نسبت طول به قطر سیلندر و مارپیچ

نسبت طول به قطر سیلندر و مارپیچ یک پارامتر مهم در طراحی مارپیچ اکسترودر است. مهارت های خاصی در انتخاب وجود دارد. برای انتخاب صحیح نسبت طول -قطر در اکسترودر، باید نقش نسبت طول به قطر (L/D) را در فرایند اکستروژن درک کنید. انتخاب مارپیچ اکسترودر باید با توجه به خواص مواد فرآوری شده و الزامات کیفیت محصول در نظر گرفته شود.

این پارامتر تعیین کننده زمان ماند مواد پلیمری در اکسترودر می­باشد، برای فرایند مواد حساس به حرارت ، مانند PVC ، توصیه می شود نسبت طول به قطر کوچکتری برای مارپیچ انتخاب گردد، زیرا پیچ با نسبت طول به قطر  بسیار زیاد به راحتی زمان اقامت را طولانی می کند و باعث تجزیه و تخریب موارد پلیمری حساس به حرارت می شود.

برای موادی که به دما و فشار بیشتری برای فرایند و شکلگیری نیاز دارند، مانند پلاستیک های حاوی فلور ، باید مارپیچی با نسبت طول به قطر بیشتر برای فرایند استفاده شود. هنگامی که الزامات کیفیت محصول خیلی زیاد نباشد (مانند بازیافت زباله و دانه بندی)، می توان نسبت طول به قطر کوچکتری برای مارپیچ انتخاب کرد، اما در صورتی که کیفیت بالایی مورد نظر باشد، مارپیچ با نسبت طول به قطر بزرگتر، بسیار مناسب تر است.

برای موادی با اشکال هندسی مختلف، الزامات نسبت L/D پیچ متفاوت است. به عنوان مثال ، برای مواد گرانول، به دلیل پلاستیکی شدن و دانه بندی، می توان از مارپیچی با نسبت طول به قطر کوچک­تر استفاده نمود کوچکتر انتخاب کرد. یا باید با توجه به شکل هندسی محصول این نسبت بزرگتر باشد، محدوده آن به طور کلی از 15-52 متغیر است.

در اوایل دهه 1960 ، اکسترودرها ی تولید لوله پلی اتیلن معمولاً نسبت طول/قطر 20: 1 داشتند و دستگاهی با 1:24  در گروه اکسترودرهای طولانی در نظر گرفته می شد. از آن زمان به بعد، اکسترودرهایی با نسبت طول به قطر بیشتری ساخته شد و مقادیر L/D 30:1 تا 36:1 به استاندارد صنعت تبدیل گردید. برخی از اکسترودرها حتی برای مقاصد خاصی مانند میزان خروجی مضاعف، اختلاط یا فرایند با سرعت بالا از L/D  برابر با 40:5 بیشتر می­گردد.

از آنجا که بخش تغذیه تقریباً در یک طول مشخص باقی می ماند، صرف نظر از L/D این قسمت، بقیه پیچ به ذوب و پمپاژ اختصاص داده می شود. هرچه کانال های پیچ بیشتر یا خروجی خاص (lb/rpm) بیشتر باشد، طول بیشتری برای تکمیل ذوب و ایجاد فشار لازم برای بیرون راندن پلیمر از قالب مورد نیاز است.

با این حال ، محدودیت های واقعی برای افزایش خروجی با افزایش L/D وجود دارد. معمولاً این محدودیت ها به دلیل عدم توانایی بخش خوراک در تحویل پلیمر بیشتر است. در پیچ های با قطر کوچکتر ، این محدودیت اغلب با استحکام پیچ تعیین می شود. در پیچ های کوچک فقط می توان تا حدی عمق کانال­های روی مارپیچ را افزایش داد زیرا از یک بیشتر منجر به آِسیب دیدن مارپیچ بر اثر وارد شدن تنش بر آن می­گردد.

آیا معایبی در رابطه با اکسترودرهای طولانی وجود دارد؟ برخی از پلیمرها بسیار راحت تر و سریعتر از بقیه ذوب می شوند. همچنین، برخی از فرایندها معمولاً فشار سر دای  پایینی دارند، در حالی که برخی دیگر فشار تخلیه بسیار بیشتری دارند. ویسکوزیته ذاتی بین پلیمرها بسیار متفاوت است و برخی از آنها تحت تنش شدیدا دچار افت ویسکوزیته می شوند، در حالی که برخی دیگر اینطور نیستند (یعنی بیشتر “نیوتنی” هستند). در نتیجه عملکرد پیچ در انواع L/D به جای هر L/D استاندارد بهینه می شود.

پیچ بسیار طولانی برای فرایند پلیمر می تواند خروجی را محدود کند. این محدودیت به طور کلی به عنوان دمای ذوب بیش از حد بالا ظاهر می شود که می تواند باعث شکست پلیمر ، تغییر رنگ ، از دست دادن اثر افزودنی و خارج شدن سیستم از سرویس شود. برای پلیمری که به راحتی ذوب می شود، طول ذوب در حالت ایده آل باید کوتاهتر باشد زیرا اگر ناحیه انتقال مارپیچ بیش از حد طولانی باشد، در واقع می تواند سرعت ذوب را کاهش دهد. همین امر در مورد توسعه فشار صادق است، زیرا پمپ های مذاب که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند، نیاز به ناحیه­ی سنجش طولانی مارپیچ برای رسیدن به فشار تخلیه را بسیار کاهش می دهد.

در نتیجه ، تمایل به خرید اکسترودرهای L/D طولانی تر  می تواند بر عملکرد کلی اکسترودر تاثیر بگذارد. گروه­های تولید کننده­ی اکسترودرهای خاص ممکن است مجبور شوند با این واقعیت زندگی کنند که هرگز نمی دانند در سال آینده چه خواهند کرد. یک دستگاه اکسترودر بلندتر دارای انعطاف پذیری ذاتی بیشتری نسبت به یک دستگاه کوتاهتر دارد. اما اگر یک فرآیند اختصاصی دارید، ممکن است با یک اکسترودر بسیار طولانی محدودیت هایی برای فرایند تولید محصول خود اعمال کنید.

پیچ های دو مرحله ای با افزایش L/D سود بیشتری می برند زیرا حدود 4 تا 6 برابر قطر در ناحیه گاز زدایی مصرف می شود که این امر در نقش کمی در بحث ذوب یا ایجاد فشار بازی می­کند. در بیشتر برنامه ها، شما نیاز به یک پیچ دو مرحله­ای با طول به قطر 30 دارید تا خروجی یک پیچ تک مرحله ای با نسبت طول به قطر 24: 1 داشته باشد.

به عنوان مثال  L/D مارپیچ­های مربوط به پلی­اتیلن از 30 تا 36 تغییر می­کند که مقدار 36 آن بیشتر برای تولید لوله استفاده می­گردد. و برای تولید نایلون و نایلکس از اکسترودرهایی با L/D بین 25 تا 32 استفاده می­گردد. و برای تولید محصولات پلی پروپیلنی از L/D 30 الی 33 استفاده می­گردد و برای بازیافت  L/Dدر محدوده­ی 30 استفاده می­گردد.

نوشته: پیمان قربان زاده