Екструдери для переробки полімерів

1. Класифікація екструдерів для переробки полімерів

При екструзії розплав полімеру продавлюється через профілюючий інструмент, в результаті чого виходить виріб потрібного поперечного перерізу. Методом екструзії виготовляють найрізноманітніші вироби, такі, як гранули, труби, листи, плівки, профільні смуги, кабельні оболонки і багато інших.

Основним обладнанням для переробки полімерів методом екструзії є одно- і многочервячние екструдери. Останнім часом для переробки еластичних розплавів починають застосовувати дискові бесчервячние екструдери, в яких тиск екструзії створюється за принципом ефекту Вайссенберга. Нарешті, у виробництві виробів з фторпласт досі застосовують плунжерні екструдери.

Випускаються вітчизняної машинобудівної промисловістю універсальні екструдери мають відносну довжину черв'яка, що дорівнює 20, 25 і 30 діаметрів. Відношення довжини робочої частини черв'яка до діаметру L / D у вітчизняних двухчервячних екструдерів становить 12 і 15.

2. Конструкція однечерв'ячні екструдера

Однечерв'ячні екструдер (рис. 1) складається з черв'яка 1, що обертається усередині циліндричного корпусу 2, на якому встановлений бункер І. Усередині корпусу, як правило, запресовується гільза 3 з азотированного, загартованої і Термообробк-танной поверхнею. Обігрів корпусу здійснюється нагрівачами 4, згрупованими в кілька (як правило, три або чотири) теплових зон. На кінці корпусу встановлюється головка з профілюючих інструментом 5, що з'єднується з корпусом екструдера за допомогою адаптера 6. Між черв'яком і адаптером розташовується решітка з пакетом фільтруючих сіток 7. Корпус встановлюється на станині 8. Осьове зусилля сприймається блоком наполегливих підшипників 10. Привід черв'яка здійснюється від регульованого електродвигуна через шестерний редуктор 9. Бункер виготовляється з листової сталі або алюмінієвих сплавів з оглядовим вікном для контролю за рівнем знаходиться в бункері мат еріай. Для переробки матеріалів, схильних до сводообразованию (зависання), в бункері встановлюють переміщуючий пристрій. Бункери екструдерів, призначених для переробки матеріалів з низькою сипучістю (порошки, відходи виробництва плівок і ниток), обладнують пристроями для попереднього ущільнення матеріалу.

Мал. 1. Принципова схема однечерв'ячні екструдера

Мал. 2. Бункер для переробки гідрофільних полімерів

Для переробки гідрофільних полімерів застосовують бункера вакуумированием з метою видалення вологи і летких. У не- яких випадках використовують бункера, в яких матеріали підігрівається гарячим повітрям (рис. 2).

В сучасних екструдерах застосовуються черв'яки з відносною довжиною L / D = 154-35. Діаметр черв'яків регламентується ГОСТ 14773-80 і може становити 20 32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 320; 450; 630 мм. Найбільш поширені так звані зонірованниє черв'яки рис 3, на яких можна виділити зону харчування L3. зону плавлення і зону дозування

Екструзійний матеріал може надходити на переробку у вигляді гранул або порошку. Гранули завантажуються в бункер і через завантажувальний отвір надходять до черв'яка. Просуваючись уздовж черв'яка, гранули розплавляються, розплав продавлюється через грати і пакет фільтруючих сіток. Потім розплав проходить через конічний дифузор (адаптер) в головку, в якій встановлено профілюючий інструмент. Черв'як - це основний робочий орган екструдера. Він забирає непластіцірованний матеріал від завантажувального отвору пластикується його і рівномірно подає у вигляді гомогенного розплаву до голівки. Просуваючись по каналу черв'яка, матеріалу розігрівається як за рахунок тепла, що виділяється внаслідок в'язкого тертя, так і тепла, що підводиться від розташування на корпусі нагрівачів. В результаті ущільнення з матеріалу видаляється захоплений разом з гранулами (або порошків повітря, і питомий об'єм пробки гранул зменшується. Для компенсації зменшення питомої обсягу грануляту канал черв'яка виконується з зменшуваним об'ємом витка. Тому глибина гвинтового каналу черв'яка на виході завжди менше, ніж на вході.

Мал. 3. пластикується черв'як з явно вираженою зоною плавлення

За характером процесів, що протікають на кожній ділянці черв'яка, його зазвичай можна розділити по довжині на три основні зони:

зона харчування (або зона завантаження) -ділянку, на якому переробляється знаходиться в твердому стані;

зона стиснення (або зона плавлення) -ділянку, на якому майже повністю відбувається плавлення матеріалу;

зона дозування - ділянку, на якому матеріал знаходиться в розплавленому вязкотекучем стані.

Черв'як, представлений на рис. 3, має явно виражену зону плавлення. У зоні харчування глибина каналу максимальна. У зоні плавлення вона поступово зменшується до значення, відповідного зоні дозування. У міру наближення до голівці площа поперечного перерізу каналу черв'яка скорочується. Це досягається в результаті зменшення глибини каналу черв'яка, внаслідок зниження кроку нарізки або за рахунок того й іншого одночасно.

Ставлення обсягів витоків гвинтового каналу на початку і в кінці зони плавлення (геометрична ступінь стиснення) розраховують за формулою

Черв'яки сучасних екструдерів виготовляють з нержавіючих хромомолібденових, хромонікелевих сталей. Висока поверхнева твердість забезпечується різними видами термообробки (загартуванням, цементацией з подальшим гартом, азотуванням). Гребені нарізки черевиків, призначених для переробки композицій з абразивним наповнювачем, захищають, наварюючи покриття з твердих сплавів з твердістю HRC = 70.

При роботі екструдера на черв'як діють значні осьові і радіальні зусилля, для сприйняття яких в якості опор застосовують конічні самоустановлювальні підшипники, що сприймають осьові і радіальні зусилля, в поєднанні з радіальними підшипниками, що сприймають тільки радіальні зусилля. При розрахунку підшипників стандартними методами приймають, що тиск в кінці черв'яка (для підрахунку осьової складової) одно 70-80 МПа, а термін служби - 30-10 3 ч [1-3].

Корпус однечерв'ячні екструдера виготовляють з поковок, виконаних зі сталі 45. Кріплення корпусу до блоку підшипників здійснюють під фланцеве з'єднання. Гільзи виготовляють з нержавіючої сталі, внутрішню поверхню цементують і азотіруют. У екструдерах, призначених для переробки матеріалів, наповнених абразивним наповнювачем, застосовують гільзи, внутрішня поверхня яких покривається твердим зносостійким сплавом (переможе, ксіллой), або борованої біметалічні гільзи довжиною (ЗЧ-4) £>. Для переробки порошкоподібних полімерів на ділянці зони харчування встановлюють втулку з рифленою внутрішньою поверхнею.

Рис 4. Фланцеве кріплення звичайними болтами

1 фланець корпусу екструдера, 2 - фланець головки, 3 - болт, 4 - решітка фільтра, 5 - опорне кільце, 6 - черв'як, 7 - втулка кріплення фільтра

Рис 5. Кріплення стяжними хомутами

1-нижня половина хомута, 8-верхня половина хомута. (Інші позначення див на рис.4)

Корпус екструдера може з'єднуватися з головкою за допомогою одного з наступних чотирьох типів з'єднань: 1) фланцеве кріплення звичайними болтами (рис.4); 2) фланцеве кріплення відкидними шарнірними болтами (рис.5); 3) швидкодіючий затвор, що складається з двох стяжних клинових хомутів (рис. 5); 4) швидкодіючий байонетний затвор, що складається з встановленої на корпусі байонетною гайки і нерухомого наполегливої фланця.

Перевага швидкодіючих затворів полягає в тому, що для їх відмикання або замикання досить звільнити або затягнути тільки один конструктивний елемент. На великих екструдерах (з діаметром черв'яка понад 250 мм) для стяжних клинових хомутів замість гвинтового механізму застосовують гідравлічний або пневматичний циліндр.

Обігрів корпусу здійснюється нагрівачами опору. Іноді для цієї мети застосовують індукційні нагрівачі, паровий або масляний обігрів.

Для відводу надлишкового тепла, що виділяється через в'язкого тертя в зонах плавлення і дозування, а також для забезпечення потрібного температурного режиму в зоні харчування служить система охолодження. Найчастіше корпус екструдера охолоджують за допомогою систем повітряного охолодження, що забезпечують плавне зниження температури зі швидкістю близько 2,5 град / хв. Для цього на екструдері встановлюють систему воздушногоохлажденія, що складається з одного або декількох вентиляторів, системи повітропроводів і заслінок, керуючих подачею холодного повітря.

Для підтримки заданого температурного режиму служить система теплової автоматики, що включає в себе комплект термопар і комплект регулюючих приладів, зібраних в загальний пульт теплової автоматики. Зазвичай регулювання температури теплової зони ведуть за показаннями термопари, встановленої в середині зони, причому отвір, в який вставляється термопара, висвердлюється до половини товщини стінки корпусу. Таке розташування термопари має два недоліки: 1) значне відхилення заміряє температури від фактичної, так як спай термопари реєструє деяку проміжну температуру між температурою поверхні нагрівача і температурою внутрішньої поверхні корпусу; 2) великий час запізнювання і значні коливання температури, так як утоплена термопара не відразу реагує на зміну температури розплаву або нагрівача.

Більш точну підтримку температури забезпечує застосування систем каскадного регулювання температури (рис. 6), в яких використовуються дві термопари. Одна з термопар (регулююча) розташовується безпосередньо біля поверхні нагрівача і відразу ж реагує на зміну теплового потоку, спай другий занурюється в розплав або встановлюється на дуже невеликій відстані від внутрішньої стінки корпусу. Сигнал з цієї термопари Ти подається на вхід головного пропорційно-інтегрального регулятора Rc. який порівнює його з встановленою величиною Т8 і коригує установку виконавчих регуляторів RH i-Rh4. з'єднаних з регулюючими термопарами TSI. керуючими включенням і вимиканням нагрівачів Н. Така система регулювання забезпечує автоматичне коректування температури поверхні корпусу, яка змінюється до тих пір, поки температура розплаву (або внутрішньої поверхні корпусу) не досягне заданого значення.

2.3 Фільтр для розплаву

Для запобігання попаданню в формующий інструмент частинок непроплавленних полімеру на виході з екструдера встановлюється пакет фільтруючих сіток. Зазвичай пакет набирається з трьох-чотирьох сіток з отворами різної величини. При цьому в основу пакета укладається опорна сітка з найбільшими осередками. Потім встановлюються одна або дві проміжні підтримують сітки, на які накладається остання фільтруюча сітка з найдрібнішими осередками. Зібраний таким чином пакет встановлюється на решітку і вставляється в корпус екструдера між черв'яком і голівкою. При установці пакета необхідно стежити за тим, щоб дрібна фільтруюча сітка була розташована із зовнішнього боку пакета. В іншому випадку тиск розплаву прорве сітку і видавить її в отвори решітки.

Такі фільтри розраховані на затримання частинок з лінійним розміром не менше 200 мкм.

У екструдерах, що застосовуються для виготовлення надтонких конденсаторних або магнітофонних плівок, встановлюються спеціальні фільтри, що забезпечують уловлювання сторонніх включень розміром до 16 мкм. Зазвичай такі фільтри складаються з двохпозиційної касети, в кожне з гнізд якої вставляється по фільтруючому елементу. Заміна фільтра проводиться без зупинки екструдера, простим пересуванням касети за допомогою гідравлічного або пневматичного сервоприводу. Сигналом, що вказує на необхідність заміни фільтра, є підвищення тиску в розплаві перед фільтром. Ще більш тонкого очищення вдається домогтися, застосовуючи фільтруючі елементи, в яких в якості наповнювача використовують кварцовий пісок. У таких фільтрах затримуються частинки розміром г = 5 мкм.

Конструкція фільтрів, призначених для очищення розплаву, повинна відповідати таким вимогам: а) забезпечувати заміну фільтруючих сіток при мінімальній тривалості зупинок (або без них) технологічного процесу;

б) повинна бути герметичною, не допускати витоків розплаву як повз фільтруючих сіток, так і в навколишнє середовище;

в) гідравлічний опір фільтра має бути міні-ною; г) в процесі фільтрації у фільтрі не повинно запобігти виникнен- ню застійних зон; д) розподіл температури в розплаві при проходженні через фільтр має залишатися незмінним.