Новый метод улучшает смешивание полимеров при винтовой экструзии

В процессах экструзии пластмасс равномерное смешивание является ключевым фактором, определяющим качество продукции. Это становится особенно важным при использовании низкопроцентных цветных маточных смесей, где обратное смешивание – осевое противоточное смешивание материалов – играет важную роль. Этот процесс требует, чтобы частицы маточной смеси подверглись резкому уменьшению размера от миллиметра до микрометра внутри экструдера, что представляет собой необычайную проблему смешивания.

Экструзионное смешивание направлено на достижение однородного распределения компонентов, обеспечивая постоянство характеристик продукта, таких как цвет и механические свойства. При добавлении маточной смеси низкой концентрации начальное разделение частиц может превышать 100 мм. Чтобы добиться однородной окраски, окончательная толщина полосок должна достигать микрометрового масштаба — уменьшение на пять порядков, что требует исключительных возможностей смешивания.

Традиционный анализ фокусируется на перемешивании в поперечном сечении (внутри поперечного сечения винтового канала), определяемом скоростью сдвига Куэтта:

γ = πDN/H

Где D = диаметр ствола, N = скорость шнека, H = глубина канала. Типичные скорости сдвига (50–100 с⁻¹) в сочетании с 20-секундным временем пребывания дают 1000–2000 единиц общей деформации сдвига, что достаточно для уменьшения исчерченности на три порядка, но часто недостаточно для визуальной однородности.

Осевое смешивание (обратное смешивание), наоборот, представляет собой поток под действием давления вдоль оси экструдера. Понимание этого механизма жизненно важно для оптимизации конструкции винта.

Для степенных жидкостей (τ = m(γ')ⁿ) безразмерная скорость φ=v/vmax связана с безразмерной координатой ξ=2y/H следующим образом:

φ = 1 - |ξ|^((n+1)/n)

Ньютоновские жидкости (n=1) демонстрируют параболические профили скорости с нулевым сдвигом на центральной линии, что создает мертвые зоны смешивания. По мере уменьшения n (поведение при сдвиговом разжижении) профили приближаются к поршневому потоку, расширяя области с низким сдвигом и усложняя обратное смешивание.

RTD-анализ показывает, как меняется время пребывания материала внутри экструдера. Для степенного потока давления между параллельными пластинами:

v(y) = v_max * [1 - (2|y|/H)^((n+1)/n)]

Внешняя функция RTD f(t)dt выводится из распределения скоростей и показывает, что увеличение разжижения при сдвиге (меньшее n) сужает RTD, что снижает эффективность обратного смешивания. Одновинтовая модель RTD Пинто-Тадмора для ньютоновских жидкостей:

F(θ) = 1 – (1 – θ)²(1 + 0,35θ + 0,135θ²)

демонстрирует, как геометрия шнека еще больше ограничивает сценарии RTD по сравнению с параллельными пластинами, подчеркивая проблемы обратного смешивания.

Ключевые проблемы возникают из-за почти нулевого осевого сдвига в центрах винтовых каналов. К эффективным решениям относятся:

• Смешивание контактов/слотов:Нарушение структуры потока для перераспределения материала
• Внутренние смесители:Смещенные полеты активно переносят основной материал на периферию канала.
• Смесители CRD:Специализированные конструкции, обеспечивающие радиально-осевой обмен материала
• Уменьшение размера частиц:Меньший исходный материал уменьшает начальную толщину страй.
• Жидкие красители:Уменьшите первоначальную бороздку, но это может повлиять на смазку ствола.

Обратное смешивание остается наиболее сложной задачей смешивания при экструзии из-за низкого осевого сдвига, особенно в центрах каналов и при использовании материалов, утончающихся при сдвиге. Для достижения уменьшения полосатости на пять порядков требуются либо усовершенствованные смесительные устройства (например, смесители «наизнанку» или CRD), либо уменьшение первоначальной полосатости за счет модификации исходного сырья. Будущие инновации могут сочетать геометрическую оптимизацию с передовыми технологиями обработки материалов, чтобы преодолеть эти постоянные проблемы.