Polyolefin Plaka Ekstrüzyonu - 1
Bu derlememizin ilk bölümünde tek katlı bir levha ekstrüzyon prosesini basit bir şekilde tanımlamaya çalıştık. Ayrıca önemli noktalar ve sorun giderme gibi konulara dikkat çekmeyi amaçladık. Okurken göz önünde tutulması gereken bir nokta bu içerikte paylaşılan bilgilerin tüm polimer tipleri için geçerli olmayacağıdır. PET ile PP veya PMMA levha hattının ortak noktaları bulunsa da bir takım konfigürasyon farklarının olacağı da açıktır. Bu nedenle burada verilen bilgiler ağırlıklı olarak polyolefin için özetlenmiştir. Özellikle ekstrüzyon uzmanlığı olmayanlar için faydalı olacağını umduğumuz, firmaların ekstrüzyon eğitimlerinde kullanabileceği bir prosese giriş seviyesi kılavuzudur. Verilen bilgiler, derlenmiş literatür bilgilerine ve teknik kadromuzun birikimlerine dayanmaktadır.
Ekstrüzyon
Ekstrüzyon işlemi, bir polimerin ısıtılmış bir kovan içinde sürekli dönen bir vida tarafından sıkıştırılması, eritilmesi karıştırılması ve taşıması işlemdir. Homojenize edilmiş eriyik bir dizi ek sistem içinden geçerek en son istenilen genişlik ve kalınlıkta levha haline geleceği yatay kalıba ulaşır. Kalıptan tahliye edildiği gibi soğutulması ve hassas ölçülendirilmesi için soğutulmuş merdanelere sahip kalenderden geçer kenarlarından final genişliğe kesilir ve boş bir bobin üstüne sarılarak rulo haline getirilir.
Vida ve Kovan
Bir polyolefin vidalı ekstrüder tipik olarak 3:1 sıkıştırma oranına ve ortalama 24-32:1 L/D oranına sahiptir. Böyle bir vida proses edilen malzemenin reolojik özelliklerine, istenilen üretim miktarına ve blend edilen malzeme sayısına bağlı olarak tek kademeli veya iki kademeli vida olabilir, genellikle çeşitli tiplerde tek veya iki farklı miksere sahiptir. Kovan, aslında vidayı barındıran içi boş bir silindirdir, bir yataktır. Vida kanatları ile kovanın iç yüzeyi arasındaki boşluk anma çapına ve normlara göre belirlenir. Tabi bunda proses edilen malzeme de önemlidir. Genellikle çapta 0.15-0.25mm mertebesindedir.
Bir ekstrüderin kalbi vida-kovan ikilisidir. İyi çalışan bir vida olmadan kaliteli bir eriyik, doğru sıcaklık ve stabil bir akış elde etmek mümkün değildir.
Vida Sıkıştırma Oranı (Compression Ratio)
İlk hatve derinliğinin son hatve derinliğine oranı sıkıştırma oranı (CR) olarak bilinir. Tipik bir poylolefin vidanın sıkıştırma oranı 3:1'dir. Gereğinden fazla CR, aşırı kesme (shear), yüksek sıcaklık, aşırı motor zorlanması ve polimer degredasyonuna neden olur. Gereğinden düşük
CR, yetersiz kesme, düşük sıcaklık ve eriyik içinde erimemiş partiküller kalması demektir.
Vida L/D (Uzunluk/Çap) Oranı
L/D olarak bilinen bu oran, sektörde farklı hesaplama yöntemleri olmasına rağmen basitçe “efektif vida uzunluğunun vida çapına oranıdır”. Vidanın efektif olmayan kısmı bu hesaplamaya dahil değildir. Ne kadar yüksek olursa uzunluk çapa göre o kadar fazladır. İşlenilen malzeme tipine göre değişir, istisnalar vardır ancak genelde 22:1 den yüksek olması istenir. Bu boyutlar, polimerin erimesi ve karışması için gerekli kovanda kalma süresine göre belirlenir. Elbetteki vidanın dönüş hızı da kalma süresi için bir etkendir. Ekstrüder vidası üç ana bölge veya bölüm ile tasarlanmıştır: besleme, sıkıştırma ve dozajlama bölgeleri.
Vida Besleme Bölgesi
Vidanın besleme bölgesi genelde sabit hatve ve kanal derinliğine sahiptir. Sadece malzemeyi kovan içine alma ve ileriye doğru iletme amacı taşır. Besleme bölgesinde sıcaklık nispeten düşük tutulur. Hatta soğuk tutmak için bazı uygulamalarda kovan dışındaki bir ceketten veya vida içindeki bir kanaldan soğuk su sirkülasyonu sağlanır. Böylelikle peletlerin erken eriyip boğazda birbirlerine veya vida yüzeyine yapışmaları ve girişi tıkamaları engellenir. Bu bölüm genelde 3-4 tur uzunluğundadır.
Besleme bölgesinin geri kalan uzunluğunda sıcaklık kademeli olarak arttırılır. Kovan ve vida yüzeyleri arasındaki sıcaklık gradyanı, polimerin kovan yüzeyine yapışmasını, vida yüzeyinde kaymasını ve vida döndükçe ilerlemesini en üst düzeye çıkarmasını sağlar. Buna “slip/stick effect” denir. Bu etkiyi arttırmak için bazı uygulamalarda boğaz girişinde 3-4 tur boyunca kovan iç yüzeyinde düz veya spiral kanallar bulunur. Bu kanallar kovana tutunma eğilimini arttırarak besleme performansının yükselmesine yardımcı olur.
Vida Sıkıştırma Bölgesi
Geçiş bölgesi olarak da bilinen sıkıştırma bölgesi, koni şeklinde bir köke ve giderek azalan kanal derinliğine sahiptir. Azalan kanal derinliği sayesinde malzemenin hapsolduğu hacim giderek daralır. Bu sıkıştırma peletleri bir eriyik haline getirir. Peletler sıkıştırmaya maruz kaldığında, bir tarafta birbirleri ile olan temasından diğer tarafta vida ve kovan yüzeyleri üzerindeki yüksek sürtünmeden dolayı ek ısı üretilir. Bu ısı, sürtünme ısısı olarak bilinir ve kovan dışındaki elektrikli ısıtıcılardan gelen harici ısı ile birleştirilir. Sıkıştırma bölgesi genellikle vida uzunluğunun yaklaşık yüzde 50'sidir. Sıkıştırma bölgesi, konik veya kademeli tasarım olabilir.
Vida Dozajlama Bölgesi
Vidanın dozajlama bölgesi, sıkıştırma bölümünün sonunda başlar ve vida ucunda biter. Dozajlama bölgesi, besleme ve sıkıştırma bölümlerinden daha sabit bir kesite ve daha küçük kanal derinliğine sahiptir. Bu boyutlar nedeniyle, dozajlama bölgesindeki polimer fiziksel ve termal olarak eriyiği homojenleştirmek için yoğun kesme ve karıştırmaya tabi tutulur. Polimer içindeki sıcaklık gradyanı, vidanın yüzeyinden kovanın yüzeyine 15°C’ye kadar değişebilir. Bitmiş üründeki kusurları önlemek için homojen polimer sıcaklığı kritik önem taşır. Dozajlama bölümü, polimerin ilave karıştırılmasını sağlamak için farklı karıştırıcı tipleri ile desteklenir.
Diğer Eriyik Ekipmanları
Bir ekstrüder sisteminin downstream ekipmanları kovan ve kalıp arasında bulunur ve genellikle aşağıdakilerden bir veya birkaçının birleşiminden oluşur:
Filtre Değiştirici
Filtre değiştiriciler düz plaka şeklindeki bir filtrenin kolay değişimini sağlayan ekipmanlardır. Normalde yüksek basınç altında ve sürekli çalışan bir hat içindeki böyle bir elemanı değiştirmek mümkün değildir. Filtre elemanı akışın gerçekleştiği hattın üzerinde kapalı hazne içinde olmalıdır. Filtre elemanının kullanılma nedeni proses gerekliliklerine bağlı olarak değişir. Bunun başlıca nedenleri malzemenin kirli olması veya işlem sırasında bir şekilde kirlenmesidir. Çoğu üretici kozmetik veya kalitesel nedenlerle bu kirliliğin final ürüne taşınmasını istemezler. Kirliliğin seviyesine göre filtre elemanının belli bir sıklıkta değiştirilmesi gerekir. İşte bu noktada filtre değiştiriciler devreye girer. Farklı tipteki değiştiriciler hattın durmasını gerektirmeden kirli filtre elemanının akıştan çıkarılmasını ve yeni filtre elemanının akışta yerini almasını sağlarlar ve bunu otomatik yaparlar.
Eriyik Pompası
Genellikle dişli pompa olarak ta adlandırılan eriyik pompası, sistem basıncını artırmayı, ama daha da önemlisi eriyik akışı sırasında oluşan basınç dalgalanmasını daha dar bir aralıkta stabil tutmayı amaçlayan iki dişliden ibaret bir cihazdır. İdeal bir ekstrüderin basınç dalgalanması yapısı gereği ±5 aralığında seyredebilir. Ancak eriyik pompası ile bu dalgalanma ±1 seviyesine indirilebilir. Sonuç daha stabil bir akış ve final üründe ölçüsel kararlılıktır. Bu nedenle özellikle daha ince ve daha dar toleranslara sahip ürünlerde kullanılması doğaldır.
Pompa sistemi malzeme tasarrufu sağlar, ekstrüder verimliliğini (kgh) artırır, ürünün boyutsal stabilitesini iyileştirir.
Bir pompa sisteminin birkaç ana parçası vardır; Eriyik pompası, motor, redüktör ve kontrol ünitesi gibi. Ana kontrol ve tahrik bir motor tarafından sağlanır. Kontrol ünitesi pompadan aldığı verilerle aynı zamanda dozajlamadan başlayarak tüm ekstrüder hızını kontrol eder. Pompanın giriş ve çıkış tarafından bulunan basınç sensörlerinden alınan veriler anlık olarak kontrol ünitesi tarafından işlenir ve arka tarafta bulunan ekstrüderi de regüle eder. Ekstrüder vidası gerektiğinde hızlandırılıp gerektiğinde yavaşlatılarak pompanın ihtiyacı olan malzeme akışı tesis edilir.
Statik Mikser
Adından da anlaşılacağı gibi statik bir elemandır. Hareket etmez, içindeki kanatlar dolayısıyla içinden geçen eriyiği arka arkaya birkaç kademede bölüp tekrar bileştirilerek karıştırır. 6-8-10 veya daha fazla kademeli olabilir. Farklı dizaynlara sahip tipleri vardır. Kullanılmasındaki gereklilik polimerin hafızası olmasına bağlıdır. Bir önceki adımda eriyik pompasından geçerken oluşan diş izleri final üründe düzenli enine çizgiler olarak ortaya çıkar. Bazı üretimlerde bu çizgiler çok net görülmez ancak eğer plaka termoform vakuma tabi tutulursa çizgiler daha da belirginleşebilir. Bu çizgileri ortadan kaldırmanın tek yolu pompadan sonra eriyiği tekrar karıştırmaktır.
Levha Kalıbı
Bir levha kalıbı, erimiş polimeri önceden belirlenmiş bir genişliğe ve tek tip kalınlığa yaymaya hizmet eder. Düzgün levha kalınlığı için dengeli bir kalıp gereklidir. Tipik bir polyolefin tek katlı levha kalıbı, standart coathanger tipi bir kalıptır. Bu kalıp, gözyaşı damlası şeklinde bir kesite ve yerine göre 0.025 ila 0.15 Ra yüzey pürüzlülüğüne sahip krom kaplı bir manifold kanalına; polimer akışını kalıbın tüm genişliği boyunca eşit olarak dağıtmak için dahili ayarlanabilir bir kısma barına ve esnek bir dudak takımına sahiptir.
Temel olarak bir kalıbın birkaç ana hedefi vardır. Eriyiği mümkün olan en kısa sürede kalıp içinde tutmak, polimerin akış kanalına yapışmasını önlemek, kenarlardan ve ortadan gelen polimerin yakın sürelerde kalıbı terk etmesini sağlamak (bu fiziksel olarak çok zor bir problemdir), eriyik sıcaklığını her noktada sabit tutmak, kalınlığı dudak genişliği boyunca hassas bir şekilde ayarlamak, polimerin kör noktalarda takılı kalmasını önlemek gibi.
Kalıbın farklı bölüm ve fonksiyonlarına değineceğimiz yazımızın 2’inci bölümü Haziran sayısında yayınlanacaktır.
Primdrive Mechanics
