Handleiding voor het ontwerp van schroefelementen voor dubbelschroefextruders

Kennismaken met: in elkaar grijpende, co-roterende dubbelschroefextruders

De schroeven in deze populaire extruders hebben een aantal belangrijke eigenschappen die ze zo effectief maken:

1. Parallelle en dezelfde richting rotatie: De twee schroeven draaien naast elkaar in dezelfde richting. Dit zorgt voor een constante schuifkracht tussen de schroefdraden (vleugels) en de cilinderwand. De intensiteit van deze schuifkracht kan worden verfijnd door specifieke combinaties van schroefelementen te kiezen en de afstand tussen de elementen aan te passen.
2. Uitstekende mengwerking: Dankzij hun geometrische ontwerp en meedraaiende beweging blinken deze schroeven uit in het verdelen en mengen van materialen – perfect voor compounding! Wanneer het materiaal binnendringt en verzacht, werken de schroeven op een unieke manier samen. Op het punt waar ze in elkaar grijpen, trekt de ene schroef het materiaal in de opening, terwijl de andere het eruit duwt. Hierdoor beweegt het materiaal in een "∞"-patroon tussen de schroeven. Dit zorgt voor hoge relatieve snelheden, ideaal voor grondig mengen en homogeniseren. Bovendien zorgt de zeer nauwe opening in de vermengingszone voor een hoge afschuifkracht, wat leidt tot een gelijkmatige plastificering.
3. Reactieve verwerkingskrachtpatser: Deze extruders zijn niet zomaar mixers; ze kunnen fungeren als dynamische chemische reactoren! Zodra materialen in de cilinder smelten, kunnen ze verschillende chemische reacties ondergaan, zoals polymerisatie of enting. Deze mogelijkheid, bekend als reactieve extrusie, wordt gebruikt voor het creëren van nieuwe polymeren, het modificeren van bestaande polymeren (zoals polyolefinen), het functionaliseren van polymeren voor betere eigenschappen of compatibiliteit, en het mengen van verschillende materialen. Het omvat ook fysieke modificaties zoals vullen, compounderen, versterken en versterken van kunststoffen.
4. Modulair 'bouwsteen'-ontwerp: Er is een breed scala aan schroefelementen beschikbaar: transportelementen, kneedblokken (voor het knippen), mengelementen, elementen met omgekeerde schroefdraad (om druk op te bouwen of de mengtijd te verlengen) en meer. Net als speelgoedbouwstenen kunnen deze elementen op de schroefas worden geplaatst en gecombineerd, afhankelijk van de specifieke behoeften van het materiaal en het proces. Deze modulariteit maakt geoptimaliseerde schroefontwerpen mogelijk, afgestemd op diverse formuleringen.

Maak kennis met de bouwstenen: soorten tweeschroefelementen

Over het algemeen vallen gangbare schroefelementen, op basis van hun structuur en functie, in de volgende hoofdcategorieën: transportelementen, schuifelementen en meng-/dispergeerelementen. Laten we ze eens bekijken.

(1) Overbrengende elementen: de verhuizers

Transportelementen zijn primair ontworpen om materiaal langs de extrudercilinder te verplaatsen. Ze zijn er in twee hoofdvarianten: voorwaarts overbrengen (materiaal verplaatsen naar de uitgang van de extruder) en omgekeerd transportOmgekeerde elementen duwen het materiaal terug en fungeren als een tijdelijke dam. Dit verlengt de verblijftijd van het materiaal, verbetert de vulling van de schroefkanalen (vulgraad), bouwt de druk op en verbetert de mengefficiëntie aanzienlijk.

Belangrijke ontwerpkenmerken voor transportelementen zijn onder meer kanaaldiepte, spoed (de afstand die de schroefdraad in één rotatie aflegt), vluchtdikte en speling (de ruimte tussen schroef en cilinder), zoals geïllustreerd in figuur 1. Hun belangrijkste taak is transport, dus materiaal passeert er meestal relatief snel doorheen. leiding is hier misschien wel de meest kritische factor. Een grotere voorsprong betekent een hogere doorvoer (meer materiaal per uur geëxtrudeerd) en een kortere verblijftijd, maar mogelijk ook minder grondige menging.

Let op: D = buitendiameter van de schroef, d = diameter van de schroefwortel, P = spoed, L = spoed

Wanneer verschillende kabelgroottes doorgaans worden gebruikt:

• Grote loodelementen: Wordt gebruikt wanneer een hoge output prioriteit heeft, voor warmtegevoelige materialen die een minimale cilindertijd vereisen (om degradatie te voorkomen). Wordt vaak in de buurt van ventilatieopeningen (ontgassingszones) geplaatst om het materiaaloppervlak te maximaliseren en zo vluchtige stoffen beter te verwijderen.
• Medium loodelementen: Wordt gekozen wanneer een balans tussen transport en menging nodig is. Wordt vaak gebruikt in processen waarbij de druk geleidelijk afneemt en de druk geleidelijk wordt opgebouwd.
• Kleine loodelementen: Wordt voornamelijk gebruikt in de smeltzone om druk op te bouwen, de smeltefficiëntie te verbeteren, de mengintensiteit te verhogen en de algehele extrusiestabiliteit te verbeteren.

(2) Knipelementen: de kneders

Schuifelementen, algemeen bekend als kneedblokken, zijn de krachtpatsers voor intensief mengen. Ze oefenen hoge schuifkrachten uit en zijn uitstekend in zowel het verdelen (spreiden van componenten) als het verspreiden (afbreken van agglomeraten) van materialen. Belangrijke parameters zijn het aantal lobben of "koppen", de dikte van elk blok en de hoek tussen aangrenzende blokken (zie figuur 2). Ze worden meestal in groepen gebruikt. De hoek tussen de blokken beïnvloedt hoe het materiaal erdoorheen stroomt. De nauwe interactie tussen de blokken op de twee schroeven creëert een "slijpschijf"-effect, waardoor het materiaal gemengd en uitgewisseld wordt. Wanneer meerdere blokken worden gecombineerd, kunnen ze een netto spiraalhoek vormen, waardoor het materiaal axiaal kan worden verplaatst terwijl het intensief wordt gemengd.

Laten we eens naar de parameters kijken:

• Verspringende hoek (α): Veelvoorkomende hoeken zijn 30°, 45°, 60° en 90°. Voor voorwaarts gestapelde blokken (die de materiaaldoorstroming bevorderen) betekent een grotere hoek over het algemeen een lagere transportcapaciteit. Dit verlengt de verblijftijd en verbetert de mengkwaliteit. Omgekeerd gestapelde blokken belemmeren de voorwaartse doorstroming, waardoor de druk en mengintensiteit aanzienlijk toenemen.
• Dikte (t): De dikte varieert doorgaans van 7 tot 19 mm, afhankelijk van de toepassing. De dikte heeft invloed op de schuifintensiteit en de mengmethode. Dikkere blokken genereren meer schuifkracht, maar hebben mogelijk een iets lagere distributieve mengefficiëntie dan dunnere blokken, die vaak een betere distributieve menging bieden.

Zowel transport- als schaarelementen variëren ook per aantal koppen (of lobben) – meestal ontwerpen met één, twee of drie koppen (figuur 3).

Het aantal koppen beïnvloedt de prestaties: voor elementen met een voorwaartse werking betekent een hoger koppenaantal over het algemeen een lagere transportcapaciteit, een lagere koppelproductie per volume-eenheid, mogelijk minder distributieve menging, maar een hogere schuifintensiteit. Voor elementen met een omgekeerde werking kan een hoger koppenaantal een *grotere* achterwaartse transportcapaciteit (sterkere barrière) en minder distributieve menging betekenen.

Enkelkops schroefelement

Biedt de hoogste transportefficiëntie (per kanaal) en de dikkere stroming minimaliseert materiaallekkage (terugstroming). Heeft een kleiner totaal open volume in vergelijking met ontwerpen met meerdere koppen.

Dubbelkops schroefelement

De standaard, veelzijdige keuze voor meedraaiende dubbelschroeven. Genereert minder afschuiving dan elementen met drie koppen. Wordt veel gebruikt voor vaste-stoftoevoer, smelttransport en ontgassingszones. Staat bekend om zijn gelijkmatige verhitting en goede zelfreinigende eigenschappen.

Drievoudige schroefelement

Biedt een hogere schuifspanning, waardoor het ideaal is voor smelten, dispergeren en intensief mengen. Maakt een flexibelere controle over de druk- en temperatuurverdeling in de cilinder mogelijk. Kan uitstekende ontgassingseffecten produceren, maar resulteert doorgaans in een lagere output in vergelijking met elementen met dubbele kop en dezelfde inlaat.

(3) Elementen mengen: de homogenisatoren

Met het mengen van elementen wordt vaak bedoeld getande elementen (die rechte of spiraalvormige tanden/groeven in de uiteinden van de schroefvleugels kunnen hebben), zoals weergegeven in Afbeelding 4. Het primaire doel van deze groeven is om verbindingen te creëren tussen aangrenzende schroefkanalen, waardoor de uitwisseling van materiaal tussen de kanalen wordt bevorderd. Dit bevordert de homogenisatie van de smelt en verbetert de longitudinale (langs de schroefas) menging. Omdat de schroefvleugel wordt onderbroken door groeven, hebben deze elementen een licht verminderd transport- en drukopbouwvermogen. Dit verhoogt echter ook de vulgraad in de schroefkanalen en verlengt de verblijftijd van het materiaal in dat gedeelte.

Het aantal, de vorm en de rangschikking van de tanden (of groeven) zijn belangrijke ontwerpparameters. De vorm van de tanden verstoort voornamelijk de materiaalstroom, waardoor de homogenisatie wordt versneld. Meer tanden leiden over het algemeen tot een sterker mengeffect. Het is echter cruciaal om tijdens het ontwerp en de werking overmatige schuifkrachten te vermijden die de polymeermoleculen zouden kunnen beschadigen.

Alles bij elkaar voegen: schroefelementen combineren

Een complete extruderschroefconfiguratie is doorgaans verdeeld in functionele secties of zones, elk ontworpen voor een specifieke taak. Een gebruikelijke indeling bestaat uit vijf hoofdsecties (Figuur 5):

1. Transportgedeelte (toevoerzone)

Doel: Transporteer vast materiaal (pellets of poeder) op betrouwbare wijze vanuit de invoertrechter naar de extruder en voorkom dat materiaal terugstroomt in de invoeropening.

Typische elementen: Grote loden transportelementen (vaak dubbelkoppig).

2. Smeltsectie (overgangszone)

Doel: Smelt het vaste materiaal volledig en gelijkmatig door warmteoverdracht vanuit het vat en wrijvingswarmte die ontstaat door afschuiving.

Typische elementen: Kleine loden transportelementen, vaak gecombineerd met kneedblokken (schuifelementen) voor een efficiënte energietoevoer.

3. Mengsectie

Doel: Zorg voor een grondige menging en homogenisatie van één of meerdere componenten (bijv. polymeer + additieven, verschillende polymeren). Dit kan distributief mengen (componenten gelijkmatig verdelen) en dispersief mengen (agglomeraten of druppels afbreken).

Typische elementen: Combinaties van kneedblokken (verschillende diktes en verschillende hoeken) en gespecialiseerde mengelementen (zoals getande elementen). Omgekeerde transportelementen kunnen hierbij worden gebruikt om de verblijftijd en mengintensiteit te verhogen.

4. Ontgassingsgedeelte (ontluchtingszone)

Doel: Verwijder vocht, ingesloten lucht, monomeren, oligomeren en andere vluchtige onzuiverheden uit de smelt om de kwaliteit van het eindproduct te verbeteren. Vereist dat de schroefkanalen in deze zone slechts gedeeltelijk gevuld zijn.

Typische elementen: Grote loden transportelementen (vaak met diepere kanalen) maximaliseren de oppervlakteblootstelling onder vacuüm. Vaak voorafgegaan door een smeltafdichting (bijv. een omgekeerd element of een klein loden element) om vacuümlekkage te voorkomen.

5. Homogenisatie- en doseersectie (matrijszone)

Doel: Transporteer het volledig gemengde smeltproduct naar de matrijs, bouw voldoende en stabiele druk op voor extrusie, homogeniseer de smelttemperatuur verder en zorg voor een consistente outputsnelheid.

Typische elementen: Kleine loden transportelementen zorgen voor een betrouwbare drukopbouw. Soms inclusief zachte mengelementen voor de uiteindelijke temperatuurhomogenisatie.

Samenvattend