چه عواملی بر عملکرد اکسترودرهای تک پیچ در تولید نوار شکست حرارتی تأثیر می‌گذارند؟

طراحی پیچ: هندسه، نسبت L/D و تأثیر قطر بر کارایی اکستروژن

نحوه تأثیر هندسه پیچ بر ذوب، اختلاط و یکنواختی ماده

شکل و طراحی پیچ‌ها نقش مهمی در نحوه ذوب مواد و نوع محصولات تولید شده توسط اکسترودرهای تک پیچی دارد. مواردی مانند گام، عمق برش کانال‌ها و قطعات اختلاط خاص، همگی بر رفتار پلیمرها در حین فرآیند تأثیر می‌گذارند. وقتی صحبت از کانال‌های کم عمق در ناحیه فشردگی است، این کانال‌ها نیروی برشی بیشتری ایجاد می‌کنند که به سرعت بخشیدن به ذوب کمک می‌کند. کانال‌های عمیق‌تر در بخش تغذیه در واقع حرکت مواد جامد را بهتر می‌کنند. برای اختلاط، بخش‌های خاصی که شامل طرح‌های دندانه‌دار یا حلقه‌های برجسته هستند، به‌طور قابل توجهی خواص اختلاط توزیعی را افزایش می‌دهند. بر اساس برخی تحقیقات صنعتی انجام شده توسط پونمون در سال ۲۰۲۳، این موضوع می‌تواند اختلاف دما را حدود ۱۲٪ کاهش دهد، زمانی که نوارهای شکست حرارتی تولید می‌شوند. پیچ‌هایی که دارای بلوک‌های ورزشی متقارن هستند، تمایل دارند به حدود ۹۲٪ یکنواختی ماده دست یابند، در حالی که سیستم‌های معمولی تنها به حدود ۷۸٪ دست می‌یابند. این امر تفاوت واقعی در جلوگیری از پل‌های نامطلوب حرارتی در پروفیل‌های نهایی ایجاد می‌کند.

نقش نسبت طول به قطر در زمان اقامت، یکنواختی حرارتی و ثبات خروجی

نسبت طول به قطر (L/D) نقش مهمی در چندین حوزه کلیدی از جمله مدت زمان باقی‌ماندن ماده در سیستم، پایداری ذوب در حین فرآوری و مصرف کلی انرژی ایفا می‌کند. هنگامی که سیستم‌هایی با نسبت L/D بالای 30:1 را با سیستم‌هایی در حدود 20:1 مقایسه می‌کنیم، مشاهده می‌شود که زمان اقامت حدود 40 درصد افزایش می‌یابد. این زمان اضافی امکان ذوب مناسب مواد سخت‌تری مانند PA66 را فراهم می‌کند که نیازمند پلاستیک‌سازی کامل قبل از فرآوری است. اما افزایش نسبت به بالای 40:1 هزینه بیشتری از نظر مصرف انرژی به همراه دارد که معمولاً مصرف انرژی را حدود 18 درصد افزایش می‌دهد، بدون بهبود چشمگیری در یکنواختی ماده. بیشتر کارشناسان صنعت، محدوده بین 28:1 تا 32:1 را نقطه بهینه برای کاربردهای تفکیک حرارتی می‌دانند. در این نسبت‌ها، تولیدکنندگان می‌توانند هم ریسک تخریب ماده و هم اهداف تولید که معمولاً بین 120 تا 150 کیلوگرم در ساعت است را مدیریت کنند.

قطر پیچ و تأثیر آن بر ظرفیت عبوری و تولید برش

مقدار تولید در واقع با مجذور اندازه پیچ افزایش می‌یابد. به اعداد نگاه کنید: یک پیچ 120 میلی‌متری در هر چرخش حدود 2.6 برابر تولید یک پیچ 90 میلی‌متری را دارد. پیچ‌های بزرگتر همچنین باعث افزایش سرعت تولید می‌شوند (به عنوان مثال حدود 280 کیلوگرم در ساعت در مقایسه با تنها 170 کیلوگرم هنگام تغییر از 100 میلی‌متر به 80 میلی‌متر). اما یک نکته وجود دارد. هرچه پیچ بزرگتر باشد، نیروی برش تولید شده کمتر است، که این کاهش در حدود 30 تا 40 درصد است. این موضوع ممکن است بر نحوه یکنواخت مخلوط شدن مواد تأثیر بگذارد. بنابراین انتخاب اندازه مناسب واقعاً به نوع ماده‌ای که با آن کار می‌کنیم بستگی دارد. برای مواد رقیق مانند PVC، بیشتر افراد تشخیص داده‌اند که اندازه‌های 90 تا 110 میلی‌متر عملکرد خوبی دارند. اما مواد ضخیم‌تر مانند TPU معمولاً به چیزی کوچکتر نیاز دارند، معمولاً بین 60 تا 80 میلی‌متر، تا بتوانند میزان کافی اختلاط داشته باشند و مواد به خوبی پخش شوند.

کنترل دما: مدیریت پروفایل‌های حرارتی برای اکسترودینگ پایدار

مناطق دمایی مخزن و تأثیر آنها بر ویسکوزیته پلیمر و پایداری جریان

تنظیم صحیح مناطق دمایی در طول ماندولین همان عامل کنترل جریان پلیمرها در تولید نوارهای شکست حرارتی است. در ناحیه تغذیه، حفظ دما در سطحی پایین‌تر از نقطه انتقال شیشه‌ای به فشرده‌شدن ماده بدون ذوب شدن زودهنگام کمک می‌کند. هنگامی که ماده وارد ناحیه فشردگی می‌شود، گرمایش کنترل‌شده‌ای اعمال می‌شود که معمولاً برای مواد مبتنی بر PA66 بین ۱۷۰ تا ۱۹۰ درجه سانتی‌گراد است. این کار باعث کاهش ویسکوزیته و اختلاط مناسب مواد می‌شود. سپس به ناحیه اندازه‌گیری می‌رسیم که در آن تعادلی بین گرمای ایجاد‌شده توسط برش و گرمای اضافی اعمال‌شده برقرار می‌شود. این تعادل جریان را پایدار نگه می‌دارد که امری بسیار مهم برای رسیدن به دقت ابعادی در محدوده مثبت و منفی ۱٫۵ درصد است. تحقیقات منتشر‌شده سال گذشته نشان داده که تقریباً دو سوم مشکلات تولید اکسترود به دلیل وجود گرادیان‌های حرارتی نامناسب است. این موضوع توضیح می‌دهد که چرا امروزه بسیاری از واحدها در حال سرمایه‌گذاری روی سیستم‌هایی هستند که این شرایط را به‌صورت لحظه‌ای نظارت می‌کنند.

بهینه‌سازی دمای مناطق فید، فشرده‌سازی و اندازه‌گیری برای نوارهای شکست حرارتی

هنگام کار با نوارهای شکست حرارتی PA66 GF25، تنظیم صحیح مناطق پروفیل تفاوت بزرگی در حداکثر کردن تولید و حفظ خواص مکانیکی ایجاد می‌کند. مناطق تغذیه باید در حدود 160 تا 170 درجه سانتی‌گراد نگه داشته شوند تا از بروز مشکلات پل‌زدن جلوگیری شود. مناطق فشرده‌سازی پیچیده‌تر هستند و باید دمایی بین 185 تا 200 درجه سانتی‌گراد را به‌دست آورند تا بتوانند تغییرات بلورینگی 85 درصدی را به‌درستی مدیریت کنند. مناطق اندازه‌گیری سپس در حدود 190 تا 205 درجه سانتی‌گراد پایدار می‌شوند که این امر به حفظ فشار مذاب در محدوده 25 تا 35 مگاپاسکال کمک می‌کند تا جریان مواد به‌صورت یکنواخت از طریق قالب انجام شود. برخی از داده‌های جالب صنعتی نشان می‌دهند که ارتباط قوی‌ای بین دقت نگهداری دمای منطقه فشرده‌سازی در محدوده دو درجه سانتی‌گراد بالا یا پایین و یکنواختی نتیجه‌گیری مقدار R وجود دارد. و نکته‌ای که برای تولیدکنندگانی که به دنبال کاهش هزینه‌ها هستند قابل توجه است این است: این سطح از دقت می‌تواند مصرف انرژی را نسبت به سیستم‌های اکسترودر قدیمی، بر اساس مطالعات اخیر پردازش پلیمر در اوایل سال 2024، تقریباً 18 درصد کاهش دهد.

جلوگیری از تخریب مواد از طریق تنظیم دقیق دمایی

عدم رعایت محدوده دمای ایده‌آل به میزان تنها ۱۰ تا ۱۵ درجه سانتی‌گراد می‌تواند مشکلات جدی در مواد شکست حرارتی ایجاد کند، زیرا فرآیند قطع زنجیره را تسریع می‌کند و در نهایت مقاومت ضربه‌ای را حدود ۴۰ درصد کاهش می‌دهد، بر اساس استاندارد ASTM D256-23. تجهیزات مدرن امروزه شامل سیستم‌های خنک‌کننده حلقه بسته هستند که در کمتر از نیم ثانیه به مشکلات ناشی از گرمای برشی واکنش نشان می‌دهند. جعبه‌های خنک‌کننده که به‌صورت استراتژیک در مناطقی با بیشترین نیروهای برشی قرار گرفته‌اند، به حفظ دمای ذوب در محدوده حداکثر ۵ درجه از مقدار هدف کمک می‌کنند؛ موضوعی حیاتی برای حفظ ویژگی‌های ضد شعله، به‌ویژه هنگام کار با ترکیبات بدون هالوژن. آزمایش‌های میدانی نشان داده‌اند که هنگامی که تولیدکنندگان روش‌های گرمایش کنترل‌شده با PID را با تنظیمات سرعت پیچ ترکیب می‌کنند، حدود دو سوم کاهش در نرخ تخریب حرارتی را مشاهده می‌کنند، در حالی که همچنان توان تولید را در حدود ۸۵ کیلوگرم در ساعت مدیریت می‌کنند.

سرعت پیچ و مدیریت برش: تعادل بین خروجی و کیفیت مذاب

سرعت پیچ تأثیر زیادی بر مقدار تولید دارد و به طور کلی، خروجی با افزایش سرعت در دورهای پایین‌تر به صورت تقریباً خطی افزایش می‌یابد. اما هنگامی که از حدود ۷۰ دور بر دقیقه فراتر رویم، شرایط جالب می‌شود. اگر شخصی سرعت را از ۵۰ به ۱۰۰ دور بر دقیقه دو برابر کند، افزایش خروجی تنها حدود ۶۵ درصد خواهد بود. بدتر از آن، نوسانات دما در اینجا بسیار قابل توجه می‌شود و گاهی به دلیل اصطکاک شدید و ذوب جزئی داخلی، از ۴۰ درجه سانتی‌گراد نیز فراتر می‌رود. برای کسانی که روزانه با این فرآیندها سروکار دارند، تنظیم صحیح دور موتور پیچ با توجه به نوع مادهٔ مورد پردازش امری حیاتی است. به عنوان مثال، HDPE که یکی از پلاستیک‌های نیمه‌بلوری است، برای حفظ یکنواختی شکست‌های حرارتی در طول تولید انبوه، به سرعت‌های تقریباً ۱۵ تا ۲۰ درصد کمتری نسبت به مواد بی‌شکل مانند ABS نیاز دارد.

ویژگی‌های ماده: رفتار رئولوژیکی و حرارتی در دینامیک اکستروژن

ویژگی‌های رئولوژیکی که بر توسعه فشار و یکنواختی جریان در ماتریس تأثیر می‌گذارند

رفتار پلیمرها از نظر ضخامت و کشیدگی به‌طور قابل توجهی بر نحوه ایجاد فشار در حین فرآیند و حفظ جریانی پایدار در تمام مراحل تأثیر می‌گذارد. بر اساس تحقیقات آبیکون و همکارانش در سال 2020، موادی که تحت تنش نازک‌تر می‌شوند، می‌توانند مصرف انرژی را حدود 18 درصد در مقایسه با سیالات نیوتنی معمولی کاهش دهند. هنگام کار با PVC اصلاح‌شده که دارای الاستیسیته ذوب بالایی است، معمولاً متورم‌شدگی قالب (die swell) بین 30 تا 40 درصد افزایش می‌یابد. این امر به این معناست که اپراتورها باید سرعت پیچ‌ها را به‌دقت تنظیم کنند تا قطعات تولیدی مطابق مشخصات ابعادی باشند. مشکلات مربوط به پایداری جریان، از جمله شکست ذوب (melt fracture)، معمولاً زمانی رخ می‌دهد که تنش برشی دیواره از حدود 0.25 مگاپاسکال عبور کند. برای جلوگیری از این مشکلات و اطمینان از روان بودن تولید، تولیدکنندگان باید به‌دقت به طراحی مناطق فشردگی در تجهیزات خود توجه کنند.

ویژگی‌های حرارتی که جذب گرما، انتقال و پایداری ذوب را کنترل می‌کنند

تفاوت‌های هدایت حرارتی در افزودنی‌ها واقعاً بر نحوه انتقال حرارت از مواد تأثیر می‌گذارد. الیاف شیشه دارای محدوده هدایت حرارتی بسیار پایین‌تری در حدود 0.8 تا 1.2 وات بر مترکلوین است، در مقایسه با مقدار بالاتر کربنات کلسیم که حدود 2.6 وات بر مترکلوین است. این تفاوت، نحوه انتقال حرارت از طریق میله‌ها را حدود 22 تا 35 درصد تغییر می‌دهد. از نظر پلی‌آمید 66، ظرفیت گرمایی ویژه نسبتاً پایین آن که 1.7 کیلوژول بر کیلوگرم‌کلوین است، به معنای ذوب سریع آن در حین فرآوری است. با این حال، همین خاصیت باعث می‌شود که پس از عبور دمای 295 درجه سانتی‌گراد دچار تخریب شود، بنابراین اپراتورها باید کنترل دقیق دما را در محدوده مثبت یا منفی 2 درجه حفظ کنند. بیشتر مشکلاتی که در فرآیندهای اکستروژن دیده می‌شود، در واقع به دلیل نرخ خنک‌سازی نامناسب است. مطالعات نشان می‌دهد که بیش از دو سوم تمامی نقص‌ها ناشی از خنک‌سازی است که با سرعت تبلور ماده همگام نیست، که این امر منجر به اعوجاج می‌شود و به ویژه در کاربردهای نوار شکست حرارتی به وضوح دیده می‌شود.