Porównanie ujednorodniania tworzywa w trakcie wyt³aczania

Transkrypt

1 374 POLIMERY 005, 50,nr5 GRZEGORZ RADOMSKI Katedra In ynierii Spo ywczej i Tworzyw Sztucznych Wydzia³ Mechaniczny, Politechnika Koszaliñska ul. Rac³awicka 5 7, Koszalin radomski@lew.tu.koszalin.pl Porównanie ujednorodniania tworzywa w trakcie wyt³aczania w wyt³aczarce œlimakowej i œlimakowo-tarczowej COMPARISON OF HOMOGENIZATION OF POLYMERS DURING THE EXTRUSION IN SCREW EXTRUDER OR SCREW-DISK EXTRUDER Summary Theprocessofhomogenizationoflow-densitypolyethylene/coloring marker system in either single-screw extruder or screw-disk extruder has been compared (Fig. and ). The effects of marker concentration ( %) (Figs. 4, 5, 8) and tangential velocity ( m/s) (Fig. 6) on the degree of the system homogenization both in the longitudinal section and cross-section (Fig. 9) were investigated. Homogenization degree (Fig. 7) was investigated organoleptically (visually). In single-screw extruder the marker is distributed in homogenization zone from the middle of extrudate to the exterior surface while in screw-disk extruder in interdisk slit from exterior surface of an extrudate to its middle. It was found that in latter case the homogenization of the system was much better than in first one. Key words: single-screw extruder, screw-disk extruder, coloring marker, homogenization. Mechanizm ujednorodniania (homogenizacji) tworzywa w procesie wyt³aczania za pomoc¹ wyt³aczarek œlimakowej i œlimakowo-tarczowej jest odmienny. Wynika on z ró nego kszta³tu kana³ów przep³ywowych wyt³aczarki, co wp³ywa z kolei na tor ruchu cz¹stek tworzywa. W wyt³aczarce jednoœlimakowej w kanale œrubowym œlimaka sk³adaj¹cym siê z cylindra i ruchomego œlimaka tory ruchu tworzywa s¹ liniami œrubowymi [ 4], a w wyt³aczarce œlimakowo-tarczowej maj¹ kszta³t spirali w miêdzytarczowym obszarze tworzonym przez tarczê sta³¹ (nieruchom¹) i obrotow¹ (ruchom¹) [5, 6]. Tarczê ruchom¹ stanowi tu sto kowe czo³o œlimaka, a tarczê nieruchom¹, równie sto kow¹, koñcówka cylindra. Konstrukcja wyt³aczarki umo liwia regulacjê tego obszaru poprzez zmianê szczeliny miêdzy tarczami w zakresie 0 6 mm. Omawiane typy wyt³aczarek ró ni¹ siê zatem miejscem, w którym przebiega homogenizacja. Aby oceniæ stopieñ homogenizacji tworzywa w procesie wyt³aczania, stosuje siê metodê polegaj¹c¹ na wprowadzeniu znacznika koloryzuj¹cego [7, 8]. Niniejszy artyku³ jest kontynuacj¹ pracy [9] dotycz¹cej badania mechanizmu i stopnia rozprowadzenia znacznika koloryzuj¹cego dodawanego w iloœci < % w uk³adzie uplastyczniaj¹cym wyt³aczarki œlimakowej. W tej publikacji porównywano ujednorodnienie tworzywa w wyt³aczarce jednoœlimakowej i œlimakowo-tarczowej. By³y to badania rozpoznawcze. Materia³y CZÊŒÆ DOŒWIADCZALNA Stosowano polietylen ma³ej gêstoœci Malen E produkcji Petrochemia P³ock S.A. (obecnie Basell Orlen Polyolefins) oraz znacznik koloryzuj¹cy w postaci granulowanego czerwonego koncentratu POLI-CH RED produkcji Global Colors Polska SA w Kêdzierzynie-KoŸlu. Metodyka badañ W badaniach wykorzystano klasyczn¹ wyt³aczarkê jednoœlimakow¹ T3 wykonan¹ w Instytucie Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych Metalchem w Gliwicach (rys. a) oraz doœwiadczaln¹ autotermiczn¹ wyt³aczarkê œlimakowo-tarczow¹ skonstruowan¹ w Politechnice Koszaliñskiej (rys. b), o konstrukcji œlimaków przedstawionych odpowiednio na rys. a i b. W pierwszej z wyt³aczarek œrednica œlimaka (D) wynosi³a 3 mm, d³ugoœæ robocza (L) 800 mm równa wartoœci 5 œrednic, mia³ on sta³y skok i zmienn¹ g³êbokoœæ kana³u œrubowego.

2 POLIMERY 005, 50,nr5 375 b) Obydwie u yte wyt³aczarki dzia³a³y z takimi samymi prêdkoœciami obwodowymi na œrednicy zewnêtrznej œlimaka (v), mianowicie: 0,067; 0,084; 0,00; 0,7; 0,34 m/s. Odpowiada³o to liczbie obrotów œlimaka (n) 0,67; 0,83;,0;,7;,33 s - w przypadku wyt³aczarki jednoœlimakowej i 0,6; 0,; 0,5; 0,9; 0,33 obr./s - w przypadku wyt³aczarki œlimakowo-tarczowej. Stosowano liniow¹ g³owicê wyt³aczarsk¹ z dysz¹ ko³ow¹ otrzymuj¹c wyt³oczynê w postaci prêta œrednicy 0 mm. Jednorodnoœæ wyt³oczyny oceniano organoleptycznie (wzrokowo) i opisywano. Zdjêcia przekrojów poprzecznych i wzd³u nych wyt³oczyny w postaci prêta i wstêgi wykonywano za pomoc¹ kamery wizyjnej CCD (firmy Grundig) wysokiej rozdzielczoœci z obiektywem typu EVA 0x-CS (japoñskiej firmy Computar). Obraz z kamery poddawano analizie przy u yciu programu komputerowego Multi- Scan 8,08 firmy Computer Scanning Systems Ltd., Warszawa. Sposób prowadzenia badañ Rys.. Stanowisko badawcze: a) wyt³aczarka jednoœlimakowa, b) doœwiadczalna autotermiczna wyt³aczarka œlimakowo-tarczowa [0] Fig.. Test stand: a) single-screw extruder, b) pilot autothermal screw-disk extruder [0] Wyt³aczarka œlimakowo-tarczowa charakteryzowa³a siê œrednic¹ œlimaka 30 mm, d³ugoœci¹ robocz¹ 60 mm równ¹ wartoœci dwóch œrednic, sta³ym skokiem oraz zmienn¹ g³êbokoœci¹ kana³u œrubowego. Badania przeprowadzono w dwóch seriach. Pierwsza z nich obejmowa³a wyt³aczanie tworzyw ze zmienn¹ iloœci¹ znacznika koloryzuj¹cego w postaci pojedynczych porcji: 0,03 g, 0,06 g, 0,05 g i 0,078 g. Wyt³aczanie realizowano ze sta³¹ prêdkoœci¹ obwodow¹ na œrednicy zewnêtrznej œlimaka 0,067 m/s a do zaniku œladów znacznika w wyt³oczynie, a nastêpnie okreœlano masê tej czêœci wyt³oczyny, w której widoczne by³y œlady znacznika. Ponadto oceniano rozprowadzenie znacznika we wstêgach œrubowych zdjêtych ze œlimaka wyt³aczarki jednoœlimakowej (rys. 3). W celu uzyskania wstêg w koñcowej fazie wyt³aczania wy³¹czano napêd wyt³aczarki. Œlimak z cylindrem oraz ze znajduj¹cym siê na nim tworzywem sch³adzano do temp. 60 o C, dziêki czemu tworzywo ulega³o zestaleniu. Po czym uk³ad cylinder-œlimak wraz z tworzywem ponownie podgrzewano do temp. 00 o C. Powodowa³o to nadtopienie tworzywa stykaj¹cego siê z powierzchni¹ wewnêtrzn¹ cylindra. Nastêpnie wyjmowano z wyt³aczarki œlimak wraz z Rys.. Œlimaki wyt³aczarki: a) jednoœlimakowej, b) œlimakowo-tarczowej; L d³ugoœæ robocza œlimaka Fig.. Screws of the extruders: a) single-screw one, b) screw-disk one. L screw working length

3 376 POLIMERY 005, 50,nr5 Rys. 3. Œlimak wyt³aczarki jednoœlimakowej i zdjêta z niego wstêga tworzywa: a) widok ogólny, b) zaznaczony fragment w powiêkszeniu Fig. 3. Screw of a single-screw extruder and polymer ribbon taken off from the screw: a) general view, b) enlarged marked fragment tworzywem pozostaj¹cym w przestrzeniach miêdzyzwojowych i zdejmowano z niego gor¹c¹ wstêgê. Takiej mo liwoœci oceny pocz¹tku rozprowadzania barwnika nie ma w przypadku wyt³aczarki œlimakowo-tarczowej, ze wzglêdu na trudnoœci z demonta em strefy tarczowej. Rozprowadzenie sk³adnika nastêpuje tu w sto kowej szczelinie miêdzytarczowej, natomiast œlimak jest tam tylko zespo³em zasilaj¹cym. W tej pierwszej serii przeanalizowano wp³yw szybkoœci obwodowej i liczby obrotów œlimaka na masê zabarwionej czêœci wyt³oczyny oraz oceniono powierzchnie zewnêtrzne i wewnêtrzne przekroju wzd³u nego prêta. Celem drugiej serii badañ by³o okreœlenie iloœci znacznika, która zapewni jednorodne zabarwienie wyt³oczyny w przekroju poprzecznym. Do badañ stosowano uk³ad zawieraj¹cy 0 g tworzywa (tzw. porcja podstawowa) i 0,06 g znacznika (0,0 %). Iloœæ dozowanego tworzywa dzielono na porcje badane: w pierwszym doœwiadczeniu porcja badana stanowi³a 60 g, w drugim 40 g, a w trzecim 30 g; iloœæ znacznika na porcjê by³a przy tym sta³a i równa 0,06 g, co stanowi³o w kolejnych doœwiadczeniach 0,043 %, 0,065 % i 0,087 % danej porcji (odpowiada³o to wiêc stopniowemu zwiêkszaniu jego stê enia w malej¹cych badanych porcjach tworzywa). Nastêpnie analizowano stopieñ jednorodnoœci w przekroju poprzecznym prêta. Próbki wycinano z prêtów wyt³aczanych z udzia³em 0,087 % znacznika i ze sta³¹ prêdkoœci¹ obwodow¹ œlimaka 0, m/s oraz liczb¹ obrotów s - i 0,5 s -, odpowiednio w odniesieniu do wyt³aczarki jednoœlimakowej i œlimakowo-tarczowej. Ocena stopnia ujednorodnienia na podstawie przekrojów umo liwi³a charakterystykê homogenizacji w odpowiednich strefach wyt³aczarek. WYNIKI BADAÑ I ICH OMÓWIENIE Zaobserwowano, e prêty uzyskane w pierwszej serii badañ wykazuj¹ zmianê intensywnoœci zabarwienia wzd³u prêta, niezale nie od iloœci zastosowanego tu znacznika (rys. 4). W pocz¹tkowej czêœci prêta Rys. 4. Próbki prêtów z ró n¹ iloœci¹ znacznika (wyt³aczarka jednoœlimakowa): a) 0,03 g, b) 0,06 g, c) 0,05 g, d) 0,078 g Fig. 4. Rod samples with different amounts of a marker (singlescrew extruder): a) 0.03 g, b) 0.06 g, c) 0.05 g, d) g g m p, ,03 0,06 0,039 0,05 0,065 0,078 iz, g Rys. 5. Zale noœæ masy zabarwionej czêœci prêtów (m p )od iloœci znacznika (iz); wyt³aczarka: jednoœlimakowa, œlimakowo-tarczowa (masa podstawowa tworzywa = 0 g) Fig. 5. Dependence of the weight of colored parts of the rods (m p ) on the marker amount (iz). Extruder: single-screw one, screw-disk one (basic polymer weight = 0 g) zabarwienie zwiêksza siê na krótkim odcinku, a dalej stopniowozanikanaznacznejd³ugoœcidobarwy w³asnej tworzywa. Na wstêgach wyraÿnie widaæ pocz¹tek rozprowadzenia znacznika koloryzuj¹cego. Znacznik ten rozmieszcza³ siê wzd³u linii œrubowej,

4 POLIMERY 005, 50,nr5 377 a) m, g ,067 0,084 v,m/s 0,00 0,7 0,34 0,67 0,83,00,7,33 n,s - b) m, g v,m/s 0,067 0,084 0,00 0,7 0,34 0,6 0, 0,5 0,9 0,33 n,s - Rys. 6. Zale noœæ masy zabarwionej czêœci wyt³oczyny (m) od prêdkoœci obwodowej (v) i liczby obrotów (n) œlimaka. Wyt³aczarka: a) jednoœlimakowa, b) wyt³aczarka œlimakowo-tarczowa; iloœæ znacznika: 0,06 g, 0,05 g Fig. 6. Dependence of the weight of colored part of extrudate (m) on tangential velocity (v) and on the number of revolutions (n) of the screw. Extruder: single-screw one, screw-disk one. Marker amount: 0.06 g, 0.05 g Rys. 7. Powierzchnia przekroju wzd³u nego prêta z zawartoœci¹ 0,065 % znacznika œrednicy 0 mm: a) zewnêtrzna, b) wewnêtrzna; B obrót próbki A o 80 o Fig. 7. Longitudinal section surface of the rod of 0 mm diameter, containing % of the marker: a) exterior, b) interior. B 80 o turn of sample A Rys. 8. Prêty œrednicy 0 mm i wstêgi tworzywa (wyt³aczarka jednoœlimakowa) z zawartoœci¹ znacznika: 0,0 %, 0,043 %, 3 0,065 % Fig. 8. Rods of 0 mm diameters and polymer ribbons (singlescrew extruder) containing the following amounts of a marker: 0.0 %, %, % stopniowo barwi¹c tworzywo wype³niaj¹ce kana³ œrubowy œlimaka. D³ugoœæ drogi rozprowadzania znacznika wzd³u wyt³oczyny zale y od jego jednorazowo dodanej iloœci. D³ugoœæ ta zwiêksza siê wraz ze wzrostem iloœci dodawanego znacznika w wyt³oczynie otrzymywanej z wyt³aczarki zarówno jednoœlimakowej, jak i œlimakowo-tarczowej (rys. 5). Prêty o wiêkszej masie uzyskiwano w przypadku wyt³aczarki œlimakowo-tarczowej. Œwiadczy to o bardziej równomiernym rozprowadzeniu znacznika w strefie tarczowej, z czego wynika wiêksza jednorodnoœæ wyt³oczyny. W przypadku wyt³aczania w wyt³aczarce jednoœlimakowej masa wyt³oczyny, w której obecny by³ znacznik, maleje wraz ze wzrostem liczby obrotów œlimaka. Odwrotnie, w odniesieniu do wyt³aczarki œlimakowotarczowej masa wyt³oczyny zwiêksza siê (rys 6). Zaobserwowano wyraÿne ciemne smugi znacznika koloryzuj¹cego na powierzchniach zewnêtrznych i wewnêtrznych przekroju wzd³u nego prêta (rys. 7). Œwiadczy to o nierównomiernym rozprowadzeniu znacznika w masie próbki. W drugiej serii badañ otrzymywano prêty z przemiennie wystêpuj¹cymi odcinkami o ró nym stopniu zabarwienia, które widoczne s¹ tak e na zdjêtych ze œlimaka wstêgach tworzywa (rys. 8). Zwiêkszanie stê enia znacznika koloryzuj¹cego w tworzywie od 0,0 %, poprzez 0,043 % do 0,065 % powoduje wyd³u enie odcinka prêta zabarwionego i jednoczeœnie uzyskanie równomiernego, jednorodnego koloru. Jednorodne zabarwienie wyt³oczyny otrzymano dopiero stosuj¹c 0,087 % znacznika na porcjê 30 g tworzywa (próbka niepokazana na rys. 8). Na przekrojach poprzecznych wyt³oczyny (rys. 9) widoczne jest nierównomierne rozprowadzenie znacz-

5 378 POLIMERY 005, 50,nr5 Rys. 9. Przyk³adowe przekroje poprzeczne prêtów œrednicy 0 mm (stê enie znacznika 0,087 %); wyt³aczarka: a) jednoœlimakowa, b) œlimakowo-tarczowa Fig. 9. Example cross-sections of the rods of 0 mm diameters (marker concentration %). Extruder: single-screw one, screw-disk one nika koloryzuj¹cego (smugi), choæ powierzchnia zewnêtrzna prêtów by³a kolorystycznie jednorodna. Wiêksze nierównomiernoœci wystêpuj¹ w przypadku wyt³aczarki jednoœlimakowej (rys. 9a) s¹ to smugi o intensywnej barwie, a znaczna iloœæ znacznika skupi³a siê w œrodku próbki. Rozprowadzanie nastêpuje wiêc od œrodka prêta w kierunku powierzchni zewnêtrznej. Mniejsze nierównomiernoœci rozprowadzenia znacznika s¹ natomiast widoczne w próbce uzyskanej z wyt³aczarki œlimakowo-tarczowej (rys. 9b). Tu kolor jest bardziej jednorodny, co œwiadczy o bardziej równomiernym rozprowadzeniu znacznika. W tym przypadku znacznik by³ rozprowadzany od powierzchni zewnêtrznej do osi, co potwierdza jasny (kolor czystego tworzywa) œrodek próbki. WNIOSKI Porównywano efekt ujednorodniania tworzywa w trakcie jego uplastyczniania w kanale œrubowym œlimaka klasycznej wyt³aczarki jednoœlimakowej i w sto kowym obszarze miêdzytarczowym wyt³aczarki œlimakowo-tarczowej. Odmienny sposób rozprowadzania znacznika koloryzuj¹cego w wyt³oczynie wskazuje na ró ne przebiegi ujednorodniania. W wyt³aczarce jednoœlimakowej znacznik jest rozprowadzany w strefie homogenizacji od œrodka wyt³oczyny w kierunku powierzchni zewnêtrznej, natomiast w wyt³aczarce œlimakowo-tarczowej w strefie miêdzytarczowej od powierzchni zewnêtrznej wyt³oczyny do jej œrodka. Zdjêcie wstêgi wyt³oczyny ze œlimaka wyt³aczarki jednoœlimakowej pozwala na obserwacjê zarówno rozprowadzania koloryzuj¹cego znacznika w wyt³oczynie, jak i pocz¹tku rozprowadzania; sposobu tego nie mogliœmy wykorzystaæ w wyt³aczarce œlimakowo-tarczowej. Masa zabarwionego odcinka prêtów w warunkach sta³ej prêdkoœci obwodowej œlimaka w przypadku wyt³aczania zarówno w wyt³aczarce jednoœlimakowej, jak i œlimakowo-tarczowej zwiêksza siê ze wzrostem stê enia dodawanego znacznika. Masa odcinka wyt³oczyny zawieraj¹cego znacznik zale y od liczby obrotów œlimaka. Maleje ona wraz ze wzrostem tej liczby w wyt³aczarce jednoœlimakowej, a roœnie w wyt³aczarce œlimakowo-tarczowej. Równomierne zabarwienie wyt³oczyny uzyskiwano stosuj¹c 0,087 % znacznika. Stwierdzono, e w sto kowej szczelinie miêdzytarczowej wyt³aczarki œlimakowo-tarczowej ujednorodnianie tworzywa przebiega znacznie lepiej ni w kanale œrubowym œlimaka wyt³aczarki jednoœlimakowej. Praca wykonana w ramach projektu KBN 64/T08/00/3. LITERATURA. Sikora R.: Przetwórstwo tworzyw wielkocz¹steczkowych, Wyd. Edukacyjne, Warszawa Sikora R., Sasimowski E.: Int. Polym. Proc. 003, 8, Sikora R., Sasimowski E.: Polimery 00,47, Pahl.M.H.: MischenvonKunststoffundKautschukprodukten, VDI Verlag, Düsseldorf 993, str Diakun J.: In. Aparatura Chem. 00, 4, 4s, Radomski G.: In. Aparatura Chem. 003, 4, 3s, Stasiek J.: Polimery 996, 4, Potente H., Koch M.: Plastverarbeiter 986, 37, Radomski G.: In. Aparatura Chem. 00, 4, 4s, Pat. pol (99). Otrzymano 3 IV 004 r. Wersja skorygowana 7 XI 004 r.