Как настроить двухшнековый экструдер丨Характеристики шнека секции расплава

Механизм плавления двухшнекового экструдера с со-вращающимися шнеками является особенным. Одношнековый процесс основан на тепле от цилиндра и трении между полимером, транспортируемым между стенкой цилиндра и резьбой шнека. А двухшнековый экструдер механически обрабатывает полимер с помощью месильного блока для растяжения, сдвига и складывания полимера для получения тепла.
В этой статье мы обсудим, как месильный блок плавит полимер и как конструкция плавильной секции влияет на метод плавления материала, температуру и качество.

Плавильная секция пластиковый экструдер

Все операции смешивания происходят в расплавленном состоянии. Но настроить шнек для плавления полимера непросто. Агрессивная секция плавления приведет к высокой температуре плавления, которая может превысить температуру деградации полимера. И это может привести к деградации полимера или его подгоранию.
Или слишком мягкие проходы расплава могут не расплавить полимер должным образом. Тип полимера, распределение размеров частиц и температура плавления материала влияют на механические эффекты, которые происходят в процессе плавления. Зона мягкого плавления может позволить нерасплавленным частицам пройти и произвести неоднородный продукт.
На рисунке 1 показана собранная плавильная секция. Твердый материал транспортируется из входного отверстия (с правой стороны рисунка). Твердые частицы выталкиваются из транспортирующего элемента на месильный блок, сдвиговое действие дисков растягивает и тянет материал. Поступающие твердые частицы смешиваются, в то время как работа, приложенная к полимеру, вызывает повышение температуры самого материала. И это заставит полимер размягчиться и затем расплавиться.

Рис. 1. Секция плавления в экструдере Leistritz MAXX диаметром 40 мм. (Фото: Polymers Centre)

Блок месильного аппаратаЭкструзионная машина

Месильный блок состоит из ряда дисков или лопастей, каждый из которых смещен относительно предыдущего диска на фиксированный угол. Этот угол смещения и ширина каждого диска определяют силу работы, выполняемой месильным блоком. Направление смещения также определяет, перемещает ли месильный блок материал вниз по течению (вперед) или вверх по течению (назад).
Смесительные блоки используются не только для плавления, но и для смешивания. Смешивание и плавление происходят одновременно в зоне плавления экструдера. В этой статье мы рассмотрим механизм плавления.
На рисунке 2 показан передний транспортирующий зажимной блок. Если смотреть через конец зажимного блока, каждый диск на элементе смещен на 60°. Мы должны обратить внимание на то, что общее движение от одного диска к другому происходит по часовой стрелке. Это то же направление вращения, что и у конвейерного винта.
Когда этот зажимной блок вращается в шнеке, его вращение толкает полимер вперед, перемещая зажимной блок вперед.
Угол смещения влияет на энергию, передаваемую полимеру, как бы в зависимости от количества материала, транспортируемого полимером. Для элемента доставки вращение винта толкает полимер вперед. Аналогично, передний транспортирующий зажимной блок толкает большую часть полимера. Часть полимера проходит через конец режущего диска на стенке цилиндра. Часть полимера переносится в соседний месильный блок другого винта, а небольшая часть течет обратно вверх по потоку цилиндра. Сочетание этих трех элементов вызывает повышение температуры полимера и транспортирует полимер вперед.

Рис. 2. Блок зажима для транспортировки под углом 60° вперед. (Фото: ENTEK)

Метод маркировки зажимного блока можно увидеть в травлении на боковой стороне зажимного блока на рис. 2-4. Следующий код широко используется:
КБ#-2-###-XX:
KB6 – обозначает прижимной блок с шестью дисками.
2 – указывает на то, что агрегат представляет собой двухлепестковый агрегат. Форма овальная. Это похоже на элемент конвейера, где двухлепестковый элемент имеет две отдельные нити под углом 180° друг к другу.
## – Первая цифра – длина элемента (в миллиметрах). Длина показанных зажимных блоков составляет 60 мм.
XX – Второе число – это угол смещения. На рис. 2 угол равен 60°. А на рис. 3 угол равен 90°.
Есть и другие названные способы, такие как:
КБ##/X/%%:
КБ – блок зажима
## – угол между дисками
X – количество дисков
%% – длина элемента (мм).
Блок зажима с углом между дисками 30° обеспечивает минимальное смешивание и подает материал вперед наилучшим образом. Блоки зажима 45° обеспечивают полимеру больше энергии, одновременно увеличивая смешивание, но подают немного меньше. Способность подачи блоков зажима 60° хуже, но смешивание более эффективно и передача большего количества энергии материалу.
С увеличением угла смещения способность перекачивания вперед пинч-блока уменьшается до тех пор, пока угол смещения не достигнет 90°. Затем пинч-блок нейтрален, и полимер перемешивается, но не движется вперед. На рис. 3 показаны нейтральные блоки с дисками, выровненными под углом 90° друг к другу.
С уменьшением транспортной емкости больше полимера проходит через конец каждого диска, в результате чего больше энергии передается полимеру. При этом пластиковый полимер будет лучше перемешиваться.

Рис. 3. Нейтральный зажимной блок 90°. (Фото: ENTEK)

Ширина дискаДвухшнековый экструдер

Фактор, который сильно влияет на плавление, — это ширина диска. Блоки месильной машины могут состоять из 3-7 дисков, но обычно каждый блок имеет 4-5 дисков. Обычно количество дисков постоянно, за исключением того, что длина блока месильной машины регулируется для увеличения или уменьшения ширины дисков.
Чем шире диски, тем больше энергии передается полимеру. Блок зажима вращается в экструдере. Полимер может течь только в одном из двух направлений: через кончик каждого диска или вокруг одного диска к другому.
Увеличение ширины дисков приводит к тому, что больше полимера течет по кончикам дисков. Узкий дисковый зажимной блок по сути прорежет полимер, тогда как широкий диск действует скорее как плуг.
Пространство между кончиком диска и стенкой цилиндра — это место, где скорость сдвига самая высокая. Полимер, проходящий через эту область, подвергается наибольшему сдвигу в экструдере. Широкий дисковый месильный блок передаст полимеру больше энергии, чем узкий дисковый месильный блок. Этот увеличенный ввод энергии приведет к более высокой температуре расплава.

Тестомесильная машина с обратной подачей

Рис. 4. Месилка с обратной транспортировкой. (Фото: ENTEK)

Последний тип блока, используемый при плавлении, — это блок обратного транспорта. Этот тип является самым жестким, поскольку он проталкивает расплавленный полимер обратно вверх по потоку. В этом случае, чем меньше угол смещения, тем сильнее воздействие на полимер.
На рисунке 4 показан обратный зажимной блок. У многих производителей элемент прямой транспортировки вращается вправо. Направление вращения от одного диска зажимного блока к следующему диску — по часовой стрелке. Таким образом, элемент обратной транспортировки имеет скребок или диск, который вращается против часовой стрелки. Эти производители используют ту же номенклатуру, что и элементы прямой транспортировки, чтобы обозначить элементы обратной транспортировки как «LH». Это означает левосторонние, потому что они являются левыми элементами, тогда как элементы прямой транспортировки являются правыми.
Другие производители используют буквы «RE» для обозначения элементов обратной подачи, что означает Reverse Element. Причина в том, что эти винтовые элементы вращаются в противоположном направлении по отношению к соседним элементам.
Эффекты разнесенных углов показаны в такой форме:

Комбинированная плавильная секция

Конструкция секции плавления зависит от типа обрабатываемого материала. Мы должны учитывать все эти факторы при проектировании секции плавления для конфигурации шнека, например, является ли полимер кристаллическим или аморфным, имеет ли он высокую или низкую вязкость расплава или обрабатывается вблизи температуры разложения.
Состояние подачи также имеет решающее значение. Только один полимер или несколько полимеров должны подаваться через питатель? Какие виды наполнителей и добавок добавляются с пластиком? Температура плавления добавок значительно ниже, чем у полимера? Эти факторы влияют на пригодность блока смесителя.
Я всегда повторяю, что, хотя мы можем обсуждать науку, лежащую в основе действия винтовых элементов, проектирование винтов — это искусство. Инженеры проектируют разные винты для достижения одной и той же функции. Это не значит, что одна конструкция неправильная, а другая правильная. Они могут просто отличаться, но обе могут быть приемлемыми, если качество продукта соответствует требованиям.
На рисунке 1 показана плавильная секция двухшнекового экструдера 40 мм. Месильный блок состоит из четырех дисков. Твердый материал подается транспортным узлом с правой стороны фотографии. Первый узел в плавильной секции — это зажимной блок 30°, затем — три зажимных блока 60°. Наконец, три нейтральных зажимных блока 90° завершают плавильную секцию.
Когда сырье попадает в зону плавления, оно переходит из транспортировочного элемента в зажимной блок 30°. Это поможет втянуть сырье в зону плавления и перейти из транспортировочного узла в блок замешивания. Кроме того, блок 60° обеспечивает более сильный входной ток для запуска процесса плавления при одновременной подаче материала. Скорее всего, полимер начнет плавиться между концом блока 30° и серединой первого блока 60°.
Блок 90° выполняет две функции. Первая — прикладывать к полимеру более высокую энергию, чтобы расплавить полимер и поднять температуру плавления до подходящей температуры. Вторая — действовать как ограничитель, не давая материалу проходить через зону плавления со слишком большой скоростью. Это гарантирует, что время пребывания полимера в зоне плавления достаточно для того, чтобы весь полимер, проходящий через зону плавления, расплавился.
Некоторые альтернативные конструкции включают следующее:
– Обратный зажимной блок: мы можем использовать левосторонний зажимной блок для увеличения количества ограничений в конце секции расплава. Увеличивая количество времени, в течение которого пластифицирующий блок обрабатывает полимер, перекачка материала вверх по потоку улучшает расплав, особенно для кристаллических и высокотемпературных полимеров.
– Обратный транспортный элемент: Левый транспортный элемент более суров, чем левый месильный блок. Это обеспечивает большее обратное течение для лучшего смешивания, повышает однородность расплава и дает более высокие температуры расплава. Некоторые рецептуры даже требуют использования левого месильного блока, за которым следует левосторонний транспортный блок.
– Отделите блок смесителя от конвейерного устройства: для некоторых полимеров одна длинная серия блоков смесителя не является лучшей конфигурацией. Некоторые из проблем, которые могут возникнуть, включают высокие температуры расплава и вибрацию экструдера из-за неравномерного потока или плавления. Один из подходов заключается в проектировании нескольких коротких плавильных секций, разделенных конвейерными элементами. Мы можем сконфигурировать, например, два блока зажима 45°, блок зажима 90°, повторенный один или два раза, за которым следует обратный блок зажима 45° или 60° для обеспечения полного плавления.