Warunki pracy wytłaczarki i definiowanie geometrii ślimaka.

Wytłaczanie uplastyczniające polega na konwersji stałych granulek lub proszku systemu polimerowego w jednorodny stop, który jest w sposób ciągły przepychany przez matrycę kształtującą ostateczny kształt wytłaczanego profilu.

Proces ten jest jednym z podstawowych sposobów przetwarzania tworzyw sztucznych i znajduje zastosowanie w produkcji szerokiej gamy wyrobów. Wysoka wydajność, łatwość automatyzacji oraz możliwość precyzyjnego kształtowania produktów sprawiają, że wytłaczanie uplastyczniające stanowi fundament nowoczesnej technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych.

Proces wytłaczania uplastyczniającego przebiega w kilku etapach, z których każdy pełni istotną rolę w zapewnieniu właściwego przetworzenia surowca.

Linie do wytłaczania.

Linie do wytłaczania, składające się z jednej lub większej liczby wytłaczarek, matrycy kształtującej i urządzeń końcowych, są wykorzystywane do produkcji szerokiej gamy wyrobów z tworzyw sztucznych, takich jak profile, rury i przewody, folie i arkusze, druty i filamenty, włókna oraz włókniny.

Linie do mieszania.

Linie do mieszania są wykorzystywane nie tylko do addytywacji, tj. wprowadzania dodatków, takich jak smary, substancje pomocnicze w przetwórstwie, plastyfikatory, przeciwutleniacze, stabilizatory UV i modyfikatory udarności, oraz granulacji, zwykle poprzedzonej mieszaniem stopu i odgazowaniem, ale także do przygotowywania zaawansowanych systemów opartych na polimerach, takich jak związki o wysokim stopniu wypełnienia, nanokompozyty, mieszanki polimerowe, materiały hybrydowe lub polimery modyfikowane chemicznie. W części tych procesów reakcje chemiczne zachodzą jednocześnie z przetwarzaniem, dzięki czemu wytłaczarka może być również wykorzystywana jako reaktor ciągły. Niektóre polimery mogą być także syntetyzowane i granulowane w sposób ciągły w wytłaczarce.

Wytłaczarki uplastyczniające.

Ślimakowe układy uplastyczniające są wykorzystywane również w innych ważnych technologiach przetwarzania polimerów, takich jak formowanie wtryskowe, formowanie z rozdmuchem oraz wybrane metody wytwarzania przyrostowego. Przykładowo podczas formowania wtryskowego ślimak może wykonywać ruch osiowy, umożliwiając najpierw zgromadzenie odpowiedniej porcji stopu przed jego czołem, a następnie wtrysk materiału do gniazda formy.

Warto zauważyć, że technologie wytłaczania są z powodzeniem stosowane również w innych gałęziach przemysłu, w szczególności w przetwórstwie żywności, farmaceutyków i ceramiki.

Nowoczesne wytłaczarki składają się zasadniczo z cylindra utrzymywanego w kontrolowanym zakresie temperatury, wewnątrz którego obraca się jeden lub więcej ślimaków. Maszyna obejmuje również silnik, przekładnię redukującą prędkość, układ ogrzewania i chłodzenia, czujniki oraz układ sterowania. Geometria tych maszyn może się znacznie różnić, od wytłaczarek jednoślimakowych ze ślimakiem o stałym skoku po maszyny wieloślimakowe o bardziej złożonej konstrukcji. Najbardziej rozpowszechnione są wytłaczarki jednoślimakowe, w których profil ślimaka może być stosunkowo złożony i dostosowany do konkretnego zadania procesowego.

Wytłaczarki dwuślimakowe z zazębieniem są również często stosowane, zarówno w układach przeciwbieżnych, jak i współbieżnych. Układy przeciwbieżne znajdują zastosowanie między innymi w przetwórstwie PVC, natomiast współbieżne są szeroko wykorzystywane w procesach mieszania i compoundingu. W zastosowaniach badawczych i rozwojowych stosuje się zarówno wytłaczarki laboratoryjne jedno- i dwuślimakowe.

Zasada działania wytłaczarki.

Ogólnie rzecz biorąc, stały polimer w postaci granulek lub proszku jest dostarczany do kanału ślimakowego grawitacyjnie z leja zasypowego albo za pomocą podajnika ustawionego na określoną wydajność dozowania. Materiał jest transportowany wzdłuż ślimaka i stopniowo uplastyczniany w wyniku wymiany ciepła z cylindrem oraz rozpraszania energii mechanicznej. Powstaje wysoce lepki, nienewtonowski stop, który jest następnie transportowany, mieszany i homogenizowany. W końcowej części układu wytwarzane jest ciśnienie niezbędne do pokonania oporów przepływu przez matrycę, gdzie materiał jest formowany do wymaganego przekroju, a następnie chłodzony.

Wydajność i przebieg procesu zależą od wielu czynników, w tym od właściwości termicznych, fizycznych i reologicznych polimeru. Istotne są również warunki pracy, prędkość obrotowa ślimaka, profil temperatury cylindra oraz geometria maszyny i matrycy.

Główne zagadnienia praktyczne dotyczące wytłaczania polegają na ustaleniu warunków pracy i konfiguracji ślimaka lub ślimaków zapewniających wymagany przebieg procesu i właściwości produktu. Tradycyjnie zadanie to rozwiązuje się na podstawie wiedzy empirycznej oraz badań eksperymentalnych. Modelowanie procesu może istotnie ograniczyć zakres wymaganych prób i ułatwić dobór parametrów, ale nie eliminuje potrzeby ich weryfikacji w rzeczywistym procesie.

Wytłaczanie jednoślimakowe.

Rysunek 1 ilustruje typowy układ standardowej wytłaczarki jednoślimakowej. Grzałki otaczające cylinder umożliwiają ustawienie osiowego profilu temperatury. Matryca jest sprzężona z jednym końcem cylindra, podczas gdy surowiec jest podawany przez otwór zasypowy po przeciwległej stronie. Pokazany ślimak ma stały skok, ale zmienną głębokość kanału, tworząc trzy odrębne strefy geometryczne. Od leja zasypowego do matrycy można wyróżnić strefę podawania, ze stałą głębokością kanału, strefę sprężania, ze zmniejszającą się głębokością kanału, oraz strefę dozowania, w której kanał ślimaka jest płytszy. Dla tej samej średnicy D i długości osiowej L długość każdej strefy może się różnić, podobnie jak maksymalna i minimalna głębokość kanału, co prowadzi do powstania różnych profili ślimaka. W połączeniu ze zmianą temperatury cylindra i prędkości obrotowej ślimaka może to tworzyć odmienne warunki termomechaniczne wewnątrz maszyny, ponieważ lokalna wymiana ciepła, rozpraszanie energii, charakter przepływu i czas przebywania mogą się znacznie różnić.

Po doprowadzeniu materiału z leja zasypowego rozpoczyna się jego transport w kanale ślimaka. Skuteczność transportu materiału stałego zależy między innymi od warunków tarcia materiału względem cylindra i ślimaka. W dalszej części materiał jest ogrzewany w wyniku wymiany ciepła z cylindrem oraz rozpraszania energii mechanicznej. Topienie nie jest natychmiastowe, lecz rozwija się stopniowo wzdłuż ślimaka. W klasycznym mechanizmie topienia stop powstaje przede wszystkim przy powierzchni cylindra, a jego udział stopniowo wzrasta kosztem złoża materiału stałego. Po zakończeniu topienia następują dalszy transport stopu, mieszanie oraz wytwarzanie ciśnienia niezbędnego do przepływu przez matrycę.

Rysunek 1. Etapy topnienia granulek polimeru w wytłaczarce.

Badania eksperymentalne pokazują, że taki przebieg jest typowy dla klasycznego procesu uplastyczniania w wytłaczarce jednoślimakowej. Na charakterystykę i długość poszczególnych etapów wpływają warunki pracy, właściwości materiału oraz geometria kanału ślimaka. W rezultacie sekwencję uplastyczniania można podzielić na indywidualne etapy, nazywane również strefami funkcjonalnymi. Nie należy ich utożsamiać ze strefami geometrycznymi ślimaka, ponieważ położenie ich granic zależy od warunków termomechanicznych procesu:

1. Transport materiału stałego w leju zasypowym.
2. Transport materiału stałego w początkowych zwojach ślimaka.
3. Powstawanie cienkiej warstwy stopionego materiału przy powierzchni cylindra.
4. Rozwój procesu topienia i tworzenie obszaru stopu.
5. Postępujący proces topienia i zmniejszanie udziału fazy stałej.
6. Transport i homogenizacja stopu w kierunku matrycy.
7. Przepływ stopu przez matrycę.

Współbieżne wytłaczanie dwuślimakowe.

Współbieżne wytłaczarki dwuślimakowe są szeroko stosowane do mieszania i modyfikacji polimerów. W wielu laboratoriach badane są różne systemy polimerowe, co może wymagać różnych konfiguracji urządzenia. Jedną z największych zalet praktycznych tych maszyn jest ich modułowa konstrukcja, obejmująca zarówno cylinder, jak i ślimaki wytłaczarki.

Cylinder wytłaczarki laboratoryjnej może być odpowiednio konfigurowany i wyposażony w sekcje przeznaczone między innymi do głównego zasilania, dodatkowego podawania polimeru, dozowania plastyfikatora w postaci płynnej, podawania napełniacza oraz odgazowania atmosferycznego lub próżniowego w celu usuwania wilgoci i składników lotnych.

Podobnie ślimaki mogą być zbudowane z wielu pojedynczych elementów montowanych wzdłuż wału. Każdy z tych elementów może mieć inną geometrię i funkcję procesową. Dzięki temu inżynier procesu może tworzyć konfiguracje ślimaków, w których miejsce topienia, rodzaj i intensywność mieszania, stopień wypełnienia oraz czas przebywania materiału mogą być kształtowane w szerokim zakresie.

Jedną z charakterystycznych cech współbieżnych wytłaczarek dwuślimakowych jest możliwość częściowego rozdzielenia wydajności procesu od prędkości obrotowej ślimaków. W typowej wytłaczarce jednoślimakowej zasilanej zalewowo wydajność jest silnie powiązana z prędkością obrotową ślimaka, jego geometrią oraz oporem przepływu w głowicy. Wytłaczarki dwuślimakowe współbieżne często pracują natomiast z dozowanym, tzw. głodowym zasilaniem, przy którym strumień materiału jest ustalany przez dedykowany podajnik wolumetryczny lub grawimetryczny. Ślimaki mogą wtedy pracować przy częściowym wypełnieniu kanałów, a zmiana prędkości obrotowej wpływa między innymi na stopień wypełnienia, czas przebywania i intensywność oddziaływań termomechanicznych.

Rysunek 2 przedstawia typowy fragment konfiguracji ślimaków oraz schematycznie cztery rodzaje elementów użytych do jej budowy. Poszczególne elementy wywołują odmienne warunki transportu i mieszania, dlatego zachowanie całego układu zależy od ich wzajemnego rozmieszczenia. Elementy transportowe prawoskrętne przemieszczają materiał w kierunku wylotu wytłaczarki, a ich zdolność transportowa zależy między innymi od skoku i geometrii kanału. Elementy lewoskrętne mogą tworzyć lokalne ograniczenie przepływu, powodując wzrost stopnia wypełnienia i ciśnienia przed takim elementem. Bloki ugniatające składają się z tarcz ustawionych względem siebie pod określonym kątem. Ich geometria i wzajemne przesunięcie wpływają na charakter transportu oraz intensywność mieszania dystrybucyjnego i dyspersyjnego.

W wytłaczarkach współbieżnych z zazębieniem materiał przemieszcza się pomiędzy kanałami obu ślimaków, a charakter przepływu zależy od geometrii elementów i lokalnego stopnia wypełnienia. Gdy materiał dociera do elementu ograniczającego przepływ, przed tym elementem może powstać lokalna strefa zwiększonego wypełnienia, w której rozwija się ciśnienie niezbędne do pokonania oporu. Im większe ograniczenie przepływu, tym większy może być wzrost ciśnienia i długość strefy zwiększonego wypełnienia przed elementem. Takie lokalne zmiany stopnia wypełnienia mają istotny wpływ na topienie, mieszanie, czas przebywania i historię termomechaniczną materiału.

Rysunek 2. Współbieżna wytłaczarka dwuślimakowa. U góry: rodzaje elementów ślimakowych w zestawie: a) element transportowy lewoskrętny, b) blok ugniatający neutralny, c) blok ugniatający z efektem transportowym, d) element transportowy prawoskrętny. U dołu: widok na typowy fragment ślimaka od strony leja zasypowego.

Projektowanie tak złożonego procesu, aby można było przewidzieć zachowanie ważnych parametrów, takich jak lokalny i całkowity czas przebywania, ciśnienie, zużycie energii, intensywność odkształcenia, właściwa energia mechaniczna, szybkość ścinania lub stopień wypełnienia, wymaga wiedzy i doświadczenia.

Podobnie jak w przypadku wytłaczarki jednoślimakowej, również w wytłaczarce dwuślimakowej współbieżnej można wyróżnić strefy funkcjonalne.

1. Transport materiału stałego bez istotnego wzrostu ciśnienia w początkowych, częściowo wypełnionych kanałach ślimaków przed pierwszym elementem ograniczającym przepływ. Czas przebywania i stopień wypełnienia zależą od warunków pracy oraz geometrii elementów.
2. Wzrost stopnia wypełnienia i ciśnienia przed pierwszym elementem ograniczającym przepływ. Materiał może wypełnić kilka kolejnych kanałów przed tym elementem, co zwiększa intensywność wymiany ciepła i oddziaływań mechanicznych.
3. Początek topienia związany z powstawaniem warstwy stopionego materiału przy powierzchniach metalowych.
4. Wzrost udziału stopu i rozwój obszaru stopionego materiału przy jednoczesnej obecności fazy stałej.
5. Intensywny etap topienia, w którym stopniowo zmniejsza się udział materiału stałego, a rośnie udział fazy stopionej.
6. Dalsze topienie i przejście do przepływu, w którym dominującą fazą jest stop polimeru, a pozostałe cząstki stałe są stopniowo uplastyczniane.
7. Transport stopu pod zwiększonym ciśnieniem przed elementami ograniczającymi przepływ i w strefach o wysokim stopniu wypełnienia.
8. Transport stopu w częściowo wypełnionych kanałach elementów transportowych, z dala od lokalnych stref zwiększonego ciśnienia.
9. Przepływ stopu przez matrycę.

Problemy optymalizacyjne związane z wytłaczaniem mają charakter wielokryterialny, ponieważ różne cele muszą być rozpatrywane równocześnie, a część z nich może pozostawać ze sobą w konflikcie. Przykładowo zwiększenie prędkości ślimaka wytłaczarki jednoślimakowej może zwiększyć wydajność, ale równocześnie zmienia warunki mieszania, temperaturę stopu, czas przebywania i zużycie energii. W przypadku wytłaczarki dwuślimakowej zastosowanie dłuższej lub bardziej restrykcyjnej sekcji ugniatającej może intensyfikować mieszanie, ale może również zwiększać rozpraszanie energii i obciążenie termomechaniczne materiału. Dobór konfiguracji polega zatem na wyborze określonej liczby elementów ślimakowych oraz ich położenia wzdłuż osi ślimaka tak, aby uzyskać wymagany przebieg procesu.

Baza technicznych danych segmentów ślimaków do wytłaczarek dwuślimakowych - link.