5. EΚΒΟΛΗ ΘΕΡΜΟΠΛΑΣΤΙΚΩΝ

5-1 5. EΚΒΟΛΗ ΘΕΡΜΟΠΛΑΣΤΙΚΩΝ Η λειτουργία των περισσότερων εκβολέων γίνεται µε την κάθοδο των πολυµερών υπό µορφή κόκκων, σκόνης ή φολίδων από τη χοάνη τροφοδοσίας στο άνοιγµα µεταξύ του περιστρεφόµενου κοχλία και του θερµαινόµενου κυλίνδρου. Tο πολυµερές µεταφέρεται προς τα εµπρός, συµπιέζεται και τήκεται, και τελικά υπό µορφή τήγµατος περνά µέσα από τη µήτρα εκβολής όπου παίρνει το κατάλληλο σχήµα προτού εξέλθει και στερεοποιηθεί µε ψύξη στην ατµόσφαιρα. ιακρίνουµε τρεις ζώνες σε κάθε εκβολέα: (α) µεταφορά στερεών, (β) τήξη, και (γ) προώθηση του τήγµατος. Κόκκοι Μεταφορά στερεών Τήξη Προώθηση τήγµατος Σε ό,τι ακολουθεί θα γίνει µια προσπάθεια απλής αναφοράς στα κύρια χαρακτηριστικά του εκβολέα και στο σχεδιασµό του περιστρεφόµενου κοχλία για την προώθηση του τήγµατος. Η ανάλυση ακολουθεί τις αρχές που εκτέθηκαν στο Κεφάλαιο 2 για τις περιπτώσεις απλής ροής διάτµησης σε αγωγούς µε οπισθέλκουσα δύναµη και ταυτόχρονη πτώση πίεσης.

5-2 5.1. ΖΩΝΗ ΠΡΟΩΘΗΣΗΣ ΤΗΓΜΑΤΟΣ 5.1.1. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΑΝΤΛΙΑΣ ΤΥΠΟΥ ΚΟΧΛΙΑ ΓΙΑ ΤΗΓΜΑΤΑ Η αντλία είναι µια συσκευή που δηµιουργεί πίεση. Στην κλασική µηχανική των ρευστών, οι επωνοµαζόµενες στροφοδυναµικές αντλίες (δηλ. φυγόκεντρες αντλίες) δηµιουργούν πίεση µετατρέποντας την κινητική ενέργεια του περιστρεφόµενου στροφείου. Οι αντλίες αυτές δεν λειτουργούν (ούτε καν µπορούν να γυρίσουν!) µε ρευστά υψηλού ιξώδους όπως τα πολυµερικά τήγµατα. Η αρχή του Bernoulli (V 2 /2g + P/ρg = σταθερά) δεν ισχύει για ρευστά υψηλού ιξώδους, επειδή η αδράνεια (δηλ. η κινητική ενέργεια) είναι αµελητέα. Σε ροή πολυµερικών τηγµάτων έχουµε ισορροπία δυνάµεων πίεσης και ιξωδών τάσεων. Έτσι, πρέπει κατά κάποιο τρόπο να παράγουµε πίεση από τάσεις (δηλ. από το ιξώδες του ρευστού). Ας δούµε πως γίνεται αυτό. Σε οπισθέλκουσα ροή, για την περίπτωση ανοιχτού αγωγού δεν έχουµε παραγωγή πίεσης. Το ρευστό απλώς σύρεται από την κινούµενη πλάκα: χωρίς βαθµίδα πίεσης V Όµως, εάν το ένα άκρο του αγωγού είναι µερικά κλεισµένο, τότε µέρος του ρευστού συνεχίζει να σύρεται ενώ ταυτόχρονα παράγεται πίεση:

5-3 V αύξηση πίεσης Η συσκευή αυτή αποτελεί αντλία επειδή παράγει πίεση. Εποµένως, οπισθέλκουσα ροή µε κλειστό το ένα άκρο δηµιουργεί πίεση. Ας δούµε πως η αρχή αυτή µπορεί να τεθεί σε πρακτική χρήση. Μια ιδέα σχεδιασµού θα ήταν η δηµιουργία ρηχού αγωγού συγκεκριµένου µήκους και καλυµµένου από κινούµενη πλάκα άπειρου πλάτους. Χαµηλή P Υψηλή P V ΕΞΟ ΟΣ ΤΗΓΜΑΤΟΣ ΕΙΣΟ ΟΣ ΤΗΓΜΑΤΟΣ Φυσικά, αγωγός γεµισµένος µε θερµό τήγµα και καλυµένος από κινούµενη πλάκα άπειρου πλάτους δεν ανταποκρίνεται σε πρακτική λύση. Ας επιχειρήσουµε το σχεδιασµό µιας πρακτικής µηχανής. Μετατρέπουµε την πλάκα άπειρου πλάτους σε κυλινδρικό αγωγό, και το ρηχό κανάλι το µετατρέπουµε σε κοχλία µέσα στον αγωγό µε το να το ελίξουµε και να το στρίψουµε. Τελικά καταλήγουµε να έχουµε έναν εκβολέα τήγµατος τύπου κοχλία:

5-4 Ο αγωγός αποτελεί την πλάκα Ρηχό κανάλι µεταξύ αγωγού και βάσης του κοχλία περιοριζόµενο από τη στροφή του κοχλία 5.1.2. ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΥ ΚΟΧΛΙΑ γωνία έλικα θ βάθος καναλιού Η πάχος σπείρας e (µικρό) e θ άνοιγµα σπείρας δ (µικρό) D b D s W L s σπείρα D s =διάµετρος κοχλία (στο χείλος της σπείρας) D b =διάµετρος κυλίνδρου=d s +2δ L s =βήµα κοχλία (L s =πd s tanθ) W=πλάτος καναλιού (W=L s cosθ-e= πd s tanθcosθ)

5-5 Συχνά: L s =D s => επωνοµαζόµενος κοχλίας τετράγωνου βήµατος. Tότε θ=17.65 o (tanθ=1/π). Θα θεωρήσουµε αµελητέο το άνοιγµα της σπείρας δ ώστε να υποθέσουµε D s =D b =D. Για την ανάπτυξη µαθηµατικού µοντέλου χρειάζεται (νοητά) να ΞΕ ΙΠΛΩΣΟΥΜΕ το κανάλι και να το µετατρέψουµε (νοητά πάντα) σε κανάλι µεταξύ δύο επίπεδων πλακών. Ας υποθέσουµε ότι ο κοχλίας είναι στατικός και ότι ο κύλινδρος περιστρέφεται. Ο κύλινδρος (barrel) περιστρέφεται µε V b =πdn N=(γωνιακή) ταχύτητα περιστροφής του κοχλία (π.χ. rpm) z x z είναι η ΚΑΤΩ κατεύθυνση του καναλιού Η συνιστώσα της ταχύτητας στην κάτω κατεύθυνση του καναλιού θα δίνεται από V bz =V b cosθ=πdncosθ. Επίσης η απόσταση στην κατεύθυνση αυτή z σχετίζεται µε την αξονική απόσταση L από τη σχέση z=l/sinθ. Ας κάνουµε χρήση των εξισώσεων σε επίπεδες πλάκες για συνδυασµό οπισθέλκουσας ροής και αντιτιθέµενης ροής πίεσης Q VHW HWdP 3 1 = 2 12µ dz Πρέπει όµως να χρησιµοποιήσουµε την ελικοειδή γεωµετρία του καναλιού, δηλ. το γεγονός ότι το πολυµερικό τήγµα κινείται στην κατεύθυνση z κατά µήκος του καναλιού. Εχουµε

5-6 W = Lcosθ = π Dtan θ cosθ V = V cosθ = π DNcosθ b N = περιστροφές το δευτερόλεπτο (rpm/60) του κοχλία Αντικατάσταση δίνει: 3 1 2 2 DH Q= π D HNsin θcosθ π sin 2 12µ 2 θ P L όπου: P=P 2(εξόδου) - P 1(εισόδου) L=µήκος κοχλία (συνήθως L=10 15D) θ=γωνία έλικα D=διάµετρος κυλίνδρου (συνήθως 1 8 ίντσες δηλ. 25 mm 200 mm) H=βάθος καναλιού (συνήθως 10 mm ή λιγότερο) N=ταχύτητα περιστροφής (συνήθως 60 100 rpm) µ=ιξώδες Εάν το άνοιγµα µεταξύ της σπείρας του κοχλία και του κυλίνδρου (δ) δεν είναι αµελητέο, πρέπει να αφαιρέσουµε το ποσό της παροχής διαφυγής (leakage flow), που εύκολα αποδεικνύεται ότι δίνεται από D QL = π δ 12µ e 2 2 3 Εποµένως η εξίσωση παροχής γράφεται tan θ P L 3 2 2 3 1 2 2 DH 2 P D P Q= π D HN θ θ π π δ sin cos sin θ tan θ 2 12µ L 12µ e L Φυσικά, τα πολυµερικά τήγµατα είναι ρευστά διατµητικής λέπτυνσης, εποµένως πρέπει να χρησιµοποιήσουµε κάποιο ισοδύναµο Nευτωνικό ιξώδες για την εκτέλεση των υπολογισµών.

5-7 Εκβολέας ΚΟΧΛΙΑΣ Μήτρα P Αύξηση πίεσης στον εκβολέα Πτώση πίεσης στη µήτρα Εκβαλλό- µενο τήγµα Μηδενική πίεση στην έξοδο Μήκος Για δεδοµένο εκβολέα, τα µεγέθη L, D, H και θ είναι δεδοµένα, εποµένως (αµελώντας τη ροή διαφυγής): Q= const N const P µ όπου N=ταχύτητα κοχλία P=άνοδος πίεσης=p εξόδου -P εισόδου µ=ιξώδες τήγµατος Σαν χαρακτηριστικό ρυθµό διάτµησης παίρνουµε εκείνον που π προκύπτει σε οπισθέλκουσα ροή γ = DN H H V=πDN π.χ. έστω η=10,000 γ -0.6, N = 100 rpm, D = 90 mm and H = 4 mm. Τότε γ ref 90 100 = π = 117 s 1 4 60

5-8 η = 571 Pa. s Η τιµή αυτή αποτελεί το ισοδύναµο Nευτωνικό ιξώδες µ που εµφανίζεται στην εξίσωση εκβολής τήγµατος για την παροχή Q. Για τον υπολογισµό της πτώσης πίεσης στη µήτρα εκβολής έχουµε αναπτύξει διάφορες εκφράσεις για ρευστά που υπακούουν τον εκθετικό νόµο. Π.χ. για Νευτωνικά ρευστά (n=1) έχουµε τη σχέση Hagen-Poiseuille R = π 4 8µ L (κυλινδρικοί αγωγοί) Q ( P) Σηµείωση: Εάν στους υπολογισµούς για τη µήτρα εκβολής αποφασίσουµε να κάνουµε χρήση ισοδύναµου Νευτωνικού ιξώδους, το γ ref δεν θα είναι το ίδιο όπως στον εκβολέα, το δε ισοδύναµο µ θα είναι φυσικά διαφορετικό. Για τη µήτρα εκβολής θα πρέπει να υπολογίσουµε το γ ref από Vz γ ref = = max r r V r 1 R n+ 1 n ( n + 1) V max n R που βγαίνει τελικά (όπως αποδεικνύεται) να είναι ίσο µε 4Q/πR 3 συν τη διόρθωση Rabinowitsch. Όµως για απλές γεωµετρίες µητρών οι εξισώσεις εκθετικού νόµου είναι εύκολες. Εποµένως, θα κάνουµε χρήση του P από τον εκθετικό νόµο οποτεδήποτε έχουµε να κάνουµε µε απλές γεωµετρίες, όπως κυλινδρικούς ή διδιάστατους αγωγούς ή κώλουρους κώνους. Ας σηµειωθεί ότι: Εάν δεν υπάρχει ανάπτυξη πίεσης (π.χ. κανένας περιορισµός ροής στο άκρο του εκβολέα), η παροχή θα είναι µέγιστη, δηλ. µόνο από οπισθέλκουσα ροή.

5-9 Qmax = 1 2 2 π D NHsinθcosθ 2 Εάν το άκρο του εκβολέα είναι κλειστό, Q=0, και µπορούµε να ισορροπήσουµε οπισθέλκουσα ροή και ροή υπό πίεση. 3 2 1 2 2 πdh sin θ π DNHsin θcosθ= 2 12µ L ( P) Η παραπάνω σχέση δίνει τη µεγαλύτερη δυνατή πίεση P max DLN = 6 π µ 2 H tanθ Επειδή το µ είναι µεγάλο για πολυµερικά τήγµατα, µπορούν να αναπτυχθούν στον εκβολέα εξαιρετικά µεγάλες (και πολύ επικίνδυνες) πιέσεις. 5.1.3. ΤΑΙΡΙΑΣΜΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΥ ΜΗΤΡΑΣ ΚΑΙ ΚΟΧΛΙΑ ΕΚΒΟΛΗΣ Είδαµε ότι για Νευτωνικά ρευστά η συνάρτηση Q µε P είναι γραµµική και για τον εκβολέα (αύξηση πίεσης) και για τη µήτρα (πτώση πίεσης). Η γραφική παράσταση της εξίσωσης µπορεί να γίνει όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα: Q max Σηµείο λειτουργίας Q Εκβολέας Μήτρα P max P

5-10 Οι εξισώσεις σχεδιασµού για Νευτωνικά ρευστά που δόθηκαν προηγουµένως µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να γίνει κατανοητός ο ρόλος του βάθους του καναλιού του κοχλία και ο ρόλος ανοιχτής ή περιοριστικής µήτρας όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα: Βαθύ κανάλι Ανοιχτή µήτρα Q Ρηχό κανάλι κοχλία Περιοριστική µήτρα P 5.2. ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΣΤΕΡΕΩΝ ΚΑΙ ΤΗΞΗ Έχουµε ήδη µελετήσει τη ζώνη προώθησης του τήγµατος στον εκβολέα. Οι άλλες ζώνες είναι πολύ πιο πολύπλοκες. Η µαθηµατική περιγραφή µεταφοράς των κόκκων και της επακόλουθης συµπίεσης και τήξης είναι δύσκολη, και απαιτεί την εισαγωγή διαφόρων απλουστευτικών παραδοχών. Για την προς τα εµπρός µεταφορά στερεών κόκκων ή σκόνης, η τριβή στον κύλινδρο πρέπει να είναι πολύ µεγαλύτερη απ ό,τι στον κοχλία. Για να καταλάβει κανείς καλύτερα την περίπτωση αυτή αρκεί να σκεφτεί την περίπτωση της βίδας και του παξιµαδιού. Για να βιδώσουµε τη βίδα πρέπει να κρατάµε σταθερό το παξιµάδι (δηλ. εφαρµόζουµε µεγάλη τριβή). Εάν δεν κρατήσουµε το παξιµάδι, αυτό θα περιστρέφεται

5-11 µαζί µε τη βίδα καθώς τη γυρνάµε. Έτσι, χωρίς τριβή δεν είναι δυνατή η προς τα εµπρός κίνηση της βίδας. Άρα, χωρίς επαρκή τριβή στο τοίχωµα του κυλίνδρου δεν υπάρχει προς τα εµπρός κίνηση του πολυµερικού στερεού. Τριβή Τριβή Εποµένως, οι κοχλίες έχουν ΓΥΑΛΙΣΜΕΝΕΣ επιφάνειες (για µικρό συντελεστή τριβής). Τα τοιχώµατα των κυλίνδρων είναι ΤΡΑΧΕΙΑ και µερικές φορές αυλακωµένα επίτηδες (για υψηλότερη τριβή). Η τήξη επέρχεται σε ένα λεπτό στρώµα (φιλµ) κοντά στο θερµαινόµενο κύλινδρο, και σταδιακά σχηµατίζεται µια µικρή περιοχή τήγµατος κοντά στο πίσω µέρος. Η συµπιεσµένη κλίνη των στερεών κόκκων θεωρείται ότι ρέει προς τα κάτω µέσα στο κανάλι του κοχλία µε εµβολική ροή. Η αύξηση της πίεσης καθορίζεται από την ισορροπία των εξασκούµενων δυνάµεων και των ροπών, και συνήθως εκφράζεται από τη σχέση ( const. ) P = P exp const. f f Z o b s b όπου P 0 είναι η πίεση κάτω από τη χοάνη τροφοδοσίας (συνήθως πολύ µικρή), και f b και f s είναι οι συντελεστές τριβής της κλίνης στερεών στον κύλινδρο και στον κοχλία, αντίστοιχα, και Z b είναι η απόσταση στην προς τα κάτω κατεύθυνση µετρηµένη στην επιφάνεια του κυλίνδρου. Ο συντελεστής f b πρέπει να είναι µεγαλύτερος από τον f s για να επέλθει προς τα εµπρός κίνηση, όπως αναφέραµε παραπάνω.

5-12 Η θερµότητα που εκλύεται από την τριβή και τη διάχυση θερµότητας δι αγωγής από τα τοιχώµατα του κυλίνδρου έχει σαν αποτέλεσµα την άνοδο της θερµοκρασίας προς την έξοδο του εκβολέα. Όταν η θερµοκρασία φθάσει το σηµείο τήξης κρυσταλλικού πολυµερούς ή τη θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης αµόρφου πολυµερούς, σχηµατίζεται ένα λεπτό στρώµα τήγµατος στην επιφάνεια του κυλίνδρου. Περαιτέρω διάτµηση προξενεί περισσότερη θερµότητα τριβής, που µεταφέρεται δι αγωγής προς την κλίνη των στερεών και τήκει περισσότερο πολυµερές. Όταν το λεπτό αυτό στρώµα γίνει παχύτερο από το άνοιγµα µεταξύ της σπείρας του κοχλία και του κυλίνδρου, σχηµατίζεται µια περιοχή τήγµατος στο πίσω µέρος του καναλιού του κοχλία, όπως απεικονίζεται στο παρακάτω σχήµα. Περιοχή τήγµατος Λεπτό στρώµα τήγµατος ΚΥΛΙΝ ΡΟΣ ΚΛΙΝΗ ΣΤΕΡΕΩΝ ΚΟΧΛΙΑΣ Πίσω σπείρα Εµπρός σπείρα Το σχήµα εξηγεί τα βασικά χαρακτηριστικά του µοντέλου τήξης που προτάθηκε από τον Tadmor στο τέλος της δεκαετίας του 60. Η κλίνη στερεών µειώνεται προς την έξοδο, ενώ η περιοχή τήγµατος αυξάνει. Όταν το πολυµερές έχει υποστεί πλήρη τήξη, ισχύει η προηγούµενη ανάλυση της αντλίας κοχλία για τήγµατα. Φυσικά, η όλη διαδικασία της µεταφοράς στερεών, τήξης και προώθησης ενός τήγµατος που παρουσιάζει διατµητική λέπτυνση είναι δύσκολο να περιγραφεί µε

5-13 απλές εξισώσεις και µαθηµατικές εκφράσεις. Γίνεται χρήση αριθµητικών µεθόδων, και σήµερα υπάρχουν στην αγορά διάφορα πακέτα λογισµικού για το σκοπό αυτό, όπως το EXTRUCAD. Αυτά τα πακέτα προλέγουν την πίεση, θερµοκρασία και µεταβολή της κλίνης στερεών, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Προφανώς για εκβολή υψηλής απόδοσης, το πολυµερές πρέπει να έχει υποστεί πλήρη τήξη πριν από την έξοδό του από τον εκβολέα, η θερµοκρασία πρέπει να είναι χαµηλότερη από εκείνη που µπορεί να προκαλέσει θερµική αποικοδόµηση, και η πίεση πρέπει να είναι αρκετά υψηλή ώστε να µπορέσει να εξέλθει το πολυµερές από τη µήτρα εκβολής. Μια επιτυχής εκβολή εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από το σχεδιασµό του κοχλία. Πέρα από το συµβατικό κοχλία µονής έλικας, έχουν αναπτυχθεί πολλά πατέντα σχεδιασµών, όπως φαίνεται στα επόµενα σχήµατα.

5-14 5.3. ΚΟΧΛΙΕΣ ΕΚΒΟΛΕΑ ΜΟΝΗΣ ΕΛΙΚΑΣ Τυπικός κοχλίας εκβολέα ΖΩΝΗ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑΣ Σταθερή διάµετρος ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΖΩΝΗ Μεταβαλλόµενη διάµετρος ΖΩΝΗ ΡΥΘΜΙΣΗΣ Σταθερή διάµετρος Τυπικός κοχλίας µε πρόσθετη σπείρα στη ζώνη τροφοδοσίας Κοχλίας µε µεταβλητό αυξανόµενο βήµα Κοχλίας µε µεταβλητό ελαττούµενο βήµα Κοχλίας µε µηδενική ζώνη ρύθµισης Κοχλίας µε µηδενική ζώνη τροφοδοσίας και ρύθµισης Κοχλίας ταχείας συµπίεσης Κοχλίας αποσυµπίεσης Τυπικός κοχλίας εκβολέα µε δύο στάδια (a) Ζώνη τροφοδοσίας (b) Ζώνη συµπίεσης (c) Ζώνη ρύθµισης (d) Ζώνη εξαγωγής (e) Ζώνη προώθησης

5-15 Οι διάφοροι κοχλίες του εµπορίου διατίθενται σε ποικιλία σχηµατισµών και παράγονται συνήθως µε ονοµαστικές διαµέτρους των 1'' (25 mm), 1 ½'' (38 mm), 2'' (50 mm), 2 ½'' (63 mm), 3'' (75 mm), 3 ½'' (90 mm), κλπ. Παραθέτουµε τυπικά χαρακτηριστικά κοχλιών µονής έλικας του εµπορίου. Ολικό µήκος: 20D 30D Γωνία έλικα: 17.66 (συνήθως) Βάθος καναλιού στη ζώνη τροφοδοσίας: 0.1D 0.15D Βάθος καναλιού στη ζώνη ρύθµισης: 2 4 φορές µικρότερη από τη ζώνη τροφοδοσίας. (Ο λόγος αυτός αναφέρεται συχνά σαν λόγος συµπίεσης). Μήκος ζώνης τροφοδοσίας: 4D 8D Μήκος ζώνης ρύθµισης: 6D 10D Πρόσφατα έχει υπάρξει µεγάλο ενδιαφέρον για τους επωνοµαζόµενους κοχλίες φραγµού (διπλής σπείρας). Η κλίνη στερεών και το τήγµα διαχωρίζονται από την σπείρα φραγµού όπως φαίνεται παρακάτω. ΣΠΕΙΡΑ ΦΡΑΓΜΟΥ ΚΥΛΙΝ ΡΟΣ τήγµα στερεά τήγµα στερεά ΚΟΧΛΙΑΣ ΚΥΡΙΑ ΣΠΕΙΡΑ Οι πρώτοι κοχλίες φραγµού χρησιµοποιήθηκαν από την αµερικανική εταιρεία Uniroyal για καουτσούκ και από την ελβετική εταιρεία Maillefer για πλαστικά. Λειτουργούσαν µε την αρχή της

5-16 συνεχούς µείωσης του πλάτους των στερεών. Η λειτουργία αυτή οδηγεί σε ΑΥΞΗΜΕΝΗ ΠΑΡΟΧΗ ΤΗΓΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΚΑΛΥΤΕΡΗ ΠΟΙΟΤΗΤΑ, αλλά επίσης και σε ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑΣ, επειδή η κλίνη συµπιεσµένων στερεών αντιστέκεται στη µείωση του πλάτους της. Έχουν αναπτυχθεί πολλά άλλα πατέντα σχεδιασµού, π.χ. ο κοχλίας φραγµού HARTIG BARR (γνωστός επίσης σαν κοχλίας MC3), όπου το πλάτος της κλίνης στερεών παραµένει σταθερό, αλλά µειώνεται το βάθος της προς την έξοδο, ενώ αυξάνει το βάθος του καναλιού τήγµατος. Το πλεονέκτηµα σε σχέση µε τον κοχλία Μaillefer είναι ότι η επιφάνεια που προσφέρεται για τήξη (δηλ. η περιοχή στερεών σε επαφή µε τον κύλινδρο) είναι µεγαλύτερη (συνήθως κατά 30%). Μειονεκτήµατα Κοχλιών Φραγµού: Ο κύριος µηχανισµός τήξης προέρχεται από διάτµηση στο λεπτό στρώµα του τήγµατος πάνω από την κλίνη στερεών. Εποµένως, η ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΙΑΤΜΗΣΗΣ µπορεί να προκαλέσει πολύ υψηλές θερµοκρασίες σε τήγµατα πολυµερών υψηλού ιξώδους. Αυτό έχει παρατηρηθεί µε το LLDPE (που έχει πολύ υψηλότερο ιξώδες από το τυπικό LDPE). Στα επόµενα σχήµατα παραθέτουµε διάφορους τύπους σχεδιασµού κοχλιών:

5-17 Κοχλίας Ingen Housz Κοχλίας Dray and Lawrence Κοχλίας DFM Κοχλίας Kim

5-18 5.4. ΚΟΧΛΙΕΣ ΕΚΒΟΛΕΑ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΕΛΙΚΑΣ Κύρια σπείρα Τήγµα Στερεό Σπείρα φραγµού ιαχωρισµός φάσεων σε κοχλία φραγµού Συµβατικός κοχλίας πολλαπλών σπειρών Κοχλίας πολλαπλών σπειρών για βελτιωµένη τήξη Κοχλίας τύπου Maillefer Kοχλίας τύπου Barr Kοχλίας Barr Kοχλίας τύπου Barr Lacher/Hsu/Willert

5-19 Μερικές εµπειρικές σχέσεις για εκβολή πολυολεφινών: µέγιστη ταχύτητα κοχλία N max = 5469D min 0976. 1 µέγιστη παροχή. m = 0. 0792D 1 624 kg h max ισχύς µηχανής τροφοδοσίας 1. 626 P = 0. 0235 D kw 0 όπου D δίνεται σε mm. [κατά τον H.-G. Fritz, Κεφάλαιο 12, στο βιβλίο Plastics Extrusion Technology, F. Hensen (Ed.), Hanser, Munich (1988)]. Οι παραπάνω σχέσεις ισχύουν για βραχείς κοχλίες (L/D 20) που χρησιµοποιούνται σε χύτευση µε εµφύσηση δι εκβολής. Μακρύτεροι κοχλίες που χρησιµοποιούνται σε σύγχρονες γραµµές παραγωγής φιλµ υψηλής παροχής έχουν τη δυνατότητα να παράγουν υπερδιπλάσιες ποσότητες.

5-20 5.5. ΜΟΡΦΩΣΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ Η τελική µόρφωση των προϊόντων γίνεται µε τη µήτρα εκβολής, π.χ. για την παραγωγή πλαστικού φύλλου πρέπει να γίνει ο σχεδιασµός επίπεδης µήτρας (γεωµετρία κρεµάστρας). εκβολέας KATΟΨΗ εκβολέας ΠΛΕΥΡΙΚΗ ΟΨΗ Το φύλλο συνήθως ψύχεται στον περιβάλλοντα αέρα και τραβιέται (µε ταυτόχρονη ψύξη) από σύστηµα κυλίνδρων. Για την παραγωγή πλαστικού σωλήνα, χρειαζόµαστε δακτυλική µήτρα: από τον εκβολέα Το τήγµα ρέει µέσα από το δακτύλιο και στερεοποιείται στην έξοδο µέσα σε λουτρό (κρύου) νερού (στην πραγµατικότητα µια αρκετά µακρά σκάφη, όπου το νερό εκσφενδονίζεται πάνω στο σωλήνα για να αυξηθεί η µεταφορά θερµότητας και να γίνει γρηγορότερη η ψύξη).

5-21 Για την παραγωγή προφίλ για παράθυρα, πόρτες, κλπ., χρειαζόµαστε µήτρες µε προσεγγιστικό σχήµα προφίλ, το δε πλαστικό ψύχεται περνώντας και πάλι µέσα από µακρά σκάφη νερού. Η κατατοµή ενός σχεδίου προφίλ µπορεί να είναι: Γίνεται χρήση µητρών πολύ πιο πολύπλοκου σχεδιασµού για διάφορες ειδικές εφαρµογές. Το µεγαλύτερο πρόβληµα στο σχεδιασµό µητρών προφίλ έγκειται στην κατανοµή της ροής. Το πολυµερικό τήγµα εκρέει από τον εκβολέα (συνήθως κυλινδρικό) προς τα χείλη της µήτρας εκβολής, τα οποία και θα καθορίσουν το τελικό σχήµα του. Το πολυµερές θα προσπαθήσει να ρέει µέσα από περιοχές που δίνουν τη λιγότερη αντίσταση. Εποµένως το επίπεδο τµήµα της µήτρας πρέπει να σχεδιαστεί προσεκτικά ώστε οι αντιστάσεις των διαφόρων τµηµάτων να είναι περίπου ίσες, και η κατανοµή της ροής να είναι οµοιόµορφη στην έξοδο της µήτρας. Στο παρακάτω σχήµα φαίνονται τα γεωµετρικά µεγέθη που είναι τα πιο σπουδαία για µια απλή µήτρα εκβολής:

5-22 L R L s R H B Μήτρα εκβολής για παραγωγή προφίλ µε ρυθµιζόµενο µήκος Για την εξισορρόπηση της ροής σε µήτρες τύπου κρεµάστρας (για παραγωγή επίπεδου φύλλου ή φιλµ), µπορεί να γίνει χρήση του πακέτου λογισµικού FLATCAD. Όµως, για µήτρες για πολύπλοκα προφίλ, η κατάσταση είναι πολύ πιο δύσκολη, και παρά τις σηµαντικές προσπάθειες από διάφορους ερευνητές, δεν υπάρχει ακόµα στο εµπόριο κάποιο αντίστοιχο πακέτο λογισµικού (π.χ. PROFILECAD) που να µπορεί να λύσει το πρόβληµα σχεδιασµού.

5-23 5.6. ΕΚΒΟΛΗ ΦΙΛΜ ΜΕ ΕΜΦΥΣΗΣΗ Η διεργασία εκβολής µε εµφύσηση είναι η πιο σηµαντική µέθοδος για την παραγωγή φιλµ πολυαιθυλενίου PE (περίπου 90% όλων των παραγόµενων φιλµ πολυαιθυλενίου). Οι σύγχρονες γραµµές παραγωγής φιλµ έχουν δυνατότητα παραγωγής 2 µε 3 φορές µεγαλύτερη απ ό,τι οι γραµµές 40 χρόνια πριν (για την ίδια διάµετρο εκβολέα D). Σηµαντική πρόοδος έχει επιτευχθεί λόγω καλύτερου σχεδιασµού και συστηµάτων ελέγχου. ΦΙΛΜ ΑΣΚΟΣ ΑΕΡΑΣ ΕΚΒΟΛΕΑΣ ΜΗΤΡΑ 5.6.1. Υλικά χρήσης Κυρίως πολυαιθυλένια (LDPE, HDPE, LLDPE) 5.6.2. Κριτήρια ποιότητας του φιλµ ΠΑΧΟΣ ΦΙΛΜ: εξαιρετικά σπουδαίο να ελαχιστοποιηθούν τυχόν παρεκκλίσεις κατά µήκος (κατεύθυνση µηχανής, MD) και

5-24 κατά πλάτος (εγκάρσια κατεύθυνση, TD). Τέτοιες παρεκκλίσεις επιδρούν στην περαιτέρω επεξεργασία. Συνήθης κλίµακα αποδοχής για παρεκκλίσεις MD: ±2% από το µέσο όρο. Συνήθης κλίµακα αποδοχής για παρεκκλίσεις ΤD: ±3% ±10% από το µέσο όρο. 5.6.3. Oπτικές ιδιότητες ιάφορες ιδιότητες είναι σηµαντικές, όπως: στιλπνότητα επιφάνειας οµίχλη φιλµ καθαρότητα διόρασης see-through 5.6.4. Mηχανικές ιδιότητες Περιλαµβάνουν: τάση θραύσης και επιµήκυνση θραύσης αντίσταση σε ρήξη αντίσταση σε διάτρηση αντίσταση σε συρρίκνωση Όλα τα παραπάνω ποιοτικά χαρακτηριστικά εξαρτώνται από: τις ιδιότητες του πολυµερούς (πρώτη ύλη), π.χ. µοριακό βάρος, κατανοµή µοριακού βάρους, διακλαδώσεις, πρόσθετα. το σχεδιασµό της µηχανής και τη λειτουργία της τους ποιοτικούς ελέγχους

5-25 Άρα, είναι σηµαντικό να γνωρίζει κανείς ποιά ιδιότητα του πολυµερούς θα επηρεάσει τις ιδιότητες του φιλµ, πώς ο σχεδιασµός και η λειτουργία της µηχανής θα επηρεάσουν τα τελικά χαρακτηριστικά του φιλµ, κλπ. 5.7. TYΠΙΚΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΦΙΛΜ LDPΕ ΜΕ ΕΜΦΥΣΗΣΗ Τέσσερα µέρη: εκβολέας µήτρα εκβολής ψύξη και βαθµονόµηση έλξη και περιτύλιξη 5.7.1. Eκβολείς Για το LDPE συνήθως χρησιµοποιούνται αργές µονάδες µονού κοχλία D 40 mm --- 200 mm L/D 20 --- 30 Ταχύτητα επιφάνειας (κοχλία) 0.8 1.2 m/s. Οι σύγχρονες γραµµές φιλµ υψηλής απόδοσης µπορεί να έχουν τα εξής χαρακτηριστικά παραγωγής: Πίνακας 5-1: Mέγιστη απόδοση για LDPE [κατά τον G. Winkler, κεφάλαιο 4 στο βιβλίο Plastics Extrusion Technology, F.Hensen (ed.), Hanser, Munich (1988)]. D (mm) MΕΓΙΣΤΗ ΠΑΡΟΧΗ (kg/h) ΙΣΧΥΣ ΜΟΤΕΡ (kw) 60 200 55 90 400 110 120 550 170 150 900 300

5-26 Η γεωµετρία του κοχλία πρέπει να έχει σχεδιαστεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε να επιτρέπει την επεξεργασία του τήγµατος και τη µηχανική του οµογενοποίηση στη χαµηλότερη δυνατή θερµοκρασία. Οι κοχλίες είναι κατασκευασµένοι από χρωµιοµένο χάλυβα και από νιτριοµένο χάλυβα µε επιφάνεια σκληρυµένη µε νιτρίδια. Μερικές φορές τοποθετείται φίλτρο τήγµατος µεταξύ του εκβολέα και της µήτρας εκβολής για την αποµάκρυνση ακαθαρσιών ή αθέµιτων ουσιών. Προφανώς, η ανοµοιογένεια του τήγµατος ή η παρουσία στο τήγµα ακαθαρσιών µπορούν να προκαλέσουν σοβαρές δυσκολίες στη λειτουργία και κακή ποιότητα του φιλµ. 5.7.2. Μήτρες εκβολής ύο τύποι µητρών χρησιµοποιούνται στη βιοµηχανία: µήτρες εκβολής τύπου αράχνης µήτρες εκβολής τύπου σπείρας 5.7.2.1. Μήτρες εκβολής τύπου αράχνης Ο όρος µήτρα τύπου αράχνης προέρχεται από το δακτύλιο υποστήριξης µε ακτινικά στοιχεία (πόδια αράχνης) που συνδέουν σταθερά τον άξονα (δηλ. το εσωτερικό στοιχείο της µήτρας) µε το σώµα της µήτρας.

5-27 ασκός προσεκτικά φτιαγµένο κωνικό άνοιγµα πόδια αράχνης για υποστήριξη τήγµα από τον εκβολέα Ενώ η αξονική τροφοδοσία των µητρών τύπου αράχνης ευνοεί την οµοιόµορφη κατανοµή στην έξοδο της µήτρας (δηλ. παράγεται φιλµ µε οµοιόµορφο πάχος), υπάρχει ένα άλλο πρόβληµα: η διακλάδωση της ροής πίσω από το πόδι κάθε αράχνης προκαλεί την εµφάνιση γραµµών συγκόλλησης (weld lines): Γραµµή συγκόλλησης Πόδι αράχνης σε εγκάρσια ροή Όταν η ροή διακλαδίζεται και επανασυνδυάζεται µε αποτέλεσµα το σχηµατισµό γραµµής συγκόλλησης, δεν δίνεται αρκετός χρόνος στα µακροµόρια να διαχυθούν, µε αποτέλεσµα οι γραµµές συγκόλλησης να αποτελούν γραµµές εξασθένησης. Το φιλµ µπορεί να αποσχιστεί κατά µήκος της γραµµής συγκόλλησης. Εποµένως, οι γραµµές συγκόλλησης πρέπει να αποφεύγονται. Για παράδειγµα, έχουν επινοηθεί συσκευές

5-28 επιχρίσµατος µε σκοπό να παρεκτρέπουν τη ροή περιφερειακά, αλλά δεν δουλεύουν πολύ καλά. Άλλο ένα πρόβληµα: λόγω της παρουσίας αξονικών δυνάµεων και του φορτίου που συνεπάγονται πάνω στην υποστήριξη του άξονα, το µέγεθος της µήτρας είναι περιορισµένο. 5.7.2.2.Μήτρες εκβολής τύπου σπείρας Οι µήτρες αυτές αποτελούν τις πιο διαδεδοµένες στη λειτουργία των σύγχρονων µηχανηµάτων υψηλής παροχής. Το τήγµα τροφοδοτείται αξονικά στη µήτρα και κατόπιν µέσα από ακτινικά κανάλια του άξονα τύπου σπείρας, κατά τέτοιο τρόπο ώστε να ελαχιστοποιείται η ανοµοιοµορφία του τήγµατος στην έξοδο της µήτρας. ΑΣΚΟΣ Τήγµα από τον εκβολέα εν είναι εύκολο να παραχθεί οµοιόµορφο φιλµ. Καθώς ρέει το τήγµα από τους αγωγούς τροφοδοσίας µέσα από τις οπές των καναλιών προς τις σπείρες, το παραγόµενο φιλµ εµφανίζει διαφορά πάχους, δηλ. περισσότερο τήγµα διαλέγει το δρόµο γύρω από τα κανάλια.

5-29 Εποµένως, για κεντρικό αγωγό που τροφοδοτεί 4 σπείρες, αναµένουµε µια διαφορά πάχους µε 4 µέγιστα, π.χ. όταν ανοίξουµε το φιλµ εµφανίζεται η ακόλουθη εικόνα: 40 Thickness Variation (%) 20 0-20 -40 0 90 180 270 360 Οι σπείρες πρέπει να σχεδιάζονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να εξισορροπούν τις διαφορές πάχους του φιλµ (το λογισµικό πακέτο SPIRALCAD επιτυγχάνει ακριβώς αυτό). ιαφορά πάχους στην εγκάρσια κατεύθυνση της τάξης του 5 6%, είναι µάλλον ανεκτό για τις περισσότερες εφαρµογές, αλλά εάν οι µήτρες είναι κακά σχεδιασµένες µπορούν εύκολα να δώσουν διαφορές του 15% ή ακόµα και περισσότερο, κάτι που είναι απαράδεκτο.

5-30 Η κεντρική ιδέα είναι να εξισορροπηθεί η ροή µε προσεκτική κατανοµή της ροής στην κατεύθυνση των σπειρών και στο άνοιγµα µεταξύ του άξονα και του σώµατος της µήτρας. 5.7.3. Ψύξη και βαθµονόµηση Το τήγµα που εξέρχεται από το άνοιγµα της µήτρας φυσιέται για να πάρει τις τελικές διαστάσεις του ενώ είναι ακόµα σε ρευστή κατάσταση. Η παραµόρφωση σταµατά στη γραµµή ψύξης, όπου συµβαίνει η αλλαγή από την κατάσταση τήγµατος σε στερεό φιλµ. Εφαρµόζεται εξωτερική ψύξη µε τη βοήθεια κυκλικού δακτύλιου που εκσφενδονίζει κρύο αέρα πάνω στο κινούµενο τήγµα. Γραµµή ψύξης Αέρας Μήτρα Οι δακτύλιοι ψύξης που χρησιµοποιούνται στις γραµµές παραγωγής συνήθως λειτουργούν σε παροχές των 15 75 m 3 /hr. Η επίτευξη καλής ψύξης συµβάλλει σηµαντικά στην οµοιοµορφία των τελικών ιδιοτήτων. Στις σύγχρονες γραµµές υψηλής ποιότητας εφαρµόζεται επίσης και εσωτερική ψύξη. Το σύστηµα ψύξης αποτελείται από φυσητήρα υπό πίεση που φέρνει φρέσκο (καθαρό) αέρα, και από φυσητήρα κενού

5-31 που τραβά αέρα στο εσωτερικό του ασκού µέσω ενός αγωγού τοποθετηµένου αξονικά µέσα στον ασκό. Η βαθµονόµηση (καλιµπράρισµα) γίνεται µε µια συσκευή που µοιάζει µε καλάθι και που επιτρέπει να παρατηρείται η διάµετρος του ασκού και να γίνονται µεταβολές και διορθώσεις στην εσωτερική πίεση για την επίτευξη της σωστής διαµέτρου. Εδώ χρειάζεται καλή στρατηγική ποιοτικού ελέγχου. 5.7.4. Έλξη και περιτύλιξη Στο τελικό στάδιο χρειάζονται κύλινδροι επιπεδοποίησης και έλξης και κουβάρια περιτύλιξης για τη συλλογή των φιλµ σε ρολά και για την τελική διανοµή του προϊόντος.