8 (800) 555-34-52
Не смогли дозвониться?
Я хочу
Имя
Телефон
  • Москва
  • Ногинск

Шнек для экструзии пленки: особенности его конструкции и связь с реологией расплава

Пластицирующий шнек – это ключевой элемент любой экструзионной машины. Именно от него зависит успех переработки и качество готового продукта. И чем труднее технологический процесс, чем сложнее реологические свойства конкретного полимера, тем больше внимания следует уделить конструкции шнека. А наиболее тщательно нужно выбирать или конструировать этот элемент, если планируется использовать его при экструзии пленок, особенно многослойных.

«Сердце» экструдера: значение шнека в процессе переработки полимеров

Роль этого элемента трудно переоценить. Именно шнек подготавливает расплав полимерного материала и продавливает его через головку экструдера. От его конструкции зависят свойства расплава:

  • полнота расплавления гранулята;
  • уровень гомогенности расплавленного полимера;
  • температура и давление расплава в момент его подачи в экструзионную головку.

А перечисленные параметры напрямую влияют на качество готовой продукции. К примеру, если расплав будет нагрет неравномерно, то пленка получится с разной толщиной.

Еще сложнее дело обстоит в производстве многослойных барьерных пленок с использованием полиамида (ПА), поливинилового спирта (ПВС) или поливинилхлорида (ПВХ). Эти материалы имеют особые реологические свойства, сильно отличающиеся от свойств полиэтилена и полипропилена. При выборе шнека для переработки таких полимеров следует учитывать все параметры будущей продукции (механические, оптические, барьерные), чтобы добиться оптимального результата. Ниже мы рассмотрим все конструктивные параметры шнека для экструзии пленок и их связь со свойствами перерабатываемых материалов.

Строение и основные геометрические параметры элемента

Стандартный пластицирующий шнек функционально можно поделить на три части:

  1. Секция питания (загрузки), в которой в шнек загружается гранулированный или порошкообразный материал.
  2. Переходная секция (пластикации, или плавления), где происходит основное плавление полимера.
  3. Секция дозирования (нагнетания, подачи расплава), которая подает расплав в экструзионную головку.

Основные геометрические параметры пластицирующего шнека:

  • h – глубина канала (расстояние между поверхностью основания шнека и стенкой цилиндра);
  • t – шаг винта (расстояние между двумя соседними гребнями винта);
  • b – ширина гребня винта (измеряется в верхней точке гребня);
  • s – зазор между гребнем винта и стенкой цилиндра;
  • φ – угол подъема винтовой линии (угол между боковой поверхностью гребня винта и перпендикуляром к оси шнека).

Расчет геометрических параметров шнека в секции питания в основном зависит от свойств нерасплавленного сырья – насыпного объема, фрикционных характеристик, формы и размера частиц. А строение элемента в секциях пластикации и дозирования разрабатывают, исходя из реологических и термических свойств расплава полимера.

Наиболее важной переменной величиной шнека является глубина канала h. Она постепенно уменьшается от секции питания до секции пластикации, обеспечивая повышенное давление для улучшения плавления материала. Наименьшая глубина канала в секции дозирования.

Второй по важности параметр детали – шаг винта t. Он непосредственно связан с углом подъема винтовой линии φ:

tan φ = tD,

где D – диаметр шнека.

В случае, когда шаг винта t равен диаметру шнека D, получаем т.н. «квадратный» шнек. Такие модели встречаются часто, но их параметры не всегда являются оптимальными. Они во многих случаях не соответствуют реологическим свойствам перерабатываемых материалов.

Коэффициент сжатия и его применение при конструировании шнека

Это еще один важный параметр, который обязательно следует учитывать при изготовлении или выборе детали. Коэффициент сжатия (компрессии) k – это соотношение глубин канала шнека в секции питания и дозирования:

k = hпит/hдоз.

Такая формула подходит для простых пластикационных шнеков с одинарным винтом и неизменной шириной каналов. Чтобы добиться необходимого значения k, изменяют объем канала (высоту гребня) вдоль детали. При конструировании более сложных шнеков, например барьерных, величина k определяется более сложными формулами.

Следует помнить, что при всей важности значения коэффициента компрессии, сам по себе этот параметр не является достаточным для правильной разработки конструкции детали. К примеру, при изменениях глубины канала от 15 мм до 5 мм и от 12 мм до 4 мм величина k будет одинаковой (3:1). Но шнеки с такими параметрами будут работать с одним и тем же материалом совершенно по-разному.

Кроме самого коэффициента сжатия, важной характеристикой элемента будет и скорость нарастания компрессии. Она определяется уклоном в секции пластикации. Оба параметра (коэффициент компрессии и скорость ее нарастания) необходимо подбирать, исходя из следующих характеристик перерабатываемого материала:

  • скорость плавления;
  • разница в объеме между гранулированным (порошкообразным) материалом и его расплавом;
  • коэффициент теплового расширения полимера.

К примеру, чем выше насыпная плотность гранулята, тем меньшего сжатия потребует материал при плавлении. А чем больше коэффициент теплового расширения, тем выше должна быть компрессия расплава.

Соотношение длины и диаметра шнека

Параметр (L/D) – отношение длины винтовой части детали L к ее наружному диаметру D. Как правило, его значение составляет от 20:1 до 34:1. На длину шнека влияет количество секций, которое зависит от назначения элемента и материалов, для переработки которых он сконструирован. Вышеописанные стандартные шнеки с тремя секциями чаще всего производятся с соотношением L/D 24:1. Но они подходят далеко не для каждого процесса переработки.

Так, для экструзии пленки поливом или раздувом необходимо получить хорошо гомогенизированный расплав – без геликов, со стабильной температурой и давлением и т.д. Этого практически невозможно добиться без использования дополнительных секций на шнеке. Часто для улучшения гомогенизации в его конструкцию вводят смесительные элементы, которые заметно увеличивают длину детали. Поэтому шнеки для экструзии пленок, как правило, имеют соотношение L/D равное 30:1. А если процесс переработки требует дегазации расплава, используют т.н. двухзонные детали с L/D > 32:1.

Зазор между гребнем винта и стенкой цилиндра

Традиционно значение параметра s составляет 0,1 % от величины диаметра шнека. Очень важно, чтобы зазор был правильно подобран:

  • если величина s слишком мала, увеличивается трение и ускоряется износ гребней шнека;
  • когда зазор чересчур большой, ухудшается плавление материала (на стенке цилиндра образуется толстая пленка из расплавленного полимера, которая снижает теплопроводность и замедляет плавление).

Кроме того, при увеличенном значении s возможно появление обратного потока расплава, который снижает производительность переработки. Этот процесс еще называют течением по зазору.

Конструкция и возможности барьерного шнека

Стандартные пластицирующие шнеки имеют один недостаток. Они часто дают некачественный расплав, особенно при высокой скорости переработки. Проблема не возникает только в том случае, когда твердая фаза остается целостной на протяжении всего процесса пластикации. А это бывает довольно редко.

На практике же чаще случается обратное. Твердая фаза во время пластикации разделяется, и гранулы, оставшиеся целыми, не контактируют со стенками цилиндра. Они могут расплавиться только за счет теплопередачи в самом расплаве. Но в случае с полимерами плавление за счет конвективной теплопроводности совсем неэффективно (из-за низкой теплопроводности таких материалов). В результате в расплаве остаются нерасплавленные гранулы, которые вызывают образование геликов в готовых пленках.

Чтобы решить эту проблему, используют барьерные шнеки. В их конструкции есть вторичный виток винта (барьер). Он разделяет канал на две части: в одной из них находится твердая фаза, а в другой – расплав материала. Барьер располагают в центральной секции шнека, между секциями питания и дозирования. Как правило, барьерная секция просто заменяет традиционную секцию пластикации, но существуют модели, у которых есть и пластикационная, и барьерная секция.

По конструкции барьерные шнеки очень разнообразны, но принцип строения (разделение канала на две части) у всех одинаковый. Основных конструктивных вариантов два:

  1. Шнеки с неизменной глубиной канала. У них глубина каналов для твердой фазы и расплава остается постоянной. Но ширина их постепенно меняется по мере приближения к секции дозирования. Канал для твердой фазы сужается, а канал для расплава расширяется.
  2. Модели с постоянной шириной каналов. У таких шнеков противоположное строение. Ширина обеих каналов не изменяется, но глубина канала для расплава постепенно увеличивается, а для твердой фазы – уменьшается.

Если правильно сконструировать или подобрать барьерный шнек, можно заметно увеличить производительность переработки по сравнению с использованием обычного пластицирующего шнека. Также барьерные модели позволяют повысить эффективность плавления полимера и, соответственно, снизить конечную температуру расплава.

Смесительные элементы шнеков

Для изготовления бездефектных пленок нужен очень качественный расплав. Этого нелегко добиться без его дополнительного перемешивания. Поэтому практически все современные шнеки для экструзии пленок имеют в своей конструкции смесители.

Механизмов смешивания расплава в экструдере всего два:

  1. Дисперсионное. Удаляет из расплавов гели.
  2. Дистрибутивное. Помогает добиться термической гомогенности, что, в свою очередь, гарантирует готовой пленке высокую прозрачность и равную толщину по всей площади.

При этом существует большое разнообразие смесительных элементов. Они могут обеспечивать как один из вышеприведенных механизмов смешивания, так и оба одновременно. Самыми распространенными на сегодня являются два решения – смесители Мэддока и смесители типа «ананас». Рассмотрим подробнее их особенности.

Смеситель Мэддока (еще известен как модель компании Union Carbide) имеет большое усилие сдвига и обеспечивает высокую эффективность плавления материала. Он работает одновременно на дисперсионное и дистрибутивное смешивание. В шнеках, разработанных для экструзии пленок, зоны с элементами Мэддока играют роль секции дополнительной пластикации. Они помогают расплавить оставшиеся нерасплавленные частички полимера в самом конце зоны дозирования.

У смесителей Мэддока есть один недостаток – из-за высокой скорости сдвига при прохождении расплава через зазор барьерного витка повышается его температура. Но эта проблема практически решена у моделей со спиральным сдвигом. Здесь ширина винта подобрана таким образом, чтобы снизить трение о стенки цилиндра, поэтому скорость сдвига меньше влияет на температуру расплава.

Смеситель «ананас» (Pineapple) является в основном дистрибутивным. Этот элемент предназначен для непрерывного разделения и последующего объединения в других комбинациях потоков расплава. Таким образом обеспечивается однородность расплавленного материала. У смесителей Pineapple малое усилие сдвига, благодаря чему их использование позволяет получить термически гомогенизированный расплав (это очень важное требование для производства многих видов пленок).

Также в экструзии успешно применяются другие виды смесителей. К примеру, многолопастные дистрибутивные элементы подходят для переработки ПВХ и подобных ему материалов, чувствительных к температурному режиму плавления. Такие смесители эффективно перемешивают расплав, не прилагая к нему слишком высоких усилий сдвига.

Реологические свойства расплавленного материала и конструкция шнека

С точки зрения реологии в шнеке существуют два типа течения:

  • сдвиговое – как правило, преобладает в канале;
  • продольное (сжатие-растяжение) – играет менее значительную роль, но может преобладать в отдельных частях зоны смесителей.

Исходя из этого, свойства потока расплава со сдвиговым течением очень важны, и должны обязательно учитываться при конструировании шнека. Сдвиговая вязкость типичного потока расплавленного полимера зависит скорости сдвига. Эта зависимость описывается кривой, которую условно разделяют на три части:

  1. В первой области (ньютоновского течения) скорость сдвига невелика, а вязкость практически не изменяется. Зависимость между показателями описывается линейной функцией (законом Ньютона) τ = η·γ, где η – коэффициент вязкости. Эту практически постоянную вязкость называют ньютоновской вязкостью (вязкостью при нулевой скорости сдвига).
  2. Вторая область – переходная. Вязкость здесь нелинейно уменьшается.
  3. Третья область – область разжижения (ньютоновского, или степенного течения). С увеличением скорости сдвига вязкость уменьшается в соответствии с формулой степенного закона τ = m·γn, где m и n – константы для каждого диапазона скорости сдвига. Индекс n – индекс течения, который показывает, насколько полимер чувствителен к сдвигу. Чем меньше значение n, тем сильнее материал разжижается при сдвиге.

Описанную кривую течения материала обязательно надо учитывать при разработке шнека. От показателей кривой зависят параметры детали – глубина канала, угол подъема винтовой линии, шаг винта, зазор между гребнем и стенкой цилиндра. К примеру, материалам с низкой вязкостью лучше подходит шнек с неглубоким каналом в секции дозирования. А вязким полимерам, наоборот, нужен глубокий канал.

Важно подчеркнуть, что ПТР (показатель течения расплава, или, в английском варианте, melt flow index – MFI) нельзя использовать при конструировании шнека вместо кривой течения. Дело в том, что этот параметр совпадает со значением сдвиговой вязкости лишь в одной точке кривой и не может описывать весь процесс плавления. Применение ПТР вместо кривых течения может привести к ошибочному определению параметров шнека и, как следствие, к его низкой эффективности.

Также особо следует отметить связь индекса течения расплава n с углом подъема винтовой линии φ. Как правило, значение угла в стандартных «квадратных» шнеках составляет 17,66°. Но такая конфигурация не всегда оптимальна.

Правильнее увеличивать значение φ с возрастанием величины n. То есть, чем более чувствителен к сдвигу материал, тем меньший ему нужен угол подъема, и наоборот. При производстве пленок из чувствительных полимеров правильное определение параметра φ может иметь решающее влияние на легкость переработки и качество готовой продукции.

Проектирование шнеков для экструзии барьерных материалов (ПВХ, ПВДХ, ПВС) дополнительно затрудняется их термочувствительностью. Полимер должен пройти через экструдер как можно скорее, но при этом расплав, попадающий в экструзионную головку, должен быть максимально гомогенизированным. То есть, шнек обязан обеспечить ускоренное расплавление полимера, чтобы не допустить его термодеструкции.

Добиться сокращения времени пребывания материала в экструдере можно путем уменьшения соотношения L/D. Чем меньше будет длина шнека, тем скорее материал через него пройдет. Но, с другой стороны, чем короче деталь, тем меньше возможностей для размещения на ней смесительных элементов. А ведь таким полимерам крайне необходима высокая гомогенность. Поэтому длину шнека под каждый материал следует тщательно рассчитывать, чтобы получить оптимальное значение.

Таким образом, при конструировании элемента надо учитывать следующее:

  1. Скорость плавления материала.
  2. Необходимость дополнительного смешивания (как правило, смесители нужны при экструзии пленок).
  3. Реологические характеристики расплава, в частности, кривую течения.

В результате правильно сконструированный шнек обеспечивает получение гомогенного расплава полимерного материала с постоянным давлением и стабильной, часто сниженной температурой. А это дает повышенную производительность переработки и высокое качество готовой продукции.


Возврат к списку