Przewodnik po projektowaniu elementów ślimakowych wytłaczarki dwuślimakowej

Poznaj: Współbieżne wytłaczarki dwuślimakowe

Ślimaki stosowane w tych popularnych wytłaczarkach mają kilka kluczowych cech, które sprawiają, że są tak skuteczne:

1. Obrót równoległy i w tym samym kierunku: Dwie śruby obracają się obok siebie w tym samym kierunku. Tworzy to stałe działanie ścinające między gwintami śruby (lotkami) a ścianą lufy. Intensywność tego ścinania można precyzyjnie dostroić, wybierając określone kombinacje elementów śrubowych i dostosowując odstępy.
2. Doskonała akcja mieszania: Dzięki geometrycznej konstrukcji i współbieżnemu ruchowi te śruby doskonale nadają się do rozprowadzania i mieszania materiałów – idealne do mieszania! Gdy materiał wchodzi i zmiękcza się, śruby współpracują ze sobą w wyjątkowy sposób. W punkcie, w którym się zazębiają, jedna śruba wciąga materiał do szczeliny, podczas gdy druga go wypycha, powodując, że materiał przemieszcza się między śrubami w kształcie „∞”. Tworzy to wysokie prędkości względne, idealne do dokładnego mieszania i homogenizacji. Ponadto bardzo ciasna szczelina w strefie zazębiania zapewnia wysokie ścinanie, co prowadzi do równomiernego uplastycznienia.
3. Potęga reaktywnego przetwarzania: Te wytłaczarki to nie tylko miksery; mogą działać jak dynamiczne reaktory chemiczne! Gdy materiały stopią się wewnątrz cylindra, mogą przechodzić różne reakcje chemiczne, takie jak polimeryzacja lub szczepienie. Ta zdolność, znana jako reaktywne wytłaczanie, jest wykorzystywana do tworzenia nowych polimerów, modyfikowania istniejących (takich jak poliolefiny), funkcjonalizacji polimerów w celu uzyskania lepszych właściwości lub kompatybilności oraz mieszania różnych materiałów. Obejmuje ona również modyfikacje fizyczne, takie jak wypełnianie, mieszanie, hartowanie i wzmacnianie tworzyw sztucznych.
4. Modułowa konstrukcja „bloków konstrukcyjnych”: Dostępna jest szeroka gama elementów ślimakowych – elementy transportujące, bloki ugniatające (do ścinania), elementy mieszające, elementy z odwrotnym gwintem (do budowania ciśnienia lub zwiększania czasu mieszania) i wiele innych. Podobnie jak klocki do budowy zabawek, elementy te można układać i łączyć na wale ślimaka zgodnie ze szczególnymi potrzebami materiału i procesu. Ta modułowość umożliwia zoptymalizowane projekty ślimaków dostosowane do różnych formulacji.

Poznaj podstawowe elementy: rodzaje elementów dwuśrubowych

Ogólnie rzecz biorąc, na podstawie ich struktury i funkcji, typowe elementy śrubowe dzielą się na następujące główne kategorie: elementy transportujące, elementy ścinające i elementy mieszające/dyspergujące. Przyjrzyjmy się każdemu z nich.

(1) Elementy transportu: osoby przeprowadzające ruch

Elementy transportowe są zaprojektowane przede wszystkim do przemieszczania materiału wzdłuż cylindra wytłaczarki. Występują w dwóch głównych wersjach: przekazywanie do przodu (przesuwanie materiału w kierunku wyjścia z wytłaczarki) i odwrotne przenoszenie. Elementy odwrotne wypychają materiał do tyłu, działając jak tymczasowa tama. Zwiększa to czas przebywania materiału, poprawia stopień wypełnienia kanałów ślimakowych (stopień wypełnienia), buduje ciśnienie i znacznie zwiększa skuteczność mieszania.

Kluczowe cechy konstrukcyjne elementów transportowych obejmują głębokość kanału, skok (odległość, na jaką gwint śruby pokonuje jeden obrót), grubość przelotu i prześwit (szczelina między śrubą a lufą), jak pokazano na rysunku 1. Ich głównym zadaniem jest transport, więc materiał zazwyczaj przechodzi przez nie stosunkowo szybko. Ołów jest prawdopodobnie najważniejszym czynnikiem w tym przypadku. Większy przekrój oznacza większą przepustowość (więcej materiału wytłaczanego na godzinę) i krótszy czas przebywania, ale potencjalnie mniej dokładne mieszanie.

Uwaga: D = średnica zewnętrzna śruby, d = średnica korzenia śruby, P = skok, L = skok

Oto sytuacje, w których zazwyczaj stosuje się różne rozmiary przewodów:

• Duże elementy ołowiane: Stosowane w przypadkach, gdy priorytetem jest wysoka wydajność, do materiałów wrażliwych na ciepło wymagających minimalnego czasu przebywania w lufie (aby zapobiec degradacji), często umieszczane w pobliżu otworów wentylacyjnych (stref odgazowywania) w celu maksymalizacji powierzchni materiału, co pozwala na lepsze usuwanie substancji lotnych.
• Średnie elementy ołowiane: Wybierane, gdy potrzebna jest równowaga między przenoszeniem a mieszaniem. Często używane w sekwencjach, w których prowadzenie stopniowo maleje, aby delikatnie budować ciśnienie.
• Małe elementy ołowiane: Stosowany głównie w strefie topienia w celu zwiększenia ciśnienia, zwiększenia wydajności topienia, zwiększenia intensywności mieszania i poprawy ogólnej stabilności wytłaczania.

(2) Elementy ścinające: Ugniatarki

Elementy ścinające, powszechnie znane jako bloki do wyrabiania ciasta, są potęgami intensywnego mieszania. Stosują wysokie siły ścinające i doskonale nadają się zarówno do rozprowadzania (rozpraszania składników), jak i rozpraszania (rozbijania aglomeratów) materiałów. Kluczowymi parametrami są liczba płatów lub „głowic”, grubość każdego bloku i kąt nachylenia między sąsiednimi blokami (patrz rysunek 2). Zazwyczaj są używane w grupach. Kąt między blokami wpływa na sposób przepływu materiału przez nie. Ścisła interakcja między blokami na dwóch śrubach tworzy efekt „tarczy mielącej”, wymuszając mieszanie i wymianę materiału. Gdy wiele bloków jest połączonych, mogą one utworzyć kąt spiralny netto, pomagając w przemieszczaniu materiału osiowo, jednocześnie intensywnie go mieszając.

Przyjrzyjmy się parametrom:

• Kąt przesunięcia (α): Typowe kąty to 30°, 45°, 60° i 90°. W przypadku bloków przesuniętych do przodu (pomagających materiałowi przesuwać się do przodu) większy kąt oznacza zazwyczaj niższą wydajność transportu. Wydłuża to czas przebywania i poprawia jakość mieszania. Bloki przesunięte do tyłu utrudniają przepływ do przodu, znacznie zwiększając ciśnienie i intensywność mieszania.
• Grubość (t): Zwykle waha się od 7 do 19 mm, wybierana w zależności od zastosowania. Grubość wpływa na intensywność ścinania i styl mieszania. Grubsze bloki generują większe ścinanie, ale mogą mieć nieco mniejszą wydajność mieszania dystrybucyjnego w porównaniu do cieńszych bloków, które często zapewniają lepsze mieszanie dystrybucyjne.

Elementy transportujące i tnące różnią się także liczba głów (lub płatów) – zazwyczaj konstrukcje jedno-, dwu- lub trzygłowicowe (rysunek 3).

Liczba głowic wpływa na wydajność: W przypadku elementów działających do przodu, więcej głowic oznacza zazwyczaj niższą wydajność transportu, niższy moment obrotowy generowany na jednostkę objętości, potencjalnie mniejsze mieszanie dystrybucyjne, ale zwiększoną intensywność ścinania. W przypadku elementów działających do tyłu, więcej głowic może oznaczać *większą* wydajność transportu wstecznego (silniejszą barierę) i mniejsze mieszanie dystrybucyjne.

Element śrubowy jednogłowicowy

Oferuje najwyższą wydajność transportu (na kanał), a grubszy lot minimalizuje wyciek materiału (przepływ wsteczny). Ma mniejszą całkowitą objętość otwartą w porównaniu do konstrukcji wielogłowicowych.

Element śruby dwugłowicowej

Standardowy, wszechstronny wybór dla współbieżnych podwójnych ślimaków. Generuje mniejsze ścinanie niż elementy z potrójną głowicą. Powszechnie stosowane do podawania ciał stałych, transportu stopu i stref odgazowania. Znane z równomiernego ogrzewania i dobrych właściwości samoczyszczących.

Element śruby trójgłowicowej

Zapewnia większe ścinanie, co czyni go idealnym do topienia, dyspersji i intensywnego mieszania. Umożliwia bardziej elastyczną kontrolę nad ciśnieniem i rozkładem temperatury w cylindrze. Może dawać doskonałe efekty odgazowania, ale zwykle skutkuje niższą wydajnością w porównaniu z elementami dwugłowicowymi o tym samym ołowiu.

(3) Elementy mieszające: Homogenizatory

Mieszanie elementów często odnosi się do elementy zębate (które mogą mieć proste lub śrubowe zęby/rowki wycięte w końcówkach ślimaka), jak pokazano na rysunku 4. Głównym celem tych rowków jest tworzenie połączeń między sąsiednimi kanałami ślimaka, zachęcając materiał do wymiany między nimi. Sprzyja to homogenizacji stopu i poprawia mieszanie wzdłużne (wzdłuż osi ślimaka). Ponieważ ślimak jest przerywany rowkami, te elementy mają nieznacznie zmniejszone możliwości transportu i budowania ciśnienia. Jednak zwiększa to również poziom wypełnienia w kanałach ślimaka i wydłuża czas przebywania materiału w tej sekcji.

Liczba, kształt i układ zębów (lub rowków) to kluczowe parametry projektu. Kształt zęba służy przede wszystkim do zakłócania przepływu materiału, przyspieszając homogenizację. Więcej zębów zazwyczaj prowadzi do wyraźniejszego efektu mieszania. Jednak podczas projektowania i eksploatacji kluczowe jest unikanie nadmiernego ścinania, które mogłoby uszkodzić cząsteczki polimeru.

Łączenie wszystkiego: łączenie elementów śrubowych

Kompletna konfiguracja ślimaka wytłaczarki jest zazwyczaj podzielona na sekcje lub strefy funkcjonalne, z których każda jest przeznaczona do określonego zadania. Typowy układ obejmuje pięć głównych sekcji (Rysunek 5):

1. Sekcja transportująca (strefa podawania)

Bramka: Niezawodny transport materiału stałego (granulatu lub proszku) z zasobnika zasypowego do wytłaczarki i zapobieganie cofaniu się materiału do otworu zasypowego.

Typowe elementy: Duże elementy transportujące ołów (często dwugłowicowe).

2. Sekcja topnienia (strefa przejściowa)

Bramka: Całkowite i równomierne stopienie materiału stałego poprzez przenoszenie ciepła z bębna i ciepło tarcia powstające w wyniku ścinania.

Typowe elementy: Małe elementy transportujące ołów, często łączone z blokami ugniatającymi (elementami tnącymi) w celu wydajnego wprowadzania energii.

3. Sekcja mieszania

Bramka: Zapewnij dokładne mieszanie i homogenizację pojedynczych lub wielu składników (np. polimer + dodatki, różne polimery). Może obejmować mieszanie dystrybucyjne (równomierne rozprowadzanie składników) i mieszanie dyspersyjne (rozbijanie aglomeratów lub kropelek).

Typowe elementy: Kombinacje bloków ugniatających (różne grubości i kąty nachylenia) i specjalistycznych elementów mieszających (takich jak elementy zębate). Elementy transportu odwrotnego mogą być tutaj użyte w celu zwiększenia czasu przebywania i intensywności mieszania.

4. Sekcja odgazowująca (strefa odpowietrzania)

Bramka: Usuń wilgoć, uwięzione powietrze, monomery, oligomery lub inne lotne zanieczyszczenia ze stopu, aby poprawić jakość produktu końcowego. Wymaga, aby kanały ślimaka były tylko częściowo wypełnione w tej strefie.

Typowe elementy: Duże elementy transportujące ołów (często z głębszymi kanałami) w celu maksymalizacji ekspozycji powierzchni w próżni. Często poprzedzone uszczelnieniem stopionym (np. elementem odwrotnym lub małym elementem ołowianym), aby zapobiec wyciekowi próżni.

5. Sekcja homogenizacji i pomiaru (strefa matrycy)

Bramka: Transport w pełni wymieszanego stopu w kierunku matrycy, wytworzenie wystarczającego i stabilnego ciśnienia do wytłaczania, dalsze ujednolicenie temperatury stopu oraz zapewnienie stałej wydajności.

Typowe elementy: Małe elementy transportujące ołów, aby niezawodnie budować ciśnienie. Czasami obejmuje delikatne elementy mieszające do ostatecznej homogenizacji temperatury.

Podsumowanie