Непрерывное смешение высоковязких полимеров с наполнителями. Экструзия

Непрерывное смешение высоковязких расплавов полимеров с наполнителями осуществляется в непрерывном режиме на специальном оборудовании - экструдерах (червячный пресс).

Экструзия — процесс получения изделия с определенной формой сечения путем непрерывного продавливания массы полимера через формующую головку. Получаемые при экструзии полуфабрикаты очень разнообразны: листы, пленки, трубы, сложно-профильные изделия, моноволокна, сетки. Метод применяется также для нанесения полимерной изоляции на провода, для покрытия полимерами бумаги, картона, экструзией могут быть переработаны практически все полимеры и их композиции. Преимущество технологии заключается в обеспечении непрерывности и стабильности процесса, точности размеров получаемого изделия, высокой производительности, экономичности, возможности автоматизации процесса.

Исходным материалом процесса экструзии являются гранулы, порошок, либо непосредственно расплав полимера.

Рис. 6.15. Схема двухчервячной экструзии: а — однонаправленное вращение; б — встречное вращение.

Верхняя схема — полное зацепление;

средняя - частичное зацепление; нижняя - незацепляющиеся шнеки

Рис. 6.14. Основные конструкционные элементы экструдера:

1 - привод; 2 - цилиндр; 3 - червяк; 4 - пакет сеток; 5 — формующая головка; 6— загрузочный бункер; 7— электронагреватели

Исходное сырье подается в загрузочный бункер 6 (рис. 6.14), захватывается витками вращающегося червяка 3 и продвигается вдоль цилиндра 2. Обрабатываемое сырье (гранулы, порошки) нагреваются от соприкосновения с горячими за счет электронагревателей 7 стенками цилиндра и постепенно размягчаются. Образовавшаяся масса при перемещении и вращении гомогенизируется, затем проходит через сетки 4 (при грануляции см. ниже) или поступает в формующую головку 5, на выходе из которой материал получает определенный профиль.

При прохождении через экструдер обрабатываемый материал последовательно перемещается через три зоны: загрузки (питания); сжатия (плавления) и дозирования (выдавливания), что обеспечивается конструкцией червяка (рис. 6.15).

В зоне загрузки происходит смешение сыпучих компонентов. В результате сухого трения возможно разрушение частиц жестких наполнителей: изменение их гранулометрического состава; уменьшение длины волокон.

Зона сжатия. Размягченные и частично расплавленные гранулы полимера из зоны загрузки поступают в зону сжатия. За счет тепла электронагревателей цилиндра и внутреннего трения материал переходит в вязкотекучее состояние (см. главу 16). Здесь происходит смешение твердых частиц с высоковязким расплавом полимера без разрушения наполнителя. Плотность расплава примерно в два раза больше, чем насыпная плотность исходного материала, поэтому образующийся объем расплава примерно в два раза меньше. Для полного заполнения канала (это необходимо для обеспечения интенсивного перемешивания материала) объем канала уменьшают за счет уменьшения глубины канала. Уменьшение

Рис. 6.15. Основные параметры червяка:

1 - зона загрузки; 2 - зона сжатия; 3 - зона дозирования; h — глубина канала; t — шаг винтовой линии; е — ширина гребня витка; ср — угол подъема винтовой линии

глубины канала оценивают степенью сжатия (Кс) — это отношение объема винтового канала в зоне загрузки Уз к объему винтового канала в зоне дозирования Уд на длине в один шаг: Кс= Уз/ Уд. Рекомендуемая степень сжатия червяков составляет 2,8...3,5.

Зона дозирования находится перед формующей головкой. Зона имеет постоянную глубину канала, меньшую, чем у зоны загрузки. За счет сдвиговых деформаций здесь происходит окончательная пластикация (напомним, что это придание материалу лучших свойств для его формования) и гомогенизация расплава, который подается в формующую головку.

Конструкция червяка (соотношение длины зон) зависит от свойств перерабатываемого материала, вязкости полимера, свойств наполнителя. Так, длина зоны загрузки может достигать 75 % длины червяка.

Длина зоны сжатия кристаллических полимеров небольшая, поскольку эти полимеры плавятся в узком температурном диапазоне. И напротив, для экструзии аморфных полимеров применяют червяки с длинной зоной сжатия, так как такие полимеры переходят в вязкотекучее состоянии постепенно, в широком интервале температур или при длительных выдержках.

Длина зоны дозирования также зависит от типа перерабатываемого полимера и может изменяться в широких пределах. Для полимеров с низкой температурой деструкции (разрушения) применяют червяки с короткой зоной дозирования, поскольку их пребывание в этой зоне сопряжено с опасностью перегрева и деструкции. Для остальных полимеров (полиолефины, полистирол) зона дозирования обеспечивает дополнительную пластикацию и гомогенизацию, и длина ее составляет -20-25 % длины червяка.