Plastik ekstruzyonu

Plastik ektruzyon ham plastiğin eritildiği ve sürekli bir profil olarak şekillendirildiği yüksek-hacımlı bir üretim prosesidir. Ekstruzyon ile boru/hortum, plastik fitil, çit, güverte korkuluğu, pencere profili, plastik filmler ve tabakalar, termoplastik kaplamalar ve kablo yalıtımı gibi ürünler üretilir.
Bu işlem, bir huniden plastik malzemenin (peletler, granüller, pullar veya tozlar) ekstrüderin haznesine beslenmesiyle başlar. Malzeme vida döndürülerek üretilen mekanik enerji ve plastik ocağı boyunca düzenlenmiş ısıtıcılar ile kademeli olarak eritilir. Erimiş polimer daha sonra polimeri soğutma sırasında sertleşecek bir şekle sokan bir kalıba basılır.
Proses
Plastiklerin ekstrüzyonunda hammadde, genellikle üstteki huniden ekstrüderin ocağına yerçekimi ile verilen granül (küçük boncuklar genellikle reçine olarak adlandırılır) şeklindedir. Renklendiriciler ve UV inhibitörleri (sıvı veya pelet formunda) gibi katkı maddeleri de sıklıkla kullanılır ve hazneye ulaşmadan önce granülle karıştırılabilir. Prosesin ekstrüder teknolojisi açısından plastik enjeksiyonla kalıplama ile pek çok ortak yanı vardır ancak sürekli işlem olmasıyla ondan farklıdır.
Malzeme verme boğazından (ocağın arkasına yakın bir delik) girer ve vida ile temas eder. Dönen vida (normalde örneğin 120 devir/dakda döner) plastik granülleri ısıtılmış kovana doğru iter. İstenilen ekstrüzyon sıcaklığı, viskoz ısınma ve diğer etkiler nedeniyle nadiren ocağın ayarlanan sıcaklığına eşittir. Çoğu işlemde üç veya daha fazla bağımsız PID kontrolör kontrollü ısıtıcı bölgelerinin ocak sıcaklığını arkadan (plastiğin girdiği yerden) öne doğru kademeli olarak artırdığı ocak için ısıtma profili ayarlanır. Bu ıısıtma profili plastik boncukların ocak boyunca itildikçe kademeli olarak erimesini sağlar ve polimerde bozulmaya neden olabilecek aşırı ısınma riskini azaltır.
Ekstra oluşan ısı kovan içinde oluşan yüksek basınç ve sürtünmeden kaynaklanır. Aslında ekstrüzyon hattı belirli malzemelerde yeterince hızlı çalışıyorsa ısıtıcılar kapatılabilir ve eriyik sıcaklığı yalnızca ocak içindeki basınç ve sürtünme ile korunabilir. Çok fazla ısı oluşursa çoğu ekstruderlerde sıcaklığı belirli bir değerin altında tutmak için soğutma fanları bulunur. Cebri hava soğutmanın yetersiz olduğu görülürse döküm soğutma ceketleri kullanılır.
Ocağın ön tarafında erimiş plastik vidayı terk eder ve eriyikteki kirleticileri çıkarmak için bir süzgeç paketinden geçer. Bu noktadaki basınç 34 MPa (5,000 psi) değerini aşabileceğinden süzgeçler bir kırıcı plaka (içinden birçok delik açılmış kalın bir metal disk) ile sağlamlaştırılmiştır. Elek paketi/kırıcı plaka düzeneği ayrıca ocakta geri basınç yapmaya da yarar. Polimerin homojen eritilmesi ve uygun şekilde karıştırılması için geri basınç gereklidir ve ne kadar basınç üretildiği değişen elek paketi bileşimi (elek sayısı, tel örgü boyutu ve diğer parametreler) tarafından "ince ayar yapılabilir". Bu kırıcı plaka ve elek paketi kombinasyonu ayrıca erimiş plastiğin "dönme belleğini" ortadan kaldırır ve bunun yerine "uzunlamasına bellek" oluşturur.
Kırıcı plakadan geçtikten sonra erimiş plastik kalıba girer. Kalıp nihai ürüne profil şeklini verir ve kalıp erimiş plastiğin silindirik profilden ürünün kendi profil şekline eşit şekilde akmasına uygun tasarlanmalıdır. Bu aşamadaki düzensiz akış profilin belirli noktalarında istenmeyen artık gerilmelere sahip ürüne neden olabilir ve bu da soğumaya bağlı olarak profilde sonradan eğrilmeye neden olabilir. Sürekli profillerle sınırlı olmak üzere çok çeşitli şekiller oluşturulabilir.
Ürün artık soğutulmalıdır ve bu genellikle ocaktan çıkan profilin su banyosundan geçirilmesiyle yapılır. Plastikler çok iyi ısıl yalıtkanlardır bu nedenle çabuk soğumaları zordur. Çelik ile karşılaştırıldığında plastik ısısını 2,000 kat daha az iletir. Bir hortum veya boru ekstrüzyon hattında yeni oluşan ve hala erimiş durumda olan hortum veya borunun çökmesini önlemek için ürüne kontrollü vakumda dikkatlice sızdırmaz su banyosu yaptırılır. Plastik kaplama gibi ürünler için soğutma bir dizi soğutma rulosu içinden çekilerek yapılır. Filmler ve çok ince tabakalar için havayla soğutma üflemeli film ekstrüzyonunda olduğu gibi ilk soğutma aşamasında etkili olabilir.
Plastik ekstrüderler ayrıca geri dönüştürülecek plastik atık veya diğer ham maddeleri temizlik, ayırma ve/veya harmanlamadan sonra yeniden işlemek için de yaygın olarak kullanılır. Bu malzeme genellikle daha sonraki işlemler için bir ön madde olarak kullanılmak üzere boncuk veya pelet stoğu halinde doğramaya uygun filamanlar halinde ekstrude edilir.
Vida tasarımı
Termoplastik bir vidada beş olası bölge vardır. Terminoloji endüstride standartlaştırılmadığından bu bölgelere farklı isimler verilebilir. Farklı polimer türlerinin bazıları olası tüm bölgeleri içermeyen farklı vida tasarımları olur.
Çoğu vidada şu üç bölge vardır:
Besleme bölgesi (katı madde taşıma bölgesi olarak da adlandırılır): Bu bölge plastik reçineyi ekstrüdere besler ve kanal derinliği genellikle bölge boyunca aynıdır.
Erime bölgesi (geçiş veya sıkıştırma bölgesi olarak da adlandırılır): Polimerin çoğu bu bölümde eritilir ve kanal derinliği giderek küçülür.
Ölçüm bölgesi (eriyik taşıma bölgesi olarak da adlandırılır): bu bölge son parçacıkları eritir ve homojen bir sıcaklık ve bileşime ulaştırır. Besleme bölgesi gibi kanal derinliği bu bölge boyunca sabittir.
Ek olarak delikli (iki aşamalı) bir vidada şunlar bulunur:
Dekompresyon bölgesi. Vidanın yaklaşık üçte ikisi olan bu bölgede kanal aniden derinleşir bu ise plastik basıncını azaltır ve sıkışmış gazların (nem, hava, çözücüler veya tepkiyen malzemeler) vakumla alınmasına imkan verir.
İkinci ölçüm bölgesi. Bu bölge ilk ölçüm bölgesine benzer ancak daha büyük kanal derinliği vardır. Erimiş plastiğin süzgeçlerin ve kalıbın direncinden geçebilmesi için eriyiği basınçlandırır.
Genellikle ölçülendirirken vida uzunluğunun çapına L:D oranında bahsedilir. Örneğin, 24:1'de 6 inç çapında vida 144 inç uzunluğundadır ve 32:1'de 192 inç (16 ft uzunluğunda. 25:1'lik L:D oranı yaygındır ancak bazı makineler aynı vida çapında daha fazla karıştırma ve daha fazla çıktı için 40:1 vida kullanır. İki aşamalı (havalandırmalı) vidalar ise iki ek bölgeyi hesaba katmak için genelde 36:1'dir.
Her bölge sıcaklık kontrolü için ocak duvarında bir veya daha çok termokupl veya Direnç Sıcaklık Detektörü RTD ile donatılmıştır. "Sıcaklık profili" yani her bölgenin sıcaklığı son ürünün kalitesi ve özellikleri için çok önemlidir.
Tipik ekstrüzyon malzemeleri
Ekstrüzyonda kullanılan tipik plastik malzemeler bunlarla sınırlı kalmamak üzere şunlardır: polietilen (PE), polipropilen, asetal, akrilik, naylon (poliamidler), polistiren, polivinil klorür (PVC), akrilonitril bütadien stiren (ABS) ve polikarbonat.
Kalıp tipleri
Plastik ekstrüzyonda kullanılan çeşitli kalıplar vardır. Kalıp türleri ve karmaşıklık arasında önemli farklılıklar olsa da tüm kalıplar, enjeksiyonla kalıplama gibi sürekli olmayan işlemlerin aksine polimer eriyiğinin sürekli ekstrüzyonuna imkan verir.
Üflemeli film ekstrüzyonu
Alışveriş çantası gibi ürünler için plastik film üretimi ve sürekli kaplama, şişirilmiş film hattı kullanılarak gerçekleştirilir.
Bu işlem kalıba kadar normal bir ekstrüzyon işlemiyle aynıdır. Bu işlemde kullanılan üç kalıp türü vardır: halka (veya çapraz kafa), örümcek ve spiral. Halka şeklindeki kalıplar en basit olanıdır ve kalıptan çıkmadan önce kalıbın tüm kesiti çevresinde eriyik plastiğin kanalize olmasına dayanır; bu düzensiz akışa neden olabilir. Örümcek kalıpları bir dizi "ayak" vasıtasıyla dış kalıp halkasına bağlanan bir merkezi mandrenden oluşur; akış dairesel kalıplara göre daha simetrik iken filmi zayıflatan bir dizi kaynak hattı üretilir. Spiral kalıplar, kaynak hatları ve asimetrik akış sorununu ortadan kaldırır ama açık ara en karmaşık olanlardır.
Zayıf yarı katı bir plastik hortum elde etmek için kalıptan ayrılmadan önce eriyik biraz soğutulur. Bu poşetin çapı hava basıncıyla hızla genişletilir ve poşet film silindirlerle yukarı doğru çekilerek plastiği hem enine hem de çekme yönlerinde gerer. Çekme ve üfleme filmin ekstrüde poşetin incelmesine neden olur ve ayrıca plastik molekül zincirlerini en çok görülen yönde plastik gerilime hizalar. Film şişirildiğinden daha fazla çekilirse (son poşet film çapı ekstrüde edilen çapa yakınsa) plastik molekülleri çekme yönünde hizalanır ve bu yönde güçlü, ancak enine yönde zayıf bir film oluşur. Ekstrüde edilmiş çaptan önemli ölçüde daha büyük çapa sahip film enine yönde daha fazla mukavemete sahip olacak ancak çekme yönünde daha az olacaktır.
Polietilen ve diğer yarı kristalli polimerler söz konusu olduğunda film soğudukça donma çizgisi olarak bilinen yerde kristalleşir. Film soğumaya devam ederken, birkaç set kıstırma silindiri içinden çekilerek düz bir boruya düzleştirilir bu daha sonra makaraya sarılabilir veya iki veya daha fazla tabaka rulosu halinde kesilebilir.
Levha/film ekstrüzyonu
Levha/ film ekstrüzyonu üflenemeyecek kadar kalın olan plastik tabakaları veya filmleri ekstrüzyonla yapmak için kullanılır. Kullanılan iki tür kalıp vardır: T-şekilli ve elbise askısı. Bu kalıpların amacı ekstrüderden gelen tek yuvarlak çıktıdan eriyik polimerin akışını yeniden yönlendirmek ve ince, düz bir düzlemsel akışa yönlendirmektir. Her iki kalıp tipinde de kalıbın tüm kesit alanı boyunca sabit, homojen akış sağlar.
Soğutma genellikle plastik bir dizi soğutma rulosu içinden çekilerek yapılır. Levha ekstrüzyonunda bu rulolar sadece gerekli soğutmayı sağlamakla kalmaz aynı zamanda levha kalınlığını ve yüzey dokusunu da belirler. UV emilimi doku, oksijen geçirgenlik direnci veya enerji yansıması gibi spesifik özellikler elde etmek için temel malzemenin üzerine bir veya daha fazla katman uygulamak için sıklıkla ortak- ekstrüzyon kullanılır.
Plastik levha için yaygın bir ekstrüzyon sonrası işlem plastik tabakanın yumuşayana kadar ısıtıldığı ve bir kalıp aracılığıyla yeni şekle dönüştürüldüğü termoform şekillendirmedir. Vakum kullanıldığında bu genellikle buna vakumlu şekillendirme denir. Oryantasyon (yani genelde 1 - 36 inç arasında değişen derinliklerde değişebilen, kalıba çekilecek plastik plakanın kabiliyeti /mevcut yoğunluğu) oldukça önemlidir ve çoğu plastik için döngü sürelerini büyük ölçüde etkiler.
Boru ekstrüzyonu
PVC boru gibi ekstruzyon yapılmış boru üflemeli film ekstrüzyonunda kullanılana benzeyen kalıplar kullanılarak üretilir. Pim aracılığıyla iç boşluklara pozitif basınç uygulanabilir veya doğru nihai boyutları sağlamak için bir vakum ölçekleyici kullanılarak dış çapa negatif basınç uygulanabilir. Kalıba uygun iç mandreller eklenerek ek lümenler veya delikler eklenebilir.
Çok katmanlı boru uygulamaları otomotiv endüstrisi, sıhhi tesisat ve ısıtma endüstrisi ve paketleme endüstrisinde de vardır.
Mantolama ekstrüzyonu
Mantolama ekstrüzyonu bir dış plastik tabakasının mevcut bir tel veya kablo üzerine uygulanmasına imkan verir. Bu telleri yalıtmak için de yapılan bir işlemdir.
Bir tel, boru (veya mantolama) ve basınç üzerine kaplama için kullanılan iki farklı tipte kalıp vardır. Mantolama aletlerinde polimer eriyiği kalıp dudaklarından hemen öncesine kadar iç tele temas etmez. Basınçlı alet işlemede eriyik iç telle kalıp dudaklarına ulaşmadan çok önce temas eder; bu eriyiğin iyi yapışmasını sağlamak için yüksek basınçta yapılır. Yeni katman ile mevcut tel arasında yakın temas veya yapışma gerekirse basınçlı aletler kullanılır. Yapışma istenmiyorsa/gerekli değilse bunun yerine mantolama aleti kullanılır.
Koekstrüzyon
Koekstrüzyon, birden fazla malzeme katmanının aynı anda ekstrüzyonudur. Bu tip ekstrüzyon farklı viskoz plastikleri eritmek ve malzemeleri istenen formda ekstrüde edecek tek bir ekstrüzyon kafasına (kalıp) vermek için iki veya daha fazla ekstrüder kullanır. Bu teknoloji, yukarıda açıklanan işlemlerin herhangi birinde kullanılır (şişirilmiş film, üst ceket, boru, tabaka). Katman kalınlıkları, malzemeleri ileten ayrı ekstrüderlerin nispi hızları ve boyutları tarafından kontrol edilir.
Pek çok gerçek dünya senaryosunda, tek bir polimer bir uygulamanın tüm taleplerini karşılayamaz. Bileşik ekstrüzyon, harmanlanmış bir malzemenin ekstrüde edilmesine izin verir ancak birlikte ekstrüzyon ayrı malzemeleri ekstrüde edilmiş üründe farklı katmanlar olarak tutar ve oksijen geçirgenliği, mukavemet, sertlik ve aşınma direnci gibi farklı özelliklere sahip malzemelerin uygun şekilde yerleştirilmesine izin verir.
Ekstrüzyon kaplama
Ekstrüzyon kaplama, mevcut bir kağıt, folyo veya film rulo stoğu üzerine ek bir tabaka kaplamak için üflemeli veya döküm film işlemi kullanır. Örneğin, bu işlem kağıdın özelliklerini polietilen ile kaplayarak suya karşı daha dayanıklı hale getirmek için kullanılabilir. Ekstrüde katman, diğer iki malzemeyi bir araya getirmek için bir yapışkan olarak da kullanılabilir. Tetrapak, bu sürecin ticari bir örneğidir.
Bileşik ekstrüzyonlar
Bileşik ekstrüzyon, bir veya daha fazla polimeri katkı maddeleri ile karıştırarak plastik bileşikler elde eden bir işlemdir. Beslemeler peletler, toz ve/veya sıvılar olabilir ancak ürün genellikle ekstrüzyon ve enjeksiyonla kalıplama gibi diğer plastik şekillendirme işlemlerinde kullanılmak üzere pelet formundadır. Geleneksel ekstrüzyonda olduğu gibi, uygulamaya ve istenen verime bağlı olarak makine boyutlarında geniş bir yelpazede bulunmaktadır. Tek veya çift vidalı ekstrüderler geleneksel ekstrüzyonda kullanılabilirken birleştirme ekstrüzyonunda yeterli karıştırma gerekliliği, çift vidalı ekstrüderleri zorunlu kılar.
Ekstrüder türleri
İki alt tip çift vidalı ekstruder vardır: birlikte dönen ve ters dönüşlü. Bu isimlendirme her bir vidanın diğerine kıyasla döndüğü göreceli yönü ifade eder. Birlikte dönüş modunda her iki vida da saat yönünde veya saat yönünün tersine döner; ters dönüşte bir vida saat yönünde dönerken diğeri saat yönünün tersine döner. Belirli bir enine kesit alanı ve üst üste binme derecesi (birbirine geçme) için, birlikte dönen ikiz ekstrüderlerde eksenel hızın ve karıştırma derecesinin daha yüksek olduğu gösterilmiştir. Ancak ters yönde dönen ekstrüderlerde basınç oluşumu daha yüksektir. Vida tasarımı, aşınma veya korozif hasar nedeniyle münferit bileşenlerin hızlı bir şekilde yeniden yapılandırılmasına veya tek tek bileşenlerin değiştirilmesine izin vermek için şaftlar üzerinde çeşitli taşıma ve karıştırma elemanlarının düzenlenmesi nedeniyle genellikle modülerdir. Makine boyutları 12 mm kadar küçükten 380 mm'ye kadar değişmektedir [12- Polymer Mixing by James White, pages 129-140]
Avantajlar
Ekstrüzyonun büyük bir avantajı, boru gibi profillerin herhangi bir uzunlukta yapılabilmesidir. Malzeme yeterince esnek ise, borular bir makaraya sarılsa bile uzun uzunluklarda yapılabilir. Diğer bir avantaj, kauçuk conta dahil entegre kuplörlü boruların ekstrüzyonudur.