Podstawy procesu uplastyczniania.
Podstawy procesu uplastyczniania
Jednym z podstawowych problemów występujących w przetwórstwie jest uplastycznianie polimerów.
Jest to proces przemian tworzywa wyjściowego ze stanu stałego (wysoko -elastycznym, lepko - sprężysty) następnie w razie potrzeby (wtryskiwanie) tworzywo to może być przeprowadzone w stan ciekły.
Uplastycznianie tworzywa zachodzi pod wpływem ciepła i ścinania generowanych w tworzywach za np. pomocą ślimaka obrotowego, a także dostarczanych z zewnętrznych źródeł energii.
Charakterystycznymi źródłami uplastyczniania są T, ciśnienie, stopień homoge-nizacji (wymieszanie) prędkości napędu w maszynie, stężenia przepływu. Parametry te, a szczególnie właściwy dobór wielkości stanowią o prawidłowo-ściach podstawowych procesów przetwórczych jakimi są wtryskiwanie i wytłaczanie.
Procesy uplastyczniające zachodzą w układach uplastyczniających.
Układ uplastyczniający ślimakowy występujący w wtryskarkach i wytłaczarkach.
1. ślimak 2. cylinder 3. grzejnik 4. zasobnik 5. ruch finalny tworzywa przetwarzanego 6. ruch obrotowy ślimaka 7. ruch liniowy postępowo- zwrotny ślimaka.
Różnice między układem uplastyczniającym wtryskarki i wytłaczarki polegają na tym, że w :
- wtryskarce ślimak wykonuje ruch obrotowy i oscylacyjno zwrotny (działa jak tłok)
- wytłaczarce, ślimak wykonuje tylko obrotowy i tworzywo płynie w sposób jednostajny przez ten układ.
Układ uplastyczniający pełni następujące funkcje:
a) nagrzewania tworzywa, które prowadzi do zmian stanu fizycznego, przy czym nagrzewanie odbywa się w skutek działania energii dostarczonej z grzejników jak też w skutek działania energii dostarczonej przez pracę wewnętrznego tarcia między cząsteczkowego wymuszonego ruchem ślimaka i zewnętrznego o elementy ślimaka i cylindra.
b) sprężanie, które stanowi czynnik napędowy (przesuwanie tworzywa) oraz prowadzi do wzrostu jego temperatury (wewnętrznej przez tarcie wewnątrz cząsteczkowe)
c) mieszanie - prowadzone w celu ujednolicenia mieszaniny tworzywa i to zarówno przestrzennego rozkładu jego cząsteczek jak też wyrównania temperatury, ciśnienia i lepkości.
d) transportowanie - przemieszczanie tworzywa wzdłuż cylindra oraz nadanie odpowiedniej prędkości. Podczas transportu występują fluktuacje jego ciśnienia - są one szczególnie niekorzystne na końcach cylindra, gdzie tworzywo transportowane jest do głowicy, bądź formy. Funkcje te powodują nierówności w strukturze materiału, które pogarszają jakość wytworu.
Układy uplastyczniające dzieli się na układy:
1. jedno ślimakowe
2. dwu ślimakowe
3. wielo ślimakowe (spotykane żadziej)
4. mieszane
Najpopularniejszym układem uplastyczniającym jest układ jedno ślimakowy, przy czym jest on prawie wyłącznie w wtryskarkach.
Drugą grupą dość powszechną są układu dwu ślimakowe, ich idea polega na tym, że w cylindrze wytłaczarki umieszczone są dwa ślimaki, które mogą ze sobą współpracować wówczas cylinder ma przekrój , w tym układzie ślimaki mogą się zazębiać.
Układy zazębiające się
a) ślimaki współbieżne zazębiające się szczelnie, gdzie kierunek ślimaków jest taki sam
b) zazębiające się nie szczelnie
c) nie zazębiające się
d) a), b), c) przeciwbieżne
Zalety układów dwu ślimakowych.
Powodują wymuszony szybki transport tworzyw przez co czas pobytu tworzywa w cylindrze maszyny jest krótki. Ślimaki te stosowane są głównie do PVC, który jest wrażliwy na długie przebywanie tworzywa w podwyższonej temperaturze.
Nagrzewanie tworzywa
Całkowity strumień ciepła dostarczony do tworzywa składa się z trzech składników: Qc=Qg+Qtw+Qtz
Qg - ciepło grzejników Qtw - ciepło tarcia wewnętrzne
Qtz - ciepła tarcia zewnętrznego
W stanie ustalonym, ideałem było by gdyby Qg=0, gdy całe ciepło dostarczone było od strony napędu, generowane w skutek tarcia, taka sytuacja jest najkorzystniejsza zarówno pod względem energetycznym jak pod względem jednorodności temperatur.
W normalnie skonstruowanych układach uplastyczniających grzejniki pracują w sposób dorywczy, sterowane są układem regulacji temperatur, dla którego sygnałem wejściowym jest temperatura mierzona w cylindrze maszyny przez specjalny czujnik.
W przypadku gdy Qc=Qtw mamy do czynienia z procesem autotermicznym.
Konstrukcja ślimaka
W celu sprawnego transportu tworzywa oraz dokładnego jego ujednorodnienia wymagane są specjalne konstrukcje ślimaka.
Klasyczny ślimak dzieli się na strefy:
- zasypu
- zasilania
- przemiany (sprężania)
- dozowania
Charakterystycznymi parametrami ślimaka są:
a) długość L lub stosunek długości do średnicy
b) skok linii śruby
c) głębokość kanału h
d)szerokość zwoju
W celu dokładnego ujednorodnienia tworzy się różne typy ślimaków.
Układy wielo ślimakowe są bardzo drogie i z wyjątkiem dwu ślimakowych
żadko stosowane.
Cena wynika głównie z trudnej operacji głębokiego wiercenia cylindrów
(głębokość długich ślimaków wynosi 5m.)
Funkcje i budowa cylindra
Wewnętrzna powierzchnia jest powierzchnią gładką z tym, że bardzo często w strefie zasypu wewnętrzna część cylindra jest rowkowana. Rowkowanie strefy zasypu dokonywane jest najczęściej przez umieszczeni w tej części tulei rowkowanej. Wynika to z faktu, że łatwiej jest pod względem technicznym wykonać rowkowaną tulejkę, niż wykonywać te rowki bezpośrednio w cylindrze. Kanały chłodzące, w których mogą być umieszczone przewody z cieczą chłodzącą (5), a także gniazda głębsze do umieszczenia czytników (4)
(3) miejsce mocowania głowicy lub dojazdu do formy.
Funkcje
- utrzymanie narzędzi w postaci ślimaka i głowicy.
- zapewnienie możliwości przepływu ciepła z i do tworzywa.
Z punktu widzenia ekonomicznego ważne jest aby w jak najmniejszym stopniu odprowadzać ciepło od tworzywa, gdyż ciepło wyprowadzone od tworzywa stanowi straty energii.
Cylinder musi być na tyle wytrzymały aby nie występowały odkształcenia w czasie pracy Ciśnienie na jego krańcach sięga 200 MPa (2000 atmosfer). Konieczne jest właściwe wykonanie połączeń i uszczelnień między cylindrem, a głowicą gdyż w przeciwnym razie występują przecieki tworzywa.
Dotychczas zjawisk zachodzących w układzie uplastyczniającym nie udało się opisać za pomocą jednej teorii, poszczególne teorie stanowią przybliżenie procesów rzeczywistych bądź też opisują jednie fragment zjawisk bądź urządzenia.
Z reguły zmiennymi niezależnymi są tu prędkość obwodowa ślimaka oraz wymiary geometryczne tego ślimaka.
Zmiennymi zależnymi są wydajność układu uplastycznienia, lepkość tworzywa, energochłonność procesu.
Specyficzną rolę pełni tu temperatura. Może być ona traktowana jako zmienna niezależna wówczas gdy mamy do czynienia z pracą grzejników, a może być także zmienną zależną wówczas gdy energia dostarczana jest na drodze mechanicznej.
- lepkość Q - wydajność
Bardzo często w wielu recepturach technologicznych w jakich granicach powinno się utrzymywać temperaturę tworzywa. Dość często jako obszar tolerancji podaje się 0,5C. Na tego typu wymagania należy zawsze patrzeć bardzo krytycznie a mianowicie z punktu widzenia struktury układu regulacji temperatury i tzw. stałych czasowych grzejników, bardzo często jest bowiem tak, że powinno nastawień zgodnie z tą zasadą, z punktu widzenia układu grzewczego i regulatora, nie jest możliwe utrzymanie takiego reżimu pracy pomimo, że wskazania regulatora mogą tego nie wykazywać. W układach rzeczywistych wahania temperatury sięgają często kilkunastu stopni. Dlatego należy przyjąć zasadę możliwie krótkiego przebywania tworzywa w układzie uplastyczniającym.
W przypadku ślimaków jako zasadę stosuje się, że wraz z ich długością maleje głębokość zwoju ślimaka. Powoduje to przy ciągłości przepływu przez układ uplastyczniający, że im bardziej zbliżamy się do jego końca tym tworzywo ma mniejszą objętość.
Wniosek:
Wraz z długością ślimaka różnie ciśnienie tworzywa w cylindrze.
Bardzo często długość nasypową określa się stosunkiem L/D (długość /średnica)
Niektóre ślimaki stosowane są do:
- cieczy z nagrzewaniem wstępnym 36
- ogólnie wytłaczarki mają L/D rzędu 2030
- do butelek 3035
Generalnie wytłaczarki dwu ślimakowe mieszczą się pod względem długości w obszarze wytłaczarek jedno ślimakowych.
Podajemy L/D ze względu na podobieństwo geometryczne, można dzięki temu porównać warunki przepływu.