1.1.4 Зона дозирования (III)

Продвижение гетерогенного материа­ла (расплав, частички твердого полимера) сопровождается выде­лением внутреннего тепла, которое является результатом интен­сивных сдвиговых деформаций в полимере. Расплавленная масса продолжает гомогенизироваться, что проявляется в окончатель­ном плавлении остатков твердого полимера, усреднении вязкости и температуры расплавленной части. В межвитковом пространст­ве расплав имеет ряд потоков, основными из которых являются продольный и циркуляционный. Величина продольного потока (вдоль оси шнека) определяет производительность экструдера Q, а циркуляционного — качество гомогенизации полимера или сме­шения компонентов. В свою очередь, продольный поток склады­вается из трех потоков расплава: прямого, обратного (по шнеку) и потока утечек.

На рисунке 4 показаны эпюры распределения скоростей пря­мого (а), обратного (б) и результирующего (в) потоков расплава в межвитковом пространстве шнека. Если бы не было сопротивле­ний потока (например, при отсутствии сеток и головки), то рас­пределение скоростей V результирующего потока изобразилось бы рисунке 4, а: у поверхности шнека V— max, у неподвижной по­верхности цилиндра V= 0.

Рисунок 4 - Эпюры скоростей расплава:

а — прямой поток; б — обратный поток; в — результирующий поток;

h — расстояние между движущейся (шнек) и неподвижной (цилиндр) поверхностями.

При наличии сеток, оснастки, трения о поверхность цилиндра и шнека создается обратный поток, или противоток (рис. 4, б). Результирующий поток, изображенный на рисунке 4, в, представ­ляет собой сумму эпюр, приведенных на рисунке 4, а и б. При от­сутствии сопротивления расплава (сняты головка, сетки) давле­ние чуть больше атмосферного; при максимальном сопротив­лении (заглушка вместо головки) давление максимально, а величины прямого и обратного потоков равны.

α = ; β = ; γ = ,

здесь D — диаметр, L — длина, h — глубина нарезки; φ — угол подъема винтовой линии шнека; δ — зазор между гребнем и поверхностью цилиндра; е — ширина гребня шнека.

Рисунок 5 - Зависимость производитель­ности Q от давления Р расплава на вы­ходе из экструдера: 1,2 — характеристики шнека; 3 — характе­ристика головки;

а и б — рабочие точки.

1.1.5 Течение расплава через сетки и формующую оснастку

Расплав вращающимся шнеком продавливается через решетку, к которой прижаты металлические сетки. Сетки фильтруют, гомогенизиру­ют и создают сопротивление движению расплава, на них теряется часть давления. Проходя через систему фильтрующих сеток, пор­ции полимерного расплава с большей вязкостью задерживаются на сетках. Этого времени должно хватить для того, чтобы порция расплава достигла нужной температуры. Сверхвысокомолекуляр­ные фракции полимера и различные примеси задерживаются сет­ками и через некоторое время их вместе с сеткой удаляют из ци­линдра экструдера.

После прохождения сеток гомогенизированный расплав под остаточным давлением (Р = 5,0+35 МПа) продавливается в фор­мующую оснастку и, приобретая определенный профиль, выходит практически под очень небольшим избыточным давлением из фильерной части головки.

Кривая 3 на рисунке 5 показывает зависимость Q от Р. Коли­чество расплава Q_roJl, выходящего через головку, можно предста­вить следующим соотношением:

Q_{гол =}

где ΔР= Р — Р_вых перепад давления в головке (здесь Р — давление на входе в го­ловку — конец зоны III, Р_вых — давление на выходе из головки); — вязкость рас­плава в головке; К — постоянная, характеризующая сопротивление течению рас­плава в каналах и формующей части головки.

Если в головке имеется только один цилиндрический канал, например для изготовления прутка, то

K = ,

а уравнение преобразуется в известное уравнение Пуазейля. Для участков головки с плоской формующей щелью

K = , δ = δ_щ

с кольцевой

K = π(R_H + R_B)(R_H – R_B)³/(12l_ϕ),

где R_H — наружный радиус щели ; R_B — внутренний радиус щели; w — ширина ще­ли; δ_щ — толщина щели; l_ϕ — длина формующей части щели.

Таким образом, из этих трех основных форм сечений участков головок можно рассчитать К головки, состоящей из их сочетаний.

Для получения качественных изделий необходимо, чтобы за­ключительный отрезок пути l_ϕ расплава перемещался при постоян­ной толщине 5_Щ формующей части (рис. 6). В этом случае про­исходит наиболее полное выравнивание скоростей движения расплава, проходят релаксационные процессы, ликвидируется пуль­сация и т. д. Чем длиннее l_ϕ (больше l_ϕ/δ_щ), тем меньше пульса­ция расплава. В зависимости от типа выпускаемого изделия и тре­бований к точности его размеров значения l_ϕ/δ_щ находятся в пре­делах 20—60.

Рисунок 6 - Схема листовальной головки:

D — ширина (диаметр) подводящего канала от экструдера; w — ширина формую­щей щели; l₀ и l₁ — длины пути расплава; l_ϕ — длина плоской формующей части щели; δ_щ — толщина формующей щели