2.4.2. Технологические зоны экструдера.

Зона загрузки. Полимер в виде гранул, порошка или непрерывной ленты (экструзия резиновых смесей) поступает через загрузочную воронку в винтовой канал червяка и увлекается им за счет раз­ницы сил трения между полимером и стенкой цилиндра и поли­мером и стенками винтового канала. Очень грубой аналогией движения полимера на этой стадии является взаимодействие винта и гайки. Представим, что масса поступающего через бункер полимера — это гайка, а червяк — винт. При вращении винта «гайка» начинает перемещаться вдоль винта. Следует лишь иметь в виду, что эта «гайка» имеет возможность проскальзывать отно­сительно стенок цилиндра, препятствующих ее вращению. По­этому расстояние, на которое перемещается такая гайка-полимер за один оборот червяка, не равно шагу нарезки; за счет проскаль­зывания полимера относительно стенок оно во много раз меньше.

По мере движения полимера по червяку в нем развивается вы­сокое гидростатическое давление. Силы трения, возникающие па контактных поверхностях при движении полимера, создают работу трения. Выделяющееся при этом тепло идет на нагревание полимера. Некоторая часть тепла подводится также и за счет теплопроводности от стенок цилиндра.

Верхний предел, до которого нагревают стенку на этом участ­ке экструдера, определяется коэффициентом трения и его темпе­ратурной зависимостью. При слишком высокой температуре стен­ки интенсивные тепловыделения за счет работы внешнего трения при недостаточном теплоотводе приводят к преждевременному плавлению пристенного слоя полимера. При этом сила трения резко уменьшается, полимер начинает полностью проскальзывать относительно стенки цилиндра, и его движение вдоль червяка прекращается. При нормальном температурном режиме вначале образуется достаточно длинная пробка полимера, которая протал­кивается силами трения по винтовому каналу. Длина пробки дол­жна быть достаточно велика для того, чтобы развивающаяся вследствие относительного движе­ния продольная толкающая сила могла протолкнуть полимер через зону плавления.

По мере продвижения твердой пробки по каналу червяка давление в ней возрастает, пробка уплотняет­ся, поверхность пробки, соприкасаю­щаяся с внутренней стенкой цилинд­ра, нагревается, и на ней образует­ся тонкий слой расплава. Посте­пенно толщина этого слоя δ увели­чивается, и в тот момент, когда она станет равна толщине радиального зазора между стенкой корпуса и гребнем нарезки червяка, последний начинает соскребать слой рас­плава со стенки, собирая его перед своей толкающей гранью. Это сечение червяка является фактически концом зоны питания и на­чалом зоны плавления.

Зона плавления. В пределах зоны плавления полимерная проб­ка расплавляется под действием тепла, подводимого от стенки корпуса, и тепла, выделяющегося в тонком слое расплава за счет работы сил вязкого трения. На рис. V. 3 представлено сечение червяка на этом участке плоскостью, нормальной к оси винтового канала. Суммарный эффект поступательного движения полимерной пробки и вращения червяка проявляется в относи­тельном движении между стенкой корпуса и пробкой в направле­нии, показанном стрелкой. Под действием этого движения в тон­ком слое расплава, образовавшемся на наружной поверхности пробки, возникает течение, направленное к толкающей стенке ка­нала. Этот поток расплава натыкается на толкающую стенку и направляется вдоль нее, оттесняя материал пробки к передней стенке. В результате этого высота пробки остается примерно по­стоянной, а ширина по мере продвижения по червяку постепенно уменьшается.

Описанный механизм плавления пробки реализуется при ее движении по каналу до тех пор, пока сохраняется достаточная прочность пробки, т. е. пока ее ширина больше 0,1-0,2 ширины винтового канала. Как только ширина пробки уменьшается до этих значений, циркуляционное движение в слое расплава, соби­рающемся перед толкающей стенкой, разрушает остатки пробки, дробя ее на мелкие куски. Сечение червяка, в котором начинается дробление пробки, можно считать концом зоны плавления. От этого сечения и до конца червяка расплав полимера движется в зоне дозирования.

З она дозирования. Течение расплава в зоне дозирования проис­ходит под действием сил вязкого трения, развивающихся вслед­ствие относительного движения червяка и стенок цилиндра, подобно течению жидкости в винто­вых насосах — по винтовой тра­ектории (рис. V. 4). Принято представлять это течение как сумму двух независимых движе­ний: поступательного движе­ния расплава вдоль оси винтового канала (рис. V. 4, а) и цирку­ляционного (кругового) движе­ния в плоскости хоу, нормаль­ной к оси винтового канала (рис. V.4, б).

Объемный расход поступа­тельного течения определяет про­изводительность экструдера и, следовательно, лимитирует ско­рость движения пробки гранул в пределах зон питания и плавле­ния. Циркуляционное течение воз­никает вследствие существования составляющей скорости относи­тельного движения в направле­нии, перпендикулярном оси вин­тового канала, увлекающей рас­плав в этом направлении. Дви­гаясь поперек канала, поток встре­чает толкающую стенку и направ­ляется вдоль нее ко дну канала, а затем в обратную сторону. Цир­куляционное течение обеспечи­вает гомогенизацию расплава, вы­равнивает распределение темпе­ратур и позволяет использовать экструзию для смешения.

В начале зоны дозирования температура расплава равна температуре плав­ления. Продвигаясь в зоне дози­рования, полимер продолжает ра­зогреваться как за счет подвода тепла извне, так и за счет тепла, выделяющегося вследствие интен­сивной деформации сдвига. Одновременно идет процесс гомогени­зации расплава. Происходит окончательное расплавление мелких включений и выравнивание температурного поля. Для нормальной работы экструдера необходимо, чтобы расплав, поступающий к головке, имел заданную, однородную по сечению температуру. Поэтому время пребывания расплава в зоне дозирования должно быть достаточно для его прогрева и гомоге­низации.

Для правильного анализа процесса экструзии надо рассматривать совокупность всех его стадий, соблюдая условие постоянства материального расхода полимера для любого сечения червяка.

Лекция №3.