Дисковые и дисково-червячные экструдеры

Принцип работы дискового экструдера основан на создании тангенциального движения расплава, ориентации макромолекул и расположения их по концентрическим окружностям за счет тангенциального напряжения сдвига, вследствие чего возникает нормальные напряжения, обусловливающие появление избыточного давления, направленного к оси вращения расплава.

В дисковом экструдере полимер в процессе переработки проходит через три состояния: твердый материал, смесь расплава и твердого материала и расплав. Трем состояниям полимера соответствуют три эффекта, на которых базируется процесс дисковой экструзии: нормальных напряжений в твердом состоянии полимера (эффект Пойнтинга); вихревого движения и возникновения нормальных напряжений в расплаве полимера (эффект Вайссенберга).

Величина нор­мальных напряжений играет основную роль в процессе экструзии и от нее зависит вся работа дискового экструдера как насоса. Поэтому зону нормальных напряжений называют еще насосной зоной. По аналогии с червячными экструдерами зона нормальных напряжений является зоной дозирования. Тем не менее, если к течению расплава в зоне дозирования червячного экструдера полностью применимы законы гидродинамики вязких жидкостей, то для дискового экструдера этого недостаточно.

На характер течения расплава в дисковом экструдере влияет не только вязкость, но и его упругость, обусловленная ориентацией макромолекул и накопление в расплаве высокоэластической деформации. Процесс дис­ковой экструзии основан на создании избыточного давления в рабочем зазоре между вращающимся и неподвижным дисками, за счет образования при круговом сдвиговом течении расплава нормальных тангенциальных напряжений (эффекта Вайсейнберга). Конструкции дисковых экструдеров показаны на рис. 84.

Рис. 84

На рис. 84, а показан рабочий орган дискового экструдера с винтовой нарезкой 3 для принудительной подачи материала в зазор между неподвижным диском 1 и подвижным 2. Корпус экструдера 4 и неподвижный диск 1 обогреваются нагревателями электросопротивления 5. На рис. 84, б показан рабочий орган с гладким диском 2.

Рис. 85

Механизм возникновения напорного эффекта, обеспечивающего течение расплава в радиальном направлении приведен на рис. 85. Материал подвергается сдвигу в окружном направлении . В вязкоупругих жидкостях в направлении сдвига возникают нормальные растягивающие напряжения. Эти напряжения действуют на выделенный в рабочем зазоре элемент расплава, причем из-за криволинейности направления сдвига проекции на радиальное направление не равно нулю и направлено к центру О. Вследствие этого подверженный растяжению элемент оказывает давление на расположенный ближе к центру материал.

Для небольших рабочих зазоров давление на соседние слои материала ограничено небольшим пространством между подвижным и неподвижным диском, поэтому производительность мала (рис. 86). По мере увеличения зазора перекачивающее действие эффекта Вайсенберга уменьшается, но рациональный поток становится менее ограниченным. Поэтому производительность экструдера увеличивается.

Рис. 86

При достижении некоторого предельного значения величины рабочего зазора действие эффекта Bайссенберга значительно уменьшается и вследствие этого производительность дискового экструдера снова уменьшается.

Анализ экспериментальных данных позволил установить величину рабочего зазора дискового экструдера, при которой достигается наибольшая производительность машины. Эта величина лежит в пределах , где D – рабочий диаметр подвижного ротора дискового экструдера. При этом большее значение зазора берется при большем диаметре ротора. Кроме того, на величину производительности оказывает большое влияние диаметр формующего отверстия (сопротивление каналов экструзионной головки). Экспериментально установлено. Что наилучшие результаты получаются при диаметре формующего отверстия, равном (0,1÷0,15)D, причем меньшее значение диаметра формующего отверстия берется при большем диаметре ротора. Следовательно, координация величины рабочего зазора экструдера и величины диаметра формующего отверстия позволит регулировать производительность машины в необходимых пределах.

Создаваемое экструдером избыточное давление также зависит от величины зазора. Чем больше радиальный зазор, тем меньше скорость сдвига тангенциального потока, а соответственно меньше напряжение сдвига и степень ориентации макромолекул. На рис. 87 показана типичная кривая для давления, полученная в результате экспериментов для полиэтилена низкой плотности. Анализ кривой показывает, что давление уменьшается по мере увеличения рабочего зазора, то есть с уменьшением скорости сдвига.

Рис. 87

Давление между диском и конусом для дискового экструдера имеет очень низкие значения, примерно 1,5–2,0 МПа, в то время как в шнековых экструдерах около 20–30 МПа. Естественно при таких малых давлениях создать большую производительность дискового экструдера без червячного питателя невозможно.

Рис. 88

Конструкция дисково-червячного экструдера с независимым вращением диска и червяка представлена на рис. 88. Материал загружают в бункер 10, из которого он под давлением силы тяжести подается в зазор между вращающимся 9 и неподвижным 8 дисками. В зазоре 7 между дисками термопласт плавится, гомогенизируется и подается в начальные витки червяка 3, который подает материал к формующей головке, укрепленной на фланце 5. Цилиндр 4 оснащен электронагревателями сопротивления 6. Вращение диска и червяка осуществляется от индивидуальных электродвигателей через редуктор и клиноременные передачи 1 и 2.