Основные положения теории экструзии
Экструдер представляет собой комбинацию шнекового транспортера и компрессора. В отношении транспортера, это можно представить себе как вывинчивание шнека обратно из массы материала. Поскольку сам по себе шнек не перемещается, то двигается материал и проталкивается к выходу. Пластмасса обладает высокой вязкостью и при течении по каналам шнека оказывает значительное сопротивление, для преодоления которого, т. е. для приведения шнека во вращение, требуется затратить определенную мощность. Шнек действует так же и как компрессор, так как загружаемый материал легче по объемному весу, чем расплав. Действительно, твердые гранулы более плотны, чем расплав, особенно у кристаллических полимеров, но между гранулами имеются промежутки, заполненные воздухом, которые и обусловливают значительно меньший объемный вес. Приведем типичные значения объемного веса (г/см3) для полиэтилена:
Объемный вес твердого полимера .......... 0,96 Насыпной вес гранул ................ 0,55 Объемный вес расплава при 205°С.......... 0,78 Таким образом, шнек сжимает гранулы и выталкивает воздух обратно к загрузочному отверстию, в то время как масса материала продвигается вперед вдоль шнека.
Шнек экструдера
Обычный шнек имеет три зоны: питания, сжатия и выдавливания. Гранулы полимера под действием собственного веса падают в зону питания, в которой они передвигаются на некоторое расстояние по цилиндру. Здесь гранулы нагреваются и размягчаются за счет тепла, поступающего от нагревателей, и тепла, образовавшегося за счет механической работы. В этой зоне шнек имеет постоянные размеры винтового канала: не меняется ни его шаг, ни глубина нарезки. Длина этой зоны составляет от 0 до 75% всей длины шнека. Большая длина принимается при переработке кристаллических полимеров, для расплавления которых требуются большие количества тепла, а меньшая — для аморфных полимеров, таких, например, как пластифицированный поливинилхлорид, сжатие которого может быть осуществлено сразу же при поступлении в экструдер. Для других, более жестких полимеров требуется период «нагревания», который обеспечивается за счет более длинной зоны питания, т. е. размягчение происходит до сжатия. В зоне сжатия осуществляется превращение размягченных гранул в однородный расплав. Сжатие происходит за счет уменьшения размеров винтового канала. Тепло, необходимое для расплавления, образуется за счет превращения механической работы сил трения, а также поступает от нагревателей цилиндра. Длина этой зоны обычно составляет около 50% всей длины шнека, но может составлять и 100% (для пластифицированных композиций поливинилхлорида) и 5% (для найлона, сжатие которого происходит за один виток, так как материалы такого типа плавятся в узком температурном интервале). Зона выдавливания, так же как и зона питания, имеет постоянную (но меньшую) глубину винтового канала. В этой зоне происходит пластикация материала и образуется расплав, однородный по структуре и температуре. Здесь проявляются большие деформации сдвига. Постоянное поперечное сечение зоны выдавливания дает возможность сглаживать любые неравномерности в скорости течения расплава, возникающие в других зонах шнека. Эта зона действует как насос постоянного объема. Длина зоны выдавливания может изменяться в широких пределах и зависит от типа полимера. Некоторые термопластичные материалы, например поливинилхлорид, очень чувствительны к перегреву и не могут нагреваться за счет значительного сдвига в этой зоне. Такие материалы должны выдавливаться из экструдера сразу же после расплавления, и поэтому для них зона выдавливания не нужна. Для дру гих материалов (полиолефины, полистирол) может быть получена польза от хорошего перемешивания в этой зоне, составляющей 20—25% общей длины шнека. Некоторые исследования, проведенные в последние годы, показали, что зона выдавливания, составляющая 50% общей длины шнека, обеспечивает хорошее смешение и высокую однородность расплава при высоких скоростях шнека. Это было проверено на промышленных машинах с диаметром шнека 63 и 114 мм. Такие шнеки находят все большее применение, особенно для смешения различных типов полистиролов и полиэтиленов. В них за счет интенсивной механической работы возникают высокие температуры, и поэтому они пригодны для переработки только термостабильных полимеров.
|