Расчет зоны плавления (пластикации) одношнекового экструдера

Механизм плавления полимера в одношнековом экструдере.

Основополагающей в экспериментальном изучении механизма плавления в канале шнека является работа В. Меддока. Многочисленные последующие исследования лишь детализировали ее основные положения. В ней В. Меддоком было установлено два возможных принципиально различных режима пластикации: пленочный и блочный (рис. 2.19).

Пленочный режим исследован гораздо более подробно и широко освещен во многих известных книгах, касающихся вопросов технологии экструзии. Существо пленочного режима заключается в следующем (рис. 2.19, а): твердый уплотненный полимер (область 4) по мере продвижения вдоль канала контактирует с горячей стенкой цилиндра 1 (стадия А), имеющей компоненту скорости поперек винтового канала шнека V_x, плавится в месте контакта (область 1) и, прилипая к стенке цилиндра 1, уносится ею к толкающей стенке 2 нарезки шнека, где и скапливается (область 2), образуя жидкое ядро и начиная циркулировать (стадия В). Твердый полимер в области 3, контактируя с жидким ядром, также плавится. Ширина жидкого ядра растет в направлении к выходу из канала шнека до тех пор, пока весь твердый полимер не расплавится (стадия А). На завершающих стадиях пленочный режим может нарушаться вследствие того, что уже достаточно прогретый твердый полимер начинает разрушаться на довольно крупные агрегаты (куски) и поглощаться жидким ядром, вовлекаясь в циркуляцию. Скорость плавления полимерных агрегатов при этом становится малой и они, практически не подвергаясь деформированию (смешению), часто достигают выхода из канала шнека. Это одна из причин плохого качества смешения в пленочном режиме. Пленочный режим плавления характерен для порошков и гранул термопластов с низкой и средней вязкостью расплава, смачивающего металлическую поверхность цилиндра.

Схема блочного режима плавления показана на рис. 2.19, б. Твердый полимер (область I), контактируя со стенкой цилиндра, размягчается, но не прилипает, а скользит по стенке цилиндра и поэтому практически не деформируется (стадия Q.

Рис. 2.19. Механизмы плавления полимеров в одношнековом экструдере:

а — пленочный; б— блочный Подобное же явление наблюдается и у стенок шнека, однако размягчение идет с меньшей скоростью, так как относительная скорость скольжения и, следовательно, тепловыделение на поверхности шнека меньше (стадия С). Толщина области размягчения и уплотнения II и следующей за ней области перехода в вязкотекучее состояние III по мере транспортировки растет (стадии от В' до стадии F). Полимер в зазоре между гребнем 3 шнека и цилиндром 2 испытывает воздействие гораздо больших напряжений и поэтому при плавлении подвергается деформации сдвига (смешению), вытекая из зазора и скапливаясь у пассивной (в отличие от пленочного режима) стенки канала. Здесь образуется область IV минимально смешанного расплава, доля которой в сечении к моменту полного проплавления всего полимера мала. Скорость нагрева.

Рис. 2.20. Конструкции смесительных элементов.

в блочном режиме гораздо ниже, чем в пленочном, так как практически отсутствуют конвективный теплообмен и диссипативные тепловыделения. В связи с этим длина зоны плавления больше и поэтому более затруднен отвод к загрузочной воронке воздуха из области II уплотняющегося полимера. Причина неудовлетворительного смешения в этой зоне при блочном механизме плавления очевидна. Данный режим плавления имеет место при переработке непластифицированного поливинилхлорида как в виде порошка, так и в виде гранул.

В соответствии с различием причин плохого качества смешения полимера с его расплавом в этих режимах меры по его улучшению также различны.

Для блочного режима усилия направлены на развитие деформирования расплава. С этой целью применяют шнеки с эксцентричным сердечником или синусоидально изменяющимся его диаметром (цикличное изменение глубины канала), шнеки с прерывистой нарезкой (рис. 2.20, а) или с участками обратной нарезки, торпеды с винтовыми каналами и штыри (рис. 2.20, б, в). Эффективность этих элементов далеко не эквивалентна.

Для пленочного режима плавления полимера существует концепция сохранения пленочного режима до конца плавления или принудительного отбора образовавшегося расплава с фильтрацией нерасплавленных частиц. Этой концепции отвечает шнек с двумя нарезками винтового канала различного шага и различной высоты гребня (рис. 2.20, г) и устройства самой различной конструкции, фильтрующие расплав через малый зазор (рис. 2.20, д, е, ж, з). Однако исследования показали, что для интенсификации процесса плавления пленочный режим надо разрушать принудительно, причем еще задолго до его естественного вырождения. При этом считают, что поглощение расплавом агломератов твердого полимера не замедляет, а ускоряет процесс их плавления и смешения. Для реализации этого принципа предлагают конструкцию шнека, показанную на рис. 2.20, и.