فرآیندهای اكستروژن
مقدمه
پوشش دهي بروش اکستروژن فرآيندي است که در آن يک لايه ترموپلاستيک مذاب بر روي سطح يک فيلم، فويل، کاغذ و يا پارچه اعمال ميگردد. عملکرد و مقاومت ورق حاصله بستگي به ميزان چسبندگي فيلم مذاب و لايه زيرين دارد و عدم حصول پيوند مناسب باعث ايجاد مشکلات متعددي در فرآيند توليد و عملکرد نهايي ورق مذکور خواهد گشت. در پوشش دهي بروش اکستروژن از موادي استفاده ميشود که در محدوده دمايي 220-80 درجه سانتيگراد به مايع روان تبديل شده وبعد از خنک شدن دوباره جامد ميشوند. اين مواد %100 جامد بوده و در ساختمان آنها از حلالها و آب استفاده نميشود. با توجه به شرايط فرآيند، عمل پوشش دهي با اين روش سريع بوده و هيچگونه عوارض مخرب زيست محيطي ندارد.
ما در اين مقاله به
بررسي فرآيند مذکور، مواد مورد استفاده و عوامل موثر در ميزان چسبندگي پوششهاي
اکستروژني ميپردازيم و هردو مبحث اکستروژن و کواکستروژن رامورد بحث قرارميدهيم.
مزایا و معایب
- سازگار با محيط
زيست بعلت عدم وجود حلالهاي آلي در فرآيند پوشش دهي
- قابليت ايجاد پوشش هاي نازک
- عدم نياز به انرژي اضافي براي ايجاد واکنش هاي تکميلي يا پرش حلال يا آب
- سرعت بالاي توليد
- تنوع مواد اوليه ترموپلاستيک
- کوچک بودن فضاي کارگاهي موردنياز - محدوديتهاي حرارتي براي اعمال روکش در بعضي
از ورقها
- احتمال تغيير خواص پوشش در اثر فرآيند اکسيداسيون
- پايين بودن مقاومت حرارتي و شيميايي پوششها بجز در مواردي با اتصالات عرضي
- نياز به تميز نمودن ماشين آلات براي هر ورق و جنس پوشش جديد
اصول اکستروژن پوشش دهي اکستروژني عبارت است از اعمال فيلمي از يک ماده پليمري بوسيله تزريق تخت روي ماده اي که با سرعت قابل تنظيم درحال حرکت است. فيلم پليمري حاصله يا بااستفاده از يک غلطک سرد و يا بوسيله جريان هوا خنک ميشود که دراينصورت به آن لميناسيون اکستروژني اطلاق ميگردد. در خط پوشش دهي اکستروژني تجهيزات ذيل بکارميروند.
- مخروطي خوراک رزين
- اکسترودر
- ماتريس
- غلطک خنک کننده
- غلطک پشتيبان
- کلاف ساز و کلاف بازکن
در فرآيند پوشش دهي
اکستروژني اکسترودر گرانولهاي جامد ترموپلاستيک را بصورت مذاب يکنواخت درمي آورد و
درطول آن يک مارپيچ با حرکت چرخشي مذاب را به سمت جلو حرکت ميدهد. طول و قطر
اکسترودر و مارپيچ آن و نسبت اين دو بستگي به نوع ماده ترموپلاستيک دارد. ماده
مذاب از يک ماتريس نهايي عبورميکند که وظيفه آن کنترل ضخامت و شکل پوشش ميباشد.
ماتريسهاي مورداستفاده معمولا بصورت تخت بوده و لبه هاي آنها قابل تنظيم ميباشد.
بعد از ماتريس قسمت خنک کننده قرارميگيرد که باعث ژل شدن مذاب و حفظ شکل اوليه آن
ميگردد. قسمت خنک کننده معمولا جزو عوامل محدودکننده سرعت عمليات بشمارميرود.
پوششهاي خشک و بدون چسبندگي بعد عبور از ماتريس بين دو غلطک قرارميگيرند که جنس
يکي از آنها استيل بوده و در اثر چرخش آب خنک ميشود و غلطک ديگر با روکش لاستيک
ميباشد. بالا بودن قطر غلطک خنک ساز باعث ايجاد سطح تماس بزرگ و کافي براي کاهش
زمان خنک سازي پوشش ميگردد. براي پوشش دهي چسبهاي حساس به فشار از روش ساده خنک
سازي با جريان هوا استفاده ميشود. فرآيند لميناسيون اکستروژني همانند موارد بالا
صورت ميگيرد و تنها تفاوت آن استفاده از لايه مذاب چسب بعنوان پيوندساز بين دو
لايه غيرمشابه ميباشد که در اينصورت چسبندگي به هردولايه ميتواند جزو موارد
موثربشماررود.
کاربرد :
.1اغلب پليمرهاي ترموپلاستيک را ميتوان بعنوان پوشش و توسط فرآيند اکستروژن مورداستفاده قرارداد.
معمولترين رزين پوشش دهي پلي اتيلن سبک LDPE
ميباشد ولي ساير هموپليمرها و کوپليمرها هم بصورت وسيعي در اين فرآيند بکارميروند
که از آنجمله ميتوان به HDPE، PP، EVA و کوپليمرهاي اتيلن-اکريليک، پلي آميد و پلي اورتان اشاره نمود.
خواص اوليه موردنياز براي ترموپلاستيکهاي مورداستفاده در فرآيند پوشش دهي
اکستروژني عبارتند از:
- ضريب مذاب بالا (براي نفوذ بهتر و خيس سازي کامل)
- عدم وجود مواد افزودني
- مقدار بهينه آنتي اکسيدانت
- چسبندگي خوب به مواد در سرعتهاي بالاي خط توليد
- قابليت ايجاد فيلم بصورت لايه هاي نازک
پوششهاي مذکور در بعضي موارد بعنوان چسب و لايه اتصال در فرآيندهاي تکميلي و
مونتاژ بکار ميروند و خواصي از جمله قابليت عبوردهي و يا نگهداري گازها و رطوبت و
تقويت سطح و خواص مکانيکي در کاربردهاي خاص از آنها انتظارميرود.
گران فرآيندهاي لميناسيون و پوشش دهي اکستروژني ساده:
پوشش دهي اکستروژني کاغذ، فيلم، فويل، منسوجات و ساير مواد را ميتوان بسادگي انجام
داد. بسته بندي يکي از صنايعي است که فيلمهاي مذکور در آن کاربردهاي عمده اي دارند
و کاغذهاي پوشيده با پلي اتيلن در بسته بندي مواد غذايي بصورت عام استفاده ميشوند.
خاصيت حفظ آب و درزگيري حرارتي اين پوششها جزو خواص مهم آنها بشمار ميرود.
فاکتورهاي عملياتي متعددي ميتوانند تأثير بسزايي در خواص چسبندگي پوششهاي اکستروژني
روي مواد مختلف داشته باشند. يکي از اين موارد اکسيداسيون ميباشد که هم تأثير مثبت
و هم تأثير منفي دارد که عبارتند از:
- مثبت: اکسيداسيون پليمر مذاب باعث ايجاد گروههاي فعال در آن شده و چسبندگي را
تقويت مينمايد.
- منفي: اکسيداسيون باعث ايجاد بوي نامطبوع و عدم درزگيري کامل حرارتي ميگردد.
از ديگر عوامل موثر ميتوان به دماي اکستروژن و فاصله بين ماتريس و تيغه پوشش دهي اشاره نمود.با افزايش دماي اکستروژن، اکسيداسيون پليمرمذاب بيشتر شده و ويسکوزيته آن کاهش مي يابد و درنتيجه خيس شدن سطح ورق اوليه بصورت موثرتري انجام ميپذيرد. البته در اين مورد حتما بايد حداکثر دماي مجاز براي پليمر مذاب را درنظرداشت تا تأثير عکس نداشته و باعث سوختن مذاب نگردد. همچنين بهترين فاصله بين ماتريس و تيغه پوشش دهي در فرآيند اکستروژن mm 300-150 ميباشد.
اغلب ورقهاي اوليه که بمنظور پوشش دهي اکستروژني بکارميروند ازجمله کاغذ، منسوجات، کارتن و... داراي
ساختمان متخلخل ميباشند که نفوذ ماده پوششي در ساختار تخلخلي آنها متواند نقش موثري در چسبندگي
نهايي ايفا نمايد.
ورقهاي معمول غيرمتخلخل براي پوشش دهي اکستروژني عبارتند از فويل هاي آلومينيمي و فيلمهاي پليمري که براي اعمال پوشش حتما بايد يک سري عمليات آماده سازي اوليه روي آنها انجام پذيرد.
مطالعات گسترده اي در مورد پوشش دهي اکستروژني با استفاده از پلي اولفينها از جمله LDPE انجام گرفته است که نتيجه آن استفاده از LDPE بصورت وسيع در اين فرآيند ميباشد. باتوجه به طولاني بودن زنجيرهاي پليمري و توزيع گسترده وزن ملکولي، LDPE نشاندهنده يک تعادل مطلوب بين خواص چسبندگي در حالت مذاب
و فرآيندپذيري ميباشد. همچنين نوع ساختار اين پليمر بگونه اي است که از آن ميتوان در سرعتهاي بالاي پوشش دهي هم براحتي استفاده نمود.
امروزه از LLDPE هم براي پوشش دهياکستروژني استفاده مينمايند که داراي مقاومت
مکانيکي بيشتري بوده و پايداري حرارتي آن در مقابل اکسيداسيون پائين است و
بنابراين پيوند مناسبي با ورقهاي اوليه غيرمتخلخل ايجاد مينمايد.
براي تقويت چسبندگيLDPE به فويلهاي آلومينيمي ميتوان از افزودن مواد تقويت کننده چسبندگي
به رزين پايه استفاده نمود. براي مثال با افزودن کوپليمر اسيدي Nucrel AE محصول
شرکت Dupont بصورت
%20چسبندگي و پايداري پيوندي پوشش را تقويت مينمايند.
انواع محصولات پلاستیكی اكسترود شده
لغت اكستروژن (Extrusion) از عبارت لاتین Extruder به معنی خارج (ex) و فشار دادن (Truder) است. در این فرآیند، پودر خشك، دانهها یا پلاستیكهای تقویت شده را گرم كرده و با فشار از میان یك روزنه فرمدار (Orifice) عبور میدهند كه در واقع همان قالب اكستروژن است.
انواع محصولات پلاستیكی اكسترود شده
پروفیلها: مقاطع پلاستیكی
شكلدار طویل هستند كه
فرم سطح مقطع آنها گوناگون است. اینگونه قطعات معمولا به صورت افقی اكسترود میشوند.
لولهها: برای تولید
لولههای پلاستیكی باید
از یك قالب با سوراخ دایرهای (برای فرم دادن سطح خارج لوله) و یك ماندرل
(برای فرم دادن سطح داخل لوله) استفاده میشود.
ورقها: طبق استاندارد ASTM،به
صفحات پلاستیكی با ضخامت كمتر از 0.25mm "فیلم"و به صفحات پلاستیكی با ضخامت 0.25mm
"ورق" اطلاق میشود.
ورقها معمولا به عنوان
ماده اولیه در عملیات فرم دادن حرارتی (Thermo forming) بهكار
میروند.
اكستروژن فیلم استوانهای: روش اكستروژن بادی فیلمهای استوانهای، یك فیلم نازك پلاستیكی به صورت استوانهای بزرگ از پلاستیك
مذاب اكسترود میشود.
بدین ترتیب یك فیلم نازك به فرم استوانهای از قالب خارج میشود لولههای پلاستیكی دیگر نیز به همین روش تولید میشوند. فیلم استوانهای نازك پس از خروج
از ماتریس توسط دمیدن هوا به داخل آن منبسط میشود تا ضخامت فیلم به حد دلخواه برسد. لولههای دمنده هوا در
خارج از فیلم نیز تعبیه می شوند تا بادمش هوا، فیلم پلاستیكی را سرد كنند.
پوشش دادن قطعات با اكستروژن: كاغذ، پارچه، مقوا و فلز را میتوان به این روش با
مواد پلاستیكی پوششدار
كرد. در این روش یك لایه نازك از پلاستیك مذاب برروی قطعه كار اصلی نشانده میشود، بدون آنكه
برای این كار از چسب استفاده گردد. این عمل با عبور قطعه كار اصلی و پوشش پلاستیكی
از بین غلتكهایی كه آنها را به
هم فشرده میكند، انجام میشود. البته در
مواردی احتیاج به چسب وجود دارد كه در اینگونه موارد قطعه كار اصلی گرم شده و
چسبناك میشود و سپس با
پلاستیك پوشش كاری میگردد.
قالبگیری بادی
این فرآیند (Blow molding) را
میتوان در فرآیندهای قالبگیری پلاستیكها نیز طبقهبندی كرده زیرا در
آن، ماده پلاستیكی داغ با اعمال فشار به بدنه یك قالب فرمدار چسبانده شده و فرم قالب را به خود میگیرد. ولی از آن
جهت كه در قالبگیری
بادی، یك لوله پلاستیكی داغ به روش اكستروژن ایجاد شده و برای شكل دادن وارد قالب
میشود، این روش جزء
فرآیندهای اكستروژن
پلاستیكها معرفی شدهاست.
فرآیند قالبگیری بادی، شبیه به
روش قالبگیری بطریها و دیگر ظروف
شیشهای مشابه است كه در
آن یك قطعه یا ظرف پلاستیكی توخالی ساخته میشود. همانطور كه گفته شد، این روش از سالیان بسیار
دور برای ساخت ظرفهای
شیشهای رایج بودهاست. ولی استفاده
از آن برای ظروف پلاستیكی از اواخر دهۀ 1950 میلادی آغاز شد. در سال 1880، دو ورقه
سلولزی گرم شده در یك قالب برروی هم قرار داده شده و با اعمال هوای فشرده بین آن
دو، یك اسباب بازی كودكانه ساخته میشد. این مورد شاید اولین مورد از تولید یك قطعه
ترموپلاستیكی به روش قالبگیری بادی به شمار میرود.
در شكل..... نحوۀ كار نشان دادهشدهاست. یك لوله از جنس پلاستیك مذاب به داخل محفظه
قالب اكسترود میشود
و قالب را در این حالت میبندند. سپس هوای فشرده را به داخل لوله پلاستیكی
وارد میكنند تا منبسط شده
و به دیوارههای قالب بچسبد. پس
از خنك شدن قطعهكار
میتوان قالب را باز
كرده و آن رااز قالب بیرون آورد.
قالبگیری بادی به روش
اصلی انجام میشود.
1- قالبگیری تزریقی بادی.
2- قالبگیری اكستروژن
بادی.
قالبگیری تزریقی بادی
یك روش دقیق در
ساخت قطعات تو خالی پلاستیكی است، به طوری كه میتوان ضخامت قطعهكار در نواحی مختلف را بخوبی كنترل كرد و همه
قطعات تولیدی دارای ضخامت یكسانی خواهند بود.
عیب مهم این روش این است كه برای تولید قطعه، لازم است دو دست قالب ساخته شود، كه
یكی برای تولید پیش فرم (شكل.....) و دیگری برای تولید قطعهكار نهایی (شكل.....). قطعهكار پیش فرم را گرم كرده و در قالب بادی قرار میدهند. سپس هوای
فشرده را به درون پیش فرم وارد میكنند تا منبسط شده وبه دیوارههای قالب بچسبد.
قالبگیری اكستروژن بادی
در این روش، یك لوله از پلاستیك مذاب از بالای قالب اكسترود شده و به داخل قالب وارد میشود. در این حالت دونیمه قالب بسته شده و انتهای باز لوله نیز بسته میشود.
مزیت فرآیند قالبگیری بادی
1- اغلب
ترموپلاستیكها و بسیاری از
ترموستها را میتوان در این فرآیند
بهكار برد.
2- هزینه قالبهای
این فرآیند، كمتر از فرآیند قالبگیری تزریقی است.
3- مواد پلاستیكی در قسمت اكسترودر به خوبی با هم تركیب و یكنواخت میشوند.
4- مواد پلاستیكی در قسمت اكسترودر به خوبی ذوب و نرم میشوند.
5- همانند بسیاری از فرآیند قالبگیری دیگر، در این روش نیز از اكسترودر به عنوان
یك بخش اصلی استفاده میشود.
6- طول لوله اكسترود شده، عملا میتواند خیلی طویل باشد.
عیوب فرآیند قالبگیری بادی
1- گاهی اوقات لازم
است از عملیات تكمیلی پر هزینهای در تولید قطعات استفاده شود.
2- هزینه تامین ماشینآلات اصلی و جانبی بالاست.
3- مقداری زایدات پلاستیكی در این فرآیند تولید میشود.
4- تنوع شكل محصولات و فرم لوله اكسترود شده محدود است.
اصول پوشش دهي اکستروژن: پوشش دهي اکستروژني عبارت است از اعمال فيلمي از يک ماده پليمري بوسيله تزريق تخت روي ماده اي که با سرعت قابل تنظيم درحال حرکت است. فيلم پليمري حاصله يا بااستفاده از يک غلطک سرد و يا بوسيله جريان هوا خنک ميشود که دراينصورت به آن لميناسيون اکستروژني اطلاق ميگردد. در خط پوشش دهي اکستروژني تجهيزات ذيل بکارميروند.
- مخروطي خوراک
رزين
- اکسترودر
- ماتريس
- غلطک خنک کننده
- غلطک پشتيبان
- کلاف ساز و کلاف بازکن
در فرآيند پوشش دهي اکستروژني اکسترودر گرانولهاي جامد ترموپلاستيک را بصورت مذاب
يکنواخت درمي آورد و درطول آن يک مارپيچ با حرکت چرخشي مذاب را به سمت جلو حرکت
ميدهد. طول و قطر اکسترودر و مارپيچ آن و نسبت اين دو بستگي به نوع ماده
ترموپلاستيک دارد. ماده مذاب از يک ماتريس نهايي عبورميکند که وظيفه آن کنترل
ضخامت و شکل پوشش ميباشد. ماتريسهاي مورداستفاده معمولا بصورت تخت بوده و لبه هاي
آنها قابل تنظيم ميباشد.
بعد از ماتريس قسمت
خنک کننده قرارميگيرد که باعث ژل شدن مذاب و حفظ شکل اوليه آن ميگردد. قسمت خنک
کننده معمولا جزو عوامل محدودکننده سرعت عمليات بشمارميرود.
پوششهاي خشک و بدون چسبندگي بعد عبور از ماتريس بين دو غلطک قرارميگيرند که جنس
يکي از آنها استيل بوده و در اثر چرخش آب خنک ميشود و غلطک ديگر با روکش لاستيک
ميباشد. بالا بودن قطر غلطک خنک ساز باعث ايجاد سطح تماس بزرگ و کافي براي کاهش
زمان خنک سازي پوشش ميگردد. براي
پوشش دهي چسبهاي حساس به فشار از روش ساده خنک
سازي با جريان هوا استفاده ميشود.
فرآيند لميناسيون اکستروژني همانند موارد بالا صورت ميگيرد و تنها تفاوت آن
استفاده از لايه مذاب چسب بعنوان پيوندساز بين دو لايه غيرمشابه ميباشد که در
اينصورت چسبندگي به هردولايه ميتواند جزو موارد موثربشماررود.
کاربرد :
.1اغلب
پليمرهاي ترموپلاستيک را ميتوان بعنوان پوشش و توسط فرآيند اکستروژن مورداستفاده
قرارداد. معمولترين رزين پوشش دهي پلي اتيلن سبک LDPE ميباشد ولي ساير هموپليمرها و کوپليمرها هم بصورت وسيعي در اين
فرآيند بکارميروند که از آنجمله ميتوان به HDPE، PP، EVA و کوپليمرهاي اتيلن-اکريليک، پلي آميد و پلي اورتان اشاره نمود.
خواص اوليه موردنياز براي ترموپلاستيکهاي مورداستفاده در فرآيند پوشش دهي
اکستروژني عبارتند از:
- ضريب مذاب بالا (براي نفوذ بهتر و خيس سازي کامل)
- عدم وجود مواد افزودني
- مقدار بهينه آنتي اکسيدانت
- چسبندگي خوب به مواد در سرعتهاي بالاي خط توليد
- قابليت ايجاد فيلم بصورت لايه هاي نازک
پوششهاي مذکور در بعضي موارد بعنوان چسب و لايه اتصال در فرآيندهاي تکميلي و
مونتاژ بکار ميروند و خواصي از جمله قابليت عبوردهي و يا نگهداري گازها و رطوبت و
تقويت سطح و خواص مکانيکي در کاربردهاي خاص از آنها انتظارميرود.
فرآيند کواکستروژن:
کواکستروژن فرآيندي است که از آن براي توليد ساختارهاي چندلايه پليمري استفاده
ميشود. امروزه صنايع غذايي جزو بزرگترين مصرف کنندگان ورقهاي چندلايه براي بسته بندي
بشمارميروند و پتانسيل هاي بالقوه و سودآوري در ساير صنايع بسته بندي براي استفاده از ورقهاي چندلايه
پليمري وجود دارد. در اين ورقها هرکدام از لايه هاي پليمري داراي عملکرد و خواص
جداگانه ميباشند که مجموع اين خواص براي کاربرد نهايي لازم است. براي مثال ممکن
است يک لايه براي نگهداري و حفظ رطوبت و لايه ديگر براي رنگ و زيبايي و لايه اي
ديگر براي افزايش مقاومت در ساختمان اين ورقها بکارروند.
از روش کواکستروژن براي توليد فيلمهاي نرم و سخت بسته بندي استفاده ميشود. براي
مثال بطري هاي سس چندلايه با اين روش توليد ميشوند. در اينورقها از فيلمهاي پلي
اتيلن و پلي پروپيلن براي ايجاد مقاومت و از فيلم هاي EVOH بعنوان لايه حائل استفاده ميشود.
سه عامل اساسي موثر
در ميزان چسبندگي فرآيند کواکستروژن عبارتند از:
1- رئولوژي پليمر
2- نيروهاي بين سطحي
3- خواص مکانيکي چسب
ساختار لميناسيون کواکسترودي معمول براي
بسته بندي لايه هاي پليمري در کواکستروژن
چسب مورداستفاده در اين فرآيند بايد بنوعي انتخاب شود که ويسکوزيته آن مابين
ويسکوزيته دو لايه اتصالي باشد. اغلب چسبها از پلي اولفينها انتخاب شده و براي
تقويت چسبندگي از رزينهايي با گروههاي جانبي فعال استفاده مينمايند .
لايه هاي پيوندي؛ (Tie Layers)
لايه پيوندي عبارت است از يک پليمر يا کوپليمر فرموله شده يا ساده براي اتصال لايه
هاي مورداستفاده در سازه هاي چندلايه. جنس اين لايه ميتواند از کوپليمرهاي
اتيلن-وينيل استات اصلاح شده با گروههاي کربونيل، اسيد، اکريلات و انهيدريد باشد.
از پلي پروپيلن اصلاح شده با گروههاي انهيدريدي هم بهمين منظور استفاده مينمايند.
چسبهاي تهيه شده از مواد PE و PP داراي مقاومت حرارتي بيشتري نسبت به EVA بوده و ميتوان از آنها در بسته بندي موادغذايي که نياز به عمليات
استريليزه و پاستوريزه دارند، استفاده کرد. امروزه لاستيکهاي ترموپلاستيک ازجمله
کوپليمرهاي SBS نيز
کاربردهاي قابل ملاحظه اي در اين صنعت يافته اند.
مهمترين عوامل موثر
براي انتخاب چسبهاي مذکور در کاربردهاي خاص عبارتند از:
- قدرت چسب
- جنس سطوح
- خواص فيزيکي موردانتظار از لايه هاي پيوندي و اتصالات نهايي
- هزينه ها و قيمت نهايي
- خواص ظاهري
- عمليات تکميلي
- پارامترهاي فرآيندي و عملياتي
- نيازها و مولفه هاي عمومي
هميشه بايد درنظرداشت که خواص لايه هاي پيوندي نبايد در عملکرد نهايي ورقهاي
چندلايه اثر منفي داشته باشند و در يک شرايط ايده آل بايد بتوانند خواص مفيد آنها
را هم تقويت بنمايند.