Зарегистрированных посетителей: 10368

"Особенности конструкции шнека для экструзии пленки"

С полными текстами всех статей вы можете ознакомиться на страницах журнала
Х. Эслами, д-р, Ф. Губерман, д-р,
Macro Engineering & Technology (Канада)

Шнек является ключевым элементом экструдера и любой экструзионной системы, подготавливая однородный расплав полимерного материала и продавливая его через экструзионную головку. Технологам или конструкторам следует с особым вниманием подходить к выбору или конструированию шнеков для экструзии пленки, особенно многослойной, учитывая сложность самого процесса и особенности реологии перерабатываемых материалов.

Введение

Пластицирующий шнек, который часто называют «сердцем» экструдера, является наиболее важной его частью, поэтому его конструкция имеет решающее значение для успешной работы любой системы экструзии. Правильно сконструированный шнек должен обеспечивать полное расплавление гранулята полимерного материала, гомогенизирование расплава и  создание соответствующей температуры и давления расплава перед его подачей в экструзионную головку. Свойства готовой пленки сильно зависят от качества расплава, поступающего в головку. Например, однородность толщины пленки напрямую зависит от однородности нагрева расплава полимера. Когда речь идет о производстве многослойных барьерных полимерных пленок, в которых используются полиамид (ПА), поливиниловый спирт или поливинилиденхлорид (ПВДХ), необходимо учитывать особенность их реологических свойств, заметно отличающихся от реологии полиолефинов (ПЭ или ПП). Поэтому шнеки для экструзии многослойных барьерных пленок должны конструироваться или выбираться исходя из необходимости получения структуры пленки без ущерба для многообразия требуемых свойств, например механических, барьерных, оптических и пр.

Начнем с рассмотрения базовых геометрических параметров шнека. Затем перейдем к рассмотрению влияния коэффициента сжатия, отношения длины шнека к его диаметру (L/D), зазора между гребнем винтовой части шнека (в дальнейшем  – винт шнека) и цилиндром, а также барьерной и смесительной секций на характеристики шнека. И  в  заключение остановимся на связи между реологическими свойствами используемых материалов и геометрическими параметрами шнека.

Геометрические параметры шнека

На рис. 1 схематично представлена конструкция «стандартного» пластицирующего шнека. Он состоит из трех основных секций – секции питания (называемой также секцией загрузки), секции пластикации (называемой также секцией плавления или переходной секцией) и секции дозирования. Секция питания обеспечивает подачу материала (грнул, «пушонки» из рециклята или порошка) вперед к секции пластикации.

Секция пластикации – это та часть шнека, где в основном и происходит плавление материала. Секция дозирования, называемая также зоной подачи расплава или зоной нагнетания, подает расплав далее вперед – к экструзионной головке.

На рис.  2 представлены типичные геометрические параметры винта пластицирующего шнека. Наиболее важными переменными геометрическими параметрами являются глубина h канала, угол j подъема винтовой линии шнека, ширина канала, шаг t винта, ширина b гребня винта и зазор s между гребнем винта шнека и цилиндром. Глубина h канала шнека является одной из наиболее важных переменных величин в конструкции шнека. Она обычно наибольшая в секции питания и наименьшая – в секции дозирования. Глубина канала уменьшается постепенно по мере перехода к секции пластикации (или сжатия), которая обеспечивает приложение к пластицируемому материалу повышенного давления.

Свойства сырья, поступающего в насыпном виде, его фрикционные параметры (имеются в  виду коэффициенты трения «гранула  – цилиндр», «гранула – шнек» и «гранула – гранула»), а также насыпной объем являются важными величинами для расчета геометрических параметров шнека в секции питания. Реологические и термические характеристики используемых материалов более важны при определении геометрических параметров шнека в секциях пластикации и дозирования.

Шаг t винта шнека определяется как расстояние между двумя последовательными витками и непосредственно связан с углом j подъема винтовой линии шнека, который представляет собой угол между стенкой гребня винта шнека и плоскостью, перпендикулярной оси шнека. Математически эта зависимость выражается следующим образом:
где D – диаметр шнека.

Если шаг винта равен диаметру шнека, то это будет так называемый «квадратный» шнек. Это часто встречающиеся шнеки, но следует заметить, что такая конструкция не всегда оптимальна и должна выбираться с учетом реологических свойств используемых материалов.

Коэффициент сжатия

Коэффициент сжатия (иначе – компрессии) также является важным параметром, который необходимо задавать при конструировании шнека. Требуемое значение коэффициента k сжатия достигается путем изменения объема канала шнека. При неизменной ширине каналов шнека величина k определяется соотношением глубины каналов в секции питания h пит и глубины каналов в секции дозирования h доз:

Однако в случае разработки специальных шнеков, например барьерных, у которых шаг винта переменный, значение k определяется более сложной формулой. Стоит отметить также, что сама по себе величина k является недостаточным параметром при конструировании шнеков. Например, если глубина канала колеблется в пределах от 16 мм в секции питания до 4 мм в секции дозирования, то коэффициент k составляет 4:1, однако то же его значение будет достигаться при изменении глубины канала в пределах от 12 от 3 мм. И два этих шнека могут вести себя абсолютно по-разному при переработке полимерного материала, несмотря на одинаковое значение k.

Важным параметром конструкции шнека, который тесно связан с коэффициентом сжатия, является скорость нарастания компрессии, определяемая уклоном в секции пластикации. Для обеспечения эффективного плавления коэффициент сжатия и уклон секции пластикации следует выбирать с учетом скорости плавления перерабатываемого полимерного материала.

В принципе, компрессия материала должна учитывать разницу между его объемом в гранулированном и расплавленном состояниях. Очевидно, что полуфабрикат с малой насыпной плотностью, например «пушонка», требует большего сжатия при плавлении, чем гранулят, а  гранулят из крупных гранул в  свою очередь требует большего сжатия, чем из гранул меньшего размера. Имеет также значение коэффициент теплового расширения расплава: при большем его значении требуется и более высокая степень сжатия материала.

Отношение длины шнека к его диаметру

Еще одним важным контруктивным параметром шнека является отношение длины L его винтовой части к его наружному диаметру D (L/D). Обычно это отношение находится в пределах от 20:1 до 34:1. Длина шнека зависит от количества секций, предусмотренных его конструкцией, что в свою очередь зависит от назначения шнека и перерабатываемых материалов. Для стандартных шнеков с тремя функциональными секциями (питания, пластикации и дозирования) типичное значение L/D составляет 24:1. Однако для процессов экструзионного производства пленки поливом или раздувом, которые требуют хорошо гомогенизированного расплава без геликов со стабильными значениями температуры и давления, неизбежно возникает потребность в дополнительных секциях. Например, в таких случаях для обеспечения подачи к экструзионной головке однородного расплава в конструкцию шнеков часто вводят дополнительно один или несколько смесительных элементов, поэтому такие шнеки должны быть длиннее, чтобы можно было разместить дополнительные секции. Типичное значение отношения L/D для шнеков, используемых для экструзии пленки, составляет 30:1. Для процессов, требующих дегазации, используются так называемые двухзонные шнеки, для которых рекомендуется задавать отношения L/D, превышающие 32:1.

Зазор между гребнем винта шнека и цилиндром

Обычно считается, что зазор между гребнем винта по наружному диаметру шнека и стенкой цилиндра должен составлять 0,1 % диаметра шнека. Неправильный выбор величины этого зазора отрицательно скажется на характеристиках шнека: слишком маленький зазор вызовет повышенный износ гребней, а слишком большой приведет к снижению эффективности плавления материала. В последнем случае это связано с тем, что при слишком больших зазорах на поверхности цилиндра может образовываться толстая пленка расплава, снижающая его теплопроводность. Большой зазор между шнеком и цилиндром может также вести к снижению производительности переработки из-за обратного потока расплава через зазор (течение по зазору).

Барьерный шнек в сравнении со стандартным пластицирующим шнеком

Потенциальной проблемой при использовании стандартных пластицирующих шнеков является некачественный расплав, особенно при высоких скоростях работы шнека. У таких шнеков эффективное плавление материала происходит в том случае, если твердая фаза сохраняет целостность в течение всего периода прохождения секции пластикации.


Рис. 3. Схема процесса плавления полимерного материала в стандартном пластицирующем шнеке (разделение твердой фазы происходит в конце секции пластикации)



Рис. 4. Схема процесса плавления полимерного материала в барьерном шнеке


Однако на практике это не всегда так, потому что при больших скоростях работы шнека твердая фаза часто разделяется (рис. 3) и после этого расплавление оставшихся целыми гранул может происходить только за счет конвекции тепла от окружающего расплава, а плавление за счет конвективной теплопередачи не является для полимерных материалов эффективным из-за их ограниченной теплопроводности. Таким образом, возникает вероятность того, что не расплавившийся полимер может попасть в  экструзионную головку и остаться в экструдате – это одна из причин образования геликов в готовой пленке.

В барьерных шнеках эту проблему можно решить за счет отделения каналов расплава и твердой фазы друг от друга путем использования вторичного витка, называемого барьерным. Барьерная секция, где в основном и происходит плавление материала, размещается между секциями питания и дозирования. Обычно ею просто заменяют секцию пластикации, однако есть шнеки, у которых одновременно присутствуют и секция пластикации, и барьерная секция.

Существует много различных конструкций барьерных шнеков, но все они сделаны по одному и тому же принципу разделения твердой фазы и фазы расплава, как показано на рис.  4. Правильно сконструированный барьерный шнек позволяет увеличить производительность и снизить температуру расплава благодаря повышению эффективности плавления.

На рис. 5 представлены два основных варианта конструкции барьерных шнеков: шнек с постоянной глубиной канала и шнек с постоянной шириной канала. В первом случае глубина каналов фазы расплава и твердой фазы остается неизменной, при этом канал твердой фазы сужается по длине шнека, а канал расплава – расширяется. У шнеков с постоянным шагом винта, наоборот, ширина обоих каналов остается неизменной на протяжении всей барьерной секции, а глубина соответственно меняется: у канала твердой фазы она уменьшается, а у канала расплава увеличивается.

Секция дозирования

В настоящее время почти все шнеки для экструзии пленки снабжаются какими-либо элементами для перемешивания расплава, потому что для получения бездефектной пленки в экструзионную головку надо подавать расплав очень высокого качества, чего без наличия в шнеке секции смешивания достичь нелегко. В принципе, в экструдере имеют место два механизма смешивания – дисперсионное и дистрибутивное. При экструзии пленки дисперсионные смесители в основном используются для удаления геля из расплава. Дистрибутивные смесители применяются, в частности, для получения термически гомогенизированного расплава. Для процесса экструзии пленки это очень важный момент, потому что плохая гомогенизация отрицательно влияет на качество готовой продукции, особенно на равнотолщинность пленки. Температура расплава также сказывается и на оптических свойствах готовой пленки. Как для дисперсионного, так и для дистрибутивного смешивания было разработано много специальных элементов. В процессе экструзии пленки наиболее широко применяются два их типа – смесители Мэддока и смесители типа «ананаса» (рineapple), имеющие специальные выступы на смесительном элементе.

Смеситель Мэддока (или смеситель компании Union Carbide), известный как смесительный элемент с большим усилием сдвига, обеспечивает не только дисперсионное, но и дистрибутивное смешивание. Он также обеспечивает высокую эффективность плавления. В принципе, элементы с высоким сдвиговым усилием в основном используются для дистрибутивного смешивания, однако в шнеках, специально разработанных для процесса экструзии пленки, зоны Мэддока обычно играют роль секций дополнительной пластикации, которые помогают избежать присутствия нерасплавившегося полимера в конце зоны дозирования. Следует отметить, что высокая скорость сдвига и, следовательно, приложение большого напряжения сдвига к расплаву полимера при прохождении через небольшой зазор барьерного витка могут вызвать рост температуры расплава.

У спиральных смесителей Мэддока (они также называются смесителями со спиральным сдвигом) выбор ширины гребня винта из расчета получения оптимальных характеристик сдвига и трения о стенки цилиндра позволяет снизить влияние скорости сдвига на рост температуры расплава. Смеситель типа Pineapple обычно используется как дистрибутивный, он непрерывно разделяет и вновь соединяет в другой комбинации различные потоки для обеспечения однородности расплава полимера. Это смеситель с малым усилием сдвига, что может быть очень удобно для процесса экструзии пленки, где термически гомогенизированный расплав является обязательным требованием. Другие виды дистрибутивных смесителей, например, многолопастные, также могут быть полезны при переработке таких чувствительных к температуре материалов, как, например, ПВХ, благодаря своей способности обеспечивать перемешивание расплава без приложения к нему слишком больших сдвиговых напряжений.

Реологические свойства расплавов полимерных материалов

Известно, что реологические свойства полимера играют важную роль в определении конструкции шнека и его характеристик. С точки зрения реологии в шнеке экструдера имеют место два различных вида течения – сдвиговое и продольное (течение сжатия-растяжения). Хотя есть некоторые секции шнеков, где продольное течение играет свою роль (например, отдельные части смесителей), в канале шнека обычно преобладает сдвиговое течение.

В связи с этим характеристики потока экструдируемого расплавленного полимера со сдвиговым течением являются очень важными для изучения при определении соответствующей конструкции штока.

На рис. 6 показана характерная кривая зависимости сдвиговой вязкости от скорости сдвига для типичного потока расплава полимерного материала или, иначе, кривая течения, которая состоит из трех областей. В области I скорость сдвига невелика. Эту область обычно называют областью ньютоновского течения, поскольку связь между напряжением t и скорость сдвига линейная и выражается за- коном Ньютона:
t = η ⋅ , где η – коэффициент вязкости или просто вязкость, имеющая постоянное значение. Эту вязкость называют также ньютоновской вязкостью или вязкостью при нулевой скорости сдвига.

Область II представляет собой переходную зону, где при увеличении скорости сдвига вязкость начинает нелинейно уменьшаться. И, наконец, область III является областью «разжижения» или, иначе, неньютоновского или степенного течения, где при увеличении скорости сдвига вязкость расплава уменьшается, а течение описывается степенным законом:

где m и n – константы в определенном диапазоне скоростей сдвига. По углу наклона кривой течения в этой области (в  двойных логарифмических координатах) определяется показатель степени n этой зависимости, называемый индексом течения. Индекс течения является показателем чувствительности полимера к сдвигу: чем меньше индекс, тем более будет склонен полимер к разжижению при сдвиге.

Определение геометрических размеров шнека (глубины канала, угла подъема винтовой линии, шага винта и зазора между гребнем и стенкой цилиндра) и проектирование барьерной и смесительной секций должны производиться с учетом кривой течения перерабатываемого материала. Например, для материалов с малой вязкостью канал шнека в секции дозирования должен быть относительно неглубоким, а для вязких материалов, напротив, – глубоким.

Стоит также отметить, что индекс течения расплава MFI (melt flow index) или, иначе, показатель текучести расплава (ПТР), который является техническим критерием оценки вязкости расплава, соответствует значению сдвиговой вязкости лишь в одной конкретной точке и использование ПТР вместо кривой течения при конструировании шнека может привести к ошибкам в определении его геометрических параметров.

Обычно значение угла j подъема винтовой линии берут равным 17,66°, что соответствует «квадратному» шнеку, однако такой угол не всегда будет оптимален, поскольку между величиной j и индексом течения n имеется взаимосвязь: с увеличением значения n должно увеличиваться и оптимальное значение j.

Другими словами, чувствительные к сдвигу материалы требуют меньших углов подъема винтовой линии, а менее чувствительные – бóльших. Для успешной экструзии пленок из таких чувствительных материалов правильное определение угла подъема винтовой линии имеет решающее значение.

Основная сложность при проектировании шнеков для работы с термочувствительными барьерными материалами типа ПВДХ, ПВХ, поливинилового спирта и т.п. состоит в том, что конструкция шнека должна позволять им задерживаться в экструдере как можно меньше времени и в то же время обеспечивать передачу на вход экструзионной головки хорошо гомогенизированного расплава. Иначе говоря, конструкция шнека должна давать экструдеру возможность успешно выполнять его основную функцию за более короткий период времени, так как при излишней задержке в  материальном цилиндре полимера последний может заметно деструктировать. При оптимальных условиях переработки короткое время пребывания полимера в экструдере требует меньшей длины шнека, а это означает необходимость снижения у шнека отношения L/D. У более коротких шнеков будет меньше пространства для размещения смешивающих элементов, которые гомогенизируют расплав, поэтому длину каждой функциональной секции шнека следует тщательно просчитывать, исходя из реологических и термических свойств перерабатываемых материалов.

Заключение

Свойства получаемой путем экструзии пленки напрямую зависят от качества экструдата. Удачная конструкция шнека будет обеспечивать получение гомогенного расплава с постоянными значениями температуры и давления на входе в экструзионную головку. Для эффективного плавления геометрические параметры шнека должны соответствовать скорости плавления перерабатываемого полимерного материала. Правильная конструкция барьерного шнека обеспечивает повышенную производительность и более низкую температуру. Наличие дополнительной смесительной секции необходимо для шнеков, используемых в процессах экструзии пленки, поскольку эти процессы требуют хорошей гомогенизации расплава. При конструировании любого пластицирующего шнека следует учитывать реологические свойства перерабатываемого материала, особенно кривую его течения.

Features of Screw Design for Film Extrusion Process
H. Eslami, F. Guberman Screw is the key of the extruder. Its purpose is
to melt polymers, homogenize it and properly meter towards the die. Understanding a screw
functionality, parameters influencing the screw design, a role of each screw part is a
powerful tool for right selecting of extrusion equipment and troubleshooting process
problems. In the article these questions are discussed; recommendations are made.

Источник: журнал "Полимерные материалы" 2014 г. №6




Журнал

В следующем номере

    Тема номера: ДОБАВКИ
  • Инновационные добавки Dow Corning для повышения характеристик полимеров и оптимизации процессов их переработки
  • Возможности химической и физической модификации полимерных материалов
  • Исследование влияния насыщенных пластификаторов на свойства вулканизованных смесей EPDM/PVC
  • Читать полностью

Популярные запросы

Гидроизоляционные мастики
Производители экструдированного пенополистирола
Втулки из фторопласта
Линейный полиэтилен высокого давления
Инженерные пластики
Литье изделий из пластмасс
Битумно полимерные мастики
Вертикальный тпа
Проектирование трубопроводов
Производство пвд пакетов

Контакты

Адрес редакции:
105066, Москва, Токмаков пер., д. 16, стр. 2

Редакция:
Главный редактор:
Гончаренко Виктор Алексеевич, д.т.н.
E-mail: victor-gonchar@mail.ru
Редактор:
Сергеенков Алексей Петрович, к.т.н.
E-mail: alexeyserg@mail.ru

Отдел подписки:
Прямая линия: 8 (800) 200-11-12
бесплатный звонок из любого региона России
E-mail: podpiska@vedomost.ru

Отдел рекламы:
Прямая линия:
+7 (499) 267-40-10
E-mail: reklama@vedomost.ru

Вопросы работы портала:
E-mail: support@polymerbranch.com

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100
Логин или E-mail
Пароль (Забыли пароль?)
Запомнить
Если Вы ещё не зарегистрированы в системе, Вам необходимо зарегистрироваться
Введите E-mail:
Sun, 25 Jun 2017 17:00:01