Strefy wytłaczarki

Najczęściej stosowanym ślimakiem wytłaczarskim jest klasyczny ślimak trójstrefowy: Rys. 5. Typowy wytłaczarski ślimak tróstrefowy Poszczególne strefy geometryczne ślimaka wyznaczane są przez zmieniającą się wysokość kanału ślimaka: - w strefie zasilania wysokość kanału jest stała i największa, - w strefie sprężania wysokość kanału się zmniejsza (najczęściej liniowo), - w strefie dozowania wysokość kanału jest stała i najmniejsza. W strefie zasilania tworzywo jest pobierane z leja zasypowego i transportowane do cylindra. W cylindrze, w wyniku ciągłego ruchu obrotowego ślimaka tworzywo zostaje zagęszczone i transportowane dalej w kierunku głowicy. Strefę zasilania stanowi odcinek cylindra wytłaczarki liczony od zasobnika do miejsca, w którym zaczynają się elementy grzejne na cylindrze. Zdolność transportowania materiału zależy od: - objętości kanału między zwojami ślimaka w strefie zasilania, - prędkości obrotowej ślimaka, - współczynnika zapełnienia kanału ślimaka tworzywem polimerowym, - współczynnika tarcia tworzywa (stałego) o cylinder i ślimak. Zagęszczanie jest wynikiem powstawania gradientu ciśnienia w transportowanym tworzywie, zależnego od: - współczynnika tarcia tworzywa o cylinder (współczynnik tarcia powinien być możliwie duży), - współczynnika tarcia tworzywa o ślimak (współczynnik tarcia powinien być jak najmniejszy). Dalsze zagęszczanie tworzywa zachodzi w strefie sprężania. W strefie tej tworzywo przechodzi ze stanu stałego w uplastyczniony. Teoretycznie uplastycznienie tworzywa powinno być zakończone właśnie w tej strefie. W rzeczywistości, w wyniku danego rozkładu ciśnienia wewnątrz cylindra, w pewnych sytuacjach może nastąpić przemieszczenie punktu początku uplastycznionego tworzywa do strefy zasilania, gdzie zagęszczanie jest niedostateczne (efekt niekorzystny, tworzywo w strefie zasilania powinno być w stanie stałym!). Uplastycznione tworzywo opuszczające strefę sprężania powinno być już odgazowane. Długości strefy sprężania mogą być różne w zależności od przerabianego surowca: - dla tworzyw o małej lepkości (semikrystalicznych) - ślimaki z krótką strefą sprężania, - dla tworzyw o większej lepkości (amorficznych) - ślimaki z dłuższą strefą sprężania. W strefie dozowania zachodzi ujednorodnienie mechaniczne i termiczne przetwarzanego tworzywa oraz ustalenie wartości ciśnienia do poziomu potrzebnego do pokonania oporów przepływu przez głowicę. W celu uzyskania możliwie dużego ciśnienia głębokość kanału ślimaka w tej strefie jest na ogół mała. Natężenie przepływu (wydajność) układu uplastyczniającego, obliczone na podstawie wydatku strefy dozowania, jest proporcjonalne do: - kwadratu średnicy ślimaka, - kąta pochylenia linii śrubowej, - głębokości kanału w tej strefie. Wydajność zależy od cech konstrukcyjnych ślimaka, które uwidoczniono na rysunku:
Rys. 6. Parametry geometryczne ślimaka wytłaczarskiego: L – długość części roboczej (20-30D, obecnie istnieje tendencja do wydłużania ślimaków nawet do 36D), D – średnica zewnętrzna (20 – 300 mm), H – wysokość kanału (0,12-0,16D), W – szerokość kanału (0,8-1,2D), S – skok linii śrubowej zwoju (@0,8 - 1,2 W), φ – kąt pochylenia zwoju (~17°40’), e – szerokość zwoju (0,1D). R – stopień sprężania, definiowany jako Hzas / Hdoz : 1.3 ¸ 5 dla tworzyw termoplastycznych, 1 ¸ 1.5 dla tworzyw termoutwardzalnych, 1 ¸ 0.8 dla elastomerów

1. Geometria ślimaka

Z uwagi na to, że różne rodzaje tworzyw polimerowych wymagają różnych parametrów procesu przetwórczego, istnieje duża różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych, a także wymiarów i kształtów ślimaka, co pozwala zapewnić wymagane warunki dla procesów mieszania, uplastyczniania i sprężania przetwarzanych materiałów.
Rys. 7. Typowy ślimak trójstrefowy (A), ślimak trójstrefowy z krótką strefą sprężania (B) oraz ślimak dwustrefowy z długa strefą sprężania (C)
Długość geometrycznej strefy zasilania ślimaka powinna być tym większa, im wyższa jest temperatura mięknienia tworzywa, przy czym niekiedy redukuje się jej długość kosztem wstępnego podgrzania materiału. Długości strefy sprężania ślimaków powinna być tym większa, im większy jest zakres temperatury mięknienia. Tworzywa amorficzne, jak PS, PC czy PMMA wykazują dość duży zakres, natomiast krystaliczne, jak POM czy PA topią się w zakresie zaledwie kilku stopni, zatem do ich wytłaczania stosuje się ślimaki z krótką (1-2D) strefą sprężania (rys. 7B). Nieco inaczej jest w przypadku tworzyw łatwo odkształcalnych, jak LDPE, gdzie można stosować nawet ślimaki dwustrefowe z długą strefą sprężania, w której niestopione jeszcze ziarna materiału ulegają od początku powolnemu ściskaniu (rys. 7C). Optymalny stopień sprężania ślimaka (stosunek wysokości kanału ślimaka w strefie zasilania do jego wysokości w strefie dozowania) powinien być większy od stosunku gęstości stałego tworzywa do jego gęstości nasypowej. Stąd też wynika, iż materiał w postaci proszku wymaga ślimaka o większym stopniu sprężania niż ten sam materiał w postaci granulatu. Zależy on także od lepkości materiału w warunkach wytłaczania i tak dla tworzyw amorficznych, wykazujących dużą lepkość stopu wskazane są ślimaki o małym stopniu sprężania, aby uniknąć przegrzewania intensywnie ścinanego materiału oraz uniknąć nadmiernego obciążenia układu napędowego ślimaka. Niewielkie stopnie sprężania, rzędu 2 zalecane są również przy przetwórstwie tworzyw niestabilnych termicznie, jak PVC, dla których zbyt duży stopień sprężania mógłby spowodować degradację materiału. Dla stabilnych termicznie tworzyw semikrystalicznych, jak PE czy PP stosować można duże stopnie sprężania, rzędu 4 i więcej.