Использование статического смесителя для гомогенизации массы в экструзии и литье под давлением

Высокая пропускная способность, повышение производительности при неизменном качестве – вот решающие факторы в конкурентной борьбе при производстве изделий из пластмасс. Экономическое давление на переработчиков пластмасс постоянно растет. Для повышения производительности, а тем самым для достижения рентабельности необходимо постоянное увеличение пропускных способностей. Отсюда возникают повышенные требования к производственному процессу. Ведь при увеличении пропускной способности, как правило, снижается время пребывания расплава и ухудшается его качество. Это ведет к проблемам с качеством продукции. Следствием является образование волн на входе в экструзионную головку или замедление производственного процесса из-за неравномерного распределения температуры. Особо наглядно нарушение качества смешения и пластикации при повышении пропускной способности можно наблюдать при введении того или иного красителя непосредственно в процессе литья под давлением или экструзии – сразу становится заметной неравномерность окраски готовой продукции. Традиционно эта проблема решается путём использования специальных сдвиговых и смесительных элементов на шнеке пластикации. Недостаток этого способа заключается в том, что неэффективные в транспортирования расплава смесительные элементы снижают производительность узла пластикации у термопластавтоматов и зоны пластикации у экструдеров. Кроме того при этом создается повышенная нагрузка сдвиговых элементов на материал, что в свою очередь может способствовать процессу термодеструкции при переработке целого ряда чувствительных к температурным воздействиям полимеров. Следующей возможностью решения этой проблемы при экструзии является использование машин с большим соотношением длины к диаметру шнека (например, L/D=36). Однако эта мера едва ли дает лучшие результаты в отношении поверхности экструдата, но требует больше места и больших затрат на приобретение оборудования. При литье изделий под давлением возможное увеличение соотношения L/D, вообще ограничено целым рядом причин. В литьевых машинах отношение длины шнека к диаметру всегда меньше, чем у экструдеров. Как правило, оно не превышает двадцати пяти. Это, безусловно, приводит к уменьшению однородности расплава, впрыскиваемого из материального цилиндра в литьевую форму. Кроме того, особенность работы шнека в литьевых машинах состоит в том, что при пластикации материала происходит набор дозы и шнек отодвигается от сопла. При этом реальное отношение L/D уменьшается. Если в начале процесса пластикации рабочее отношение L/D равнялось 21, то в конце процесс оно не превышает 18. Понижение значения L/D на практике означает, что материал накапливаемой для впрыска дозы неоднороден по температуре и накопил различные сдвиговые деформации. А, следовательно, поступающий в форму расплав будет не одинаков по своим качествам. Реальной альтернативой в этом случае являются статические смесители. Эти смесители представляет собой смесительные (а иногда и диспергирующие) аппараты принципиально нового типа, не имеющие подвижных органов и не потребляющие иной энергии, кроме давления перемешиваемой среды, расходуемого на преодоление сопротивления перемешивающих элементов. Действие статических смесителей основано на многократном рассечении потока перемешиваемой среды на отдельные ручьи при прохождении среды через смеситель и переходе ее из одного элемента смесителя в другой, а также на перемешивании ручьев внутри элементов и между ними. Статические смесители уже давно используются для смешивания газообразных, жидких и сыпучих твердофазных компонентов, для диспергирования твердофазных компонентов в жидких и несовместимых жидкостей одной с другой. При этом жидкие смешиваемые компоненты могут значительно – на несколько порядков – отличаться один от другого по вязкости. В последнее время статические смесители все чаще стали использоваться для смешивания полимерных расплавов как между собой, так и с различными добавками. Принцип действия статического смесителя показан на рис. 1 на примере смесителя с двумя смесительными элементами. Однако количество этих элементов может быть различным в зависимости от свойств смешиваемых материалов, целей, поставленных перед производителем продукции, характеристики пластикационного узла перерабатывающей машины и т.д. Статические смесители устанавливаются после узла пластикации (на термопластавтоматах) или дополнительно гомогенизируют расплав перед входом в экструзионную головку. Их структура состоит из перекрещивающихся ребер, вдоль которых проходит расплав, разделяясь на тонкие слои и перемещаясь радиально. Несмотря на плохую теплопроводность пластмасс, на небольшом рабочем пространстве происходит эффективное выравнивание температур.

Рис. 1. Принцип работы статического смесителя

Так, например, применение статического смесителя ведет к заметному снижению температурных вариаций по всей ширине пленки. Кроме того, оказывается положительное влияние на характеристики текучести расплава. Результатом является равномерная толщина стенок экструдированного изделия. В экструзии труб достигаются высококачественные поверхности, при работе с пенами статические смесители гарантируют оптимальное распределение величины ячеек и т.д.

Нужно иметь в виду, что несмотря на отсутствие движущихся деталей, статические смесители при установке их на действующее оборудование несколько увеличивают его электропотребление. Это происходит за счет возрастания гидравлического сопротивления на пути движущегося расплава. Так, например, при потере давления в 50 кг/см 2 и производительности 0,3 м 3 /час потребляемая мощность оборудования возрастает приблизительно на 0,4 кВ. Однако это несравнимо меньше, чем было бы затрачено любым смесительным оборудованием с подвижными рабочими органами. Необходимо также учитывать и адиабатическое повышение температуры перерабатываемого материала (?Т) вследствие увеличения возникающего перепада давления: p p T ρc ? ? = , где ?p - перепад давления в статическом смесителе, Н/м 2 ; ρ - плотность расплава, кг/м 3 ; p c - удельная теплоемкость расплава, Дж/кг ⋅ оС. Статический смеситель достаточно компактен и состоит из набора смесительных элементов, смонтированных перед соплом термопластавтомата, или в сегменте материального цилиндра экструдера перед входом в формующий инструмент (рис.2). 

Рис. 2. Монтаж элементов статического смесителя: а - между материальным цилиндром экструдера и формующим инструментом; б - в сопловой части термопластавтомата; в – элемент смесителя

Примеры схем установки статического смесителя на термопластавтомате и на экструдере приведены на рис.3. 

Рис. 3. Схемы установки статического смесителя: а – на термопластавтомате, б – на экструдере

Использование статических смесителей для гомогенизации состава и температуры расплава полимера часто является решающим фактором для достижения высокого качества продукции. Так за счет качественной гомогенизации расплава происходит лучшее распределение добавок и красителей, уменьшается количество разводов, пятен и полос на их поверхности, снижение количества циклов на переходе с одного цвета на другой (рис. 4), а экономия красителей достигает от 10 до 40 %. 

Рис. 4. Переход с розового на желтый в четыре вспрыска. 

Что касается гомогенизации температуры, то она способствует: - сокращению цикла (при литье под давлением); - достижению равнотолщинности (при экструзии); - увеличению процента использования вторичного сырья; - увеличению точности размеров изделий; - уменьшению брака. В качестве примера влияния гомогенизации температуры полимера рассмотрим процесс экструзии листа или плоской пленки. Без использования статического смесителя потоки расплава, удаленные от центра листовальной головки неизбежно будут иметь более низкую температуру, а, следовательно, более низкую вязкость. Это, в свою очередь, снизит производительность периферийных потоков и приведет к снижению толщины краевых участков листа или пленки (рис. 5, а). Конечно, эту разнотолщинность можно будет ликвидировать, усложняя конструкцию формующей головки за счет усложнения геометрии коллектора, использования подвижных губок, регулировочных планок, термоболтов и т.п. Однако все это сильно усложняет и удорожает формующий инструмент. Кроме этого использование подобного формующего инструмента требует больших временных затрат на юстировку дюзы и приводит к высоким потерям при запусках экструзионной линии. В то же время проблема разнотолщинности листов или пленок может быть полностью или хотя бы частично снята за счет выравнивания температуры по ширине головки за счет использования статического смесителя (рис. 5, б), стоимость которого весьма незначительна в сравнении со стоимостью высокотехнологичной листовальной головки. При этом также снижаются потери при запуске экструзионной линии и требуется меньшее время на юстировку дюзы.

Рис. 5. Схема распределения температуры в плоскощелевой головке без использования статического смесителя (а) и с его использованием (б) 

Надо иметь в виду, что установка статического смесителя не является спасением от всех видов брака. Так, например, с помощью этих смесителей при получении листов, пленок, труб, профилей и т.д. можно устранить полосы, возникающие в направлении экструзии (рис.6, а). При борьбе же с поперечными полосами (рис. 6, б) статический смеситель не помогает. Для их устранения нужны иные меры – изменения в дозировке, повышение гидравлического сопротивления и т.п.

Рис. 6. Схема продольных и поперечных полос на изделиях

Всё перечисленное выше дает решающие преимущества при использовании статического смесителя, который легко устанавливается в качестве модуля с обогреваемым корпусом как на новейшие виды оборудования, так и на устаревшие конструкции экструдеров и термопластавтоматов.