فرایندهای پلیمری (3)

اکستروژن

اکستروژن عمدتاً برای پلاستیک های ترموپلاست استفاده می شود. در واقع در طی فرایند اکسترود، نیروی پیوسته ای بر روی ماده ی مذاب، قرار دارد و موجب می شود تا این مذاب، شکل قالب موجود را به خود بگیرد. نیروی اعمالی، با استفاده از یک پیچه، اعمال می شود. این پیچه در داخل محفظه ای سیلندر مانند قرار دارد و به گونه ای طراحی شده است که دقیقاً فیت با سطح محفظه، می چرخد (شکل 1). محصولاتی که با استفاده از روش اکسترود، تولید می شوند، عبارتند از فیلم ها و لوله های PE، اتصالات پی وی سی، لوله ها و پروفیل های با ابعاد و سطح مقطع های مختلف، صفحات PS، ABS، PP، الیاف نایلونی، الیاف PP و نوارها، قطعات نورگیر از جنس PMMA ، لنزهای مورد استفاده در برخی ادوات و ... . گرانول های پلیمری، به داخل اکسترودر، شارژ می شوند. این کار از طریق یک هاپر انجام می شود که در یکی از انتهاهای محفظه ی اکسترودر، قرار دارد. هاپر در حقیقت یک قیف است اما به دستگاه های ویبراتوری مجهز می باشد که موجب تحرک گرانول ها و ورود ساده تر آنها به داخل دهانه ی هاپر، کمک می کند. سایر هاپرها، ممکن است دارای تغذیه های خاص باشند (شکل 2). این تغذیه ها، موجب می شوند تا گرانول به سهولت و یکنواختی بیشتری وارد محفظه ی اکسترودر شود. پیچه موجب انتقال و فشرده سازی موادی می شود که یک انتها وارد محفظه ی اکسترودر شده است. پلیمر در طی حرکت در محفظه حرارت داده می شود و به مذاب تبدیل می شود. ادوات حرارتی مورد استفاده در واقع، گرم کن هایی که به دیواره ی محفظه، متصل شده اند. ویژگی و ساختار پیچه، در شکل 3 قابل مشاهده می باشد. قطر پیچه در طول محفظه، ثابت است و فاصله ی بسیار کوچکی بین پره های پیچه و بخش داخلی محفظه ی اکسترودر، وجود دارد. قطر مغذه و همچنین عمق کانال، در طول محفظه ی اکسترودر، افزایش می یابد تا بدین صورت، فشرده سازی مواد نرم شده، آسان تر شود. طراحی های مختلفی برای پیچه های مورد استفاده، وجود دارد. این طراحی به نوع پلیمری وابسته است که در فرایند اکسترود، مورد استفاده قرار می گیرد. سه تا از طراحی های اصلی مربوط به این پیچه ها، در شکل 4 قابل مشاهده می باشد. علاوه بر طول مختلف، وجود نواحی مختلف نیز در این پیچه ها، مشهود می باشد. یک افزایش در عمق در برخی از طراحی ها مشهود است که در حقیقت، با این کار، میزان حجم موجود برای انتقال پلیمر مذاب، افزایش می یابد. ذوب شدن گرانول ها، در ناحیه ی گذرا رخ می دهد. در حقیقت، مذاب از طریق ناحیه ی ذوب و با نرخی ثابت، پیوسته و با فشاری یکنواخت، وارد قالب می شود. در انتهای ناحیه ی اندازه گیری، اغلب یک بخش توری مانند و یک سری ادوات جانبی وجود دارد که در حقیقت بعد از آنها، قالب ها قرار دارند. در شکل 4، پیچه ی نوع a برای پلیمرهایی مناسب است که دارای دمای نرم شوندگی بالا و یا پلیمرهای حساس به تنش برشی و یا حرارت مانند PVC مناسب می باشند. پیچه ی نوع b برای پلیمرهایی مناسب است که دمای ذوب گسترده ای دارند مانند PE و پیچه ی نوع c برای پلیمرهایی مناسب است که دمای ذوب مشخص و یا گستره ی دمای ذوب باریکی دارند.
ناحیه ی تغذیه در انتهای هاپر قرار دارد و این بخش، در دمایی نگه داشته می شود که بدین صورت، ورود گرانول ها به داخل محفظه را با مشکل، مواجه نکند. عمق کانال د این ناحیه، ثابت و است و طول آن نیز به نرخ تغذیه ی گرانول، وابسته می باشد. تحویل ماکزیمم گرانول بوسیله ی ناحیه ی تغذیه، ممکن است با داشتن موارد زیر، حاصل شود:
• کانال عمیق تر
• اصطکاک کمتر میان گرانول های پلیمری و سطح پیچه
• میزان اصطاک بالاتر میان گرانول ها و سطح دیواره ی محفظه
• زاویه ی بهینه ی هاپر
برخی از بخش های تغذیه شامل یک دهانه ی تغذیه ی شیاردار هستند. این شیارها می توانند با محور محفظه ی اکسترود یا هاپر، هم محور باشند. در حقیقت، وجود این شیارها، موجب می شود تا اصطکاک میان قرص ها و محفظه، افزایش یابد، نیروی بیشتری بر روی ذرات پلیمری، وارد شود و از این رو، خروجی هاپر، افزایش یابد.
ناحیه ی متراکم کننده، در حقیقت جایی است که ماده شروع به تبدیل شدن از حالت گرانول به مذاب می کند. این ناحیه، دارای عمق کانال کمتری است تا بدین صورت، پلیمر نرم شده، متراکم شود و بدین صورت، ویژگی های انتقال حرارت پلیمر، بهبود یابد. همچنین هوای موجود در بین ذرات خارج شود و از طریق مسیر هاپر، خارج گردد. مواد به طور نمونه وار، به میزان سه برابر، متراکم می شوند. میزان قابل توجهی حرارت برشی یا اصطکاکی در این ناحیه ایجاد می شود.
ناحیه ی اندازه گیری در حقیقت جایی است که عمق کانال دوباره ثابت می شود و در این جات که افزودنی های مورد نیاز، به مخلوط افزوده می شود. مذاب هموژن تولیدی در این ناحیه به طور یکنواخت به سمت خروجی، حرکت می کند. طول ناحیه ی به گونه ای طراحی می شود که میزان مخلوط شدن مخصوصاً در زمانی که افزودنی، استفاده می شود، به خوبی انجام شده باشد.
سایر پارامترهای مربوط به طراحی پیچه، عبارتند از:
• نرخ فشرده سازی (C.R) = (عمق در ناحیه ی تغذیه) / (عمق در ناحیه ی اندازه گیری) و یا (حجم در اولین بخش محفظه) / (حجم در آخرین بخش ازناحیه ی اندازه گیری). در حقیقت، این نرخ برای ترموپلاست ها، 3 به 1 است و برای رابرها، این میزان، 1.5 به 1 می شود.
• نسبت L/D = (طول پیچه) / (قطر پیچه). این مقدار برای ترموپلاست ها، 30 به 1 و برای رابرها، 5-10 به 1 است.
مزیت های مربوط به اکسترودرهای با نسبت L/D کوتاه:
• فضای کف کوچک تر
• هزینه ی ادوات پایین تر
• الزامات مربوط به گشتاور و یا توان عملیاتی پایین تری که مورد نیاز می باشد.
• زمان باقیماندن کمتر در اکسترودر مخصوصاٌ برای پلیمرهای حساس به دما
مزیت های مربوط به اکسترودرهای با نسبت L/D بزرگ تر
• خروجی بالاتر
• ظرفیت مخلوط سازی بالاتر
• فشار پمپاژ بالاتر در داخل قالب
• قابلیت ذوب بیشتر با حرارت برشی کمتر
• حرارت دهی بیشتر از طریق انتقال رسانش از محفظه به پلیمر
نوعی پیچه که به آن پیچه ی مانع (barrier screw) گفته می شود، موجب می شود تا محفظه ب دو نیم تبدیل شود. یکی بخش کانال جامد و دیگری، بخش کانال مذاب. این طراحی موجب می شود تا بازده انرژی بالاتری ایجاد شود و فرایند ذوب شدن تسهیل گردد و بدین صورت، خروجی بالاتری و طرفیت مخلوط سازی بهتری، حاصل شود.
در برخی از کاربردها، مانند PVC، نایلون، ABS، PC، ممکن است نیاز به استفاده از اکسترودرهای ونت دار (vented extruders) می باشد. این اکسترودرها، به نام اکسترودرهای دو بخشی، معروف هستند و دارای یک حفره ی ونت در محفظه ی خود می باشند که موجب خروج رطوبت، حلال و سایر مواد فرار از داخل محفظه می شود. همانگونه که در شکل 5 مشاهده می شود، پیچه دارای یک ناحیه ی ساده می باشد که موجب می شود مواد مذاب، وارد حفره ی ونت نشود. در برخی موارد، ونت نیازمند استفاده از خلإ می باشد. پیچه در حقیقت دارای دو بخش متراکم کننده و اندازه گیری است. در ناحیه ی عدم تراکم یک پیچه ی دو مرحله ای، قطر پایه، کاهش یافته است و بنابراین، یک ناحیه ی ضعیف از لحاظ مکانیکی وجود دارد(شکل 6 را ببینید). مذاب پس از عبور از سرندها و پیش از ورود به قالب، وارد صفحه ی شکست (breaker plate) می شود تا بدین صورت، مواد غیر پلاستیک و ناخالصی ها، از آن خارج شود (شکل 7). یک سرند با مش 20 در برابر صفحه ی شکست قرار داده می شوند تا بدین صورت، از سرند ریزتر (مش 40 و یا 60) حمایت شود. همچنین در جلوی این ساختار، یک سرند بسیار ریز قرارداده می شود تا بدین صورت، ذران بزرگ، جداسازی شده و بدین صورت، عمر سرندها، افزایش یابد. اصطکاک سرندها و صفحه ی شکست موجب ایجاد فشار بازگشتی می شود و بدین صورت اطمینان حاصل می شود که قالب، به خوبی و یکنواخت پر می شود. صفحه ی شکست همچنین موجب می شود تا جریان های چرخشی و حلزونی، به صورت جریان خطی تبدیل شود. یک آداپتور که بعد از صفحه ی شکست قرار داده می شود، این اطمینان را حاصل می کند که اتصال خوبی میان محفظه و قالب، وجود داشته باشد.
قالب به گونه ای ماشین کاری می شود که پروفایل محصول تولید شده، به صورت مناسب با نیاز باشد. طول یک قالب (شکل 8)، یک پارامتر مهم در تولید می باشد: در حقیقت، قالب های طولانی تر، موجب ایجاد پایداری جریانی و کاهش تورم و خالی ماندن قالب می شود. به هر حال، طولانی تر بودن قالب، هزینه های تولید را افزایش می دهد، موجب افزایش فشار مذاب و حرارت ایجاد شده در ماده ی پلیمری، می شود. عموماً طول قالب باید تا حد ممکنه کوچک باشد بدون آنکه ویژگی های محصول، تخریب شود. طول قالب عموماً برای پوشش دهی سیم ها، تولید لوله ها و تیوب ها و تولید پروفایل ها، کوتاه است. یک پمپ گریبکسی در برخی اکسترودرها، مورد استفاده قرار می گیرد. این پمپ در بین پیچه و قالب قرار می گیرد. از این اکسترودرها بیشتر برای مخلوط سازی آرد چوب و مخلوط های پلیمری، استفاده می شود. در حقیقت استفاده از این پمپ ها، همچنین موجب می شود تا خروجی اکسترودر، دقیق تر و یکنواخت تر باشد. این پمپ میزان بار اعمالی بر روی اکسترودر را کاهش می دهد و موجب می شود تا بازده و خروجی اکسترودر، افزایش یابد. استفاده از پمپ های گریبکسی برخی دغدغه های ایمنی را مطرح می کند. مهم ترین این دغدغه ها، در مورد ایجاد فشارهای بالا در سیستم و در حالتی است که سری پمپ بسته شود. در حقیقت، با مسدود شدن خروجی پمپ، هنوز هم پمپ در حال کار می باشد و می تواند مشکلات ایمنی ایجاد کند. در حقیقت، باید اقدامات ایمنی در این زمینه انجام شود تا بدین صورت، از منفجر شدن بخش، جلوگیری شود. پمپ های گیریبکسی گران قیمت هستند و در جاهایی استفاده می شوند که پایداری فشاری یا خروجی و یا دماهای ذوب پایین، مد نظر باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay