Анализ на работата на съвременен едношнеков екструдер

От създаването си (1935 г.) едношнековият екструдер работи като винтова помпа, при която налягането на стопилката се създава при последните винтови завои в зоната на впръскване (дозиране). Екструдерът се различаваше от "спринцовките", известни от края на миналия век, за обработка на каучук само по дължина и геометрия шнек, адаптиран към реологичните и термофизичните свойства на полимерната стопилка. Въпреки факта, че към 1965 г. всъщност е имало пълно количествено описание на процеса на екструдиране от захранващия бункер до формиращия инструмент, екструдерът остава много несъвършен и, според днешните стандарти, с ниска производителност.

В средата на 70-те години на миналия век в Германия започват интензивни изследвания и масово производство на екструдери с надлъжно гофриране на цевта в захранващата зона. Това беше своеобразна революция за почти половин век развитие на теорията и практиката на процеса на екструдиране.

С използването на гофрирани охладени втулки в зоната на зареждане, принципът на действие на екструдера се промени драстично. Винтовият винт, разбира се, продължава да работи за инжектиране (никой не е отменил законите на динамиката на флуида на непрекъсната среда), но определящият фактор за движението на полимера в екструдера е "транспортната, тласкаща способност" на зона за зареждане, което е 3-5 пъти по-високо от капацитета на налягане на дозиращата зона. Дълго време американски изследователи игнорираха очевидните успехи на западногерманските специалисти, като фокусираха цялото си внимание единствено върху проблема с топенето на материала във винтови бримки.

Първите екструдери, оборудвани с гофрирана втулка (TPM 63; TPM 90; TPM 150 и TPM 200) от Thyssen Plastic Machinen се появяват в СССР с покупката на оборудване за Казанския тръбен завод (1980-те) и впечатляват с безпрецедентно високата си производителност. Шнекът също изглеждаше необичайно, имайки еднаква дълбочина на рязане по цялата дължина. В края на винта имаше прототип на съвременния смесващ елемент.

След първоначална секция от около 5 д (с жлебове на цилиндъра) винт може изобщо да няма обичайното рязане с транспортна функция и трябва да има конфигурация, която най-добре отговаря на задачата за топене на полимер. Най-пълно, както показва практиката, този проблем се решава от така наречения бариерен шнек. Не на последно място роля в това изиграха резултатите от изследвания на американски специалисти.

Нагряване и топене на полимер в съвременна екструдер възниква главно поради механичната енергия на въртене на винта. Механичната енергия се консумира най-ефективно и се преобразува в топлинна енергия в зоните на "сухо" триене на полимера срещу металните повърхности на винта и екструдерната цев. Полимерната стопилка, въпреки че има висок вискозитет (коефициент на триене), в този смисъл не може да се конкурира с триенето, възникващо в твърд полимер (или в много тънък слой от образуваната стопилка) при високи контактни налягания и скорости.

В бариерния винт стопилката, образувана през първата трета от дължината си, започва да се отделя от твърдата фаза, която продължава да се сгъстява с ефективно отделяне на топлина за нейното пълно (или почти пълно) топене. Дължината на "бариерата" е около една трета от дължината на винта, а на изхода от нея имаме напълно разтопен полимер, вероятно с малка фракция от твърда фракция.

Останалата дължина на винта е предназначена за изравняване на температурата в потока на стопилката (хомогенизиране на температурата). Този процес се улеснява чрез смесване на елементи от една или друга конструкция, монтирани в тази част на винта.

Нека разгледаме по-подробно аксиалния функционален разрез на съвременен винт с обща дължина 36-37 д .

На дължина около 10 д настъпва уплътняване и нагряване на полимера до температурата на топене; началото на топенето. Обемът на намотката при тази дължина се променя незначително, т.е. уплътняването на материала се определя от "бутащия" капацитет на набраздената втулка и съпротивлението на "бариерата", а не от "степента на компресия" на шнека в тази зона.

От 10 до 29 дължина д настъпва топене. В този случай стопилката се отделя в новообразуван допълнителен контур (контур на Maillefer), чийто обем се увеличава монотонно към края на този участък, докато обемът на основния контур изчезва, което всъщност е бариера за излизането на нетопен материал от тази зона.

В САЩ бариерен шнек е изобретен и доскоро се използва без гофрирана втулка. В този случай има голяма вероятност, че с увеличаване на скоростта на въртене на винта (производителност), плътният щепсел няма да има време да се стопи и запуши преградата. На практика това води до вълнение в представянето. Следователно, бариерният шнек без монтиране в зоната за зареждане на набраздената втулка често се губи в сравнение с традиционния "компресионен" шнек по отношение на стабилността в експлоатация.

В Европа бариерният шнек се използва само във връзка с набраздена фуражна зона, когато става възможно да се игнорира затварящият ефект на бариерата. В днешно време комбинацията - "гофриране в товарната зона + бариерен шнек" - стана общоприета в целия свят.

Прякото продължение на зоната на топене е смесителният елемент - така нареченото "торпедо" (фиг. 3).