Tek vidalı ekstruderlerin performans tespiti ve ideal vida tasarımı
Determination of performance of single-screw extruders and design of ideal screw
Yazar: MUSTAFA FATİH ERGİN
Danışman: PROF. DR. İSMAİL AYDIN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Deney tasarımı = Experimental design ; Ekstrüder = Extruder ; Kopolimerler = Copolymers ; Malzeme bilimi = Material science ; Reoloji = Rheology

Özet:
Plastik endüstrisinde kullanılan vidalı ekstrüzyon prosesi, plastik malzemenin vida-kovan çeperlerinde yoğrulması ve eritilmesi ile basınç altında kalıptan geçirilerek şekil verilmesi işlemidir. Plastik malzeme; soğumasına neden olmayacak sıcaklığa sahip olduğu kabul edilen kalıptan çıkarken, tamamen plastize olmuştur.
Ekstrüzyon prosesinden elde edilen verimin artırılması bu alandaki çalışmalar için motive edici faktör olmuştur. Bu amaçla genelde sabit ve kontrol edilebilir hızda, üniform sıcaklıkta plastize olmuş malzemenin sürekli olarak elde edilmesinde kullanılan vidalı ekstruderlerin geliştirilmesi çalışmaları daima devam etmiştir ve günümüzde de güncelliğini korumaktadır. Oysa vidalı ekstruder makinası içinde yer alan "motor-redüktör-besleme-vida ve kovan" sistemi için "çalışan, başarılı bir kapalı analitik çözüm" maalesef henüz mevcut değildir. Sistem oldukça karmaşıktır ve bu sistem içinde muhatap alınan "malzemenin, kendisine mahsus işlenebilme proses koşullarında gösterdiği vida-kovan çeperlerindeki karakteristik davranışı" ekstruder veriminin artırılmasında çalışılması gereken temel konudur. Daha net deyimle; "ekstruderlerde malzemenin kalma süresinin, reolojik akışının ve erime mesafesinin tespiti"önemlidir. İşte bu Tez; bu konuyu amaç edinmiştir. Vida yapısı olarak da "tek vidalı ekstruder sistemi" ele alınmıştır. Bu amaçla; çalışma süresince kullanılan ekstruder; katı taşıma, erime ve aktarma bölgeleri olmak üzere değerlendirilmiştir. Plastikleştirme görevinin yerine getirebilmesi için ayrı vida konfigrasyonlarına sahip olan her bir bölgedeki malzeme akışının tespit edilmesi amacıyla özel bir ekstruder tasarlanmıştır.
Model malzeme olarak; polimerlerin özellikle termoplastiklerin sergiledikleri Carreu - Yassuda Model Genelleştirilmiş Newtonian reolojik akış karakteristiği gösteren üç farklı kopolimer kullanılmıştır. Bu malzemelerin Carreu - Yassuda Modeli'ne uyumu bu Tez kapsamında tespit edilmiştir. Ayrıca kalma süresi denemelerinde belirteç malzeme olarak akış özelliklerini etkilemeyecek ve dışarıdan bakıldığında kolaylıkla belirlenebilecek strafor malzeme kullanılmıştır.
Bu tez çalışmasında kullanılan ekstrelerin kovanı ısıl şoklara dayanımlı şeffaf camdan oluşmaktadır. Böylece çalışılan malzemenin reolojik akışı ve dolayısıyla (katı taşıma, erime ve eriyik taşıma olmak üzere) tüm pratikleştirme prosesi açıkça görülebilmiş ve fotoğraf makinesi veya kamera kullanılarak transparan cam kovan ardından kayıt yapılabilmiştir. Tezin "görsel inceleme" kısmını oluşturan bu deneysel çalışmalar kapsamında; katı yatak profili (X/W), üst eriyik filmin ve eriyik havuzunun şekil almış pozisyonları, katı yatak kırılması (ayrışması) ve gecikme bölgesi büyük bir hassasiyetle gözlemlenmiş ve proses değişkenlerine bağlı olarak tespit edilerek ölçülmüştür. Böylece ekstrüzyon prosesinin dinamik özellikleri, katı taşıma, katı bloğun kırılma prosesi, katının kırılan parçalarının eriyerek yok olması aşamaları ayrıntılı olarak gözlemlenerek ilgili veriler kaydedilmiştir.
Tez'in "optimizasyon" çalışması Minitab optimizasyon paket programı kullanılarak iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada, ekstruder için en uygun proses koşulları belirlenmiştir. İkinci aşamada ise deneysel çalışmalardan elde edilen "malzemelerin kalış süresi", "ekstruder içerisinde malzemelerin erime mesafesi" ve "viskozite" değerleri kullanılarak herhangi bir ekstruder vida-kovan sistemi için gerekli olan tasarım kıstaslarının elde edilebilmesi mümkün olmuştur.
Ayrıca çalışmada; herhangi bir polimerin ortalama kalış süresi, reolojik model ve malzemenin erime mesafesi açısından ne tür bir ideal bir vida geometrisi oluşturabileceği sonuç olarak gösterilmektedir.

Abstract:
Screw extrusion process used in plastic industries is a forming process where plastic material is kneaded and melted and then passed through a mould under a defined pressure. Plastic material is completely plasticised while leaving the mould which is supposed to have enough temperature not to let the material to get solidified.
Main motivation for the current studies in the field of extrusion process has become the increasing of yield (output). For this purpose, the studies performed for the development of screw extrusion process used to obtain plasticised material at a uniform temperature and a controllable constant speed continued and is still continuing. On the other hand, unfortunately, there is no "successfully working closed form analytical solution" for the extrusion process composed of "motor-gearbox-feeder-screw and barrel" component parameters. The process is enormously complicated and the characteristic behavior of material within the boundaries (walls) of screw-barrel system under specified processing conditions necessary for the shapability of that material is the basic subject to be studied. In another clear word, "the determination of residence time distribution, rheological and melting distance behaviors of materials while extruding" is important. That is the aim of this Thesis. "Single screw extruding system" is taken into consideration within the content of the screw structure. For this purpose, the extruder used throughout this Thesis is evaluated under "solid conveying", "melting" and "melt conveying (pumping)" sections (zones). A special extruder is designed to detect the flow of materials in each zone that has separate screw configurations so that the plasticizing task can be performed.
Three different types of ethylene vinyl acetate copolymers (EVA) was used as the model material, which exhibits a Carreu - Yasuda Model generalized Newtonian rheological behavior as shown mainly by various thermoplastic polymers. In addition, strapor (EPS) which will not affect the flow properties as marking material in the residence time experiments and which can be easily visualized from the outside of the transparent barrel is preferred.
A special extruder was designed for the determination of material flow at each zone which had different screw configurations in order to achieve plastication. The barrel of this extruder used throughout this study is composed of a transparent glass barrel which is resistant to thermal shocks. Hence, rheological flow of studied material and the whole plastication process (including solid conveying, melting and melt conveying) could be clearly observed and the process was enabled to be recorded behind the transparent barrel by means of cameras. Within the scope of these experimental studies which constitute the "visual inspection" part of the thesis a solid bed profile (X/W), speed of solid bed (Vsz), the positions of upper melt film and melt pool and especially the position of solid bed breakup were observed with a high sensitivity and the experimental values were recorded for further perusal. These studies constituted the "physical modeling part" of this Thesis. Hence, dynamical properties of extrusion process which are solid transportation, the breakup process of solid bed and disappearance of broken up pieces of solids by melting were recorded and reported within the physical modeling part of the Thesis.
In the "optimization part" of this study, Minitab optimization package program was implemented in two stages. At the first stage, the most suitable process conditions for the extruder have been determined.In the second stage, it was possible to obtain the design criteria required for any extruder screw-barrel system by using the "residence time distribution", "melting distance of materials in extruder" and "viscosity" values obtained from experimental studies.
Furthermore, it is clearly shown in the current study that any polymer can make an ideal screw geometry in terms of mean residence time, rheological model and melting distance of the material.