека. Просування гранул здійснюється внаслідок різниці значень сили тертя полімеру об внутрішню поверхню корпусу циліндра і об поверхню шнека. Оскільки поверхня контакту полімеру з поверхнею шнека більше, ніж з поверхнею циліндра, необхідно зменшити коефіцієнт тертя полімеру об шнек, тому що в іншому випадку матеріал перестане рухатися уздовж осі шнека, а почне обертатися разом з ним. Це досягається підвищенням температури стінки циліндра (нагріванням) і зниженням температури шнека (охолодженням водою в зоні I). У зоні (I) внаслідок великого зовнішнього і внутрішнього тертя виділяється тепло, яке також витрачається на нагрівання матеріалу. У цю ж зону подається тепло від нагрівачів, розташованих по периметру циліндра. Іноді кількість тепла, що виділяється при внутрішньому терті може бути достатнім для плавлення полімеру, і тоді нагрівачі відключають. Цей режим називається адіабатичним. У переважній більшості випадків процеси за цим принципом не будуються. Якщо температура циліндра така, що починається передчасне плавлення полімеру його стінки, то матеріал буде прослизати по цій поверхні, тобто обертатися разом зі шнеком. Поступальний рух матеріалу припиняється. При оптимальній температурі полімер спресований, ущільнений і утворює в межвитковому просторі твердий корок. Найкраще, якщо така змінна пробка утворюється і зберігається на кордоні зон I і II. Властивості корока багато в чому визначають продуктивність машини, стабільність транспортування полімеру, величину максимального тиску і т.д.

Зі збільшенням частоти обертання шнека продуктивність екструдера повинна зростати відповідно до рівняння. 

Q = arnN, (1) 

де Q-продуктивність машини; r-щільність полімеру; n-обсяг нарізки одного витка шнека; N-частота обертання шнека; a-коефіцієнт заповнення шнека (0,15-0,50). 

Однак точність розрахунку Q по даному рівнянню визначається правильним вибором величини а, яка залежить від форми і розмірів частинок вихідного полімеру (гранули, порошок) і способу заповнення ним межвиткового простору. 

Зона пластикации і плавлення (II). 
На початку зони II відбувається підплавлення полімеру, що примикає до поверхні циліндра. Розплав поступово накопичується і впливає на убуваючу по ширині пробку (рис. 3). Оскільки глибина нарізки шнека зменшується по мірі просування матеріалу від зони I до зони III, то виникаючий тиск змушує пробку щільно притискатися до гарячої стінки циліндра, де і відбувається плавлення полімеру.
Изображение

Рис. 3. Схема плавлення пробки матеріалу в зоні II у межвиткового перерізі шнека: 1 - стінки циліндра; 2-гребінь шнека; 3 - потоки розплаву полімеру; 4 - спресований твердий полімер (пробка) в екструдері. 

У зоні пластикації пробка плавиться також і під дією тепла, що виділяється внаслідок внутрішнього, в'язкого тертя в матеріалі в тонкому шарі розплаву (поз. 3 на рис. 3), де відбуваються інтенсивні зсувні деформації, - матеріал пластикується. Остання обставина призводить до вираженого змішувального ефекту. Розплав інтенсивно гомогенізується, а складові композиційного матеріалу перемішуються. 

Кінець зони II характеризується розпадом пробки на окремі фрагменти. Далі розплав полімеру із залишками твердих частинок потрапляє в зону дозування. Глибина нарізки шнека, що зменшується створює тиск, який необхідно для продавлення розплаву через фільтруючі сітки, подаваюси його в голівку, ущільнення і в підсумку - для виходу сформованного виробу. 

Основний підйом тиску P розплаву відбувається на кордоні зон I і II. На цьому кордоні утворюється пробка з спресованого матеріалу, що як би ковзає по шнеку: у зоні I це твердий матеріал, в зоні II - той що плавиться. Наявність цієї пробки і створює основний внесок у підвищення тиску розплаву. Запасений на виході з циліндра тиск витрачається на подолання опору сіток, течії розплаву в каналах голівки і формування виробів. 

Зона дозування (III). 
Просування гетерогенного матеріалу (розплав, частинки твердого полімеру) продовжує супроводжуватися виділенням внутрішнього тепла, яке є результатом інтенсивних зсувних деформацій у полімері. Розплавлена маса продовжує гомогенізовуватися, що проявляється в остаточному плавленні залишків твердого полімеру, усередненні в'язкості і температури розплавленої частини. У межвитковому просторі розплав має ряд потоків, основними з яких є подовжній і циркуляційний. Величина поздовжнього (уздовж осі шнека) потоку визначає продуктивність екструдера Q, а циркуляційного - якість гомогенності полімеру або змішування компонентів. У свою чергу поздовжній потік складається з трьох потоків розплаву: прямого, зворотного і потоку витоків.

Изображение


На рис. 4 показані епюри розподілу швидкостей прямого (а), зворотного (б) і результуючого (в) потоків розплаву в межвиткового просторі шнека.

Відстань між рухомою (шнек) і нерухомою (циліндр) поверхнями.

Якби не було опорів потоку (наприклад, за відсутності сіток і головки), то розподіл швидкостей V результуючого потоку відбився б рис. 4, а, у поверхні шнека V = max, у нерухомій поверхні циліндра V = 0. Це мало б місце в разі відсутності опору плину розплаву. При наявності сіток, оснастки, тертя об поверхню циліндра і шнека створюється зворотний потік, або протитечія (рис. 4, б). Результуючий потік, зображений на рис. 4, б, являє собою складення епюр, наведених на рис. 4, а і б. За відсутності опору розплаву (знята голівка, сітки) тиск P трохи більше атмосферного; при максимальному опорі (заглушка замість голівки) P максимальний, а величини прямого і зворотного потоків рівні. Частина матеріалу перетікає в напрямку протитоку в зазор між гребенем шнека і поверхнею циліндра. Таким чином, продуктивність Q екструдера з урахуванням розподілу швидкостей різних потоків становить 

Q = Qa - Qb - Qg (2) 

де Qa, Qb, Qg-продуктивності екструдера від прямого потоку, протитоку і витоків розплаву відповідно. У свою чергу, Qa, Qb, Qg залежать від параметрів технології та екструдера: 

Q = aN - (b + g) P/h (3) 

де N-частота обертання шнека; P-тиск на виході зі шнека (в кінці зони III); h-середня в'язкість розплаву; - постійні коефіцієнти, які залежать від геометричних параметрів шнека. 

a = p2D2h sin j cos j/2, b = pDh3sin 2j/(12L); g = p2D2d3tg j (10Le), 

тут D-діаметр, L-довжина, h-глибина нарізки; j-кут підйому гвинтової лінії шнека; d-зазор між гребенем і поверхнею циліндра; е-ширина гребеня шнека. 

[JUSTIFY] Графічне зображення аналітичної залежності (3) представлено на рис. 5 прямими 1 і 2. З малюнка випливає, що за відсутності опорів течією розплаву (Р = 0) екструдер працює як гвинтовий насос з максимальною продуктивністю Q. Якщо на виході з екструдера стоїть заглушка, тобто aN = (b+g)P/h то в ньому розвивається максимальний тиск Р, а Q = 0.
Изображение

Рис. 5. Залежність продуктивності Q від тиску Р розплаву на виході з екструдера: 1, 2 - характеристики шнека: 3 - характеристика голівки; а і б - робочі точки 


Аналізуючи рівняння (3) і значення коефіцієнтів a, b, g можна простежити вплив геометричних параметрів шнека і властивостей розплаву полімеру на продуктивність Q і характер зміни Q від Р, тобто кут нахилу прямих 1 і 2 на рис. 5. Останнє має важливе практичне значення. При невеликому коливанні DP (див. рис. 5), яке може виникнути при практичній роботі, останнім позначається на величині коливання DQ1 або DQ2. Чим більше DQ, тим більше пульсація розплаву, тобто більше нерівномірність у часі швидкості і виходу розплаву. Це позначається в першу чергу на різнотовщинності одержуваних виробів. Різнотовщинність тим більше, чим вище DQ. З рівняння (3) легко показати, що за інших рівних, умов у екструдерів з великим L/D коливання DQ, тобто пульсація, менше, ніж у екструдерів з меншим L/D. При рівності D перший тип екструдера називається длінношнековим, другий-короткошнековим. Крім того, збільшення L сприяє отриманню розплаву більш гомогенного, так як час впливу на нього шнека більше, ніж у короткошнекових екструдерах. Вироби, одержувані з гомогенного розплаву, володіють кращими властивостями. Короткошнекові екструдери мають L/D = 12-18, длінношнекові L/D>30. Найбільш поширені екструдери з L/D = 20-25. 

Перебіг розплаву через сітки і формуюче оснащення. Розплав обертовим шнеком продавлюється через грати, до яких притиснуті металеві сітки. Сітки фільтрують, гомогенізують і створюють опір руху розплаву, на них втрачається частина тиску. Проходячи через систему фільтруючих сіток, порції полімерного розплаву з більшою в'язкістю затримуються на сітках. Цього часу має вистачити для того, щоб порція розплаву досягла потрібної температури. Надвисокомолекулярныі фракції полімеру і різні домішки затримуються сітками і через деякий час вони разом з сіткою видаляються з циліндра екструдера. Після проходження сіток гомогенізований розплав під залишковим тиском (Р = 5,0-35 МПа) продавлюється в формуюче устаткування і, набуваючи певний профіль, виходить практично під дуже невеликим надлишковим тиском з фільєрної частини голівки. Крива 3 на рис. 5 показує залежність Q від Р. Кількість розплаву Qгол, що виходить через головку, можна представити таким співвідношенням:
 
Qгол = К DP/h, (4) 

де DP = P - Рвиx - перепад тиску в голівці (тут P - тиск на вході в голівку - кінець зони III, Рвиx - тиск на виході з голівки); h-в'язкість розплаву в голівці; К-постійна, що характеризує опір течії розплаву в каналах і формуючої частини головки. 

Якщо в голівці є тільки один циліндричний канал, наприклад для виготовлення прутка, то

К = pRн4/(8lф),  

а рівняння (4) перетворюється на відоме рівняння Пуазейля. Для голівки з плоскою формуючої щілиною = wdщ / (12lф), з кільцевою 

К = p (Rн+Rв) (Rн-Rв) 3/(12lф)

де Rн-зовнішній радіус щілини; Rв-внутрішній радіус щілини; w-ширина щілини; dщ-товщина щілини; lф-довжина плоскої формуючої частини щілини.

Таким чином, з трьох основних форм перетинів голівок можна розрахувати К голівки, що складається з їх поєднань.

Для отримання якісних виробів необхідно, щоб заключний відрізок шляху розплав переміщався деякий час при постійній довжині lф і товщині dщ калібруємої формуючої частини (рис. 6). У цьому випадку відбувається найбільш повне вирівнювання швидкостей руху розплаву, проходять релаксаційні процеси, ліквідується пульсація і т.д. Чим довше lф (більше lф/dщ), тим менше пульсація розплаву. Залежно від типу виробленого виробу і вимог до точності його розмірів значення lф/dщ, знаходяться в межах 20-60.
Изображение

Рис. 6.Схема листовальної голівки: D-ширина (діаметр) підвідного каналу від екструдера; w - ширина формуючої щілини; l0, l1-довжини шляху розплаву; lф - довжина плоскої формуючої частини щілини; dщ-товщина формуючої щілини 

Робота екструдера у поєднанні з головкою

Оскільки екструдер працює разом з голівкою, то і продуктивність його знаходиться шляхом спільного вирішення рівнянь (3) і (4) або графічно (рис. 5) як точка перетину прямих 1 або 2 з прямою 3. Точки а і б перетину називаються робочими точками.

Спрощений аналітичний розрахунок Q машини з одним шнеком, що зменшується глибиною нарізки каналу шнека, з урахуванням сіток і голівки можна проводити за формулою 

Q = aKN/(a+b+g), (5) 

де Q - продуктивність, см3/хв; a+b+g-постійні прямого і зворотного потоків і потоку витоків, см3; К-постійна голівки, сіток, грат, см3Для різних головік К різна і розраховується за відповідними формулами загального вигляду: 

K = 1/S (1/Ki), (6) 

де Кi - коефіцієнт опору кожного з елементів голівки, сіток і грат.

Реальні залежності Q-P (див. рис. 5) не є прямолінійними. Зони екструдера, формуючого устаткування мають різний зовнішній обігрів, крім того, в залежності від інтенсивності обертання шнека в розплаві виділяється різна кількість тепла. Тому такі найважливіші характеристики, як в'язкість і щільність розплаву залежать від температури і не є строго постійними. Ці та інші чинники ведуть до відхилення залежностей (3) і (4) від прямолінійності. 
 
Основні параметри процесу екструзії
До технологічних параметрів належать температура переробки полімеру, тиск розплаву, температура зон головки і температурні режими охолодження сформованного екструдата. 
 
Основними технологічними характеристиками екструдера є L, D, L/D, швидкість обертання шнека N, геометричний профіль шнека ступінь зміни обсягу каналу шнека. 
 
Основною характеристикою формуючого устаткування (разом з фільтруючими сітками) є коефіцієнт опору плину розплаву K. Перепад тиску на фільтруючих сітках служить показником засмічення, тобто збільшення опору сіток і, отже, сигналом до їх заміни. 
 
Показником роботи екструдера є його ефективність-відношення продуктивності до споживаної потужності.
 
Джерело: Журнал Полімер-Гроші


Знайшли помилку? Виділіть мишкою текст, і натисніть Ctrl + Enter.
Знайшли помилку?
Виділіть мишкою текст, і натисніть Ctrl + Enter
Виділений текст
Коментар