مارپیچ های سَدگر

مارپیچ های سَدگر

نزدیک به نیم قرن است که در صنایع اکستروژن و قالب‌گیری حضور دارند. اما، مارپیچ¬های سَدگر معمولی اشکالاتی دارند که قابلیّت کاربرد آنها را محدود می¬سازد. یکی از جدی¬ترین اشکالات این مارپیچ¬ها این است که آنها مستعد انسداد در بستر جامد هستند. انسداد شدید منجر به ناپایداری فرایند و موج دار شدن محصول می‌شود. در اين مقاله Chris Rauwendaal شرح می¬دهد که چگونه طراحی بهینه مارپیچ¬های سَدگر احتمال انسداد در هنگام ذوب و اختلاط را به شکل قابل ملاحظه ای از بین می¬برد. مارپیچ های سَدگر چگونه عمل می¬کنند. نخستین مارپیچ سَدگر در در اواخر دهه 1950 توسط Charles Maillefer در سوئیس ساخته شد. از آن زمان به بعد تعداد زیادی از این مارپیچ¬ها ساخته شده¬اند. مبنای کار مارپیچ سَدگر، از هم جدا کردن کانال مارپیچ به دو بخش است که توسط یک پره سَدگر انجام می-شود. یک کانال برای پلاستیک ذوب نشده و دیگری برای پلاستیک ذوب شده است. ماده جامد هنگامی که به پره سَدگر می¬رسد در بخش جلویی آن باقی می¬ماند در حالیکه مذاب می¬تواند از بالای آن عبور کند و در کانال مذاب انباشته شود1. نمايي از مقطع عرضي مارپيچ سَدگر پره سَدگر از پره اصلی کوتاه¬تر است به شکلی که مذاب پلاستیک به آسانی از بالای آن رد می¬شود و به کانال مذاب می¬رسد. برش زیرین پره سَدگر باید به اندازه¬ای باشد که جلوی حرکت ذرات جامد از بالای پره را بگیرد. برش متداول 2-1 میلیمتر است که به اندازه اکسترودر بستگی دارد. پره سَدگر یک مانع فیزیکی میان بستر جامد و استخر مذاب ایجاد می¬کند. در ابتدا، کانال مواد جامد بزرگ و کانال مذاب کوچک است. همراه با حرکت رو به جلوی پلاستیک در طول بخش سَدگر، کانال جامد کوچک و اندازه کانال مذاب بزرگ می¬شود. بدیهی است که سرعت ذوب شدن باید به اندازه کافی بالا باشد که با کاهش اندازه کانال جامد همخوانی داشته باشد. نزدیک به انتهای ناحیه سَدگر کانال مذاب کاملا بزرگ و کانال مواد جامد کوچک هستند. در قسمت پایانی ناحیه سَدگر کانال جامد ناپدید شده و کانال مذاب تمام کانال را در بر می-گیرد. شرایط انسداد اگر کانال مواد جامد خیلی سریع کوچک شود، این امکان وجود دارد که مواد جامد گرفتار شوند. این شرایط انسداد نامیده می¬شود و منجر به کاهش توان عملیاتی می¬گردد. پس از این موقعيت شرایط انسداد برطرف می¬شود و خروجی مجدد افزایش می¬یابد. اما، با افزایش خروجی امکان انسداد در جای دیگر بوجود می¬آید. در نتیجه انسداد معمولا منجر به تغییرات چشمگیر در حاصل کا ر و موج دار شدن می¬گردد. احتمال انسداد هم در مارپیچ¬های سَدگر و هم غیر سَدگر وجود دارد و در شرایطی که اندازه کانال مارپیچ به سرعت کوچک شود بیشتر اتفاق می¬افتد. مارپیچ¬هایی که از نظر ابعادی سریع فشرده می¬شوند، بیشتر مستعد پدیده انسداد و موج¬دار شدن هستند. از آنجایی‌که کانال مواد جامد در مارپیچ سَدگر همواره کوچک¬تر از تمام کانال است، در مارپیچ¬های سَدگر پدیده انسداد از احتمال بیشتری برخوردار است. مارپیچ¬هایی که ناحیه سَدگر بلندتری دارند بیشتر در معرض انسداد قرار می¬گیرند به این دلیل که ممکن است در جایی که پره سَدگر شروع می¬شود هنوز فرایند ذوب به اندازه کافی پیش نرفته باشد. طول ناحيه‌ي سددار درمارپیچ‌های سَدگر مرسوم معمولا طولانی و در حدود15 برابر قطر یا بیشتر دارند. برتری¬ها مزیت مهم مارپیچ¬های سَدگر این است که احتمال ماندن ماده ذوب نشده آن سوی ناحیه سددار بسیار ناچیز است. حالت ذوب نشده شرایطی است که ماده جامد تا انتهای مارپیچ باقی بماند. وقتی این حالت اتفاق بیافتد، ماده ذوب نشده در توري‌ها تجمع می¬کند و در راه جریان محدودیت ایجاد می¬کند. این امر باعث می¬شود که توان اکسترودر کم شود و در پی آن مقدار ماده ذوب نشده کاهش می¬یابد. در نتیجه دوباره خروجی افزایش می¬یابد و این چرخه هم‌چنان خود را تکرار می¬کند. بنابراین، تاثیر ماده ذوب نشده مشابه تاثیر پدیده انسداد است. حضور ماده ذوب نشده در مارپیچ¬های غیرسَدگرِ دارای ناحیه پیمایش عمیق و L/D کوچک نیز امکان پذیر است. در نتیجه، اکسترودرهای با قطر بزرگ که برای پلاستیک¬های با گرانروی بالا استفاده می¬شوند، بیش از اکسترودرهای با قطر کوچک مورد استفاده در پلاستیک¬های با گرانروی اندک، در معرض باقی ماندن مواد ذوب نشده هستند. فایده واقعی مارپیچ سَدگر در زمینه ذوب در درجه اول در بخش پایانی ناحیه ذوب خود را نشان می¬دهد چرا که عمق کانال مذاب حتی تا صفر کاهش می¬یابد. این امر در مارپیچ غیر سَدگر امکان پذیر نیست بدین علت که فضایی برای پلاستیک مذاب مورد نیاز است. بدین ترتیب مارپیچ¬های سَدگر در مراحل نهایی ذوب کارایی بیشتری دارند. اما در مراحل اولیه اینطور نیست. طراحی بهینه از آنجایی‌که برتری اصلی مارپیچ¬های سَدگر در مراحل پایانی ذوب است، استفاده از طراحي‌هاي سددار تنها در این بخش از اکسترودر منطقی به نظر می¬رسد. مارپیچ¬هایی که بخش سَدگر کوچک در نزدیکی انتهای ناحیه ذوب دارند کارایی ذوب آنها بالا می¬رود درحالیکه احتمال انسداد به حداقل می¬رسد. مزیت دیگر کوچک بودن ناحیه سَدگر این است که ساخت آن راحت¬تر است و هزینه کم می¬شود. مشخصه دیگری که کارایی مارپیچ سَدگر را بهبود می¬دهد طراحی پره سَدگر است. در مارپیچ سَدگر معمولی تاج پره سَدگر صاف است. در نتیجه جریان در ناحیه لقی، جریان برشی است. اختلاط برشی ضعف¬های بسیاری دارد: o منجر به مصرف بالای انرژی و استفاده زیاد از موتور می¬شود. o اتلاف گرانرو به سطح بالایی می¬رسد و دمای مذاب بسیار بالا می¬رود. o دماهای ذوب بالا گرانروی و تنش¬های درون مذاب را کاهش می¬دهد. o تنش¬های کمتر کارایی اختلاط پراکنشی را پایین می¬آورد. o ذراتی که در جریان برشی می¬چرخند، توانایی پراکنش کلوخه¬ها و قطرات را کاهش می¬دهند. جریان کششی بدلیل کاهش مصرف انرژی و اتلاف و افزایش تنش¬ها در مذاب، امکان اختلاط موثرتر را فراهم می‌آورد. از آنجا که چرخشی در جریان کششی خالص وجود ندارد، اختلاط پراکنشی بهتری نسبت به جریان برشی انجام می¬گیرد. در نتیجه، ژل¬ها در جریان کششی پراکنده می¬شوند در حالی‌که در جریان برشی ممکن نیست. فناوری اختلاط CRD ابداع شده توسط شرکت Rauwendaal Extrusion Engineering امکان تولید جریان کششی قوی را بوجود می¬آورد. در ناحیه سَدگر CRD این امکان با افزودن یک سطح شیب دار به تاج پره سَدگر فراهم شده است . تاج پره شیب دار ناحیه گوه مانندی را ایجاد می¬کند که هرچه شکاف باریک¬تر می¬شود، حرکت مذاب شتاب می¬یابد. مارپيچ سَدگر CRD‌ در حال انجام اختلاط كششي ناحیه سَدگر باید به گونه¬ای طراحی شود که سرعت ذوب بالا، رواني جريان و سرعت انتقال زياد با کمترین مقاومت در مقابل جریان بدست آید. سرعت ذوب بالا با استفاده از ژئومتری چند پره¬ای همراه با زاویه پره به نسبت بزرگ بدست می¬آید. سرعت ذوب بالا در ناحیه سَدگر چند پره¬ای به این دلیل است که متوسط ضخامت فیلم در آن کوچک¬تر از ناحیه سَدگر یک پره¬ای است. فیلم مذاب نازک¬تر گرما گرانرو بیشتری در فیلم مذاب ایجاد می¬کند. این گرما به پلاستیک ذوب نشده منتقل می¬شود و منجر به ذوب آن می¬شود. فیلم نازک¬تر هم‌چنین انتقال گرما از سیلندر اکسترودر به پلاستیک ذوب نشده را بهبود می¬بخشد. رواني جريان خوب با ساخت زاویه پره سَدگر بزرگ‌تر از پره اصلی حاصل می¬شود که منجر به طرح z مانند می¬گردد. کانال ورودی حاوی پلاستیک ذوب نشده در شروع ناحیه سَدگر تمام پهنا را در بر می¬گیرد. پهنای کانال ورودی همراه با افزایش پهنای کانال خروجی به تدریج کاهش می‌یابد. در انتهای ناحیه سَدگر کانال خروجی کل پهنای کانال را در بر می¬گیرد در حالی‌که پهنای کانال ورودی به صفر می¬رسد. سمت فشار آورنده پره سَدگر شیب‌دار است تا همان‌طور که پلاستیک به سمت پره سَدگر کشیده می¬شود جریان کششی ایجاد کند. اختلاط کششی حاصل، اختلاط را بهبود بخشیده و گرماي برشی را کاهش می¬دهد. در نهایت، کاهش تدریجی عمق در کانال ورودی، ذوب و رواني جريان را بهبود می¬بخشد. هم‌زمان عمق کانال خروجی به تدریج افزایش می¬یابد. این طرح احتمال اختلال یا گرفتگی را به کمترین حد می¬رساند و بیش‌ترین رواني به دست می¬آید. قابلیت ذوب و اختلاط بیشتر و پایداری فرایند در مارپیچ سَدگر بهینه منجر به خروجی بیشتر می¬شود در حالی‌که کیفیت خوب ماده اکسترود شده نیز حفظ می¬گردد. طرح ناحيه سَدگر CRDZ چند پره¬اي بخش اختلاط سَدگر CRDZ بهينه شده، در اكسترودرهايي كه داراي لوله با قطر داخلي صاف و صيقلي هستند با همان كيفيت اكسترودرهاي شياردار كار مي¬كند. در حقيقت مزيت آن در اكسترودرهاي شيار دار بيشتر است به اين علت كه آنها از مارپيچ¬هاي تخريبي با پره-هاي عميق استفاده مي¬كنند كه استفاده از آنها بر اساس ظرفيت ذوب و اختلاط مارپيچ محدود مي¬شود. اكسترودهاي با قطر داخلي صيقلي معمولا در مارپيچ¬هاي تخريبي با پره-هاي كم عمق به‌كار مي¬روند كه كمتر تحت تاثير ظرفيت ذوب و اختلاط مارپيچ هستند. مقايسه¬اي ميان مارپيچ هاي سَدگر معمولي و بهينه ويژگي مارپيچ سَدگر معمولي مارپيچ سَدگر بهينه طول ناحيه سَدگر 15-10 برابر قطر 5-2 برابر قطر زاويه پره كوچك (°30-15 ) بزرگ (°60-30 ) جهت پره سدگر مستقيم شيب دار موقعيت مكاني تمام ناحيه ذوب انتهاي ناحيه ذوب رواني جريان متوسط خوب احتمال ناپايداري قابل توجه كم ظرفيت ذوب متوسط زياد ذوب اوليه برشي كششي توانايي ذوب محدود بالا سهولت توليد متوسط خوب قابليت تغيير كم تا متوسط متوسط تا زياد خصوصيات عملکردي نتايج عملي براي اكسترودر با ناحيه خوراك شيار دار 130 ميليمتري و L/D 31:1 بدست آمده است. اين اكسترودر براي اكسترود كردن فيلم LLDPE با 50% كربنات كلسيم بكار مي¬رود. مارپيچ آن به صورت يك ناحيه سَدگر CRD‌ كوتاه و ناحيه اختلاط CRD633 در انتهاي قسمت خروجي مارپيچ طراحي شده است. مخلوط‌كن RD633 يك مخلوط‌كن چندپره‌اي است كه در آن شيارهاي مخروطي شكل به منظور دستيابي به اختلاط توزيعي و پراكنشي مطلوب بكار گرفته شده است. موتور نصب شده در آن دارای توان KW 200 و مارپيچ اصلي آن از نوع مارپيچ اختلاط Maddock بوده است. هندسه ناحيه اختلاط CRD633 مشخص است كه مارپيچ CRD‌ توان عملياتي وي‍‍‍ژه بيشتر ( حدود 45% بيشتر)، مصرف انرژي كمتر (حدود 25% كمتر) و دماي ذوب كم‌تري دارد. تفاوت در دماي ذوب هنگامي كه سرعت مارپيچ بالا مي¬رود افزايش مي¬يابد. در سرعت¬هاي پايين مارپيچ، تفاوت در دماي ذوب حدود C °6-4 و در سرعت‌هاي بالا¬تر مارپيچ تفاوت در دماي ذوب حدود C ° 25-24 مي¬باشد. دماهاي ذوب در دو مارپيچ در خروجي¬هاي مشابه مقايسه شده است. نكته جالب اين است كه دماهاي ذوب در مارپيچ CRD (حدود C °10-5 ) به دماي سيلندر نزديك است. درحالي‌كه در مارپيچ Maddock دماهاي ذوب بالاتر است (C °30 -10). گرماي گرانرو در مارپيچ Maddock‌ بيشتر از مارپيچCRD است. هم‌چنين مشاهده شده است كه كيفيت فيلم توليد شده با مارپيچ CRD نسبت به كيفيت فيلم توليد شده با مارپيچ Maddock بهبود يافته است.خروجي در مقابل سرعت مارپيچ براي مارپيچ¬هاي Maddock و CRD نتيجه گيري عملكرد مارپيچ¬هاي سَدگر با بكارگيري ناحيه سَدگر نسبتا كوتاه بهبود مي¬يابد. بدين ترتيب احتمال انسداد به كم‌ترين حد مي¬رسد در حالي‌كه ذوب بيشينه خواهد شد. ناحيه لقي سَدگر گوه مانند جريان كششي قوي ايجاد مي‌كند. اين نوع جريان اختلاط پراكنشي و توزيعي را بهبود مي¬بخشد درحالي‌كه ميزان مصرف انرژي و گرماي گرانرو توليد شده را كاهش مي¬دهد. مارپيچ¬هاي سَدگر با طراحي بهينه توان عملياتي، كنترل ابعادي و كيفيت محصول را بالا مي¬برند. نتايج عملي بدست آمده از اكستروژن، بهبود كارايي مارپيچ¬هاي سَدگر بهينه شده را تائيد مي¬كنند. نتايج بيانگر اين امر است كه مارپيچ¬هاي سَدگر CRD عملكرد خوبي در اكسترودرهاي داراي ناحيه خوراك شيار دار دارند. بطور خاص مارپيچ¬هاي سَدگر همراه با اكسترودرهاي با قطر بزرگ (بيشتر از 100 ميليمتر) و مواد با گرانروي بالا سودمند هستند. مارپيچ¬هاي سَدگر هم‌چنين در اكسترودرهاي با قطر متوسط (100-30 ميليمتر) مفيد هستند. در اكسترودرهاي با قطر كوچك (كوچكتر از 30 ميليمتر) به دليل انتقال گرما و ذوب موثر در آنها نسبت به اكسترودرهاي بزرگتر ناحيه سَدگر ضروري نيست.

واژه نامه

مارپیچ سدگر Barrier screw

انسداد بستر جامد Solid bed plugging

پره سَدگر Barrier flight

موج دار شدن Surging

سیلندر اکسترودر Barrel

رواني جريان Streamlining

پیمایش Metering

توري Screen pack

لقی Clearance

منبع: مجله بسپار