Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Производство пластиков. Часть 15

Твердый полимер вводится в загрузочную горловину экструдера и перемещается в шнек за счет вращательного движения. Он спрессован в твердую структуру, которая расплавляется путем трения в контакте с горячей поверхностью ствола. Расплавленный полимер собирается с поверхности цилиндра лопастями шнека и перекачивается к концу экструдера. В конце шнека полимер полностью расплавляется. Расплав перемешивается вращением шнека, которое создает давление, достаточное для проталкивания расплава через фильеру и перехода к следующему этапу. Состояние или качество расплава чрезвычайно важны для качества получаемого продукта и стабильности процесса. Условия экструзии влияют на характеристики кристаллизации и молекулярную массу полимера в форме конечного продукта. Расплав образуется за счет вязкого рассеяния механической энергии в очень тонком слое расплавленного полимера, расположенном между сжатой твердой структурой и нагретой поверхностью цилиндра. Из-за высокой вязкости полимерного расплава, обычно 50-1000 Па·с (500-10 000 пуаз), большое количество механической энергии рассеивается в расплаве между твердой массой и поверхностью цилиндра, когда двигатель вращает винт, прижимая полимерную «пробку» к горячей поверхности ствола. Механическая энергия преобразуется за счет вязкого рассеяния в тепло в тонкой пленке расплава, что повышает ее температуру.

Повышенная тепловая энергия, генерируемая в этой пленке, передается за счет теплопроводности и конвекции твердой полимерной составляющей, цилиндру и ванне для расплава. Избыточные температуры или механическая работа могут вызвать термическое, окислительное или механическое разрушение полимера. Было разработано новое поколение энергоэффективных конструкций шнеков, которые сводят к минимуму температуру расплава путем смешивания собранного расплава с твердыми частицами уплотненного слоя. Это достигается путем преднамеренного нарушения в определенный момент плавления путем изменения геометрии шнека для смешивания твердого вещества с расплавом. Это передает тепловую энергию низкотемпературному нерасплавленному твердому веществу за счет передачи избыточной энергии из высокотемпературного расплава, что приводит к более низкой средней температуре выше точки плавления полимера. Однако он еще не является однородным по температуре, и это достигается за счет секций конструкции шнеков, которые повторно перемешивают и сдвигают расплав, чтобы сделать его однородным по температуре. Винты этого типа обычно называются винтами для передачи энергии и лучше всего представлены конструкциями типа ET и Double Wave. В этом разделе представим также обзор основных механизмов одношнековой экструзии. Основными механизмами являются транспортировка твердых тел, плавление или пластификация и перекачка расплава.

Когда полимер подается вперед, он уплотняется силами, создаваемыми трением при транспортировке твердых тел. Когда твердое вещество уплотняется в сжатую твердую структуру, оно трется о цилиндр экструдера. При трении выделяется тепло, которое объединяется с энергией, передаваемой в цилиндр от нагревателей, и поднимает поверхность цилиндра выше точки плавления или размягчения полимера. Когда температура цилиндра достигает точки плавления полимера, на цилиндре образуется тонкая пленка расплава полимера. По мере того как цилиндр движется относительно твердого тела, энергия двигателя рассеивается в пленке расплава и передается в твердое тело, плавя полимер. Расплавленный полимер соскабливается из цилиндра, захватывается лопастью шнека и перекачивается в дозирующую секцию. Он создает давление на лопасть шнека и выталкивает твердое вещество, создавая систему плавления. В этом переходном участке винт должен транспортировать твердые частицы, плавить полимер и перекачивать расплав, который образуется при плавлении. В конце секции плавления твердое вещество должно быть полностью преобразовано в расплав, а дозирующая секция создает циркулирующий поток расплава за счет соскабливания расплава с цилиндра и его опускания на дно винтовой лопасти. Подача расплава в дозирующей секции осуществляется двумя механизмами: потоком сопротивления и потоком, управляемым давлением. Баланс двух потоков определяет конечную производительность секции измерения.

Давление потока регулируется перепадом давления на входе в дозирующую секцию и ограничением фильеры на конце экструдера. В следующих разделах мы рассмотрим каждый из отдельных механизмов, а затем рассмотрим, как они были объединены, чтобы описать общий механизм экструзии. В течение многих лет на начальном этапе развития экструзионного оборудования механизм плавления был неизвестен. Ранее исследовательские группы DuPont проводили работу по описанию отдельных механизмов транспортировки и дозирования твердых веществ, которые можно было бы изучить независимо. Затем, в начале и середине 1960-х годов Брюс Мэддок провел эксперименты по замораживанию, в которых экструдер работал со смесью полимера с некоторыми пигментированными гранулами того же полимера до достижения устойчивого состояния. Затем экструдер быстро останавливали и цилиндр быстро охлаждали для затвердевания полимера. Затем цилиндр повторно нагревали для высвобождения полимера из цилиндра, и винт выталкивался из цилиндра. Спиральное твердое тело, образовавшееся в канале винта, было затем разрезано в поперечном сечении и исследовано, и был выведен механизм этой процедуры. Подробнее об этом в следующей части.