Extruderek működése és jellemzői

• Az extrúzió célja a hőre lágyuló polimerekkel való munka megismertetése.
• Az extrúziós gyakorlat során egyféle alapanyagból rúd alakú terméket állítanak elő és granulálnak.
• A gyártás során az extrudálási paraméterek tömegáramra gyakorolt hatását vizsgálják.

Bevezetés az extrúzióba

• Az extrúzió a polimerfeldolgozás hatékony és jelentős technológiája.
• Az eljárás során a polimert az extruderben forgó csiga segítségével folytonos üzemben ömledék állapotba hozzák.
• Az ömledéket nyomás alá helyezik, homogenizálják, majd adott keresztmetszetű szerszámon átpréselik.
• A méretpontosságot biztosító (kalibráló) berendezés lehűti a terméket, így állandó keresztmetszetű polimer termék készül.
• A lineáris polimerekből készülő termékek 40%-a extrúziós eljárással készül.
• A termék 3 dimenziós kiterjedésű, egyik dimenziója végtelen (pl. cső, síklemez, fólia).
• A feldolgozás végén tekercselés vagy darabolás történik.
• Az eljárás termékgyártásra és adalékanyagok bekeverésére is alkalmas.
• Az alapanyag por vagy granulátum, amibe plusz adalékanyagokat keverhetünk.
• Adalékok lehetnek hőstabilizátorok, antioxidánsok, UV stabilizátorok, lágyítók, lángállóságot biztosító adalékok és csúsztatószerek.
• Az első extrudereket a pékek használták tésztagyártáshoz.
• Termoplasztikus polimerek feldolgozására 1935-ben készült először extruder.
• A modern egycsigás extruderek felépítése nem tér el sokat a korai típusoktól, de a csiga geometriája jelentősen módosult.
• A hőre lágyuló anyagoknak bizonyos tartózkodási időre van szükségük, hogy teljesen ömledék állapotba kerüljenek.
• A csiga méretét a hossz/átmérő (L/D) arány jellemzi, ami a korai extruderekben 3-5 volt, mára 20 körüli érték.
• Ikercsigás keverékkészítő extruderek esetén ez az érték jellemzően >40.
• A szükséges hőmennyiséget fűtőpalástokkal biztosítják a hengerfal körül.

Az extrudercsiga szakaszai

• Az extrudercsiga három szakaszra bontható: behúzó, kompressziós és homogenizáló szakasz.
• Különleges igények esetén további szakaszok is beiktathatók (pl. gáztalanító szakasz).
• A behúzó szakasz feladata a szilárd anyag szállítása a kompressziós szakasz felé.
• Egycsigás extruderek esetén fontos, hogy a csiga és polimer között kisebb legyen a súrlódás, mint a henger és a polimer között.
• Ikercsigás extruderek esetén a két csiga menetszárnyai egymás menetárkába nyúlnak.
• A forgásirányuk menetenként ellentétes (szemben forgó), zárt térfogatban továbbítják az anyagot, azaz kényszerszállítást végeznek.
• Ha a csigák forgásiránya azonos (együtt forgó), nem alakul ki zárt térfogat, de a szállítóteljesítmény így is megfelelő.
• A kompressziós szakasz kettős funkcióval bír: az anyag megömlesztése és megfelelő nyomás (30-100 bar) biztosítása.
• A megömlés folyamata a meleg hengerfallal érintkező anyagrészecskékkel kezdődik.
• A nyomás és a csigaforgás cirkulációs áramlást hoz létre, ami gyorsítja a polimer megömlesztését.
• A kompressziós zóna a nyomást háromféle módon növeli: magátmérő növelésével (magprogresszív), menetemelkedés szögének csökkentésével (szögdegresszív) vagy a menetszárny szélességének növelésével.
• A kompressziós arány a csiga kompressziós szakasza előtti és utáni menetárokmélységének aránya.
• Értéke a feldolgozandó anyagtól függően 1,75:1 - 3:1 között van.
• Az így létrejövő nyomás 30-100 bar nagyságrendű, a nyomáseloszlás a csigakialakítástól függ.
• A nyomás szükséges az anyag szerszámon történő átsajtolásához és a levegő eltávolításához az anyagrészecskék közül.
• Ha ez nem elég, gáztalanító extruder/kigázosító zóna alkalmazása javasolt.
• A homogenizáló szakasz célja a homogén adalékanyag- és hőmérsékleteloszlás elérése.
• A hőmérséklet az anyag hengerrel érintkező felületének közelében nagyobb, attól távolabb kisebb.
• A homogenizáló szakaszban a csigát keverő elemekkel látják el, amik kényszeráramlásokat hoznak létre és megtörik az ömledék útját.

Az extruder szállító-teljesítménye

• Az extruder szállító-teljesítménye a térfogatárammal kifejezve: Ve = Vs - Vt - Vr.
• Ahol Ve az eredő térfogatáram, Vs a sodróáram (szállítást végzi), Vt a torlóáram (sodróárammal ellentétes), Vr a résáram (illesztési hézagból ered).
• Az extrudercsiga és a henger közötti „játék” csekély (0,002 D és 0,005 D között).
• A rést viszkózus polimer ömledék tömíti, illetve keni a forgás közben.
• Először a résáramot hanyagolhatjuk.
• A sodróáram modellje szerint az áramlás két síklemez között jön létre, ahol az egyik lemez (csiga magja) vo kerületi sebességgel mozog.
• A sodróáramlás a csigamag és a hengerfal között jön létre, úgy, hogy a csiga magja vo kerületi sebességgel forog.
• A sodróáramlás elsősorban a csigacsatorna méretétől és a fordulatszámtól függ.
• A torlóáramlás az extruderen lévő fojtásból (nyomásesésből) ered, amit a szerszám és az áramlás útjában lévő alkatrészek okoznak.
• Az ömledékáramlás nagymértékben függ az alapanyag viszkozitásától is.
• A számítását newtoni-folyadékot feltételezve, az ömledékek résben való áramlását leíró Hagen-Poiseuille összefüggésből származtatjuk.
• A két térfogatáram arányát a csiga zártsági foka (a) jellemzi, ami a torló- és a sodróáramok hányadosa.
• Ha a = 1, az extruder eltömődött, ha a = 0, az extruder teljesen nyitott. Kb. 0,3-0,7 közötti érték esetén számíthatunk megfelelő keveredésre és kihozatalra.

Extruderszerszámok és segédberendezések

• Az extrudercsiga után a kör-keresztmetszetű polimer anyagáramot bármilyen keresztmetszetűvé alakíthatjuk.
• A végtermék formáját az extruderszerszám végzi.
• Az extruder és a szerszám között kiegészítő alkatrészeket is találhatunk.
• Az ömledék távtartó tárcsán vagy törőtárcsán (breaker plate) és ömledékszűrőkön halad át.
• A távtartó tárcsa pozícionálja a szerszámot, hogy az ömledék áramlása egyenletes legyen.
• A törőtárcsa plusz nyíró igénybevételt jelent, amivel jobb homogenizálás érhető el
• Ömledékszűrőt alkalmaznak a szennyeződések eltávolítására.
• Egyes szerszámok esetén további nyomásfokozásra van szükség, amit fogaskerék szivattyúval érnek el.
• A szerszámkialakítás során figyelembe kell venni a polimerek viszkoelasztikus karakterét.
• A valós polimerömledékben a newtoni folyadékoktól eltérő áramlási viszonyok lépnek fel.
• A szerszámot elhagyó ömledék átmérője növekszik a polimer rugalmas viselkedése miatt.
• Ez a növekedés változtatja a termék keresztmetszetét. A duzzadás mértéke csökkenthető a hőmérséklet és a tartózkodási idő növelésével, valamint a molekulatömeg csökkentésével.
• A lehűtés során befagyott feszültségek később eltérő relaxációs jelenségeket okozhatnak.

Fontosabb szavak

• Csiga - Screw (Angol) - e Schnecke (Német)
• Deformáció komponens - Deformation component (Angol) - e Deformáció komponente (Német)
• Extrúzió - Extrusion (Angol) - e Extrusion (Német)
• Fólia - Foil (Angol) - e Folie (Német)
• Viszkozitási tényező - Coefficient of viscosity (Angol) - r Viskositätsfaktor (Német)
• Szerszám - Die (Angol) - s Werkzeug / e Form (Német)
• Ömledék - Melt (Angol) - r Schmelz (Német)