Экструзия полимеров



        Polymer Extrusion

Fourth Edition

Chris Rauwendaal

Wilh cin^rjs fmiTi
Pnul .1. Gramann. Bruct! A. E>;nib, aud
Tira A. Ossw-nk.

















HANSER
Hanser Publishers. Munich

Hanser Gardner Publications, Inc.. Cincinnati

Крис Раувендааль





                ЭКСТРУЗИЯ
                ПОЛИМЕРОВ




При участии ПДж. Граманна, Б. А. Дэвиса, Т.А. Оссвальда

Перевод с англ. лэ. 4-го издании под редакцией д-ра фиэ.-маг. наук, лроф. АЯ. Мялкина







Санкт-Петербург

2008

УДК 678.06 ББК 35.710Анг л Р27




     Раувендааль К.
Р 27 Экструзия полимеров / Пер. с англ, под ред. АЯ. Малкина — СПб.: Профессия, 2 0 08. — 768 стр., нл.

     ISBN 978-5-93913-102-5
     ISBN 3-446-2177 4-6 (CadHanser
     ISBN 1-56990-321-2 (Hanser Gardner Pubhea&'one)

         В первой части кннгн подробно рассмотрено экструзионное оборудование — все существующие типы экструдеров, формующих головок и вспомогательных систем; проанализированы основные проблемы, возникающие при его эксплуатации, и приведены пути их решения. Вторая часть книги посвящена анализу процесса экструзии, его научным основам и свойствам полимерных материалов. В заключительной части рассматривается конструкция шнеков и головок, описаны методы анализа и компьютерного моделирования, а также пути оптимизации переработки.
         Русский перевод 4-го издания книги, в котором обобщены результаты теории и практики экструзии за последние 15 лет, адресован инженерам, технологам и химикам, занимающимся переработкой полимерных материалов.

УДК 678.06
ББК 35.710Анг л

                                    Csd Капает l/eda£ Munidt/FRG.
    Authorized trirbdzCKUt ir<ant the «ddnd lar^ua^a edition published by Cad Наплет V^da£
IWuhich/FKC

    Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть Еоспронзнедана и какой бы то ин было форме без письменного разрешения владельцев акторскнк прав.







ISBN 978-5-93913-102-5                          © Carl Наткет Verlag, Munich, 2001
ISBN 3-446-21774-6 (Cad Hanser                  ® Смирнов M.A, перевод, гл. 1-4, 2005
I SEN 1-56990-321-2 (Hanser Gardner Pubb'cadcns) © Бронников С. В., перевод гл. 5, 6, 2 0 05 © Калюжная Л. М., перевод гл. 7, 2005 ©Дмитриев И.Ю., перевод гл. 8, 2005 © Эоолшоев З.Ф., перевод, гл. 9,10, 2005 © Бицкий А.Э., перевод, гл. И, 12, 2005 © Изд-во «Профессия», 2006

   Содержание
  Предаелювие к русскому изданию.......................................... 11
1. Введение............................................................... 13
  1.1. Общие сведения..................................................... 13
  1.2. Содержание книги................................................... 14
  1.3. Краткий обзор литературы........................................... 15
  1.4. История экструзии полимеров........................................ 17
  1.5. Литература......................................................... 19
Часть I. Экструзионное оборудование....................................... 21
2. Классификация экструдеров.............................................. 23
  2.1. Одношнековый экструдер............................................. 23
      2.1.1. Принцип действия шнекового экструдера........................ 25
      2.1.2. Экструдер с отводом газов.................................... 25
      2.1.3. Экструдеры для переработки реактопластов..................... 26
  2.2. Многошнековые экструдеры........................................... 30
      2.2.1. Деухшнековый экструдер....................................... 30
      2.2.2. Многошнековые экструдеры..................................... 31
      2.2.3. Экструдер с шестеренчатым насосом............................ 32
  2.3. Дне ков ье экструдеры.............................................. 33
      2.3.1. Экструдер тянущего действия.................................. 34
      2.3.2. Дисковый экструдер без подогрева............................. 33
      2.3.3. Заключение................................................... 39
  2.4. Плунжерные (поршневые) экструдеры.................................. 39
      2.4.1. Плунжерный экструдер периодического действия................. 40
      2.4.2. Много плунжерный экструдер................................... 43
  Приложение 2.1.......................................................... 44
  2.5. Литература......................................................... 45
3. Устройство экструдера.................................................. 49
  3.1. Привод экструдера.................................................. 49
      3.1.1. Электропривод переменного тока............................... 49
      3.1.2. Передача с двигателем постоянного тока....................... 52
      3.1.3. Гидравлические приводы....................................... 55
      3.1.4. Сравнение приводов различных типов........................... 57
      3.1.5. Редуктор..................................................... 59
      3.1.6. Характеристики при постоянной нагрузке....................... 59
  3.2. Узел, воспринимающий осевое давление шнека (подшипниковый узел).... 60
  3.3. Цилиндр и загрузочное отверстие.................................... 63
  3.4. Загрузочный бункер................................................. 66
  3.5. Шнек............................................................... 63
  3.6. Экструзионная головка.............................................. 70
      3.6.1. Фильтры и устройства для автоматической смены фильтров....... 70
  3.7. Системы нагрева и охлаждения....................................... 72
      3.7.1. Электронагревательные системы................................ 73
      3.7.2. Нагрев жидким теплоносителем................................. 74
      3.7.3. Охл1аждвние экструдера....................................... 75
      3.7.4. Охлаждение и нагрев шнека.................................... 77
  33. Литература.......................................................... 79

СОДЕРЖАНИЕ

4. Вспомогательное оборудование и средства контроля.......................... в О
  4.1. Требования к оборудованию........................................... в О
     4.1.1. Наиболее важные параметры...................................... 81
  4.2. Измерение давления.................................................. 51
     4.2.1. Важность давления расплава..................................... 51
     4.2.2. Рао личные типы датчиков дав-ГЕНия............................. 82
     4.2.3. Анализ конструкций датчиков.................................... 55
     4.2.4. Технические характеристики датчиков давления................... 86
      4.2.5. Сравнение датчиков различного типа...................................................... 58
  4.3. Измерение температуры............................................... 89
     4.3.1. Методы измерения температуры................................... 89
     4.3.2. Измерение температуры цилиндра экструдера...................... 92
     4.3.3. Измерение температуры расплава в цилиндре...................... 93
  4.4. Другие измерения.................................................... 97
     4.4.1. Измерение потребления электроэнергии........................... 97
     4.4.2. Частота вращения............................................... 99
     4.4.3. Толщина экструдата............................................ 100
     4.4.4. Качество поверхности экструдата............................... 103
  4.5. Контроль температурного режима......................................105
     4.5.1. Импульсный метод управления................................... 105
     4.5.2. Пропорциональнее управление................................... 106
     4.5.3. Контроллеры....................................................112
     4.5.4. Температурно -временные характеристики........................ 114
     4.5.5. Настройка параметров регулятора............................... 119
  4.6. Общее управление процессом..........................................125
     4.6.1. Истиннее полное управ-ГЕНие процессом экстр^ин................ 125
  4.7. Литература..........................................................127
Часть II. Лизина процесса экструзии........................................129
5. Фундаментальные законы................................................. 131
  5.1. Уравнения равновесия................................................131
     5.1.1. Закон сохранения массы........................................ 131
     5.1.2. Уравнение сохранения импульса..................................132
     5.1.3. Уравнение сохранения энергии.................................. 133
  5.2. Основы термо динамики...............................................134
     5.2.1. Высоко© ластичность............................................ 137
     5.2.2. Кристаллизация полимера при деформации........................ 139
  5.3. Тепло перенос.......................................................140
     5.3.1. Теплопроводность...............................................140
     5.3.2. Конвекция..................................................... 141
     5.3.3. Безразмерные критерии подобия..................................141
     5.3.4. Тепловыделение при течении вязкой жидкости..................... 147
     5.3.5. Лучистый нагрев............................................... 148
  5.4. Основы дегазации....................................................153
     5.4.1. Дегазация сыпучих полимеров................................... 156
     5.4.2. Дегазация расплава полимера.................................... 158
     Приложение 5.1....................................................... 161
     Литература........................................................... 163

СОДЕРЖАНИЕ

7

6. Важнейшие свойства полимеров............................................165
  6.1. Свойства сыпучих материалов.........................................165
     6.1.1. Объемная плотность............................................ 165
     6.1.2. Коэффициент трения............................................ 167
     6.1.3. Размер и форма частиц..........................................172
  6.2. Характеристики расплава.............................................173
     6.2.1. Основные определения...........................................173
     6.2.2. СтепенноЫй закон течения.......................................173
     6.2.3. Другие модели жидкости........................................ 132
     6.2.4. Влияние температуры и давления................................ 183
     6.2.5. Вязкоупругое поведение........................................ 188
     6.2.6. Намерение характеристик течения жидкости...................... 189
  6.3. Тепловые свойства...................................................200
     6.3.1. Теплопроводность...............................................200
     6.3.2. Удельный объем и морфология................................... 202
     6.3.3. Удельная теплоемкостьи теплота плав ления..................... 205
     6.3.4. Удельная энтальпия............................................ 206
     6.3.5. Температуропроводность........................................ 2 07
     6.3.6. Температура плавления..........................................210
     6.3.7. Индукционный период............................................210
     6.3.8. Определение тепловых свойств полимеров........................ 211
  6.4. Заключение..........................................................213
  Литература...............................................................214
7. Анализ основных процессов...............................................217
  7.1. Геометрия шнека.....................................................217
  7.2. Движение твердого материала.........................................220
     7.2.1. Движение твердого материала под действием силы тяжести........ 220
     7.2.2. Движение твердого материала под действием сил трения.......... 228
  7.3. Пластикация.........................................................261
     7.3.1. Теоретическая модель плавления непрерывного слоя твердой фазы.262
     7.3.2. Другие модели плавления....................................... 281
     7.3.3. Расход энергии в зоне плавления................................285
     7.3.4. Компьютерное моделирование процесса плавления................. 286
     7.3.5. Плавление диспергированной твердой фазы....................... 287
  7.4. Течение расплава....................................................295
     7.4.1. Ньютоновские жидкости......................................... 297
     7.4.2. Неньютоновские жидкости ^степенного* типа..................... 309
     7.4.3. Неиэотермический анализ....................................... 320
  7.5. Формование через фильеру............................................353
     7.5.1. Профили скоростей и температур................................ 354
     7.5.2. Разбухание экструдата..........................................362
     7.5.3. Неустойчивостытрн течении через фильеру....................... 364
  7.6. Дегазация...........................................................368
  7.7. Смешение............................................................372
     7.7.1. Смешение в шнековых экструдерах............................... 373
     7.7.2. Статические смешивающие устройства............................ 387
     7.7.3. Дисперсно инее смешение....................................... 396
     7.7.4. Обратное смешение............................................. 408

СОДЕРЖАНИЕ

      Приложение 7.1...................................................... 414
      Приложение 7.2...................................................... 416
  Литература..............................................................416
Часть III. Пракпгческне приложения........................................4 25
3. Конструкция шнека......................................................4 27
  8.1. Механика шнеков....................................................428
      8.1.1. Прочность на кручение........................................428
      8.1.2. Прочность лопастей нарезки шнека............................. 429
      8.1.3. Поперечный прогиб шнека..................................... 431
  8.2. Оптимизация процесса по производительности.........................435
      8.2.1. Оптимизация транспортировки расплава........................ 435
      8.2.2. Оптимизация по пластицирукзщей способности.................. 444
      8.2.3. Оптимизация транспортировки твердой фазы полимера............ 449
  8.3. Оптимизация по затратам энергии....................................451
      8.3.1. Оптимизация по величине угла наклона нарезки................ 452
      8.3.2. Влияние радиального зазора...................................454
      8.3.3. Влияние ширннывитка..........................................455
  8.4. Шнеки с одасоаходной нарезкой......................................458
      8.4.1. Типовой шнек.................................................458
      8.4.2. Разновидности типовых экструзионных шнеков.................. 459
  8.5. Дегазирующие экструзионные шнеки...................................462
      8.5.1. Особенности работы экструдеров............................... 462
      8.5.2. Различные конструкции экструдеров с вентиляционными отверстиями. . . 466
      8.5.3. Конструктивное исполнение вентиляционного отверстия.......... 472
  8.6. Шнеки с многсоаходной нарезкой.....................................474
      8.6.1. Типовой шнек с многозаходаой нарезкой....................... 474
      8.6.2. Барьерные шнеки............................................. 475
  8.7. Смесительные шнеки.................................................488
      8.7.1. Дисперсионные смесительные элементы......................... 489
      8.7.2. Конструктивные Эшменты дистрибутивного смешения............. 518
  8.8. Масштабирование экструдеров........................................522
      8.8.1. Коэффициенты масштабирования................................ 522
      8.8.2. Масштабирование по теплопереносу............................ 525
      8.8.3. Масштабирование по смешению..................................526
      8.8.4. Сравнение различных методов масштабирования................. 527
  8.9. Ремонт изношенных шнеков и цилиндров...............................529
      8.9.1. Применение материалов, упрочняющих поверхность.............. 531
      8.9.2. Ремонт цилиндров экструдеров................................ 533
  Литература..............................................................533
9. Конструкция экструзионной головки......................................5 37
  9.1. Основы теории......................................................538
      9.1.1. Уравнивание потоков в фильере путем регулировки длины канала.539
      9.1.2. Уравнивание потоков в фильере путем изменения высоты канала.. 542
      9.1.3. Другие методы уравнивания потоков в головке................. 545
  9.2. Головки для экструзии пленок и листов..............................546
      9.2.1. Регулировка течения в головках для экструзии пленок н листов.5 47
      9.2.2. -41 Подковообразная + экструзионная головка................. 549
  9.3. Головки для экструзии трубок и труб................................550

СОДЕРЖАНИЕ

5

     9.3.1. Конструирование инструментов для экструзии труб.............. 553
  9.4. Головки для получения пленок экструзией с раздувом.................5 59
     9.4Л.  Геометрия спирального дэрна.................................. 560
     9.4.2. Влияние геометрии фильеры на распределение потока............ 561
     9.4.3. Выводы....................................................... 564
  9.5. Головки для экструзии профилей.....................................564
  9.6. Соэкструзня........................................................565
     9.6.1. Искажение поверхности раздела слоев.......................... 569
  9.7. Калибраторы........................................................570
  Литература..............................................................572
10. Двухшнековые экструдеры.............................................. 574
  10.1. Введение..........................................................574
  10.2. Сравнение двухш нековых и одношнековык экструдеров................576
  10.3. Экструдеры с зацепляющимися однонаправленно вращающимися шнеками . . 579
      10.3.1. Экструдеры со шнеками с нарезкой с плотным зацеплением витков . . . . 579
      10.3.2. Самоочищающиеся экструдеры................................. 590
  10.4. Экструдеры с зацепляющимися шнеками, вращающимися в противоположных направлениях............................................................594
  10.5. Экструдеры с двумя незацепляющимися шнеками.......................601
  10.6. Экструдеры с двумя коаксиальными шнеками..........................611
  10.7. Дегазация в двухшнековых экструдерах..............................613
  10.9. Промышленно выпускдЕМЬЕ двухшнековые экструдеры...................617
      10.9.1. Вопросы конструирования шнека для экструдеров с однонаправленно вращающимися шнеками................................................620
      10.9.2. Масштабирование двухшнековых экструдеров с однонаправ/Енно вращающимися шнеками ................................................. 623
  10.9. Обзор двухшнековых экструдеров....................................625
  Литература..............................................................627
11. Проблемы, возникающие при эксплуатации экструдеров................... 629
  11.1. Эффективный поиск неисправностей..................................629
      11.1.1. Приборное обеспечение...................................... 630
      11.1.2. Понимание процесса экструзии............................... 630
      11.1.3. Сбор и анализ данных проведения процесса (временная диаграмма) ... 630
      11.1.4. Формирование команды....................................... 631
      11.1.5. Состояние оборудования......................................631
      11.1.6. Информация о сырье..........................................632
  11.2. Средства для поиска неисправностей................................633
      11.2.1. Средства измерения температуры............................. 634
      11.2.2. Системы сбора данных....................................... 634
      11.2.3. Оптическая микроскопия......................................637
      11.2.4. Термо хромные материалы.....................................639
      11.2.5. Термический анализ..........................................639
      11.2.6. Различные средства......................................... 639
  11.3. Систематический поиск неисправностей..............................640
      11.3.1. Сбоин проб/Емы разработки процесса......................... 640
      11.3.2. ПробдЕмы, связанньЕ с оборудованием........................ 640
      11.3.3. Деструкция полимера........................................ 663
      11.3.4. Нестабильность процесса экструзии.......................... 679

fO

СОДЕРЖАНИЕ

      11.3.5. Захват воздуха............................................. 690
      11.3.6. Проблемы гелеобразования................................... 691
      11.3.7. Проблемы течения в головке................................. 695
  Литература..............................................................701
12. Моделирование экструзионных процессов.................................705
  12.1. Введение..........................................................705
  12.2. Общие сведения....................................................707
      12.2.1. Аналитические методы........................................7 07
      12.2.2. Численные методы............................................703
      12.2.3. Методы построения сеток для задач с движущимися границами...711
      12.2.4. Реология....................................................713
  12.3. Моделирование трехмерных потоков двухмерными моделями.............714
      12.3.1. Моделирование течения в периодических смесителях при помощи двухмерных моделей ....................................................715
      12.3.2. Моделирование потоков в экструдере с помощью двухмерных моделей. . 719
      12.3.3. Моделирование течения в экструзионной головке с помощью двухмер -ных моделей........................................................723
  12.4. Трехмерное моделирование..........................................726
      12.4.1. Моделирования течения в смесителе Бэнбери с использованием трехмерных моделей........................................................727
      12.4.2. Течения в экструзионной головке с помощью трехмерных моделей .... 728
      12.4.3. Моделирование течения при экструзии прн помощи трехмерных моделей 733
      12.4.4. Статические смесители.......................................747
  12.5. Выводы............................................................750
  Литература..............................................................751

   Предисловие к русскому изданию

   Индустрия переработки полимерных материалов зиждется на двух почти равновеликих «китах* многотоннажных производств — литье под давлением и экструзии. Если литьем под давлением производится огромное многообразие объемных изделий, то экструзия дает возможность формовать погонажные профильные изделия, прежде всего пленки ео всем их многообразии и длинномерные профили, включая трубы и профильные уплотнения. Соответственно, издательство «Профессия* выпускает переводы двух фундаментальных монографий: «ТТетьелдасгма^поддаатеиием* (редакторы Т. Оссвальд Л.-Ш. Тунг н П. Грэманн) н настоящую книгу — «Экогружтл лоитииеров* (автор К. Рдутзяндадль)
   Это издание предназначено для специалистов, которых нет необходимости убеждать в важности и актуальности рассматриваемой проблемы. Но все же нелишне напомнить, что в России в настоящее время экструзией перерабатывается порядка 210 тьг т пленок и порядка S5 тыс. т листов и труб из термопластов. Вполне активно развиваются такие специфические экстр^ионные производства, как выпуск к^ельной изоляции, деталей конструкций оконных рам и иных строительных конструкций и т. д Хотелось бы верить, что это лишь начальная стадия широкого распространения продукции экструзионных процессов в нашей стране, поскольку по объему производства Россия намного отстает от большинства европейских стран, не говоря уже об Америке и ряде азиатских стран. Поэтому правильнее понимание существа и как следствия этого оптимизация технологического процесса это, прежде всего, вопрос экономической эффективности производства. Каки в любом сложившемся крупнотоннажном производстве, это борьба за экономию десятка рублей на каждом килограмме продукции, что в итоге дает прибыль в десятки тысяч долларов.
   Предлагаемая вниманию русскоязычного читателя книга довольно разнородна и ряд глав напнеан различными авторами (что может быть и неплохо). С одной стороны, она содержит очень глубокую теорию экструзии со всеми нюансами и современными расчетными подходами. С другой стороны, в ней имеются разделы, содержащие конкретные технологические рекомендации (из серии ответов на вопросы «Что делать, если...?*), доступные технику-практику. Не лишним выглядит и критический разбор современной техники, выпускаемой ведущими фирмами-производителями оборудования. В этой части неизбежно влияние личного мнения автора, так как он является одним из крупнейших специалистов в области экст-р ин.
   Обращаем особое внимание на теоретические подходы при разработке и конструировании экструзионного оборудования и выборе технологических режимов. Слишком дорогими становятся сегодня высокопроизводительные экструзионные лнннн, чтобы можно было полагаться только на интуицию и опыт инженера Лучше потратить несколько тысяч долларов на расчет при выборе оптимальной конструкции, нежели затрачивать десятки, если не сотни тысяч намногочисленньв переделки.
   Интерес к теории экструзии возник еще в далекие 50 -е годы прошлого века. Тогда это были не более чем полуколичественные разумные соображения. Но они заложили фундамент современной строгой количественной теории, которая может принимать во внимание десятки различных факторов, оперировать огромным массивом вычислений и давать четкие количественные предсказания. Конечно, это стало возможным благодаря созданию совершенной экспериментальной техники для определения комплекса свойств перерабатываемых материалов, развитию способов описания поведения материала, которые не боятся любой сложности, памятуя, что мощность вычислительной техники уже сегодня достаточна, чтобы не спасовать перед любыми проблемами. М ожно только согласиться с автором м^н^грдфии, что эти затраты безусловно окупаются путем оптимизации конструкции оборудования и техно

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

логического режима. Надо заметить, что сегодня на рынке имеются программные продукты, позволяющие идти этим путем. Естественно, для этого требуется определенная квалификация и первоначальные затраты.
    Когда издательство выпускает новую книгу, всегда необходимо ответить на сакраментальный вопрос — кто будет ее предполагаемым читателем. Наиболее очевидный ответ — все, кого интересует экструзия. Но этот ответ следует конкретизировать. Скорее всего, книга должна быть интересна н полезна тем, кого интересует обсуждение процесса экструзии в целом: это преподаватели в области переработки полимеров и студанты-старшекурсники, специализирующиеся в этой области. Отдельные разделы книги, безусловно, полезны и интересны переработчикам-практикам, поскольку они могут найти ответы при решении конкретных проблем, возникающих в реальной жизни. Пожалуй, наиболее полезна книга должна быть проектировщикам оборудования как собственно экструзионных машин, таки формующих головок. Наконец, сравнительный анализ различного оборудования будет полезен лицам, принимающим решение при организации производства и закупке того или иного оборудования.
    Предлагаемая вашему вниманию монография К. Ряуяендаэля — это хорошая книга и ее стоит иметь в своей научно-технической библиотеке.

                                        Научный редактор перевода доктор физ.-мат. наук, прсфесор А. Я. Малкин
Moocsa, ноябрь 20 05 г.

        1. Введение




   1.1. Общие сведения

   Не вызывает сомнений то, что экструдеры составляют наиболее важную часть оборудования по переработке полимерных материалов. Термин «экструдировать* означает «выдавливать*. Материал экструдируется, когда его продавливают через выходнсе отверстие. Например, когда зубную пасту выдавливают из тюбика, она подвергается экструзии. Часть экструзионной машины, содержащая формующий инструмент (фнльеру}, через который материал продавливают, называется экструзионной головкой. При прохождении через фильеру материалу придается определенная форма, которая может несколько изменяться после выхода материала из головки. Продукт экструзии называют «экструдатом*.
   Экструзией перерабатывают широкий спектр различных материалов: металлы, керамику, пищевые продукты. Например, в пищевой промышленности экструдеры часто используют для получения макаронных н колбасных нзделнй, а также круп н многих других продуктов. В данной книге, однако, круг материалов ограничен рассмотрением полимеров или пластмасс.
   Полимеры могут быть разделены на три основные группы: термопластичные (термопласты}, термореакгивные (реактопласты} н эластомерные (эластомеры}. Термопластические полимеры размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении. Если изделие (экструдат} из термопласта не удовлетворяет техническим требованиям, оно может бытыюдверг-нуто измельчению и повторной переработке. Таким образом, химическая природа полимера обычноне претерпевает существенных изменений в процессе экструзии. В реактопластах при перегреве выше определенной температуры протекают процессы «сшивания*. Образующиеся при этом химические связи соединяют макромолекулы с образованием трехмерной сетки, которая сохраняется при понижении температуры и вызывает необратимые изменения в материале. Таким образом, термо реактивные материалы не могут быть переработаны повторно подобно термопластам. Эластомеры или каучуки — это материалы, способные кочень большим деформациям, то есть они обладают ярко выраженными упругими свойствами. Это означает, что при снятии механического Бездействия материал полностью или почти полностью восстанавливает сбою форму. В данной книге в основном будут рассмотрены термопласты и реактопласты, а эластомеры будут затронуты лишь в малой степени.

ЭКСГРУЗИ ПОЛИМЕРОВ

    Материалы могут экструдироваться в расплавленном нлн в твердом состоянии. Полимеры обычно экструдируют в расплавленном состоянии, хотя в некоторых случаях нспользует-ся твердофазная экструзия. Если полимер подают в экструдер в твердом состоянии, а материал плавится при продвижении шнеком экструдера от загрузочного отверстия к головке, то процесс называется «пластнцнругащей экструзией*. В этом случае экструдер выполняет дополнительное действие, а именно плавление, в дополнение к собственно экстру дарованию. Иногда в экструдер загружают расплавленный полимер. Такой процесс называют «экструзи-ей с загрузкой расплава*. В этом случае экструдер выступает исключительно как «насос *, развивая давление, необходимее для продавливания расплава полимера через фильеру.
    Существуют два основных типа экструдеров — непрерывного н периодического действия. Экструдер непрерывного действия способен обеспечить равномерную и непрерывную подачу материала; экструдер периодического действия выдает порции материала в циклическом режиме. В экструдерах непрерывного действия для перемещения материала применяют вращающееся устройство. В экструдере периодического действия для перемещения материала используют устройства, совершающие возвратно-поступательное движение.



   1.2. Содержание книги

   В данной книге в основном описывается пластицирующая экструзия в непрерывном режиме. В главах 2, Зи 4описывается экструзионное оборудование. В главе 5кратко рассматриваются фундаментальные принципы, которые будут далее использованы при анализе процессов экструзии. В главе 6 описаны важньв для экструзии свойства полимерных материалов. Это очень важная глава, поскольку процесс экструзии невозможно понять, если не знать специфических характеристик материла, подлежащего экструзии. Здесь недостаточно понимания только конструкции и принципа работы экструзионного оборудования. Реологические и термические свойства полимера в высокой степени определяют характеристики процесса экструзии. Разработчик оборудования для конкретного процесса должен быть специалистом не только в механике или химии, но и в области реологии. Поскольку большинство инженеров имеют недостаточную практику в области практической реологии полимеров, важной для анализа процессов экструзии, этот вопрос рассмотрен в главе 6.
   В главе 7рассмотрен анализ процесса экструзии с современных позиций и достижений. Технологический процесс проанализирован в каждой конкретной зоне с акцентом на развитие количественного понимания механизмов, протекающих в каждой зоне.
   Теория, рассмотренная в главе 7, применена в главе Й для разработки шнеков экструдера, а также в главе Р в разработке экструзионной фильеры. Глава 10 посвящена двухшнековым экструдерам, которые к настоящему времени становятся все более важной областью экструзионной промышленности, и никакая книга по экструзии не мозкет игнорировать машины этого типа. В главе J 1 описываются возможные неисправности экструдеров и методы их выявления. Это, вероятно, наиболее важная операция, осуществляемая при эксплуатации экструдеров. Поломки экструдера, вызывающие простой или выработку некондиционного продукта, могут обойтись очень дорого даже за короткий период времени (несколько дней н даже часов), поскольку могут превзойти затраты на покупку нового оборудования. Поэтому очень важно, чтобы оператор смог быстро н точно найти неисправность. Это требует понимания принципов и основных механизмов работы экструдера. Таким образом, глава, посвященная поиску неисправностей, является практическим приложением анализа процессов функционирования оборудования, описанным в главе 7

1. ВВЕДЕНИЕ

f5

   Последняя глава книги — глава 12 — описывающая принципы анализа и моделирования, в том числе компьютерного, является абсолютно новой. Эта глава была написана Полом Грэмманом, Брюсом Дэвисом и Тимом Оссвальдом, которые внесли весомый вклад в развитие этой теоретической области переработки полимеров. Автоматизированное конструирование ( Computer Engineering, САЕ} — неотъемлемая составная часть науки об экструзии, и данная книга была бы не полной баз рассмотрения этой важной области.
   Таким образом, книга состоит ив четырех основных частей. Первая часть рассматривает оборудование и принцип работы экструдера — глат^т 2, 3 и 4. Во второй части описывается анализ процесса экструзии: главы 5, би 7 В третьей части приводится описание практических применений теории экструзии: главы й, Р, 1 Он 1 ?. В четвертой части описаны компьютерное моделирование и анализ. Части I, II и IV могут изучаться независимо, а часть III может оказаться не вполне доступной читателю, пропустившему часть 11.


   1.3.  Краткий обзор литературы

   У читывал, что к настоящ ему моменту написано множество книг по экструзии по лимеров, возникает обоснованный вопрос: зачем нужна еще одна? Среди книг по экструзии наиболее полными можно считатьнаписанньЕ вначале 1930-х годов книги Бернхардта [1], Шенкеля [2] и Тадмора [5]. Первая книга посвящена переработке полимеров в целом, но содержит также главу по экструзии, которая хорошо написана и раскрывает применение теории экструзии к практическому проектированию шнеков и фильер. Однако, поскольку с момента издания книги прошло довольно много времени, в ней не были описанытеория пластикации, разработанная позже Тадмором [5], а также теория удаления летучих веществ.
   Книга Шенкеля [2] — это перевод книги ^Kunststo// Extruder-Technik# [3], которая, в свою очередь, является расширенным и дополненным вариантом книги «ScJmecJcenprsssen Аггг KunststoZfe* [4]. Издание содержит обширный материал по течению полимерных расплавов, теории экструзии и конструкции экструзионных агрегатов. Особенно подробно рассматриваются конструкции экструдеров. Поскольку книга были выпущена довольно давно — вначале 1960-х годов, в ней не описаны современные представления о теории экструзии, а также не представлено экструзионное оборудование, разработанное за последние 40 лет. Книгу [5] можно считать наиболее полным учебником по теории экструзии, в ней практически полностью и очень подробно проведан анализ данного технологического процесса. Однако очень малю внимания удалено оборудованию и практическим выводам по конструкции шнеков и филпэер. Кроме того, для понимания этой книги читателто потребуется солидная математическая подготовка. Таким образом, книга оказывается наиболее подходящей для лводей, подробно изучающих теорию экструзии и проводящих компьютерное моделирование и анализ этого процесса, и она будет практически бесполезной тем, кому необходимо спроектировать экструдер или решить иную практическую задачу, связанную с переработкой полимерного материале.
   Книга Хансена с соавторами [ 44], как более позднее издание, пре дставлтяет собой подроб -ное излюжение некоторых направлений экструзии: производство компаундов, экструзии труб, различных профилей и т. п., а также описание оборудования, контролирующего работу экструдера. Фактически эта книга представляет собойпереводнаанглийский язык немецкого двухтомника « KunstetoZAExtruaionstedinik I und 11 * [4 5, 5 6]. В томе I приведено рассмотре -ние основных положений термодинамики, реслогии, анализа потоков жидкостей, а также конструкций одно - и даухшнековых экструдеров, устройства гсловок, нагревателей, систем охлтаждения и т. п. В томе II рассмотрены различные варианты экструзионных линий.

ЭКСГРУЗ И ПОЛИМЕРОВ

   Также в литературе по экструзии выделяется книга Уайта [47], посвященная двухшнеко-вым экструдерам. В этой книге прекрасно освящена как история развития двухшнековых экструдеров, таки некоторые недавние экспериментальные работы в этой области. В книге также рассмотрены все варианты двухшнековой экструзии: одно- и противовращающиеся, скрещенные и параллельные.
   Другой важной и развивающейся областью экструзии является экструзия химически активных полимеров, которая описана в книге Ксантоса [43]; здесь рассмотрены основные принципы организации экструзии химически активных полимеров.
   Статистический контроль процесса экструзии рассмотрен в книге Рауведааля [49], которая была переиздана с включением рассмотрения литья под давлением в 20 00 году [ 56]. Смешение в процессе экструзии описано в другой книге этого автора [50], где рассмотрены основные аспекты смешения в различных экструзионных агрегатах: одно- и двухшнековых экструдерах, экструдерах с возвратно-поступательным движением шнека, различных мешалках и дисковых экструдерах. Книга под редакцией Манас-Зло цовер н Тадмора [51] также посвящена смешению и состоит из четырех частей: механизм и теория смешения, мо делирование и визуализация потоков, рассмотрение различных материалов и практическое осуществление смешения. Более современная книга по практике смешения в переработке полимеров принадлежит Раувендаалю [54]. Б ней описаны основные теоретические аспекты проблемы и подробно рассмотрено оборудование для смешения. Книга написана в видв пособия -самоучителя и содержит список контрольных вопросов в конце каждой главы
   Для того чтобы избежать простого повторения ужд ипугзнныу книг т-пл. ак^трупни основное внимание в данной книге уделено современным тенденциям в равви тин экструзионной промышленности. Теория экструзии будвт рассмотрена со всеми возможными подробностями, однако математические выкладки будут максимально упрощены. Это сделано для того, чтобы облегчить применение теоретических выкладок на практике и сделать книгу доступной для возможно большего круга читателей. Особенное внимание будет уделено практическому применению теории экструзии к конструированию шнеков и фнльер, а также к решению других практических задач. Практическое применение теории очень важно для инженеров в области переработки полимерных материалов.
   Существует также множество различных книг по экструзии [ 6 - 22, 52], в которых прнве -дено детальнее рассмотрение отдельных разделов экструзионной технологии (например, проектирование шнека, двухшнековые экструдврыи т. п.), или дается только вводная информация. Таким образом, весьма актуальна книга, посвященная подробному рассмотрению процесса экструзии с описанием последних достижений в области теории и машиностроения. Существует несколько книг, описывающих экструзию в более или менее полном объеме [7, 24-36], в которых приведены хорошие обзоры из области переработки полимеров, а некоторые в основном описывают общие принципы, используемые в анализе экструзионных процессов [24-33], в конструировании оборудования [34] или описании машин и продуктов [35, 36]. Поскольку область экструзии необычайно широка, общие книги не могут раскрыть всех тех деталей, которые содержатся в специальной литературе.
   Недавно была издана новая книга Раувендааля «LTnder^iajKi'n^Extrua'on# («Понимание экструзии#) [55], которая является очень упрощенным и сокращенным вариантом данного издания. Из основного текста исключены все математические выкладки. Хотя уровень математики книги, которую вы держите в руках, соответствует уровню подготовки бакалавра технических наук, он все-такн довольно высок для людей, специально не занимающихся теорией.
   Наиболее свежей книгой по экструзии является книга Чуна «Extmsj'cn с/ Polymere# («Экструзия полимеров#) [57]. В целом книга содержит тот же материал, что и наше издание,