Die grundlegende Schraubenkombination der sechs Funktionsabschnitte des Extruders, diese Einführung ist genug

Wie wir alle wissen, sind die ineinandergreifenden, gleichsinnig rotierenden Doppelschnecken modular aufgebaut. Wenn die verschiedenen Arten und Anzahlen von Schneckenelementen kleine Bausteine ​​sind, aus denen die Schnecke besteht, dann sind die lokalen Schneckenkonfigurationen verschiedener Funktionssegmente große Bausteine, aus denen die Schnecke besteht.

Um das kombinierte Design der gesamten Schraube zu lösen, ist es daher wichtig, nicht nur ein klares Verständnis für die Leistung und Struktur der verschiedenen Schraubenelemente zu haben,Darüber hinaus ist ein umfassendes Verständnis und eine genaue Kenntnis jedes Funktionssegments und seiner entsprechenden lokalen Konfiguration erforderlich.

Als nächstes werfen wir einen Blick auf die kombinierte Konstruktion verschiedener Funktionssegmente der Extruderschnecke.

Der Extrusionsprozess mit ineinandergreifenden, gleichsinnig rotierenden Doppelschnecken besteht im Allgemeinen aus Funktionsabschnitten wie Zufuhr, Feststoffförderung, Schmelzen, Schmelzeförderung, Mischen und Absaugung. Verschiedene Funktionsabschnitte erfordern unterschiedliche lokale Schneckenkonfigurationen, um sie an sie anzupassen und unterschiedliche Funktionen zu erfüllen.

Der hier erwähnte Zuführabschnitt bezieht sich auf den Schraubenabschnitt, der dem unteren Teil der ersten Hauptzuführöffnung zugewandt ist, sowie auf den Schraubenabschnitt, der der nachgeschalteten Zuführöffnung zugewandt ist. Die Hauptanforderung an den Zuführabschnitt besteht darin, verschiedene Materialien, darunter körnige Materialien verschiedener Formen, Pulver mit geringer Schüttdichte, faserige Zusatzstoffe usw., problemlos und flexibel hinzufügen zu können. In diesem Abschnitt werden im Allgemeinen große Leit- und positive Schneckenförderelemente verwendet.

Wenn die Tiefe der Schneckennut unverändert bleibt, bedeutet eine große Steigung ein großes Schneckennutvolumen. Für den Zuführabschnitt, der dem ersten Zuführanschluss zugewandt ist, kann er große Materialmengen aufnehmen und hinzufügen. Für den Zuführabschnitt, der dem nachgelagerten Zuführanschluss zugewandt ist, kann er einen niedrigen Füllgrad des von vorgelagert transportierten Materials erzeugen, um die neu hinzugefügten Materialien aufzunehmen.

Die meisten Doppelschneckenextruder verwenden große Standardschneckenelemente mit der gleichen Tiefe wie ihre Abschnittsschneckenelemente. Einige Doppelschnecken verwenden auch nicht standardmäßige Schneckenelemente mit erhöhter Schneckennuttiefe, um eine große Zuführkapazität und Förderleistung zu erreichen.

Die Funktion des Feststoffförderabschnitts besteht darin, den hinzugefügten Feststoff entlang der Schnecke in Richtung Matrize zu befördern und gleichzeitig während dieses Fördervorgangs das lose, pulverförmige Material mit geringer Dichte zu verdichten oder den Füllgrad des körnigen Materials in der Schneckennut zu erhöhen, um so das Schmelzen und Plastifizieren des Materials im weiteren Verlauf zu fördern.

Die Schneckenkonfiguration dieses Abschnitts ist: Das mit dem Schneckenelement des Zuführabschnitts verbundene Schneckenelement sollte ein positives Schneckenelement mit großer Steigung aufweisen, und dann sollte ein positives Schneckenelement verwendet werden, das das Schneckennutvolumen verringert, wobei hauptsächlich ein Schneckenabschnitt verwendet wird, der aus Schneckenelementen mit segmentierter kleinerer Steigung besteht. Abbildung 1 zeigt diese Situation. Aus Abbildung 1 ist ersichtlich, dass der Füllgrad der Schneckennut entlang der Förderrichtung allmählich zunimmt und das Material komprimiert und verdichtet wird.

1: Schneckenkonfiguration für Feststoffförderbereich

Bei pulverförmigen Materialien mit geringer Dichte ist es im Allgemeinen kein Problem, Gewindeelemente mit unterschiedlicher Steigung zu kombinieren, um eine Schraubenkonfiguration zu bilden, die das Material verdichtet. Wenn jedoch körnige Materialien befördert werden und die Heiztemperatur des entsprechenden Zylinderabschnitts relativ niedrig ist, können übermäßige und schnelle Änderungen der Steigung der benachbarten Gewindeelemente manchmal zu einer Überlastung der Maschine führen. Daher ist bei der Bestimmung des Änderungsgrads der Steigung benachbarter Gewindeelemente Vorsicht geboten.

Die optimale lokale Schneckenkonfiguration zum Schmelzplastifizieren eines bestimmten Polymers hängt von der spezifischen Wärmekapazität des Materials, dem Schmelzpunkt, der Schmelzviskosität und der Größe der Polymerpartikel im festen Zustand ab. Das Ziel der lokalen Schneckenkonfiguration zum Schmelzen und Plastifizieren besteht darin, das Material bei einer festgelegten Temperatur gleichmäßig und schnell zu schmelzen, ohne zu viel Energie in das Material einzubringen.

Zum Schmelzen des Materials gibt es zwei Wärmequellen: Zum einen die externe Wärme, die durch die Zylinderheizung bereitgestellt wird, und zum anderen die von der Schnecke eingebrachte Scherwärme. Letztere ist die wichtigste.Um Scherwärme einzubringen, sollten Knetblöcke, Rückwärtsgewindeelemente und nicht standardmäßige Gewindeelemente vom Typ eines Rückwärtsmischerrotors (Abbildung 2) in den Schmelzplastifizierungsbereich eingesetzt werden, und diese Elemente sollten an einer vorgegebenen axialen Schneckenposition effektiv mit den vorgelagerten positiven Gewindeelementen kombiniert werden, wie in Abbildung 3 gezeigt.

RGS - Rechtshänder

LGS - Linkshänder

S chauffl - Linkshänder und Rechtshänder

2: Innenmischerrotortyp, großes Gewindeelement

(a) Rückwärtsschneckenelement (b) Vorwärtsknetblock + Rückwärtsschneckenelement

(c) Vorwärtsknetblock (d) Umgekehrtes asymmetrisches Langspindelelement

3: Lokale Schneckenkonfiguration zum Schmelzen

Maßstab für die Beurteilung der Qualität einer im Aufschmelz- und Plastifizierbereich eingesetzten lokalen Schneckenanordnung sollte sein, dass diese mechanische Scherenergie in Wärmeenergie umwandeln kann, um ein möglichst schnelles und vollständiges Aufschmelzen des Werkstoffes ohne Erhöhung der Werkstofftemperatur zu erreichen, also eine möglichst sinnvolle Energieausnutzung zu erreichen.

Experimente haben ergeben, dass in der Konfiguration b in Abbildung 3 das Material bei hoher Schneckengeschwindigkeit sehr schnell schmilzt und die Länge der Schmelzzone sehr kurz ist. Der Temperaturanstieg des Materials in diesem Abschnitt und seinem vorgelagerten Bereich ist jedoch sehr hoch und übersteigt die ursprünglich eingestellte Temperatur und die zum Schmelzen des Materials erforderliche Energie bei weitem. Auch der Schmelzdruck ist sehr hoch.

Dies zeigt, dass diese Schneckenkonfiguration zu viel mechanische Energie verbraucht und neben dem Schmelzen des Materials auch die Schmelztemperatur stark erhöht. Dies ist offensichtlich nicht die beste Lösung.

Wenn das Verhältnis der zugesetzten Materialien angepasst werden muss (das Anpassungsverhältnis ist 1-5), ist es offensichtlich unvernünftig, dieselbe Schraube zu verwenden. Um die Schraube wieder zusammenzusetzen, muss die Maschine abgeschaltet, der Kopf entfernt und die nachgeschaltete Hilfsmaschine entfernt werden. Die Wiederherstellung des normalen Arbeitszyklus der Maschine ist lang, was wirtschaftlich nicht kosteneffizient ist (insbesondere bei großen Maschinen). Zu diesem Zeitpunkt kann das Zwischenprozessregelventil (radial, axial, rotierend) verwendet werden, um den Durchfluss und die Scherenergiezufuhr anzupassen und sich an unterschiedliche Verhältnisse anzupassen.

Die bessere Schneckenkonfiguration zum Schmelzen ist die Schneckenkonfiguration d in Kombination mit asymmetrischen großen Gewindeelementen, wie in Abbildung 3 gezeigt. Dadurch können die meisten Materialien kontrollierbaren konstanten Scher- und Druckkräften ausgesetzt werden, sodass die Materialtemperatur nicht zu hoch wird.

Um zu große Temperaturgradienten in der Schmelz- und Plastifizierungszone zu vermeiden, können das Scherelement und das Vorwärtsgewinde-Förderelement abwechselnd kombiniert werden, so dass sich die gesamte Energiezufuhr in einer bestimmten Reihenfolge innerhalb einer bestimmten axialen Länge verteilt, wie in Abbildung 4 (c) dargestellt.

(a) Vorwärtsknetblock + Rückwärtsschneckenelement (b) Rückwärtsknetblock

(c) Vorderer Knetblock und vorderes Schneckenelement sind abwechselnd zum Auslass angeordnet

Abbildung 4 Berstorff-Schneckenkonfiguration zum Schmelzen

Der ineinandergreifende, gleichsinnig rotierende Doppelschneckenextruder ist mit einer Absaugzone ausgestattet, um Feuchtigkeit, mitgerissene Luft und flüchtige Bestandteile im Material zu entfernen. Vor der Absaugöffnung sollte ein Dichtungselement an der Schnecke angebracht sein, um die Schmelze abzudichten und einen hohen Druck aufzubauen. In der Absaugzone, d. h. dem Schneckenabschnitt gegenüber der Absaugöffnung, sollte das Material in geringem Maße in die Schneckennut gefüllt und mit der Atmosphäre oder einer Vakuumpumpe verbunden werden.

Um die Schmelze abzudichten und einen hohen Druck aufzubauen, können Rückwärtsgewindeelemente, Rückwärtsknetblöcke oder Druckregelventile verwendet werden. In der Absaugzone sollten Gewindeelemente mit großer Steigung (Abbildung 5) verwendet werden, um einen niedrigen Füllgrad und eine dünne Schmelzschicht zu bilden, damit das Material eine große freie Oberfläche hat, die freigelegt werden kann, und eine lange Verweilzeit, um das Absaugen zu erleichtern.

Bild 5 Schneckenanordnung im Ausblasbereich

Bei der Schmelzeförderung werden im Allgemeinen vorwärtslaufende Schneckenelemente verwendet. Manchmal werden jedoch auch Knetblöcke oder rückwärtslaufende Schneckenelemente in der Schmelzeförderzone der Schnecke verwendet. Vor diesen Elementen muss Druck aufgebaut werden, damit das Material hindurchfließen kann. Damit das Material durch die Düse gelangen kann, muss auch im Schmelzeförderabschnitt am Ende der Schnecke Druck aufgebaut werden.

Druck kann nur in dem Schneckenabschnitt aufgebaut werden, der vollständig mit Material gefüllt ist. Der Druckaufbau der ineinandergreifenden, gleichsinnig rotierenden Doppelschnecken beruht also auf der Fähigkeit des Materials, die Schneckennut kontinuierlich zu füllen. Eine 100-prozentige Füllung ermöglicht der Schneckenkonfiguration mit axialem Kanal einen Druckaufbau auf kurzer Distanz.

Die Länge der mit Schmelze gefüllten Schnecke hängt von der Viskosität des Materials, der Schneckensteigung, der Anzahl der Schneckenumdrehungen, der Vorschubmenge und dem Matrizenwiderstand ab. Die Gewindesteigung und die Anzahl der Gewindeköpfe beeinflussen die Druckaufbaukapazität.

Mit dem Druckaufbau geht ein Temperaturanstieg einher, der auf den niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten des Polymers und das relativ geringe Verhältnis der Schneckenkühlfläche zum Schmelzextrusionsvolumen zurückzuführen ist.

Um die durch Druckaufbau verursachte Temperatur zu minimieren, muss die Konfiguration der Druckaufbauschnecke optimiert werden, um die Länge der Gegendruckzone zu reduzieren und die Energie des Eingangsmaterials zu minimieren. Die Verkürzung der Gegendruckzone bedeutet, dass bei einem vorgegebenen Druck der Druckgradient des Schmelzeförderabschnitts mit einem bestimmten Wert der Konvektionsrate den Maximalwert erreichen muss.

Es ist darauf hinzuweisen, dass eine falsche Schneckenkonfiguration oder falsche Betriebsbedingungen im Schmelzeförderabschnitt zu instabiler Extrusion, beispielsweise Durchflussschwankungen, führen können. Die gesamte Länge der Schmelzeförderzone hinter der Auslassöffnung sollte nicht nur bis zum Auslassdruck reichen, da es sonst zu Materialausstoß kommt.

Die Mischfunktion des ineinandergreifenden, gleichsinnig rotierenden Doppelschneckenextruders ist die wichtigste, daher ist die Gestaltung der Schneckenkonfiguration im Mischabschnitt von großer Bedeutung. Kürzlich wurde festgestellt, dass im Schmelzabschnitt der Doppelschnecke die Größe der dispergierten Phase der Polymermischung stark abnimmt, von anfänglich makroskopischen Partikeln oder Pulver im Millimeterbereich auf einige zehn Mikrometer, nachdem das Schmelzen abgeschlossen ist.

Nach der ersten Mischphase werden die größeren Partikel der dispergierten Phase der Mischung durch Scherwirkung weiter auf die endgültige Mikrongröße reduziert.

Verglichen mit der Wirkung des Schmelzabschnitts auf die morphologische Struktur der Mischung ist die Wirkung des Schmelzetransportabschnitts auf das Mischen viel geringer. Mit anderen Worten, die Partikelgröße der dispergierten Phase ändert sich während der Erweichungsphase (bei amorphen Polymeren) oder der Schmelzphase (bei teilkristallinen Polymeren) stark, während sich die Partikelgröße der dispergierten Phase nach dem vollständigen Schmelzen des Polymers nicht mehr wesentlich ändert.

Abbildung 6 zeigt die Schneckenkonfiguration der Doppelschnecken-Kombinationskonstruktion, die aus Zahnelementen und weiteren Elementen zur Erhöhung der Verteilungsmischfestigkeit besteht, während Abbildung 7 eine Schneckenkonfiguration aus Zweikopf- und Dreikopf-Knetblöcken zur Erhöhung der Schmelzmischfestigkeit zeigt und Abbildung 8 eine Schneckenkonfiguration aus Knetblöcken und Schneckenelementen zur Verteilungsmischung und Dispersionsmischung ist.

Dabei ist zu beachten, dass die Auswahl der Schneckenkonfiguration der einzelnen Funktionsabschnitte mit der Aufgabenstellung des durchzuführenden Mischvorgangs (Mischmodifikation oder Füllmodifikation) und dem Mischverfahren in Einklang gebracht werden muss.