اكسترودر و اكستروژن

اکسترودر دستگاهي است که براي شکل‌دهي پلاستيک‌هاي ترموپلاستيک در راستاي طولي شکل هندسي قطعه استفاده مي‌شود. در اين دستگاه که اساس شکل‌دهي آن Plasticating است، ماده پليمري توسط حرارت ناشي از اعمال تنش برشي(Shear Viscous Heat) و نيز انتقال حرارت جابجايي(Conduction) به دمايي بالاتر از دماي ذوب خود رسيده و قابليت شکل‌گيري پيدا مي‌کند.

خوراک گرانولي دستگاه پس از عبور از سه منطقه حرارتي به نام‌هاي Solid Conveying ، Melting يا Transition ، Metering وارد يک سطح مقطع مي‌شود که موازي جهت جريان است. نام اين سطح Die است و وظيفه شکل‌دهي پليمر مطابق با سطح مقطع نمونه را دارد. مناطق حرارتي توسط Heater ها گرم مي‌شوند و دماي آن‌ها توسط کنترلرها بر روي صفحه کنترل به همراه دماي Die نمايش داده مي‌شود.

اکسترودر از يک قيف خوراک دهي تشکيل شده که وظيفه تغذيه پيچ اکسترودر را به عهده دارد. سيلندر يا Barrel و نيز پيچ يا ماردون يا Screw نيز در ادامه آن قرار دارند. پيچ اکسترودر از مهمترين ابزارهاي آن است که وظيفه تامين Shear Viscous Heat توسط اعمال جريان Drag و نيز انتقال پليمر در راستاي محور به سمت Die را بر عهده دارد.

انواع اکسترودرها  عبارتند از:

1) اكسترودرهاي با خوراک دهی  گرم

• افزايش سريع مصرف انرژي و هزينه هاي اكسترودرهاي سرد براي قطر مارپيچ 150 ميليمتر ولي در عمل ارجحيت خيلي كمي بين اكسترودرهاي سرد يا گرم وجود دارد.
• مزاياي زير همواره براي اكسترودرهاي سرد در مقايسه با اكسترودرهاي گرم مطرح شده­ است:
• هزينه كمتر تجهيزات و عدم احتياج به ميل كردن و غيره
• كاهش هزينه­هاي كارگري
• كنترل حرارت بهتر
• كنترل ابعادي بهتر
• قابليت كار با محدوده وسيعي از انواع تركيبات لاستيكي.
• در يك اكسترودر سرد براي جبران و خنثي كردن افزايش درجه حرارت كه ناشي از طولاني بودن زمان ماندگاري (Residence times) يك مخلوط در آن مي­باشد كنترل درجه حرارت بهتري لازم  دارد. در حاليكه اين زمان در اكسترودرهاي گرم كوتاه بوده و چنين مشكلاتي را ايجاد نمي­كند.
• ميزان خروجي در اكسترودر و همچنين ميزان تورم محصول در درجه اول بستگي به فشار از قسمت سره و درجه حرارت مواد دارد. در اكسترودر گرم با داشتن زمان كوتاه ماندگاري امكان كنترل دقيق درجه حرارت تحت شرايط ناپايدار تغذيه اكسترودر محدود مي­باشد. يكنواختي فرايند كار كه در اكسترودرهاي سرد وجود دارد ، اصلي­ترين امتياز آن به شمار مي­رود. در مواردي كه نياز به استفاده مداوم بدون وقفه از اكسترودر باشد و يا پروسس تعداد محدودي آميزه لازم باشد اكسترودرهاي سرد ترجيح داده مي­شوند در صورتي كه تنوع و كار كوتاه مدت مد نظر باشد اكسترودرهاي گرم از امتيازات و ويژگي­هاي بهتري برخوردارند.

2) اكسترودرCavity transfer mixer یا CTM

• اين ابتكار شكل يك مارپيچ و بدنه يك اكسترودر معمولي را ندارد و با خود مزيت اضافي دوباره سازي(Retrofitting) را نيز به همراه دارد. اين دستگاه بر اساس تقسيم و تغيير جهت جريان آميزه و در نتيجه ايجاد اختلاط توزيعي تصاعدي (Exponential distributive Mixing) كار مي­كند. اين ميكسر در شكل 2-2 نشان داده شده است در آن مبادله مواد ميان حفره­هاي نيم­كره­اي كه در هر دو قسمت مارپبيچ و استوانه تعبيه شده است صورت مي­گيرد. CTM ها با 3 تا 6 رديف محيطي حفره براي دادن كيفيت بالايي از يكنواختي در دما و تركيب مخلوط ديده شده­اند.

3) اكسترودرهاي منفذ دار:

• قسمت اول اكسترودر منفذدار يك اكسترودر سرد است، در پايان قسمت اوليه، مواد به يك سدي با يك شكاف اكسترود مي­شود و از ميان يك قسمت كه فشار آن كم است عبور مي­كند اين قسمت داراي عمق زياد است در اين نقطه تحت فشار تخليه هوا قرار مي­گيرد اين كار معمولاً با پمپ وكيوم انجام مي­شود. اگر بخارات و گازهاي متصاعد مشكوك به سمي باشند، يك سيستم صافي بايد مورد استفاده قرار گيرد. در قسمت آخر اكسترودر، باز هم فشار جهت غلبه كردن بر مقاومت داي در نظر گرفته شده است.

تقسیم بندی اکسترودرها بر حسب نوع کاربری:

با توجه به گوناگوني كاربرد اكسترودرها در بخش هاي مختلف توليدي ميتوان اكسترودرها را بر حسب نوع كاري كه انجام ميدهند بصورت زير تقسيم بندي مي شود:

1. مخلوط كننده (اختلاط-همگوني وانتقال ماده پليمري)
2. مذابي (انتقال- همگوني ماده مذاب تغذيه شده)
3. خميري كننده (تراكم-ذوب وانتقال ماده جامد تغذيه شده)
4. گاز زدا (تراكم-ذوب-انتقال وجداسازي گازها- اجزاي فرار- بخارات و مونومرهاي واكنش نيافته از ماده پليمري)
5. گاز دهنده (تراكم - ذوب- انتقال و تزريق گاز فشرده در مذاب مثلا براي توليد اسفنج هاي ترموپلاستي)
6. واكنشي (انجام واكنشهاي شيميايي- همگوني وانتقال ماده مثلا براي توليد اسفنج هاي پلي يورتان)

اكسترودهاي خميري كننده

اكسترودرهاي خميري كننده را مي توان از نظر ساخت واحد خميري كننده با توجه به شكل به شاخه هاي مختلفي تقسيم نمود. منظور از واحد خميري كننده آن قسمت از اكسترودر است كه در آن ماده پليمري نرم- فشرده وسپس به جلو منتقل مي گردد.در ميان انواع اكسترودرهاي مارپيچي به دليل اهميت اقتصادي و موارد استعمال فراواني ، مهمترين نوع اكسترودرهاي خميري كننده محسوب ميشود.
اكسترودهاي مارپيچي خود به دو شاخه اصلي يك ويا چند مارپيچ تقسيم ميشوند. اكسترودرهاي يك مارپيچه را ميتوان بر حسب نحوه ايجاد گرماي لازم براي ذوب پليمر موجود در اكسترودر به دو گروه آتوترم(Autotherm) و پلي ترپ(Polytrop) تقسيم بندي نمود .
اكسترودر آتوترم(Autotherm):اكسترودرهايي ميباشند كه گرماي لازم براي ذوب پليمر را توسط تبديل انرژي مكانيكي به انرژي گرمايي در خود اكسترودر ايجاد نمايد.
اكسترودر پلي ترپ(Polytrop) : اكسترودرهايي ميباشند كه گرماي لازم براي ذوب پليمر را هم توسط تبديل انرژي مكانيكي به انرژي گرمايي در خود اكسترودر وهم توسطالمنت هاي گرمايي ديواره سيلندر ايجاد نمايد.

يك اكسترودر خميري كننده مارپيچي بايد موارد زير را دربرداشته باشد :

1. داخل كشيدن و انتقال ماده پليمري
2. تراكم -تبديل و ذوب ماده (تغيير فاز از جامد به مذاب)
3. تشكيل پروفايل فشار جهت برطرف سازي مقاومت ها و خروج پيوسته و يكنواخت مذاب از دريچه اكسترودر

عمليات حرارت دادن،شكل دادن و خنك كردن ممكن است(مانند توليد لوله به روش اكستروژن) به دنبال يكديگر وبدون وقفه ( continuous )انجام شود ويا ممكن است طي مراحلي ناپيوسته، زمانگير و تكرار شونده (مثل عمليات توليد تلفن خانگي به روش قالبگيري ترزيقي ) صورت مي پذريد كه در اكثر موارد، فرايند به طور خودكار انجام شده براي توليد انبوه بسيار مناسب است. طيف وسيعي از روشهاي شكل دهي براي پلاستيك ها و پليمرهاي شكل پذيركاربرد دارد. دربسياري از حالات انتخاب روش به چگونگي شكل نهايي قطعه و گرما نرم يا گرماسخت بودن ماردون بستگي دارد. بنابراين در عمليات طراحي ، آگاهي طراح از روش هاي متنوع شكل دهي ، حائز اهميت است زيرا اشكال ناجور و نامناسب قطعه و يا مسايل جزئي كار طراحي ، ممكن است محدوديت هايي در انتخاب روش قالبگيري براي طراح ايجاد كند.