Дисковые и шнеко-дисковые экструдеры

Принцип работы и конструкции дисковых и шнеко-дисковых экструдеров

С 60-х годов XX в. в качестве смесителей-пластикаторов непрерывного действия стали применять дисковые экструдеры, впервые предложенные Б. Максвеллом и А. Скейлором.

Принцип действия бесшнекового (дискового) экструдера Максвелла и Скейлора основан на использовании упругости расплавов полимеров — свойства, существенным образом отличающего расплавы и растворы полимеров от подавляющего большинства жидкостей. Это свойство, проявляемое в упругом восстановлении формы, особенно наглядно продемонстрировано К. Вайссенбер- гом, вследствие чего возникновение нормальных напряжений при деформации растворов и расплавов полимеров получило название эффекта Вайссенберга. Сущность эффекта Вайссенберга заключается в том, что при течении вязкоупругих жидкостей (растворов и расплавов полимеров) в условиях простого сдвига возникают не только касательные, но и нормальные напряжения, ортогональные плоскости сдвига.

На рис. 2.74 показаны формы поверхности ньютоновской и вязкоупругой (неньютоновской) жидкостей в ротационном приборе. Ротором прибора служит внешний цилиндр. Из рис. 2.74, а видно, что при отсутствии статора поверхность ньютоновских и неньютоновских жидкостей во вращающемся цилиндре приобре-

Рис. 2.74. Формы поверхности жидкости в ротационных приборах при различных конструкциях и скоростях статора:

I — жидкость Вайссенберга с конечной обратимой деформацией; II — жидкость Ньютона с очень малой обратимой деформацией. Скорость сдвига: /— нулевая; 2—средняя; 3— большая; 4 — любая. Статор: а — отсутствует; б — цилиндр; в — стержень; г — открытая труба; д — закрытая снизу труба с отверстием; е — диск с пьезометрическими трубками (пьезометрами); ж — диск тает форму параболоида вращения в соответствии с законами классической гидродинамики. Ту же форму стремится принять поверхность ньютоновских жидкостей и при наличии статора.

Иначе обстоит дело в случае неньютоновской жидкости. Вопреки законам классической гидродинамики эти аномальные жидкости поднимаются по стенкам внутреннего цилиндра, преодолевая силы тяжести и центробежные силы (рис. 2.74, б, в). Если во внутреннем цилиндре имеется полость, аномальные жидкости заполняют ее частично или полностью в зависимости от скорости вращения. При работе прибора с аномальной жидкостью (рис. 2.74, е) пьезометры показывают нарастание давления по мере приближения к оси вращения. Если дисковый статор может перемещаться в вертикальной плоскости, то при вращении внешнего цилиндра аномальная жидкость способна поднять диск на некоторую высоту вместе с наложенным на нее грузом. Б. Максвелл и А. Скейлор иллюстрируют эффект Вайссенберга несколько отличной схемой (рис. 2.75). В неподвижно закрепленную чашу 4 введен вращающийся диск 5, укрепленный на валу 2. Вал 2 может вращаться и перемещаться вертикально в подшипниках 3. Если соответствующую жидкость поместить в чашу и вращать диск, то жидкость 7 втягивается в пространство между диском и дном неподвижной чаши, заставляя диск подниматься, преодолевая действие сил тяжести (см. рис. 2.75, б). Силы, поднимающие диск, перпендикулярны плоскости сдвига и поэтому называются нормальными силами. Подъему ротора препятствуют заплечики на валу 5, которые благодаря эффекту нормальных сил поднимаются к подшипнику 3 (см. рис. 2.75, в). Если в дне чаши просверлено отверстие, нормальные силы выдавливают материал по мере вращения диска.

Для успешного применения эффекта Вайссенберга для экструзии расплавов полимеров необходимо:

Рис. 2.75. Схема действия нормальных напряжении по Максвеллу и Скейлору:

а — диск не вращается; б—диск вращается и перемещается вверх; в —диск вращается, но зафиксирован в вертикальном положении

Рис. 2.76. Схемы дискового (а), диско-шнековых (б, в) и шнеко-дисковых (г—е) экструдеров

• 1) изучить, проявляют ли расплавы полимеров при сдвиговых деформациях эффект нормальных сил (эффект Вайссенберга);
• 2) обеспечить непрерывный подвод перерабатываемого материала в зону сдвига.

На рис. 2.76 показаны различные конструктивные схемы дисковых, шнеко-дисковых и диско-шнековых экструдеров. При этом рис. 2.76, а иллюстрирует простейшую схему дискового экструдера, предложенную Б. Максвеллом и А. Скейлором, состоящего из вращающегося диска 2 и неподвижного диска 1, размещенных в корпусе 3. Необходимая температура переработки обеспечивается электронагревателями 4. Перерабатываемый материал подается из бункера (на рисунке не показан) в загрузочную воронку А, откуда под действием сил трения и центробежных сил, возникающих вследствие спиральной траектории движения, втягивается в зону между подвижным и неподвижным дисками, где нагревается и пластицируется, и откуда выдавливается через формующий инструмент в виде готового изделия заданного профиля.

Недостатком данной конструкции дискового экструдера является пульсация производительности и небольшое давление, развиваемое на входе в формующий инструмент (до 1 МПа). Для ликвидации указанных недостатков стали применять шнековый дозатор

5 (рис. 2.76, б), который подает перерабатываемый материал из воронки А в зазор между вращающимся 2 и неподвижным 1 дисками, откуда пластицированный материал шнеком 6 выдавливается через формующий инструмент. В этом варианте диско-шнекового экструдера шнек 6 выполняет роль винтового насоса, обеспечивающего необходимое давление экструзии полимеров. При этом применяется шнек дозирующего типа длиной не более (5 + 7) Д где D — диаметр шнека.

На рис. 2.76, в представлена конструкция диско-шнекового экструдера, где применен только шнек 6 дозирующего типа, который выравнивает пульсацию производительности заборной дисковой части и обеспечивает высокое давление экструзии на входе в формующий инструмент.

Оригинальная конструкция дискового экструдера со спиральными канавками на поверхностях вращающегося диска 2 представлена на рис. 2.76, г. При этом правый и левый зазоры между неподвижным 3 и вращающимся 2 дисками сообщаются с помощью цилиндрических отверстий В, через которые осуществляется массообмен между указанными полостями.

На рис. 2.76, д представлен вариант конструктивного исполнения шнеко-дискового экструдера, причем наружный диаметр шнека совпадает с диаметром диска 2. При этом длина нарезанной части диска не должна превышать (4-s-5)D (где D — диаметр шнека). Рекомендуется применять многозаходные винтовые нарезки.

Рис. 2.77. Заборная часть дискового экструдера (стрелка показывает направление вращения диска)

Оптимальным считается вариант шнеко-дискового экструдера, представленный на рис. 2.76, е. Этот экструдер состоит из короткого шнека б, выполняющего функцию транспортера гранул полимера, и генератора расплава, т. е. в отличие от традиционного шнека дозирующего типа в этом шнеке можно обойтись без зоны дозирования. Гомогенизация расплава полимера осуществляется в правом и левом зазорах, образованных диском, вращающимся вместе со шнеком б, и неподвижным диском 7.

В случае применения дисковых или диско-шнековых экструдеров (см. рис. 2.76, а, в), когда перерабатываемый материал подается непосредственно в зазор между вращающимся 2 и неподвижным 1 дисками, необходимо предусмотреть в конструкции тангенциальный ввод полимера в экструдер (рис. 2.77). В этом случае сама конструкция заборной части экструдера будет способствовать захвату перерабатываемого материала вращающимся диском и его втягиванию в рабочий зазор дисковой части экструдера.

Дисковые и шнеко-дисковые (комбинированные) экструдеры зарекомендовали себя как очень эффективные смесители-пласти- каторы и смесители-диспергаторы непрерывного действия.