سیستم ارزیابی سازگاری اکسترودر تک پیچ با مواد مختلف (PP/PS/PE/PLA)

I. مقدمه: چالش های پردازش مواد در اکستروژن تک پیچ

در ماشین ترموفرمینگ ورق پلاستیکی تک پیچ E ، به عنوان تجهیزات اصلی پردازش مواد پلیمری ، سازگاری آن با پلیمرهای مختلف به طور مستقیم کیفیت محصول و راندمان تولید را تعیین می کند. PP (پلی پروپیلن) ، PS (پلی استایرن) ، پستان (پلی اتیلن) و پلا (اسید پلیلاکتیک) رفتارهای رئولوژیکی متمایز و الزامات پایداری حرارتی را در طی اکستروژن به دلیل تفاوت معنی داری در ساختار مولکولی و خصوصیات فیزیکی نشان می دهند. ارزیابی سازگاری پردازش اکسترودرهای تک پیچ نیاز به ساخت یک سیستم ارزیابی علمی از چهار بعد دارد: تجزیه و تحلیل مشخصه مواد ، تطبیق ساختار تجهیزات ، هماهنگی پارامتر فرآیند و همبستگی کیفیت محصول.

ii. همبستگی اساسی بین خصوصیات مواد و پردازش اکستروژن

(الف) تفاوت خاصیت ذاتی مواد پلیمری

(ب) تأثیرات اصلی خواص مواد بر فرآیند اکستروژن

• PP : میزان تبلور بالا هنگام خنک شدن ذوب منجر به میزان انقباض زیاد می شود و باید به نسبت فشرده سازی پیچ و کنترل گرادیان دما در بخش خنک کننده و شکل گیری توجه شود. ویژگی های نازک شدن برشی برای جلوگیری از پارگی ذوب نیاز به تنظیم هماهنگ سرعت پیچ و فشار پشت دارد.
• PS : زنجیره مولکولی سفت و سخت باعث ایجاد خاصیت ارتجاعی ذوب می شود ، مستعد ابتلا به شکستگی در هنگام اکستروژن ، نیاز به بهینه سازی ساختار بخش اختلاط پیچ برای کاهش ذخیره انرژی الاستیک دارد. پایداری حرارتی ضعیف به دقت کنترل دما در دمای 2 درجه سانتیگراد نیاز دارد.
• PE : ذوب کم ویسکوزیته مستعد جریان نشت است و برای افزایش زمان اقامت و اطمینان از پلاستیک سازی یکنواخت نیاز به افزایش نسبت قطر طول پیچ (L/D ≥28) دارد. تفاوت در دامنه ذوب بین HDPE و LDPE نیاز به تطبیق طرح های مختلف عمق شیار پیچ دارد.
• PLA : هیگروسکوپی قوی (محتوای آب باید <0.02 ٪ باشد) ، که نیاز به درمان قبل از خشک شدن دارد. استحکام ذوب کم و حساس به برشی ، اکستروژن باید از سرعت چرخش زیاد (توصیه شده <100rpm) جلوگیری کند و از یک نسبت فشرده سازی کم (1.8-2.2) برای کاهش گرمای برشی استفاده کنید.

iii شاخص های ارزیابی سازه تجهیزات سازگاری با مواد

(الف) تطبیق پارامترهای هندسی پیچ

1. نسبت قطر طول (L/D)

   • پردازش PP/PE به L/D = 25-30 نیاز دارد. L/D کافی منجر به پلاستیک سازی کافی پلیمرهای کریستالی نمی شود و باعث ایجاد نقاط کریستالی در محصولات می شود.
   • پردازش PLA برای L/D = 20-24 مناسب است. پیچ بیش از حد طولانی باعث افزایش زمان اقامت ذوب و تخریب حرارتی اکسیداتیو شدید می شود.

2. نسبت فشرده سازی

   • PP (نسبت فشرده سازی 2.5-3.0): نسبت فشرده سازی بالا باعث تنظیم ساختار تبلور می شود و تحمل ضخامت ورق را کاهش می دهد.
   • PS (نسبت فشرده سازی 1.8-2.2): نسبت فشرده سازی پایین باعث کاهش تجمع الاستیک می شود و تورم اکستروژن را مهار می کند.
   • PLA (نسبت فشرده سازی 1.8-2.0): از نسبت فشرده سازی بیش از حد و باعث گرم شدن بیش از حد موضعی ، همراه با یک ساختار پیچ شیب خودداری کنید (عمق شیار پیچ به صورت خطی از بخش تغذیه به بخش همگن سازی کاهش می یابد).

3. طراحی عنصر اختلاط

   • برای ویژگی های کم ویسکوزیته PE ، می توان پین های مخلوط کننده نوع سد را در بخش همگن سازی پیچ قرار داد تا بتواند پارگی ذوب و اختلاط توزیع را تقویت کند.
   • پردازش PS/PLA برای جلوگیری از شکستگی زنجیره مولکولی ، به ساختارهای مخلوط کردن بدون برشی یا کم برشی (مانند عناصر پیچ DIS) نیاز دارد.

(ب) سازگاری قالب های قالب و ماشین های کمکی

• طراحی کانال جریان :
  اکستروژن ورق PP برای مرگ دم ماهی (زاویه انبساط 30 درجه -45 درجه) مناسب است تا زمان اقامت ذوب در کانال جریان را کاهش دهد. PLA برای جلوگیری از چسباندن و تخریب ذوب ، نیاز به مرگ بدون سیم مرده (زبری سطح RA <0.2μm) دارد.
• سیستم خنک کننده و شکل دهی :
  ورق های PE برای مهار رشد بیش از حد کریستال به رول های خاموش (درجه حرارت 30-50 درجه سانتیگراد) نیاز دارند. PLA برای جلوگیری از ترک خوردگی داخلی ناشی از خنک کننده سریع ، به خنک کننده درجه متوسط (60-80 درجه سانتیگراد) نیاز دارد.

IV روشهای ارزیابی برای بهینه سازی مشترک پارامتر فرآیند

(الف) استراتژی های کنترل دما

1. اصل پارتیشن دمای سه منطقه
   • بخش تغذیه: PP/PE برای جلوگیری از چسبیدن مواد به دیوار ، باید دمای بشکه را 10-20 درجه سانتیگراد پایین تر از نقطه ذوب (به عنوان مثال ، بخش تغذیه PP 150 درجه سانتیگراد) حفظ کند. برای جلوگیری از نفوذ رطوبت ، بخش تغذیه PLA باید با هوای خشک (نقطه شبنم <-40 درجه سانتیگراد) تأمین شود.
   • بخش فشرده سازی: دمای بخش فشرده سازی PS باید در دمای 200-220 درجه سانتیگراد کنترل شود. بیش از 240 درجه سانتیگراد باعث اکسیداسیون حلقه بنزن و زردی می شود. بخش فشرده سازی PLA محدوده فوقانی 175 درجه سانتیگراد است و یک دستگاه خنک کننده هوای اجباری مورد نیاز است.
   • بخش همگن سازی: دمای بخش همگن سازی PE باید 20-30 درجه سانتیگراد بالاتر از نقطه ذوب (به عنوان مثال ، بخش همگن سازی HDPE 150-160 درجه سانتیگراد) باشد تا از ذوب ذوب اطمینان حاصل شود. دمای بخش همگن سازی PP 180-190 درجه سانتیگراد ، متعادل کننده پلاستیک سازی و مصرف انرژی است.

(ب) تنظیم سرعت فشار و چرخش

• تنظیم فشار برگشت :
  فشار کمر اکستروژن PP برای بهبود جمعیت ذوب و کاهش حباب ورق 0.5-1.0mpa است. فشار کمر PLA 0.3 مگاپیکسولت برای جلوگیری از افزایش ناگهانی ویسکوزیته مذاب ناشی از فشار زیاد.
• سرعت چرخش پیچ :
  PE (چگالی کم) می تواند سرعت چرخش بالایی (150-200 دور در دقیقه) را برای افزایش خروجی اتخاذ کند. سرعت چرخش PLA باید <80 دور در دقیقه باشد ، همراه با یک موتور با سرعت کم سرعت (نوسان گشتاور ≤5).

© کنترل نسبت تنش و کشش

• نسبت تنش ورق PP 1.2-1.5 ، نسبت کشش 2-3 ، نیاز به مطابقت با دستگاه تنش تنظیم سرعت همزمان.
• نسبت تنش ورق PLA 1.2 برای جلوگیری از شکستگی ذوب ناشی از سرعت تنش زیاد ، و برای بهبود مقاومت ذوب باید دمای رول تنش در دمای 50-60 درجه سانتیگراد حفظ شود.

V. ارزیابی همبستگی بین کیفیت محصول و سازگاری پردازش

(الف) شاخص های تست عملکرد کلیدی

1. خصوصیات فیزیکی

   • یکنواختی ضخامت: تحمل ورق PP/PE باید 3 ≤ 3 ٪ ، 5 ≤ pla ((محدود با قدرت ذوب) باشد.
   • خصوصیات مکانیکی: استحکام کششی ورق PS باید ≥40mPa باشد ، کشیدگی در Break ≥ 2 ٪. اگر برشی در طول اکستروژن بیش از حد باشد ، کشیدگی در هنگام استراحت به زیر 1 ٪ کاهش می یابد.

2. ساختار

   • تبلور ورق PP باید در 55 ٪ -65 ٪ کنترل شود. خیلی زیاد منجر به افزایش شکنندگی ورق خواهد شد.
   • درجه جهت گیری زنجیره مولکولی ورق های PLA باید <15 ٪ باشد ، که می تواند با مشاهده پدیده های مهارکننده با میکروسکوپ قطبی ارزیابی شود.

(ب) نقص های معمولی و همبستگی سازگاری تجهیزات

• شکستگی ذوب (مشترک در PS/PLA) :
  علت ممکن است نرخ برشی پیچ خیلی بالا (میزان برشی PS> 1000S⁻) یا زاویه ورودی بسیار بزرگ باشد که نیاز به کاهش سرعت چرخش و بهینه سازی زاویه بخش همگرایی قالب تا 15 درجه -20 درجه دارد.
• زردی ورق (مشترک در PS/PLA) :
  وقوع تخریب حرارتی را نشان می دهد ، نیاز به بررسی اینکه آیا دمای بخش هموژنیک بیش از حد بالایی PS 240 درجه سانتیگراد است یا اینکه آیا یک منطقه گرمای محلی در بشکه PLA (مانند خرابی ترموکوپل) وجود دارد.

vi ارزیابی گسترده از سازگاری پردازش پایدار

برای مواد بیباز مانند PLA ، علاوه بر شاخص های پردازش سنتی ، باید به این موارد توجه شود:

• کارایی انرژی : مصرف انرژی اکستروژن PLA در حدود 1.3-1.5 برابر PP است ، که نیاز به ارزیابی تطبیق بین قدرت گرمایش پیچ و راندمان خنک کننده دارد (چگالی توان گرمایش توصیه می شود 0.3 کیلو وات/کیلوگرم · ساعت).
• تولید تمیز : مواد باقیمانده در تجهیزات پس از پردازش PLA برای جلوگیری از آلودگی متقاطع با سایر مواد ، با ارزیابی راحتی جداسازی پیچ (مانند ساختار فلنج سریع) ، با استفاده از مواد تمیز کننده ویژه (مانند الکل ایزوپروپیل) تمیز می شوند.

vii ساخت یک مدل ارزیابی سازگاری چند بعدی

ارزیابی سازگاری اکسترودر تک پیچ به PP/PS/PE/PLA باید زنجیره ای منطقی "ویژگی های مواد-تجهیزات ساختار پارامترهای-تولید-محصول-تولید" را به عنوان هسته ، به عنوان هسته ، یک سیستم ارزیابی حلقه بسته از طریق پارامترهای هندسی پیچ سفارشی (مانند نسبت فشرده سازی بالا برای PP ، کمترین فشار دما) بهینه سازی دما ، جمع آوری سرعت پلاس ، تشکیل دهد ، استراتژی فشار کم برای PS) ، همراه با نظارت در زمان واقعی ریزساختار محصول و خصوصیات فیزیکی. برای مواد جدید (مانند PLA) ، شاخص های پردازش پایدار نیز باید در چارچوب ارزیابی گنجانیده شوند و تجهیزات ارتقاء را از "سازگاری تک ماده" به "تولید سبز سازگار چند ماده" ترویج می کنند. ایجاد این سیستم ارزیابی نه تنها پشتیبانی نظری را برای بهینه سازی فرآیند اکستروژن ورق ارائه می دهد بلکه مبنای فنی را برای طراحی مدولار تجهیزات اکستروژن تک پیچ ارائه می دهد. $ $