Grundprinzipien der Doppelschneckenextrusion von Kunststoffen

01. Mechanische Prinzipien

Der Grundmechanismus der Extrusion ist einfach: Eine Schnecke dreht sich in einem Zylinder und drückt den Kunststoff nach vorne.Bei der Schraube handelt es sich eigentlich um eine Schräge oder Rampe, die sich um die Mittelschicht windet.Sein Zweck besteht darin, den Druck zu erhöhen, um größeren Widerstand zu überwinden.Was einen Extruder betrifft, müssen drei Arten von Widerständen überwunden werden:

Die Reibung fester Partikel (Futter) an der Zylinderwand und die gegenseitige Reibung zwischen ihnen während der ersten paar Umdrehungen der Schnecke (Förderzone);

Haftung der Schmelze an der Zylinderwand;

Der innere Strömungswiderstand der Schmelze beim Vorwärtsschieben.

Newton erklärte, dass, wenn sich ein Objekt nicht in eine bestimmte Richtung bewegt, die auf das Objekt einwirkenden Kräfte in dieser Richtung ausgeglichen sind.Die Schraube bewegt sich nicht axial, kann sich jedoch in der Nähe des Umfangs schnell seitlich drehen.Dadurch wird die axiale Kraft auf die Schnecke ausgeglichen, und wenn sie einen starken Vorwärtsschub auf die Kunststoffschmelze ausübt, übt sie gleichzeitig auch einen gleichen Rückwärtsschub auf etwas aus.Dabei wirkt der Schub auf das Lager hinter dem Einlauf – das Drucklager.

Die meisten Einzelschrauben haben ein Rechtsgewinde, wie die Schrauben und Bolzen, die in der Holzbearbeitung und im Maschinenbau verwendet werden.Von hinten betrachtet drehen sie sich in entgegengesetzte Richtungen, während sie versuchen, den Lauf so weit wie möglich nach hinten abzuschrauben.Bei einigen Doppelschneckenextrudern drehen sich die beiden Schnecken gegenläufig und kreuzen sich in den beiden Zylindern, sodass eine rechtsdrehend und die andere linksdrehend sein muss.Bei anderen ineinandergreifenden Doppelschnecken drehen sich die beiden Schnecken in die gleiche Richtung und müssen daher die gleiche Ausrichtung haben.In beiden Fällen gibt es jedoch Drucklager, die die nach hinten gerichtete Kraft absorbieren, und die Newtonschen Prinzipien gelten weiterhin.

02. Thermisches Prinzip

Extrudierbare Kunststoffe sind Thermoplaste – sie schmelzen beim Erhitzen und erstarren beim Abkühlen wieder.Woher kommt die Hitze, die Plastik zum Schmelzen bringt?

Vorwärmung der Zufuhr und Zylinder-/Formheizungen können eine Rolle spielen und sind beim Start sehr wichtig. Am wichtigsten ist jedoch die Eingangsenergie des Motors – Reibungswärme, die im Zylinder erzeugt wird, wenn der Motor den Widerstand der viskosen Schmelze überwindet, um die Schnecke zu drehen wichtige Wärmequelle für alle Kunststoffe,

Ausnahmen sind kleine Systeme, langsame Schneckengeschwindigkeiten, Kunststoffe mit hoher Schmelztemperatur und Extrusionsbeschichtungsanwendungen.

Wie bei allen anderen Vorgängen ist es wichtig, sich darüber im Klaren zu sein, dass die Fassheizung nicht die primäre Wärmequelle im Vorgang ist und daher weniger zur Extrusion beiträgt, als wir erwarten könnten (siehe Prinzip 11).Die Temperatur im hinteren Zylinder kann dennoch wichtig sein, da sie sich auf die Maschenweite oder die Geschwindigkeit auswirkt, mit der Feststoffe in der Zufuhr gefördert werden.Die Düsen- und Düsentemperaturen sollten im Allgemeinen bei oder nahe der gewünschten Schmelztemperatur liegen, es sei denn, sie werden für einen bestimmten Zweck wie Verglasung, Flüssigkeitsverteilung oder Druckkontrolle verwendet.

03. Verzögerungsprinzip

Bei den meisten Extrudern werden Änderungen der Schneckengeschwindigkeit durch Anpassen der Motorgeschwindigkeit erreicht.Normalerweise dreht der Motor mit voller Drehzahl um die 1750 U/min, aber das ist zu schnell für eine Extruderschnecke.Bei einer derart schnellen Drehung entsteht zu viel Reibungswärme und die Verweilzeit des Kunststoffs ist zu kurz, um eine gleichmäßige, gut gerührte Schmelze zu erzeugen.Typische Untersetzungsverhältnisse liegen zwischen 10:1 und 20:1.In der ersten Stufe können entweder Zahnräder oder Riemenscheibenblöcke verwendet werden, in der zweiten Stufe werden jedoch beide Zahnräder verwendet und die Schraube befindet sich in der Mitte des letzten großen Zahnrads.

Bei einigen langsam laufenden Maschinen (z. B. Doppelschneckenmaschinen für UPVC) kann es drei Verzögerungsstufen geben und die Höchstgeschwindigkeit kann nur 30 U/min oder weniger betragen (Verhältnis bis zu 60:1).Im anderen Extremfall können einige sehr lange Doppelschnecken zum Rühren mit 600 U/min oder schneller laufen und erfordern daher eine sehr niedrige Verzögerungsrate und viel Tiefenkühlung.

Manchmal ist die Verzögerungsrate nicht auf die Aufgabe abgestimmt – es wird zu viel Energie verbraucht – und es ist möglich, zwischen dem Motor und der ersten Verzögerungsphase einen Flaschenzug einzubauen, der die Höchstgeschwindigkeit ändert.Dadurch wird entweder die Schneckengeschwindigkeit über den vorherigen Grenzwert hinaus erhöht oder die maximale Geschwindigkeit verringert, sodass das System mit einem größeren Prozentsatz der maximalen Geschwindigkeit laufen kann.Dadurch wird die verfügbare Energie erhöht, die Stromstärke verringert und Motorprobleme vermieden.In beiden Fällen kann es je nach Material und Kühlbedarf zu einer Leistungssteigerung kommen.

04. Das Futter fungiert als Kühlmittel

Beim Extrudieren wird die Kraft eines Motors – und manchmal auch einer Heizung – auf kalten Kunststoff übertragen und so von einem Feststoff in eine Schmelze umgewandelt.Die zugeführte Zufuhr ist kühler als die Zylinder- und Schneckenoberflächen in der Zufuhrzone.Allerdings liegt die Zylinderoberfläche in der Einzugszone fast immer über dem Schmelzbereich des Kunststoffs.Durch den Kontakt mit den Futterpartikeln wird es gekühlt, die Wärme bleibt jedoch durch Wärmeübertragung von der heißen Vorderseite zur Rückseite und kontrollierte Erwärmung erhalten.Selbst wenn die vordere Hitze durch viskose Reibung gehalten wird und die Wärmezufuhr des Laufs nicht erforderlich ist, kann es notwendig sein, die Nachheizung einzuschalten.Die wichtigste Ausnahme ist das geschlitzte Futterrohr, fast ausschließlich für HDPE.

Die Schneckenwurzeloberfläche wird außerdem durch das Futter gekühlt und durch die Kunststofffutterpellets (und die Luft zwischen den Pellets) von den Zylinderwänden isoliert.Wenn die Schnecke plötzlich stoppt, stoppt auch der Vorschub, und die Oberfläche der Schnecke wird in der Einzugszone heißer, da die Wärme vom heißeren vorderen Ende nach hinten wandert.Dadurch kann es zu Verklebungen oder Brückenbildung der Partikel an der Wurzel kommen.

05.Haftet in der Einzugszone am Zylinder und gleitet auf die Schnecke

Um die Feststoffzufuhr in der Einzugszone eines Extruders mit glattem Zylinder zu maximieren, sollten die Partikel am Zylinder haften und auf die Schnecke gleiten.

Wenn Partikel an der Wurzel der Schraube haften bleiben, gibt es nichts, was sie nach unten ziehen könnte;Kanalvolumen und Feststoffaufnahme werden reduziert.

Ein weiterer Grund für eine schlechte Haftung an den Wurzeln besteht darin, dass sich der Kunststoff erhitzen und Gele und ähnliche Schmutzpartikel bilden kann, oder er kann zeitweise haften und bei Änderungen der Ausgabegeschwindigkeit abbrechen.

Die meisten Kunststoffe gleiten auf natürliche Weise an den Wurzeln, da sie beim Eintreten kalt sind und die Wurzeln durch die Reibung noch nicht so stark erhitzt wurden wie die Fasswände.Einige Materialien haften eher als andere: stark weichgemachtes PVC, amorphes PET und bestimmte Polyolefin-Copolymere, deren Klebeeigenschaften für den Endgebrauch erwünscht sind.

Für den Lauf ist es notwendig, dass der Kunststoff hier festsitzt, damit er durch den Schneckengang abgestreift und nach vorne geschoben wird.Zwischen den Pellets und dem Lauf sollte ein hoher Reibungskoeffizient herrschen, der wiederum stark von der Temperatur des hinteren Laufs beeinflusst wird.Wenn die Partikel nicht haften bleiben, drehen sie sich einfach auf der Stelle und bewegen sich nicht vorwärts – weshalb eine gleichmäßige Zuführung nicht gut funktioniert.

Die Oberflächenreibung ist nicht der einzige Faktor, der den Vorschub beeinflusst.Viele Partikel berühren nie den Zylinder oder die Schneckenwurzel, daher muss es im Inneren der Partikel zu Reibung und mechanischer Verzahnung mit Viskosität kommen.

Ein Sonderfall sind geriffelte Zylinder.Der Trog befindet sich im Einzugsbereich, der vom Rest des Fasses thermisch isoliert und tief wassergekühlt ist.Die Fäden drücken die Pellets in die Rille und bauen auf relativ kurzer Distanz einen hohen Druck auf.Dies erhöht die Bisszugabe bei niedrigeren Schneckengeschwindigkeiten bei gleicher Leistung, was zu weniger Reibungswärme am vorderen Ende und niedrigeren Schmelzetemperaturen führt.Dies kann bedeuten, dass die Kühlung eine schnellere Produktion in Blasfolienanlagen einschränkt.Die Rillen eignen sich besonders für HDPE, das neben perfluorierten Kunststoffen der gleitfähigste aller gängigen Kunststoffe ist.

06. Materialien kosten am meisten

In manchen Fällen können die Materialkosten bis zu 80 % der Produktionskosten ausmachen – mehr als alle anderen Faktoren zusammen – mit Ausnahme einiger weniger Produkte, bei denen Qualität und Verpackung besonders wichtig sind, wie etwa medizinische Katheter.Dieses Prinzip führt natürlich zu zwei Schlussfolgerungen: Verarbeiter sollten so viel Schrott und Schrott wie möglich wiederverwenden, um Rohstoffe zu ersetzen, und die Toleranzen so eng wie möglich einhalten, um Abweichungen von der Zieldicke und Produktprobleme zu vermeiden.

07. Energiekosten sind relativ unwichtig

Während der Reiz und die tatsächlichen Probleme einer Anlage mit den steigenden Energiekosten vergleichbar sind, macht der Energiebedarf für den Betrieb eines Extruders immer noch nur einen kleinen Bruchteil der gesamten Produktionskosten aus.Dies ist immer der Fall, da die Materialkosten sehr hoch sind, ein Extruder ein effizientes System ist und der Kunststoff bei zu hoher Energiezufuhr schnell zu heiß für eine ordnungsgemäße Verarbeitung werden kann.

08. Der Druck am Ende der Schraube ist sehr wichtig

Dieser Druck spiegelt den Widerstand von allem wider, was sich hinter der Schnecke befindet: Sieb- und Kontaminationsbrecherplatten, Adapter-Förderrohre, stationäre Rührwerke (falls vorhanden) und die Form selbst.Sie hängt nicht nur von der Geometrie dieser Komponenten ab, sondern auch von der Temperatur im System, die wiederum Einfluss auf die Viskosität des Harzes und die Durchsatzgeschwindigkeit hat.Sie ist unabhängig von der Schneckenkonstruktion, es sei denn, sie beeinflusst Temperatur, Viskosität und Durchsatz.Das Messen der Temperatur ist aus Sicherheitsgründen wichtig – wenn sie zu hoch ist, könnten die Matrize und die Matrize explodieren und in der Nähe befindliche Personen oder Maschinen verletzen.

Besonders in der letzten Zone (Dosierzone) eines Einschneckensystems ist der Druck für die Vermischung günstig.Ein hoher Druck bedeutet jedoch auch, dass der Motor mehr Leistung abgibt – und damit eine höhere Schmelzetemperatur – was die Druckgrenze bestimmen kann.Bei einer Doppelschnecke sind die beiden ineinandergreifenden Schnecken ein effizienteres Rührwerk, sodass für diesen Zweck kein Druck erforderlich ist.

09. Ausgang = Verschiebung des letzten Gewindegangs +/- Druckfluss und Leckage

Die Verschiebung des letzten Gangs wird als positiver Fluss bezeichnet und hängt nur von der Schneckengeometrie, der Schneckengeschwindigkeit und der Schmelzedichte ab.Sie wird durch den Druckfluss reguliert, der tatsächlich den Widerstandseffekt (angezeigt durch den höchsten Druck) zur Reduzierung der Leistung und einen eventuellen Überbisseffekt im Futter zur Erhöhung der Leistung umfasst.Undichtigkeiten an Gewinden können in beide Richtungen auftreten.

Es ist auch nützlich, die Leistung pro U/min (Umdrehung) zu berechnen, da diese jede Abnahme der Pumpleistung der Schnecke im Laufe der Zeit darstellt.Eine weitere relevante Berechnung ist die Menge an Leistung pro eingesetzter Pferdestärke oder Kilowatt.Dies zeigt die Effizienz an und ermöglicht eine Schätzung der Produktionskapazität eines bestimmten Motors und Antriebs.

10. Die Schergeschwindigkeit spielt eine wichtige Rolle bei der Viskosität

Alle gängigen Kunststoffe verfügen über eine Scherabfalleigenschaft, was bedeutet, dass die Viskosität des Kunststoffs mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt.Bei einigen Kunststoffen ist dieser Effekt besonders ausgeprägt.Beispielsweise erhöhen einige PVCs die Strömungsgeschwindigkeit um den Faktor 10 oder mehr, wenn der Schub verdoppelt wird.Im Gegenteil, die Scherkraft von LLDPE nimmt nicht zu stark ab und seine Fließgeschwindigkeit erhöht sich nur um das Drei- bis Vierfache, wenn man davon ausgeht, dass sie sich verdoppelt.Der verringerte Scherreduktionseffekt führt zu einer höheren Viskosität unter Extrusionsbedingungen, was wiederum bedeutet, dass mehr Motorleistung erforderlich ist.

Dies könnte erklären, warum LLDPE heißer wird als LDPE.Die Fließgeschwindigkeit wird als Schergeschwindigkeit ausgedrückt, die im Schneckenkanal etwa 100 s-1, in den meisten Matrizenmündungen zwischen 100 und 100 s-1 und im Spalt zwischen dem Gewinde und der Zylinderwand und einigen mehr als 100 s-1 beträgt kleine Matrizenspalte.

Der Schmelzkoeffizient ist ein übliches Maß für die Viskosität, ist jedoch umgekehrt (z. B. Strömung/Schub statt Schub/Strömung).Leider wird es bei Schergeschwindigkeiten von 10 s-1 oder weniger gemessen und ist in Extrudern mit schnellen Schmelzflussraten möglicherweise kein echter Messwert.

11. Der Motor liegt dem Lauf gegenüber, und der Lauf liegt dem Motor gegenüber

Warum ist die Regelwirkung des Zylinders insbesondere im Messbereich nicht immer wie erwartet?Wenn das Fass erhitzt wird, wird die Materialschicht an der Fasswand weniger viskos und der Motor benötigt weniger Energie, um in diesem glatteren Fass zu laufen.Motorstrom (Stromstärke) sinkt.Kühlt sich das Fass hingegen ab, erhöht sich die Viskosität der Schmelze an der Fasswand, der Motor muss stärker drehen, die Stromstärke steigt und ein Teil der beim Durchgang durch das Fass abgeführten Wärme wird vom Motor zurückgeschickt.Im Allgemeinen hat der Zylinderregler zwar einen Einfluss auf die Schmelze, was wir erwarten würden, aber nirgendwo so groß wie die Zonenvariable.Am besten messen Sie die Schmelzetemperatur, um wirklich zu verstehen, was vor sich geht.

Prinzip 11 gilt nicht für Matrizen und Matrizen, da dort kein Schraubendrehen stattfindet.Deshalb sind dort äußere Temperaturänderungen wirksamer.Diese Veränderungen erfolgen jedoch von innen nach außen und sind daher nicht gleichmäßig, es sei denn, sie werden in einem stationären Rührer homogenisiert, der ein wirksames Werkzeug sowohl für Temperaturänderungen der Schmelze als auch für das Rühren ist.

Nanjing Haisi ist ein professioneller Hersteller von Granulierextrudern zum Färben/Färben, zur Herstellung von Abfüll-Masterbatches sowie zur Kunststoffmodifikation und -compoundierung sowie zum Kunststoffrecycling.Innovative Maschinen werden nach dem Konzept von Langlebigkeit, hoher Effizienz und sparsamem Stromverbrauch gebaut.