В некоторых случаях при литье под давлением используется вентиляционное отверстие (клапан) для удаления летучих веществ из пластмассы. Вентиляция требует специальной конструкции шнека, позволяющей создавать область нулевого давления под вентиляционным отверстием. Это условие называется условием вентиляционного потока, и его соблюдение необходимо для предотвращения вытекания расплава полимера через вентиляционное отверстие. Используемый в вентилируемом экструдере шнек называется двухстадийным (рис. 4.32).

Системы вентиляции часто используются для гигроскопичных полимеров в целях снижения в них уровня влажности. Также можно удалять и другие летучие вещества, например, мономеры, растворители и воздух. Во многих случаях удаление летучих с помощью вентилирования экономически выгоднее, чем предварительная сушка сырья.

Эффективного удаления летучих веществ можно добиться выполнением следующих условий:

• Полимерный материал должен быть полностью расплавлен к тому моменту, когда он достигает зоны под вентиляционным отверстием (клапаном). По этой причине вентиляционное отверстие не должно располагаться слишком близко к отверстию питателя.

литье под давлением

Рис. 4.32. Двухстадийный экструдер

Давление под вентиляционным отверстием должно быть нулевым; следовательно, зона улавливания и отвода летучих примесей должна иметь большую пропускную способность и быть заполненной лишь частично. Зона шнека непосредственно перед зоной улавливания и отвода летучих должна быть полностью заполнена расплавом полимера. Это достигается введением зоны шнека с низкой пропускной способностью. Зона шнека, расположенная за зоной улавливания и отвода летучих (вторая стадия), должна иметь большую пропускную способность по сравнению с зоной шнека, предшествующей зоне улавливания и отвода. Этого можно добиться увеличением глубины канала и/или шага винтового гребня на второй стадии по сравнению с первой.

Смешение

Требования к узлам пластикации литьевых машин со временем постоянно повышаются при литье под давлением. Это в первую очередь относится к трем факторам: качеству производимых деталей из пластика, экономичности производства изделий из пластмассы и мобильности процесса — все они тесно связаны друг с другом. При исследовании ВП-шнеков и их влияния на указанные факторы выявляется основная проблема: отсутствие эффективного смешения в ВП-шнеке зачастую ограничивает качество литьевых изделий из пластмассы.

Трехзонные шнеки стали де-факто стандартом универсального шнека общего назначения благодаря гибкости в работе. Однако пределы возможностей этой конструкции шнеков были быстро исчерпаны, когда появилась необходимость оперативного смешения в процессе литья. Целью практически любого производителя является переработка различных материалов без замены шнека. Для обеспечения такой возможности шнек должен отвечать следующим требованиям:

• тонкое измельчение вторичных компонентов;

• гомогенное смешение первичных и вторичных компонентов;

• термическая гомогенность расплава;

• высокая скорость потока;

• минимизация сдвиговых напряжений;

• возможность самоочистки;

• минимальный износ.

Виды течения

Для разработки оптимальной конструкции шнека необходимо понимать принципы смешения и определить виды течений, формируемых шнеком. Течения, возникающие при переработке пластмасс, подразделяются на ротационное (вискозимет-рическое), сдвиговое и растяжения. Как видно из названия, ротационный поток создает среду, которая вращает элементы жидкости. Поскольку такие течения не дают заметного смешения, их следует избегать. Сдвиговое течение, показанное на рис. 4.33, является наиболее распространенным в процессах переработки пластмасс. Данное изображение является упрощенной моделью течения в канапе шнека, при котором верхняя скользящая стенка представляет собой материальный цилиндр, а стационарная стенка — шнек. Течения с растяжением, иногда называемые безвихревыми, создают такую среду, при которой элементы расплава растягиваются или разрываются, как показано на рис. 4.34.

Смешение с распределением

При смешении полимеров и/или добавок, входящих в состав композиции, необходимо добиваться гомогенности смеси. Однако компоненты могут иметь очень различающиеся свойства (например, вязкость), что может вызвать значительные проблемы при смешении. При этом требования к системе смешения возрастают. В переработке полимеров происходящее смешение может быть разделено на две основные категории: распределительное и диспергирующее. Распределительное смешение включает в себя увеличение пространственного расстояния между твердыми агломератами или каплями без уменьшения их размера. Такое распределение достигается приложением высоких нагрузок к системе таким образом, чтобы площадь поверхности раздела двух или более фаз увеличивалась, а размеры частиц вторичных фаз уменьшались. На рис. 4.34 показана упрощенная схема распределительного смешения. В данном случае группа не связанных когезионно частиц располагается вместе в нижнем левом углу. Поток первичной фазы перемещает частицы по всей области. Поскольку между частицами нет когезионных связей, они свободно перемещаются независимо друг от друга. В конечном состоянии наблюдается статистическое распределение частиц по всему объему. Разделение частиц является другим возможным видом распределительного смешения. В этом случае частицы с различными характеристиками будут предпочтительно перемещаться в определенные области.

Приложение больших нагрузок к смеси не всегда гарантирует ее гомогенность. Это особенно справедливо, когда обычно происходит смешение жидкостей с вязкостями, отличающимися в пределах от 100 до 100 000 Па-с. Для таких жидкостей число Рейнольдса (отношение сил инерции к силам вязкости) обычно ниже 1,0, что является признаком ламинарного течения. При таком виде течения истинного диффузионного смешения не наблюдается, и степень смешения не растет экспоненциально, как при турбулентном течении. Это означает, что в переработке полимеров для достижения надлежащего смешения следует прилагать более существенные

литье пластмасс под давлением

Рис. 4.33. Сдвиговое течение при литье под давлением Рис. 4.34. Течение с растяжением

усилия. Кроме того, исходная ориентация вторичной фазы относительно направления течения вносит важный вклад в общее напряженное состояние потока. На рис. 4.36 показан простой пример смешения жидких элементов в ламинарном сдвиговом течении. Элемент, показанный на рис. 4.36, а, расположен вдоль направления течения между двумя слоями, прилегающими друг к другу, что вызывает небольшие деформации. С другой стороны, на рис. 4.36, б жидкий элемент находится поперек направления течения и пересекает несколько слоев, что приводит к образованию более сильно деформированного жидкого элемента.

Деформацию, происходящую в данном случае, можно проанализировать с помощью уравнений, предложенных Эрвином. Для количественной оценки имеющегося смешения можно вычислить площадь границы раздела фаз вторичного жидкого элемента и первичного компонента.

Чем сильнее увеличивается площадь раздела фаз, тем выше эффективность смешения. Другим подходом к оценке эффективности смешения является контроль за изменением толщины слоев. В этом случае меньшая величина толщины слоя

литье пластика под давлением

Рис. 4.36. Изменение толщины слоев S за счет сдвига: а — горизонтально ориентированная вторичная фаза; б — вертикально ориентированная вторичная фаза

указывает на более высокую степень смешения. При этом толщина слоев обратно пропорциональна увеличению площади раздела фаз, описанному выше. Для простого сдвигового течения выражение для толщины слоев выглядит следующим образом:

Здесь видно, что толщина быстро снижается на ранних стадиях деформации, что показывает эффективность происходящего смешения. Однако уже при незначительном повышении напряжения сдвига падение толщины слоев существенно замедляется. В данном примере на начальной стадии деформации при повышении нагрузки на пять единиц снижение оказывается более существенным, чем при последующем увеличении нагрузки на 1000 единиц. Такое снижение эффективности происходит по мере отклонения ориентации жидкого элемента от оптимальной для эффективного увеличения площади. В результате сдвиговые нагрузки перестают обеспечивать эффективность смешения при литье под давлением. Таким образом, для создания эффективной среды для смешения необходимо поддерживать оптимальную ориентацию элементов вторичной фазы. Этого можно добиться за счет использования специальных зон смешения. В таких устройствах жидкий элемент периодически переориентируется таким образом, чтобы обеспечить оптимальное смешение за счет сдвиговых деформаций. В работах описан метод увеличения площади поверхности раздела фаз при использовании смесительных устройств.

В этом случае предполагается, что в зоне смешения создается статистически ориентированный жидкий элемент (вторичный компонент), а напряжение сдвига, создаваемое зоной смешения, пренебрежимо мало при литье пластмасс под давлением.

При увеличении количества зон смешения происходит существенное повышение эффективности смешения, что хорошо демонстрирует важность их использования в процессах переработки полимеров.

Максимальная способность к смешению может быть достигнута в случае, если оптимальная ориентация элементов вторичной фазы поддерживается постоянно. Максимально возможное увеличение площади раздела фаз, обычно называемое идеальным смешением

До сих пор мы рассматривали только сдвиговые течения при литье пластика под давлением. Следует, однако, учесть, что если удается создать течение с растяжением, то идеальное смешение Эрвина достигается автоматически. В этом случае площадь поверхности раздела фаз возрастает экспоненциально. Однако мы уже отмечали, что создать течение растяжения довольно трудно, особенно на длительное время.