اکستروژن فیلم در کاربردهای متنوع ، از کشاورزی ، ژئوممبران ، و ساخت و ساز تا بسته بندی پزشکی و مواد غذایی ، به نام چند مورد استفاده می شود. بسته به نوع استفاده نهایی ، الزامات مربوط به کیفیت فیلم نیز می تواند متفاوت باشد. به عنوان مثال ، در بسته بندی مواد غذایی ، از ژل یا نقص از هر نوع باید خودداری شود ، زیرا مصرف کنندگان ممکن است این مسئله را فساد غذا یا اشکال در غذا بدانند. در فیلمهای ساختمانی ، که در سالهای اخیر یک لایه نازک برای سد رادون در آن گنجانده شده است ، یکنواختی ضخامت لایه بسیار مهم می شود.
به طور کلی ، برخی از ویژگی ها وجود دارد که برای هر نوع عملیات پردازش فیلم مهم است:
یکنواختی ضخامت . این فیلم باید تا حد ممکن صاف و یکنواخت باشد تا بتواند عملیات روان هر پردازش پایین دست را فراهم کند.
انعطاف پذیری مواد . این خط باید حداکثر انعطاف پذیری را برای مدیریت انواع رزین های مختلف داشته باشد ، از انواع مختلف پلی اتیلن ها (LDPE ، LLDPE ، mLLDPE ، HDPE ، MDPE) تا انواع مختلف پلی پروپیلن و در موارد شدید مهندسی متفاوت رزین نیز (نایلون ، EVOH ، PET).
ضخامت های مختلف . غالباً ، این خط باید بتواند فیلمهایی با ضخامتهای مختلف ، از 20 تا 200 میکرون تولید کند. نه تنها انتخاب مواد در این موارد برای هدف قرار دادن برخی از خصوصیات فیزیکی مهم است ، بلکه قابلیت خنک کننده و سیم پیچ خط نیز مهم است.
طول دویدن . برای پردازنده های اکستروژن ، ایده آل است که خط هرگز تمیز نشود ، تا هزینه های نگهداری و ضایعات به حداقل برسد. در دنیای واقعی ، این غیر واقعی است. نه تنها انتخاب تجهیزات اکستروژن که به کاهش نقاط قطع و جلوگیری از تخریب کمک می کند مهم است ، بلکه نحوه اجرای خط پردازنده نیز به همان اندازه مهم است.
کنترل کیفیت . همیشه به حداقل رساندن نقص مانند تجمع کربن بسیار مهم است.
به منظور بهینه سازی کامل هر فرآیند اکستروژن ، مهندسان فرآیند باید درک اساسی از سه زمینه داشته باشند: ویژگی های مواد ، پارامترهای اساسی طراحی تجهیزات اکستروژن و پنجره فرآیند تجهیزات. در این مقاله نحوه همکاری هر منطقه در مهمترین ویژگیهای هر فرآیند اکستروژن شرح داده خواهد شد.
خصوصیات مواد
برای پردازنده ها مهم است که از خصوصیات ماده رزینی که می خواهند استفاده کنند ، مطلع شوند. به طور قابل ملاحظه ای معمول است که پردازنده ها مایلند هرچه بیشتر ساختارهای مختلف را در تجهیزات اکستروژن یکسان قرار دهند ، که استفاده از تجهیزات را به حداکثر می رساند.
با این حال ، درک تفاوت تجهیزات موجود در کارخانه مهم است ، زیرا همه تجهیزات یکسان طراحی نشده اند و بنابراین ممکن است نتوانند تمام دستورالعمل ها یا ساختارهای مواد را در خود جای دهند. برای درک تفاوت های مواد ، برخی از خصوصیات متداول مواد که باید مورد توجه قرار گیرند عبارتند از:
• اختلاف ویسکوزیته . این احتمالاً مهمترین خاصیتی است که باید در اکستروژن درک شود. ویسکوزیته به عنوان مقاومت ماده در برابر جریان تعریف می شود. در پلیمرها ، آنچه خصوصیات ویسکوزیته ها را پیچیده می کند رفتار الاستیک ویسکوپی است. ویسکوزیته ها در پلیمرها ثابت نیستند. به طور کلی ، ویسکوزیته های آنها با برش بیشتر مواد کاهش می یابد. شکل 1 یک منحنی ویسکوزیته برشی معمولی از یک شاخص مذاب 1 LLDPE را نشان می دهد.
همانطور که شکل 1 نشان می دهد ، ویسکوزیته برشی ماده با افزایش سرعت برش کاهش می یابد. با افزایش دما ، گرانروی برشی نیز کاهش می یابد - یعنی جریان در مواد در دمای بالاتر آسان تر است. بسته به معماری مولکولی مانند توزیع وزن مولکولی (MWD) ، وزن مولکولی (MW) و محتوای شاخه ای با زنجیره بلند (LCB) ، رفتار نازک شدن برش پلیمرهای مختلف متفاوت است.
به عنوان مثال ، LDPE به دلیل وجود LCB ، نازک شدن برش بیشتری نسبت به LLDPE نشان می دهد ، بنابراین ویسکوزیته برشی LDPE با سرعت برشی بالاتر از LLDPE سریعتر کاهش می یابد. علاوه بر این ، حساسیت های دمایی پلیمرهای مختلف نیز متفاوت است. به عنوان مثال ، به طور کلی ، گرانروی نایلون در دمای بالاتر نسبت به PE سریعتر کاهش می یابد. تنش برشی به صورت زیر بیان می شود:
ماده ای که دارای گرانروی برشی بالاتر باشد ، در همان سرعت برشی نیز تنش برشی بیشتری خواهد داشت. تنش برشی نیرویی است که در واحد سطح اعمال می شود. این ویژگی هنگام در نظر گرفتن زمان موثر تصفیه و زمان انتقال مواد بسیار مهم است. انتقال از 1 MI LDPE به 1 MI LLDPE بسیار آسان تر از بالعکس است ، زیرا تنش برشی ماده 1 MI LLDPE در نرخ برشی بالاتر از 1 MI LDPE است ، بنابراین آسان تر است برای مواد LLDPE برای "پاک کردن" LDPE.
• اختلاف نقطه ذوب . پلیمرهای مختلف دارای نقطه ذوب متفاوتی هستند. جدول 1 برخی از محدوده های معمول ذوب را برای پلیمرهای مختلف نشان می دهد.
دانستن نقاط ذوب مواد حداقل از سه جنبه بسیار مهم است. اول از همه ، هنگام انتقال از یک پلیمر با نقطه ذوب بالاتر به یک با نقطه ذوب پایین ، بسیار مهم است که ماده ذوب پایین در همان دمای پردازش با ماده ذوب بالاتر وارد شود. یک مثال معمول انتقال از نایلون 6 به 1 MI LLDPE است. دمای پردازش مواد نایلون 6 احتمالاً حدود 2500C (4820F) است. مواد 1 MI LLDPE باید در دمای 2500 درجه سانتیگراد معرفی شود تا بتواند مواد نایلون 6 را پاکسازی کند. پس از تمیز شدن فیلم ، باید درجه حرارت در بشکه ابتدا کاهش یابد ، بدون اینکه دمای قالب تغییر کند. به این ترتیب می توان ویسکوزیته LLDPE را افزایش داد تا نایلون 6 در قالب بیشتر پاکسازی شود. سرانجام،
ثانیاً ، در طی فرآیند هم فشاری که مواد مختلف به یکدیگر متصل می شوند و یک ساختار را تشکیل می دهند ، درک تفاوت های دمای پردازش مواد در ساختار مهم است. به عنوان مثال ، در یک برنامه فیلم دمیده ، اگر ماده ای مانند هموپلیمر PET نیاز به اکسترود در دمای 290-3000C (554-5720F) داشته باشد ، بقیه سازه باید به گونه ای طراحی شود که دارای قدرت ذوب کافی برای تثبیت حباب
مثال دیگر اجرای یک رزین حساس به دما مانند EVA ، EAA یا در موارد شدید PVdC است. مهندسان فرآیند باید به خاطر داشته باشند که لایه های مجاور این مواد نمی توانند رزینی باشند که به دمای پردازش بسیار بالاتری نیاز دارند. این مواد باید توسط رزین های مقاوم در برابر دما محصور شوند که می توانند در همان دما پردازش شوند اما می توانند در برابر دماهای بسیار بالاتر نیز مقاومت کنند. این مواد سپس به عنوان لایه های محافظ عمل خواهند کرد.
ثالثاً ، بسیار معمول است که پردازنده ها رزین های مختلف را در یک لایه معین از ساختار مخلوط می کنند. دانستن نقطه ذوب هر رزین در ترکیب مهم است. اگر نقاط ذوب رزین ها بسیار متفاوت باشد ، لازم است از پروفیل های حرارتی خاص استفاده شود یا باید طرح های مختلف پیچ مشخص شود. به عنوان مثال ، اگر یکی از مواد LLDPE را با مقدار کمی EVA مخلوط کند ، ماده EVA در حدود 850C (1850F) ذوب می شود ، در حالی که LLDPE در حدود 1200C (2480F) ذوب می شود. EVA به ناچار زودتر از LLDPE ذوب می شود. نکته اصلی در اینجا جلوگیری از کپسول کردن گلوله های LLDPE توسط EVA و عمل به عنوان یک عایق است که مانع ذوب شدن کامل LLDPE و در نتیجه ذوب شدن LLDPE می شود.
این مورد در مورد موادی با ویسکوزیته بسیار متفاوت نیز صدق می کند. برای مثال پردازنده ها باید هنگام مخلوط کردن 1 MI LLDPE با 5 MI LLDPE دقت کنند. رزین ویسکوزیته پایین بسیار راحت تر جریان می یابد و از این رو در صورت استفاده اشتباه از طراحی پیچ یا پروفیل های دمای پردازش اشتباه ، رزین ویسکوزیته بالاتر را محصور می کند.
درک طراحی تجهیزات اساسی
اگرچه پردازنده های فیلم طراح تجهیزات نیستند ، اما برای آنها بسیار مهم است که بفهمند هر خط برای چه کاری طراحی شده است و چه توانایی هایی دارد. در دهه 1980 ، بیشتر تجهیزات این صنعت برای LDPE طراحی شده بود. هنگامی که LLDPE برای اولین بار معرفی شد ، پردازنده ها دریافتند که به دلیل اینکه ویسکوزیته LLDPE به طور کلی بیشتر است ، تجهیزاتی که برای اجرای LDPE طراحی شده اند نمی توانند LLDPE را با همان سرعت اجرا کنند. چندین مورد اصلی در مورد اجرای LLDPE در یک خط طراحی شده برای LDPE وجود داشت:
• دمای ذوب پلیمر خیلی زیاد شد : دمای ذوب LLDPE می تواند تا 270-2800C (518-5360F) برسد. این امر باعث تخریب پلیمر و تولید ژل می شود. پس از دو ماه اجرای خط ، مشخصات سیاه بر روی فیلم دیده می شود.
مطالب پیشنهادی :
5 راه پلاستیک انقلابی در صنعت بهداشت ایجاد کرد
چه تفاوتی بین کیف های فریزر و کیسه های زیپ دار معمولی وجود دارد؟
• فشارهای ناشی از مرگ بسیار زیاد خواهد بود . هنگامی که قالب فقط برای LDPE طراحی شده باشد ، فشارهای حاصل از قالب معمولاً 3000-4000 psi است. با 1 MI LLDPE فشارها حداقل 50٪ افزایش می یابد که باعث محدودیت تولید می شود. فشارهای بالا باعث افزایش دمای ذوب نیز می شود.
• مشکلات گشتاور روی اکسترودر . باز هم می گویم ، از آنجا که ویسکوزیته LLDPE بسیار بالاتر از LDPE است ، گشتاور بسیار بیشتری در اکسترودر مصرف می کند. اگر دستگاه اکسترودر قبلاً می توانست LDPE را در 80 دور در دقیقه اجرا کند ، در بعضی موارد می تواند با گشتاور در 30 دور در دقیقه با LLDPE حداکثر شود. این ، بازهم خروجی سیستم را بطور قابل توجهی محدود می کند.
• طراحی پیچ . هنگامی که پردازنده ها سعی کردند LLDPE را روی پیچ مخصوص مخصوص LDPE اجرا کنند ، نه تنها خروجی آسیب دید بلکه ذوب نیز مشاهده شد. ذوب و اختلاط مناسب پلیمر با طراحی پیچ اشتباه حاصل نشد.
• مسائل یکنواختی ضخامت. وقتی دمای مذاب به درستی کنترل نشود ، چه به دلیل فشارهای زیاد بیش از حد و چه به دلیل اشتباه بودن طراحی پیچ ، شیب دما در سراسر جریان مذاب افزایش می یابد. حتی اگر دمای ذوب 2600C (5000F) باشد ، در بیشتر موارد این دما در دیواره آداپتور است. دمای ذوب واقعی در مرکز آداپتور می تواند تا 3000C (5720F) باشد. هرچه اختلاف در دمای ذوب جریان متقاطع بیشتر باشد ، تأثیر آن بر یکنواختی ضخامت اکسترود بدتر خواهد بود. گرادیان بزرگ دما معادل داشتن پلیمرهایی از ویسکوزیته های مختلف در یک سیستم است. مواد گرانروی پایین تر از مارپیچ ها سریعتر از مواد گرانروی بالاتر خارج می شوند. به نوبه خود ، ضخامت پروفیل در قالب فیلم منفجر شده امواج سینوسی مانند شکل 2 را نشان می دهد.
• شکستگی مذاب . شکاف قالب معمول برای مواد LDPE در حدود 0.040 اینچ (1 میلی متر) است. به دلیل تنش برشی بالاتر با LLDPE ، شکستگی ذوب پوست کوسه با راحتی بیشتری مشاهده می شود. شکافهای قالب معمول برای LLDPE بسته به خروجی در حدود 0.080-0.100 اینچ (2-2.5 میلی متر) خواهد بود.
همانطور که این مثال نشان می دهد ، وقتی تجهیزات برای مواد نامناسبی طراحی شده باشند ، تقریباً همه جنبه های فرآیند ممکن است اشتباه باشد. این شامل ملات ها ، ژل ها ، و یکنواختی ضخامت ضعیف و شکل ظاهری فیلم است ، فقط چند مورد را ذکر کنید.
در Coxtrusion ، آنچه باعث پیچیدگی امور می شود این است که هر لایه ممکن است برای یک خروجی خاص طراحی شود. علاوه بر این ، برای جلوگیری از بی ثباتی سطحی ، باید تفاوت نسبت بین لایه ها در نظر گرفته شود. این پدیده ای است که در آن لایه های مجاور به درستی با هم جریان پیدا نمی کنند و باعث ایجاد ظاهری از نوع شورون در سطح فیلم می شوند یا از نوع موج بزرگ ظاهر می شوند. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است ، شکل کوچک نوع شورون به عنوان بی ثباتی زیگ زاگ شناخته می شود. شناخته شده است که به دلیل اختلاف زیاد ویسکوزیته بین لایه ها ایجاد می شود. ناپایداری نوع موج نشان داده شده در شکل 4 شناخته شده است که ناشی از اختلاف ویسکوزیته کششی است. پردازنده ها باید یک جدول طراحی خط طراحی کنند. جدول 2 یکی را برای یک سیستم هفت لایه نشان می دهد ، اما به راحتی برای هر سیستم قابل تغییر است.
به طور معمول ، خروجی لایه طراحی شده و نسبت لایه طراحی شده را می توان از تولیدکنندگان تجهیزات بدست آورد. هنگامی که جداولی مانند جدول 2 برای هر خط در دسترس باشد ، در هنگام برنامه ریزی تولید می توان تعیین کرد که چه محصولاتی را می توان به بهترین شکل در هر خط تولید کرد. همچنین مهم است که ورودی های خاص خط و آخرین تاریخ نگهداری ثبت شود. این یک روش خوب برای نظارت بر شرایط پیچ و بشکه ها است. هنگامی که یک پیچ شروع به سایش می کند ، میزان تولید خاص شروع به کاهش می کند. سپس پیچ دور موتور خود را افزایش می دهد تا توان مخصوص پایین را جبران کند و دمای ذوب شروع به افزایش می کند. به طور معمول برای کاربردهای حساس به ژل ، اگر توان تولید بیش از 10٪ کاهش یابد ، پردازنده ها باید شروع به بررسی پیچ و یا بشکه کنند.
پنجره فرآیند تجهیزات
به محض اینکه پردازنده ها از خصوصیات مواد به خوبی درک کنند و از طراحی تجهیزات درک خوبی داشته باشند ، باید اطلاعات خود را برای ساختن پایگاه داده برای هر خط شروع کنند. همانطور که در جدول 3 نشان داده شده است ، می توان از جدول دقیق تری برای ثبت اطلاعات روی هر خط استفاده کرد.
این جدول باید برای سازه هایی که عملکرد خوبی دارند و همچنین سازه هایی که عملکرد خوبی ندارند جمع آوری شود. جمع آوری این اطلاعات می تواند به پیش بینی عملکرد خط در هنگام اجرای سازه های جدید یا مواد جدید کمک کند. این اطلاعات ، همراه با جدول طراحی ، می تواند به مهندسان فرآیند در درک آنچه واقعاً در خط اتفاق می افتد ، کمک کند.
به عنوان مثال ، اگر سازه ای که قبلاً بدون هیچ مشکلی به خوبی اجرا می شد ، پس از تمیز کردن قالب دچار مشکل ژل می شد ، با استفاده از اسناد مناسب ، مقایسه پارامترهای اساسی فرآیند قبل و بعد از تمیز کردن قالب بسیار آسان است. اولین مواردی که باید در این مورد بررسی کنید ، دمای ذوب و خروجی پیچ در همان دور در دقیقه است.
مثال دیگر می تواند این باشد که اگر سازه ای برای چند هفته به خوبی اجرا شود و سپس ژل ایجاد شود. با فرض اینکه این یک ساختار جدید است ، مقایسه دامنه خروجی طراحی با خروجی واقعی اجرا آسان خواهد بود. اگر خروجی واقعی به طور قابل توجهی زیر دامنه خروجی طراحی شده باشد ، این بدان معنی است که ممکن است نرخ برش در سیستم بسیار پایین باشد ، که باعث تخریب در طول زمان می شود.
فروش مخزن افقی