Директна Екструзия

април 26, 2013 от  
Публикувано в Акценти

1

При директната екструзия (ДЕ) материалите (полимер,пълнители,влакна и добавки) се превръщат директно в краен продукт-обикновено плосък филм,лист,нишки или профили,като се избягва гранулирането междинната операция).Обикновено е необходим двушнеков екструдер за такъв тип смесване и екструзия “ин лайн”.С тази технология може да се постигне икономия на разходи и подобряване на качеството.
DE технологията е развита още преди 40 год.,но едва през последното десетилетие преработвателите,които обикновено са по-добре запознати с едношнековите екструдери,обърнаха повече внимание на тази технология.Като се изключи прилагането й при РVС за производство на тръби,профили и подобни-която технически се определя като смесване-в Северна Америка работят около 50 инсталация по тази технология.Повечето от тях са били инсталирани през последните години.Въпреки предимствата,които DE предлага,за преработвателите не е лесно да направят прехода.А и процеса не е подходящ за всички приложения.Най-общо DE е по-подходяща за производства с голям обем,системи,специализирани за определена продукция,а не е подходяща за линии,при които се изисква честа смяна на изделията или състава на материала.
Производителите следва да направят известен анализ преди да възприемат тази технология за конкретното производство.На първо място трябва да се знае,че двушнековите екструдери работят по твърде различен начин в сравнение с едношнековите.Нещо повече-усложнеността,свързана с обработката на суравините и захранването,трябва да бъде интегрирана с подходящо приспособена(към процеса)глава и в линията да се включат необходимите системи(възли) за постигане на възможно малки отклонения от размерите на изделията.
Често пъти една инсталация е достатъчна за десет или повече производители.
Поради сложността на системата,началните инвестиции за линия за ДЕ са по-високи в сравнение с конвенционална едношнекова система.Почти без изключение при използване(прилагане) на система за ДЕ са необходими усилия от развойно(откривателско) естество,за да се определи обхвата(възможностите) на системата(или съответно какви елементи следва да се включат в линията,за да изпълни тя поставеното задание ,изразено в материали,необходими процеси и операции,вид изделие и т.н.)

Преди да вземете решение относно ДЕ трябва да разберете какво представлява двушнековата екструзия.Високоскоростни двушнекови екструдери с влагане на енергия обикновено се използват за смесване,дегазиране и реактивна? екструзия,процеси зависещи(подчинени) на преноса на маса(масопренасяне).Исторически двушнековите екструдери са произвеждали гранули,с които впоследствие се захранват екструдери,машини за леене под налягане и раздувно формовоне.Но когато се произвеждат листове,филм,профили с двушнекови екструдери,размерите са далеч по-важни отколкото при гранулирането.Отначало използването на ДЕ е било определено,често от безизходица(липса на друг начин),за материали,чувствителни към топлина и напрежение на срязване с отделни процеси на смесване/гранулиране и едношнекова екструзия на крайния продукт.Примери за първоначалното използване на ДЕ са преработване на неизсушен РЕТ,електропроводими смеси за приложение в електрониката и продукти,усилени с влакна.Тези усилия разпространяват разбирането,че ДЕ е била прилагана за производство на изделия за широка употреба с цел намаляване на разходите,свързани със смесването(в смисъл,че целта е поевтиняване,а не по-високо качество и по-точни размери на изделието).
Дву-шнекови екструдери с еднаква или противоположна посока на въртене на шнековете използват сегментирани шнекове(състоящи се от “навързани” една след друга секции с различна геометрия и предназначение-пренос,смесване,дегазиране,създаване на налягане и т.н.),с вложки с висок усукващ момент,свързани с шпонки и модулни цилиндри с вътрешни канали за охлаждане с течност.Двигателя вкарва енергия в процеса чрез въртящите се шнекове,които предават усилието на срязване на преработваните материали.Сегментираните шнекове и цилиндри в комбинация с контролирани помпени и почистващи характеристики на въртящите се в една посока шнекове,самопочистващи се шнекове,позволяват геометрията на шнека и цилиндъра да се пригоди към целите на процеса.Преноса на твърди материали и стапянето се извършват в първата част на преработващата секция. В конструкцията са включени съответни елементи(секции) на шнека за смесване и дегазиране..Изтласкващите елементи(на шнека) създават и стабилизират изтласкващото налягане.
Свободния обем в преработващите секции на двушнеков екструдер е свързан със съотношението OD/ID(външен диаметър към вътрешен диаметър на шнека).Напречното сечение на шнека е фактор,ограничаващ допустимата стойност на напрежението на усукване при двушнекови екструдери,а също и геометрията на шнека,материала,от който е изработен и технологията,по която е произведен.По-дълбоки канали на шнека водят до повече свободен обем,но при по-малък допустим усукващ момент,тъй като по-малкия диаметър на сърцевината на шнека е ограничаващ фактор.Независимо от крайния продукт(гранули или изделие) е много важно да се знае нагряващо/охлаждащата конструкция,наличния(разполагаемия) свободен обем и допустимата степен на усукващо напрежение на всеки двушнеков екструдер и граничните условия на процеса,който искаме да проведем.
Високоскоростните,вкарващи енергия двушнекови екструдери работят на “гладно” захранване(от др. страна еднашнековите работят с “наводнено” захранване-т.е. запас от материал в бункера,от който шнека поема необходимото количество) с ниво на производителността,определяно от захранващи устройства,които отмерват и вкарват гранули,течности,прахове и влакна в преработващата секция.Захранващите устройства поддържат постоянството на състава и въвеждат съставките в правилния ред(и съотношение,разбира се).Оборотите на шнековете при двушнековите екструдери са независими от степента на захранване и се използват,за да оптимизират ефективността на смесването(чрез промяна на оборотите се постига оптималното смесване за конкретния случай).Тъй като градиента на налягането се контролира(и фоктически е нула през по-голямата част от процеса),материалите се въвеждат лесно в последователните секции на цилиндъра,с което се улеснява последователното захранване с оглед намаляване на износването и избягване на високите усилия на срязване,свързани с пластицирането.
Често към двушнековите екструдери се присъединява уплътняващо устройство,за да се уплътняват(вкарват принудително) пълнители,влакна и др.в потока на стопилката на двушнековата преработваща секция след стапянето(на преработвания полимер).Съотношението на захранването(дозировката на добавките) в различни точки на линията се настройва и осъществява със захранващи устройства,работещи на тегловен принцип,а не от уплътняващо устройство за принудетелно подаване на добавяния материал.Шнековете на екструдера при уплътняващото устройство придвижват материалите напред,като осигуряват вентилиране(освобождаване от газовете)на включениявъздух и влага,които се появяват при нагряването.
ДЕ системите са значително по-усложнени в сравнение със системите за едношнекова екструзия,тъй като “гладното” захранване на високоскоростните,вкарващи енергия дву-шнекови екструдери трябва последователно(равномерно,устойчиво) да се изпомпва към главата,при което температурата на стопилката играе по-важна роля.Главата и системата по протежение на екструдера биха били същите,ако едношнеков екструдер преработваше предварително смесени гранули.
Ето описание на различните компоненти на ДЕ система:
- Дозиращи захранващи устройства:Захранващите системи са особено важни при ДЕ системите,тъй като средния смесителен ефект,присъщ на вторичната екструзия(т.е. екструзията на гранули до изделие) с едношнеков екструдер,се губи при двушнековия екструдер.Захранващите устройства също играят главна роля за устойчивостта на налягането.По тази причина при повечето случаи на ДЕ се предпочитат захранващи устройства с гровиметрично(тегловно) дозиране,а не с обемно дозиране.Оборудването,обработващо материала и това за допълнително пълнене(добовки)също играе важна роля.
-Двушнеков екструдер:Той е сърцето на всяка ДЕ система.Изпълнява същите операции за масопренасяне както при гранулатора.Преработващите секции на двушнековите екструдери често са удължени,като следващите секции на шнека са с помпено действие.Често се използва и помпа за стопилка(описано по-долу).Общо взето е по-добре да се преоразмери двушнековия екструдер и тои да работи при по-ниски обороти(при система ДЕ),вместо да бъде използван като гранулираща система.От гледна точка на общата стойност на системата допълнителните инвестиции за преоразмеряване са пренебрежимо малки и често напълно си заслужават разходите.
-Зъбна(или шнекова) помпа за стопилка:Тази помпа е възел с положително действие,който създава и стабилизира налягането,като дава възможност двушнековия екструдер да извършва смесване и дегазиране с по-малки отклонения в налягането.Помпата също улеснява постигането на по-ниско крайно челно налягане,което води до по-малко прехвърляне на стопилка през ребрата(витките) на шнека в помпената зона(обратен поток) и по този начин температурата на стопилката е по-ниска.Като алтернатива може да се използва къса помпена зона при едношнеков екструдер(L/D 10:1).Съществено е помпената зона на едношнековия екструдер да избягва пластикация и компресия,които са първичните причини за нестабилността на налягането при едношнеков екструдер,захранван с гранули.

Устройство за смяна на филтри: Има много видове такива устройства с непрекъснато и прекъснато действие(в смисъл че при смяна на филтли не се нарушава или се нарушава потока на стопилката).Ако се изисква грубо филтриране и/или има високи нива на замърсявания в потока на стопилката,тогава устройството за смяна на филтри трябва да е разположено преди зъбната помпа(за стопилка).Рециклирани материали понякога изискват филтриране както преди,така и след зъбната помпа.Филтрирането може да е важна(подходяща,но и трудна) част от ДЕ и трябва да се проучи щателно и да се управлява внимателно.

Системи за контрол: Обикновено за ДЕ се изисква програмируем логически контролер(т.е. управление и контрол,базирано на компютърна система) за управлине на системата,както и да се улеснява роддържането на рецептурите(състава на смесите) и записа на данни.При съставяне на алгоритъм за контрол на налягането трябва да се вземе предвид престой на материала в системата от 15 сек. до 2 мин.
Възможния сценарии за контрол е да се настрои зъбната помпа да доставя постоянен дебит стопилка по обем към главата.Настройващия алгоритъм анализира постъпленията от ключовите точки на системата,извършва цифрови изчислиния и внася корекции на оборотите на шнековете на двушнековия екструдер и на степента на захранване.Целта на алгоритъма е да поддържа входното налягане на зъбната помпа на настроената стойност.
Когато в резултат(на настройката) се въвеждат материали в двушнековия екструдер през различни входни точки,контрола на налягането с обратна връзка става по-сложен,тъй като трябва да се поддържат различни времена на престой.С устойчиво подаване на стопилка към зъбната помпа потока на изтласкване и налягането в главата ще са равномерни,което е крайната цел на системата.

Пластмаси – Екструзия

март 27, 2013 от  
Публикувано в Новини

extКакто повечето преработващи системи, при едношнековите екструдери трябва да има баланс между секциите,за да бъде максимално ефективен.За да се постигне баланс между захранване,стапяне и помпене е необходимо да се използват доказани изчисления и/или проверени емпирични данни за всяка от секциите.Просто да се изменят някои размери в една или друга секция може да доведе до неочаквани последствия.

Помпенето(вероятно се има предвид дебита на помпената зона)  може да се изчисли приблизително чрез прости уравнения за потока на влачене и потока на налягане ,доколкото има точни данни за вискозитета.Стапянето е доста по-сложен процес,но може да бъде изчислено с разумна точност чрез приспособяване на някои от основните уравнения,развити през 60-те години от изследователи на Western Electric.Впрочем,основните уравнения изискват оценка на множество данни,за да са успешни многото въввеждания  при строги анализи.Придобиването на някои от тези данни е трудно и скъпо,дори в лабораторна среда,което ги прави непрактични и неикономични за повечето конструкции шнекове.В резултат повечето пресмятания за нивото(степента) на стапяне съдържат доста емпирични данни,за да допълнят основните данни с оглед получаване на разумно точни анализи.

Това включва информация като начало на стапянето,стойността на налягането в различни места по остта на шнека,вискозитета и температурата на стопения  материал и информация от рода на дебелина на стените на цилиндъра,местоположение на термодвойките и температура от вътрешната страна на стените на цилиндъра,топлопроводност и криви на специфичната топлина,индекс на промените и постоянството на консумираната мощност и топлина на  стапяне.

Прегледах моите собствени “опростени”  изчисления за степен на стапяне и изчислих почти сто бр. данни,необходими,за да се изпълнят анализите.Това изчисление обединява  изчисленията  за генериране на вискозна топлина в полимера,преноса на полимер,развитие на налягане и термичната динамика на нагретия,остърган от стените на цириндъра полимер.

За захранващата секция предизвикателството е  даже  по-голямо.Необходимите данни се публикуват рядко и е много трудно да се получат и  приложат към основните обемни изчисления за захранването.Данни като средния размер на частиците,уплътняването,триенето между частиците на полимера,триенето между частиците на полимера и шнека и стените на цилиндъра и температурата на вътрешната стена на захранващата гърловина и цилиндъра са необходими даже за извършване на основни(елементарни)  анализи.Следователно анализите на захранването са почти изцяло емпирични,тъй като повечето от тези данни е почти невъзможно да се получат без наличие на широк набор инструменти и провеждане на голям обем  изпитания.

За съжаление концепцията за “степента на компресия” често е единствения използван инструмент при анализите на захранването.Това е рискован и неточен подход,тъй като степента на компресия взема предвид само съотношението на  обема на захранващата секция спрямо обема на помпената секция.Всички др. аспекти на степента на захранване се игнорират.Освен това степента на компресия засяга степента на стапяне,което потенциално включва някои неизвестни последствия.

Ако тези отделни(различаващи се помежду си) функции на шнека не са балансирани,може да се появат най-различни негативни процеси при работата  му.Един от най-често срещаните проблеми е нестабилността на теченето на полимера.Свръхзахранването може да предизвика нестабилност,бързо износване на щнека и цилиндъра,висока температура на стопилката,излишна консумация на енергия и нееднородност на стопилката.Недостатъчното захранване може да причини нестабилност,ниска степен на стапяне и занижена производителност.

Същите въпроси се отнасят и за степента на стапяне,тъй като свръх захранването може да причини задръстване на каналите и в резултат – нестабилност,ускорено износване на шнека,повишено натоварване на двигателя и ниска еднородност на сместта.

Също толкова важно е съгласуването на помпената секция с предхождащите я секции.Ако тази секция е конструирана със завишен дебит или с недостатъчен такъв,то това засяга производителността,температурата и стабилността на стопилката и нейната еднородност.

Успешното функциониране на всяка от секциите зависи от производителността на предходната .Обстоятелството,че първата секция е най-трудна за предвиждане въпреки усъвършенствуването на изчисленията и компютърните анализи.,е неблагоприятно.

На първия етап от изчисленията се оформят няколко конструкции(на шнека) и в крайна сметка трябва да се подбере една секция(от наколкото конструкции/геометрии),за да се постигне баланс.

Ако(на шнека) се поставят смесителни секции,то те добавят още секции,които трябва да се балансират с предходните и включват друга система(мрежа) от изчисления,за да се определи ефективността и транспортиращата способност(на смесителните секции).

В заключение – практиката да се променят няколко отделни размера,без да се вземе предвид необходимия баланс между секциите,може да доведе до възникване на повече проблеми,отколкото са решените такива. Едношнековия екструдер е относително просто механично съоръжение,но когато превръща полимери от твърдо тяло в стопилка ,поведението му става по-сложно.