Ответ прост: потому что все полимеры разные.
Разница в технологических свойствах таких широко используемых полимеров как ударопрочный полистирол (УППС) и полиэтилен низкого давления (ПЭНД) позволяет понять, почему очень сложно сконструировать шнек, который будет одинаково хорошо работать с обоими этими материалами.
Совсем недавно кто-то спросил меня об «универсальных» экструзионных шнеках: «В чем загвоздка? Почему не может быть одного шнека для работы со всеми полимерами?». Для многих людей весь «пластик» одинаков, а ведь на самом деле различные виды пластмасс могут иметь совершенно разный набор характеристик.
Шнек выполняет три основные функции: подачу твердых гранул, плавление и дозирование. Каждая из этих функций определяется индивидуальными особенностями конкретного полимера, а именно их термическими и вязкоупругими свойствами, плотностью в твердом состоянии и в расплавленном, а также фрикционными свойствами. Эти характеристики могут быть настолько разнообразны, что вряд ли найдется универсальный шнек, который сможет эффективно перерабатывать их все. Это не означает, что разные полимеры вообще нельзя обрабатывать на одном конкретном шнеке, но означает, что эффективность такой переработки не будет оптимальной.
Давайте сравним, например, ПЭНД с УППС. Это два наиболее часто используемых в экструзии полимера. Сравним их по удельной теплоемкости и температуре обработки, то есть количеству энергии, необходимому для доведения их до температуры обработки. В этом случае температуры обработки обоих материалов относительно схожи, но ПЭНД имеет среднюю удельную теплоемкость 1,28 кДж/кг°С, в то время как полистирол имеет среднюю удельную теплоемкость 0,93 кДж/кг°С, а значит для достижения температуры переработки для ПЭНД потребуется на 37,5% больше энергии.
Свойства полимеров настолько разнообразны, что практически невозможно представить возможность появления универсального шнека для эффективной переработки всех видов пластика.
Более того, ПЭНД является кристаллическим полимером, а значит имеет определенную температуру плавления, в то время как полистирол является аморфным материалом и не имеет точной температуры плавления. На преодоление кристалличности ПЭНД требуется дополнительно 232 кДж/кг, а значит в целом этот материал требует практически на 50% больше энергии для достижения температуры переработки.
Полимеры также различаются своими вязкоупругими свойствами, то есть тем, как вязкость изменяется при изменении температуры и скорости сдвига расплава. Это важное свойство, поскольку оно определяет, насколько сдвиг, вызванный вращением шнека, увеличивает энергию, поступающую в полимер. Коэффициент закона степенной зависимости (n) представляет собой показатель, связанный в первую очередь с вязкостью, на которую влияет скорость сдвига, а индекс консистенции (m) представляет собой меру, связанную с вязкостью, на которую влияет температура. Эти два свойства и определяют изменения вязкости расплава при увеличении скорости сдвига и температуры. Полистирол имеет примерно на 50% большее изменение вязкости при сдвиге, чем ПЭНД.
ПЭНД имеет около 90% плотности полистирола в твердом состоянии и только 77% плотности расплава. Этот полимер разрушает свою упорядоченную кристаллическую структуру и расширяется по мере плавления, а это приводит к уменьшению пропускной способности шнека. Для получения одинаковой пропускной способности на оборот шнека, глубина рабочих каналов на нем должна быть на 38% больше для ПЭНД, чем для УППС, а также потребуется компенсация коэффициента сжатия шнека и объема, чтобы приспособиться к расширению.
Как уже отмечалось выше, ударопрочный полистирол имеет большую реакцию вязкости на скорость сдвига (степенной коэффициент), чем ПЭНД. Таким образом, более глубокие каналы, необходимые для получения ПЭНД равной производительности с УППС, приведут к плохому или неполному плавлению УППС, если перерабатывать его на том же шнеке.
Скорость подачи, определяющая общую производительность шнека, зависит от физических свойств перерабатываемого материала, а именно от формы гранул, их плотности, объемной плотности, внутреннего трения (между частицами) и внешнего трения частиц о металлические поверхности бункера экструдера, горловины и корпуса. Исследования показали, что динамический коэффициент трения полистирола по стали на 50% выше, чем у полиэтилена низкого давления. Это влияет на скорость его подачи, а также на степень уплотнения твердых частиц в крайних каналах шнека и, в конечном итоге, на эффективность его плавления.
При попытках совместить особенности полимеров для разработки универсального шнека стоит отметить, что один отличительный фактор может быть компенсирован другим. Например, ПЭНД и ПС не сильно различаются по характеристикам, но все же легко понять, почему невозможно сконструировать шнек для эффективной работы с обоими полимерами. А если представить, что нужен один шнек для материалов, имеющих высокую температуру плавления? Как, например, поликарбонат? Или для пластиков, требующих тщательной сушки перед переработкой?
В этих случаях свойства слишком разные, и эта разница будет сильно влиять на эффективность и экономичность процесса переработки, а, следовательно, по-прежнему приходим к необходимости разработки специальных конструкций шнеков для конкретных полимеров.
Важно отметить, что достаточно всего лишь один раз разработать дизайн шнека для конкретного материала, а затем использовать масштабирование для изготовления разных размеров. Нет необходимости продумывать конструкцию для каждого размера отдельно, за исключением случаев, когда требуются очень большие изменения для получения необходимой производительности.
