Схема установки

Основным оборудованием экструзионного процесса является червячный пресс или экструдер, оснащенный формующей головкой, в котором происходит непрерывная пластикация и гомогенизация полимера, получение однородного расплава и его выдавливание через формующую головку в виде профиля изделия.

Принципиальное устройство одношнекового экструдера:
1-шнек; 2-материальный цилиндр; 3-загрузочный бункер; 4-охлаждающие каналы; 5-кольцевые зонные нагреватели; 6-термопары; 7-формующая головка; 8-корпус экструдера; 9-механическая передача; 10-патрубок для отвода охлаждающей воды; 11-подшипниковый узел; 12-электродвигатель.

Принцип работы

Принципиальное устройство одночервячного экструдера показано на рисунке. Полимерный материал из бункера 3 поступает в материальный цилиндр 2, захватывается вращающимся червяком 1 и транспортируется к формующей головке, фрагмент которой показан позицией 7. При этом полимер в первой, питающей, зоне червяка l₁ размягчается и уплотняется в пробку, в зоне сжатия l₂ он расплавляется, а в зоне дозирования l₃ гомогенизируется и подготавливается к подаче в формующую головку. Для обеспечения требуемого теплового режима и условий транспортирования на материальном цилиндре установлены зонные кольцевые нагреватели 5 с индивидуальными вентиляционными устройствами; участок цилиндра вблизи загрузочного отверстия охлаждается водой по каналам 4, а для контроля температуры служат термопары 6. Конструкция червяка, как правило, предусматривает его внутреннее охлаждение водой, подаваемой и отводимой через устройство 10. Червяк получает вращение от электромеханического привода, состоящего из электродвигателя 12 постоянного или переменного тока и редуцирующей механической передачи 9. Осевое усилие, действующее на червяк в направлении, противоположном транспортированию расплава, воспринимается подшипниковым узлом 11. Все рабочие узлы экструдера смонтированы в корпусе 8.

Червяк. Служит для транспортировки, перемешивания и подачи расплава под определенным давлением в формующую головку.
Основными геометрическими параметрами червяков являются диаметр, длина, зонность, глубина канала по зонам, шаг и направление винтовой линии, а также коэффициент сжатия, показывающий отношение объема одного витка винтового канала в зоне загрузки к объему одного витка в зоне дозирования.
Для переработки термопластов обычно применяются цилиндрические червяки с постоянным шагом и переменной глубиной винтового канала. Они сравнительно просты в изготовлении и обеспечивают высокую производительность. Чем больше диаметр червяка, тем выше производительность экструдера.
Длина червяков L характеризуется её отношением к диаметру D. Это соотношение может изменяться в интервале 8-35.
Зонирование червяков, т.е. изменение глубины канала по длине на отрезки, зоны зависит от физико-химических свойств термопластов. Существует три группы червяков для переработки термопластов:

• с высоким содержанием кристаллической фазы (полиолефины, полиамиды);
• частично-кристаллизующиеся, аморфные полимеры (полистирол, ПЭНП);
• аморфные полимеры с низкой термостабильностью (поливинилхлорид).

Цилиндр подвергается следующим воздействиям: неравномерному по длине нагреву; переменному давлению расплава полимерного материала, значение которого может изменяться от долей МПа, до 60-80 МПа; резким температурным колебаниям вследствие цикличности нагрева-охлаждения при терморегулировании. На рабочую поверхность цилиндра оказывают воздействие термохимические процессы, сопровождающие пластикацию полимера, его истирают абразивные частицы, входящие в состав перерабатываемого материала. Все это обуславливает применение как монолитных, неразъемных цилиндров, так и секционных конструкций, состоящих из отдельных частей, объединяемых фланцевыми соединениями. Кроме того, нередко в цилиндрах применяют запрессованные гильзы, изготовленные из высоколегированных хром-, никельсодержащих сталей.
Загрузочная часть секционного цилиндра имеет каналы или рубашку для охлаждения.

Питатели служат для равномерной подачи полимерного материала в цилиндр экструдера, что способствует равномерности выдавливания расплава из формующей головки. Многие полимерные порошкообразные материалы обладают способностью к образованию сводов над загрузочным отверстием цилиндра, что является одной из причин пульсации при подаче. Для предотвращения сводообразования используют простейшие ворошители, устанавливаемые непосредственно в бункере.

Привод экструдера должен обеспечивать плавное регулирование частоты вращения червяка и стабильность выбранного скоростного режима. Чаще других применяют электромеханические приводы, состоящие из электродвигателя и механической редуцирующей передачи. Для регулирования скорости вращения используют электродвигатели постоянного или переменного тока.

Выбор и расчет оборудования

Считается, что в зоне дозирования действуют три потока расплава: прямой, мнимый, обратный и поток утечек через радиальные зазоры между цилиндром и гребнем винтовой нарезки червяка.

Прямой поток иногда называют вынужденным. Он появляется в результате вращения червяка. Производительность прямого потока Q_пр определяется скоростью вращения червяка ω_ч и геометрическими характеристиками α винтового канала (глубина, ширина, шаг и наклона нарезки, диаметр червяка, профиль канавки):

Обратный (мнимый) поток Q_обр обусловлен сопротивлением движению расплава, которое определяется давлением в головке Δр и зависит от эффективной вязкости η:

Величина константы β зависит от глубины винтового канала, диаметра червяка, длины зоны дозирования.

Вектор движения обратного потока направлен навстречу вектору движения прямого потока и поэтому уменьшает его производительность.

Поток утечек Q_ут также создается давлением в головке Δр, направленным навстречу движению расплава. Он зависит от геометрической константы γ и вязкости расплава η. Окончательно производительность червяка одночервячного экструдера оценивается уравнением:

Производительность формующей головки Q_г зависит от общей геометрической константы сопротивления головки К, перепада давления расплава Δр и его эффективной вязкости η:

Для увеличения производительности стремятся повысить давление внутри головки, что достигается необходимой конструкцией её канала и снижением вязкости расплава. Поэтому процесс ведут при предельно допустимой температуре, обеспечивающей минимальную вязкость расплава.

Производительность экструдера с учетом сопротивления головки:

Расчет одночервячного экструдера кроме скорости вращения червяка и с учетом особенностей головки и червяка, расчет включает определение потребляемой мощности привода червяка, тепловой расчет и проверку на прочность основных механических узлов экструдера, а именно: червяка, цилиндра, подшипников червяка.

Скорость вращения червяка вычисляется по требуемым производительности, геометрическим характеристикам червяка и реологическим параметрам расплава перерабатываемого полимера.

Потребляемая мощность привода представляет собой сумму трех составляющих: мощности, расходуемой на преодоление трения полимера о стенки цилиндра и поверхность червяка; мощности, затрачиваемой на сдвиг расплава в кольцевом зазоре между червяком и цилиндром, и мощности, потребляемой на увеличение давления в расплаве.

Тепловой расчет состоит в определении необходимой мощности нагревателей материального цилиндра шнека, работающего в расчетном режиме, и сопоставлении ее с мощностью обогревателей выбранной машин. В результате должно соблюдаться соотношение