Основой теоретического анализа работы червячного экструдера является установление закономерностей движения полимера в цилиндре под влиянием вращающегося червяка. На рис. 4.8 изображен червяк общего назначения с тремя зонами: загрузки (питания), сжатия (плавления) и дозирования (выдавливания).

Зона загрузки—это участок черняка от загрузочного отвер­стии до места появления слоя расплава на поверхности ци­линдра или червяка. Гранулы или порошок полимера поступа­ют в зону загрузки из бункера и захватываются витками вра­щающегося червяка. Червяк заставляет вращаться частицы твердого полимера, и в то же время они продвигаются в осе­вом направлении, подобно свинчиваемой гайке с вращающегося винта. Величина осевого перемещения материала зависит от соотношения коэффициентов трения между частицами полиме­ра и поверхностями червяка и цилиндра. Чем меньше коэффи­циент трения между червяком и материалом, тем больше ско­рость движения полимера в зоне питания.

Для уменьшения коэффициента трения поверхность червя­ка полируется до десятого или двенадцатого классов шерохова­тости поверхности. Рекомендуется также охлаждение червяка подачей внутрь воды, что несколько снижает коэффициент тре­ния материала о его поверхность.

Для увеличения коэффициента трения материала о поверх­ность цилиндра в современных экструдерах цилиндры снабжа­ются пазами. Профиль пазов делают прямоугольным, трапе­циевидным или в виде полуцилиндра с таким расчетом, чтобы в него входила половина гранулы полимера. Глубина паза по коду движения материала обычно уменьшается, н па расстоя­нии L--~(4 + 5)D от бункера поверхность цилиндра становятся гладкой. Пазы размещаются параллельно оси цилиндра или по спирали в направлении движения материала.

Экструдеры, снабженные цилиндрами с винтовыми канавка­ми. характеризуются высокой производительностью и малым ее колебанием в зависимости от различных факторов. Например, производительность таких экструдеров при переработке поли­этилена, полипропилена и поливинилхлорида н 1,5—2 раза вы­ше, чем экструдеров с гладким цилиндром. Увеличению коэф­фициента трения материала о поверхность цилиндра способст­вует нагревание последнего, тпк как с приближением темпера­туры к точке размягчения полимера коэффициент трения воз­растает (рис. 4.9).

Рис. 4.8. Червяк общего назначения: В. и - глубина нарезки а зоне загрузки и дозировании еоогааглтаенни; t — и:лг; <р •— )iu. i подъема пи тиной линии кареэки; а —Ширина гребни нарезки

Рис. 4.9. Зависимость коэффициента трения Г1ЭВП о поверхность цилиндра от темпера­туры

Другими факторами, влияющими па эффективность движения материа­ла в зоне питания, являются глубина о 'но гоо т,°с канала и угол подъема винтовой ли­пки нарезки. Смысл применения чер­ника с глубокой нарезкой очевиден, гак как при этом увели­чивается объем транспортируемого материала и обеспечива­ется максимальная производительность. Оптимальное значение угла подъема зависит от коэффициента трения полимера о по­верхность червяка. Как показали теоретические исследования и практика эксплуатации экструдеров, оптимальным является угол подъема винтовой линии нарезки, равный 17,7“.

Следовательно, максимальное перемещение твердых частиц полимера в зоне загрузки обеспечивается, если выполняются следующие условия: i) малое значение коэффициента трения < полимера о поверхность червяка; 2) высокий коэффициент тре­пня материала о поверхность цилиндра; 3) охлаждение черня­ка; 4) нагревание цилиндра в зоне загрузки до температуры, близкой к температуре плавления полимера; 5) глубокий канал винтовой нарезки в зоне загрузки; G) угол подъема винтовой линии нарезки червяка равен 17,7°.

В зависимости от вида перерабатываемого термопласта дли­на зоны загрузки может составлять от 0 до 75% всей длины червяка.

Зона сжатия — следующий за зоной загрузки участок чер­вяка. Размягченные и частично расплавленные гранулы термо­пласта из зоны за. грузкк поступают з зону сжатия, или зону плавления. За счет тепла нагревателей цилиндра и тепла внут­реннего трения материал окончательно переходит в вязкотеку­чее состояние.

Так как плотность расплава примерно в два раза больше, чем насыпная плотность твердого полимера, то образующийся расплав занимает вдвое меньший объем, чем гранулы. Поэто­му, чтобы расплав заполнил объем винтового канала целиком, что важно для интенсивного перемешивания, его необходимо сжать. Для обеспечения сжатия расплава червяк в зоне плав­ления имеет по ходу движения расплава уменьшающийся объ­ем винтового капала, что достигается за счет уменьшения глу­бины нарезки. Уменьшение объема винтового канала червяка оценивается степенью сжатия.

Степень сжатия — это отношение объема винтового канала в зоне загрузка к объему винтового канала в зоне дозирования

па длине в одна шаг:

Ке - V./Vv

где К» и Уд — объемы винтового канала з зонах загрузки и дознаования со - ответственно:

Наиболее распространены червяки с постоянным шагом и переменной глубиной нарезки, так как изготовить их легче, чем червяки с переменным шагом и постоянной глубиной нарезки.

Для червяка с постоянным шагом степень сжатия равна от­ношению глубины нарезки в зоне загрузки ft, к глубине нарез­ки в зоне дозирования ft-:

Kc = hb/hA.

Наряду с фактором увеличения плотности материала вдвое при плавлении по сравнению с насыпной плотностью твердого термопласта имеются и другие факторы, учитываемые при оп­ределении степени сжатия: колебание подачи материала при загрузке, эффективность перемещения твердых части и др. С учетом этих факторов рекомендуемая степень сжатия червя­ков для экструзии термопластов составляет от 2,8 до 3,5.

Длина зоны сжатия зависит от природы перерабатываемо­го полимера. Для экструзии кристаллических полимеров приме­няются червяки с короткой зоной сжатия, так как данные по­лимеры плавятся в узком температурном диапазоне. Аморфные полимеры переходят в вязкотекучее состояние постепенно, по­этому червяки для переработки аморфных полимеров имеют длинную зону сжатия.

Зона дозирования — последний участок червяка перед го­ловкой. Эта зона имеет постоянную, но. меньшую, чем в зоне загрузки, глубину канала. За счет развиваемых в зоне дози­рования больших сдвиговых деформаций происходит оконча­тельная пластикация и гомогенизация расплава и образуется однородный по структуре, температуре и вязкое™ расплав. В этой зоне происходит выравнивание скорости течения распла­ва. Зона дозирования работает как насос с постоянным объем­ным расходом и определяет фактическую производительность машины.

Длина зоны дозирования также зависит от типа перераба­тываемого полимера и может изменяться в широких пределах. Для термочувствительных полимеров (например, поливинил­хлорида) пребывание в этой зоне сопряжено с опасностью пере­грева и деструкцией, поэтому червяки для них должны иметь короткую зону дозирования или совсем по иметь этой зоны. Для других полимеров (полиолефииы, полистирол) зона дози­рования обеспечивает дополнительную пластикацию и гомоге­низацию, и длина ее составляет 20—25% длины червяка. Рнс. 4.10 иллюстрирует соотношение между длинами зон червяков
общего назначения, для экструзии кристаллических полимеров (например, полиамидов) и для экструзии термочувствительных полимеров (например, ПВХ).

Рис. 4.10. Схемы червяке» общего назначения (а), для экструзии кристал­лических (б) и аморфных (в) полимеров

4.3.2. Теоретическая производительность экструдера

При описании работы экструдера было отмечено, что результи­рующий поток расплава складывается из трех потоков: прямо­го. обратного и потока утечки. Очевидно, и суммарный расход материала, или производительность экструдера Qa, определяет­ся как алгебраическая сумма прямого потока Q:;P. обратного потока Qоб и потока утечки Qyi:

Qa ~ Qnp—Qoc — QyT. (4. Г)

Рассмотрим смысл уравнения (4.1) и связь его членов с тех­ническими параметрами червяка экструдера и технологически­ми параметрами экструзии.

При отсутствии сопротивления движению расплава в ци­линдре будет лишь один прямой поток, который пропорционален частоте вращения червяка:

Q:;p = a«, (4.2)

где а — константа, зависящая от размеров и геометрии витков червяка в зоне дозирования (константа червяка); п — частота вращения червяка, с-'.

Из уравнения (4.2) следует, что прямой поток не зависит от реологических свойств перерабатываемого термопласта.

Обратный поток, обусловленный, как указывалось выше, сопротивлением движению расплава, создаваемым сетками и головкой, тем значительнее, чем больше сопротивление, т. е.

чем больше перепад давления Ар вдоль червяка:

Qoo = §<Ap/i|). (4.3)

где } — константа черняка; ц— вязкость расплава.

Поток утечки также зависит от перепада давления вдоль червяка Ар и вязкости расплава ц и определяется формулой

QvT = v(Ap/ti), (4.4)

где f—константа червяка.

Обратный поток и поток утечки направлены в противопо­ложную от головки сторону, поэтому они входят в уравнение (•1.1) со знаком минус.

Величина потока утечки, особенно для высоковязких поли­меров, невелика, и при определении производительности экст­рудера но уравнению (4.1) может не учитываться. Таким обра­зом, суммарная производительность определяется уравнением вида

Q3 = an—$(pfr). (4.5)

Это уравнение является уравнением прямой линии и назы­вается характеристикой червяка. При свободном выходе рас­плава из цилиндра Лр = 0, и производительность определяется только частотой вращения червяка. С повышением давления производительность уменьшается. Как будет показано ниже, в формулу для константы £ входит глубина канала в третьей степени (й3), поэтому червяки с глубоким каналом более чув­ствительны к изменению давления, чем червяки с мелкой на­

резкой. Па рис. 4.11 показаны характеристики червяков с глу­боким и мелким каналами.

В специальной литературе приводятся уравнения для расче­та теоретической производительности экструдера.

Для практических расчетов удобно уравнение вида

^s== К + $ + у п'

где я. v—константы прямого и обратного потоков и потока утечки соот­ветственно: К — общая константа геометрической формы головки; п — часто­та вращения червяка.

Константы а, ,3, f рассчитываются по формулам

TOC o "1-5" h z a—0,5nmDh(t/m—е) cos2<p; (4.7)

Р = тЛ3(//от—е) соэ2ф/(12 L); (4.8)

f = n2D263 tg ф/( 10 eL), (4.9)

где D — диаметр червяка; L — длина червяка; гп — число заходов нарезки;

Л — глубина канала; t — п;аг пинтовой нарезки; е — ширина гребня нарезки;

Ь — зазор между гребнями и цилиндром: ч— угол подъема винтовой линии червяка: все лилейные размеры — о см

Общая константа головки определяется как сумма сопро­тивлений отдельных участков:

/C~<l/*: + l/ft*+...+l/fc,)-'. (4.10)

Например, для цилиндрического участка канала

А; = :D'4 (128/_). (4.11)

где D и 1. — диаметр н длина данного участка формующего канала колонки.