Экструзия термопластов

Это один из наиболее массовых и высокопроизводительных методов формования, позволяющий получать непрерывные изделия и полуфабрикаты - профили разнообразного типа, включая пленки, листы, прутки, уголки, полукруги, тавры, нити, трубы и шланги. Масса погонного метра изделий может быть до 100 кг, ширина пленок до 25 м и диаметр труб до 1, 2 м. Экструзией получают многослойные и вспененные изделия и с поверхностью под декоративные материалы. Экструзия термопластов отличается от экструзии резиновых смесей значительно меньшей вязкостью расплава, поэтому не разделяют питание экструдера на «горячее» или «холодное», а длина червяка всегда превышает пять его диаметров. Применяют червяки с диаметром 10-500 мм и отношением L/D =8-40, а у одночервячных экструдеров - L/D =20-25. Экструдеры (рис.2.8) подразделяют на одно- и двухчервячные, одно- и двухцилиндровые (каждый червяк в отдельном цилиндре), вертикальные и горизонтальные, одно- и двухстадийные, в которых пластикация и выдавливание материала осуществляется соответственно в одну или две стадии. В двухцилиндровых экструдерах один червяк может располагаться горизонтально, а другой – вертикально.

Выбор конструкции экструдера и червяка зависит в основном от свойств термопласта, червяки могут быть одно- или многозаходными (одна или несколько винтовых нарезок). С увеличением диаметра D, длины L и частоты вращения червяка растут производительность экструдера, потребляемая мощность привода и обогрева.

Червяки одночервячных экструдеров имеют три геометрические зоны - питания (подача), пластикации (сжатие) и выдавливания (жидкое состояние). В зонах питания и выдавливания глубина винтового канала постоянна, причем в первой больше, чем в третьей, а в средней зоне - уменьшается от первой к третьей (рис.2.9). Степень сжатия характеризует отношение объемов винтовых каналов в третьей и первой зонах на участках, длина которых равна шагу нарезки, и лежит в интервале от 1: 1, 5 до 1: 5. Производительность экструдера определяется скоростью прямого потока расплава, которую уменьшают потоки противодавления (сопротивление мундштука) и утечек через радиальный (кольцевой) зазор. С увеличением зазора улучшается гомогенизация и уменьшается объемная скорость подачи материала вследствие увеличения потока утечек. Поперечное (круговое) течение за счет внутреннего трения повышает температуру расплава. Зазор для червяков больших диаметров должен быть 0, 002 D, малых – 0, 005 D, а для расплавов с низкой вязкостью (полиамиды и некоторые сорта полиэтилена) - не должен превышать 0, 1 мм. Производительность можно повысить или увеличением объема и угла нарезки и скорости вращения червяка, или уменьшением потока противодавления (удлинение червяка) и потока утечек (увеличение ширины выступов нарезки на червяке и уменьшение зазора). Кроме указанных выше геометрических зон червяка по глубине нарезки канала, существуют зоны тех же названий в зависимости от состояния материала, но границы между этими зонами не совпадают.

В зоне питания гранулы термопласта увлекаются червяком, более холодным по сравнению со стенкой корпуса. Интенсивное тепловыделение за счет трения, высокая температура стенки корпуса и недостаточный теплоотвод вынуждают соприкасающийся с этой стенкой слой материала к преждевременному плавлению, что снижает силу трения. Проскальзывание материала в канале червяка по стенкам корпуса сопровождается уплотнением его с образованием твердой «пробки», на поверхности которой со стороны стенки начинает расти слой расплава. Сечение червяка, при котором толщина слоя расплава становится равной зазору между стенкой корпуса и гребнем червяка, является границей между зонами питания и пластикации.

В зоне пластикации «пробка» плавится под действием тепла, которое выделяется вследствие внутреннего трения в материале и подводится от нагревателей корпуса. В тонком слое расплава возникает поток, который натыкается на толкающую стенку канала червяка и движется вдоль нее, оттесняя пробку к передней стенке. При этом высота «пробки» остается примерно постоянной, а ее «текущая» ширина постепенно уменьшается. Сечение червяка, при котором начинается дробление пробки, является границей между зонами пластикации и выдавливания. Течение расплава принимает винтовую траекторию, представляет собой сумму двух независимых течений – поступательного вдоль оси винтового канала и циркуляционного (кругового, поперечного) в плоскости, нормальной к оси. Благодаря круговому течению, гомогенизирующему расплав, экструдеры используют для смешения. Если тепла, которое выделяется в материале, достаточно для его разогрева до температуры экструзии, внешние источники тепла отключают, и такой режим экструзии называют адиабатическим (автотермическим). На практике от нагревателей корпуса подводят 10-20% тепла для управления процессом путем регулирования продолжительности и периодичности включения нагревателей соответствующих зон экструдера. В зоне выдавливания расплав термопласта продолжает двигаться по винтовой траектории идентично движению нагретой резиновой смеси.

Горизонтальные одночервячные экструдеры для переработки аморф-ных термопластов снабжены универсальными червяками с длинной зоной сжатия (5-7 D), а для кристаллических – с короткой зоной сжатия (0, 5-1, 0 D), развивающих при экструзии давление 10-50 МПа. Для акриловых смол применяют червяк со степенью сжатия 1, 5 и переменным шагом нарезки, а для нетермостабильных полимеров (жесткий ПВХ) – с постоянным шагом нарезки и плавно уменьшающейся глубиной винтового канала за счет конусности сердечника (рис.2.10). Отсутствие зоны сжатия помогает предотвратить деструкцию ПВХ при экструзии, если поддерживать температуру в зоне питания 130-140 ^о С, в зоне пластикации – 150-160 ^о С, выдавливания – 160-175 ^о С и в мундштуке – 175-185 ^о С. Для пластиката ПВХ степень сжатия увеличивают до 2, 5. Червяки для переработки реактопластов имеют и постоянный шаг, и постоянную глубину нарезки, благодаря чему исключается нагрев материала за счет трения при сжатии и преждевременное отверждение. При высоком содержании влаги и летучих примесей применяют двухстадийные экструдеры снабженные червяком с зоной декомпрессии. В экструдерах с короткими червяками изготовляют трубы, полые изделия, профили и листы, а с длинными червяками (быстроходных) – гранулы и пленки, а также наносят пленочные покрытия на бумагу и ткани, дублируют пленки и накладывают изоляцию на провода и кабели. С увеличением длины червяка уменьшают глубину нарезки в зоне выдавливания, а давление при экструзии может изменяться в пределах 10-50 МПа.

Червяки двухчервячных экструдеров различаются видом сопряжения (зацепляющиеся и незацепляющиеся), направлением вращения и в связи с этим видом нарезки (однонаправленная и разнонаправленная). Сердечник может быть цилиндрическим и коническим, винтовые секции - чередоваться с кулачковыми, а материал - сжиматься разными способами. В винтовых каналах незацепляющихся червяков материал перемещается как и в одночер-вячных экструдерах, а зацепляющихся - замкнут с обеих сторон стенками канала одного червяка и выступами нарезки другого (рис.2.11). Стенки канала, ограничивающие порцию материала в форме неполного витка спирали (серповидный элемент), перемещаются при вращении червяков вдоль оси корпуса экструдера, проталкивая вперед находящийся в замкнутом объеме материал. Профиль винтовых каналов выполнен так, чтобы объем материала при продвижении в головке непрерывно уменьшался, уплотнялся и разогревался, а по боковым зазорам между выступами нарезки одного червяка и стенками канала другого перетекал из одного межвиткового пространства в другое и подвергался интенсивной деформации сдвига. При одинаковом направлении вращения червяков материал движется по винтовым траекториям, и часть его у внешней стенки нарезки одного червяка увлекается им в свой винтовой канал, а другая часть, соприкасающаяся со стенкой канала другого червяка, остается в этом канале. При разных направлениях вращения червяков в зоне пересечения их нарезок возникает циркуляционное течение, повышающее интенсивность смешения за счет перетекания материала из одного межвиткового пространства в другое.

Горизонтальные двухчервячные экструдеры превосходят одночервячные по способности перерабатывать порошкообразные термопласты с большим насыпным объемом, полноте удаления летучих и эффективности перемешивания и пластикации, т.к. имеют большую вместимость зоны питания по сравнению с зоной сжатия. Их применяют для гранулирования и смешения термопластов, пластикации ПВХ перед каландрованием, диспергирования ингредиентов и производства профилированных изделий. Два червяка с общей головкой позволяют выпускать трубы с наружной облицовкой твердым ПВХ или двухцветные изделия из двух композиций. К недостаткам относят сложность их конструкции и повышенный расход энергии на обогрев материала. Двухцилиндровые экструдеры с горизонтальным и вертикальным червяками занимают меньшую площадь и позволяют в вертикальном цилиндре с загрузочным бункером на верхнем его конце точнее регулировать режим пластикации материала. Горизонтальный цилиндр служит для гомогенизации и выдавливания материала, в месте пересечения цилиндров удаляют летучие. Техническая характеристика рассмотренных экструдеров дана в табл.2.5.

Вертикальные одночервячные экструдеры имеют зону загрузки также на конце червяка, а зону выдавливания – вблизи от привода. Диаметр сердечника червяка постепенно увеличивается к зоне выдавливания, а цилиндр обогревается электронагревателями или через рубашку. Ниже зоны выдавливания вал червяка и цилиндр охлаждают вентилятором. Нарезку на поверхности вала червяка делают мелкой и в направлении, противоположном направлению винтовой линии червяка, чтобы исключить проникновение пластицированного материала в радиальный зазор между валом и внутренней поверхностью цилиндра. Экструдеры занимают мало места и эффективны при производстве рукавных пленок и нанесении полимерных покрытий, К недостаткам относят сложность уплотнения зазора между валом червяка и цилиндром и нагрев элементов привода от нагревателей цилиндра.

Горизонтальные и вертикальные дисково-червячные экструдеры хорошо гомогенизируют материал при малом времени его пребывания и высоком давлением расплава на выходе. Термопласт из бункера 10 транспортируют в рабочий зазор 7 между вращающимся диском 9 и корпусом 8 и далее в винтовую нарезку червяка 3, который выдавливает расплав термопластов, в том числе и склонных к деструкции. Цилиндр 4 оснащен нагревателями 6 и системой охлаждения. Корпус 8 разогревают только при запуске. В экструдерах смешивают полимеры с ингредиентами, изготовляют профилированные вспененные изделия, перерабатывают материалы с высоким содержанием влаги и летучих.

Червячные экструдеры с плавильным диском отличаются тем, что операция плавления материала отделена от операций сжатия, гомогенизации и выдавливания (рис.2.12 а). Материал из бункера 1 по лотку 2 вибропитателя поступает на вращающийся плавильный диск 6. За время поворота диска (около 10 с) он плавится, соскребается эластичным скребком 3 и подается к зоне питания червяка 5 над диском. Применяют однозаходный червяк с постепенно уменьшающейся глубиной нарезки, обеспечивающий степень сжатия 2: 1. Нагреватель 7 цилиндра 4, установленный на уровне зоны выдавливания, включают только на время запуска экструдера.

Рис. 2.12. Червячный экструдер с плавильным диском (а). Дисковый экструдер (б):

1-зубчатое колесо, 2-вал, 3-диск, 4-корпус, 5-нагреватели, 6-фланец для крепления профилирующей головки, 7-рабочая камера, 8-бункер, 9-уплотняющая нарезка на диске, 10-подшипники.

Дисковые экструдеры (рис.2.12 б) состоят из неподвижного корпуса 4 и диска 3, вращающегося с постоянной частотой. Рабочая камера 7 представляет собой зазор между торцовыми частями диска и корпуса, который может изменяться от 0, 2 до 1 мм. Загрузочный канал под бункером 8 расположен тангенциально к рабочей камере. Материал из загрузочного канала размягчается при контакте с нагретыми стенками диска и корпуса, перемешивается с пластицированным материалом в постепенно сужающемся рабочем зазоре камеры и выдавливается через центральное отверстие в корпусе. Дисковые экструдеры дешевле червячных, просты по конструкции и малогабаритны, отличаются высокой диспергирующей и гомогенизирующей способностью и пригодны для гранулирования, смешения, окрашивания, дегазации и обезвоживания даже нетермостабильных полимеров. В них перерабатывают гранулированные и порошкообразные термопласты, отходы от производства пленок, а при увеличенном рабочем зазоре – и пенопласты. Использование в производстве труб, профильных изделий, пленок и листов ограничивается необходимостью строго дозированного и равномерного питания, низким давлением расплава на выходе и сравнительно низкой производительностью. Достоинствами дисковых экструдеров обладают также гидродинамические бесчервячные экструдеры, создающие давление до 18 МПа и способные перерабатывать полистирол, полипропилен и полиамиды и даже полиэтилен, содержащий порообразователи.