Plastik Ekstrüderlerinde Malzeme Akışı

Abstract

En temel birim olan monomerlerin kimyasal bağlarla bir araya gelmesi sonucunda polimerler(yani plastikler) meydana gelir. Plastik malzemeler kendi aralarında çeşitli kriterler dikkate alınarak muhtelif sınıflara ayrılırlar ki en yaygın olan kriter işleme esasıdır. Bu sınıfta termoset ve termoplastik olmak üzere iki grup mevcuttur ve termosetler bir kere şekil verilebilen malzemeleri, termoplastikler ise şekil verme esnasında kimyasal değişikliğe uğramama özelliğine sahip malzemeleri ifade ederler. Ekstrüzyon, plastik malzemenin basınç altında kafadan geçirilmesi ve soğutma ve ısıtma sistemleriyle şekil verilmesi işlemidir. Kafada şekil verme işlemi de prosesin bir parçasıdır. Genelde malzemenin kafadan geçerken tamamen plastize olduğu ve kafanında bu işlem sırasında malzemenin soğumasına neden olmayacak sıcaklığa sahip olduğu kabul edilir. Kafadan geçen malzeme miktarı uygulanan basınca, akışın uniformluğuda kafanın şekline bağlıdır. Akış, malzemenin kayma karakteristiklerine bağlıdır. Bu sebeple çeşitli değişiklikler yaşanabilir. Malzeme sabit bir viskoziteye sahip ise yani kayma gerilmesi ile kayma hızı arasındaki oran sabit ise Newtonien bir malzemedir. Fakat bir çok malzeme karakteristik yapıları dolayısıyla Newtonien değildirler. Malzemenin viskozitesi, kayma kuvvetlerinin miktarı ve süresine bağlı olarak değişmektedir. Ekstrüder, ekstrüzyon prosesinde eriyik ile beslenen ve dizayn ile operasyon açısından başarılı bir sistemdir. Bu tür makinalar temel olarak sabit ve kontrol edilebilir hızda, uniform sıcaklıktaki plastize olmuş malzemenin sürekli olarak temininde kullanılırlar. Genelde tek vidalı ekstrüderler kullanılmakla beraber yakın tarihte çift ve çok vidalı makinaların kullanımı da yaygınlaşmıştır. Diğer özel tip ekstrüderler, özel uygulamalar için karakterize edilmiş ve üretilmişlerdir. Vidalı ekstrüderler, sürüklenme akış prensibine göre çalışırlar. Ekstrüderlerin besleme, eritme ve plastikleştirme ile ölçme bölgeleri mevcuttur. Her bir bölge, plastikleştirme işleminde görevini yerine getirebilmesi için ayrı vida konfigürasyonuna sahiptir. Besleme bölgesi, plastik granüllerinin besleme ağzından malzemenin erimeye başladığı bölgeye doğru iletilmesini temin eder. Besleme bölgesi ile ölçme bölgesi arasındaki geçiş bölgesinde, granüller, ısıtılan kovanla oluşan temas ile yumuşamaya ve erimenin hızlanması için sıkıştırılmaya başlanır. Uygun çalışma şartlan altında ölçme bölgesine girişte vida kanatlan arası ergimiş plastikle doludur. Ölçme bölgesi, vida hızının belirlediği belirli bir hızda eriyiği ötelemeye yarar. Plastik malzeme vida içinde ilerlerken, şu mekanizmaya bağlı olarak erir. Önce kovan duvarında ergimiş plastikten ince bir film oluşur. Vida döndükçe bu film yırtılır ve ergimiş plastik vida kanatlarının ön yüzüne doğru hareket eder. Bu eriyik vida dibine ulaştığında tekrar süpürülür ve vida kanatlan önünde dönerek ilerlemeye devam eder. Katı plastik granüller içeren vida kanatlan dönme hareketiyle bunları eriyik içine doğru süpürür. Vidanın dönmesiyle malzeme kovan boyunca ilerler ve kanatlar arasında tamamen eriyik oluşuncaya kadar katı malzemeler eriyiğin içine doğru süpürülür. Vida kovan içinde dönerken, plastiğin kovan veya vidaya yapışması hareketi oluşturur. Bu teoride iki tane ana durum mevcuttur. İlki plastiğin sadece vidaya yapışması ve vida ile malzemenin kovan içinde katı bir silindir gibi dönmesidir ki bu durumda üretim sıfır olacağından ve istenmeyen bir durum meydana gelir. Diğeri malzemenin vida üzerinde kayması ve kovan içindeki dönüşe karşı yüksek bir mukavemeti olmasıdır ki bu da eriyiğin aksiyal olarak hareketini meydana getirir ve ideal durumdur. Pratikte, malzeme bu iki durum arasında bir konumdadır. Hem vidaya hem de kovana yapışır. Bu durumda üretim, dönen vida ile sabit kovan arasında oluşan sürüklenme akışıyla meydana gelir. Bu da vida boyunca var olan basınç gradyeninden dolayı oluşan akışı dengeler. Yüksek basınç, ekstrüderin en sonunda gerçekleştiğinde basınç akışı üretimi düşürecektir. Ayrıca vida kanatlan ile kovan arasındaki boşluk, üretimin azalmasına neden olacak kaçak akışa da sebebiyet verecektir. Vida aşındıkça doğal olarak bu kaçak daha kötü bir duruma gelecektir. Isıtma ve soğutma sistemleri de erime işleminde önemli rol oynar. Yüksek kapasiteli makinalarda malzeme kovan içerisinden çok hızlı geçecek ve erime için gerekli ısı, kayma hareketiyle meydana gelecektir ve dışarıdan ısıtmaya gerek kalmayacaktır. Bu durumda dış soğutma eğer malzeme fazla ısınıyorsa çok önemlidir. Bazı özel durumlarda vidanın kendisi de soğutulabilir. Bu doğrudan eriyik sıcaklığım etkilemek için değil vida ile plastik arasındaki sürtünme kuvvetini en aza indirmek için kullanılır.

Polymers, known as plastics, are formed by chemical bonds of monomers. When plastic materials are classified, some criteria's such as process, physical and chemical properties, structure or usage are taken into consideration. (Fig. 1) Classification for process has two groups as thermosets and thermoplastics. Thermosets are not only the materials which can be shaped only once, but also thermoplastics has no any chemical changes during shaping. 1. Chemical Properties a. Organic b. Inorganic 2. Structure a. Homopolymer b. Copolymer c. Terpolymer Classification of 3. Process a. Thermoplastic materials Polymers b. Thermoset plastics 4. Usage a. Plastics b. Fibers c. Coats d. Adhesives 5. Physical Properties a. Amorphous b. Crystalline c. Semi-crystalline Fig.l Classification of polymer chains according to various criteria Plastic extrusion is a process for producing mass of polymer compound, forcing it under pressure through a shaping die, and subsequently setting the shape by means of a cooling and shaping system. The shaping process in the die is the key part of the process. It is assumed that the material has been completely plasticized or melted in the die and the die is at a temperature that will not cause cooling of the material. What is of interest is how much material will flow through the orifice in response to an applied pressure and how uniform the flow will be in various part of die. In the case of plastics in the melt condition, the stress applied is pressure, and the response is continuous deformation and flow. The flow is dependent on the shear characteristic of the material, and this response can be several types. XVI Hopper Fixed plate Shearing zone Heater Die Pressure profile Fig. 2 Diagram of an elastic melt extruder. Extrudate Fig. 3 Diagram of a gear pump extruder The extruder is the melt-supply unit in the extrusion process, and the design and operation of it is a key element in a successful system. The function of the machine is XVll to generate a supply of plasticated material with uniform temperature an the composition at a constant and controllable rate. The majority of the extruders in current use are single-screw machines. Twin-screw and other multiple-screw machines are a more recent development. Other special extrusion devices such as elastic melt extruder(Fig.2) and gear pumps(Fig. 3) have been studied and characterized for the special application for which they are suited. The screw-pump extruder operates on the principle of drag flow. Extruders have three different zones: feed section, the melting and plasticating section and the metering section. Each of these zones has a different screw configuration in order to perform its role in the plasticating process. The feed section conveys plastics granules of powder from the feed throat of the machine to the region where material begins to melt. The transition section between the feed section of the screw and the metering section is the region where the plastics granules are softened by contact with the heated barrel of the machine and compressed to improve the melting of the resin. Under proper operating conditions the melt pool will completely fill the screw flutes at the point of entry into the metering section of the screw. The metering section pumps the melt out at a controlled rate determined by the screw speed.(Fig.4) Powder or granules Extrudate Fig.4 Schematic view of single screw extruder. As the plastic moves along the screw, it melts by the following mechanism. Initially a thin film of molten material is formed at the barrel wall. As the screw rotates, it scrapes this film off and the molten plastic moves down the front face of screw flight. When it reaches the core of the screw it sweeps up again, setting up a rotary movement in front of the leading edge of the screw flight. Initially the screw flight contains solid granules but these tend to be swept into the molten pool by the rotary movement. As the screw rotates, the material passes further along the barrel and more solid material is swept into the molten pool until eventually only melted material exists between the screw flights. XVUl As the screw rotates inside the barrel, the movement of the plastic along the screw is dependent on whether or not it adheres to the screw and barrel. In theory there are two extremes. In one case the material sticks to the screw only and therefore the screw and the material rotate as a solid cylinder inside the barrel. This would result in zero output and is clearly undesirable. In the second case, the material slips on the screw and has a high resistance to rotation inside the barrel. This results in a purely axial movement of the melt and is the ideal situation. In practice the behavior is somewhere between these limits as the material adheres to both the screw and the barrel. The useful output from the extruder is the result of a drag flow due to the interaction of the rotating screw and stationary barrel. This is equivalent to the flow due to the pressure gradient which is built up along the screw. Since the high pressure is at the end of extruder the pressure flow will reduce the output. In addition, the clearance between the screw flights and the barrel allows material to leak back along the screw and effectively reduces the output. This leakage will be worse when the screw becomes worn. The external heating and cooling on the extruder also plays an important part in the melting process. In high output extruders the material passes along the barrel so quickly that sufficient heat for melting is generated by the shearing action(Fig. 5) and the barrel heaters are not required. In these circumstances it is the barrel cooling which is critical if excess heat generated in the melt. In some cases the screw may also be cooled. This is not intended to influence the melt temperature but rather to reduce the frictional effect between the plastic and the screw. In all extruders, barrel cooling is essential at the feed pocket to ensure an unrestricted supply of feedstock. Plate moving with velocity, V Fixed plate Fig. 5 Diagram for simple shear for a Newtonian fluid between parallel plates The thermal state of the melt in the extruder is frequently compared with two ideal thermodynamic states. One is where the process may be regarded as adiabatic. This means that the system is fully insulated to prevent heat gain or loss from or to the XIX surroundings. If this ideal state was to be reached in the extruder it would be necessary for the work done on the melt to produce just the right amount of the heat without the need for heating or cooling. The second ideal case is referred to as isothermal. In the extruder this would mean that the temperature at all points is the same and would require immediate heating or cooling from the barrel to compensate for any loss or gain of heat in the melt. In practice the thermal processes in the extruder fall somewhere between these ideals. Extruders may be run without external heating or cooling but they are not truly adiabatic since heat losses will occur. Isothermal operation along the whole length of the extruder can not be envisaged if it is to be supplied with relatively cold granules. However, particular sections may be near isothermal and metering zone is often considered as such for analysis.