PL220588B1 - Wytłaczarka ślimakowa - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest wytłaczarka ślimakowa, przeznaczona do przetwórstwa tworzyw polimerowych, zawłaszcza tworzyw poliestrowych o znacznej podatności na degradację w procesie ich przetwarzania. Wytłaczarka charakteryzuje się tym, że strefa (3) wstępnego uplastyczniania ślimaka (1), o długości co najmniej 6-krotnej średnicy cylindra, jest podzielona na swojej długości i składa się z przynajmniej dwóch odcinków (I1, I2), z których pierwszy (I1) jest korzystnie o stopniu sprężania o wartości liczbowej powyżej 1,3 i jest korzystnie o malejącym skoku linii śrubowej zwoju (t1), zaś drugi odcinek (I2) jest korzystnie o stałym stopniu sprężania o wartości liczbowej, wynoszącej 1,3, i jest korzystnie o stałym skoku linii śrubowej zwoju (t2).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wytłaczarka ślimakowa przeznaczona do przetwórstwa tworzyw polimerowych, zawłaszcza tworzyw poliestrowych o znacznej podatności na degradację w procesie ich przetwarzania.

Obecnie w budowie wytłaczarek dominuje tendencja do konstrukcji maszyn specjalistycznych zamiast uniwersalnych, tj. przeznaczonych do przetwórstwa określonych tworzyw i produkcji wybranego wyrobu, np. wytłaczarek do folii z tworzyw o zwiększonej podatności na degradację, w tym z polipropylenu (PP), a zwłaszcza tworzyw polimerowych biodegradowalnych przeznaczonych do produkcji opakowań techniką termoformowania. Wytłaczarki specjalistyczne umożliwiają osiąganie wyższych wydajności, przy ograniczonym stopniu degradacji przetwarzanego tworzywa, a tym samym wytłaczaniu wyrobu o wysokich właściwościach fizycznych i estetycznych, np. folii o korzystnych właściwościach wytrzymałościowych, zawężonej tolerancji, grubości, dobrej przejrzystości i połysku.

Z obszernej publikacji w czasopiśmie „Progress in Polymer Science” nr 33 z 2008 r., s. 820-852 wynika, że obecnie rynek tworzyw biodegradowalnych zdominowany jest przez produkty bazujące na polikwasie mlekowym (PLA). Wzrost zdolności produkcyjnych PLA do 2014 r., wskutek rosnących umiejętności jego przetwarzania, będzie wynosił ponad 10% rocznie.

Tworzywo PLA może być przetwarzane przy użyciu klasycznych urządzeń do przetwórstwa polimerów. Do wytłaczania folii przeznaczonej do termoformowania można stosować według wytycznych firmy Nature Works Minnetonka, wytłaczarki jednoślimakowe uniwersalne o długości ślimaka (24-36 D) z chłodzoną strefą zasypu cylindra. Zalecane jest stosowanie ślimaków z strefą mieszającą dla ujednorodnienia materiałowego i termicznego uplastycznionego polimeru z dodatkami. Polecany polimer PLA o symbolu 2002D do wytłaczania folii termoformowalnej charakteryzuje się dużym rozrzutem (100%) wartości wskaźnika szybkości płynięcia MFR(_{190; 2},₁₆) = (4-8) g/10 min, co stwarza znaczne wymagania konstrukcyjne ślimaka. Poza tym, zgodnie z publikacją w „Progress in Polymer Science” ujemną właściwością PLA w stanie uplastycznionym jest jego tendencja do degradacji termicznej, która koreluje z temperaturą i czasem przebywania oraz przebiegiem nagrzewania podczas procesu wytłaczania.

Do wytwarzania tworzyw o niekorzystnych właściwościach przetwórczych także podatnych na degradację, przeznaczonych na wyroby o wysokiej jakości, np. z PP, używa się na ogół ślimaków o wydłużonej długości L > 32 D oraz znacznie zmodyfikowanej strefy barierowej uplastyczniania.

Z opisu patentowego nr PL 209 296 B1 znana jest wytłaczarka ślimakowa, której ślimak wyposażony jest w strefę barierową stopniową ograniczają degradację tworzywa.

Znane jest z opisu międzynarodowego nr WO 2009/040 235 A1 rozwiązanie ślimaka wytłaczarki jednoślimakowej przeznaczonej do wytłaczania różnych odmian tworzyw polimerowych, w którym strefa mieszająca wykonana jest jako strefa dwuzwojowa, gdzie drugi zwój o tym samym kierunku pochylenia co zwój pierwotny (również zwany zwojem recyrkulacyjnym) dla kanału podstawowego utworzonego przez zwój podstawowy stanowi barierę. W drugim zwoju, który ma zwiększony luz czołowy w cylindrze, ma wykonane w tym zwoju odpowiednie kanały przepływowe dla uplastycznionego tworzywa, które intensyfikują uplastycznianie i mieszanie. Tak wykonana strefa mieszania ślimaka zwiększa jego uniwersalność zastosowania. Wytłaczarka wyposażona jest w ślimak umieszczony w cylindrze, który ma układ grzewczo-chłodzący, w miarę potrzeby z chłodzeniem rdzenia ślimaka, co umożliwia wytłaczanie szerokiego zakresu tworzyw polimerowych zawierających barwniki i inne materiały dyspergowane, jak uniepalniacze bezhalogenowe i wytłaczanie innych tworzyw, np. sieciowanego polietylenu, elastomeru.

Znane jest z opisu zgłoszeniowego nr DE 102 005 054 265 A1 rozwiązanie ślimaka wytłaczarki jednoślimakowej przeznaczonej do przetwórstwa materiałów, zwłaszcza tworzyw polimerowych. W strefie barierowej ślimaka następuje rozdzielenie strumienia tworzywa w stanie plastycznym lub stopionym od tworzywa w stanie stałym, przy czym w cylindrze i lub zwoju barierowym mogą być wykonane rowki. W przykładzie wykonania ślimaka według tego wynalazku przedstawiono rozwiązanie ślimaka o średnicy 75 mm i długości 36 D zaprojektowanego do przetwórstwa tworzywa polimerowego, zwłaszcza polipropylenu. Ślimak ma na odcinku uplastyczniania strefę barierową wykonaną jako dwuzwojową, gdzie w kanale tworzywa w stanie stałym są odpowiednio rozmieszczono kołki, które częściowo dławią jego przepływ. Kołki umieszczono w kilku rzędach w sposób niesymetryczny na długości odcinka ślimaka od 15 do 19,5 D. Kołki wywołują miejscowe zmniejszenie przekroju poprzecznego kanału, które powoduje przyśpieszenie przepływu, a tym samym powodują w tworzywie

PL 220 588 B1 odkształcenia plastyczne i sprężyste. Te pierwsze odkształcenia zwiększają entalpię tworzywa, czyli przyspieszają jego uplastycznianie, umożliwiając prowadzenie procesu wytłaczania przy wyższej wydajności.

Znane jest również z opisu patentowego US nr 7 156 550 B2 rozwiązanie układu uplastyczniającego przeznaczonego do tworzywa termoplastycznego, zwłaszcza polipropylenu, w którym ślimak w kierunku przepływu tworzywa podzielony jest na następujące strefy: zasilania, sprężania, pierwszego dozowania, barierową oraz strefę drugiego dozowania i reorientacji.

Powyższe rozwiązanie, w porównaniu do klasycznego rozwiązania ślimaka do PP, jest wyposażone w dodatkowe strefy, a mianowicie sprężania i pierwszego dozowania, które są umieszczona przed strefą barierową. Poza tym w strefie drugiego dozowania znajdują się elementy reorientacji tworzywa, zamiast elementów mieszających, co wydłuża ślimak. Zmiany konstrukcyjne wynikają z wyższych wymagań w procesie przetwarzania PP w porównaniu do przetwarzania polietylenu (PE), a mianowicie wynikające z wyższego stopnia krystaliczności i sztywności oraz niższej lepkości w stanie stopionym. Wyższa sztywność utrudnia sprężanie i transportowanie tworzywa w strefie zasilania i sprężania ślimaka, natomiast wyższy stopień krystaliczności wymaga wprowadzenia większej ilości ciepła do stopienia tworzywa, natomiast niższa lepkość w stanie stopionym obniża rozproszenie energii napędu ślimaka w strefie uplastyczniania.

Przedstawione w opisach zgłoszeniowych: nr WO 2009/040 235 A1 i nr DE 102 005 054 265 A1 wytłaczarki, pomimo znacznych udoskonaleń w zakresie rozwiązań konstrukcyjnych, zwłaszcza strefy uplastyczniania oraz modyfikacji pozostałych stref ślimaka, w tym również zastosowaniu dodatkowej strefy sprężania i dozowania przed strefą barierową według opisu patentowego nr US 7 156 550 B2, charakteryzują się obniżeniem jakości uplastyczniania i istotnym wzrostem degradacji tworzywa polimerowego przy zwiększonej wydajności wytłaczania. Powyższemu zjawisku można zapobiec poprzez zastosowanie przed strefą barierową odpowiedniej modyfikacji kształtu kanału ślimaka w wyniku jednoczesnego zmniejszenia jego głębokości i skoku zwoju przy nieznacznym wzroście stopnia sprężania.

Wytłaczarka ślimakowa według wynalazku wyposażona jest w układ uplastyczniający, składający się z cylindra, w którym obrotowo umieszczony jest ślimak wyposażony w kierunku transportowania tworzywa w strefy: zasilania, wstępnego uplastyczniania, barierową, dozowania i ujednorodniania. Strefa wstępnego uplastyczniania ślimaka o długości co najmniej 6-krotnej średnicy cylindra jest podzielona na swojej długości i składa się z przy najmniej dwóch odcinków, z których pierwszy jest o stopniu sprężania o wartości liczbowej powyżej 1,3 i korzystnie malejącym skoku linii śrubowej zwoju, zaś drugi odcinek jest korzystnie o stałym stopniu sprężania o wartości liczbowej wynoszącej 1,3 i korzystnie o stałym skoku linii śrubowej zwoju.

Takie funkcjonalne skojarzenie przedstawionych środków technicznych strefy wstępnego uplastyczniania ślimaka według wynalazku dało nowy i nieoczekiwany efekt techniczny umożliwiający prowadzenie z dużą wydajnością procesu wytłaczania przy niskim stopniu degradacji tworzywa polimerowego, określonym poprzez zmianę wskaźnika szybkości płynięcia poniżej 20% oraz zapewniający nagrzanie tworzywa do wymaganej temperatury topnienia w zakresie ± 10°C i jego uplastycznianie w co najmniej 25%.

Przedmiot wynalazku, nie ograniczając jego zakresu uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym ślimak wytłaczarki o średnicy 45 mm i długości roboczej L = 32 D w widoku z boku.

Transportowane tworzywo w strefie (2) zasilania ślimaka (1) jest nagrzewane głównie ciepłem doprowadzanym z grzejników umieszczonych na cylindrze wytłaczarki nie uwidocznionym na rysunku. Poza tym, część ciepła nagrzewającego tworzywo jest wytwarzana dzięki tarciu zewnętrznemu tworzywa o ścianki kanału ślimaka (1) i ścianki wewnętrzne cylindra. W strefie (3) wstępnego uplastyczniania ślimaka (1) tworzywo jest głównie nagrzewane i wstępnie uplastycznione dzięki rozpraszaniu energii mechanicznej napędu ślimaka (1), powodujące generowanie ciepła w tworzywie wskutek tarcia zewnętrznego i wewnętrznego tworzywa.

Strefa (3) wstępnego uplastyczniania ślimaka (1) o długości 6-krotnej średnicy (D) cylindra jest podzielona na swojej długości i składa się z dwóch odcinków (I₁ i I₂), z których pierwszy (I₁) jest o stopniu sprężania o wartości liczbowej 1,4 i malejącym skoku linii śrubowej zwoju (t₁ = 55 - 45), zaś drugi odcinek (I₂) jest o stałym stopniu sprężania o wartości liczbowej wynoszącej 1,3 i stałym skoku linii śrubowej zwoju (t2 = 45).

Intensywność rozpraszania energii napędu ślimaka zależy od stopnia sprężania tworzywa w strefie (3) oraz sposobu jego uzyskania, tj. zmiany skoku linii śrubowej zwoju i głębokości kanału

PL 220 588 B1 śrubowego ślimaka. Zmiany skoku linii śrubowej (t1) mają mniejszy wpływ na wartość ścinania tworzywa, w tym degradacji tworzywa niż zmiany głębokości kanału śrubowego. Natomiast zastosowanie zmiany skoku linii śrubowej (t1) powoduje zmniejszenie stopienia degradacji tworzywa w procesie jego wytłaczania. Dalsze ograniczenie stopnia degradacji tworzywa umożliwia zastosowanie dwustopniowej strefy (4) barierowej ślimaka (1). Ślimak (1) zapewnia uzyskanie odpowiedniego rozkładu strumienia ciepła generowanego w tworzywie wzdłuż strefy (3) wstępnego uplastyczniania, jak również strefy (4) barierowej ograniczających istotnie miejscowe przegrzewanie, a tym samym degradacje tworzyw o mniejszej odporności na degradację, przykładowo dla tworzywa PLA typu 2002D.

Uplastycznione tworzywo ze strefy (4) barierowej zostaje przemieszczone do niewidocznej na rysunku, zaopatrzonej m.in. w elementy mieszające strefy dozowania i ujednorodniania, w której zachodzi proces transportowania i ujednorodniania materiałowego i termicznego tworzywa. Następnie, uplastycznione i ujednorodnione tworzywo jest przetłaczane do głowicy formującej wytwór, np. folię.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Wytłaczarka ślimakowa, wyposażona w układ uplastyczniający, składający się z cylindra, w którym obrotowo umieszczony jest ślimak wyposażony w kierunku transportowania tworzywa w strefy:

   zasilania, wstępnego uplastyczniania, barierową, dozowania i ujednorodniania, znamienna tym, że strefa (3) wstępnego uplastyczniania ślimaka (1) o długości co najmniej 6-krotnej średnicy (D) cylindra jest podzielona na swojej długości i składa się z przy najmniej dwóch odcinków (l1 i l2), z których pierwszy (l1) jest korzystnie o stopniu sprężania o wartości liczbowej powyżej 1,3 i jest korzystnie o malejącym skoku linii śrubowej zwoju (t₁), zaś drugi odcinek (l₂) jest korzystnie o stałym stopniu sprężania o wartości liczbowej wynoszącej 1,3 i jest korzystnie o stałym skoku linii śrubowej zwoju (t2).