Как работает двухшнековый экструдер

Процесс начинается с подачи сырья. В зависимости от технологии в экструдер поступают полимерные гранулы, измельченный материал, наполнители, пигменты, функциональные добавки или их смеси.

Состав и форма подачи определяют требования к дозаторам и загрузочным устройствам. Для разных компонентов могут использоваться отдельные системы дозирования.

При производстве компаундов важно выдерживать заданное соотношение компонентов. Поэтому основной полимер и дополнительные ингредиенты могут подаваться независимыми дозаторами.

Для точного поддержания рецептуры применяются, в частности, весовые системы дозирования. В промышленных линиях USEON используются весовые дозаторы с непрерывным контролем потери массы для различных компонентов, включая полимеры и порошковые наполнители.

Не все компоненты обязательно вводятся одновременно. Выбор схемы зависит от их физических свойств и технологических требований.

Основной полимер обычно поступает через основную загрузочную зону. Дополнительные компоненты могут вводиться вместе с ним либо подаваться дальше по длине цилиндра.

Например, порошковый наполнитель при высокой концентрации может подаваться через боковой питатель после зоны плавления полимера. Такая схема используется, в частности, в линиях USEON для высоконаполненных компаундов.

Точка ввода выбирается с учетом свойств компонента, его концентрации и требуемого режима смешения.

В рабочем цилиндре находятся два шнека. Их геометрия и взаимное расположение определяют характер движения материала и условия его обработки.

Шнеки выполняют не только транспортирующую функцию. В зависимости от профиля они создают зоны для плавления, смешения, диспергирования, дегазации и формирования давления. Именно поэтому конфигурацию шнеков подбирают под конкретную рецептуру и технологическую задачу.

При вращении шнеков материал перемещается от загрузочной зоны к выходу. В начале процесса сырье находится преимущественно в твердом состоянии. По мере нагрева и механического воздействия полимер размягчается и переходит в расплав.

После плавления материал продолжает двигаться через последующие зоны, где в него могут вводиться дополнительные компоненты и выполняться смешение.

Характер транспортирования зависит от геометрии шнеков, скорости вращения, производительности, степени заполнения и свойств материала.

Профиль состоит из элементов различной геометрии. Одни обеспечивают преимущественно транспортирование, другие создают условия для более интенсивного смешения и сдвигового воздействия.

Изменение расположения элементов позволяет формировать различные технологические зоны по длине цилиндра. Поэтому один и тот же экструдер может быть настроен для разных задач путем изменения конфигурации шнеков и технологических параметров. Модульная конструкция процессной части используется именно для такой адаптации оборудования под конкретный материал и процесс.

Плавление происходит по мере продвижения сырья через рабочую часть экструдера. На материал одновременно воздействуют тепло от системы нагрева и механическая энергия, выделяющаяся при его переработке.

Поступивший в экструдер полимер нагревается и подвергается механическому воздействию. По мере повышения температуры он переходит в расплав.

Условия плавления зависят от свойств конкретного полимера, температуры, производительности, скорости вращения шнеков и конфигурации рабочей части.

После формирования расплава становится возможным более интенсивное введение и распределение дополнительных компонентов.

Цилиндр экструдера обычно разделен на температурные зоны, для которых задаются отдельные параметры нагрева и охлаждения.

При этом установленная температура зоны не равна автоматически температуре материала. Фактическая температура расплава зависит также от механической энергии, режима подачи, скорости вращения шнеков, свойств полимера и других условий процесса.

Поэтому при настройке экструзии учитывают как температурный профиль цилиндра, так и фактические параметры расплава.

Для компаундирования недостаточно просто переместить компоненты в одном направлении. Они должны быть распределены в полимерной матрице с требуемой степенью однородности.

Двухшнековые экструдеры позволяют организовать как распределительное, так и диспергирующее смешение. Конкретное сочетание зон зависит от рецептуры и требований к продукту.

Распределительное смешение обеспечивает равномерное распределение компонентов в объеме расплава.

Например, при введении наполнителя необходимо получить требуемое содержание дисперсной фазы в разных участках полимерной матрицы, а не отдельные области с высокой и низкой концентрацией.

На результат влияют конфигурация шнеков, вязкость расплава, производительность, скорость вращения и свойства компонентов.

Диспергирующее смешение связано с разрушением агломератов и уменьшением размеров скоплений дисперсной фазы.

Это особенно важно при переработке пигментов и порошковых наполнителей. Если агломераты не разрушаются в достаточной степени, готовый материал может иметь неоднородную структуру.

При этом максимальная интенсивность воздействия не является целью сама по себе. Режим выбирают так, чтобы обеспечить необходимое качество диспергирования без чрезмерного механического и теплового воздействия.

Смешивающие элементы создают условия для перераспределения материала и его механического воздействия. Их расположение определяет продолжительность и интенсивность обработки в отдельных зонах.

Для разных рецептур применяются разные конфигурации. Например, при высокой концентрации минерального наполнителя требуется учитывать не только качество диспергирования, но и возможности стабильной подачи порошка, тепловую нагрузку и износ рабочих элементов.

В некоторых процессах из материала необходимо удалить влагу, воздух, растворители или другие летучие компоненты. Для этого в экструдере предусматривают дегазационные зоны.

При вакуумной дегазации летучие вещества отводятся из расплава через специальную зону, соединенную с вакуумной системой. Эффективность процесса зависит от свойств материала, количества удаляемых компонентов, конструкции дегазационной зоны и параметров вакуума.

Дегазация используется, например, при переработке вторичного сырья и материалов, содержащих влагу или летучие продукты. В конкретной линии количество и расположение вакуумных зон определяются технологической задачей. USEON применяет многоступенчатую дегазацию в ряде линий для переработки вторичного сырья и наполненных систем.

После прохождения основных зон расплав направляется к выходу экструдера. Для прохождения через фильтр, формующую оснастку или другой элемент линии необходимо создать соответствующее давление.

Давление формируется всей системой подачи расплава и зависит от производительности, вязкости материала, конфигурации шнеков и сопротивления последующих элементов.

При этом двухшнековый экструдер прежде всего предназначен для транспортирования и обработки материала. В некоторых линиях после него устанавливают расплавный насос, который помогает стабилизировать подачу расплава и давление перед фильерой или гранулятором. USEON использует такие решения, например, в высокопроизводительных линиях с фильтрацией и подводным гранулированием.

Рабочий режим формируется несколькими взаимосвязанными параметрами. Изменение одного из них может повлиять на температуру, заполнение, давление, время пребывания и качество смешения.

Скорость вращения влияет на транспортирование материала и интенсивность механического воздействия. При ее изменении также могут меняться температура расплава, время пребывания и нагрузка на привод.

Поэтому повышение скорости вращения не следует рассматривать как самостоятельный способ увеличения производительности. Рабочий диапазон определяется характеристиками экструдера и конкретной рецептурой.

Количество сырья, поступающего в экструдер за единицу времени, определяет производительность процесса и влияет на степень заполнения рабочей зоны.

При многокомпонентной рецептуре необходимо одновременно контролировать подачу отдельных ингредиентов и их соотношение. На промышленных линиях для этого используются отдельные дозирующие системы.

Температурные зоны позволяют управлять нагревом и охлаждением по длине цилиндра.

Режим выбирают с учетом свойств полимера и компонентов рецептуры. Слишком высокая температура может привести к нежелательным изменениям материала, а недостаточный нагрев — к неполному плавлению или недостаточно стабильной переработке.

Поэтому температурный профиль подбирают не изолированно, а вместе с производительностью, скоростью шнеков и составом сырья.

Время пребывания показывает, сколько времени материал находится в рабочей части экструдера. Оно зависит от производительности, скорости вращения, геометрии шнеков и степени заполнения.

Этот параметр имеет значение для материалов, чувствительных к температуре или длительному механическому воздействию. Одновременно недостаточное время обработки может не обеспечить необходимого плавления или смешения.

При производстве полимерного компаунда основная задача экструдера состоит в получении однородного материала из нескольких компонентов.

Типовой процесс включает подачу основного полимера, его плавление, введение дополнительных компонентов и последующее смешение. Затем расплав при необходимости дегазируется и проходит фильтрацию. После этого материал направляется на гранулирование.

При этом схема не является одинаковой для всех рецептур. Наполнитель может подаваться через боковой питатель, жидкость — через специальную систему ввода, а чувствительный компонент — на более позднем участке процесса. Выбор точек подачи зависит от свойств материалов и технологических требований.

По этой же причине профиль шнеков подбирается под конкретную задачу, а не задается как универсальный для всех видов компаундирования.

После выхода из экструдера расплав может направляться непосредственно на дальнейшее формование либо на гранулирование.

При производстве гранулята расплав поступает в соответствующую систему резки и охлаждения. В зависимости от материала и требований к грануляту применяются разные технологии гранулирования.

Например, в промышленных линиях USEON используются системы стренгового и подводного гранулирования. Конкретная конфигурация выбирается с учетом свойств материала, производительности и требований к готовому продукту.

Контролируют производительность, температуру и давление расплава, нагрузку на привод, работу дозаторов и другие показатели, предусмотренные системой управления конкретной линии.

Одновременно оценивают качество продукта. Для компаундов это может включать однородность состава, степень диспергирования наполнителя или пигмента и другие показатели, предусмотренные техническими требованиями.

Один параметр не позволяет полностью оценить работу экструдера. Например, стабильное давление не означает автоматически, что компоненты распределены в расплаве с требуемой однородностью. Оборудование и качество продукта необходимо оценивать в комплексе.

Двухшнековый экструдер объединяет несколько технологических операций в непрерывном процессе. Сырье дозируется и поступает в рабочую часть, перемещается шнеками, нагревается и плавится. Далее компоненты смешиваются и диспергируются, а при необходимости расплав дегазируется и фильтруется.

На результат влияют профиль шнеков, точки подачи компонентов, температура, скорость вращения, производительность и свойства перерабатываемого материала.

Поэтому настройка двухшнековой экструзии начинается не с выбора отдельных параметров, а с анализа всей рецептуры и технологической задачи. Именно от этого зависит конфигурация шнеков, схема подачи, необходимость дегазации и фильтрации, а также выбор последующей системы гранулирования.