اساس اکسترودر تک مارپیچ

مقدمه :

آگاهی از ویِژگی های پلیمر ها و واکنش های آنها و رفتارشان در مراحل گوناگون فرآیند سبب میشود که به طور مؤثر فرآیند اکستروژن ، تجهیزات و مواد بهینه گردد.

دراین مقاله جهت شناسایی فرایند اکستروژن ، به بخش های مختلف اکسترودر تکمارپیچ پرداخته می شود،چرا که همواره دانستن تجهیزات وچگونگی کار با انهاباعث میشود که به صورت بهینه ازسیستم بهره برداری شود .

محصول استاندارد با کیفیت زمانی تولید می شود که اکسترودر در فرآیند اکستروژناهداف زیر رادنبال کند .

دمای صحیح ذوب پلیمر ·

دمای ذوب ثابت و یکسان ·

فشار مذاب صحیح در دای ·

دستیابی محصول همگن با میکس کامل ·

در این شرایط فرایند اکستروژن بهینه می شود .

دستگاه اکسترودر

اکسترودر پیستونی

ساده ترین اکسترودر اکسترودر پیستونی است که در شکل 1 نشان داده شده است . فشار اکسترودر توسط نیرویی که خارج از دای بهپیستون اعمال می گردد فراهم می شود ، اکسترود می کند . گرما با عث ذوب مواد درون بدنه شده و ویسکوزیته را کاهش می دهد  .

با ترکیب صحیح فشار و دما ، محصول اکسترودربا فشار به شکل مورد نظر و طراحی شده از دای خارج می شود . این نوع اکسترودر ها مشکلاتی نیز دارند . اولا اینکه فرایند به صورت ناپیوسته است ، دوماً به دلیل عایق بودن پلاستیک ،زمان طولانی برای گرم کردن یکنواخت مواداز سطح پوسته تا مرکز لازم است و از طرفی در صورتی که دمای پوسته بیش از حد بالا باشد سبب تخریب رزین در دیواره می گردد. همچنین در ااکسترودر پیستونی ،میزان گرمایش برشی ایجادشده از حرکت اکسترودر حداقل است .

اکسترودر تک مارپیچ

اجزاء کلیدی اکسترودرتک مارپیچه در شکل زیر نشان داده شده است . اکسترودرهای تک مارپیچه 5 قسمت اصلی دارند .

• سیستم محرک
• سیستم خوراک
• مارپیچ،پوسته )سیلندر ( و سیستم های گرم کننده
• مجموعه دای هد
• سیستم کنترل

سیستم محرک شامل موتور ، گیربکس ، بلبیرینگ ها و مجموعه یاتاقان است. سیستم خوراک دهی شامل قیف خوراک ، گلوی خوراک و قسمت خوراک مارپیچ است . پس از آن مارپیچ ، سیلندر وسیستم های گرمایش قرار دارند که در آن بخش رزین جامد منتقل شده ، مذاب و مخلوط می شود و به دای پمپ می گردد. محصول اکسترودر پس از انتقال از مارپیچ در آداپتور و دای شکل می گیرد.

اکسترودر ها با توجه به قطر مارپیچ یا سیلندر و نسبت طول به قطر ) L/D (طبقه بندی و فروخته میشوند .

L/D اکسترودر میزان نسبت طول مارپیچ و سیلندر اکسترودر را توصیف میکند .

تعریف L/D شامل طول محوری L به سازنده تجهیزات بستگی دارد . در برخی کارخانه ها طول بخش تغذیه از طول سیلندر می باشند و بعضی ها شامل نمی شوند . میزان عملکرد، مستقیماً به L/Dاکسترود مربوط می شود . دو اکسترودر با قطر یکسان اما L/D های متفاوت ، عملکردو ظرفیت های متفاوتی دارند . اکسترودر طولانی تر ) L/D بیشتر ( توانایی میکس و ذوب بیشتری دارد .

مزایای اکسترودر های با L/D کوچک :

• · نیاز به مساحت کمتری برای نصب
• · سرمایه اولیه کمتر
• · هزینه جابه جایی کمتر برای مارپیچ ها و سیلندر ها
• · زمان ماندگاری کمتر در اکسترودرها)بویژه وقتی که مواد حساس به دما ،فرآیند می شوند (
• · مستلزم گشتاور چرخشی )ترک( کمتر
• · توان کمتر و در نتیجه نیاز به موتور کوچک تر

اکسترودرها با L/D بلندترنیز این مزایا را به دنبال دارند :

• · دارای خروجی بیشتر
• · توانایی اختلاط با ظرفیت بیشتر
• · می توانند در فشار دای بیشتر پمپ شوند .
• · گنجایش مذاب بیشتر با گرمای برشی کمتر
• · افزایش جابه جایی حرارت از سیلندر

L/D بعضی اکسترودرها 18:1 ، 20:1 ، 24:1 ، 30:1 ، 36:1 ، 40:1 می باشند .

تغذیه

شامل دو سیستم تغذیه ،که بصورت ثقلی کار می کنند، دو نوع flood و starve هستند . هردوسیستم تغذیه یک قیف مستقیماً روی گلوی تغذیه اکسترودر دارند. قسمت گلوی تغذیه مستقیما به سیلندر اکسترودر متصل شده ، و از جریان آب برای سرد کردن و گرم کردن ان استفاده می کنند .

جریان آب می تواند با یک مقیاس جریان اندازه گیری شود . دمای گلوی تغذیه باید به گونه ای باشدکه در هنگام لمس ، گرما احساس شود اما داغ نباشد .

هدف ازخنک سازی توسط آب ،جلوگیری مواد تغذیه شده از نرم شدن ،چسبناک شدن و به هم چسبیدن در گلوی تغذیه است که باعث ایجاد مانع و مذاب زود رس در قیف تغذیه میشود . یک مانع عایق بین سیلندر و قسمت تغذیه برای به حداقل رساندن انتقال گرما وصل شده است . شکل هندسی قیف و گلوی تغذیه سبب می شود مواد با کمترین محدودیت درون اکسترودر جریان یابد .

در شکل بالا،بخش A طراحی گلوی تغذیه استاندارد برای دانه یا پودر نشان داده است ،. در حالیکه شکل B برای اکسترودر های با خوراک مذاب مناسب تراست .

گلوهای تغذیه شیاردار درتولید فیلم های دمشی و دیگرکاربرد ها برای افزایش خروجی اکسترودر استفاده میشوند . شکل بعد یک بخش تغذیه شیار دار را نشان می دهد .

توجه داشته باشید که شیار ها در ابتدای بخش خوراک دهی و تغذیه در زیر قیف عمیق بوده و تا قبل از ورودی بخش سیلندر نا پدید میشوند.

کانال های خنک سازی اطراف قسمت تغذیه ،گرمای ناشی از اصطکاک تولید شده به وسیله چرخش مارپیچ و تراکم دانه درون کانال های مارپیچ را خنثی نموده واز مذاب زودرس جلوگیری میکند.

در شکل بالا شیارها در جهت محوری هستند اما می توانند به صورت مارپیچی اطراف قسمت تغذیه باشند . مزیت گلوی تغذیه شیاردار این است که اصطکاک بین دانه ها و دیواره سیلندر را افزایش داده و سبب خروجی بیشتر می شود . اکسترودر های دارای بخش تغذیه شیاردار به سه بحث نیازدارند :

• · خنک سازی گلوی تغذیه برای خنثی نمودن گرمای اصطکاک تولید شده و افزایش فشار دردسترس  (15000 psi plos)  در قسمت شیاردار تغذیه .
• · یک مانع عایق خوب بین سیلندرو قسمت تغذیه برای به حداقل رساندن انتقال گرما .
• · مارپیچ های اکسترودر با نسبت تراکم پایین تر برای افزایش سرعت عملکرد .
• ·مارپیچ ،سیلندر و هیترها

مارپیچ مواد را به جلو انتقال می دهد ، شرایط گرما دادن و ذوب کردن ، همگن سازی و مخلوط کردن مذاب و رساندن مذاب به دای را فراهم می کند . پلیمر در سیلندر به وسیله هیتر هاوباکنترل دقیق دما در نواحی حرارتی ، گرم ومذاب شده ، ضمن این که از تخریب و گرم شدن بیش از اندازه مواد نیزجلوگیری می شود . مارپیچ و سیلندر مواد را به دای هدایت کرده و فشار را در دای ایجاد می کند .

اجزا سیلندر در شکل بالا نشان داده شده است . در هرناحیه حرارتیدر طول سیلندر ، هیترهایی به همراه ترموکوپل آن ها برای کنترل دمای هیتر و سیلندر قرارگرفته اند . هیترها تا حد امکان سیلندر را می پوشانند. در هر ناحیه حرارتی ممکن است 1،1 ،ویا 3 گرمکن)هیتر( و یک ترموکوپل موجود باشد . فرض شود که نزدیکترین هیتر به ترموکوپل بسوزد دو هیتر دیگر باید انرژی مورد نیاز را تأمین می کنند، در این حالت سطح سیلندر نزدیک دو هیتری که کار می کنند داغ تر است.

اگر دورترین نوار هیتر از ترموکوپل بسوزد ،در این حالت پیش بینی می شودسطح سیلندر زیر هیتر سوخته شده سردتر از مساحت جاییکه هیترها به طور صحیح نزدیک ترموکوپل کنترل عمل می کنند باشد .گرمکن های سوخته شده باید در سریعترین زمان ممکن با گرمکن های جدید با ظرفیت یکسان جایگزین شوند.در هر ناحیه حرارتی برای کنترل دمای سیلندر از اب یا هوای سرد استفاده می شود .

سیلندر ها از فولاد کربن یا مواد دیگر ساخته میشوند . پوسته توسط عملیات نیتراته تا عمق حدود 3mm دارای سطح سفت و سخت می باشد. سیلندر های فولادی ضدزنگ با سطح سخت خود، انتخاب بهتری برای اکسترودرهای کوچک هستند.اگر چه سخت کردن فولاد ضدزنگ سبب کاهش مقاومت خورندگی آن می شود وهمچنین فولاد ضد زنگ یک هادی مناسب برای گرما نیست . راه دوم برای بهبود مقاومت سایشی و خورندگی در سیلندراستفاده از پوشش های bimetal است. این پوشش ازنیتراته کردن ضخیم تر است و سبب افزایش مقاومت سایشی می گردد.

جدول بالا بعضی ازپوشش ها و خواص سایشی آنها را نشان می دهد . راه سوم برای بهبود مقاومت خوردگی و سایش استفاده از یک لایه به صورت آستر در سیلندر می باشد که از جنس الیاژ فولادضدزنگ و نیکل و یا از جنس فولاد سخت شده با کربن می باشد .

برای جلوگیری از سایش سطح سیلندرسطح درونی سیلندر باید سخت تر از مارپیچ باشد . معمولا سطح مارپیچ زودتر از سطح سیلندردچارسایش می شود زیرا مساحت سطحی سیلندر به مارپیچ حدود نسبت 10:1 است واین به آن معنی است که پره هایمارپیچ تنها با 11 % دیواره سیلندر طی هر حرکت انتقالی در تماس هستند .

اگرمسیرحرکت سیلندر ، مکان گلوی تغذیه و یاتاقان درست انتخاب شود ، هنگامیکه اکسترودر سرداست مارپیچ به آسانی به بیرون و داخل می لغزد. اگر برای وارد نمودن مارپیچ به سیلندر ویا چرخاندن آن باید آن را گرم کرد بدین معنی است ، که یک جزء درمسیر درست خود قرار نگرفته است. کار با اکسترودی که در مسیر درست نصب نشده است می تواند آسیب های جدی را بوجود آورد.

فشاربالا در سیلندر اکسترودر می تواند خیلی خطرناک باشد . در نتیجه یک دیسک آزاد ( rupture disk) به هد اکسترودر به منظور ایمنی نصب می شود.ممکن است در هر اتفاقی فشار مذاب در سیلندر افزایش یابد بنابراین ، این دیسک عمل کرده و فشار را شکسته و کاهش میدهد . سیلندر ها به طورمعمول با مقاومت فشاری psi 10000 طراحی می شود .

شکل بالا یک دیسک ازاد fike که درون سیلندر اکسترودر می چرخد را نشان می دهد .

سه نوع هیتر برای گرم کردن سیلندر اکسترودر و آداپتور وجود دارند : cast ,cermic,micaاین هیترها باید ماکزیمم مساحت اطراف سیلندر را بپوشانند تا ازایجاد لکه های داغ جلوگیری شده و گرمای یکسانی را فراهم کنند . اکسترودر های بزرگ عموماً هیتر cast دارند و در اکسترودر های کوچکتر از پیوند هیترها استفاده می شود . هیترهای cermic به نسبت هیترهای mica برای دماهای بالاتر طراحی شده اند . هر دو هیتر در رنج دمایی وسیعی کاربرد دارند . خنک کاری سیلندر با آب یا هوا انجام می شود . خنک سازی بهتربه وسیله آب بهترو با انتقال حرارت بیشتری نسبت به هواانجام شده وهمچنین کنترل دما نیز راحت تر است . مسیرهای آب می توانند کثیف و مسدودشوند . جریان اب باید اندازه گیری شود بنابراین این سیستم باید درست کار کند . سیستم آب گردان به عملکرد آب وابسته است .مزیتی که آب دارد این است که هوای گرم را به داخل واردنمی کند .اگر سیستم خنک کاری آب درست اندازه گیری شود در کاهش گرمای سطح اکسترودر خیلی مؤثر میباشد و میتواند عملکردخوبی داشته باشد.

در شکل بالاسیستم های خنک کاری برای سیستم های گردش آب و هوا نشان داده شده است . فاصله گذارهای شیاردار اطراف سیلندر در سیستم air-cooled )خنک سازی بوسیله هوا(مساحت سطحی اضافی برای بیرون راندن گرما فراهم کرده و بازده خنک سازیرا افزایش می دهد . سیستم های air-cooled یک فن برای جریان هوا دارندو ماکزیمم بازده را برای فرآیندهای مختلف فراهم می کنند.

اکسترودرهای تک مارپیچه سه قسمت متفاوت دارند که در شکل بالا نشان داده شده است.

قسمت های مختلف مارپیچ :

قسمت تغذیه

در این قسمت برای انتقال پودر و دانه از گلوی تغذیه به سمت اکسترودر از پره های عمیق استفادهمیشود .

قسمت انتقال در این قسمت به تدریج ازعمق پره ها کم شده تا دانه های نسبتامذاب راانتقال دهند. رزین ها درقسمت انتقال طی فرآیند مذاب متراکم می شود .

قسمت سنجش

آخرین قسمت مارپیچ است که کم عمق ترین پره ها را دارد .