تاریخچه ماشین های اکستروژن پلاستیک

اکستروژن پلاستیک یک فرآیند تولید با حجم بالا است که در آن پلاستیک خام ذوب شده و به شکل یک پروفیل پیوسته در می آید. اکستروژن اقلامی مانند لوله/لوله، آبکشی، نرده، نرده های عرشه، قاب پنجره، فیلم ها و ورق های پلاستیکی، پوشش های ترموپلاستیک و عایق سیم را تولید می کند.
این فرآیند با تغذیه مواد پلاستیکی (گلوله ها، گرانول ها، تکه ها یا پودرها) از یک قیف به داخل بشکه اکسترودر شروع می شود. این ماده به تدریج توسط انرژی مکانیکی تولید شده توسط پیچ‌های چرخشی و بخاری‌هایی که در امتداد بشکه قرار گرفته‌اند ذوب می‌شوند. پلیمر مذاب سپس با فشار وارد یک قالب می شود که پلیمر را به شکلی در می آورد که در طول خنک شدن سخت می شود.

تاریخچه

اکستروژن لوله
اولین پیش سازهای اکسترودر مدرن در اوایل قرن 19 توسعه یافتند. در سال 1820، توماس هنکاک یک "مستیکاتور" لاستیکی را اختراع کرد که برای بازیابی ضایعات لاستیک فرآوری شده طراحی شده بود، و در سال 1836 ادوین چافی یک ماشین دو غلتکی برای مخلوط کردن مواد افزودنی به لاستیک ساخت. اولین اکستروژن ترموپلاستیک در سال 1935 توسط پل تروستر و همسرش اشلی گرشوف در هامبورگ آلمان انجام شد. اندکی بعد، روبرتو کلمبو از LMP اولین اکسترودرهای پیچ دوقلو را در ایتالیا توسعه داد.

فرآیند
در اکستروژن پلاستیک، مواد ترکیبی خام معمولاً به شکل نوردها (مهره‌های کوچک، که اغلب رزین نامیده می‌شوند) است که نیروی جاذبه از یک قیف نصب‌شده در بالا وارد بشکه اکسترودر می‌شود. مواد افزودنی مانند رنگ‌ها و بازدارنده‌های UV (به صورت مایع یا گلوله) اغلب استفاده می‌شوند و می‌توانند قبل از رسیدن به قیف در رزین مخلوط شوند. این فرآیند از نقطه نظر فناوری اکسترودر با قالب‌گیری تزریق پلاستیک شباهت زیادی دارد، اگرچه تفاوت آن در این است که معمولاً یک فرآیند پیوسته است. در حالی که pultrusion می تواند بسیاری از پروفیل های مشابه را در طول های پیوسته ارائه دهد، معمولاً با تقویت کننده افزوده، این امر با بیرون کشیدن محصول نهایی از قالب به جای اکسترود کردن مذاب پلیمری از طریق قالب حاصل می شود.

مواد از طریق گلوگاه تغذیه (منفذی در نزدیکی پشت بشکه) وارد شده و با پیچ در تماس است. پیچ دوار (معمولاً با سرعت 120 دور در دقیقه می چرخد) مهره های پلاستیکی را به سمت جلو به داخل بشکه گرم می کند. دمای اکستروژن مورد نظر به دلیل گرمایش چسبناک و سایر اثرات به ندرت با دمای تنظیم شده بشکه برابر است. در اکثر فرآیندها، یک پروفیل گرمایشی برای بشکه تنظیم می شود که در آن سه یا چند ناحیه بخاری مستقل با کنترل PID، دمای بشکه را از عقب (محل ورود پلاستیک) به جلو به تدریج افزایش می دهند. این اجازه می دهد تا دانه های پلاستیکی به تدریج ذوب شوند، زیرا آنها از طریق بشکه رانده می شوند و خطر گرم شدن بیش از حد را کاهش می دهد که ممکن است باعث تخریب در پلیمر شود.

گرمای اضافی توسط فشار و اصطکاک شدیدی که در داخل بشکه رخ می دهد، ایجاد می شود. در واقع، اگر یک خط اکستروژن مواد خاصی را با سرعت کافی اجرا کند، بخاری ها را می توان خاموش کرد و دمای مذاب را تنها با فشار و اصطکاک در داخل بشکه حفظ کرد. در اکثر اکسترودرها، فن های خنک کننده وجود دارند تا در صورت تولید گرمای بیش از حد، دما را کمتر از مقدار تعیین شده نگه دارند. اگر سرمایش هوای اجباری کافی نیست، از ژاکت های خنک کننده ریخته گری استفاده می شود.

اکسترودر پلاستیکی برای نشان دادن اجزاء به نصف بریده می شود
در قسمت جلوی بشکه، پلاستیک مذاب پیچ را ترک می‌کند و از طریق یک بسته صفحه نمایش می‌رود تا هر گونه آلودگی در مذاب را از بین ببرد. صفحه ها توسط یک صفحه شکن تقویت می شوند (پاک فلزی ضخیم با سوراخ های زیادی که در آن سوراخ شده است) زیرا فشار در این نقطه می تواند از 5000 psi (34 MPa) تجاوز کند. مجموعه صفحه نمایش / صفحه شکن نیز برای ایجاد فشار برگشتی در بشکه عمل می کند. فشار برگشتی برای ذوب یکنواخت و اختلاط مناسب پلیمر مورد نیاز است و میزان فشار ایجاد شده را می توان با تغییر ترکیب بسته صفحه نمایش (تعداد صفحه، اندازه بافت سیم آنها و سایر پارامترها) "بهینه سازی" کرد. این ترکیب صفحه شکن و بسته صفحه نمایش همچنین "حافظه چرخشی" پلاستیک مذاب را حذف می کند و در عوض "حافظه طولی" ایجاد می کند.
پلاستیک مذاب پس از عبور از صفحه شکن وارد قالب می شود. قالب چیزی است که به محصول نهایی مشخصات می دهد و باید طوری طراحی شود که پلاستیک مذاب به طور یکنواخت از یک پروفیل استوانه ای به شکل پروفیل محصول جریان یابد. جریان ناهموار در این مرحله می‌تواند محصولی با تنش‌های پسماند ناخواسته در نقاط خاصی از پروفیل ایجاد کند که می‌تواند باعث تاب خوردن در هنگام سرد شدن شود. طیف گسترده ای از اشکال را می توان ایجاد کرد که به پروفایل های پیوسته محدود می شود.

اکنون محصول باید خنک شود و این معمولاً با کشیدن اکسترود از طریق حمام آب حاصل می شود. پلاستیک ها عایق های حرارتی بسیار خوبی هستند و بنابراین سرد شدن سریع آنها دشوار است. در مقایسه با فولاد، پلاستیک گرمای خود را 2000 برابر کندتر هدایت می کند. در یک خط اکستروژن لوله یا لوله، یک حمام آب مهر و موم شده توسط یک خلاء به دقت کنترل شده برای جلوگیری از فروپاشی لوله یا لوله تازه تشکیل شده و هنوز مذاب عمل می کند. برای محصولاتی مانند ورق های پلاستیکی، خنک سازی با کشیدن مجموعه ای از رول های خنک کننده حاصل می شود. برای فیلم‌ها و ورقه‌های بسیار نازک، خنک‌سازی هوا می‌تواند به عنوان مرحله خنک‌کننده اولیه، مانند اکستروژن فیلم دمیده، مؤثر باشد.
اکسترودرهای پلاستیکی همچنین به طور گسترده برای پردازش مجدد زباله های پلاستیکی بازیافتی یا سایر مواد خام پس از تمیز کردن، طبقه بندی و/یا ترکیب استفاده می شوند. این ماده معمولاً به رشته‌های مناسب برای خرد کردن دانه یا گلوله اکسترود می‌شود تا به عنوان پیش‌ماده برای پردازش بیشتر استفاده شود.

طراحی پیچ
پنج ناحیه ممکن در یک پیچ ترموپلاستیک وجود دارد. از آنجایی که اصطلاحات در صنعت استاندارد نشده است، ممکن است نام های مختلفی به این مناطق اشاره شود. انواع مختلف پلیمر دارای طرح‌های پیچ متفاوتی هستند، برخی از آنها همه مناطق ممکن را در خود جای نمی‌دهند.

یک پیچ اکستروژن پلاستیکی ساده

پیچ های اکسترودر از بوستون متیوز
اکثر پیچ ها دارای این سه ناحیه هستند:
● ناحیه تغذیه (همچنین به آن منطقه انتقال جامدات نیز گفته می شود): این ناحیه رزین را به داخل اکسترودر تغذیه می کند و عمق کانال معمولاً در سراسر منطقه یکسان است.
● ناحیه ذوب (همچنین به آن منطقه انتقال یا فشار نیز می گویند): بیشتر پلیمر در این بخش ذوب می شود و عمق کانال به تدریج کوچکتر می شود.
● ناحیه اندازه گیری (که به آن منطقه انتقال مذاب نیز می گویند): این منطقه آخرین ذرات را ذوب می کند و تا یک دما و ترکیب یکنواخت مخلوط می شود. مانند منطقه تغذیه، عمق کانال در سراسر این منطقه ثابت است.
علاوه بر این، یک پیچ هواکش (دو مرحله ای) دارای:
● منطقه رفع فشار. در این ناحیه، حدود دو سوم پیچ، کانال به طور ناگهانی عمیق‌تر می‌شود، که فشار را کاهش می‌دهد و اجازه می‌دهد تا هرگونه گاز محبوس شده (رطوبت، هوا، حلال‌ها یا واکنش‌دهنده‌ها) توسط خلاء بیرون کشیده شود.
● منطقه اندازه گیری دوم. این منطقه شبیه به اولین منطقه اندازه گیری است، اما با عمق کانال بیشتر است. این برای فشار مجدد مذاب برای عبور آن از مقاومت صفحه نمایش و قالب عمل می کند.
اغلب طول پیچ به قطر آن به عنوان نسبت L:D اشاره می شود. به عنوان مثال، یک پیچ با قطر 6 اینچ (150 میلی متر) در 24:1 144 اینچ (12 فوت) طول خواهد داشت و در 32:1 طول آن 192 اینچ (16 فوت) است. نسبت L:D 25:1 معمول است، اما برخی از ماشین‌ها برای اختلاط بیشتر و خروجی بیشتر در همان قطر پیچ به 40:1 می‌رسند. پیچ های دو مرحله ای (تهویه شده) معمولاً 36:1 هستند تا دو ناحیه اضافی را در نظر بگیرند.
هر منطقه مجهز به یک یا چند ترموکوپل یا RTD در دیوار بشکه برای کنترل دما است. "پروفایل دما" یعنی دمای هر ناحیه برای کیفیت و ویژگی های اکسترود نهایی بسیار مهم است.

مواد اکستروژن معمولی

لوله HDPE در حین اکستروژن. مواد HDPE از بخاری وارد قالب و سپس به مخزن خنک کننده می شود. این لوله مجرای Acu-Power به صورت همزمان اکسترود شده است - داخل سیاه و سفید با یک ژاکت نازک نارنجی، برای تعیین کابل های برق.
مواد پلاستیکی معمولی که در اکستروژن استفاده می شوند عبارتند از: پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن، استال، اکریلیک، نایلون (پلی آمیدها)، پلی استایرن، پلی وینیل کلراید (PVC)، اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) و پلی کربنات. ]

انواع مرگ
انواع مختلفی از قالب ها در اکستروژن پلاستیک استفاده می شود. در حالی که می‌تواند تفاوت‌های قابل‌توجهی بین انواع قالب و پیچیدگی وجود داشته باشد، همه قالب‌ها اجازه اکستروژن مداوم مذاب پلیمری را می‌دهند، برخلاف پردازش غیرمستمر مانند قالب‌گیری تزریقی.
اکستروژن فیلم دمیده

اکستروژن دمشی فیلم پلاستیکی

ساخت فیلم پلاستیکی برای محصولاتی مانند کیسه های خرید و ورق های پیوسته با استفاده از خط فیلم دمیده به دست می آید.
این فرآیند مانند فرآیند اکستروژن معمولی تا زمان قالب است. سه نوع اصلی از قالب ها در این فرآیند استفاده می شود: حلقوی (یا ضربدری)، عنکبوتی و مارپیچی. قالب های حلقوی ساده ترین هستند و به مذاب پلیمری متکی هستند که قبل از خروج از قالب در اطراف کل مقطع قالب قرار می گیرد. این می تواند منجر به جریان ناهموار شود. قالب های عنکبوتی شامل یک سنبه مرکزی است که از طریق تعدادی "پا" به حلقه قالب بیرونی متصل شده است. در حالی که جریان متقارن تر از قالب های حلقوی است، تعدادی از خطوط جوش ایجاد می شود که فیلم را ضعیف می کند. قالب های مارپیچی مشکل خطوط جوش و جریان نامتقارن را برطرف می کنند، اما بسیار پیچیده ترین هستند.

مذاب قبل از خروج از قالب تا حدودی سرد می شود تا یک لوله نیمه جامد ضعیف ایجاد شود. قطر این لوله به سرعت از طریق فشار هوا منبسط می شود و لوله با غلتک ها به سمت بالا کشیده می شود و پلاستیک را در هر دو جهت عرضی و کششی کشیده می شود. کشش و دمیدن باعث می شود که فیلم نازک تر از لوله اکسترود شده باشد و همچنین ترجیحاً زنجیره های مولکولی پلیمری را در جهتی تراز می کند که بیشترین کرنش پلاستیکی را ببیند. اگر فیلم بیشتر از دمیدن کشیده شود (قطر لوله نهایی نزدیک به قطر اکسترود شده است) مولکول های پلیمر به شدت با جهت کشش در یک راستا قرار می گیرند و فیلمی می سازند که در آن جهت قوی است، اما در جهت عرضی ضعیف است. . فیلمی که دارای قطر قابل توجهی بزرگتر از قطر اکسترود شده است، در جهت عرضی استحکام بیشتری دارد، اما در جهت کشش کمتر است.
در مورد پلی اتیلن و سایر پلیمرهای نیمه کریستالی، همانطور که فیلم سرد می شود، در جایی که به عنوان خط یخبندان شناخته می شود، متبلور می شود. همانطور که فیلم به سرد شدن ادامه می‌دهد، از میان چند مجموعه غلتک نوک‌دار کشیده می‌شود تا آن را به یک لوله صاف صاف کند، که سپس می‌توان آن را قرقره کرد یا به دو یا چند رول ورقه برش داد.

اکستروژن ورق/فیلم
اکستروژن ورق/فیلم برای اکسترود کردن ورق های پلاستیکی یا فیلم هایی که ضخیم تر از آن هستند که دمیده شوند استفاده می شود. دو نوع قالب استفاده می شود: آویز T شکل و رخت آویز. هدف این قالب ها جهت دهی و هدایت جریان مذاب پلیمری از یک خروجی منفرد از اکسترودر به یک جریان مسطح نازک و مسطح است. در هر دو نوع قالب، جریان ثابت و یکنواخت در کل سطح مقطع قالب تضمین می شود. خنک‌سازی معمولاً با کشیدن مجموعه‌ای از رول‌های خنک‌کننده (کلندر یا رول‌های خنک‌کننده) انجام می‌شود. در اکستروژن ورق، این رول ها نه تنها خنک کننده لازم را ارائه می دهند، بلکه ضخامت ورق و بافت سطح را نیز تعیین می کنند.[7] اغلب از کواکستروژن برای اعمال یک یا چند لایه روی یک ماده پایه برای به دست آوردن خواص خاصی مانند جذب اشعه ماوراء بنفش، بافت، مقاومت در برابر نفوذ اکسیژن یا بازتاب انرژی استفاده می شود.
یک فرآیند متداول پس از اکستروژن برای استوک ورق های پلاستیکی، فرم دهی حرارتی است، که در آن ورق تا زمانی که نرم (پلاستیک) شود، حرارت داده می شود و از طریق یک قالب به شکل جدید در می آید. هنگامی که از خلاء استفاده می شود، این اغلب به عنوان تشکیل خلاء توصیف می شود. جهت گیری (یعنی توانایی/ چگالی قابل دسترس ورق برای کشیده شدن به قالب که معمولاً در عمق 1 تا 36 اینچ متفاوت است) بسیار مهم است و بر زمان چرخه شکل گیری بیشتر پلاستیک ها تأثیر زیادی می گذارد.

اکستروژن لوله
لوله های اکسترود شده، مانند لوله های PVC، با استفاده از قالب های بسیار مشابهی که در اکستروژن فیلم دمیده استفاده می شود، تولید می شوند. فشار مثبت را می توان از طریق پین به حفره های داخلی وارد کرد، یا فشار منفی را می توان با استفاده از یک سایز وکیوم به قطر خارجی اعمال کرد تا از ابعاد نهایی صحیح اطمینان حاصل شود. لومن ها یا سوراخ های اضافی ممکن است با افزودن سنبه های داخلی مناسب به قالب ایجاد شوند.

خط اکستروژن پزشکی بوستون متیوز
کاربردهای لوله چند لایه نیز همیشه در صنعت خودروسازی، صنعت لوله کشی و گرمایش و صنعت بسته بندی وجود دارد.

اکستروژن بیش از ژاکت
اکستروژن بیش از ژاکت اجازه می دهد تا یک لایه خارجی از پلاستیک را بر روی سیم یا کابل موجود اعمال کنید. این فرآیند معمولی برای عایق کاری سیم ها است.
دو نوع مختلف ابزار دای وجود دارد که برای پوشش روی سیم، لوله (یا ژاکت) و فشار استفاده می شود. در ابزار ژاکت سازی، مذاب پلیمری تا قبل از لبه های قالب، سیم داخلی را لمس نمی کند. در ابزارهای تحت فشار، مذاب مدت ها قبل از رسیدن به لبه های قالب با سیم داخلی تماس می گیرد. این کار در فشار بالا برای اطمینان از چسبندگی خوب مذاب انجام می شود. در صورت نیاز به تماس یا چسبندگی نزدیک بین لایه جدید و سیم موجود، از ابزار فشاری استفاده می شود. اگر چسبندگی مطلوب/ضروری نباشد، به جای آن از ابزار ژاکت استفاده می شود.

کواکستروژن
کواکستروژن اکستروژن چند لایه مواد به طور همزمان است. این نوع اکستروژن از دو یا چند اکسترودر برای ذوب و ارائه یک ظرفیت حجمی ثابت از پلاستیک‌های ویسکوز مختلف به یک سر اکستروژن (دای) استفاده می‌کند که مواد را به شکل دلخواه اکسترود می‌کند. این فناوری در هر یک از فرآیندهایی که در بالا توضیح داده شد (فیلم دمیده، پوشش بیش از حد، لوله، ورق) استفاده می شود. ضخامت لایه توسط سرعت نسبی و اندازه اکسترودرهای جداگانه که مواد را تحویل می دهند کنترل می شود.

5 : 5 لایه هم اکستروژن لوله "فشرده" آرایشی
در بسیاری از سناریوهای دنیای واقعی، یک پلیمر منفرد نمی تواند تمام نیازهای یک برنامه کاربردی را برآورده کند. اکستروژن مرکب اجازه می دهد تا یک ماده مخلوط اکسترود شود، اما کواکستروژن مواد مجزا را به عنوان لایه های مختلف در محصول اکسترود شده حفظ می کند و اجازه می دهد تا مواد با خواص متفاوت مانند نفوذپذیری اکسیژن، استحکام، سفتی و مقاومت در برابر سایش قرار گیرند.
پوشش اکستروژن
پوشش اکستروژن از یک فرآیند فیلم دمیده یا ریخته‌گری برای پوشاندن یک لایه اضافی بر روی یک رول استوک موجود از کاغذ، فویل یا فیلم استفاده می‌کند. به عنوان مثال می توان از این فرآیند برای بهبود ویژگی های کاغذ با پوشش دادن آن با پلی اتیلن استفاده کرد تا در برابر آب مقاومت بیشتری داشته باشد. لایه اکسترود شده همچنین می تواند به عنوان یک چسب برای به هم رساندن دو ماده دیگر استفاده شود. تتراپاک یک نمونه تجاری از این فرآیند است.

اکستروژن های ترکیبی
اکستروژن ترکیبی فرآیندی است که یک یا چند پلیمر را با مواد افزودنی مخلوط می‌کند تا ترکیبات پلاستیکی به دست آید. خوراک ممکن است گلوله، پودر و/یا مایع باشد، اما محصول معمولاً به شکل گلوله است تا در سایر فرآیندهای تشکیل پلاستیک مانند اکستروژن و قالب‌گیری تزریقی استفاده شود. همانند اکستروژن سنتی، بسته به کاربرد و توان عملیاتی مورد نظر، طیف وسیعی در اندازه‌های دستگاه وجود دارد. در حالی که اکسترودرهای تک یا دو پیچ ممکن است در اکستروژن سنتی استفاده شوند، لزوم اختلاط کافی در اکستروژن ترکیبی، اکسترودرهای دو مارپیچ را به جز اجباری می‌سازد.

انواع اکسترودر
دو نوع فرعی از اکسترودرهای دو مارپیچ وجود دارد: چرخش همزمان و ضد چرخش. این نامگذاری به جهت نسبی چرخش هر پیچ نسبت به دیگری اشاره دارد. در حالت چرخش همزمان، هر دو پیچ در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخند. در ضد چرخش، یک پیچ در جهت عقربه های ساعت می چرخد ​​در حالی که پیچ دیگر در خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخد. نشان داده شده است که برای یک سطح مقطع معین و درجه همپوشانی (در همپوشانی)، سرعت محوری و درجه اختلاط در اکسترودرهای دوقلوی هم چرخش بیشتر است. با این حال، افزایش فشار در اکسترودرهای ضد چرخش بیشتر است. طراحی پیچ معمولاً مدولار است، زیرا عناصر مختلف انتقال و اختلاط بر روی شفت ها چیده شده اند تا امکان پیکربندی مجدد سریع برای تغییر فرآیند یا جایگزینی اجزای جداگانه به دلیل سایش یا آسیب خورنده را فراهم کنند. اندازه دستگاه ها از 12 میلی متر تا 380 میلی متر متغیر است

مزایا
مزیت بزرگ اکستروژن این است که پروفیل هایی مانند لوله ها را می توان به هر طولی ساخت. اگر مواد به اندازه کافی انعطاف پذیر باشد، می توان لوله ها را در طول های طولانی حتی به صورت سیم پیچی روی یک قرقره ساخت. مزیت دیگر اکستروژن لوله ها با کوپلر یکپارچه شامل آب بندی لاستیکی است.