اکستروژن پلاستیک

اکسترودرهای تک‌مارپیچ انعطاف‌پذیری بالایی دارند و تجزیه تحلیل درون آن‌ها ساده‌تر است. در اینجا اجزاء اکسترودر و مکانیزم عملکرد آن به صورت مختصر توضیح داده می‌شود:

اگر خوراک ورودی به اکسترودر به شکل گرانول یا پودر باشد، درست بعد از قیف نیاز به یک قسمت به نام ناحیه تغذیه است که در آن به مواد گرما داده می‌شود تا به حالت مذاب در آیند. به این اکسترودرها Plasticating Extruder می‌گویند؛ ولی اگر خوراک ورودی به اکسترودر به عنوان مثال از یک رآکتور پلیمریزاسیون تأمین شود و خوراک به صورت مذاب باشد در این صورت در روی پیچ دیگر نیازی به ناحیه تغذیه نیست و خوراک به‌طور مستقیم وارد ناحیه تراکم و فشردگی یا حتی ناحیه اختلاط می‌شود. به این نوع اکسترودر Melt Extruder می‌گویند.

محفظه نگهدارنده پیچ می‌باشد. انتقال حرارت به مواد بیشتر از طریق سیلندر صورت می‌گیرد و ایجاد جریان درگ با استفاده از آن میسر می‌گردد. در بعضی از موارد بر روی سیلندر نیز شیارهایی به عنوان کانال انتقال مذاب تعبیه می‌شود.

یکی از اجزای مهم اکسترودر، صافی است که پس از مارپیچ و قبل از دای قرار می‌گیرد. این صافی هر گونه مواد ناهمگن و ناخالصی را از مذاب جدا می‌کند. عدم وجود صافی حتی باعث گرفتن دای می‌شود. استفاده از صافی‌های بسیار ظریف باعث افزایش کیفیت محصول نهایی می‌گردد؛ ولی این نوع صافی‌ها بسیار آسیب‌پذیراند. جهت جلوگیری شکست این صفحات، از صفحات سرعت‌شکن استفاده می‌شود که دارای سوراخ‌های مماس بر یکدیگر و بسیار تنگاتنگ است که باعث می‌شود جریان مذاب چرخشی خروجی از مارپیچ به صورت خطی در آید.

مهمترین قسمت یک اکسترودر مارپیچ اکسترودر می‌باشد. مارپیچ می‌تواند یک کاناله یا چند کاناله باشد. قسمت‌های مختلف از یک مارپیچ عبارت اند از:

1. قطر مارپیچ: منظور از قطر پیچ همان قطر درونی سطح صفر مارپیچ است.
2. زاویه پیچ: زاویه بین صفحه عمود بر محور پیچ و راستای پره‌ها است. اکسترودر در هنگام کار باید به گونه‌ای بچرخد که گویی پیچ در حال باز شدن است. تنها در این صورت است که مواد به سمت جلو حرکت می‌کنند. البته گاهی از زوایای معکوس جهت عمل اختلاط استفاده می‌شود.
3. گام پیچ: به فاصله محوری یک پره تا پره دیگر گفته می‌شود. باید توجه کرد که فاصله خالی بین دو پره lead گفته می‌شود که به اندازه عرض پره از گام پیچ کمتر است.
4. عمق کانال: به فاصله بین سطح صفر مارپیچ و سطح داخلی سیلندر عمق کانال گقته می‌شود و ممکن است در طول کانال تغییر کند.
5. درجه لقی: به فاصله بین سطح پره و جداره داخلی سیلندر اطلاق می‌شود. این فاصله باعث ایجاد یک جریان برگشتی شده که به اختلاط مواد درون اکسترودر کمک می‌کند؛ ولی شدت برش وارده به سیال در این منطقه بسیار زیاد است و گرمای زیادی تولید می‌شود که افزایش گرمای تولید شده باعث سوختن و تخریب پلیمر می‌شود.
6. عرض پره‌ها: به فاصله محوری بین ابتدا و انتهای لبه‌های پره گفته می‌شود.
7. عرض کانال: به فاصله عمودی بین پره‌ها گفته می‌شود.

یک پیچ ساده اکستروژن پلاستیک

یک اکسترودر تک مارپیچ سه ناحیه متفاوت دارد که عبارت اند از:

• ناحیه تغذیه
• ناحیه تراکم و فشردگی یا انتقال
• ناحیه اندازه‌گیری و سنجش

خوراک جامد ابتدا وارد ناحیه تغذیه می‌شود و در جداره سیلندر شروع به ذوب شدن می‌کند. در ضمن عملیات ذوب شدن، مواد از جداره سیلندر جدا شده و در حوضچه مذاب مارپیچ در حال چرخش می‌ریزد و با ایجاد نیروی درگ به سمت جلو می‌روند. با استمرار چرخش مارپیچ مواد بیشتری به داخل حوضچه مذاب می‌ریزد تا اینکه در انتهای منطقه تغذیه خوراک جامد به‌طور کامل به حالت مذاب در می‌آید. در انتهای منطقه فشردگی با کاهش عمق مارپیچ، حداکثر فشار ایجاد می‌شود. در طول منطقه اندازه‌گیری، مذاب فشرده شده شروع به همگن شدن کرده و مذابی با فشار و دمای ثابت از خروجی اکسترودر به سمت دای می‌رود.

متناسب با جهت چرخش و وضع استقرار دو مارپیچ نسبت به یکدیگر، می‌توان انواع مختلف مارپیچ از جمله مارپیچ با حرکت همسو و معکوس، مارپیچ نوع شانه‌ای، غیر شانه‌ای و شانه‌ای فشرده را تشخیص داد. متناسب با جهت چرخش دو مارپیچ نسبت به یکدیگر، نحوه ورود و انتقال مواد، هموژنیزه شدن مواد، انتقال انرژی، شدت و یکنواختی برش، فشار و حجم مواد عبوری از مارپیچ‌ها و مقدار اصطکاک مشخص می‌شود. برتری اکسترودر دو مارپیچ و شانه‌ای با حرکت معکوس نسبت به مارپیچ با حرکت همسو عبارت اند از:

• انتقال مواد به شدت صورت می‌گیرد.
• خود به خود تمیز شده و پلاستیک شوندگی را با دقت انجام می‌دهد.

زمانی که پروفیل پلاستیکی از قالب بیرون می‌آید هنوز به صورت مذاب است. پروفیل به یک حمام آب هدایت می‌شود که دارای شکل دهنده‌ها و راهنماهای مرتبط با ابعاد است. در حین عبور از این حمام خنک‌کننده، پلاستیک جامد شده و شکل نهایی اش را به خود می‌گیرد. حمام به‌طور پیوسته توسط ورود آب خنک با یک چیلر خنک می‌شود.

پلاستیکی که از قالب پروفیل بیرون می‌آید و هنوز مذاب است، استحکامی ندارد. برای حصول اطمینان از این که فرایند با سرعت درستی پیش می‌رود، غلتک‌های بیرون برنده که سرعت آن‌ها قابل تنظیم است، پلاستیک خنک شده را از درون حمام خنک‌کننده عبور می‌دهند. غلتک‌های بیرون برنده، بزرگی و جهت سرعت بیرون آمدن پروفیل از قالب را کنترل می‌کنند.

برخی قطعات اکستروژن شده و لوله‌ها که سطح مقطع توخالی دارند، باید از لحاظ ابعاد دقیق باشند؛ بنابراین یک دستگاه کالیبراسیون خلأ به حمام خنک‌کننده اضافه می‌شود. قطعه اکستروژن شده که همچنان نرم است از مرکز دستگاه کالیبراسیون عبور می‌کند. محیط خلأ در بیرون از دستگاه برقرار می‌شود و حفره‌های کوچک در تمام سطح پروفیل مرکزی، باعث می‌شوند که پلاستیک نرم به سمت این پروفیل کشیده شود. این پروسه کمی شبیه به فرایند شکل‌دهی خلأ پیوسته می‌باشد.

پروفیل اکستروژن شده که کامل شکل گرفته‌است، حال باید به ابعاد مورد نظر بریده شود تا برای حمل و نقل و کاربرد پیش‌بینی شده مناسب باشد. قطعات منعطف معمولاً توسط یک دستگاه اختصاصی کویلینگ، بریده می‌شود. در حالی که قطعات سخت توسط اره یا گیوتین به اندازه مناسب بریده می‌شوند. اگر سطح مقطع قطعه‌ای که قرار است بریده شود ضخیم باشد، یک اره رفت و برگشتی قطعه را می‌برد. طول قطعات سخت و نرم در حین گذشت از روی کانتر که توسط یک غلتک فعال می‌شود، اندازه‌گیری می‌گردد.