Известный из процесса экструзии, температура является одним из необходимых условий для процесса экструзии, а система нагрева и охлаждения экструдера настраивается для обеспечения этого необходимого условия.
В процессе экструзии пластмасс существует два источника тепла: один – тепло, поступающее от внешнего нагревателя цилиндра, а другой – тепло от сдвигового трения, возникающее при относительном движении пластмассы с внутренней стенкой цилиндра, пластмассы со шнеком и самой пластмассы. Первая часть тепла преобразуется из электрической энергии нагревателя, а вторая часть тепла преобразуется из механической энергии, передаваемой двигателем шнеку. Соотношение размеров этих двух частей тепла зависит от конструкции шнека, формы цилиндра, условий процесса, свойств материала и т. д., а также от стадии процесса экструзии (например, стадии запуска, стадии стабильной работы).
Кроме того, доля тепла в этих двух частях различна на разных участках экструзионного процесса: на вводном участке из-за глубокой канавки шнека материал еще не уплотнен, тепло от трения очень мало, большая часть тепла поступает от нагревателя. На участке гомогенизации материал расплавлен, температура выше, канавка шнека мелкая, и тепло, выделяемое при трении и сдвиге, больше, а иногда не только не требуется нагрев от нагревателя, но и требуется охлаждение. На участке сжатия нагрев материала находится в переходном состоянии, указанном выше, то есть тепло, выделяемое при трении и сдвиге, больше, чем на вводном участке, и меньше, чем на участке гомогенизации. Следовательно, система нагрева и охлаждения экструдера в основном устанавливается по участкам.
С точки зрения энергии, процесс экструзии имеет проблему теплового равновесия. Часть тепла, подаваемого нагревателем, и тепло от трения, выделяемое при сдвиге трения, используется для изменения состояния пластика, а другая часть теряется. Хотя существует множество факторов, влияющих на этот баланс, он всегда должен поддерживаться в условиях стабильной экструзии.
Способ нагрева экструдера
Обычно существует три метода нагрева экструдеров: жидкостный нагрев, паровой нагрев и электрический нагрев. Среди них чаще всего используется электрический нагрев. Паровой нагрев используется редко (чаще для экструдеров резины с горячей подачей).
Принцип жидкостного обогрева заключается в том, что сначала нагревается жидкость (вода, масло, бифенил и т.д.), а затем она нагревает цилиндр. В настоящее время наиболее широко используемый экструдер с электрическим обогревом, который делится на резистивный и индукционный нагрев.
Охлаждение экструдера
Экструдер оснащен системой охлаждения (совместно с системой нагрева) для обеспечения экструзии пластика при температуре, требуемой технологическим процессом. При экструзии тепло трения, возникающее при вращении шнека, часто превышает тепло, необходимое материалу, что приводит к чрезмерно высокой температуре материала в гильзе. Если избыточное тепло не будет своевременно отводиться, это приведет к разложению материала (особенно термочувствительных пластиков), а иногда затруднит формование. Для этой цели необходимо охлаждать гильзу и шнек.
1. Охлаждение ствола
Ствол современных экструдеров оснащен системой охлаждения. Методы охлаждения ствола включают воздушное охлаждение и водяное охлаждение.
Воздушное охлаждение
Воздушное охлаждение является относительно мягким, равномерным и чистым и чаще используется в экструдерах, производимых как в России, так и за рубежом. Однако вентилятор занимает большой объем пространства, а если качество вентилятора невысокое, он легко издает шум. Считается, что он подходит для экструдеров малого и среднего размера.
Водяное охлаждение
По сравнению с воздушным охлаждением, водяное охлаждение имеет быструю скорость охлаждения, небольшой размер и низкую стоимость, но легко вызывает отпуск, нарушая тем самым стабильный поток пластика. Если уплотнение негерметично, будут утечки. Система охлаждения, обернутая вокруг цилиндра водопроводными трубами, легко образует накипь, блокирующую трубы, а также подвержена коррозии. Поэтому вода, используемая в совершенной системе водяного охлаждения, — это не водопроводная вода, а химически обработанная вода. Умягченная и деаэрированная. Общепринято считать, что водяное охлаждение лучше подходит для больших экструдеров.
2. Охлаждение шнека
Назначение охлаждающего винта
Сначала обеспечьте максимальную скорость переноса твердых веществ
Из теории транспортировки сыпучих материалов известно, что скорость транспортировки сыпучих материалов связана с разницей между коэффициентом трения материала о шнек и коэффициентом трения материала о цилиндр. То есть, чем больше коэффициент трения между цилиндром и материалом, и чем меньше коэффициент трения между материалом и шнеком, тем более благоприятны условия для транспортировки сыпучих материалов. Помимо прорезания продольных канавок на внутренней стенке загрузочной секции цилиндра для улучшения чистоты обработки поверхности шнека, этого можно добиться и путем контроля температуры цилиндра и шнека.
Это связано с тем, что фрикционные свойства твердых пластмасс в различных условиях сильно зависят от температуры. В некоторых случаях для определенного пластика его коэффициент трения увеличивается с ростом температуры, а в других — уменьшается, поэтому, контролируя температуру цилиндра и шнека в зоне транспортировки твердого материала, мы можем обеспечить максимальную разницу между коэффициентом трения цилиндра и материала и коэффициентом трения шнека и материала, чтобы получить максимальную скорость транспортировки твердого материала.
Во-вторых, винт охлаждается для контроля качества изделия
Опыт показал, что если охлаждающее отверстие шнека направлено в гомогенизационную секцию для охлаждения, пластификация материала улучшается, и качество изделия может быть повышено. Однако объем экструзии будет уменьшен, а температура воды на выходе из системы охлаждения будет ниже; чем ниже объем экструзии. Это связано с тем, что шнек в гомогенизационной секции охлаждает материал, приближая его к поверхности шнека, что приводит к его прилипанию и затрудняет течение. Это эквивалентно уменьшению глубины канавки шнека в гомогенизационной секции.
Материалы с высокой вязкостью должны уделять особое внимание тому, чтобы температура воды на выходе из охладителя не была слишком низкой, иначе произойдет авария скручивания шнека. С точки зрения использования энергии, охлаждающий шнек теряет некоторое количество тепла.
Охлаждающая среда
Существуют также те, которые используют масло и воздух в качестве охлаждающей среды. Преимущества масла и воздуха заключаются в том, что они не вызывают коррозии, более точный контроль температуры и нелегко заблокировать трубопровод. Однако большой экструдер имеет лучший охлаждающий эффект с водой.
3. Охлаждение сиденья тормозного барабана
Температура пластификации питающего участка не должна быть слишком высокой, иначе в питающем порту образуется “свод”, затрудняющий подачу материала. Для этого необходимо охлаждать опору бункера-дозатора. Кроме того, охлаждаемая опора бункера предотвращает передачу тепла от экструдируемого участка к упорному подшипнику и редуктору, обеспечивая их нормальные условия работы. Охлаждающей средой опоры бункера чаще всего является вода.
