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