PL | EN
Postęp w technologii wytłaczania dwuślimakowego skoncentrowany na mieszaniu.

Postęp w technologii wytłaczania dwuślimakowego skoncentrowany na mieszaniu.

Technologia mieszania (Compounding) z wykorzystaniem wytłaczarki dwuślimakowej odgrywa szczególnie ważną rolę zarówno w rozwoju, jak i w produkcji różnych funkcjonalnych kompozytów polimerowych i stopów polimerów o morfologii w skali micro i nano.

Produkty z tworzyw sztucznych szybko rozwijają się w kierunku zastosowań wykorzystywanych do wysokiej funkcjonalności w dziedzinach przemysłowych, takich jak opakowania i części samochodowe, w dziedzinie elektroniki/optyki, w dziedzinach związanych z energią, takich jak części do baterii słonecznych, a ponadto w medycynie. W dzisiejszych czasach znacząco rozwijają się dwa rodzaje głównych trendów: jeden z nich zmierza w kierunku wydajnej technologii produkcji w celu zwiększenia produktywności i większej oszczędności energii, a drugi zmierza w kierunku nowych produktów z tworzyw sztucznych o zaawansowanych funkcjach lub wysokich dodatkowych wartościach. Technologia wytłaczania dwuślimakowego wspiera te wyżej wymienione trendy poprzez niezwykłe postępy w projektowaniu mechanicznym, analizy teoretyczne dotyczące właściwości wytłaczania i techniki mieszania sfunkcjonalizowanych nanowypełniaczy, takich jak nanorurki węglowe i stopy polimerów o morfologii na poziomie micro i nano.

Laboratoryjne wytłaczarki mieszające - Więcej niż compounder.

Mając wiedzę pozwalającą na tworzenie nowych, niestandardowych materiałów możesz wykorzystać swoją wiedzę specjalistyczną w zakresie chemii polimerów do opracowywania materiałów nowej generacji. Istnieje zapotrzebowania na wysoce spersonalizowane materiały na rynku, na którym konieczne jest tworzenia prawdziwych innowacji w zakresie polimerów. Dlatego w zakresie nowych struktur polimerowych prowadzone są badania w celu dodania funkcjonalności do istniejących polimerów. Tak widzimy przyszłość compoudingu. W naszej pracy regularnie współpracujemy z naszymi klientami, pomagając im wprowadzać innowacje w zakresie nowych materiałów poprzez coraz lepsze dostosowanie naszych wytłaczarek laboratoryjnych do zmieniających się wymagań naszych klientów.

Dwuślimakowe compoundery laboratoryjne (wytłaczarki mieszające) umożliwiają tworzenie niestandardowych kompozycji materiałowych dla prawie wszystkich wymagań materiałowych, wraz z odpowiednim rozwojem procesu. Możliwy jest rozwój specjalistycznych procesów w zakresie compoundingu. Procesy spieniania, oczyszczania i modyfikacji polimerów można przeprowadzić za pomocą wytłaczarki dwuślimakowej. Na przykład CO2 w stanie nadkrytycznym jest z powodzeniem stosowany w procesach recyklingu oraz spieniania polimerów. Nowoczesne wytłaczarki dwuślimakowe dają nam możliwość opracowania zaawansowanych materiałów bez konieczności budowy zakładów chemicznych. Dzięki operacji mieszania można na niewielkiej przestrzeni wprowadzić wiele innowacji, po prostu łącząc istniejące już materiały na różne nowe sposoby, dodając nowe funkcjonalności.

Dostosowane do określonych wymogów odbiorców właściwości polimerów otrzymuje się przez fizyczną lub (i) chemiczną modyfikacje, reaktywne wytłaczanie bądź sporządzanie kompozycji polimerowych. Pod pojęciem modyfikacji fizycznej rozumiemy zmianę struktury polimeru spowodowanej wymuszoną orientacja, zmieszaniem polimeru, który jest matrycą z modyfikatorami, tworzeniem kompleksów polimerowych, zmianę stopnia zdyspergowania poszczególnych faz oraz zmianę budowy i rozmiarów stref międzyfazowych. Fizyczna modyfikacja obejmuje zmianę oddziaływań międzycząsteczkowych na granicy faz na skutek dodania promotorów mieszalności, które oddziaływają na mikrostrukturę matrycy i często uczestniczą w reakcji z innymi składnikami mieszaniny. Dlatego też bywa trudno rozgraniczyć metodę fizyczną i chemiczną modyfikacji polimerów, gdzie chemiczna metoda obejmuje kopolimeryzację blokową, statystyczną oraz szczepioną, jak i zmianę rozkładu ciężaru cząsteczkowego oraz budowy makrocząsteczek, sieciowanie i tworzenie wzajemnie przenikających się sieci. Mieszaniny polimerowe można podzielić na mieszaniny fizyczne, kopolimery szczepione i blokowe oraz układy o wzajemnie przenikających się sieciach. Wspólną cechą dla mieszanin polimerowych jest występowanie polimerowego ośrodka dyspersyjnego w którym rozproszone są pozostałe składniki. W zależności od stopnia zdyspergowania składników mieszaniny oraz od właściwości fizykochemicznych mogą powstać roztwory rzeczywiste lub układy koloidalne. Właściwości mieszanin polimerowych zależą od składu mieszaniny, sposobu jej wykonania oraz wzajemnego oddziaływania składników.

Wszystkie te czynniki mają wpływ na strukturę otrzymanej mieszaniny polimerów. Przyczynami braku jednorodności właściwości mieszaniny polimerowej może być brak mieszalności termodynamicznej oraz znaczna różnica lepkości, składników która blokuje możliwość uformowania jednorodnej struktury mieszaniny nawet w przypadku istnienia mieszalności termodynamicznej.

Wiele mieszanin polimerowych ze względu na konieczność zapewnienia dużych sił ścinających w ciągu krótkiego czasu w celu otrzymania żądanego rozkładu fazowego układu wymaga zastosowania wytłaczarki mieszającej. Wytłaczarki mieszające służą między innymi do mieszania uplastycznionych polimerów. Zwykle zastosowanie znajdują wytłaczarki ze ślimakami o dobranej do procesu konfiguracji. Zazwyczaj wzdłuż ślimaków wytłaczarki rozróżnia się następujące strefy: karmienia, uplastyczniania, mieszania, odpowietrzania i tworzenia ciśnienia.

Efektywność procesu mieszania w wytłaczarce zwiększy się, gdy:

  • Zwiększymy długość ślimaka,
  • Zmniejszymy głębokość kanału ślimaka
  • Zwiększymy prześwit pomiędzy zwojem ślimaka a cylindrem
  • Zwiększymy prędkość obrotową ślimaka.
  • Zwiększymy opory w głowicy.

W celu uzyskania wymaganej intensywności mieszania stosuje się specjalne ślimaki zaopatrzone w elementy konstrukcyjne, które intensyfikują ścinanie i homogenizowanie mieszaniny. Wykonanie kompozycji z udziałem wytłaczarki można podzielić na etapy: przygotowanie składników mieszaniny w stanie sypkim lub płynnym, homogenizowanie składników mieszaniny wraz z dodatkami, formowanie żyłki i granulowanie. Podczas operacji technologicznych należy ustalić takie parametry prowadzenia procesu mieszania, aby nie doszło do degradacji makrocząsteczek polimerów oraz zminimalizować rozkład termiczny niestabilnych składników kompozycji a także prawidłowo zdyspergować składniki mieszaniny i optymalnie zhomogenizować.

Laboratoryjna wytłaczarka mieszająca wraz z granulatorem.

Rys.1 Zawansowana technicznie laboratoryjna wytłaczarka mieszająca wraz z granulatorem SiTech3D- LE-2CC 2x24 mm.

Wytłaczarki mieszające pozwalają pracować z szeroką gamą materiałów: żywicami konstrukcyjnymi, takimi jak nylon, PEEK, PPS i PETG, a także TPE i olefinami funkcjonalnymi oraz wypełniaczami.

Można wyodrębnić cztery specjalistyczne kategorie badań:

  • Rozwój produktu: Wdrażanie nowatorskiego projektu procesu rozwoju i formułowania produktu za pomocą pilotażowych linii wytłaczania dwuślimakowego. Można przeprowadzać próby rozwojowe w małych seriach oraz szybko sprawdzać parametry produktu i przetwarzania w celu demonstracji koncepcji i produkcji na małą skalę.
  • Mieszanie specjalistyczne: Tworzenie i/lub dodawanie funkcjonalności, takich jak przewodność, estetyka, ognioodporność, wytrzymałość, stabilność termiczna i właściwości powierzchni do żywic bazowych poprzez wprowadzenie szerokiej gamy dodatków.
  • Koncentraty przedmieszek: barwniki i/lub dodatki zwiększające wydajność, które umożliwiają przetwórcom ekonomiczne zwiększanie funkcjonalności podczas przetwarzania, obejmują szeroką gamę żywic i mieszanek polimerowych, dodatków, modyfikatorów, wypełniaczy i nanokompozytów.
  • W pełni formułowane mieszanki: Gotowe do użycia mieszanki do dalszego przetwarzania w celu wytworzenia części formowanych wtryskowo, włókien, folii lub włókien FDM do wytwarzania przyrostowego. Można mówić o opracowywaniu nowych materiałów, albo o przyłączaniu cząsteczek do szkieletów polimerów, albo o tworzeniu unikalnych polimerów przy użyciu wytłaczarki jako reaktora, są to sposoby na opracowanie w przyszłości nowych materiałów, których być może jeszcze nie widzieliśmy.

Mieszanie za pomocą wytłaczarki dwuślimakowej.

Podczas mieszania różne materiały (polimery, dodatki itp.) są mieszane i topione w wytłaczarce a następnie granulowane. Większość kupowanych obecnie wytłaczarek mieszających jest typu dwuślimakowego, współbieżnego zazębiającego się, chociaż w niektórych zastosowaniach stosuje się wytłaczarki przeciwbieżne. Linie do wytłaczania mieszanek są zazwyczaj wyposażone w grawimetryczne systemy podawania, które dozują materiały do wytłaczarek z bardzo dokładnie określoną wydajnością. W niektórych zastosowaniach wytłaczarki są wyposażone w otwory wentylacyjne, które wyciągają niepożądaną wilgoć i inne substancje lotne ze strumienia polimeru. W przypadku podawania do stopu napełniaczy np. w postaci proszków stosowane są dwuślimakowe podajniki boczne (side feeder).

Konstrukcja wytłaczarki dwuślimakowej zapewnia przewagę nad innymi procesami przetwarzania tworzyw sztucznych. Pełna elastyczność daje możliwość skonfigurowania wytłaczarki w celu optymalizacji procesu i uzyskania najlepszych osiągalnych właściwości. Użytkownicy dostrzegają korzyści płynące z możliwości konfiguracji ślimaków wytłaczarki. Sekcje cylindra można również konfigurować, aby zapewnić optymalne ustawienie dla danego procesu. Należy wspomnieć o tym, że konstrukcje cylindrów wytłaczarek zwłaszcza tych laboratoryjnych różnią się pod względem metod i wygody zmiany konfiguracji.

Procesy takie jak wytłaczanie jednoślimakowe i formowanie wtryskowe zazwyczaj mają stałe konfiguracje ślimaka i cylindra. Po zaprojektowaniu procesu jest on w zasadzie ustalony. Wszelkie zmiany konfiguracji wymagają poniesienia wysokich kosztów prostych zmian. Na przykład dodanie odpowietrznika do wytłaczarki jednoślimakowej wymaga modyfikacji cylindra i wyprodukowania nowego ślimaka. Każde z tych działań może być dość kosztowne. Natomiast wytłaczarka dwuślimakowa jest konfigurowalna. Segmentowe cylindry i ślimaki zapewniają elastyczność niespotykaną w innych procesach polimerowych. Odpowiednie uporządkowanie sekcji cylindra wraz z odpowiednimi elementami ślimakowymi pozwala na szeroki zakres specjalizacji procesu.

Wytłaczarka dwuślimakowa (compounder) umożliwia wykonanie następujących operacji jednostkowych:

  • Transport ciał stałych.
  • Topienie i transport polimerów.
  • Konfigurowalne mieszanie dodatków w stopie.
  • Wtrysk cieczy lub gazu w stanie nadkrytycznym.
  • Dodawanie dodatków wypełniających.
  • Wentylacja atmosferyczna i próżniowa).
  • Pompowanie stopu;
  • Kontrola ogrzewania i chłodzenia.
  • Reakcje chemiczne w przypadku wytłaczania reaktywnego.
  • Wytłaczanie współbieżne i przeciwbieżne w jednym urządzeniu.

Konfigurację cylindra wytłaczarki i sposób wykorzystania każdej sekcji cylindra wytłaczarki do różnych operacji.

Większość użytkowników wytłaczarek nie uważa zmiany konfiguracji cylindra wytłaczarki za praktyczną opcję co jest spowodowane konstrukcją cylindrów większości wytłaczarek dostępnych na rynku. Zmiana konfiguracji wymaga dokonania operacji demontażu cylindra, jego rekonfiguracji i ponownego montażu. Jest to złożona i czasochłonna operacja wymagająca czasem zaangażowania serwisu producenta co czyni ją kosztowną. Jednakże zmiana lokalizacji pewnych funkcji może mieć ogromny wpływ na wydajność wytłaczarki dwuślimakowej i skuteczność operacji mieszania zwłaszcza w czasie prowadzenia badań nad polimerami i ich mieszaninami. Większość producentów oferuje segmentowe cylindry dwuślimakowe składające się z pojedynczych szeregowo połączonych sekcji o długości czterech, pięciu lub sześciu średnic. Każda sekcja cylindra jest niezależnie podgrzewana i chłodzona, aby zapewnić kontrolę temperatury.

 Przykładowy cylinder zbudowany z połączonych szeregowo nieotwieranych segmentów.

Rys.2 Przykładowy cylinder zbudowany z połączonych szeregowo nieotwieranych segmentów.

Nieliczni producenci wytłaczarek do których należy SiTech3D oferują cylindry wytłaczarek przeznaczonych do badań, których cylindry zbudowane są w inny sposób umożliwiający otwarcie cylindra dzięki poziomej linii podziału oraz zmianę konfiguracji stref i położenia podajników bocznych. Układ stref cylindra można zaaranżować tak, aby zoptymalizować proces w oparciu o wymagania dotyczące procesu mieszania.

Użytkując wytłaczarkę zaprojektowaną do łatwych zmian konfiguracji cylindra możemy zbudować sekcję procesową wytłaczarki w zależności od potrzeb w oparciu o wytwarzane mieszanki. W przypadku linii laboratoryjnych i pilotażowych taka możliwość jest niezwykle użyteczna, aby zoptymalizować proces podczas opracowywania nowych receptur. Układ cylindra wytłaczarki można zaaranżować tak, aby zoptymalizować proces w oparciu o wymagania dotyczące mieszania lub/i napełniania. W praktyce raz wybrany układ cylindra wytłaczarki nie jest zmieniany.

W przypadku wytłaczarki SiTech3D naukowiec ma możliwość łatwej zmiany układu cylindra i może ją rozważyć, jeśli wymagane operacje jednostkowe nie są wykonane w preferowanej kolejności pomimo tego, iż zmiany konfiguracji cylindra wytłaczarki nie są powszechnie stosowane z powodu wcześniej opisanych czynników.

Mając na celu stworzenie cylindra wytłaczarki laboratoryjnej, który będzie dobrze przystosowany do zmian konfiguracji stref zaprojektowaliśmy cylinder, który ma następujące cechy użytkowe:

  1. Cylinder jest dzielony w poziomie dzięki tej funkcji możemy łatwo go otwierać, aby zobaczyć przebieg procesu wytłaczania na żywo. Otwarcie cylindra ułatwia czyszczenie cylindra i ślimaków oraz ułatwia zmianę konfiguracji ślimaków. Otwierany cylinder pozwala tez zmienić konfiguracje stref i położenia otworów dla podajników bocznych.
  2. Zmiana konfiguracji stref jest bardzo łatwa, ponieważ wkładki stanowiące cześć roboczą cylindra można w prosty sposób demontować, montować i zmieniać ich położenie. Można stosować wkładki z różnych materiałów np. azotowane lub ze stali kwasoodpornej lub inne. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby w cylindrze były zainstalowane jednocześnie wkładki z różnych materiałów. Wkładki mogą mieć długość od 4 do 8 D.
  3. Dolna część cylindra po otwarciu może być uchylana w dół ze wspomaganiem siłownikami dla ułatwienia obsługi.
  4. Górna cześć cylindra jest dodatkowo podzielona na dwie części niezależnie otwierane i wspomagane siłownikami. Dzięki dodatkowemu podziałowi możemy niezależnie otwierać strefy procesowe i karmienia wytłaczarki. Takie rozwiązanie pozwala zaoszczędzić czas, ponieważ pozwała otworzyć cylindra wytłaczarki w części procesowej bez konieczności demontowania dozowników oraz leja zasypowego.

Modułowy otwierany cylinder wytłaczarki mieszającej.

Rys.3 Modułowy otwierany cylinder wytłaczarki mieszającej.

Modułowy otwierany cylinder wytłaczarki mieszającej funkcje.

Rys.4 Modułowy otwierany cylinder wytłaczarki mieszającej-funkcje.

Podsumowanie:

Powyżej opisana konstrukcja cylindra ułatwia pracę z wytłaczarką, skraca czas operacji, umożliwia zmianę konfiguracji stref bez konieczności demontażu tzw. beczek cylindra oraz pozwala kontrolować przebieg procesu poprzez obserwację po otwarciu cylindra

Sekcje cylindra wytłaczarki mieszającej:

Kilka konstrukcji sekcji (wkładek) cylindra zapewnia konfigurowalność charakterystyczną dla wytłaczarki dwuślimakowej. Przyjrzymy się każdemu z tych typów stref ogólnie i bardziej szczegółowo, łącząc każdą sekcję cylindra z odpowiednią konfiguracją ślimaka dla działania jednostki specyficznego dla tej sekcji wytłaczarki. Każda sekcja cylindra wytłaczarki ma ścieżkę w kształcie cyfry 8, przez którą przechodzą segmentowe wały śrubowe (ślimaki wytłaczarki).

  1. Otwarta strefa: To strefa z otworem umieszczonym w górnej części cylindra umożliwiającym doprowadzenie lub odpowietrzenie substancji lotnych. Tę samą konstrukcję otwartej beczki można wykorzystać zarówno do zasilania, jak i odpowietrzania. Ponieważ taka strefa jest dodatkowo wyposażona w wymienne zamkniecie może spełniać dodatkowe funkcje takie jak wtrysk gazu, cieczy mogą też być do stopu wprowadzone czujniki ciśnienia lub/i temperatury. Cylinder wytłaczarki może posiadać takie porty w dowolnym miejscu wzdłuż całego cylindra rozmieszczone co 4D.
  2. Podawanie (karmienie wytłaczarki): Oczywiście, aby rozpocząć proces, do wytłaczarki należy wprowadzić materiał. Strefa podająca jest otwartą sekcją cylindra zaprojektowaną w taki sposób, że w górnej części znajduje się otwór o dużej średnicy, przez który podawany jest materiał do wytłaczarki. Najczęstszą lokalizacją strefy zasilającej jest pozycja 1. Pellety i granulaty sypkie dozowane są podajnikiem tak, aby opadały do wytłaczarki bezpośrednio na ślimaki. Proszki o małej gęstości nasypowej często stanowią wyzwanie, ponieważ wraz z opadającym proszkiem zazwyczaj porywane jest powietrze. Uciekające powietrze blokuje przepływ lekkiego proszku, zmniejszając zdolność proszku do podawania z żądaną szybkością. Jedną z opcji podawania proszków jest posiadanie dwóch otwartych sekcji cylindra w pierwszych dwóch pozycjach bębna wytłaczarki. W tej konfiguracji proszki są podawane do strefy 2, umożliwiając odprowadzenie powietrza ze strefy 1. Taka konfiguracja jest znana jako układ z tylnym odpowietrzeniem. Tylny otwór wentylacyjny zapewnia drogę dla powietrza opuszczającego wytłaczarkę. Po doprowadzeniu polimeru i dodatków do wytłaczarki, substancje stałe są transportowane do strefy topienia, gdzie polimer jest topiony i mieszany z dodatkami. Dodatki można również podawać za strefą topienia za pomocą podajnika bocznego. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie mieszacza wibracyjnego, który dzięki delikatnym wibracją pozwala uwolnić i odprowadzić do zasypu powietrze.
  3. Zasilanie boczne: Sekcja cylindra używana do tej operacji nazywana jest strefą z zasilaniem bocznym. W tej strefie drugi otwór na boku cylindra umożliwia bezpośrednie podłączenie dwuślimakowego podajnika bocznego do wytłaczarki, dzięki czemu dodatki są wprowadzane do stopionego polimeru. Konstrukcja cylindra wytłaczarek laboratoryjnych SiTech3D pozwala dodatkowo na zmianę położenia tych stref w łatwy i tani sposób. Otwór wentylacyjny w poprzedzającej strefie umożliwia ucieczkę porwanego powietrza.
  4. Wentylacja: Otwarta sekcja cylindra może być również wykorzystana do wentylacji; lotne opary powstające podczas mieszania muszą zostać odprowadzone przed wytłoczeniem polimeru przez dyszę głowicy. Najbardziej oczywistą lokalizacją otworu wentylacyjnego jest część wylotowa wytłaczarki. Ten odpowietrznik jest często podłączony do pompy próżniowej, aby zapewnić usunięcie wszystkich substancji lotnych zawartych w stopionym polimerze przed wypuszczeniem przez dyszę głowicy. Opary lub gazy pozostające w stopie spowodują gorszą jakość wytłoczyny w tym spienianie i zmniejszoną gęstość. Preferujemy wytłaczarki o długości cylindra co najmniej 10 sekcji (L/D ≥40) polegającą na umieszczeniu otworu wentylacyjnego dwie sekcje cylindra przed matrycą. Dość często, jeśli ciśnienie w głowicy wytłaczarki wzrasta zbyt wysoko, stopiony polimer może cofać się w odpowietrzniku. Podczas mieszania ciśnienie w głowicy może się zmieniać. Jeśli lepkość stopionego polimeru jest niska, polimer będzie się cofał i wypływał z otworu wentylacyjnego. Umieszczenie odpowietrznika na dwie sekcje cylindra przed wylotem zasadniczo eliminuje tę możliwość, co skutkuje bardziej stabilną pracą. Dodatkowo do wentylacji, zarówno atmosferycznej, jak i próżniowej, można wykorzystać otwory wzdłuż cylindra wytłaczarki rozmieszczone co 4D, jeśli występuje wysoki poziom substancji lotnych, jeśli wtryskiwany jest rozcieńczalnik w celu usunięcia niepożądanej substancji lotnej lub jeśli generowana jest duża ilość produktu ubocznego w postaci cieczy/pary w wyniku reakcji chemicznej.
  5. Zamknięte sekcje cylindra: W wytłaczarkach laboratoryjnych SiTech3D w zasadzie może nie być takich stref, ponieważ każda strefa cylindra może być wyposażona w otwory. Oczywiście jest możliwe skonfigurowanie takiej strefy poprzez zaślepienie otworów odpowiednimi zamknięciami, zastosowanie wkładek do cylindra bez otworów lub zamówienie wytłaczarki z cylindrem, który nie będzie posiadał otworów w danej strefie.

Długość wytłaczarki wyraża się jako stosunek długości do nominalnej średnicy ślimaka (L/D). W ten sposób zwiększanie skali staje się znacznie łatwiejsze, ponieważ małą wytłaczarkę o współczynniku L/D wynoszącym 40:1 można skalować do wytłaczarki o znacznie większej średnicy, również o długości L/D wynoszącej 40:1.

Technologia mieszania i ugniatania w wytłaczarkach dwuślimakowych.

Mieszanie i ugniatanie w ślimakowym kanale przepływowym dla stopionego polimeru dzieli się na następujące kategorie:

  1. Mieszanie ścinające pod przepływem ścinającym.
  2. Mieszanie wzdłużne przy przepływie wydłużonym.
  3. Mieszanie dyfuzyjne.
  4. Mieszanie chaotyczne.

W tych procesach mieszania mieszanie ścinające w polach przepływowych odgrywa najważniejszą rolę w określaniu wydajności mieszania i ugniatania w wytłaczarce dwuślimakowej, a to dzieli się na dwa rodzaje mieszania, tj. mieszanie dystrybucyjne i dyspersyjne. Mieszanie dystrybucyjne ocenia się na podstawie poziomu odkształcenia ścinającego, który jest iloczynem szybkości ścinania i czasu przebywania. Natomiast mieszanie dyspersyjne ocenia się na podstawie poziomu naprężenia ścinającego, które jest iloczynem szybkości ścinania i lepkości stopionego polimeru. Oznacza to, że ważne jest, aby wydłużyć czas przebywania w przypadku mieszania dystrybucyjnego. Ale czas przebywania nie ma znaczenia w mieszaniu dyspersyjnym i bardziej efektywne jest uzyskanie lepszego mieszania dyspersyjnego po zastosowaniu niższej temperatury polimeru w celu wykorzystania wzrostu lepkości stopu.

Czynniki operacyjne stosowane do mieszania w dwuślimakowych wytłaczarkach mieszających.

Istnieje znaczna liczba czynników operacyjnych wytłaczarki dwuślimakowej, a ponadto każdy czynnik jest głęboko powiązany w porównaniu z wytłaczarką jednoślimakową. Rysunek 5 przedstawia różne etapy mieszania związane z mieszaniem dwuślimakowym (lewa strona) i czynnikami operacyjnymi (prawa strona) w celu sterowania tymi procesami. Jak pokazano na rysunku 5, niezbędne jest kontrolowanie i optymalizowanie tych czynników operacyjnych w mieszaniu. W mieszaniu przy użyciu wytłaczarki dwuślimakowej prędkość obrotowa ślimaka i szybkość podawania (tj. przepustowość) są niezależne jako oddzielne czynniki operacyjne, podczas gdy w wytłaczarce jednoślimakowej trudno jest niezależnie kontrolować prędkość obrotową ślimaka i przepustowość. Dzieje się tak, ponieważ przepustowość wytłaczarki jednoślimakowej jest misternie powiązana z prędkością obrotową ślimaka. Ponadto w wytłaczarce dwuślimakowej możliwe jest dostarczanie różnych surowców oddzielnie z kilku miejsc wytłaczarki w ramach jednej z technik mieszania, np. zapobiegania rozpadowi włókna szklanego lub kontroli tworzenia morfologii w stopie polimeru. W strefie topnienia rozkład czasu przebywania jest wąski, ale generowane są duże naprężenia ścinające. W rezultacie w tej strefie dochodzi do silnego dyspersyjnego działania mieszającego. W przeciwieństwie do tego, w strefie mieszania i ugniatania można ogólnie zastosować szerszy rozkład czasu przebywania i wyższe działanie mieszania dystrybucyjnego. W związku z tym w rzeczywistych operacjach mieszania konieczne jest zoptymalizowanie kombinacji elementów ślimakowych w celu uzyskania wydajnych operacji mieszania i odpowiednich profili czasu przebywania w każdej strefie.

 Procesy mieszania i ugniatania oraz czynniki operacyjne w wytłaczarce dwuślimakowej.

Rys.5 Procesy mieszania i ugniatania oraz czynniki operacyjne w wytłaczarce dwuślimakowej.


Czynniki operacyjne w wytłaczarce dwuślimakowej mieszającej:

  1. Prędkość ślimaka.
  2. Geometria ślimaka.
  3. Długość ślimaka.
  4. Moc napędowa.
  5. Geometria cylindra.
  6. Długość cylindra.
  7. Temperatura stref cylindra.
  8. Chłodzenie cylindra.
  9. Prędkość posuwu materiału.
  10. Lokalizacja miejsca podawania materiału.
  11. Kształt podawanego materiału.
  12. Temperatura podawania materiału.
  13. Odgazowanie atmosferyczne lub/i próżniowe.
  14. Ciśnienie wytłaczania.
  15. Dodatki procesowe (woda, gaz itp.).

Mieszanie ścinające w dwuślimakowej wytłaczarce mieszającej.

Gdy siła kohezji między cząstkami wypełniacza, takimi jak sadza i nanokrzemionka, jest wyjątkowo silna, konieczne jest przyłożenie dużego naprężenia ścinającego w celu uzyskania mieszania dyspersyjnego. Ogólnie rzecz biorąc, naprężenie ścinające odgrywa ważną rolę w rozpraszaniu różnych wypełniaczy nieorganicznych, ale w innych przypadkach dyspersja wypełniaczy jest zdominowana nie tylko przez naprężenie ścinające, ale także przez odkształcenie ścinające, gdy ocenia się je na podstawie kombinacji innych polimerów i różnych wypełniaczy nieorganicznych. Efekty mieszania i ugniatania są zdominowane przez energię ścinania (iloczyn odkształcenia ścinającego i naprężenia ścinającego), tj. energię właściwą.

Różne modele mieszania i ugniatania generowane w przepływie w kanale ślimakowym wytłaczarki mieszającej.

Rys.6 Różne modele mieszania i ugniatania generowane w przepływie w kanale ślimakowym wytłaczarki mieszającej.

Mieszanie wzdłużne w dwuślimakowej wytłaczarce mieszającej.

W ostatnich latach nastąpił znaczny postęp w wielu praktycznych badaniach mających na celu poprawę mieszania i ugniatania poprzez wykorzystanie przepływu wydłużonego. Dobre efekty mieszania i ugniatania można łatwo uzyskać w systemie mieszania polimerów o dużym stosunku lepkości stopu, gdy tworzy się wydłużone pole przepływu. Przepływ wydłużony występuje w obszarze, w którym przecina się każda końcówka dwóch elementów dysku ugniatającego.

Rozwój technologiczny w zakresie elementów ślimaków wytłaczarek przeznaczonych do operacji mieszania.

Opracowano wiele skomplikowanych elementów ślimakowych do wytłaczarki dwuślimakowej do różnych operacji mieszania stopów polimerów i kompozytów polimerowych. Główną cechą tych elementów ślimakowych mieszających jest elastyczność w uzyskiwaniu zróżnicowanych kombinacji ślimaków poprzez wybór szerokiej gamy grubości tarczy i kąta naprzemiennego rozmieszczenia tarcz. Ponadto, oprócz elastyczności w projektowaniu kombinacji, rozwijane są pewne specjalne rozwiązania, na przykład nowe elementy ślimakowe promujące mieszanie wydłużone oraz specjalny segment cylindra z kilkoma rowkami, aby uzyskać synergiczne efekty mieszania między końcówką płytek a wewnętrzną powierzchnią cylindra z płytkimi rowkami. W przypadku operacji mieszania powszechnie stosowanymi metodami są regulacja grubości talerzowego elementu mieszającego i wielofunkcyjna kombinacja o różnym kącie naprzemiennym rozmieszczenia tarcz. Zazwyczaj stosuje się kombinację szerszych tarcz ugniatających, aby wzmocnić mieszanie dyspersyjne. W przeciwieństwie do tego, kombinacja węższych tarcz ugniatających jest stosowana w celu uzyskania wydajnego mieszania dystrybucyjnego. Oznacza to, że grube tarcze do ugniatania mogą wytwarzać większe naprężenia ścinające niż cienkie tarcze do ugniatania w tych samych warunkach pracy, takich jak prędkość obrotowa ślimaka i przepustowość. Co więcej, naprężenie ścinające, które przyczynia się do mieszania dyspersyjnego, staje się większe, jeżeli zwiększa się prędkość obrotowa ślimaka lub przepustowość. Z naszego doświadczenia wiadomo, że grube tarcze do ugniatania mogą powodować większe naprężenia ścinające, tj. doskonałe mieszanie dyspersyjne, ale niższe mieszanie dystrybucyjne, w porównaniu z cienkimi tarczami do ugniatania.

Typowe elementy ślimaków wytłaczarki mieszającej stosowane do mieszania dwuślimakowego.

Rys.7 Typowe elementy ślimaków wytłaczarki mieszającej stosowane do mieszania dwuślimakowego. Baza danych technicznych segmentów ślimaków wytłaczarek.

Transport Mieszanie dystrybuujące Mieszanie dyspersyjne Transport Szerokość dysków
Mieszanie dystrybuujące 
Mieszanie dyspersyjne
Transport
Neutralny Dobre Dobre Neutralny Szerokie Słabe Dobre Słaby
Do przodu Średnie Średnie Do przodu Standardowe Średnie Średnie Średni
Wsteczny Dobre Dobre Wsteczny Wąskie Dobre Słabe Lepszy niż średni

Tabela 1 Kombinacje różnych tarcz do ugniatania i efektów mieszania oraz transportu.

Związek między różnymi elementami ślimaka a mieszaniem/ugniataniem.

W przypadku wytłaczarki dwuślimakowej oprócz elementów typu tarczy ugniatającej często stosuje się element ślimakowy typu wirnikowego podobnych do rotorów gniotownika. Efekt mieszania dyspersyjnego dla segmentów wirnikowych jest mniejszy niż w przypadku segmentów z tarczami ugniatającymi, a efekt mieszania dystrybucyjnego został zwiększony w przypadku segmentów wirnikowych w porównaniu z elementami z tarczami. W przeciwieństwie do tego, zdolność transportowa stopionego polimeru jest niższa w porównaniu z segmentami wirnikowymi.

Zależność między sposobem montażu elementów ślimakowych mieszających typu przekładniowego a efektami mieszania.

Element ślimakowy mieszający typu zębatego jest szeroko i praktycznie stosowany do mieszania, aby promować głównie mieszanie dystrybucyjne. Wyższy efekt mieszania dystrybucyjnego uzyskamy przy połączeniu elementów ślimakowych typu przekładniowego w odpowiednich odstępach niż w przypadku, gdy elementy ślimakowe typu zębatego były ustawione w sposób ciągły.

Specjalne elementy ślimaków wytłaczarki mieszającej stosowane do mieszania dwuślimakowego.

Rys.8 Specjalne elementy ślimaków wytłaczarki mieszającej stosowane do mieszania dwuślimakowego. Baza danych technicznych segmentów ślimaków wytłaczarek.

Najczęściej stosowane segmenty ślimaków wytłaczarek mieszających.

Segmenty transportowe / przenoszące.

Elementy te realizują zadanie, które sama nazwa wskazuje i są też stosowane w strefach cylindra wytłaczarki, takimi jak otwory wentylacyjne lub podajniki boczne, w celu szybkiego transportu do przodu. Ilość materiału przesyłanego do przodu jest wprost proporcjonalna do prędkości ślimaka i kąta nachylenia rzeczywistego elementu ślimaka. Przenoszenie przez elementy generuje niezbędne ciśnienie, aby wprowadzić stop polimeru do elementów strefy mieszania. Klasyczne typy segmentów transportowych posiadają funkcję samooczyszczenia. Elementy transportowe mogą być wykonane z pojedynczym, podwójnym lub potrójnym zwojem. Sprzedawcy dostarczają te elementy o różnych podziałkach i długościach. Im większy kąt nachylenia, tym większa wolna objętość w ślimaku wytłaczarki. Skok śruby decyduje o wydajności transportu. W segmencie zasilania za dobry do pobierania surowca uważa się skok ślimaka od 1,5 do 2D.

Typowe transportowe elementy ślimaków wytłaczarki mieszającej o skoku zwojów 0,5D, 0,75D, 1,0D, 2D.


Rys.9 Typowe transportowe elementy ślimaków wytłaczarki mieszającej o skoku zwojów 0,5D, 0,75D, 1,0D, 2D.

Elementy ugniatające.

Elementy ugniatające służą głównie do topienia polimerów oraz efektywnego dyspergowania i mieszania wypełniaczy i spoiw stosowanych w procesie wytłaczania. Segmenty ugniatające są wytwarzane przy użyciu wielu tarcz ugniatających, które są przesunięte względem siebie pod określonym kątem. Konwencjonalne elementy ugniatające są rozmieszczone symetrycznie, podobnie jak elementy przenoszące, co oznacza, że kształt i położenie obu sekcji na każdego ślimaka jest identyczne. Zatem liczba dysków i kąt ich przesunięcia zależą od siebie. Kąt przesunięcia, liczba tarcz i szerokość tarcz określają zakres właściwości ścinających lub przenoszenia, jakie zapewnia blok ugniatający. Im większy kąt przesunięcia pomiędzy tarczami ugniatającymi, tym bardziej otwarty jest blok ugniatający wzdłuż jego obrotu, co zwiększa efekt mieszania. Wadą tego jest to, że zdolność przenoszenia elementu jest zmniejszona. Tarcze ugniatające mogą być prawoskrętne, które przenoszą materiał do przodu przy minimalnym mieszaniu, lewoskrętne, które tworzą korek stopu i ograniczają przepływ materiału, i wreszcie neutralne (tj. 90°), które nie mają właściwości przenoszenia, ale są dość skutecznymi mieszalnikami. Działanie rozpraszające elementu ugniatającego wynika głównie z szerokości tarczy ugniatającej. Im większa szerokość tarczy ugniatającej, tym większe jest prawdopodobieństwo, że materiał zostanie wciśnięty do szczeliny pomiędzy tarczami a ścianą cylindra wytłaczarki, zwiększając w ten sposób efekt mieszania dyspersyjnego.

Elementy mieszające.

Elementy te mogą mieć charakter funkcjonalnie dyspersyjny lub dystrybucyjny. Mieszalniki dyspersyjne służą do rozbijania domen fazowych, kropelek i aglomeratów oraz dokładnego mieszania. Elementy mieszające kombinowane to takie, które pełnią jednocześnie funkcję transportową i mieszającą. Elementy kombinowane przypominają elementy przenoszące, ale posiadają wzdłużne szczeliny umożliwiające rozprowadzanie mieszania i poprawę jednorodności. Grzebieniowy element mieszający opiera się na mieszaniu dystrybucyjnym poprzez cięcie i ponowne łączenie, aby umożliwić interakcję pomiędzy napływającymi ziarnistymi materiałami.

Projektowanie konfiguracji ślimaków wytłaczarki mieszającej.

Konfiguracja ślimaków wytłaczarki mieszającej jest jednym z najważniejszych czynników, które mają głęboki wpływ na jakość i produktywność wytłaczanego produktu. Czynnik ten jest konwencjonalnie określany na podstawie doświadczenia metodą prób i błędów ze względu na złożoność czynników operacyjnych w wytłaczarce dwuślimakowej. W niedalekiej przyszłości z pewnością oczekuje się, że wykorzystanie technologii sztucznej inteligencji będzie miało rosnące znacznie w różnych dziedzinach przetwarzania polimerów, w tym w dziedzinie compoundingu.

Wysoce zaawansowane technologie mieszania przy użyciu wytłaczarki dwuślimakowej są bardzo oczekiwane, jeśli chodzi o rozwój w tworzeniu wysoce funkcjonalnych stopów polimerów i powiązanych nanokompozytów. Oprócz niezwykłych osiągnięć w technologii projektowania systemów w wytłaczarce dwuślimakowej, w dzisiejszych czasach szybko rozprzestrzenia się wiele nowych technik mieszania stosowanych w wytłaczarce dwuślimakowej. Długie lata minęły już od ustalenia koncepcji wytłaczarki dwuślimakowej około 1930 roku. Utrzymując tę podstawową koncepcję w konstrukcji wytłaczarki, wprowadzono innowacyjne rozwiązania, na przykład różne elementy ślimakowe o wysoce wydajnej zdolności mieszania / ugniatania, wytłaczarki o dużej mocy napędowej ślimaków przy dużej gęstości momentu obrotowego, a ponadto zaawansowane techniki analizy teoretycznej do mieszania dwuślimakowego. W rezultacie, wiele technologii zostało zastosowanych do stworzenia szerokiej gamy stopów polimerów i nanokompozytów polimerowych o wysokich wartościach dodatkowych przy użyciu wytłaczarek dwuślimakowych do mieszania.

Zobacz także:

Druk 3D części o dużych gabarytach metodą wytłaczania z granulatu.

Wytłaczanie analogów mięsa odpowiedzią na potrzeby konsumentów.

Filament ABS Akrylonitryl-Butadien-Styren.

Biodegradowalne polimery w różnych środowiskach.

Biodegradowalny filament - przyszłość druku 3D.

Polimer PLA jak powstaje i jakie ma właściwości użytkowe?

Popularne materiały (filamenty) termoplastyczne stosowane w drukowaniu 3D.

Produkty farmaceutyczne wytwarzane metodą wytłaczania.

Jaki i gdzie kupić filament - baza wiedzy o filamentach do druku 3D?

Pompy stopionych polimerów.

X

Poproś o kontakt

Imię i nazwisko:

Nazwa Firmy

e-mail

Telefon

Treść:


chat logo
Zadzwoń