چالش های اکستروژن (رانشگری) پلیمرهای بسیار پرشده

قانون اصلی خوراک­دهی مواد را به خاطر داشته باشید: برای شارش (جریان) ذرات بسپار به جلو، نیروی غژکی (drag) ناشی از اصطکاک مواد روی ماردان باید کمتر از سیلندر باشد. در بخش خوراک، سطح ماردان معمولا بیشتر از سطح سیلندر است. این نسبت به عنوان نسبت منظر اشاره می­شود. برای جبران اثر نسبت منظر، نیروی غژکی لازم برای حرکت ذرات بسپار به جلو معمولا از طریق گرمایش سیلندر یا با تغییر سطح بدنه سیلندر برای ایجاد نیروی غژکی بیشتر فراهم می­شود.

با این حال، بسیاری از پرکننده ­های رایج به شکل ذرات زاویه­ دار یا نامنظم و کاملا ساینده هستند که باعث می­شود در ماردان­ها با نسبت منظر 1 : 25/1 تا 1 : 35/1، افزایش نیروی غژکی اصطکاکی در دیواره سیلندر برای جبران نیروی غژکی روی سطح ماردان، دشوار باشد. به علت ذوب بسپار در نزدیکی دیواره سیلندر و کاهش نیروی غژکی روی سیلندر نسبت به ماردان، افزایش گرما در دیواره سیلندر می­تواند اوضاع را بدتر کند. در برخی موارد ممکن است لازم باشد روند خوراک­دهی برعکس شود تا نیروی غژکی اصطکاکی در برابر سطح ماردان با روش­هایی مانند پیش گرمایش بسپار یا با استفاده از ماردان­های گرم، پوشش­ها یا کمک فرایندها، کاهش یابد.

تراکم یا نسبت تراکم در ماردان­های رایج بسپار ضروری است، زیرا کارایی کم خوراک­ دهی ذرات بسپار و اثرات تشکیل مذاب و حذف مذاب، اجازه می­دهد تا مذاب سریع­تر از جامد شارش یابد. برعکس، برخی از ابعاد ذرات پرکننده، کارایی خوراک­دهی مواد را بهبود می­بخشد، زیرا آن­ها روی یکدیگر سُر نمی­خورند. این امر باعث تراکم کمتر می­شود که برای دستیابی به آهنگ خوراک­دهی موردنیاز لازم است. از آن­جایی که پرکننده­ها ذوب نمی­شوند، آن­ها شارش نمی­یابند و خواص شارش این مخلوط ترکیبی از خواص ذرات جامد و شارش مذاب است. در نتیجه، ماردان­ها با بخش­های متراکم که معمولا برای بسپارهای خالص استفاده می­شوند ممکن است به راحتی با پرکننده بگیرند، زیرا به علت عدم شارش پرکننده، حجم در طول ماردان کاهش می­یابد.

هم­چنین با ادامه تراکم، مقدار نسبتا کم بسپار موجود در ترکیب پرشده، می­تواند فشرده شود، اما پرکننده بیشتر فشرده می­شود. از آن­جایی که ماردان، یک تیغه مارپیچ (spiral wedge) است، حتی بدون تراکم، پرکننده می­تواند چنان فشرده شود که موتور را از حرکت بازدارد یا حتی ماردان را بشکند. در نتیجه، ماردان­ها با تراکم صفر و یا حتی منفی اغلب کارا هستند.

بدون داشتن تراکم کانال عادی، ساز و کار رایج ذوب تا حد زیادی به خطر می­افتد و مواد بیشتر بر اساس گرمایش رسانایی ذوب می­شوند تا گرمایش برشی. طرح­های ماردانی که اساسا بسپار را درون کانال ماردان می­غلتاند یا بستر بسپار را می­شکند دارای سطح بیشتری است که اغلب موثرتر از طرح­های سدگر یا مخلوط­ کن­ های با برش زیاد است.

از آن­جایی که گرمای ویژه اکثر پرکننده ­ها کمتر از بسپارها است، مقدار انرژی لازم برای افزایش دمای یک کیلو مخلوط بسیار کاهش می­یابد. علاوه­بر این، رسانایی گرمایی اکثر پرکننده­ها بیشتر از بسپارها است که به ذوب و گرمایش رسانایی کمک می­کنند.

پس از اتمام ذوب، گرمایش برشی مسئله­ ساز می­شود، زیرا بارگذاری زیاد پرکننده در اکثر موارد به شدت گرانروی را افزایش می­دهد و باعث کاهش روان­شوندگی برشی (shear thinning) می­شود، بنابراین پس از اتمام ذوب، طول بخش باید کاهش یابد. تغییرات پایین جریان و بالا جریان بحث دیگری است. پرکننده­ها به علت پل زدن یا فشردگی روی درونداد ماردان تاثیر می­گذارند و باعث افزایش افت فشار در بسپار با گرانروی بیشتر می­شوند. هم­چنین فشار ایجاد شده در ماردان کمتر قابل پیش بینی است و به دلیل ناپیوستگی مذاب ناشی از پرکننده و تمیز کردن آن از دیواره سیلندر بسیار قابل تغییر است.

برگردان: دکتر فاطمه خودکار