Обеспечение высокого качества смешивания исходных материалов для экструзии пластиков

Разделение или расслоение полимеров и добавок может стать серьезной проблемой при одношнековой экструзии. Например, неорганические или металлические наполнители обычно не плавятся и не размягчаются, поэтому они часто проходят через экструдер, не изменяя своей формы или размера, что затрудняет их сдвиг и смешивание с основным полимером.

В процессе одношнековой экструзии существует принцип смешивания, который неизменно устанавливается при любых обстоятельствах. Чем лучше состояние смеси, нагнетаемой в шнек, тем лучше качество полимера на выходе.

Две вещи необходимы, чтобы получить хороший результат смешивания:

• во-первых, в процессе смешивания добавка должна быть равномерно диспергирована в базовом полимере,

• во-вторых, необходимо предотвратить расслоение смеси перед завинчиванием.

Второе условие особенно важно при использовании определенных твердых материалов, трудно поддающихся сдвигу, для эффективного использования возможностей дисперсионного смешивания одного шнека. Например, наполнители из неорганических или металлических материалов, как правило, не расплавляются и не размягчаются, поэтому часто проходят через экструдер без изменения своей формы или размера, поэтому их очень трудно смешать с основным полимером. Нелегко повторно диспергировать и перемешивать такой твердый материал в осевом направлении с помощью одного шнека. Это связано с тем, что одношнековые экструдеры имеют поведение потока, которое очень похоже на поршневой поток.

Это означает, что входящий материал сначала выгружается первым, за некоторыми исключениями. Это связано с ограниченным эффектом перемешивания в осевом направлении из-за ламинарного течения полимера в одиночном шнеке и выраженного распределения сдвига от канала шнека к нижнему каналу.

Кроме того, в одношнековой конструкции отсутствует важный механизм для изменения направления поверхности раздела ламинарного потока после его формирования, что значительно снижает способность механического перемешивания во время обработки.

Только путем применения высокого давления для подачи материала или поддержания высокого напора можно получить значимые результаты осевого смешивания. Однако даже в этом случае возникает проблема, состоящая в том, что снижается выход и повышается температура плавления смолы.

Разумеется, в шнековом канале происходит интенсивное частичное перемешивание, особенно выраженное при плавлении полимера (хотя и в меньшей степени) и продолжающееся после завершения плавления. Но само по себе это не дает того масштабного эффекта перераспределения, который многие ожидают от винта. Переработчики очень разочарованы, обнаружив, что шнек для экструдера не смешивает различные твердые материалы удовлетворительным образом, обычно полагая, что это связано с плохой конструкцией шнека. Разнообразные смесители шнекового типа были разработаны для сдвига и разделения смесей полимеров и твердых добавок в несколько циклов, но их возможности крупномасштабного перераспределения ограничены. Многие переработчики подбрасывают в экструдер случайные добавки и ожидают, что экструдер равномерно распределит ингредиенты и создаст идеально хорошо перемешанную смесь, но этого не происходит.

Область ввода твердых частиц экструдера простирается далеко впереди бункера до нескольких лопастей шнека, и эта область заполняется полимером и твердыми частицами и становится твердым комком и не двигается. Всякий раз, когда смесь полимеров и добавок подвергается движению, такому как качение, скольжение, вибрация или течение, они, вероятно, разделятся или расслоятся.

Текущие частицы можно отделить друг от друга по различиям в размере и форме частиц, характеристикам трения, шероховатости поверхности и плотности. Это разделение может также происходить в относительно малоподвижных частях, таких как бункеры. Стендовый тест на возможное разделение полимера и добавок заключается в том, чтобы поместить хорошую смесь в банку и встряхнуть ее в течение нескольких минут. Снова вылейте содержимое и оцените, сколько смеси отделилось. Разделение или расслоение смеси может происходить в различных точках системы транспортировки твердых частиц, поэтому, как правило, лучше всего смешивать базовый полимер и твердые частицы как можно ближе к входу винтового рабочего колеса. Во многих случаях разделение можно свести к минимуму за счет правильной конструкции трубопроводов и бункеров, а также за счет изменения свойств частиц.

Факторы, которые могут влиять на расслоение:

• Одна только форма бункера может вызвать разделение, поскольку мелкие частицы имеют тенденцию образовывать каналы потока в зависимости от угла естественного откоса и наклона поверхности составляющих частиц. Мелкие частицы просачиваются между крупными и отделяются подобно тонкому порошку.

• Частицы с очень высокой плотностью, такие как металлические наполнители, разделяются по их весу.

• Поверхность потока твердых тел, таких как стенки бункера, изменяется в зависимости от трения стенок, типа твердой добавки, шероховатости поверхности и коэффициента трения частиц.

• Кроме того, трение между частицами также может вызвать расслоение смеси. В целом, чем больше разница между частицами наполнителя и гранулами полимера по какому-либо критерию, тем выше вероятность сегрегации.

Изменяя конструкцию одного шнека, можно значительно улучшить качество частичного смешивания плавких или размягчаемых добавок и полимеров. Однако смешивать добавки, которые не плавятся, намного труднее, потому что они не могут использовать преимущества явления смешивания, вызванного сдвигом, которое естественным образом возникает при вращении шнека. В этом случае особенно важен принцип «чем лучше перемешивание смеси, подаваемой в шнек, тем выше качество выходящей смеси».