x
≡ каталог
на главную о компании контакты новости отправить запрос

Подготовка сырья. Смешение


Введение§

Подготовка сырья является необходимой процедурой, прежде чем материал будет переработан в готовое изделие. К процессам подготовки относятся: введение добавок, таких как пигменты, наполнители, волокна, пластификаторы, смазки, стабилизаторы, антипирены, вспенивающие агенты, растворители или другие полимеры; или переведение материала в удобную форму: порошок, пасту или гранулы. К наиболее важным подготовительным операциям относятся смешение, перемешивание, растворение, гранулирование или таблетирование и сушка.

1. Смешение§

В настоящее время, большинство процессов включают в себя стадию перемешивания. Например, шнековые экструдеры, неотъемлемой частью которого является зона смешения. На самом деле большинство двухшнековых эструдеров используются в качестве смесителей. Аналогично в машинах для литья также есть зона смешения. Смешение является важным этапом, поскольку и от него в том числе зависит качество готового изделия. И свойства материала и его способность к формованию оба зависят от качества смешения. Поэтому понимание процессов смешения помогает оптимизировать условия обработки и улучшить качество.

Процесс смешения связан с распределением добавочного или второстепенного материала по главному материалу - матрице. Базовый материал можно рассматривать как непрерывную фазу, а добавку как дисперсную фазу в виде капелек, волокон или агломератов. При приготовлении полимерной смеси нужно помнить, что смесь будет переплавлена при последующей переработке или формовании. Например, если гомогенную смесь быстро охладить в таком состоянии, то при нагревании она может расслоится на фазы в результате коалесценции. Такая смесь не пригодна ни для каких целей. Для предотвращения расслоения смеси часто используют вещества, отвечающие за совместимость в пограничных слоях двух фаз. Смешение может быть распределительным или дисперсионным. Например, морфология образования смеси связана с тремя конкурирующими механизмами: распределительным смешением, дисперсионным смешением и коалесценцией. Всего можно составить три типа смесей:
  • Гомогенная смесь совместимых полимеров
  • Однофазная смесь частично несовместимых полимеров, и
  • Многофазная смесь несовместимых полимеров.


В таблице 1 приведены примеры каждого типа смеси.

Таблица 1. Основные полимерные смеси

Совместимые смеси полимеровНатуральный каучук и полибутадиен

Полиамиды (ПА 6 и ПА 66)

Эфир полипропилена и полистирол
Частично несовместимые смесиПолиэтилен и полиизобутилен

Полиэтилен и полипропилен (5%ПЭ в ПП)

Поликарбонат и полиэтилентерефталат
Несовместимые смесиПолистирол/полиэтилен

Полиамид/полиэтилен

Полипропилен/полистирол


Распределительное или ламинарное смешение обычно характеризуется качеством распределения второй фазы в матрице. Распределение достигается наложением больших деформаций таких, что увеличивается поверхность контакта фаз и уменьшается толщина слоев. Правда, приложение больших деформаций не всегда достаточно для получения гомогенной смеси. Тип перемешивающего устройства, начальная ориентация и положение двух или более жидких компонентов играет значительную роль в качестве конечной смеси.

Диспергирующее смешивание подразумевает уменьшение размеров отдельных капель несмешиваемой жидкости или частиц агломератов и их распределение по всему объему матрицы. Здесь приложенная деформация не столь важна как приложенное напряжение, которое вынуждает систему делиться на более мелкие частицы. Следовательно, тип потока в смесителе играет большую роль в измельчении твердых частиц или жидких капель, рассеивая их по объему матрицы. Наиболее ярким примером диспергирующего смешения твердых частиц агломерата это смешение резины и сажи. На рисунке 1 отображена зависимость вязкости смеси от объемной доли твердых частиц и типа смесителя.



Рис. 1. Зависимость вязкости смеси от объемной доли твердых частиц и соответствующее оборудование для приготовления этих смесей.

Распределяя полимерный расплав по матрице, во время приготовления полимерной смеси, капли внутри несовместимой матрицы стараются принять сферическую форму благодаря естественному стремлению капли сохранять наименьшую поверхность при данном объеме. Однако в области потока в смесителе появляется напряжение, которое деформирует капельки. Если оно будет достаточно большим, то это заставит капли разделиться. Капли диспергируются когда силы поверхностного натяжения не могут более поддерживать их формы в области потока и вытянутые капли делятся на более мелкие капельки. Это явление дисперсии и распределения продолжается до тех пор, пока усилия, прилагаемые в области потока, не смогут более преодолевать сил поверхностного натяжения образованных капелек. Аналогичен по природе механизм и для твердых частиц, то есть тоже основан на силах диспергирования частиц. Хорошо известно, что наиболее эффективным в этих целях течение с растяжением. Поэтому устройства, растягивающие расплав а не сдвигающие его, приводят к лучшему смешению, при значительно меньших энергетических затратах.

2. СМЕСИТЕЛИ§

Конечные свойства полимерной композиции сильно зависит процесса смешения, который имеет место в процессе переработки материала, а также как отдельный этап в производственном процессе. Как было ранее отмечено, при оценке качества смешения необходимо также оценивать эффективность смешения. Например, усилия, необходимые для обеспечения наилучшего качества смешения, могут быть нереальны и недостижимы.

Все смесители можно разделить на 2 общие категории:
  • Смесители периодического действия, и
  • Смесители непрерывного действия.


Смесители периодического действия, такие как смеситель Бенбери, наиболее ранний тип смесителей, которые до сих пор широко распространены и применяемы в области приготовления резиновых смесей. В промышленности также широко применяются смесители непрерывного действия, так как они обеспечивают смешение в дополнение к их основным задачам. Типичным примером таких смесителей являются одно- и двухшнековые экструдеры, которые часто оснащены смесительные блоки.

2.1 Смешение твердых фаз§

Для смешения гранулированных твердых частиц используются различные барабанные смесители. Их подразделяют по скорости вращения внутреннего перемешивающего устройства: от менее чем 0,2 м/с до 50 м/с. С увеличением скорости возрастает подводимая энергия и улучшается измельчение смешиваемых частиц. Барабанные смесители бывают непрерывного и периодического действия. На рисунках 2 и 3 приведены примеры обоих типов смесителей. смесители могут быть оборудованы различными типами перемешивающих устройств: шнеками, лопастями или спиралями.

Объем конического бункера с перемешивающим шнеком может достигать 30м3, а не конические могут достигать до 100 м3. Смесители периодического действия с горизонтальным перемешивающим устройством могут достигать 30 м3 по объему, а непрерывного действия - до 450 м3/час.



Рис. 2. Смесители периодического действия.



Рис. 3. Смесители непрерывного действия.

2.2. Шнековые смесители§

Шнековые смесительные устройства используются для непрерывной подачи материала к перерабатываему материалу. Они питаются заранее приготовленной смесью твердых частиц либо отмеренными взвешивающей системой порциями. Данные смесители подразделяются на одно- и двухшенковые. В таблице 2 представлены различные шнековые смесители и их характеристиками.

Таблица 2. Типы смесителей и их характеристики

Тим смесителяДиаметр шнекаМощностьПодводимая энергияПропускная способность
ммкВткВтч/кгкг/ч
Одношнековый250-800500-6,7000.07-0.134,000-74,000
Пластификатор330-55522-1600.07-0.10200-2,300
Со-смеситель46-40011-6500.08-0.4010-8,000
Двухшнековый25-38075-20,0000.10-0.4010-75,000


Со-смеситель. Со-смеситель - это одношнековый смеситель со стержнями на цилиндре и шнеком перпемещающимся в осевом направлении. На рисунке 4 приведена схема со-смесителя. Стержни на цилиндре практически служат для очистки шнека. Это влияет на общем времени пребывания материала в смесителе и делает данный тип смесителей предпочтительным для смесей, чувствительных к нагреванию. Стержни на цилиндре разбивают твердые частицы и делая плавление более легким, это улучшает качество смешения и снижает общую температуру в материале. Упрощенный анализ со-смесителя показывает количество слоев на расстоянии L/D:

Ns=212 (1)

Это значит, что на расстоянии 4D, число слоев (полос) будет составлять 212*4=213.



Рис. 4. Схема смесительного блока.

Смешение в одношнековом экструдере. Распределяющее смешение, вызванное скрещивающимся течением компонентов в экструдере, может быть улучшено специальными стержнями (рис. 5) или ромбическими элементами (рис. 6) в канале потока и бороздами в витках шнека. Стержни могут располагаться как на цилиндре, так и на шнеке, как показано на рис. 5. Экструдеры с регулируемыми стержнями на цилиндре обычно называют QSM-экструдерами (QSM - сокращение от немецкого Quer Strom Mischer, что означает смешение при поперечном течении).



Рис. 5. Одношнековые экструдеры со стержнями и бороздами в зоне смешения.



Рис. 6. Различные участи смешения одношнековых экструдеров с ромбическими элементами.

В любом случае, стержни нарушают поток, переорентируя повержности между жидкостями и создавая новые поверхности разделением потоков. На рис. 7 представлена фотография потока в канале QSM-экструдера. На фотографии видно как потоки меняют направление после прохождения стержней. Стержневые экструдеры особенно хороши для перемешивания высоковязких материалов, таких как резиновые смеси. Эти экструдеры широко применяются для изготовления резиновых профилей различной формы и размеров. Как было отмечено ранее, диспергирующее смешение необходимо для разрушения агломератов или при наличии эффектов поверхностного натяжения между жидкостями смеси.



Рис. 7. Фотография потока в канале экструдера со стержнями.

Чтобы диспергировать такую систему, смесь должна быть подвергнута большим нагрузкам. Некоторые микширующие головки, как показано на рис. 8, создают растягивающиеся потоки во время смешения. очень популярна среди них головка со смешением во впадинах (CTM), показанная на рис. 8. Шнеки барьерного типа часто применяют вместо смесительных головок, так как они создают высокие сдвиговые напряжения на полимер. Однако наиболее интенсивное перемешивание все же достигается в головках специально предназначенных для этих целей. Используя головки или барьерные шнеки, как паказано на рис. 9, смесь проходит через узкие участки, где подвергается высоким напряжениям. Нужно отметить, что как диспергирующие так и распределяющие смесительные головки дают результат при сопротивлении течению, которое сопровождается нагреванием и потерями давления при экструзии.



Рис. 8. Одношнековые экструдеры с диспергирующими секциями.



Рис. 9. Одношнековые участки смешения.

Двухшнековые экструдеры. В последние два десятилетия двухшнековые экструдеры стали наилучшими смесителями непрерывного действия. В целом, они подразделяются на экструдеры с зацепляющимися шнеками и незацепляющимися, на экструдеры со шнеками вращающимися в одном направлении и экструдеры со встречно-вращающимися шнеками. Двухшнековые экструдеры с зацепляющимися шнеками обладают эффектом самоочищения, что вырвнивает время пребывания полимера в экструдере. Геометрия самоочищающегося экструдера со шнеками вращающимися в одном направлении показана на рис. 10. Основной особенностью такой геометрии является то, что шнеки при вращении постоянно снимают прилипший к шнеку материал. В последние два десятилетия такие экструдеры зарекомендовали себя как эффективные смесители. В основном все системы со щнеками вращающимися в одном направлении обладают хорошей нагнетающей способностью, что обосновано перемещением материала двумя шнеками.



Рис. 10. Геометрия самоочищающегося двухшнекового экструдера со шнеками, вращающимися в одном направлении.

Шнеки вращающиеся во встречном направлении создают высокие напряжения за счет каландрирующего эффекта между шнеками. Это делает данный тип экструдеров наиболее эффективным для смешения пигментов и смазочных материалов. Но не все в полимерной промышленности единодушно отзываются об этих экструдерах, есть свои «за и против».



Рис. 11. Схема вальцевого смесителя.

Особым типом двухшнековых смесителей являются смесители со сдвиговыми вальцами, которые схематично показаны на рис. 11. Такая открытая система имеет ряд преимуществ перед аналогичной закрытой системой. Они применимы для сжатия, плавления, гомогенизирования, диспергирования и гранулирования материала как средней, так и высокой вязкости при температурах от 20 до 280оС. На каждом из вальцев, вращающихся навстречу, есть противоположно направленные канавки, которые заставляют материал перемещаться с одной стороны на другую сторону горизонтальных вальцев. Добавки, например, твердые частицы или волокна, подаются в зазор между вальцами. Этот зазор уменьшается от начала вальцев к их концу, что усиливает диспергирующий эффект. Конечный материал удаляется из смесителя в виде ленты, либо, проходя через маленькие отверстия, гранулируется, как показано на рис. 12.



Рис. 12 Механизм гранулирования в смесителе с вальцами.

Статические смесители. Статичные смесители или неподвижные смесители - это смесители непрерывного действия, через которые расплав продавливается, перемешивается и разделяется, приводя к эффективному смешиванию без подвижных перемешивающих устройств. На рис. 13 схематично изображен статичный смеситель в виде скрученной ленты.



Рис. 13 Схема статического смесителя Кеникса.

Полимер сдвигается и затем переворачивается перегородкой на 90 градусов, поверхность раздела фаз увеличивается. Поверхности раздела переориентируется на 90 градусов, когда материал попадает в новую секцию. Растяжения и переориентирования повторяются до тех пор, пока «полосатость» смеси не будет настолько велика, что смесь будет как однородная. На рис. 14 показаны разрезы статического смесителя Кеникса. Из рисунка видно, что количество полос увеличивается от секции к секции как 2,4,8,16,32, тое есть имеет место отношение:

Ns=2n (2)

где, N- число полос, а n - число секций в смесителе.



Рис. 14. Смешение полос цветных резин в смесителе Кеникса.



Рис. 15. Схема смесителя периодического действия.

Закрытый смеситель периодического действия. Закрытый смеситель или смеситель Банбери - это типовой смеситель периодического действия (рис. 15). Закрытый смеситель внутреннего действия - это высокоинтенсивный смеситель, который создает сложные сдвиговые напряжения и продолжительные потоки, они особенно хорошо работают при диспергировании твердых частиц по полимерной матрице. Их широко применяют для вмешивания сажи в резиновые смеси, а также для приготовления смеси АБС. Дисперсия агломератов зависит от времени смешения, скорости вращения ротора, температуры и геометрии лопастей ротора. На рис. 16 представлена зависимость недиспергированной фазы от времени пребывания в смесителе Банбери при 77об/мин и 100оС. Пунктирной линией обозначена фракция частиц с размером менее 500нм. Закрытые смесители могут быть оборудованы скрещивающимися роторами или тангенциально расположенными роторами, как показано на рис. 17. Скрещивающаяся система обеспечивает более эффективное смешение, но потребляет значительно больше энергии, чем тангенциальная система. Вместо использования разгрузочного окна для удаления готовой смеси, некоторые смесители оборудованы червячным насосом, как показано ан рис 18. Такие системы бывают объемом от 10 литров (лабораторные) до 4000 литров (промышленные).



Рис. 16. Зависимость количества недиспергированной фазы углеродной сажи размером около 9мкм от времени смешения в смесителе Банбери. Кружки отображают реальный результат, а сплошная линия - теоретический прогноз. Пунктирной линией обозначена фракция частиц с размером менее 500нм.



Рис. 17. Схемы тангенциального (слева) и скрещивающегося (справа)
смесителей закрытого типа.



Рис. 18. Схема закрытого смесителя периодического действия оборудованного разгрузочным шнеком.



Рис. 19. Схема непрерывного смесителя.



Рис. 20 Схема планетарного смесителя.


Если вас заинтересовала информация, предложенная в данной статье, вы можете:
Позвонить:

Еще из раздела Подготовка сырья

    Грануляторы и таблетеры Термопластичные смолы поставляются в виде гранул. Существует две общие схемы гранулирования: горячее таблетирование (нарезают горячий материал) и холодное (материал нарезается холодным). На рис. 1 показан стренговый ...
    подробнее

    © 2018 Пластик Текнолоджиз
    Республика Беларусь, 220024, г. Минск, ул. Бабушкина 8А

    Сайт работает на платформе Nestorclub.com