Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

8.3 Az extrudercsiga karakterisztikája, az extruder munkadiagramja

8.3 Az extrudercsiga karakterisztikája, az extruder munkadiagramja

Ha a Ve eredő térfogatáramot a főbb változók (Δp, η, n) függvényében elemezzük, akkor kapjuk a csigakarakterisztika egyenletét:

8.8. egyenlet -


ahol C konstans. Ábrázolva a Ve -t a Δp függvényében, a 8.10 ábrán látható tipikus csigakarakterisztikákat kapjuk. Látható, hogy mindhárom paraméternél (n: fordulatszám, h: menetmélység, l: csigacsatorna hossza a kitoló zónában) a Ve kihozatal csökken a nyomásnövekedés függvényében. Ugyanakkor az is látható, hogy hosszabb kitolózóna és kisebb menetmélység kedvezőbb („lágyabb”) karakterisztikát eredményez. Ez annyit jelent, hogy az ilyen csiga kevésbé nyomásfüggő, azaz a Ve térfogatáram (a kihozatal) kevésbé függ a szerszám ellenállásától (a szerszámcserétől).

A növekvő fordulatszám, menetmélység és a homogenizáló zóna menetárkának hossza hatása az eredő ömledékáramra a nyomásnövekedés függvényében.

8.10 ábra: A növekvő fordulatszám (n), menetmélység (h) és a homogenizáló zóna menetárkának hossza (l) hatása az eredő ömledékáramra a nyomásnövekedés (Δp) függvényében.

Hasznos még ismernünk az anyag ún. belső extrudálási karakterisztikáját is, amely a csiga által létrehozott Δp nyomás és a csiga n fordulatszáma között állít fel kapcsolatot.

Az ömledék Δp nyomáskülönbség hatására kialakuló v átlagsebessége definíció szerint

8.9. egyenlet -


Felhasználva a Vt térfogatáram (5.79) alatti alakját, írhatjuk:

8.10. egyenlet -


amelyből a Δp nyomáskülönbség:

8.11. egyenlet -


Mivel a v átlagsebesség arányos a csiga n fordulatszámával, kapjuk:

8.12. egyenlet -


azaz a csiga által létrehozott nyomás az ömledék η viszkozitásával és a csiga n fordulatszámával egyenesen arányos (ld. 8.11 ábra).

Az extruder munkadiagramjához ismernünk kell még a szerszámkarakterisztikát is, amely a szerszámon átáramló ömledék V térfogatárama és a Δp nyomáskülönbség között teremt kapcsolatot. Abban a legegyszerűbb esetben, ha a szerszám egy R sugarú, l hosszúságú furat (kapilláris), akkor az (5.56) összefüggés szerint

A viszkozitásnövekedés hatása a nyomásnövekedés és a fordulatszám összefüggésében

8.11 ábra: A viszkozitásnövekedés hatása a nyomásnövekedés és a fordulatszám összefüggésében

8.13. egyenlet -


azaz a térfogatáram a Δp nyomáskülönbséggel egyenesen, az ömledék ηviszkozitásával fordítottan arányos.

Ezek után már összeállíthatjuk az extruder ún. egyszerűsített munkadiagramját, mely minimum négy egyenesből kell hogy álljon: az extruder legnagyobb és legkisebb fordulatszámához tartozó csigakarakterisztikából, és az adott ömledékre (anyagra) alkalmazható minimális és maximális fojtás (rés) jelleggörbéjéből (szerszámkarakterisztika). A négy egyenes által határolt terület az adott anyagra vonatkozó munkaterület, melyet ha kiegészítünk Vgazd gazdaságossági határral, megkapjuk az extruder valós munkadiagramját. (8.12 ábra)

Az extruder egyszerűsített munkadiagramja

8.12 ábra: Az extruder egyszerűsített munkadiagramja n2 > n1 : fordulatszám, η2 > η1: viszkozitás

Meg kell jegyeznünk, hogy a 8.10 – 8.12 ábrákon vázolt jelleg csak newtoni közegre érvényes, csak ilyenkor kapunk egyeneseket (lineáris kapcsolatokat). A valóságot jobban közelítő munkadiagram látható a 8.13 ábrán, ahol még a feldolgozás alsó- és felső hőmérséklete, ill. a homogenitás határa is fel van tüntetve.

Az extruder valós munkadiagramja

8.13 ábra: Az extruder valós munkadiagramja

A Δp, a kompresszió, a sűrítési viszonyok alakulását egy szokványos extruderben a 8.14 ábra mutatja be.

Kompresszió a szokványos egycsigás extruderben

8.14 ábra: Kompresszió a szokványos egycsigás extruderben

Amint a konkrét példából láthatjuk, az ömledéknyomás jelentős, nagyságrendileg a 100 bar tartományban van, amely a nyitott végződés közelében csökken. A következő (9.) fejezetben a fröccsöntés során látni fogjuk, hogy ott az ömledéknyomás még egy nagyságrenddel nagyobb: 1500–2000 bar-t is elérheti. E nyomásnak a méretpontos termékgyártásban jelentős szerepe van mindkét technológiában. Az extruderben ezt a nyomásfokozást is szolgálja az ún. törőlemez és szűrő (8.15 és 8.16 ábra).

Törőlemez (törőtárcsa) és szűrő az extruderben

8.15 ábra: Törőlemez (törőtárcsa) és szűrő az extruderben

Természetesen a törőlemez is és a drótszövetből készült szűrő is ömledékszűrést is biztosít, és még egy utolsó homogenizálást is végez azzal, hogy az ömledék-áramlást „megtöri”, megosztja. Figyeljük meg a 8.16 ábra fotóján, hogy a törőlemez furatai az áramlás irányából tekintve szűkítő átmenettel készültek.

A nyomásviszonyok különleges szabályozására van szükség az ún. „kigázosító” extruderben. Gyakran előfordul, hogy polimerömledékből az extruzió végső szakasza előtt gázokat kell eltávolítanunk. Ezek lehetnek

  • nedvességnyomok,

  • beoldott, a granulátum által magával vitt (okkludált) gázok

  • monomermaradékok.

Törőlemez fotója

8.16 ábra: Törőlemez fotója [8.2]

Az extruder hengere természetesen nem nyitható meg („csapolható” meg) a 100 bar nyomás alatti szakaszban e gázok eltávolítására, hiszen ott a polimerömledék is eltávozna. A megoldás: a szokványos 3 zónás csiga helyett 6 zónás csiga-konstrukció, tulajdonképpen két szokványos csiga egymás utáni sorbakapcsolása, összeépítése. Ezt a megoldást a későbbiekben (8.18 ábra, 209. old.) mutatjuk be.