Вопросы конструирования модульных элементов шнека самоочищающихся экструдеров

Основное различие конструкции шнека для двухшнековых и одношнековых экструдеров состоит в том, что диаметр сердечника шнека в двухшнековых экструдерах обычно постоянен, а в одношнековых экструдерах существенно изменяется но длине. В двухшнековых экструдерах с зацепляющимися шнеками для обеспечения самоочищения необходимо, чтобы диаметр сердечника был постоянным.

Другое важное отличие между одношнековыми и двухшнековыми экструдерами состоит в том, что одношнековые экструдеры обычно полностью загружают, в то время как высокоскоростной двухшнековый экструдер характеризуется неполной загрузкой. В последнем случае частично заполненные зоны вносят небольшой вклад в плавление, смешение и увеличение температуры; в этих зонах давление отсутствует, поскольку указанные процессы протекают лишь в полностью заполненных зонах экструдера.

Экструдеры с неполной загрузкой дают дополнительные возможности контроля, позволяющие варьировать эффективную длину экструдера. Обычно эффективная длина может быть увеличена путем повышения скорости загрузки и (или) снижением частоты вращения шнека. Увеличение эффективной длины обычно снижает расход энергии в экструдере, что приводит к худшему смешению и уменьшению температуры сырья.

В высокоскоростных двухшнековых экструдерах длина полностью заполненного участка относительно короткая, обычно от 20 до 40% длины экструдера. Полностью заполненные участки встречаются лишь там, где вдоль шнека и его конце установлены ограничительные элементы для создания давления в фильере. Ограничительные элементы шнека имеют винтообразную геометрию, направление нарезки которой противоположно направлению нарезки транспортирующих шнековых элементов. Ограничительные элементы часто расположены против потока в промежутке между транспортными элементами, непосредственно вблизи отверстия для вакуумного отсоса, чтобы создавать уплотнение расплавом. В экструдере с неполной загрузкой уплотнение необходимо, чтобы создать вакуум вблизи зоны отсоса (рис. 2.60).

Левосторонний элемент шнека, используемый для создания уплотнения в расплаве перед отверстием для вакуумного насоса

Рис. 2.60. Левосторонний элемент шнека, используемый для создания уплотнения в расплаве перед отверстием для вакуумного насоса

Длина заполненного участка зависит от способности создавать давление в участках шнека, расположенных до ограничительного элемента и от уровня давления, необходимого для преодоления ограничительного элемента. Ограничительный элемент с мелким шагом нарезки требует большего давления, чем элемент с большим шагом и, следовательно, создает более эффективное уплотнение. Ограничительный элемент с большей длиной также создает более эффективное уплотнение. Аналогично, нейтральный смесительный элемент не создает такое уплотнение, как реверсивное смесительное устройство.

Различные варианты конструкций транспортирующих и ограничительных шнековых элементов, производимых компанией Кгатз Ма//е1 ВепМог//, представлены на рис. 2.61.

Транспортирующие и ограничительные шнековые элементы с различным шагом производства Кгаивв MaffeiBerstorff

Рис. 2.61. Транспортирующие и ограничительные шнековые элементы с различным шагом производства Кгаивв MaffeiBerstorff

Другим возможным применением ограничительных элементов является их установка непосредственно после смесительной зоны, для того чтобы увеличить время пребывания композиции в зоне смешения и тем самым интенсифицировать процесс.

Еще одним типом ограничительных элементов являются так называемые блистерные или кольцевые элементы, имеющие кольцевое сечение (рис. 2.62). Материал в зазоре между блистерными элементами последовательно проходит через три зоны: над верхним гребнем блистера, между верхним и нижним блистером и под нижним гребнем блистера.

Данные элементы позволяют регулировать сдвиговые напряжения. В отличие от обычных ограничительных элементов, скорость противотока в блистерных элементах не зависит от скорости вращения шнеков и имеет постоянную величину. Установка дополнительных блистерных элементов позволяет увеличить зазор между ними. Схема совместного расположения блистерных элементов представлена на рис. 2.62.

Блистерные элементы

Рис. 2.62. Блистерные элементы

При переработке высоконаполненных композиций, либо при введении в композицию ингредиентов с малым насыпным весом требуется увеличить свободный объем в зоне транспортирующих элементов. Для решения данной задачи используются транспортные элементы, имеющие смещенный профиль витка шнека (рис. 2.63).

Данный профиль получил название профиля с толкающей кромкой, поскольку передняя толкающая материал сторона витка имеет вогнутый профиль, который способствует лучшему захвату большего объема материала, но имеет худшие характеристики по самоочищению. Для перехода на стандартный симметричный транспортирующий профиль, называемый профиль Эдменгера, используют специальный переходной элемент (рис. 2.63).

Геометрия профиля транспортного элемента с толкающей кромкой и профиля Эрдменгера

Рис. 2.63. Геометрия профиля транспортного элемента с толкающей кромкой и профиля Эрдменгера

Интенсивность смешения в транспортирующих элементах, как и в одношнековых экструдерах, невысока. Улучшить смешение можно установкой смесительных элементов вдоль шнека. В прошлом единственными устройствами такого рода были смесительные диски. Эти смесительные устройства по своей сути являются элементами шнека с углом подъема резьбы 90°, то есть резьба направлена вдоль оси шнека. Выгода от использования смесительных дисков заключается в том, что они полностью самоочищаются, как и устройства транспортировки (подачи).

Для дистрибутивного смешения используются узкие дисковые смешивающие устройства, в то время как при диспергирующем смешении используются широкие смешивающие устройства (рис. 2.64, см. цветную вклейку на с. 80).

Причина, по которой широкие дисковые смешивающие устройства обеспечивают хорошее диспергирующее смешение, заключается в том, что значительное количество материала подается в область высоких напряжений смесительного диска. Когда диск широкий, материал не сможет пройти мимо зоны высокого напряжения. При использовании широких смесительных дисков большое количество материала поступает в зазор у наконечника, где материал подвергается сильным сдвиговым и продольным напряжениям. При использовании узких смесительных дисков большая часть материала минует зону высоких напряжений. В результате диспергирующее смешение оказывается слабым, однако возможности распределительного смешения улучшаются вследствие расслоения потока.

Поскольку область дисковых смесительных элементов характеризуется минимальным расстоянием между гребнем диска и стенкой камеры, данные элементы предназначены для переработки только расплава полимера. В случае попадания на дисковые элементы непроплавленного гранулята в экструдере развиваются критически высокие давления, что приводит к преждевременному износу элементов. Поэтому технологический режим переработки материала подбирается таким образом, чтобы гарантировать полное расплавление материала до момента перехода его с транспортных элементов на смесительные.

Работа смесительных элементов зависит не только от ширины смесительных дисков, но также и от угла, под которым они установлены. В двухзаходной геометрии шнека при угле сдвига 90° образуется нейтральный смесительный элемент. Если угол сдвига находится в интервале от 0 до 90°, смесительный элемент становится форвардным устройством, способствующим транспортировке жидкости. Если угол находится в интервале от 0 до -90°, смесительный элемент становится реверсивным устройством для транспортировки жидкости в обратном направлении (рис. 2.65). Качество смешения в нейтральных и реверсивных блоках лучше, чем в форвардных. Хотя даже узкие смесительные диски обеспечивают достаточно хорошее распределительное смешение, в некоторых случаях требуется дополнительно его улучшить.

Различные варианты конструкции смесительных элементов (ср — угол сдвига элемента)

Рис. 2.65. Различные варианты конструкции смесительных элементов (ср — угол сдвига элемента)

С этой целью используют элементы шнека с пазовыми лопастями. Некоторые производители двухшнековых экструдеров возражали против такой тенденции, поскольку устройства смешения с пазовыми лопастями не являются полностью самоочищающимися, то есть ухудшают самоочищающую способность двухшнековых экструдеров. На практике, однако, выгода от использования пазовых смесителей оказывается больше, чем частичная потеря функции самоочищения.

Пазовые смесители обычно представляют собой устройства с лопастями, в которых проточены осевые или угловые пазы (рис. 2.66, см. цветную вклейку нас. 80). Угол наклона спирали может меняться в пределах от 0 до 90°. Для угла, равного нулю, лопасть вырождается в кольцо, и смеситель становится похож на шестеренчатое смесительное устройство или смесительное устройство торпедного типа.

Зубчатые смесительные элементы используются в тех случаях, когда необходимо при смешении максимально разбить поток, например при введении волокнистых наполнителей или при дозировании жидких компонентов. Элементы правого шнека имеют правосторонний наклон зубцов, а элементы левого — левосторонний. Благодаря этому при совместном вращении зубчатые элементы правого шнека не упираются выступами в левый.

Все модульные шнековые элементы устанавливаются в строгой последовательности на шлицевые валы, поэтому внутренняя поверхность отверстия каждого элемента также имеет шлицевую нарезку. Особенно это правило касается транспортных элементов, при сборке которых в месте стыковки элементов точка окончания шага нарезки каждого предыдущего элемента должна совпадать с точкой начала шага нарезки следующего элемента. Проверка правильности сборки шнековых элементов для экструдера небольшого диаметра производится достаточно просто. Для этого собранные шнеки устанавливают параллельно на ровной горизонтальной поверхности и приводят их в зацепление таким образом, чтобы выступающие элементы одного шнека заходили в полости другого. После этого состыкованные параллельно шнеки должны свободно вращаться при прокатке. Модель, демонстрирующая работу собранных шнеков, показана в видеоприложении 4.

Кроме представленных выше конструкций шнековых элементов в ряде случаев используются специальные элементы, которые позволяют существенно расширить диапазон применяемых рецептур и режимов компаундирования. Например, так называемые Multi Process (МР) элементы, правами на конструкцию которых обладает компания Krauss Maffei Berstorff. Данные шнековые элементы предназначены для смешения компонентов, чувствительных к высокому сдвигу, например, биополимеров и композитов, наполненных натуральными волокнами. Конструкционно элементы представляют собой транспортирующие и реверсивные элементы, диаметр которых уменьшен до такой степени, чтобы гребни обоих элементов в определенной точке совмещались друг с другом. На поверхности каждого гребня нарезки через каждые 90° имеются пазы полукруглого сечения, размер которых может варьироваться в зависимости от конструкции и назначения элемента (рис. 2.67).

Элементы Multi Process для смешения компонентов, чувствительных к высокому напряжению сдвига

Рис. 2.67. Элементы Multi Process для смешения компонентов, чувствительных к высокому напряжению сдвига

В зависимости от размера пазов и ширины гребня витка и профиля обратных элементов МР варьируется их способность задерживать поток материала в той или иной степени. В отличие от обычных реверсивных элементов, наличие пазов не позволяет элементам МР качественно задерживать материал, и часть материала проходит через пазы. В результате образуются так называемые смесительные камеры, в которых материал в процессе многократной переориентации эффективно смешивается и гомогенизируется в условиях низких сдвиговых деформаций.

Вследствие снижения напряжений сдвига в зоне МР элементов снижается и диссипативный разогрев материала, то есть появляется возможность дополнительно снизить температуру в смесительной камере. Для эффективного смешения чувствительных к термо- и механодеструкции компонентов смеси обычно устанавливают несколько МР смесительных зон, чередуя их с транспортными элементами. Модель, демонстрирующая характер и траекторию движения шнековых элементов в МР зоне, представлена в видеоприложении 5 и в схеме на рис. 2.68.

Схема технологического процесса элементов Multi Process

Рис. 2.68. Схема технологического процесса элементов Multi Process

На рис. 2.69 показано распределение скоростей сдвига при сравнении дисковых и МР элементов.

Дисковые элементы имеют минимальный зазор как между гребнем элемента и камерой, так и между элементами, поэтому в этих областях создаются максимальные сдвиговые усилия, которые обусловливают хорошее диспергирующее смешение компонентов, например частиц наполнителя и расплава полимера. Элементы МР имеют гораздо больший зазор между стенкой и элементами, и поэтому не развивают высоких сдвиговых усилий. Из данных диаграммы зависимости скоростей сдвига от их процентного распределения, представленной на рис. 2.69 (см. цветную вклейку на с. 80), видно, что для МР элементов распределение скоростей сдвига смещается в область более низких значений. В настоящее время в промышленности переработки полимеров актуальным и востребованным становится направление производства композитов, наполненных натуральными волокнами. Во избежание слеживания при хранении и дозировании выпускная форма натуральных волокон — небольшие агломераты шарообразной формы. Подобная форма волокнистого материала предусматривает дезагрегацию агломератов на отдельные волокна в процессе ввода материала в полимерную матрицу. Для этой цели могут быть использованы специальные шнековые элементы, называемые эксцентриковые (комби) элементы, представленные на рис. 2.70.

Эксцентриковые (комби) элементы для внедрения натуральных волокон в полимерную матрицу

Рис. 2.70. Эксцентриковые (комби) элементы для внедрения натуральных волокон в полимерную матрицу

Эксцентриковые элементы представляют собой набор шайб, имеющих мелкозубчатую нарезку по внешней стороне окружности. Особенностью конструкции данных элементов является еще и то, что внутреннее шлицевое отверстие у различных элементов смещено от центральной оси внешнего радиуса в той или иной степени, что позволяет устанавливать их со смещением относительно центральной оси сердечника шнека. Сборка комби элементов ведется таким образом, чтобы расстояние между элементами оставалось постоянным, а расстояние между элементом и стенкой камеры цилиндра варьировалось по длине участка, на котором установлены комби элементы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >