Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

6.2 Keverés ömledék állapotban

6.2 Keverés ömledék állapotban

A polimerek és adalékaik bensőséges, homogén elkeverésére előbb vagy utóbb képlékeny (plasztikus) állapotba kell hoznunk az anyagot. A megömlesztett állapotban keverő berendezéseknek két alaptípusa van:

  • szakaszos és

  • folytonos működésű.

A szakaszos működésű, ömledékállapotban keverő berendezések a korai gumiiparban alakultak ki, de ma is nélkülözhetetlenek pl. a gumiabroncs-gyártásban.

Banbury-típusú belső keverő viszkózus polimer ömledék diszperzív

6.6 ábra: Banbury-típusú belső keverő viszkózus polimer ömledék diszperzív [6.1] keveréséhez (l. 6.7 ábrát is) a) alapelv: szemben forgó hengerek, b) Banbury henger, c) belsőkeverő

Alapvető gépük a hengerszék (6.6 ábra, a) vázlat), amely két közeli (de nem érintkező) egymással szemben forgó fűtött henger, kissé eltérő (pl. +10 %) fordulatszámmal. Ebből fejlődött ki a polimer lemezhengerlés, a kalanderezés technológiája, amelynek külön fejezetet szenteltünk (7. fejezet).

Az u.n. Banbury típusú belső keverő (6.6 ábra) alapvető keverő gépeleme ugyancsak egymással szembeforgó, fűthető-hűthető, „bütykösre” módosított formájú hengerpár, amely fűthető-hűthető, fekvő 8-as keresztmetszetű házban forog. A lassú fordulatú (pl. 1 ford./sec) keverés tulajdonképpen gyúrás, dagasztás, – hasonlóan a kenyértészta homogenizálásához (Kneter, kneader). Ez is szakaszos művelet, és rendkívül energiaigényes.

Kétszintes Banbury keverő 3D képe

6.7 ábra: Kétszintes Banbury keverő 3D képe [6.3] Hasznos térfogat: ~1 m3 (l. 6.6 ábrát is)

A 6.7 ábra ipari kivitelű keverőjéből megítélhetjük a hajtómű és a motor arányait is. Ez is kétszintes berendezés, néhány t/óra kapacitással, tipikusan gumikeverékek homogenizálására.

A belső keverő gyúróelemeinek változatos formáira hasonlítanak, azt modellezik a Brabender PLASTOGRAF gyúrókamrái is. Ez az univerzális laborgép a polimerfeldolgozó laboratóriumok nélkülözhetetlen vizsgáló (– és félüzemi gyártás modellező – ) eszköze. A gyúrókamra itt tipikusan 30–300 g befogadására alkalmas térfogatú, fűthető, és méri az egymással szembeforgó gyúróelemek meghajtásához szükséges energiát, a forgatónyomaték mérése útján.

A BME Polimertechnika és Textiltechnológia tanszék Brabender PLASTOGRAF-ja

6.8 ábra: A BME Polimertechnika és Textiltechnológia tanszék Brabender PLASTOGRAF-ja (háttérben: gyúrókamra, előtérben: extruder)

A laboratóriumi gyúrókamra működése is szakaszos, és itt is hasonló gyúrási időkre van szükség, mint az ipari gyúrókeverőkben. Az ömledék kívánt homogenitásának megközelítését az jelzi, hogy a gyúrási nyomaték görbéje egy gyorsan elért maximum után néhány perc alatt egyensúlyi minimumot közelít meg.

A polimer ömledékek keverésének korszerű, folyamatos műveleti megoldása az extruder extrudercsiga alapelvét hasznosítja. Az extrudert, mint alapgépet a rúdsajtolás, a csőgyártás, a profil-és lemezgyártás legfontosabb berendezését, és annak elméleti hátterét is részletesen tárgyalni fogjuk (8. fejezet).

Az extrudercsiga, mint az ömledékkeverés gépeleme tehát határozott menetirányszárny szélességű csavarorsó, amely jól illesztett fűtött hengerben forog.

Egycsigás extruder csigája, mint ömledék-keverő gépelem

6.9 ábra: Egycsigás extruder csigája, mint ömledék-keverő gépelem Fenn: nagy menetemelkedés – diszperzív keverés Lenn: kis menetemelkedésű – disztributív keverés

A menetemelkedéstől nagymértékben függ a keverés jellege. A későbbiekben látni fogjuk, hogy a tipikus extrudercsigáknál, amelyek hosszúsága az átmérő 20–30-szorosa, a menetemelkedés egy fordulatra tipikusan azonos az átmérővel. A 6.9 ábrán látható, hogy ennél nagyobb menetemelkedés jellegzetesen (csak) diszperzív keverést eredményez, míg ennél sűrűbb menet (kisebb menetemelkedés) már bensőséges, disztributív keverést ad.

Az egycsigás extruderek keverési hatékonyságának megnövelésére természetes számos más megoldás is adódik. A 6.10 ábra ilyen keverőelemeket mutat be. Ezek a rövidebb szakaszok váltakozva, ismételten is megjelenhetnek az itt is L/D ~20 hosszú extrudercsigán, és lelassítják, vagy felgyorsítják, „megtörik”, turbulenssé teszik az ömledékáramot, sőt, helyenként vissza is fordíthatják azt átmenetileg. Az áramlási képet befolyásoló gépelemeket (pl. tüskét) maga a befoglaló henger is tartalmazhat. A keverőextruder csigájának végső szakaszában pl. sikerrel alkalmazzák a hengeren és a csigán egyaránt megjelenő gömbszeletekből kialakított cavity transfer (üreges anyagátvitel) rendszerű csiga-megoldást. (6.11 ábra).

Különféle keverőelemek egycsigás keverőextruder csigáján

6.10 ábra: Különféle keverőelemek egycsigás keverőextruder csigáján [6.1]

Inkább csak az érdekesség kedvéért említjük meg, hogy az ömledékáramot fűtött csőben keverőhatású csiga- ill. hullámmozgásra kényszeríthetjük anélkül is, hogy a fűtött henger mozgó gépelemet tartalmazna. (6.12 ábra).

Gömbszeletes keverőelem egycsigás keverőextruderen (cavity transfer mixer)

6.11 ábra: Gömbszeletes keverőelem egycsigás keverőextruderen (cavity transfer mixer) [6.7]

A statikus keverő alapelvét a 6.12 ábra mutatja be. Ennek gyakorlati jelentősége azonban egyenlőre csekély a polimertechnikában.

Statikus keverő ömledékáram keverésére

6.12 ábra: Statikus keverő ömledékáram keverésére [6.4]

Az extruder alapelvű keverőberendezés homogenizáló hatásfokát a csiga megkettőzésével lehet nagymértékben fokozni. A kétcsigás keverőextruder alapelvét a 6.13 ábra mutatja be.

A kétcsigás keverőextruder alapelve

6.13 ábra: A kétcsigás keverőextruder alapelve [6.5] (egymásba hatoló menetszárnyak esetén)

Ahogyan a Banbury keverő két eleme, ezek az ikercsigás extruder keverők is (twin-screw extruder, Doppelschnecken-extruder) fekvő 8-as keresztmetszetű, fűtött házban működnek, alapvetően kétféle elrendezésben:

  • egymást nem érintő és

  • egymásba hatoló (intermeshing, Kämmend) menetszárnyakkal. Mindkét esetben kialakíthatunk

  • azonos irányban forgatott és

  • egymással szemben forgó csigákat, ahol az első esetben nyilvánvalóannagyobb nyíró igénybevétel adódik, a második esetben pedig hatékonyabb (és kíméletesebb) anyagtovábbítás.

A kétcsigás keverőextruder, amelynek ipari méretű kivitelét 3D ábrázolásban a 6. 14 ábrán láthatjuk, abban különbözik az egycsigás extruder elrendezéstől, hogy itt az összetett hengert hosszirányban kettéhasítva teszik nyithatóvá és így a berendezést hozzáférhetővé, tisztíthatóvá.

Kétcsigás keverőextruder 3D képe

6.14 ábra: Kétcsigás keverőextruder 3D képe [6.8]

A kétcsigás extruder – az egycsigás extruderhez hasonlóan – nemcsak keverő funkciót ellátó, hanem önálló feldolgozógép is. További változatairól a 8. fejezet szól.

Az extrudercsigák összetett alkalmazásának és így a keverési hatékonyság megsokszorozásának kitűnő példája az ún. bolygócsigás keverőextruder (6.15 ábra).

Ebben egy központi helyzetű extrudercsigát az adott esetben 8 kisebb csiga úgy vesz körül, hogy a központi csiga minden kis csigával kényszerkapcsolatban forog, és a kis csigák ugyanígy kényszerkapcsolatban vannak a fűtött külső hengerrel. Az ömledék nyilvánvalóan intenzív keveredésnek van alávetve, különösen a kis csigák közötti nagy nyírású térben. Ilyen bolygócsigás keverőextruderrel például igényes, átlátszó PVC lemezanyag készíthető gyógyszeripari tabletták „átnyomó” csomagolása számára.

Bolygócsigás keverőextruder alapelve, elrendezése

6.15 ábra: Bolygócsigás keverőextruder alapelve, elrendezése [6.4] a) főcsiga, b) bolygócsigák, c) a bolygócsigák háza, d) betáplálás

Az extrudercsiga keverő hatását eredeti ötlettel fokozták fel az ún. ko-knéter-ben. Ennek lényege egy olyan extrudercsiga, amely nemcsak forgó mozgást, hanem eközben kismértékű tengelyirányú előre-hátra mozgást is végez, hogy 120 °-onként megszakított menetszárnyai „kikerüljék” a henger palástján (belül) beépített keverő-fogakat. (Az alapelv a 6.16 ábrán látható.) A ko-knéter (kompaundáló gyúrógép) rendkívül hatásos ömledékkeverést biztosít.

A ko-knéter működési elve

6.16 ábra: A ko-knéter működési elve [6.2] a) csiga, amely a forgás mellett himba-mozgást is végez, b) keverő-fogak, c) henger