ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОЛИМЕРА В ШНЕКОВОМ ЭКСТРУДЕРЕ

Движение полимера в зоне загрузки

В зону загрузки (питания) полимер поступает из бункера машины в виде порошка, гранул или ленты, захватывается нарезкой шнека и перемещается вдоль цилиндра. Движение полимера, находящегося в твердом состоянии, обусловлено разностью крутящих моментов, возникающих от сил трения между поверхностью шнека и полимером и поверхностью цилиндра и полимером. При этом для перемещения полимера необходимо, чтобы крутящий момент от действия силы трения на поверхности цилиндра был больше, чем на поверхности шнека. Это условие обеспечивается, например, повышением температуры цилиндра по отношению к шнеку, в результате чего коэффициент трения на поверхности цилиндра становится больше. Как показано на рис. 4.1, а, вначале с ростом температуры коэффициент трения повышается до температуры плавления полимера, после чего появляется пристенное вязкое течение расплава и происходит уменьшение крутящего момента. Поэтому для достижения максимальной разности крутящих моментов в зависимости от сил трения температура поверхности цилиндра должна быть близкой к температуре плавления полимера, а температура шнека Тш на 30—40 °С ниже температуры поверхности цилиндра Т .

При правильно выбранном технологическом режиме стенки цилиндра задерживают вращение гранул полимера, которые шнеком перемещаются вдоль оси. По мере продвижения под действием возникающего давления гранулы уплотняются и в последующем перемещаются в виде твердого слоя (винтовой пробки) без пересыпания в канале шнека. Поскольку твердый слой частично проскальзывает относительно поверхности цилиндра и шнека, то движение его происходит по винтовой линии. Казалось бы, чем сильнее охлажден шнек, тем ниже коэффициент трения полимера на его поверхности, тем выше разность крутящих моментов и тем лучше происходит движение полимера. Однако при очень сильном охлаждении шнека замедляется процесс плавления и гомогенизация полимера в последующих зонах, а это вызывает снижение производительности и повышение удельной мощности (рис. 4.1, б).

Для нахождения оптимальной температуры шнека и цилиндра необходимо учитывать, что с изменением коэффициентов трения изменяется скорость плавления гранул. На величину коэффициентов трения влияет также чистота обработки поверхности шнека и цилиндра. Для того чтобы уменьшить силы трения между полимером и шнеком, поверхность последнего полируют до достижения 10-го или 12-го класса чистоты обработки, а поверхность внутри цилиндра должна иметь продольные риски и 8-й класс чистоты. В новых типах экструдеров для увеличения сил трения между полимером и цилиндром на внутренней поверхности цилиндра делают продольные или

Зависимость изменения коэффициента трения f(a), удельной мощности N и производительности Q (б) экструдера от температуры поверхности в зоне загрузки

Рис. 4.1. Зависимость изменения коэффициента трения f(a), удельной мощности N и производительности Q (б) экструдера от температуры поверхности в зоне загрузки:

7 — ПЭ н.пл.; 2 — ПЭ в.пл.

винтовые канавки (рис. 4.2). Это исключает скольжение полимера по поверхности цилиндра, способствует увеличению производительности машины и улучшает стабильность ее работы.

Экструдер с продольными канавками на внутренней поверхности цилиндра

Рис. 4.2. Экструдер с продольными канавками на внутренней поверхности цилиндра

Канавки выполняют таким образом, чтобы в них входила примерно половина диаметра гранулы. Втулка около бункера охлаждается водой, чтобы исключить оплавление гранул и их прилипание к поверхности загрузочного отверстия. В противном случае нарушается равномерная подача материала по каналам шнека. При переработке порошкообразного полимера или дробленых отходов появляется пульсация производительности, поэтому в бункере экструдера, чтобы исключить зависание материала, на входе в зону загрузки устанавливают ворошитель или дозирующее устройство. Используют отходы в экструзионном производстве только в гранулированном виде.

Рассмотрим закономерность движения полимера в зоне загрузки экструдера с радиусами цилиндра R3 и шнека Ry Шнек имеет одно- заходную нарезку с шагом винтовой линии t и углом подъема <р (рис. 4.3). При вращении шнека на внутренней цилиндрической поверхности шнека длиной R{dQ возникает сила трения

где р( — гидростатическое давление в канале шнека на расстоянии /; Kj коэффициент передачи давления на цилиндрическую поверхность шнека;/ш — коэффициент трения полимера о поверхность шнека; b — ширина канала шнека, b = (t-e) costp; е — ширина выступа нарезки шнека; 0 — угол поворота вокруг оси шнека.

Сила трения на поверхности шнека создает изменение крутящего момента на величину

Схема расположения векторов сил трения в винтовом канале шнека

Рис. 4.3. Схема расположения векторов сил трения в винтовом канале шнека

От трения на поверхности цилиндра возникает сила S , которая вызывает изменение крутящего момента на величину dMц:

где f — коэффициент трения полимера о поверхность цилиндра; w — угол между вектором скорости движения гранул и осью винтового канала шнека.

На отходящей и напорной боковых гранях нарезки шнека действует крутящий момент dMh, образующийся от сил трения S2, а также от силы Sn, которая равна нормальной составляющей силы S':

Крутящий момент от действия этих сил с учетом коэффициентов Кх и К2 равен

где Rcp средний радиус выступов нарезки шнека; К2 — коэффициент передачи давления на отходящей грани нарезки шнека; К{ — коэффициент передачи давления на отходящей грани, К = 2К2; h3 — глубина канала шнека в зоне загрузки.

Избыточное давление на стенки канала передается пропорционально их размерам и корректируется коэффициентом Кр зависящим от температуры и давления (рис. 4.4).

Давление р в канале шнека образуется за счет разности крутящих моментов, возникающих от действия всех сил трения, и может быть найдено из уравнения равновесия: Зависимость коэффициента передачи давления на боковую поверхность канала от температуры и давления для гранулированного полиэтилена низкой плотности

Рис. 4.4. Зависимость коэффициента передачи давления на боковую поверхность канала от температуры и давления для гранулированного полиэтилена низкой плотности

При наличии внутреннего трения гранул друг о друга и упругой деформации полимера прирост давления по длине канала замедляется. При этом падение давления /т является функцией длины канала и может быть учтено коэффициентом К :

где ? — среднее значение коэффициента трения^. =/ц/ш / (f + /ш); ц/ — коэффициент, учитывающий внутреннее трение гранул; / — длина шнека вдоль оси цилиндра.

Для удобства расчетов угол поворота сЮ целесообразно заменить длиной шнека:

тогда, подставив в уравнение (4.5) значения всех крутящих моментов из уравнений (4.1)—(4.3), с учетом (4.6) и (4.7) находим

Проинтегрировав уравнение (4.8), получаем где

Для определения постоянной интегрирования используем граничные условия: при 1 = 0 р= р00 давление на входе в зону загрузки). При свободной загрузке полимера давление на входе равно атмосферному давлению. Подставив вместо С{ = Inр0, находим расчетное давление, создаваемое шнеком длиной /:

При движении полимера механическая работа трения переходит в тепловую энергию и происходит разогрев полимера по поверхностям скольжения. Поскольку коэффициент трения очень сильно зависит от температуры, расчет давления проводят с учетом поверхностного нагревания полимера, а значение коэффициента трения определяют с учетом максимальной температуры, возникающей на поверхности скольжения. Для нахождения максимальной температуры полимера на поверхности при сухом трении Гтах можно воспользоваться уравнением Мамхегова и Гинзбурга:

где Т0 температура шнека или цилиндра; qn плотность теплового потока, передаваемого в слой полимера; L — путь движения слоя гранул; А,п, рп и сп коэффициент теплопроводности, плотность и удельная теплоемкость гранул полимера; ц — скорость движения гранул относительно поверхности шнека или цилиндра.

Плотность теплового потока, передаваемого в слой полимера, зависит от общего теплового потока трения, теплофизических свойств полимера и материала поверхности трения (цилиндра и шнека):

где qmp плотность теплового потока трения; (1 - а) — коэффициент, учитывающий распределение теплового потока:

где %2, р2, с2 коэффициент теплопроводности, плотность и удельная теплоемкость металла цилиндра или шнека.

Плотность теплового потока трения

При этом для расчета плотности теплового потока трения, выделяющегося на поверхности шнека, используется скорость перемещения полимера относительно шнека Л) , а на поверхности цилиндра — скорость т>м (см. уравнения (4.19) и (4.20)). Таким образом, давление, создаваемое внутри канала шнека, зависит главным образом от таких технологических параметров, как температура и скорость вращения шнека, а также от чистоты обработки поверхности шнека и цилиндра. Поскольку по длине шнека температура и коэффициент трения постоянно изменяются, расчет давления желательно осуществлять последовательным суммированием его по участкам шнека. Поэтому уравнение (4.11) видоизменяют:

где pi давление, найденное для предыдущего участка; /(. — длина расчетного участка шнека, обычно принимают I. = //2.

Рассмотренные закономерности движения полимера в экструдере при наличии продольных или винтовых канавок (рифлений) видоизменяются. В этом случае угол направления вектора скорости приобретает вполне определенное значение w = 90 + ср, а при использовании винтовых канавок w = ос + (р, где угол ос равен углу подъема винтовой канавки на поверхности цилиндра.

Производительность экструдера для зоны загрузки может быть найдена с учетом скорости движения полимера относительно цилиндра пм и площади сечения винтового канала. Как уже было отмечено ранее, по мере движения гранул или порошка и действия давления происходит уплотнение материала, и уже во втором витке шнека он движется в виде твердого слоя. Таким образом обеспечивается движение гранул по винтовой линии относительно оси цилиндра со скоростью >м, направленной к оси канала под углом w (рис. 4.5). При вращении шнека с угловой скоростью со он относительно цилиндра перемещается с окружной скоростью, равной

При этом гранулы проскальзывают по винтовой нарезке шнека со скоростью г>ш, поэтому движение гранул по окружности можно описать через геометрическую сумму двух векторов:

Если полимер прилипает к поверхности шнека, пш = 0, то он вращается вместе с ним и поступательное движение его вдоль оси отсутствует. Производительность экструдера будет равна нулю. При отсутствии вращательного движения полимера относительно цилиндра, например при наличии продольных канавок на цилиндре, вектор скорости движения гранул нм направлен вдоль оси, при этом достигается максимальная производительность. При наличии винтовых (геликоидальных) канавок угол направления вектора движения полимера равен, wBHH = (р + а , где угол а равен углу подъема винтовой канавки на поверхности цилиндра. При использовании винтовых канавок можно обеспечить повышение производительности зоны загрузки до значения, лимитированного работой зоны дозирования. При этом уменьшается удельный расход электроэнергии за счет более оптимального движения гранул.

Поскольку векторы скоростей пм и 0) вписываются в один параллелограмм, приравняв проекции их на ось z, получаем

В этом случае, используя выражение (4.16), имеем

Скорость движения полимера относительно поверхности шнека равна

Векторная диаграмма скоростей в зоне загрузки

Рис. 4.5. Векторная диаграмма скоростей в зоне загрузки

Для расчета производительности используем осевую скорость потока т)о, которая находится как проекция скорости т>м:

Производительность экструдера в зоне загрузки равна произведению площади сечения канала шнека на скорость Л)0 и насыпную плотность гранулированного полимера рн:

где е — ширина выступа нарезки шнека.

Подставляя значение х>0 из (4.21) и интегрируя, получаем

В уравнениях (4.10) и (4.23) используется угол w, который зависит как от условий экструзии, так и от насыпной плотности полимера.

Как видно из полученных уравнений, производительность экструдера и создаваемое давление в значительной степени зависят от насыпной плотности гранулированного или порошкообразного полимера, которая, в свою очередь, является функцией давления и температуры (рис. 4.6). С увеличением температуры прочность и модуль упругости полимера снижаются, что позволяет уплотнить гранулы и достигнуть высокой плотности. Например, когда давление достигает в конце зоны загрузки 8-10 МПа, гранулы полиэтилена уплотняются почти полностью, что значительно изменяет пористость и теплопроводность движущегося твердого слоя. Уплотнение гранул способствует удалению воздуха (отжатию его) к загрузочному бункеру, что исключает попадание его пузырьков в изделие.

Анализ всех рассмотренных уравнений позволяет увидеть, что создаваемое давление и производительность экструдера в зоне загрузки в значительной степени зависят от ряда факторов, в первую очередь от температуры цилиндра и шнека, коэффициента трения и скорости вращения шнека, а также от теплофизических характеристик полимера. При колебании этих величин изменяется производительность экструдера, что приводит к изменению размеров изделий (толщины пленок или труб). Для повышения стабильности работы экструдера необходимо обеспечить постоянство коэффициентов тре-

Зависимость насыпной плотности гранулированного П

Рис. 4.6. Зависимость насыпной плотности гранулированного ПЭ в.пл. от давления при различных температурах ния полимера о поверхность цилиндра и шнека, а также ликвидировать зависимость их от технологических параметров процесса. Это достигается применением продольных или винтовых канавок на внутренней поверхности цилиндра.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >