Качественный анализ работы одношнекового экструдера

Одношнековый экструдер для переработки пластмасс можно рассчитывать как винтовой насос, к которому присоединены машина для транспортировки твердых частиц полимера и машина для их плавления (см. рис. 2.1, б).

В загрузочной зоне полимер находится в твердом состоянии, в зоне пластикации — в виде вязкой массы, состоящей из смеси расплава полимера и твердых частиц, а в зоне выдавливания — в виде жидкости, т. е. полимер полностью расплавлен. Очевидно, что работа одношнекового экструдера в целом зависит от того, как он выполняет эти три отдельные операции (транспортировку твердых частиц, их плавление и выдавливание расплава полимера через головку).

Решающим фактором для перемещения материала в одношнековом экструдере является взаимодействие вращающегося шнека с неподвижными стенками цилиндра. При этом большое значение имеет величина коэффициента трения между материалом и шнеком, а также между материалом и цилиндром, особенно на участке загрузки, который заполнен нерасплавленным и непластицированным материалом. Чтобы материал вообще мог перемещаться вдоль оси шнека, коэффициент трения о поверхность шнека должен быть малым, а о стенки цилиндра — большим. Если это условие не выполняется, то может происходить вращение материала вместе со шнеком без осевого перемещения.

Большое значение имеют не только механические свойства поверхностей, но и температура. Эффективное продвижение материала в выдавливающей зоне (зоне дозирования) одношнекового экструдера также зависит от множества противоречивых факторов. Действительно, в любом случае при правильно работающей загрузочной зоне шнек создает напор в потоке материала, заполняющего канал нарезки шнека (при многозаходном шнеке в соответствующем количестве каналов). Однако на величину давления влияет не только работа загрузочной зоны, но в не меньшей степени также и процессы, протекающие в пластицирующей и выдавливающей зонах.

Напор потока материала, особенно максимальное давление, зависит от совокупности ряда факторов: вида перерабатываемого материала, характеристики шнека, сопротивления формующего инструмента, параметров технологического процесса (частоты вращения шнека, температуры и т. д.).

Создаваемое давление потока действует в двух взаимно противоположных направлениях: в сторону формующего инструмента и (реактивно) в сторону загрузки, так как в примыкающей к ней области обычно давление равно нулю. Обратное движение потока в сторону загрузочной зоны происходит как вдоль оси винтового канала шнека, так и через кольцевой зазор между выступами нарезки шнека и цилиндром. Движение вдоль винтового канала шнека обычно обозначается как возвратный поток под давлением, а движение материала через кольцевой зазор — как поток утечки. При высокой вязкости расплава и малой величине кольцевого зазора поток утечки через него относительно невелик.

В принципе эксплуатационные качества машины можно определить, если проанализировать работу каждой из трех зон и рассмотреть совокупность полученных результатов.

Введем следующие обозначения: Vj— независимая скорость транспортировки твердого полимера; v₂ — независимая скорость плавления полимера; v₃ — независимая скорость выдавливания (индексы 1, 2, 3 — номера зон).

Под независимыми скоростями следует понимать такие скорости, с которыми мог бы протекать каждый из этих трех процессов в отдельности, если бы они происходили независимо друг от друга.

Когда Vj < v₃ или v₂ < v₃, говорят, что экструдер работает на «голодном» питании. При таком режиме нарушается стабильность процесса и ухудшается качество полученного изделия (экструдата). Для того чтобы избежать этого, необходимо, чтобы V] > v₂ > v₃.

Если последние неравенства справедливы, то говорят, что зона 3 контролирует процесс. В этом случае процесс более стабилен, а качество экструдата выше по сравнению с режимами, когда контроль процесса осуществляется другими зонами. Однако если v₃ гораздо меньше v₂ и v_1; то зона 3 оказывается «затопленной» (режим захлебывания), что ведет к нарушению стабильности.

Рис. 2.7. Потоки в зоне дозирования одношнекового экструдера.

В шнеках дозирующего типа проще всего анализировать дозирующую зону, потому что к течению расплава в этой зоне полностью применимы законы гидродинамики вязких жидкостей.

В дозирующей зоне существуют три основных потока (рис. 2.7): вынужденный поток (прямой поток) Qq, представляющий собой поступательное течение расплава, которое возникает как следствие относительного движения корпуса шнека и цилиндра при условии, что расплав полимера прилипает к стенкам цилиндра и шнека; противоток (поток под давлением) Q_p, который можно рассматривать как течение расплава в обратном направлении, воз* никающее под действием развивающегося в головке экструдера давления, и поток утечки Q_&. Перепад давления, возникающий вследствие существования повышенного давления в головке, вызывает появление потока утечки Q_& через кольцевой зазор между гребнем стенки канала шнека и внутренней поверхностью цилиндра. Обычно поток утечки 0₅ по сравнению с двумя другими потоками очень незначителен и им можно пренебречь.

Производительность дозирующей зоны равна, таким образом, разности между вынужденным потоком, противотоком и потоком утечки:

Основными параметрами, определяющими величину объемного расхода вынужденного потока, являются: глубина канала Л, ширина канала W диаметр шнека D и скорость его вращения.