Full Text

Экструзия представляет собой непрерывный технологический процесс, заключающийся в продавливании материала через формующий инструмент, с целью получения изделия с поперечным сечением нужной формы. В промышленности методом экструзии изготавливают различные погонажные изделия, такие как трубы, листы, плёнки, оболочки кабелей, элементы оптических систем светильников и т.д. [1]. Основным технологическим оборудованием для переработки полимеров в изделия методом экструзии являются одночервячные шнеки, хотя в последнее время наметился переход к шнекам с более сложной геометрией. В зоне плавления таких шнеков расположен дополнительный (барьерный) гребень, делящий канал плавления на два – «канал твердой фазы», содержащий твердую пробку, где и протекает процесс плавления, и «канал расплава», служащий для транспортирования и гомогенизации расплава. При такой конструкции увеличивается разогрев материала, проходящего над барьерным гребнем, и повышается однородность расплава полимера. Зазор над барьерным гребнем в 5–6 раз больше зазора над основным гребнем, что обеспечивает относительно малое сопротивление для потока расплавленного полимера, переносимого из канала твердой фазы в канал расплава [2, 3]. Для более подробного исследования процессов тепло-, массопереноса, протекающих в каналах таких шнеков, была разработана математическая модель, учитывающая наличие дополнительного гребня, а также неньютоновский характер течения расплава полимера [4]. С помощью разработанной программы было проведено численное исследование процессов плавления в экструдерах с неклассической геометрией. Ниже приведены характерные зависимости изменения формы пробки по длине и распределения температур к канале, полученные для шнека неклассической геометрии (изменяется высота каналов при неизменной ширине). Расчет проводился для шнека, с базовой геометрией, заданной ниже; при расходе 78,7 кг/ч. Базовая геометрия и режим работы шнека Диаметр шнека90 мм Число витков8/8/10 Глубина канала в зоне загрузки15 мм Глубина канала в зоне дозирования7 мм Угол навивки17,23о Ширина основного гребня11,5 мм Частота вращения шнека60 об/мин Расход41 кг/ч Ширина барьерного гребня принималась равной 16 мм, зазор над барьерным гребнем составлял 1 мм. Перерабатываемый материал – полиэтилен высокой плотности. Физические свойства полиэтилена высокой плотности Свойства расплава полимера Показатель аномалии вязкости0,5 Температурный коэффициент0,007 °С–1 Начальная вязкость25000 Па.с Теплопроводность0,182 Вт/м°С Плотность779 кг/м3 Свойства твердого полимера Теплопроводность0,335 Вт/м°С Плотность920 кг/м3 Теплоемкость2680 Дж/кг°С Температура плавления130 °С На рис. 1 представлена типичная картина изменения формы твердой пробки в зоне плавления шнека. Здесь же приведена зависимость изменения расхода нерасплавленного полимера по длине канала. Из рисунка видно, что до введения барьерного гребня плавление материала с различной скоростью происходит одновременно по всей криволинейной поверхности раздела фаз. На этом участке механизм процесса плавления можно объяснить следующим образом: тепло, расходуемое на нагрев и плавление, поступает в расплав от двух источников: внешнего и внутреннего, обусловленного энергией вязкого трения и действующего в каждой точке расплава полимера. Перенос тепла, в том числе и к границе твердой фазы, осуществляется как за счет конвективного, так и за счет диффузионного механизма. Однако в силу плохой теплопроводности полимерных материалов и интенсивной циркуляции расплава вклад конвективного переноса тепла превалирует над диффузионным. Поэтому наиболее нагретые слои расплава полимера у поверхности цилиндра уносятся к толкающему гребню нарезки червяка, где и происходит наиболее интенсивное плавление материала. В точке А начинается конусная часть канала. С этого момента барьерный гребень отделяется от основного, уплотняя пробку полимера и поджимая ее к нагретому корпусу. Однако для упрощения мы пренебрегли данной переходной зоной, приняв, что на этом участке плавление происходит по классическому механизму. Начиная с точки В, в канал шнека внедряется барьерный гребень. При этом твердая пробка уплотняется и перераспределяется в канале твердой фазы. Если пробка не влезает в канал, ее ускоряют, сохраняя расход твердой фазы постоянным. Теперь механизм плавления существенно отличается от предыдущего. Рис. 2. Поля температур Пробка полимера постоянно поджимается к разогретой верхней стенке, а весь вновь расплавленный полимер удаляется в канал расплава. А так как пленка полимера над пробкой достаточно тонка, она не вносит существенного теплового сопротивления. Вследствие этого количество тепла, поступающего в твердую фазу, за счет теплопроводности увеличивается и соответственно скорость плавления возрастает, что соответствует резкому снижению расхода твердой фазы (см. рис. 1). Такой режим, при котором пробка все время поджимается к нагретой поверхности, был бы наиболее целесообразен. Однако практически он труднодостижим, поскольку при малейшем отклонении от заданных условий переработки возрастает вероятность закупорки. Поэтому вследствие недостаточного поджатия пробки над ней начинает образовываться собственный бассейн расплава, и скорость плавления снижается (вторая половина кривой ВС (см. рис. 1). Поля температур, представленные на рис. 2, построены в виде изотерм. Светло-серая область соответствует нерасплавленной пробке полимера, темно-серая – барьерному гребню. На рисунке отчетливо видна область максимального нагрева, которая образуется у толкающей стенки. Также можно заметить, что при введении барьерного гребня в зазоре над пробкой возникают большие градиенты температур, ускоряющие процесс плавления. Таким образом, можно сделать вывод о значительной интенсификации процесса плавления при введении в зону плавления барьерного гребня.

About the authors

Vladislav Vasil'evich Chernyaev

Email: ktei@pstu.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 18

PDF (Russian) - 7

Refbacks

• There are currently no refbacks.