پلیمر ما
0  

همه چیز درباره فرایند اکستروژن

همه چیز درباره فرایند اکستروژن

فرایند شکل دهی اکستروژن

 

اکستروژن چیست؟ به همراه فیلم آموزشی

ساختار اکسترودر

نواحی سه گانه مارپیچ

مکانیزم جریان در فرایند اکستروژن

پروفایل دمایی در فرایند اکستروژن

کواکستروژن

اکستروژن تهویه دار

اکستروژن دومارپیچ

محصولات قابل تولید با فرایند اکستروژن

 

 

اکستروژن را می توان به عنوان فرایند تولید محصول توسط پیش راندن مواد از میان یک دای یا دهانه تعریف کرد تا توسط آن ها به شکل دلخواه دربیایند. این محصولات که توسط دستگاهی به نام اکسترودر ساخته می وند میتوانند محصول نهایی، و یا غیر نهایی باشند.

در اکستروژن (روزن رانی) یک ماده ترموپلاستیک، ابتدا حرارت مواد را نرم کرده تا آماده شکل دهی شوند. دستگاه اکسترودر این فرایند را انجام میدهد. این فرآیند نرم شدن plastication  یا thermal softening نامیده شده است. رایج ترین توع اکسترودر مورد استفاده، اکسترودر تک پیچه است. این اکسترودر شامل یک دای می باشد که وظیفه فرم دهی محصول را دارد.

دستگاه اکسترودر فرایند اکستروژن

به طور خلاصه در یک فرایند شکل دهی در اکسترودر مراحل زیر انجام می شود:

ابتدا انتقال مواد جامد از قیف (hopper) به مارپیچ انجام می شود، سپس مواد جامد فشرده شده و کم کم شروع به ذوب شدن در قسمت پایین تر برل می کند، اختلاط شروع شده و پس از کامل شدن، اکسترودر مواد مذاب مخلوط شده را از میان یک دای که در انتهای اکسترودر قرار دارد پمپ می کند.

فیلمی از فرایند اکستروژن را اینجا ببینید. برای فیلم های بیشتر می توانید به کانال پلیمر ما در آپارات مراجعه کنید.

 

برای مطالعه درباره دستگاه اکسترودر و اجزای مختلف آن مقاله

" همه چیز درباره دستگاه اکسترودر"

را مشاهده کنید.

 

ساختار اکسترودر

در شکل زیر یک برش عرضی از دستگاه را مشاهده می کنید که قسمت های مختلف یک اکسترودر و ترتیب قرار گیری آن ها را نشان می دهد. پیچه و برل (barrel) دو قسمتی هستند که مواد پلیمری را حمل می کنند. مواد را ذوب کرده، سپس آن هارا به داخل دای می فرستند. موتور الکتریکی و جعبه دنده پیچه را چرخانده و سرعت آن را تنظیم می کنند. کنترل کننده های دما به المنت های حرارتی یا خنک کننده روی برل متصل هستند تا دما را در نقاطی که توسط کابر تنظیم شده اند ثابت نگهدارند. طراحی و متعاقب آن توانایی برل و پیچه به موادی بستگی دارد که قرار است اکسترودر مورد نظر برای آن ها استفاده شود.

شمای عرضی دستگاه اکسترودر

سرعت مارپیچ چرخان به طور معمول تا 120rpm افزایش پیدا می کند و نیروی ایجاد شده ذرات پلاستیک را به سمت قسمت های جلوی برل هدایت می کند.

مارپیچ از یک سیلندر استیل با یک کانال مارپیچی شکل برش داده شده بر روی آن تشکیل شده است. مارپیچ با چرخش خود داخل برل وظیفه انتقال مواد از قیف ورودی تا دای را ایفا می کند.

 

نواحی سه گانه مارپیچ:

یک پیچه به طور معمول به سه ناحیه تقسیم می شود. ناحیه تغذیه (feeding)، ناحیه ذوب (compressing) و ناحیه اندازه گیری یا پمپ (metering).

نواحی مارپیچ تغذیه ذوب اندازه گیری

  ناحیه تغذیه یا feeding:

ناحیه تغذیه که مواد را از قیف حمل می کند، از انتهای قیف شروع شده و معمولا عمق ثابتی دارد. طول این ناحیه تابع خواص مواد، هندسه مارپیچ و شرایط فراوری است.

معمولا قسمت تغذیه را شیار دار می سازند تا در راستای محور باعث افزایش اصطکاک شود؛ اما برای عدم افزایش فشار به مقدار بیش از ظرفیت تحمل مارپیچ یا برل، طول این شیر ها باید حداکثر 3/4 برابر قطر مارپیچ باشد.

معمولا از مارپیچ میلفر (maillefer) و مارپیچ حائل (barrier) برای اطمینان از کیفیت بالا و تکرار پذیری استفاده می شود. مارپیچ maillefer با استفاده از سیستم حذف مذاب، عرض بستر جامد را ثابت نگه می دارد، درحالیکه مارپیچ حائل از عمق کانال ثابت با کاهش تدریجی در عرض بستر استفاده می کند.

مارپیچ مایلفر و بریر maillefer screw

ناحیه ذوب compressing

در ناحیه ذوب قطر میله اصلی پیچه به تدریج افزایش پیدا می کند. این ناحیه وظیفه اصلی ذوب را بر عهده دارد. این افزایش تدریجی قطر ماردون سبب افزایش تنش های برشی به مواد می شود و باعث سهولت در ذوب آن ها خواهد شد. ناحیه ذوب نیز از نواحی بسیار مهم و طراحی آن بسیار حیاتی می باشد.

 

ناحیه اندازه گیری یا پمپ metering

در ناحیه مترینگ یا اندازه گیری مجددا عمق ثابت نگهداشته می شود. ناحیه اندازه گیری مهم ترین بخش اکسترودر تلقی می شود  فشار کافی برای پمپاژ مذاب را فراهم می کند. قابلیت پمپاژ در بخش اندازه گیری یک اکسترودر تک پیچه تخمین زده می شود.

به طور کلی طول ناحیه تغذیه حدود 50 درصد طول مارپیچ، ناحیه ذوب 30 درصد و ناحیه اندازه گیری 20 درصد طول کل مارپیچ می باشد.

مکانیزم جریان:

زمانی که مواد پلاستیک در میان مارپیچ در حال حرکت است با مکانیزم زیر ذوب می شود. ابتدا یک فیلم نازک از مواد مذاب بر روی دیواره برل شکل می گیرد، زمانی که مارپیچ می چرخد آن را جدا میکند و مواد مذاب را به جلوب پره های مارپیچ انتقال می دهد. زمانی که به هسته مارپیچ می رسد  دوباره جارو می شود و شکل یک حرکت چرخشی را در مقابل لبه پیشانی پره های مارپیچ به خود می گیرد.

در ابتدا پره های مارپیچ شامل گرانول های جامد هستند اما این فرایند و حرگت های چرخشی منجر به ذوب شدن آن ها می گردد، تا زمانی که منجر می شود به اینکه تنها مواد مذاب بین پره های مارپیچ وجود داشته باشند.

زمانی که مارپیچ داخل برل یا محفظه می چرخد، حرکت پلاستیک در میان مارپیچ بستگی به مقدار چسبندگی آن به ماریچ و برل دارد. در تئوری، 2 حالت بسیار غیر عادی وجود دارد. اول اینکه در مواردی مواد تنها به مارپیچ می چسبند و بنابراین مارپیچ و مواد به صورت یک سیلندر جامد درون برل باهم می چرخند. این باعث می شود تا خروجی تقریبا به صفر برسد و مطمئنا مطلوب نخواهد بود. در حالت دوم مواد کاملا روی مارپیچ می لغرند و مقاومت بالایی به چرخش در داخل برل از خود نشان می دهند. این منجر می شود تا مواد فقط حرکت محوری داشته و در واقع ایده آل ترین حالت خواهد بود. ولی در عمل ما حالت هایی بین این دو حالت افراطی را خواهیم داشت. و مواد هم به مارپیچ و هم به برل می چسبند. خروجی مفید اکسترودرنتیجه جریان درگ ایجاد شده از چرخش مارپیچ و ثابت ماندن برل می باشد. این دقیقا معادل جریان یک سیال ویسکوز بین دو صفحه موازی است، زمانی که یک صفحه ثابت و یک صفحه متحرک می باشد.

علاوه بر این یک جریان ناشی از اختلاف فشار ایجاد شده در مارپیچ وجود دارد. به دلیل وجود فشار بالا در انتهای اکسترودر، جریان فشار در خروجی کاهش پیدا خواهد کرد. همچنین خالی بودن فضای بین پره های مارپیچ و برل منجر می شود تا مواد به عقب مارپیچ نشت پیدا کرده و به طور قابل توجهی مقدار خروجی را کاهش دهند. این نشتی در مارپیچ های فرسوده بسیار قابل توجه خواهد بود.

حرارت و یا سرمای اضافی بر روی اکسترود نیز نقش مهمی در فرایند ذوب ایفا می کند. در اکسترودر ها با قابلیت خروجی بالا، مواد از میان برل به سرعت عبور می کنند، در نتیجه گرمای ناشی از برش برای ذوب آن ها کافی خواهد بود و نیازی به هیتر برل نمی باشد. در این اکسترودر ها به خنک کردن اضافی نیاز خواهد چراکه ممکن است گرمای ناشی از برش در مواد مذاب بیش از حد باشد. در بعضی موارد شاید نیاز باشد که حتی مارپیچ نیز خنک شود. این برای تاثیر گذاری بر ذوب نسیت، بلکه به منظور کاهش اثر اصطکاک ناشی از پلاستیک و مارپیچ می باشد.

 

پروفایل دمایی

حالت های دمایی مذاب در یک اکسترودر به طور مداوم با مقایسه با دو حالت ایده آل ترمودینامیکی بیان می شوند. اول جایی که می توان فرایند را آدیاباتیک در نظر گفت. این بدین معناست که سیستم تماما و به طور کامل ایزوله می باشد و تبادل انرژی با محیط اطراف وجود ندارد. اگر این حالت ایده ال در یک اکسترودر رخ دهد باید کارهایی روی مذاب انجام شود که دیگر نیازی به خنک سازی یا حرارت دهی اضافی نباشد. حالت ایده ال دوم این است که فرایند ایزوترمال باشد. این بدین معنی است که دما در تمامی نقاط اکسترودر یکسان باشد، پس نیاز است که اتلاف حرارت یا حرارت دهی به اکسترودر کنترل شود تا به آن دست پیدا کنیم.

کو اکستروژن (همروزن رانی)

فرایندی است که در آن تعداد 2 یا بیشتر از مواد مذاب در یک فرایند و یک دای قرار میگیرند و محصولی تشکیل شده از 2 یا بیشتر مواد می سازند. این فرایند هم اکنون در کاربردهای زیادی برای به دست آمدن محصولات چند لایه به کار می رود. در بسیاری از موارد استفاده از یک لایه یا یک نوع پلیمر نتوانست مشتری را از لحاظ ویژگی ها راضی کند پس نیاز به این تکنولوژی حس شد. برای مثال قرار دادن یک لایه رنگی بر روی یک هسته اصلی از مواد با این فرایند قابل انجام است. در صنعت بسته بندی این فرایند بسیار مورد استفاده قرار میگیرد. به عنوان مثال یک پلیمر به عنوان مانع برای رطوبت یا گاز (معمولا PVAL) بر روی پلیمر اصلی قرار میگیرد تا مقاومت به نفوذ رطوبت و گاز در محصول نهایی افزایش یابد.

شکل کواکستروژن هم روزن رانی

برای تولید محصولات با ساختار 3لایه، از سه اکسترودر استفاده می شود. در فرایند قالب گیری دمشی این امکان وجود دارد که کو اکستروژن با آرایش یافتگی در 2 جهت (bi – axial) به محصولات متحکم تر دست پیدا کرد.

این فرایند تنها برای تولید چندلایه اسفاده نمی شود، به عنوان مثال در فرایندهایی برای اتصال یک ترموپلاستیک سخت به یک ترموپلاستیک نرم می توان از آن استفاده کرد. همچنین در فرایند هایی برای کنار هم قراردادن دو ماده پلیمری با خواص محتلف، نظیر یک پلیمر مات و یک پلیمر شفاف.

 

اکستروژن تهویه دار (vented extrusion)

این فرایند، شامل اکسترودری است که دارای یک دریچه تهویه یا vent به منظور خارج کردن مواد فراری که از پلاستیک در طول فرایند اکستروژن خارج می شود می باشد. این دریچه در برل قرار داده می شود تا در صورت نیاز این مواد فرار را خارج کند. مواد مذاب عاری از مواد فرار به سمت دای حرکت کرده و با فزایش قطر پیچه مجددا فشرده می شود. برای اطمینان از عدم فرار مواد مذاب از طریق دریچه به بیرون، یک سد (dam) روی پیچه و درست قبل از دریچه قرار داده می شود.

 

دوره آموزشی آمیزه سازی و فرایند پی وی سی را از بخش فیلم و بسته آموزشی تهیه کنید

 

اکستروژن 2 مارپیچ

در یک اکسترودر ناهمسوگرد دو مارپبچ، نیروی برشی و فشاری اعمال شده به مواد مانند یک کلندر می باشد، یعنی مواد بین دو غلطک غیر هم جهت فشرده می شوند. در یک اکسترودر همسوگرد مواد از یک پیچه منتقل می شود. این نوع از اکسترودر برای پلیمرهای حساس به دما مناسب می باشد چرا که این مواد به سرعت از اکسترودر خارج می شوند.

هردو نوع این اکسترودرها مزایا خاص خود را دارند که سبب شده است استفاده از آن ها بسیار مرسوم شود. اکسترودر های ناهمسوگرد برای شکل دهی پلی وینیل کلراید سخت (PVC-U) و اکسترودر های همسوگرد برای مقاصد کامپاندینگ مورد استفاده قرار میگیرند. دراکسترودرهای ناهمسوگرد کنترل زمان اقامت و دمای مواد یکسان و راحت است، اگرچه حبس شدن هوا، تولید فشار بالا، حداکثر سرعت پایین مارپیچ ها و خزوجی محصول پایین از معایب آن به شمار می رود.

اما در اکسترودر های همسو گرد برای پلیمر هایی مانند پلی اتیلن که حساس به دما نیستند، تمیز شدن پیچه ها توسط یکدیگر، سرعت پیچه بالاترو خروجی محصول بیشتر مشاهده می شود.

ماشین های 2 مارپیچ برای فرایند های به خصوص استفاده می شوند، برای مثال جایی که نیاز به آمیزه سازی یک مرحله ای می باشد. این فرایند در مورد پلی وینیل کلراید سخت (PVC-U) صادق است. این مواد در مقابل حرارت پایداری پایینی دارند به همین دلیل در فرمولاسیون آن ها از پایدار کننده های حرارتی پایه فلزی مانند قلع و ... استفاده می شود. به دلیل گران بودن این مواد، استفاده از آن ها در مقادیر پایین به صرفه می باشد. یک راه حل مهم برای پایین نگه داشتن مقادیر پایدار کننده حرارتی استفاده از آن و اکسترود کردن آمیزه به صورت همزمان می باشد. اکسترودر های دو مارپیچ این امکان را فراهم میکنند، و به همین دلیل در صنایع لوله و پروفیل های پی وی سی سخت مورد استفاده قرار میگیرند. همچنین درصنایع کامپاند و مستربچ کاربرد فراوان دارند.

 

 محصولات قابل تولید با فرایند اکستروژن

 

برای مشاوره یا برگزاری دوره های آموزشی در رابطه با فرایند اکستروژن به بخش آموزش مراجعه فرمایید. همچنین برای خرید اکسترودر وارد فروشگاه "پلیمر ما" شوید.

 

 

پربازدیدترین مطالب
آخرین مطالب
مثل اینکه کسی دیدگاهی نداشته!!!