فرایندهای پلیمری (4)

تجهیزات کمکی

تجهیزات کمکی برای کشش مواد مذاب از قالب اکسترودر، استفاده می شود. در این بخش، پلیمر مذاب، شکل دهی می شود. پلاستیک مذاب شکل دهی شده، به سرعت در تانک آب سرد، سرد می شوند تا شکل آنها حفظ گردد. بسته به کارایی، پیش از ورود قطعه به داخل تانک خنک کننده، ممکن است بخش های کالیبراسیون با استفاده از خلاً و صفحات تعیین اندازه مورد استفاده قرار گیرد تا بدین صورت، از نرمی بخش های خارجی شکل، اطمینان حاصل گردد. کالیبراسیون معمولا با استفاده از قطعات برنجی انجام یم شود. سطح داخلی این قطعات، باید سندبلاست شوند تا بدین صورت، میزان اصطکاک سطحی، مخصوصاً برای لوله ها، کاهش یابد. قطر داخلی بخش کالیبراسیون، باید 3 تا 15 % بزرگتر از قطر خارجی قطعه ی اکسترود شده، باشد تا بدین صورت، میزان شرینکیج منتج شده در قطعه ی اکسترودری، جبران شود. این مسئله مخصوصا در مورد پلیمرهای کریستالی مانند PE، PP و نایلون، مشهود می باشد. میزان واقعی این تفاوت اندازه، برای یک پلیمر معین، به چندین فاکتور وابسته می باشد. مهم ترین این فاکتورها، قطر تیوب و سرعت خط می باشد.
ماده ی اکسترود شده، از روی یک سری غلطک عبور می کنند و وارد تانک خنک سازی می شوند. بعد از تانک خنک سازی، دمش هوا بر روی قطعه انجام می شود تا بدین صورت، آب موجود بر روی سطح پلیمر، خشک شود. قطعه ی اکسترود شده، در ابعاد مناسب، بریده می شوند.
اکسترودرهای با پیچه ی دوقلو (شکل 1) در جاهایی استفاده می شود که نیاز به ترکیب شدن بهتر مواد باشد. مکانیزم مربوط به انتقال مواد و بنابراین، نرخ خروجی، در اکسترودرهای با پیچه ی دوقلو، متفاوت می باشد. در حقیقت در اکسترودرهای تک پیچه نرخ خروجی در اصل با مساحتت سطح داخلی محفظه، در ارتباط است، در حالی که در مورد اکسترودرهای با پیچه ی دوقلو، این نرخ با حجم کانال در ارتباط است زیرا در داقع کار اصلی در داخل کانال پیچه انجام می شود. حرکت نسبی پیچه ها، موجب می شود که ماده فشرده شود و از این رو، نرخ خروجی نیز بالاتر می رود. بنابراین، در این حالت، خروجی بالاتری ایجاد می شود. بر اساس بررسی های انجام شده، این فرایند برای فرآوری پلیمرهایی مانند PVC مناسب تر است. در حقیقت، این پلیمر به حرارت حساس می باشد و بنابراین، در طی فرایند، احتمال تخریب گرمایی آن وجود دارد. دو نوع ترکیب شدن و یا مخلوط شدن که در اکسترودرهای دو پیچه ای رخ می دهد، عبارتست از: مخلوط شدن با نیروی برشی بالا و مخلوط شدن با نیروی برشی پایین می باشد. مخلوط شدن با نیروی برشی بالا موجب می شود تا ذرات درشت تر بشکنند و بدین وسیله، ذرات ریز در داخل مذاب به خوبی پراکنده می شوند. این روش برای مخلوط کردن رنگدانه ها، فیلرها و افزودنی های مایع در پلیمرها و همچنین تولید آمیزه های پلیمری، مناسب است. مخلوط سازی با نیروی برشی پایین موجب ایجاد توزیع یکنواخت از افزودنی ها در داخل مذاب می شود. این فرایند یک فرایند با نیروی برشی پایین است که برای مخلوط سازی الیاف و صفحات کوچک در داخل پلیمرها، مناسب است. در حقیقت، مخلوط سازی با نیروی برشی بالا، موجب تخریب خواص این افزودنی ها، می شود.
بیشتر پیچه های دو قلو دارای قطری برابر هم می باشند و بنابراین، یک آرایه ی موازی تشکیل می دهند اما برخی از آنها نیز مخروطی هستند و قرارگیری آنها بر روی هم، موجب تشکیل یک ترکیب مخروطی می شود. این پیچه ها، همچنین بر اساس حالت عملیاتی نیز طبقه بندی می شوند: مثلا با جهش چرخش یکسان و یا عکس.
این پیچه ها، مدور هستند و به المان های مختلف و هندسه های مختلف پیچه اجازه داده می شود که به خوبی منطبق شده و خواص مخلوط سازی مورد نیاز را فراهم آورند. یک المان انتقال دهنده، با پره ها و تو رفتگی ها، شاخص می باشند. در حقیقت این ویژگی ی ها با نسبت طول پایه به قطر پیچه تعریف می شود.
سایر المان های پیچه که در اکسترودرهای با پیچه ی دوقلو، استفاده می شوند، شامل المان های مخلوط سازی و المان های به هم زدن می باشد. بلوک های مخلوط سازی هم به صورت برشی با نیروی بالا و هم برشی با نیروی کم، عمل می کنند. این ویژگی ها به تعداد المان هایی وابسته است که در بلوک هایی با طول و عرض معین قرار دارند. تعداد بیشتر این المان ها موجب می شود تا مخلوط سازی با نیروی برشی بالا افزایش یابد و بنابراین، دیسک های نازک برای این کار مفید می باشد. اما دیسک های پهن تر، موجب می شود تا خواص مخلوط سازی با نیروی برشی پایین، بهبود یابد (شکل 2و 3). المان های مخلوط سازی حاوی لبه هایی است که برای انتقال مواد در محفظه، طراحی شده اند، در حالی که با تقسیم و ترکیب مجدد مذاب، عمل مخلوط سازی با نیروی برشی پایین، مهیا می شود. این بخش ها، متحمل سایش قابل توجهی می شوند. شکل 4 برخی از این بخش ها را نشان می دهد. این خوردگی در طی مدت زمان کوتاهی، رخ می دهد. مسائل و مشکلات مربوط به اکستروژن، شامل تورم اضافی قالب، کسر مذاب، پوسته کوسه ای، نوسان در خروجی، تخریب گرمایی، مخلوط سازی ضعیف، وجود حباب و یا ناخالصی می باشد. بخش های ژله ای (بخش های کوچکی که دارای وزن مولکولی بالاتر می باشد) و خال ها یکی دیگر از مسائل اتفاق افتاده در زمان تولید لایه های شفاف می باشد. جزئیات مربوط به این مشکل و نحوه ی برطرف نمودن این مشکل، بوسیله ی Strong و Morton- Jones مورد بررسی قرار گرفته است.
تورم قالبی، که در حقیقت یک نوسان در جریان و یا نرخ برشی است، بوسیله ی Strong (1996) توصیف شده است. در حقیقت این نوع تورم، عبارتست از: "تورم قالبی، به دلیل طبیعت ویسکوالاستیک مذاب پلیمری، ایجاد می شود. رهایش تنش منجر به کاهش این پدیده می شود. نیروهای فشاری که برای حل دادن مذاب پلیمری در میان یک شکاف کوچک قالب، مورد نیاز است، در زمان عبور پلیمر از قالب، نمود می یابد. بنابراین، پلیمرها زمانی انبساط می یابند که تنش های فشاری باقیمانده، رهاسازی می شود. بنابراین، بازگشت به شکلی که قبلا ماده داشته است، منجر به این پدیده می شود. بازیابی شکلی به عنوان تورمی ظاهر می شود که پلیمر، پس از عبور از قالب، بدست می آورد. افزایش دما، همچنین موجب کاهش در تورم قالبی می شود".
شکست مذاب می تواند در هر جایی از قطعه ی اکسترود شده، اتفاق افتد. علت این مسئله، بیشتر شدن تنش های کششی نسبت به تنش برشی منجر به گسستگی بحرانی، می باشد. وقتی این پدیده، محدود به سطح باشد، پدیده ی پوست کوسه ای، ایجاد می شود. پوسته کوسه ای، در حقیقت زبری های سطحی است که دارای الگوهای خطی خاص مشابه پوسته کوسه است. الگوی ایجاد شده بوسیله ی گسستگی مذاب بر روی سطح قطعات اکسترود شده، نشاندهنده ی این است که: مذاب عبور کننده از میان قالب، دارای جریان پارابولیکی است یعنی جریان در مرکز قالب سریع تر از سطح آن است. با توجه به این مسئله که کشش در سطح نمونه ی اکسترود شده، افزایش می یابد و در صورتی که این کشش از استحکام کششی نمونه فراتر رود، مذاب گسسته می شود. سپس این کسستگی آزاد می شود و سپس دوباره افزایش می یابد و این رویه، ادامه می یابد.
پوسته کوسه ای شدن همچنین می تواند از طریق ناپایداری هایی ایجاد شود که به آن "لغزش چسبنده" در قالب، می گویند. نوع فلز قالب و میزان زبری سطحی قالب، می تواند بر روی رخ دادن این پدیده، مؤثر باشد. قالب های برنجی، موجب کاهش این پدیده می شود. شکل 5 نشاندهنده ی یک قطعه ی خارج شونده از قالب است، این قطعه دارای یک تورم قالب، پوسته کوسه ای و شکست مذاب اندک است. یک مثال از شکست مذاب، در شکل 6 قابل مشاهده می باشد. انواع فرایندهای اکستروژن، عبارتند از:
• فرانید حبابی برای تولید فیلم
• پوشش دهی کابل
• فیلم های ریخته گری شده
• اکستروژن + قالب گیری دمشی
• اکستروژن + ترموفورمینگ
• تولید فیبر
• فرایند تور یا شبکه
• اکستروژن پروفیل
• اکستروژن صفحه
• ایجاد قرص های رشته ای
• تولید تیوب ها و یا لوله ها
برخی از این فرایندها، به طور جزئی در ادامه، مورد بررسی قرار می گیرد. فرایند حبابی برای تولید فیلم
فرانید اکستروژن برای تولید فیلم شامل اکسترود کردن یک تیوب از یک ماده ی پلیمری ترموپلاست مذاب است. سپس این تیوب ایجاد شده، به چند برابر قطر اولیه، تبدیل می شود (شکل 7). ذوب پلاستیک از داخل یک قالب مدور عبور می کند و یک تیوب نازک تشکیل می شود. هوا از داخل این ساختار به مرکز قالب دمیده می شود و تیوب به صورت بالن در می آید. تیوب فیلمی شکل، به سمت عقب کشیده می شود و به طور پیوسته، سرد می شود. در طی این فرایند، فیلم هم به صورت شعاعی و هم به صورت طولی، کشیده می شود و میزان کشش می تواند با تغییر در حجم هوای ورودی به حباب، تغییر کند. برخی از نامگذاری های مربوط به فرایند حبابی، در شکل 8 آورده شده است. پارامترهای مؤثر بر این فرایند، عبارتند از:
• نرخ دمش (BUR= DD/ BD): این نرخ در حقیقت، نسبت قطر نهایی تیوب انبساط یافته نسبت به قطر قالب می باشد. به طور نمونه وار، این نرخ، بین 1.5 تا 4 است. قطر خارجی قالب می تواند تا 2.5 متر باشد. افزایش در BUR معادل کاری کردن در یک ارتفاع خط مماس بزرگتر، می باشد.
• خط مماس (FL) در حقیقت ارتفاع بالای لبه ی قالب اسست که در آن، پلیمر کریستالی می شود (انجماد پیدا می کند). بنابراین، وقتی دمای مذاب افزایش می یابد، FL نیز تا بالای حباب، افزایش می یابد. در یک دمای ذوب معین، یک FL بالاتر، موجب می شود تا بی نظمی سطحی کمتری وجود داشته باشد. این مسئله موجب می شود تا سطحی درخشان تر، ایجاد شود. به هر حال، میزان FL بسیار زیاد، منجر به نرخ سرد شدن پایین می شود و بدین صورت می تواند مشکل آفرین باشد.
• نسبت حباب (BR = سطح بخش بر DD)
• نسبت سطح قالب به شکاف قالب، با توجه به نوع و گرید ماده، تغییر می کند. به طور نمونه وار، یک شکاف 0.6 میلی متری برای فیلم های نازک و یک شکاف 1.6 میلی متری برای فیلم های ساختاری، مناسب می باشند. سطح قالب نیز با سبک و سنگین کردن در مورد طول مورد نیاز برای رهایش مذاب و طول موجود برای یک قطره ی با فشار مورد قبول، تعیین می شود.
• نرخ کشش به سمت پایین (DDR) در حقیقت نسبت گیج فیلم نهایی به بخش باز میان قالب و شکاف، می باشد. این نسبت با جهت گیری مولکولی در MD تعیین می شود.
• نرخ کشش مستقیم ماشین (MDDR)، در حقیقت یکی دیگر از پارامترهای وابسته به فرایند دمش فیلم است که در حقیقت نسبت سرعت اعمالی به سرعت قطعه ی اکسترود شده در قالب می باشد.
شرینکیج فیلم دمش یافته، بوسیله ی تغییر شکل مذاب در قالب شکل گیری و دمش و شرایط موجود در بخش خروج فیلم، تحت تأثیر می باشد. تشکیل حباب بیشتر در طی شکل دهی، مشاهده می شود تا فرایند کشش.
شکل 9 نشاندهنده ی فیلم های تولیدی با روش بیان شده در بالا می باشد. متداول ترین پلیمرهای مورد استفاده برای استفاده به عنوان غشا در ایجاد دریاچه های مصنوعی و چاله های آب، عبارتند از: HDPE، LDPE، PP و PVC. شکل 10 نشاندهنده ی کاربردهای دیگر این پوشش ها می باشد. پوشش دهی کابل
در پوشش دهی سیم و کابل، سیم های بدون پوشش و یا کلاف سیم که قبلا ایزوله شده اند، به صورت عمودی در جهت اکسترود مذاب، حرکت می کنند. مذاب پلیمری و سیم بدون پوشش در این حالت، با قالب در تماس یم باشند و قالب آنها را به هم متصل می کند (شکل 11). اکستروژن صفحات یا فیلم های ریخته گری شده
در اکستروژن فیلم های ریخته گری شده، مذاب از داخل یک قالب اکسترود می شود و بر روی یک غلطک سرد کننده وارد می شود که در حقیقت موجب تولید یک فیلم نازک می شود. از این روش، برای تولید فیلم های نازک، استفاده می شود (شکل 12 و 13). اکستروژن صفحه می تواند بر روی خط تولیدی انجام شود که مجهز به ادوات ترموفرمینگ هستند. با استفاده از ادوات، امکان تولید انواع مختلفی از محصولات بسته بندی، مخصوصاً محصولات مورد استفاده در صنایع غذایی، ایجاد می شود. یک چنین خط تولیدهایی شامل بخش های لیبل زنی، رنگ آمیزی و بخش هایی است که بر روی صفحات، عملیات سطحی انجام می شود. این عملیات های سطحی شامل عملیات های انجام شده با شعله و تخلیه ی کروناست که در حقیقت، موجب تغییر پلاریته و شیمی سطحی ماده می شود. با استفاده از این عملیات ها، میزان چسبندگی بر روی پلاستیک، افزایش می یابد. محصولات تولیدی با این فیلم ها، عبارتند از انواع تیوب های مورد استفاده برای ماست، سالاد کلم، مارگارین و لیوان های مورد استفاده برای نگهداری نوشیدنی های سرد و گرم می شود. بسیاری از پلیمرهای ترموپلاست، می تواند به روش ترموفورمینگ، شکل دهی شوند. این پلاستیک ها، عبارتند از: PS، PP، PET، PVC و ABS. در بسته بندی محصولات غذایی، اتیلن- وینیل الکل (EVAL) در فیلم های چند لایه مورد استفاده قرار می گیرد و بدین وسیله، خواص محافظتی استثنایی در این پوشش ها، ایجاد می شود. کو- اکستروژن (Co-extrusion) به طور متداول برای ایجاد خواص دقیق برای برخی کاربردهای خاص، استفاده می شود. اکسترودرهای با سری های چند گانه و مواد مختلف (مثلا یک پوسته ی 5 لایه) ممکن است مورد استفاده قرار گیرد. ریزساختار برخی از پلیمرها، موجب می شود تا پایداری آنها برای برخی از کاربردهای خاص، تعیین شود مثلا صفحات تولیدی از PET آمورف، به سهولت با روش ترموفرومینگ، شکل دهی می شود و می تواند ظروف با خواص خوبی تولید کند. البته محصولات تولیدی با این روش، صلبیت کافی برای سینی بسته بندی را ندارد. در حالی که PET کریستالی که حاوی عوامل جوانه زا می باشد، به سهولت و تحت ترموفورمینگ، کریستالی می شود. کریستالینیتی موجب می شود تا اندکی صلبیت آن افزایش یابد و بنابراین، از دفورمه شدن آن در طی حرارت دهی، جلوگیری می شود.
اکستروژن- ترموفورمینگ موجب می شود تا میزان ضایعات قابل توجهی تولید شود. تقریباً تمام این ضایعات، دوباره مصرف می شوند. به هر حال، اگر این مسئله قابل انجام نباشد، مثلا به دلیل عدم تطابق رنگ و یا وجود آلودگی، پس این ضایعات می تواند برای تولید انواع دیگر از محصولات، مورد استفاده قرار گیرد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay