PL209296B1

PL209296B1 - Worm extruder

Info

Publication number: PL209296B1
Application number: PL381315A
Authority: PL
Inventors: Joachim Stasiek
Original assignee: Inst Inżynierii Materiałow Polimerowych I Barwnikow
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2011-08-31
Also published as: PL381315A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest wytłaczarka ślimakowa do przetwórstwa tworzyw polimerowych.The subject of the invention is a screw extruder for processing polymer materials.

Obecnie w konstrukcji wytłaczarek dominuje tendencja do budowy maszyn specjalistycznych zamiast uniwersalnych, tj. przeznaczonych do przetwórstwa określonego tworzywa i produkcji wybranego wyrobu. Wytłaczarki specjalne odznaczają się stosunkowo dużą wydajnością wytłaczania. Obserwuje się znaczny wzrost wydajności wytłaczarek jednoślimakowych, który osiągnięto m.in. przez umieszczenie na ślimaku strefy barierowej oraz elementów ścinających i mieszających.Currently, the design of extruders is dominated by the tendency to build specialized machines instead of universal ones, i.e. for processing a specific material and manufacturing a selected product. Special extruders are characterized by a relatively high extrusion capacity. There is a significant increase in the efficiency of single-screw extruders, which was achieved, among others, by by placing a barrier zone and shear and mixing elements on the screw.

Transportowane tworzywo nagrzewa się w kanale ślimaka m.in. poprzez ścianki cylindra i ślimaka dzięki przewodzeniu ciepła. Wokół tworzywa w stanie stałym tworzy się warstewka tworzywa w stanie plastycznym lub stopionym. Przyspieszenie uplastycznienia tworzywa czyli wniknięcia ciepła do cząstek nieuplastycznionych wymaga rozdziału w strefie barierowej fazy tworzywa uplastycznionego od tworzywa nieuplastycznionego.The transported material heats up in the screw channel, e.g. through the walls of the cylinder and screw due to heat conduction. A layer of plastic in a plastic or molten state forms around the solid material. Acceleration of plasticization of the material, i.e. the penetration of heat into non-plasticized particles, requires the separation of the plastic phase from the non-plasticized material in the barrier zone.

Znane są z opisów patentowych DE nr 1207074 i CH nr 363149 rozwiązania ślimaka wytłaczarki jednoślimakowej, w którym na znacznej długości zwojów w strefie sprężania zwanej strefą barierową zastosowano drugi zwój tzw. barierowy o większym skoku oraz o mniejszej o ok. 0,5 mm wysokości niż zwój podstawowy, który tworzy szczelinę między grzbietem zwoju, a powierzchnią wewnętrzną cylindra tzw. bariera zamknięta. Tworzywo uplastycznione przepływa ponad zwojem barierowym, natomiast tworzywo nieuplastycznione pozostaje przed zwojem do chwili uplastycznienia. Rozwiązanie to zapewnia dodatkowe uplastycznienie dzięki mieszaniu ścinającemu tworzywa, w tym zawirowaniu tworzywa uplastycznionego przepływającego ponad zwojem barierowym.There are known from the patent descriptions DE No. 1207074 and CH No. 363149 single-screw extruder screw solutions, in which, on a considerable length of the turns in the compression zone known as the barrier zone, a second roll, the so-called barrier with a greater pitch and about 0.5 mm lower than the basic roll, which creates a gap between the roll's crest and the inner surface of the cylinder, the so-called barrier closed. The plasticized material flows over the barrier coil, while the non-plasticized material remains in front of the coil until it becomes plastic. This solution provides additional plasticization due to shear mixing of the material, including swirling of the plasticized material flowing over the barrier roll.

Znane są także z opisów patentowych DE nr 3741034 i EP nr 456230 rozwiązania ślimaków wytłaczarek jednoślimakowych, których zasadnicza część zwoju barierowego jest równoległa do zwoju podstawowego ślimaka, przy czym początek zwoju barierowego jest usunięty tzw. bariera otwarta.Also known from DE patent specifications No. 3741034 and EP No. 456230 are single-screw extruder screw designs, the main part of the barrier roll parallel to the main screw thread, the beginning of the barrier roll having been removed by the so-called barrier open.

Znane są również z publikacji w czasopiśmie „Mechanika Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, zeszyt 6 z 2006 r. str. 453 - 458 oraz z publikacji International Polymer Processing nr 1 z 2006 r. str. 24 - 31 problemy dotyczące degradacji tworzyw polimerowych w procesie ich wytłaczania. Stwierdzono, że wpływ na degradację tworzywa, oprócz czynników chemicznych np. tlenu i warunków prowadzenia procesu, ma rozwiązanie układu uplastyczniającego, zwłaszcza rozwiązanie konstrukcyjne ślimaka. Znaczna degradacja tworzywa powoduje istotne obniżenie m.in. właściwości mechanicznych wytworu np. folii.They are also known from the publication in the journal Mechanika Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, issue 6 from 2006, pp. 453 - 458 and from the publication of International Polymer Processing No. 1 of 2006, pp. 24 - 31 problems related to degradation of polymer materials in the process of extrusion . It was found that the degradation of the material, in addition to chemical factors, e.g. oxygen and process conditions, is influenced by the solution of the plasticizing system, especially the design of the screw. Significant degradation of the material causes a significant reduction, among others mechanical properties of the product, e.g. foil.

Tworzywo dopływające do początku bariery powinno być co najmniej w 25% uplastycznione, jednak ten stan tworzywa nie zawsze jest spełniony, gdyż zależy to istotnie od warunków wytłaczania, zwłaszcza wydajności i właściwości cieplnych oraz reologicznych wytłaczanego tworzywa. W przypadku niekorzystnych warunków wytłaczania ma miejsce znaczny wzrost ciśnienia tworzywa na początku strefy barierowej w kanale tworzywa w stanie stałym. Powyższemu zjawisku można zapobiec poprzez zastosowanie na wlocie strefy barierowej, tzw. bariery otwartej. Jednak powyższe działanie obniża jakość uplastycznionego tworzywa, natomiast przy barierze zamkniętej często następuje przegrzewanie tworzywa powyżej zalecanej temperatury przetwarzania, a tym samym jego częściowa degradacja.The material flowing to the beginning of the barrier should be plasticized in at least 25%, however, this condition of the material is not always met, as it depends significantly on the extrusion conditions, especially the efficiency and thermal and rheological properties of the extruded material. Under unfavorable extrusion conditions, the material pressure increases significantly at the beginning of the barrier zone in the solid material channel. The above phenomenon can be prevented by the use of a barrier zone at the inlet, the so-called open barrier. However, the above action reduces the quality of the plasticized material, while with a closed barrier, the material often overheats above the recommended processing temperature, and thus its partial degradation.

Wytłaczarka ślimakowa według wynalazku ma umieszczony w cylindrze ślimak wyposażony w kierunku przepł ywu tworzywa w strefy: zasilania, barierową i ujednoradniania. Strefa barierowa ś limaka stanowiącego tworzącą walca podzielna jest na swojej długości i składa się z co najmniej dwóch odcinków, korzystnie z n odcinków ukształtowanych tak, że stosunek długości poszczególnych odcinków do długości strefy barierowej korzystnie jest zawarty w przedziale 0,1 + 0,5. Stosunek wysokości szczeliny barierowej pierwszego odcinka strefy barierowej do wysokości szczelin barierowych kolejnych odcinków korzystnie wynosi powyżej 1,1 pomiędzy sąsiadującymi stopniami ślimaka. Wysokości szczelin są to wielkości określone pomiędzy powierzchnią zewnętrzną zwoju barierowego ślimaka, a powierzchnią wewnętrzną cylindra wytłaczarki.The screw extruder according to the invention has a screw placed in the cylinder, equipped in the direction of the material flow into the zones: feeding, barrier and homogenization. The barrier zone of the worm forming the cylinder is divisible along its length and consists of at least two sections, preferably n sections, shaped such that the ratio of the length of the individual sections to the length of the barrier zone is preferably in the range 0.1 + 0.5. The ratio of the height of the barrier gap of the first section of the barrier zone to the height of the barrier gaps of the successive sections is preferably above 1.1 between adjacent stages of the screw. The gap heights are the values defined between the outer surface of the barrier coil of the screw and the inner surface of the extruder barrel.

Nieoczekiwanie okazało się, że takie skojarzenie cech konstrukcyjnych - elementów geometrycznych strefy barierowej ślimaka umożliwia prowadzenie procesu uplastyczniania przy zwiększonej do 15% wydajności wytłaczania i przy niskim stopniu degradacji tworzywa, a w efekcie utrzymaniu tej samej jakości wytworu.Surprisingly, it turned out that such a combination of constructional features - geometric elements of the screw's barrier zone enables the plasticization process to be carried out with an extrusion efficiency increased by up to 15% and with a low degree of material degradation, and consequently maintaining the same product quality.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym ślimak w widoku z boku.The subject matter of the invention is shown in the embodiment in the side view of the drawing showing the screw.

PL 209 296 B1PL 209 296 B1

Transportowane tworzywo w strefie 2 zasilania ślimaka 1 jest jednocześnie nagrzewane ciepłem doprowadzanym z grzejników umieszczonych na cylindrze 4 wytłaczarki oraz ciepłem wytworzonym dzięki tarciu zewnętrznemu i wewnętrznemu tworzywa. W trzystopniowej strefie 3 barierowej następuje stopniowe rozdzielanie uplastycznionego tworzywa od tworzywa w stanie stałym. Długości pierwszego i drugiego odcinka Ji i J- wynoszą 0,3 długości strefy 3 barierowej, a długość trzeciego odcinka J3 wynosi 0,4 długości strefy 3 barierowej. Temperatura uplastycznionego tworzywa polimerowego podczas przepływu przez szczelinę Si, nieznacznie przekracza temperaturę uplastycznienia lub topnienia tzn. tworzywo to charakteryzuje się wyższą lepkością niż w odcinku h, zachodzi tutaj intensywne rozpraszanie energii mechanicznej napędu ślimaka 1 powodujące generowanie ciepła w tworzywie. Natomiast w drugim i trzecim odcinku J₂ i J3 strefy 3 barierowej o szczelinach S2 i S3 gdzie przepływające tworzywo ma wyższą temperaturę następuje dalszy proces rozdzielania tworzywa uplastycznionego od nieuplastycznionego, które przepływa przez niższe szczeliny S2 i S3. Wysokość szczeliny Si barierowej w stosunku do wysokości szczeliny S2 barierowej wynosi 2,5 zaś wysokość szczeliny S2 do wysokości szczeliny S3 wynosi 2,0. Ślimak 1 zapewnia uzyskanie odpowiedniego rozkładu strumienia ciepła generowanego w tworzywie wzdłuż strefy 3 barierowej nie powodując miejscowych przegrzań, a tym samym degradacji tworzywa, które to przegrzania mają wpływ na pogarszanie jakości wytworu. Uplastycznione tworzywo z strefy 3 barierowej zostaje przemieszczone do niewidocznej na rysunku, zaopatrzonej w elementy mieszające strefy ujednoradniania, w której zachodzi proces wyrównywania temperatury tworzywa. Następnie uplastycznione i ujednorodnione tworzywo jest transportowane do głowicy formującej wytwór, np. rurę.The transported material in the feed zone 2 of the screw 1 is simultaneously heated by the heat supplied from heaters placed on the extruder cylinder 4 and by the heat generated by the external and internal friction of the material. In the three-stage 3-stage barrier zone, the plasticized material is gradually separated from the solid material. The lengths of the first and second sections Ji and J- are 0.3 of the length of the barrier zone 3, and the length of the third section J3 is 0.4 of the length of the barrier zone 3. The temperature of the plasticized polymer material during the flow through the Si gap slightly exceeds the plasticizing or melting point, i.e. the material is characterized by a higher viscosity than in the h segment, an intense dissipation of mechanical energy of the screw drive 1 takes place here, generating heat in the material. On the other hand, in the second and third sections J ₂ and J3 of the barrier zone 3 with gaps S2 and S3, where the flowing material has a higher temperature, a further process of separating the plasticized material from the non-plasticized material flowing through the lower gaps S2 and S3 takes place. The height of the barrier gap Si in relation to the height of the barrier gap S2 is 2.5 and the height of the gap S2 to the height of the gap S3 is 2.0. The screw 1 ensures that the appropriate distribution of the heat flux generated in the material along the barrier zone 3 is obtained, without causing local overheating and thus degradation of the material, which overheating affects the quality of the product. The plasticized material from the barrier zone 3 is moved to the homogenization zone, not visible in the drawing, provided with mixing elements, in which the process of equalizing the temperature of the material takes place. Then, the plasticized and homogenized material is transported to the head forming an article, e.g. a pipe.

Wynalazek przedstawiono jako przykładową możliwość realizacji, jednakże przedmiotowy wynalazek obejmuje również wszelkie konfiguracje mieszczące się w ramach zastrzeżenia patentowego.The invention is shown as an exemplary embodiment, however, the present invention also covers all configurations falling within the scope of the patent claim.

Claims

Screw extruder, in which the screw is placed in the direction of material flow into the following zones: feeding, barrier and unification, characterized in that the barrier zone (3) of the screw (1) forming the cylinder is divided in its length and consists of at least two segments (Ji and J2), preferably from (n) segments (Ji, J ₂ , .... J _n ), shaped in such a way that the ratio of the lengths of the individual segments (Ji and J ₂ , .... J _n ), the length of the barrier zone (3) is preferably comprised between 0.1 + 0.5, and the ratio of the height of the barrier gap (Si) of the first section (Ji) of the barrier zone (3) to the height of the barrier gap (S ₂ , Sn) successive sections (h, .... Jn) is preferably above i, i between adjacent stages of the screw (i) and satisfies the condition:

^(S i> ^S 2>>

where (Si, S2, Sn) are the heights of the gaps between the outer surface of the barrier roll of the screw (i) and the inner surface of the extruder barrel (4).