No mundo da composição e extrusão de materiais, as extrusoras-de parafuso duplo são o coração da produção. Seu desempenho determina diretamente a qualidade da mistura, a eficiência da produção e as propriedades mecânicas do produto final.
NoBem, entendemos que escolher a tecnologia certa-Co-rotaçãoouContra-rotação-é fundamental para seu aplicativo específico. Embora a diferença possa parecer ser apenas a direção da rotação, nossas simulações e testes de campo de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) revelam distinções significativas nas características de processamento, capacidades de mistura e adaptabilidade do produto.
Este artigo analisa essas diferenças técnicas para ajudá-lo a tomar uma decisão informada para sua linha de produção.
A diferença fundamental: princípio de funcionamento
A principal distinção está na forma como os parafusos interagem com o material:
Extrusoras de parafuso duplo co{0}}rotativas:
• Rotação: Ambos os parafusos giram na mesma direção.
• Mecanismo: O impulso das hélices da hélice é sobreposto. O material é transportado em um caminho "∞" (figura - oito), criando um efeito de transporte forçado.
Modo de acoplamento de-parafuso duplo-co-rotativo
Extrusoras de parafuso duplo contra{0}}rotativas:
Rotação: Os parafusos giram em direções opostas.
Mecanismo: As forças de impulso se compensam. O material viaja em uma trajetória em forma de "C"-dentro de câmaras fechadas, passando por misturas e reações repetidas.
Modo de acoplamento de parafuso duplo-contra-rotativo-
Análise de Resultados de Simulação: Campo de Pressão
Com base no mapa de nuvens de pressão (Fig. 3) e na curva de variação de pressão (Fig. 4), foram feitas as seguintes observações:
• Parafuso duplo co-rotativo:A pressão dentro do canal de fluxo exibe flutuações rítmicas. Essas flutuações correspondem à posição dos voos do parafuso (como visto na Fig. 4). Como as hélices do parafuso são cristas elevadas, o material sofre intensas forças de compressão e cisalhamento ao passar sobre elas, resultando em picos de pressão mais elevados nos locais das hélices.
• Parafuso duplo-contra-rotativo:A pressão inicialmente aumenta e depois diminui ao longo da direção de extrusão, caracterizada por um fenômeno significativo de alta-pressão localizada na seção intermediária. Esta alta pressão ocorre na zona de entrelaçamento (referenciando a Fig. 2). A rotação oposta dos parafusos faz com que o material flua de forma desigual ou fique bloqueado, levando ao acúmulo de material no centro, o que gera esta alta pressão localizada.
Diagrama de nuvem de pressão no corredor durante o processo de extrusão
histórico de pressão
Análise de resultados de simulação: campo de taxa de cisalhamento
Com base no contorno da taxa de cisalhamento (Fig. 5) e na curva de variação (Fig. 6), as observações são as seguintes:
• Comportamento Geral (Ambos os Tipos):Nos processos de co-rotação e contra{1}}rotação, a taxa de cisalhamento é consistentemente mais alta nas passagens do parafuso e mais baixa nos canais do parafuso. Isso ocorre porque a folga entre a rosca e a parede do cilindro é mínima, acelerando o fluxo do material e induzindo altas forças de cisalhamento. Em contraste, a folga maior nos canais do parafuso resulta em taxas de cisalhamento mais baixas.
• Parafuso duplo-contra-rotativo:Este tipo exibe picos localizados na taxa de cisalhamento. Este fenômeno é causado especificamente pelo fluxo de vazamento (normalmente ocorrendo através das folgas estreitas na região entrelaçada).
Gráfico de nuvem da taxa de cisalhamento durante o processo de extrusão
Curva de variação da taxa de cisalhamento
Análise de desempenho de mistura de materiais
A mixagem é dividida em duas categorias principais: Distributiva e Dispersiva.
Mistura Distributiva:O processo de redistribuição e reorientação de materiais para alcançar a homogeneidade.
Mistura Dispersiva:O processo de redução do tamanho das partículas do material por meio de forças de estiramento e cisalhamento.
O Método de Partículas Rastreadoras é usado para quantificação, analisando parâmetros de trajetória como Tempo de Residência (RT), Escala de Separação e Tensão Máxima de Cisalhamento para avaliar diferenças de mistura.
Desempenho de Mistura Axial: Distribuição do Tempo de Residência (RTD)
A Distribuição do Tempo de Residência (RTD) é uma métrica crítica para mistura axial, descrevendo a distribuição estatística do tempo que o material passa dentro da extrusora. É representado por funções de probabilidade e densidade de probabilidade.
Distribuição cumulativa do tempo de residência
A curva de distribuição do tempo de residência cumulativo (Fig. 7) ilustra a probabilidade cumulativa de fluido ou material permanecer dentro da extrusora.
No sistema de parafuso duplo-co-rotativo-, as partículas traçadoras começam a sair do canal em1.00 se saia totalmente por54.82 s, dando um intervalo de tempo de residência de53.82 s.
No sistema de parafuso duplo-contra-rotativo-, as partículas traçadoras saem primeiro em1.48 se saia completamente por59.80 s, resultando em um intervalo de tempo de residência de58.32 s.
A curva cumulativa do parafuso duplo-co-rotativo-permanece acima da curva do sistema contra-rotativo-, indicando uma proporção maior de partículas saindo do canal a qualquer momento.
Distribuição cumulativa do tempo de permanência
Distribuição do Tempo de Residência
A curva de densidade de probabilidade de{0}tempo de residência ilustra a probabilidade de o material permanecer dentro da extrusora durante diferentes intervalos de tempo. Uma densidade mais alta indica uma maior probabilidade de o material permanecer dentro daquela janela de tempo específica, enquanto uma densidade mais baixa reflete menos ocorrências.
De acordo com a função de densidade de probabilidade (Fig. 8):
A maioria das partículas na extrusora de rosca dupla-co-rotativa-fica dentro1.00–1.99 s, enquanto no sistema contra{0}}rotativo eles se concentram dentro1.48–2.97 s. A curva co-rotativa se desloca mais para a esquerda e mostra um pico mais alto, indicando um desempenho de transmissão mais forte. Isso provavelmente se deve ao caminho de transporte forçado em "formato ∞-" característico dos parafusos co-rotativos.
Em contraste, a extrusora-contra-rotativa conduz o material ao longo de uma trajetória em forma de "C-", onde a mistura repetida e a re{2}}circulação dentro da câmara C-aumentam o tempo de residência.
distribuição do tempo de residência
Desempenho de mixagem distributiva
Índice Distributivo
O índice distributivo reflete o comportamento reológico e as características de fluxo do material durante a extrusão. Conforme mostrado na curva do índice distributivo (Fig. 9), a extrusora de rosca dupla-contra-rotativa demonstra melhor uniformidade distributiva em comparação com o sistema co-rotativo.
Índice de distribuição
Escala de Separação
A escala de separação caracteriza o progresso da mistura distributiva. Conforme mostrado na Fig. 10, a escala de separação inicial é grande porque os dois tipos de partículas entram por lados opostos. À medida que a mistura avança, a escala de separação diminui devido à ação dispersiva-induzida pelo parafuso, indicando uma mistura mais profunda-no nível da superfície. As flutuações observadas são causadas pela agregação de partículas durante o fluxo.
A curva de-escala de separação da extrusora de rosca dupla-co-rotativa permanece consistentemente abaixo da do sistema contra{3}}rotativo, demonstrando sua capacidade de mistura distributiva mais forte.
Na extrusão de parafuso duplo co-rotativa-, ambos os parafusos giram na mesma direção e geram forte cisalhamento na zona de entrelaçamento. Isto promove a troca frequente de material entre as roscas, proporcionando uma mistura distributiva mais uniforme.
Por outro lado, a extrusão em contra-rotação retém a maior parte do material dentro da câmara em formato-de C. Apenas uma pequena porção entra na região do vão onde ocorrem cisalhamento e alongamento. O maior grau de encapsulamento reduz o fluxo irregular, mas também diminui a uniformidade geral da mistura.
Desempenho de mistura dispersiva
A mistura dispersiva é definida pela redução progressiva do tamanho das partículas, impulsionada principalmente por tensões de cisalhamento e alongamento. A tensão de cisalhamento máxima experimentada pelas partículas traçadoras reflete a intensidade do processo dispersivo. Uma proporção maior de partículas submetidas a alto cisalhamento indica maior capacidade dispersiva.
Conforme mostrado na Figura. 11, o parafuso duplo-contra-rotativo-exibe uma curva de probabilidade mais alta, sugerindo que ele expõe mais partículas a níveis de cisalhamento elevados.
Probabilidade de tensão de cisalhamento máxima
A figura. 12 mostra a densidade de probabilidade da tensão de cisalhamento máxima, onde o pico indica o nível de tensão experimentado com mais frequência pelas partículas.
As características da curva de ambos os sistemas confirmam que o parafuso duplo-contra-rotativo-fornece forças de cisalhamento e alongamento mais fortes, resultando em mistura dispersiva superior em comparação com o projeto co-rotativo.
Análise de teste de impacto de tração
As Figuras. 13 e 14 resumem os resultados dos testes de tração e impacto.
O material extrudado pelo parafuso duplo-co-rotativo-mostra resistência à tração e alongamento na ruptura um pouco maiores.
Por outro lado, as amostras do sistema de contra{0}rotação exibem absorção de energia de impacto e resistência ao impacto marginalmente maiores.
Dados de teste de tração
Dados de teste de impacto
Vantagens das extrusoras de parafuso duplo co-rotativas-:
Campo de fluxo mais estável, especialmente em termos de controle de pressão.
Distribuição forte-desempenho de mistura com alta uniformidade de material.
Tempo de permanência mais curto e maior eficiência de transporte, ideal para formulações-sensíveis ao calor e minimizando a degradação térmica.
Os extrudados apresentam melhores propriedades de tração.
Vantagens das extrusoras de parafuso duplo-contra-rotativas-:
Capacidade de criação de-pressão mais alta (com atenção aos picos de pressão localizados).
Efeitos de cisalhamento e alongamento mais fortes, proporcionando mistura dispersiva superior.
Distribuição de tempo de residência-mais longa e ampla, adequada para processos que exigem reação prolongada ou tempo de mistura.
Os extrudados apresentam maior resistência ao impacto e menor viscosidade de fusão devido à cisão mais extensa da cadeia.