Termoplastik ekstrüzyonun tüm alanı herkesin beklediğinden daha karmaşık hale geldi. Belirli sıcaklıklarda bozunan malzemelerle çalışırken işleme aralığı şaşırtıcı derecede daralır. Çoğu üretici bu konu hakkında yeterince konuşmuyor - sadece malzemeyi ısıtıp bir kalıba doğru ittiğinize dair bir varsayım var, ancak termoplastik ekstrüzyon bundan çok daha incelikli.
Sıcaklık kontrolü insanların düşündüğünden daha önemlidir. Örnek olarak LDPE'yi ele alalım - Plastics Technology'nin araştırması, 100 saniyelik kesme hızında-1 viskozitenin 700 Pa·s civarında olduğunu, ancak sıcaklık değişikliklerinin bunu düşündüğünüz kadar etkilemediğini gösteriyor. Viskozite eğrileri, farklı sıcaklıklarda nispeten birbirine yakın kalır; bu, sıcaklığın büyük bir fark yarattığı HDPE veya LLDPE ile karşılaştırıldığında tuhaftır. Bu sadece akademik değil, tüm ekstrüzyon hattınızı kurma şeklinizi de değiştiriyor.
Kimsenin Sizi Uyarmadığı Windows'u İşleme
Bu malzemeleri işlemek için gereken enerji hızla artıyor. Bir kilogram LDPE'yi oda sıcaklığından (yaklaşık 25 derece) 210 derecelik tipik ekstrüzyon sıcaklıklarına ısıtmak yaklaşık 138 Kilokalori gerektirir, ancak gerçek-dünyadaki uygulamalar genellikle termal kayıplar nedeniyle bunun iki katına ihtiyaç duyar - kaynak: Plasticstoday.com. Ve bu sadece LDPE için. Diğer polietilenlere veya daha karmaşık termoplastiklere geçtiğinizde her şey değişir.
Farklı malzemeler tamamen farklı yaklaşımlara ihtiyaç duyar. pubs.acs.org'da yayınlanan verilere göre, LDPE'nin balmumu ile karışımları bir Brabender Plastograph kullanılarak 140 derecede eritilerek- karıştırıldı, LLDPE için 150 derece ve HDPE için 160 derece gerekiyordu. Bunlar sadece öneri değil - bu sıcaklıkların altına inerseniz eksik erime elde edersiniz, üstüne çıkarsanız termal bozulma riskiyle karşı karşıya kalırsınız. İşleme aralığı gerçektir ve çoğu ekipman tedarikçisinin kabul ettiğinden daha dardır.
İlginç olan, endüstrinin bu rakamlar etrafında ne kadar az standartlaştığıdır. Bir işlemcinin LDPE'yi 180 derecede, diğerini 240 derecede çalıştırdığını ve her ikisinin de en iyi sonuçları verdiğini göreceksiniz. Gerçek ortada bir yerdedir ve büyük ölçüde kalma süresine, vida tasarımına ve formülasyonda hangi katkı maddelerinin mevcut olduğuna bağlıdır.
Isıya Duyarlı Malzemeler Her Şeyi Değiştirir
Termoplastik ekstrüzyon ısıya duyarlı malzemeleri işlerken, akışı iyileştirmek için sıcaklığı yükseltemezsiniz. Bazı malzemeler erime noktalarının çok az üzerindeki sıcaklıklarda parçalanmaya başlar. PVC bu konuda kötü bir şöhrete sahiptir - "çok katı" ile "hidroklorik asit salımı" arasındaki işlem aralığı rahatsız edici derecede küçüktür. Aynı şey, şu anda herkesin heyecan duyduğu bazı biyo-tabanlı polimerler için de geçerli. Harika bir çevre hikayesi, sürekli işlenecek bir kabus.
İşin donanım kısmı malzeme bilimine yetişemedi. Modern ekstruderler hala onlarca yıl önceki aynı temel varil ısıtıcı teknolojisini, sadece daha gelişmiş kontrolörlerle kullanıyor. Ancak ısıya-duyarlı formülasyonlarla çalışırken, yalnızca doğru sıcaklık okumalarından daha fazlasına ihtiyacınız vardır - anında tepki sürelerine ve gerçek zamanlı olarak sürtünme ısınmasını telafi edebilme yeteneğine ihtiyacınız vardır-.
Gerçek-Dünya Uygulamaları Boşluğu Gösteriyor
3M'in yol işaretleme bölümü bunun bir kısmını deneme yanılma yoluyla çözdü. Her Hava Koşullarına Uygun Termoplastik sistemi, termostatik kontrollü ısıtma ile 400-440 derece F (204-227 derece) gibi dar bir sıcaklık bandında çalışır - bu özellikler doğrudan 3m.com'daki teknik dokümanlardan alınmıştır. 400 derece F'nin altına inerseniz malzeme uygulama ekipmanından düzgün şekilde akmaz. 440 derecenin üzerine çıkarsanız bağlayıcı sistemi bozmaya başlarsınız, bu da yol işaretlerinin uzun vadeli dayanıklılığını ortadan kaldırır.
Academia.edu'dan yapılan bir araştırma, yollara takıldıklarında önceden oluşturulmuş termoplastik işaretlerle ilgili şaşırtıcı bir şeyi belgeledi - araç türüne bağlı olarak kurulumdan hemen sonra %20-31 oranında hız azaltma etkisi vardı, bir yıl sonra ise %9-17'ye düştü. Bu doğrudan ekstrüzyon işlemiyle ilgili değil, ancak işlemeden kaynaklanan malzeme özelliklerinin aylar sonra gerçek dünya performansını nasıl etkilediğini gösteriyor.
Kaldırım işaretleme endüstrisi her gün tonlarca termoplastik malzemeyi işliyor ve ısıya duyarlı formülasyonlar için bazı ilginç geçici çözümler geliştirdiler-. Mobil uygulama kamyonlarının hareket ederken tutarlı sıcaklıkları koruması gerekir; bu da besleme hatlarındaki sıcaklık düşüşleriyle, ortamdaki ısı kaybıyla ve malzemenin kendisinin termal kütlesiyle başa çıkmak anlamına gelir. Sıcaklık değişimleri yerel bölgelerde malzeme bozulmasına neden olduğundan çoğu sistem artık doğrudan alevle ısıtma yerine yağ- bazlı ısı transferi kullanıyor.
Viskozite Davranışı İşleme Sıcaklıklarında Tuhaflaşıyor
İnsanlar polimer eriyiklerinin öngörülebilir şekilde davrandığını varsayarlar, ancak bu yalnızca belirli kayma hızı aralıkları dahilinde doğrudur. Düşük kesme hızlarında AYPE ve HDPE benzer görünebilir, ancak kesmeyi artırdığınızda AYPE aniden üç kat daha kolay akmaya başlar. Bu, kalıp tasarımı açısından son derece önemlidir - HDPE boru ekstrüzyonunda işe yarayan şey, bu reolojik farklılıkları hesaba katmadığınız sürece LDPE ile olağanüstü derecede başarısız olacaktır.
Katkı maddelerinin her şeyi nasıl değiştirdiğine değinmedik bile. Baz reçineye renklendiriciler, UV stabilizatörleri veya alev geciktiriciler eklediğinizde viskozite davranışı değişir. Bazen dramatik bir şekilde. %2'lik bir işleme yardımcısının eklenmesinin gerekli ekstrüzyon sıcaklığını 15 derece düşürdüğü formülasyonlar gördüm. Diğer zamanlarda aynı işlem yardımcısı, baz polimer ile uyumsuz olduğundan pek bir fark yaratmadı.
Malzeme Bilimcilerinin Göz Ardı Ettiği Ekipman Sınırlamaları
Isıya duyarlı yeni termoplastikler geliştiren kişilerle{0}bunları gerçekten işlemesi gereken kişiler arasında bir kopukluk var. Bir malzeme bilimci, laboratuvardaki çift vidalı ekstruderde saatte 5 kg hızla "ince" işlem yapan yeni ve harika bir biyo-polimer yaratabilir. Daha sonra üretim, bunu tek bir vidalı hat üzerinde-saatte 500 kg'a kadar ölçeklendirmeye çalışıyor ve termal yönetimin tamamen farklı olduğunu keşfediyor.
Tek-vidalı ekstrüzyon makineleri, ısılarının çoğunu varil ısıtıcılarından değil sürtünmeden üretir. Bu genellikle iyidir, ancak ısıya-duyarlı malzemelerde sorun yaratır. Vida kesmesinden kaynaklanan aşırı ısınmayı önlemek için namlu bölgelerini hedef erime sıcaklığından daha soğuk çalıştırmak zorunda kalırsınız. Daha sonra besleme bölgesinde yeterince sıcak olmadığı için tutarsız bir erime elde edersiniz. Bu genellikle özel vida tasarımları gerektiren bir dengeleme eylemidir.
Çift-vidalı ekstrüderler ısıya-hassas malzemeleri teoride daha iyi işler - daha iyi karıştırma, daha kısa kalma süreleri, daha fazla sıcaklık kontrol bölgesi. Fakat bunlar pahalı ve karmaşıktır. Ve hala fiziği aldatamazsınız. Malzemeniz 200 derecede bozulmaya başlarsa ve kalıptan akması için 190 derecede olması gerekiyorsa, belki de 10 derecelik bir çalışma pencereniz vardır. Ekipman hassasiyeti, çoğu operasyonun gerçekleştirmek üzere ayarlandığından daha önemlidir.
Isıya Duyarlı Malzemeler İçin Kalıp Tasarımı
Kalıp, ısıya duyarlı pek çok malzemenin- arızalandığı yerdir. Polimeri sıkıştırıp dar kanallardan geçerek akışın kendisinden ısı üretiyorsunuz. Standart kalıp tasarımlarında genellikle malzemenin çok uzun süre kaldığı ve bozulduğu ölü noktalar bulunur. Isıya- duyarlı formülasyonlar için, minimum basınç düşüşüyle akıcı akış yollarına ihtiyacınız vardır; bu genellikle üretim hızından bir miktar ödün vermek anlamına gelir.
Sac ekstrüzyonu için elbise askısı kalıpları özellikle sorunludur. Manifold bölümleri, malzemenin yalnızca iletim nedeniyle aşırı ısınabileceği düşük kaymalı alanlar oluşturur. Bazı üreticiler kalıpta kalma süresini azaltmak için spiral mandrel tasarımlarına veya çok-katmanlı besleme bloklarına yönelmiştir, ancak bunlar birçok işlemcinin haklı gösteremeyeceği pahalı çözümlerdir.
Kalıptaki sıcaklık izleme genellikle yetersizdir. Çoğu kurulumun kalıp gövdesinde termokupllar bulunur, ancak bunlar gerçek polimer erime sıcaklığını değil metal sıcaklığını ölçer. Kalıp gövdesi sıcaklığı alarm verecek kadar yüksek bir seviyeye ulaştığında, kim bilir ne kadar süredir bozulmuş malzemeyi zaten dışarı atmış oluyorsunuz.
Sektör Nereye Gidiyor?
Daha fazla ısıya-duyarlı malzemelerin - biyo-tabanlı polimerlerin, termal geçmişi bilinmeyen geri dönüştürülmüş içeriğin, belirli uygulamalar için özel formülasyonların işlenmesi yönünde artan bir baskı var. Ekipman bunu kolayca halledebilecek kadar hızlı gelişmedi.
Bazı şirketler alternatif ısıtma yöntemlerini deniyor. Kalıbın indüksiyonla ısıtılması daha hızlı yanıt süreleri ve daha hassas kontrol sağlar. Fıçı bölgelerinin kızılötesi ısıtılması, fıçı yüzeyi ile polimer eriyiği arasındaki sıcaklık gradyanını azaltabilir. Bunlar henüz yaygın değil çünkü pahalılar ve önemli süreç geliştirme gerektiriyorlar.
Gerçek-zamanlı izleme yavaş yavaş iyileşiyor. Hat içi reometreler, termal bozulmayı gösteren viskozite değişikliklerini, büyük bir kalite sorunu haline gelmeden önce yakalayabilir. Namlu ve kalıptaki basınç dönüştürücüler, işleme sorunlarını erken tespit edebilir. Ancak bunların hepsi paraya mal olur ve verilerin ne anlama geldiğini anlayan operatörler gerektirir ki bu, teknolojinin kendisinden daha büyük bir zorluktur.
Temel sorun hala devam ediyor: Termoplastik ekstrüzyon, ısıya duyarlı malzemeleri, ekipmanın orijinal olarak korumak üzere tasarlanmadığı dar pencereler içinde işler. Ekstruder üreticileri ve malzeme geliştiricileri daha yakın bir şekilde birlikte çalışana kadar bu işleme zorluklarını yaşamaya devam edeceğiz. Malzemeler giderek daha zorlu hale geliyor ve ekipman buna ayak uydurmakta zorlanıyor. Şu anda tam da bu noktadayız.
NYC Ulaştırma Bakanlığı'nın ekstrüzyonlu termoplastik işaretlere yönelik spesifikasyonları, ekstrüzyon pabucunda ölçülen 400-450 derece F arasındaki uygulama sıcaklıklarını gerektirir ve ekipman kapasitesi ve sıcaklık bakımıyla ilgili özel gereklilikler - nyc.gov adresinde belgelenmiştir. Bu tür katı spesifikasyonlar mevcuttur çünkü kurumlar, ısıya duyarlı termoplastikler için işleme parametrelerinin yaklaşık olamayacağını başarısızlıklar yoluyla öğrenmişlerdir. Ya sıcaklığı hassas bir şekilde kontrol edersiniz ya da tutarsız bir performans elde edersiniz.
Bu da bizi temel zorluk olan - termal gereksinimleri malzeme kararlılığıyla dengelemeye geri getiriyor. Her termoplastik, bozulmadan iyi aktığı bir tatlı noktaya sahiptir ve üretim verimliliğini korurken bu noktayı bulmak, tüm modern enstrümantasyon ve süreç kontrolümüze rağmen ekstrüzyon işlemini bilimden çok sanat yapan şeydir.