Понимание процесса плавления пластика в одношнековых экструдерах

На протяжении многих лет мы занимаемся производством электронагревателей для экструдеров и за это время мы общались со многими людьми, имеющими большой опыт экструзии, которые не понимают, как отдельные шнеки плавят полимер или как привод экструдера обеспечивает эту энергию. Многие думают, что большая часть энергии для расплавления полимера поступает именно от кольцевых нагревателей, размещенных на цилиндре экструдера. Этот факт очень озадачивает, потому как это совсем не так.

Справедливости ради, довольно сложно представить себе процесс плавления полимера с вращением шнека в цилиндре экструдера из-за геометрии. Но если вы перевернете точку наблюдения — представьте, что ствол вращается вокруг винта, — вы сможете более четко визуализировать задействованные силы. Это ничем не отличается от представления солнца, вращающегося вокруг Земли, когда мы знаем, что верно обратное. В реальном экструдере шнек обычно вращается против часовой стрелки, если смотреть с приводного конца (или по часовой стрелке с разгрузочного конца), а цилиндр неподвижен. Но если мы перевернем точку наблюдения так, что мы «сидим» на винте, будет казаться, что ствол вращается по часовой стрелке вокруг неподвижного винта.

Рисунок 1. Вращение шнека экструдера.

Плавление трудно себе представить. Но если вы «перевернете» точку наблюдения, представляя, как ствол вращается вокруг винта, вы сможете более четко визуализировать задействованные силы. 

Нагрев цилиндра кольцевыми нагревателями очень важен на этапе холодного пуска в начале цикла производства. Сначала требуется нагреть цилиндр экструдера электронагревателями перед запуском, чтобы наполнить шнек расплавленным полимером и получить температуру поверхности, при которой полимер будет прилипать к стволу. С этого момента почти вся энергия, поступающая в полимер, исходит от энергии, необходимой для поворота винта относительно цилиндра — или, в нашем «перевернутом» случае, ствола относительно винта. Из-за начального нагрева полимер прилипает к стволу и выталкивается вперед за счет угла винтовых витков. Как только начинается вращение шнека, полимер почти полностью расплавляется за счет сдвига.

«Сдвиг» определяется как приложение силы, которая искажает одну поверхность объекта относительно другой поверхности. При смещении объекта молекулам передается тепло. В экструдере искажающая сила для сдвига полимера требует энергии для вращения шнека в слое вязкого полимера. Энергия вращения привода преобразуется из механической в ​​тепловую посредством сдвига, передающего тепло полимеру.

Кольцевые нагреватели цилиндра экструдера почти не способствуют плавлению после начала вращения шнека. Однако правильная температура нагревателей позволяет оптимизировать время расплавления полимера, уменьшить усилия шнека при сдвиге и повысить эффективность работы всей системы.

Скорость сдвига пропорциональна скорости вращения и толщине объекта, достигая максимума у ​​поверхности цилиндра и нуля у основания винта, как показано на рис. 1. Величина сдвига в этом случае пропорциональна вязкости материала полимера при различных температурах при сдвиге. Использование постепенно уменьшающейся глубины канала в «секции сжатия» шнека подталкивает любой нерасплавленный полимер ближе к стенке цилиндра, где он подвергается максимальному сдвигу.

Рисунок 2. Стадии плавления в одношнековом экструдере

В последовательности 1-5, показанной на рисунке 2:

1. Шнековый канал заполняется нерасплавленным полимером, выходящим из загрузочного бункера.
2. За счет нагрева от кольцевых нагревателей на стенке цилиндра экструдера образуется тонкая пленка расплава.
3. Эта тонкая пленка срезается при относительном вращении ствола и шнека.
4. Процесс протекает с помощью винтовой конструкции, так как глубина канала уменьшается (участок сжатия), что прижимает нерасплавленный материал к стволу, максимально увеличивая сдвиг на расплавленном материале.
5. При правильной конструкции шнека для этого полимера весь нерасплавленный материал может быть преобразован в расплав при соответствующей температуре обработки контролируемым образом.

Даже после достижения температуры плавления или размягчения сдвиг продолжается из-за вязкости расплава. Большая часть мощности привода одношнекового экструдера используется для вращения шнека в полимере. Типичное распределение мощности привода составляет 85-90% для плавления, а остальная часть - для смешивания, повышения давления и подачи. Кольцевые нагреватели цилиндра почти не способствуют плавлению после начала вращения шнека. Фактически, для многих операций экструзии кольцевые нагреватели цилиндров большую часть времени находятся в режиме охлаждения. Именно поэтому очень эффективными для экструзии являются кольцевые нагреватели с охлаждающими кожухами и литые алюминиевые нагреватели с воздушным или водяным охлаждением.

Каждый полимер требует разного количества энергии от привода в зависимости от количества энергии, необходимой для повышения его температуры до желаемой температуры обработки. Удельная теплоемкость полимера определяет это количество энергии. В конструкции шнека вязкость полимера при сдвиге определяет энергию, вносимую каждым оборотом шнека. Вязкость уменьшается по мере перехода полимера из твердого состояния в расплавленное. Начальная температура полимера определяет общее количество энергии, требуемой от винтового привода. Например, предварительно нагретые полимеры требуют от привода меньше энергии, а оптимальная температура нагревателей цилиндра способна уменьшить сопротивление шнека при вращении и сэкономить электроэнергию при работе.

Остались вопросы? Задавайте их нашим специалистам по электронной почте или же в любой форме на сайте Элемаг.