فرآیند اکستروژن و کواکستروژن

 فرایند اکستروژن اکستروژن یکی از عمومی ترین فرایندهای تولید محصولات پلیمری است.

این فرایند در تولید محصولاتی که بصورت یکنواخت و مداوم تولید می شوند (مانند لوله و پروفیل ها) کاربرد دارد. بطور کلی هدف از این فرایند تولید محصولی با کیفیت مناسب و مطابق با سلیقه و خواست مشتری است.

برای رسیدن به این اهداف باید ۵ نکته را در کیفیت محصول مد نظر قرار داد که عبارتند از:

• دمای مناسب ذوب پلیمر
• دمای مذاب یکنواخت
• ثابت فشار مذاب صحیح در دای
• فشار مذاب یکنواخت
• ثابت در دای محصولی با مذاب هموژن برای بهینه سازی یک فرایند

شناخت سطحی از فرایند اکستروژن، مانند چگونگی عملکرد آن، کافی نیست. لذا لازم است تا رفتار مواد پلیمری هم در نواحی مختلف اکسترودر بررسی و تحلیل گردد. همچنین برای رفع عیب موثر در خط تولید، تجهیزات اکستروژن و چگونگی رفتار آنها با مواد پلیمری و درنهایت خواص ایجاد شده در محصول باید تفهیم گردد. در اینجا فرایندی با یک اکسترودر بررسی می شود. در شکل زیر (شکل۱) نقاط کلیدی یک اکستردر تک ماردون (single screw extruder) آمده است. این نقاط شامل ۵ قسمت اصلی می باشند که عبارتند از :

• سیستم محرک
• سیستم خوراک دهی
• سیستم ماردون ,سیلندر و گرم کننده ها
• ناحیه هد (head) و دای (die)
• سیستم کنترلی

سیستم محرک: این سیستم شامل موتور (motor)، گیربکس (gear box) و thrust bearing و  bull gear و بخش تغذیه ماردون می یاشد.

سیستم تغذیه: شامل قیف خوراک (hopper)، گلویی خوراک (feed throat) و بخش خوراک دهی ماردون می یاشد.

سیستم ماردون، سیلندر و گرم کننده ها جایی است که رزین جامد به سمت جلو حرکت داده می شود، مذاب می شود و به سمت دای پمپ می شود. مواد اکسترود شده انتقال داده می شوند و توسط دای و رابط (adapter) شکل مورد نظر را بخود می گیرد.

سیستم کنترلی: کنترل ورودیهای الکتریکی اکسترودر را بعهده دارد و بازخورد الکتریکی آنرا ثبت می کند. این سیستم کنترلی علاوه بر کنترل تمام ورودیهای کنترلی، همه فرایندهای اکستروژن را کنترل می کند. فرایند کواکستروژن (Co-Extrusion) فرایند کواکستروژن ، اکستروژن چند لایه از مواد بطور همزمان است.

این نوع از اکستروژن از دو یا چند اکسترودر برای ذوب مواد استفاده می کند و حجم ثابتی از مواد مذاب مختلف و دارای ویسکوزیته مختلف را به یک دای می رساند و رزین را به شکل و محصول مورد نظر اکسترود می کند. این فرایند در فرایندهای اکستروژنی متعددی می تواند بکار رود (فیلم دمشی، پروفیل یا ورق). ضخامت لایه لایه با تنظیم سرعت و اندازه های نسبی مقدار هر ماده در هر اکسترودر تنظیم می گردد. دلایل بسیار زیادی وجود دارد برای اینکه تولید کنندگان از فرایند کواکستروژن بجای فرایند تک لایه استفاده کنند.

مثلا در صنعت نرده های وینیلی که کواکستروژن برای تنظیم لایه ها بکار می رود. معمولا لایه ای از مواد گرانقیمت که در برابرهوا مقاوم هستند در سطح بیرونی نرده اکسترود می گردد، در حالیکه مواد داخل آن دارای افزودنی هایی است که بیشتر در برابر ضربه و عملکرد ساختاری قطعه موثر هستند

 فرایند اکستروژن, قلب فرایند های پلیمری 

فرایند اکستروژن؟    

فرایندی است که طی آن مواد پلاستیکی به شکل های گرانول, پودر, پرک و… به صورت مداوم شکل دهی شده و محصول نهایی را به صورت لوله, میله توپر, ورق,رو کش سیم, انواع فیلم و… تولید می کنند.

لغت مداوم از ویژگی های بسیار مهم و جدا نشدنی این فرایند محسوب می شود.

تمام محصولات فوق را می توان در طول های کم به روش های دیگر قالبگیری و تولید نمود.

فرایند اکستروژن زمانی کاربرد خاص خود را پیدا می کند که ساخت قطعاتی با طول های بلند مد نظر باشد. مانند شیلنگ, لوله های آب و … که پس از تولید در ابعاد مورد نظر مصرف کننده, بریده می شوند.

کار دستگاه اکسترودر چیست؟

از فرایند اکستروژن برای عمل اختلاط و آمیزه سازی دو یا چند جزء از اجزای فرمولاسیون استفاده می شود. همچنین برای مخلوط کردن مواد ضایعاتی آسیابی و تازه می توان از این روش بهره جست. پلیمر به دست آمده را به وسیله دستگاه گرانول ساز به دانه هایی با ابعاد مورد نیاز تبدیل و سپس آن را به روش های معمول تزریق, اکستروژن,دمشی و… شکل دهی نمود. ظرفیت اکسترودرها را بر حسب مقدار ماده ای که در ساعت اکسترود می کنند, بیان می کنند. مثلا صد کیلو گرم در ساعت از روی میزان بازده می توان از بزرگ یا کوچک بودن دستگاه آگاه شد.

مهترین قسمت دستگاه اکسترودر چیست؟

مهمترین بخش اکسترودر پیچ آن است. اکثر اکسترودر های فعال جهان یک پیچ دارند, برخی دیگر دو پیچ و بعضا چهار.از ویژگی های مهم اکسترودرهای چند پیچه, می توان به قابلیت خوب اختلاط مواد و آمیزه سازی آنها اشاره نمود. ضمن اینکه راندمان اکسترود یک دستگاه دو پیچه در مقایسه با یک پیچه, سه برابر می باشد. قیمت بالای این دستگاه ها عاملی است که از گسترش سریع آنها در مراکز تولیدی آنگونه که شایسته است جایگزینی صورت نگرفته است.

یک دستگاه اکسترودر از چه قسمتهایی تشکیل شده است؟ 

اکسترودر های یک پیچ (single screw) دارای ۷ بخش مهم هستند:

1. قیف تغذیه: که محل قرار گرفتن خوراک یا آمیزه پلیمری (hopper) است.
2. بشکه  (barrel): پیچ, در مرکز و در جهت طول آن قرار دارد و المان های حرارتی و سرمایشی, نزدیک سطح داخلی تعبیه شده اند تا حرارت مورد نیاز را برای ذوب مواد تامین کنند.
3. پیچ(screw): وظیفه حرکت دادن و گرم کردن گرانول ها را دارد.حرکت و متراکم ساختن آنها در عین تماس با سطح داغ بشکه, مواد را ذوب می کند و سپس مذاب پلیمری را از دای (die) عبور می دهد.۵۹- فرایند اکستروژن, قلب فرایند های پلیمری
4. موتور و جعبه دنده: برای به چرخش در آوردن پیچ با دور بهینه به منظور رسیدن به تولید حد اکثر.
5. صفحه مدور مشبک صافی: جهت تصفیه سیال مذاب و ایجاد فشار معکوس (back pressure) از آن استفاده می شود.
6. دای (die): شکل نهایی محصول را تعیین می کند. در حقیقت نقش قالب را در فرایند اکستروژن دارد.
7. ترموکوپل ها: شیر های تنظیم فشار هستند که برای کنترل حرارت, فشار و سرعت چرخش پیچ واقع می گردند.

فرایند اکستروژن با تغذیه پیچ, در اولین بخش  از آن توسط محل ذخیره گرانول آغاز می شود . در دومین بخش از آن پیچ پلیمر فشرده و ذوب می شود. در بخش سوم پیچ عملیات پمپاژ مذاب پلیمری به داخل صافی و سپس دای صورت می گیرد.

چند نوع دای داریم؟

الف)دو صفحه موازی: پلاستیک مذاب با عبور از بین این دو صفحه داغ به شکل فیلم نازک با ضخامت های قابل کنترل تولید می شود.

ب)لوله ای ساده: این گونه دای ها که توسط آن ها لوله ها را تولید می کنند,به نام (analous) نامیده شده اند. برخی از اکسترودر ها دارای ناحیه هواگیری (گاز گیری) نیز می باشند. وجود این ناحیه به این علت است که بعضی از پلاستیک ها رطوبت را جذب می کنند(پلی آمیدها). اگر این مواد به همین حالت مرطوب وارد اکسترودر شوند,بخارات در داخل مذاب پلیمری محبوس باقی می ماند و محصول نهایی معیوب و فاقد ارزش خواهد بود.

برای رفع این مشکل راه حل اول آن است که مواد پلیمری قبل از ورود به اکسترودر خشک شوند. این روش گران و مولد آلودگی است.

راه دوم استفاده از اکسترودر هایی است که منطقه خروج مواد فرار برای آنها در نظر گرفته شده است.

طراحی پیچ چنین اکسترودر هایی نیز با پیچ های معمولی تفاوت دارد. بدین صورت که در بخش دوم پیچ مواد به طریق معمول فشرده و همگن می شوند. در ادامه همین بخش ناگهان با ورود به ناحیه غیر فشردگی (decompression zone) که عمق پیچ به ناگاه زیاد می شود, فشار وارد سیال مذاب کم می شودو امکان خروج و گریز رطوبت و سایر مواد فرار از داخل مذاب پلیمر توسط منفذ تعبیه شده در بدنه اکسترودر فراهم می شود.

پس از عبور مذاب از این ناحیه,سیال پلیمری به منطقه فشردگی دوم هدایت شده تا از محبوس شدن هوا در مذاب ممانعت به عمل آید,بقیه فرایند به روش متعارف تداوم می یابد.

عمق پیچ در مسیر صول آن متفاوت است. در ابتدای آنچه که ناحیه تغذیه نامیده می شود عمق بیشتر از بخش های دیگر است, تا همواره مقداری از ماده ذخیره شود تا از گرسنه ماندن پیچ جلوگیری شود. هر قدر به انتهای پیچ نزدیک می شویم از عمق آن کاسته شده تا عملیات پمپ شدن سیال بهتر انجام شود.

منظور از ویژگی طول به قطر پیچ چیست ؟

قطر به پیچ در ارتباط با طولش دارای اهمیت زیادی است و یکی از خصوصیات مهم هر اکسترودر محسوب می شود. این مقدار را نسبت (L/D) می نامند.عموما پیچ ها باید بین ۱۵ تا ۳۰ برابر قطرشان طول داشته باشند. در این حالت ناحیه بزرگ و مناسبی برای انتقال حرارت و نیز مخلوط شدن مواد به وجود می آید.

اگر پیچی دارای (L/D) برابر با ۲۰ و قطری معادل با ۲ اینچ داشته باشد طول آنرا حساب کنید.

اکسترودر های بزرگ دارای قطر هایی حدود ۸ اینچ هستند و خروجی تقریبی آنها kg/hr500 می باشد.

بنا به رفتار رئولوژیک و مشخصات حرکت مذاب هر پلیمر برای هر پلاستیکی پیچ به خصوصی ساخته اند. پیچ هایی که بتوان با آنها چند نوع مختلف پلاستیک را تحت فرایند قرار داد پیچ های General Purpose یا همه کاره می نامند.

نسبت تراکم نیز در انتخاب پیچ برای هر نوع از پلاستیک ها اهمیت دارد. این نسبت عبارت است از:

نسبت حجم یک گام پیچ در قسمت سنجش یا پمپینگ به ناحیه قبلی یا فشردگی پیچ ,پیچ هایی با نسبت تراکم پایین دارای نسبت ۲ به ۱ خواهد بود. پیچ هایی با نسبت ۴ به ۱ دارای نسبت تراکم بالا هستند.

برای به حرکت در آوردن پیچ های بزرگ از موتور هایی به قدرت hp 100 استفاده می شود.

سرعت پیچ بین ۱۰ تا ۲۰۰ دور در دقیقه متغیر است.

و بالاخره منافذ صافی بسیار ظریف و باریک هستند و در اثر مرور زمان به وسیله ذرات سوخته , براده های ریز فلزی و… مسدود می شوند در اثر انسداد راندمان کاهش و فشار معکوس افزایش می یابد. بنا براین لازم است برنامه منظمی برای  بازدید و تعویض آن اجرا نمود.