ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРОВ МЕТОДОМ ЭКСТРУЗИИ

Процесс экструзии заключается в непрерывном выдавливании расплава полимера через формующую головку, придания ему определенной конфигурации и последующем охлаждением готового изделия. Основную массу погонажных изделий: трубы, листы, профили, пленки, сетки - получают методом экструзии.

Экструзией перерабатываются термопласты, расплавы которых обладают высокой вязкостью. Это необходимо для того, чтобы выходящий из формующей полости расплав сохранял на определенное время приданную ему форму.

Поскольку процесс экструзии осуществляется непрерывно, он является наиболее прогрессивным, так как позволяет производить изделия с небольшими трудовыми и энергетическими затратами при незначительных потерях материалов.

При изготовлении изделий методом экструзии в полимерах протекают в основном физические процессы, например, переход полимера из одного физического или фазового состояния в другое.

К химическим процессам, протекающим при экструзии, можно отнести термическую и механическую деструкцию полимеров, обусловленную соответственно высокими температурами и большими сдвиговыми напряжениями, возникающими при течении расплава полимера в рабочих узлах экструдера и формующей головке. При обеспечении определенных технологических параметров эти химические процессы могут быть сведены к минимуму или полностью исключены.

В зависимости от характера процессов, протекающих в экструдере, а также от физического состояния полимера внутри цилиндра шнековых (червячных) экструзионных машинах обычно выделяют три рабочие зоны: загрузка, плавления и дозирования. Такое разделение носит несколько условный характер, поскольку отсутствуют четкие границы раздела; например, плавление полимера начинается в зоне загрузки, а заканчивается в зоне дозирования. Тем не менее, в существующих конструкциях машин имеется геометрическое разделение на зоны, обусловленное размерами шнека и его геометрией.

За зону загрузки обычно принимают длину шнека от загрузочного отверстия до места появления слоя расплава на поверхности цилиндра или шнека.

Зона плавления - это участок шнека от начала появления расплава до полного плавления слоя гранул или неполного плавления, но разрушения оставшегося твердого слоя гранул на части, распределения его в расплаве, и перехода на движение расплава за счет вязкого течения.

В зоне дозирования происходит окончательное плавление оставшихся частиц, выравнивание температуры расплава полимера по сечению и его гомогенизация, т.е. тщательное перемешивание расплава и придание ему однородных свойств за счет сдвиговых деформаций вязкого течения в каналах шнека.

Назначение основного агрегата - экструдера состоит в перемещении, уплотнении, пластикации и гомогенизации полимерной массы направляемой в формующую головку. Процесс перемещения материала зависит от коэффициентов трения материала о шнек и внутреннюю поверхность материального цилиндра. Чем меньше трение между шнеком и полимером и чем выше между внутренней поверхностью материального цилиндра и полимером, тем лучше проходит процесс движения материала. Пустоты между частицами материала заполнены воздухом, его необходимо удалить. Необходимое для уплотнения материала давление достигается за счет уменьшения глубины нарезки шнека. Плавление полимера происходит за счет теплопередачи от материального цилиндра и трения о шнек и цилиндр.

После плавления происходит гомогенизация расплава, это достигается тщательным перемешиванием и циркуляцией расплава.

Наряду с осевым потоком определяющими для гомогенизации являются: радиальный поток (вращательное движение) и противопоток (возникающий под действием давления в головке) и поток утечек (возникающий в зазоре между шнеком и материальным цилиндром).

Давление внутри цилиндра экструдера возникает из-за противодействия, которое встречает на своем пути расплав, перемещаемый шнеком. С ростом давления в форующей головке увеличивается время деформирования расплава и растет скорость сдвига в каналах шнека, что способствует лучшей гомогенизации расплава, а, следовательно, повышению качества изделий. Однако из-за перепада давления в зоне дозирования происходит снижение производительности.

Давление в экструзионной головке определяет характеристики экструдера. Если входное давление непостоянно, то таким же непостоянным окажутся геометрические размеры экструдата. Возникают продольные полосы. При возникновении избыточного давления возможен разрыв материального цилиндра или головки, что представляет большую опасность.

Рис. 5.1. Различные варианты конструкций шнеков: а - с гладким наконечником; б - наконечник оснащен смесительным узлом с выступающими шипами, в - шнек снабжен улучшенным смесительным узлом, г - смесительный узел с поперечными отверстиями на витках нарезки шнека.

Гомогенизация расплава в зоне дозирования значительно возрастает при использовании шнеков со специальными смесительными насадками на конце. Обычно для переработки полиэтилена, полистирола и полипропилена применяют конструкцию с выступающими профильными шипами, которые разбивают поток, обеспечивают интенсивное перемешивание расплава и одновременно выравнивают температуру по сечению (рис.5.1б). При изготовлении пленок, когда нужна высокая степень гомогенизации, применяют шнеки, на конце которых кроме выступающих шипов имеется зона с продольными пазами (рис.5.1в). Пазы на конце шнека выполнены не сквозными, поэтому расплав из питающих пазов через узкий радиальный зазор перетекает в рядом расположенные , таким образом все не расплавившиеся частички в узком зазоре за счет высокой скорости и напряжений сдвига разрушаются и плавятся. Для исключения разложения полимеров, оставшегося при остановке экструдера, продольные пазы выполняют винтовыми или наклонными, расположенными под углом 45°, чтобы в конце работы почти весь расплав из канавок выдавливался, необходимо заметить, что для обеспечения течения расплава в продольных пазах, затрачивается давление и это приводит к снижению производительности экструдера.

Весьма эффективно обеспечивает гомогенизацию конструкция, шнек которой имеет поперечные фигурные отверстия в выступах нарезки. За счет многократного перетекания расплава из одного витка в соседний, расплав интенсивно перемешивается (рис.5.1г). Конструкции с продольными пазами с выступающими шипами не целесообразно использовать при переработке не термостойких полимеров. В этих случаях применяется шнек с гладким коническим наконечником (рис.5.1а).