تفاوت‌های اکسترودرهای دوقلو و اکسترودرهای تک‌مارپیچ در فرآوری پی‌وی‌سی

اکسترودر دوقلو رایج‌ترین ماشین‌آلات در صنعت پلاستیک‌های اصلاح‌شده است و به‌طور گسترده در صنعت فرآوری پلیمر و سایر حوزه‌های تولید و پردازش مورد استفاده قرار می‌گیرد. انواع اکسترودر دوقلو را می‌توان به دو دسته کلی درگیرشونده و غیردرگیرشونده تقسیم کرد؛ اکسترودر دوقلو درگیرشونده نیز به دو دسته اصلی چرخش ایزوتروپیک و هتروتروپیک تقسیم می‌شود.

تفاوت در اصل کار بین اکسترودر دوقلو کوآکسیال و اکسترودر تک‌پیچ

ساختار و عملکرد اکسترودر دوقلو ایزوتروپیک بسیار شبیه اکسترودر تک‌پیچ است، اما در اصول کار تفاوت‌های زیادی دارد. عمدتاً در جنبه‌های زیر:

1. حمل‌ونقل اجباری. در جهت چرخش یکسان مارپیچ‌های دوقلو، هنگامی که دو مارپیچ در جهت مخالف سرعت حرکت قرار می‌گیرند، یک مارپیچ ماده را به داخل شکاف شبکه می‌کشد و مارپیچ دیگر ماده را از شکاف بیرون می‌راند. نتیجه این است که ماده از شکاف یک مارپیچ به شکاف مارپیچ دیگر منتقل می‌شود و ماده در امتداد مارپیچ به شکل “∞” به سمت سر دستگاه رانده می‌شود تا حمل‌ونقل اجباری صورت گیرد.
2. همگن‌سازی و اختلاط. در پیچ‌های دوقلوی ایزوتروپ چرخان، درگیری در فاصله بسیار کم است؛ نوک پیچ‌ها و شیار پیچ در جهت مخالف می‌چرخند و سرعت نسبی بالا است، بنابراین ناحیه درگیری دارای سرعت برشی بسیار بالا و نیروی برشی بسیار زیاد است و اثر اختلاط آن به‌طور چشمگیری بهتر از اکسترودر تک‌پیچ و اکسترودر دوقلوی چرخان غیرآیزوتروپ است.
3. خودپاک‌شونده. اکسترودر دوقلو مارپیچی چرخان ایزوتروپیک، به‌دلیل جهت‌گیری معکوس نوک مارپیچ‌ها و اختلاف سرعت شیار مارپیچ‌ها، سرعت نسبی بالایی دارد؛ بنابراین سرعت برشی نسبتاً زیادی ایجاد می‌کند و می‌تواند هرگونه تجمع مواد چسبیده به مارپیچ را پاک کند. این ویژگی اثر خودپاک‌شوندگی بسیار خوبی دارد، به‌طوری‌که زمان ماند مواد بسیار کوتاه می‌شود و احتمال ایجاد تخریب موضعی کاهش می‌یابد.
4. پلاستیک‌سازی مواد. اندازهٔ فاصلهٔ پیچ تأثیر زیادی بر کیفیت پلاستیک‌سازی مواد دارد. هرچه فاصلهٔ پیچ کمتر باشد، نیروی برشی بیشتر می‌شود، اما مقدار ماده‌ای که عبور می‌کند کاهش می‌یابد؛ هرچه فاصلهٔ پیچ بیشتر باشد، مقدار ماده‌ای که عبور می‌کند افزایش می‌یابد، اما نیروی برشی کاهش می‌یابد.
5. فشرده‌سازی ماده. فشرده‌سازی ماده در اکسترودر دوقلو ایزوتروپ بسیار بیشتر از روش دیگر است و اثر کلی آن خوب است.
6. روش شارژ. اکسترودر کوآکسیال دوقلو به تغذیهٔ کمی یکنواخت نیاز دارد؛ از روش تغذیهٔ حجمی با حفره استفاده می‌شود.
7. دریچه تخلیه. در نتیجه تغذیه در حالت گرسنگی، می‌توانید از عناصر انتقال بزرگ‌پیچ‌دار سرب استفاده کنید، به‌طوری‌که شیار پیچ در حالت بدون بار و فشار صفر قرار گیرد و بتوانید بخش تخلیه را مشخص کنید.

کاربرد اکسترودر دوقلو

اکسترودر دوقلو بر اساس تفاوت جهت چرخش دو پیچ به انواع دوقلوی غیرهم‌جهت و دوقلوی هم‌جهت تقسیم می‌شود.

اکسترودر دوقلو مارپیچی هم‌چرخشی دارای درگیری گسترده در اصلاحات فیزیکوشیمیایی رزین ماتریس، مانند پر کردن، تقویت، سخت‌سازی، اکستروژن واکنشی و غیره است.

در صورت استفاده از انواع مواد اولیه پراکنده، باید از اکسترودر دوقلو همگن‌ساز مبتنی بر اختلاط استفاده شود. شکل فوق بردار سرعت چرخش متقابل مارپیچ‌های همگن‌ساز را نشان می‌دهد؛ بنابراین گشتاور چرخش همگن‌ساز مارپیچ دوقلو بسیار بزرگ‌تر از اثر برشی آن است و این دستگاه برای اختلاط و قالب‌گیری PVC مناسب نیست.

در پلاستیک‌های پرکنندهٔ مخلوط‌شده معمولاً از کربنات کلسیم پودری، پودر تالک و دی‌اکسید تیتانیوم استفاده می‌شود. میزان پرکنندهٔ عمومی بین ۳۰ تا ۶۰ درصد و پرکنندهٔ مسترباتچ تا ۸۰ درصد است. از آنجا که پرکننده پودری حاوی مقدار زیادی هواست، در ناحیه ورزش پیچ دستگاه مخلوط‌کن هوا جدا شده و باعث جریان معکوس مواد به داخل شیار پیچ می‌شود، که بر انتقال مثبت پودر تأثیر گذاشته و در نهایت میزان اکستروژن را کاهش می‌دهد.

مثال‌های کاربرد اکسترودر دوقلو: گرانولاسیون تقویت‌شده با الیاف شیشه، ضدسوزاننده (مانند PA6، PA66، PET، PBT، PP، PC با بهبود مقاومت در برابر شعله، و غیره)؛ گرانولاسیون با پرکننده زیاد (مانند PE، PP پرشده با 75% CaCO3.)؛ پیلتی‌سازی مواد حساس به حرارت (مانند PVC، مواد کابل XLPE)؛ گرانول مستربچ رنگی غلیظ (مانند 50% پر شده با پودر رنگدانه)؛ گرانول مستربچ ضد الکتریسیته ساکن، آلیاژها، رنگ‌ها، ترکیب و گرانول‌سازی با پرکننده کم؛ مواد کابل؛ مواد کابل؛ مواد کابل؛ مواد کابل. گرانول‌سازی هم‌تلفیقی پرکننده؛ گرانول‌سازی مواد کابل (مانند مواد روکش، مواد عایق)؛ گرانوله‌سازی مواد لوله‌ای XLPE (مانند مسترباتچ برای کراس‌لینکینگ با آب داغ)؛ اختلاط و اکستروژن پلاستیک‌های گرماسخت (مانند رزین‌های فنولی، رزین‌های اپوکسی، پوشش‌های پودری)؛ گرانوله‌سازی چسب‌های داغ‌ذوب، واکنش اکستروژن PU (مانند چسب داغ‌ذوب EVA، پلی‌اورتان)؛ گرانوله‌سازی رزین‌های K، تبخیرزدایی SBS و غیره.

مزایا و معایب

به دلیل پیچیدگی طراحی ساختاری و فرآیند تولید اکسترودر دوقلو، توسعه نظری آن کامل نیست، اما طراحی ترکیبی اکسترودر دوقلو ایزوتروپیک را می‌توان با اشکال هندسی متنوعی از عناصر رزوه‌ای و بدنه تنظیم و ترکیب کرد و بر اساس تجربه-نظری-عملی-بازرسی بهینه‌سازی نمود تا برای نیازهای مختلف اختلاط و فرمول‌های فرآیندی گوناگون مناسب باشد، که این امر باعث می‌شود اکسترودر دوقلو ایزوتروپیک انعطاف‌پذیری بسیار بالایی داشته باشد. عمدتاً در جنبه‌های زیر:

1. عملکرد اختلاط: با درگیر شدن دو پیچ با یکدیگر و افزودن انواع المان‌های رزوه‌ای بر اساس نیاز، مانند المان‌های ضد رزوه‌ای، المان‌های دیسکی درگیرشونده، المان‌های دیسکی دنده‌دار و غیره، می‌توان برش/اختلاط را به‌طور دقیق تنظیم کرد تا شدت و کیفیت اختلاط (چه اختلاط توزیع‌شده و چه اختلاط پراکنده) به‌طور مؤثر کنترل شود. این چیزی است که یک اکسترودر تک‌پیچ قادر به انجام آن نیست.
2. انعطاف‌پذیری فرآوری: اکسترودر دوقلو با پیچ‌های هم‌گردش معمولاً از تغذیهٔ حجمی (مترینگ) استفاده می‌کند. خروجی آن بستگی به مقدار تغذیه دارد و مستقل از سرعت پیچ است؛ این یک متغیر قابل کنترل مستقل است و بنابراین می‌توان آن را به‌طور انعطاف‌پذیر در دستگاهی با عملکردهای فرآوری متنوع مانند ذوب، اختلاط، تخلیه، واکنش و غیره مدیریت کرد.
3. قابلیت کنترل پارامترهای فرآیند: با توزیع باریک زمان اقامت، انتقال حرارت همرفتی بهتر و پروفایل دمایی دقیقاً کنترل‌شده، اکسترودر کوآکسیال دوپیچ می‌تواند تاریخچه برش-زمان-دما بهتری در اکستروژن به‌دست آورد و انرژی مکانیکی ورودی را در دامنه وسیع‌تری وارد کند، به‌طوری‌که پایداری کیفیت محصول بهتری حاصل شود.
4. کارایی بالاتر تولید فرآیند: عملکرد انتقال با جابجایی مثبت پیچ قادر است طیف وسیع‌تری از مواد اولیه و فرمولاسیون‌های مخلوط را با زمان توقف کوتاه‌تر پردازش کند.
5. اقتصاد بالاتر: به دلیل انعطاف‌پذیری و بهره‌وری بالای فرآیند، می‌توان طیف گسترده‌تری از محصولات نهایی را با درجه بالایی از یکنواختی در کیفیت محصول تولید کرد و سایش پیچ را با تنظیم سرعت پیچ جبران نمود.

تفاوت‌های کلیدی بین اکسترودر دوقلو غیرهم‌محور و اکسترودر تک‌پیچ

اصول ورودی اکسترودر دوقلو غیرهم‌محور چیست؟

در یک اکسترودر دوقلو غیرمتقارن، ماده با جابجایی مثبت مشابه آنچه در پمپ دنده‌ای رخ می‌دهد، منتقل می‌شود. اکسترودر دوقلو غیرهم‌جهت دارای سرعت چرخشی پایین، تولید حرارت برشی کم در مواد و عدم تمایل مواد به تجزیه است، بنابراین به پایداری حرارتی بالای مواد نیاز ندارد و به‌ویژه برای قالب‌گیری و پردازش مواد حساس به حرارت (مانند PVC) مناسب است. در مقایسه با اکسترودر دوقلو ایزوتروپیک، اکسترودر دوقلو آنیستروپیک دارای کارایی انتقال بالاتر، اثر تخلیه و ذوب بهتری است، اگرچه اثر پراکندگی و اختلاط مواد در آن ضعیف‌تر از اکسترودر دوقلو ایزوتروپیک است، اما توانایی ایجاد فشار پایدار در هد قوی‌تر است و بنابراین برای اکستروژن مستقیم محصولات مناسب‌تر است. علاوه بر استفاده از اکسترودر دوقلو غیرهم‌محور به جای اکسترودر تک‌مارپیچی، می‌توان فرآیند گرانولاسیون پیش‌پلاستیک‌سازی را حذف کرده و پودر PVC را به صورت مستقیم اکسترود کرد تا هزینه محصولات کاهش یابد. اکسترودر دوقلو چرخان غیرهم‌محور عمدتاً برای اکسترود کردن لوله‌های PVC، پروفیل‌ها، صفحات و پلت‌سازی استفاده می‌شود. اکسترودر دوقلو موازی غیرهمگرا نیز در خط تولید بزرگ مقیاس لوله HDHDPE به کار گرفته شده است.

اکسترودر مارپیچ دوقلو مخروطی غیرهم‌راستا به‌طور سنتی در اکستروژن محصولات پی‌وی‌سی استفاده می‌شود، اما در سال‌های اخیر نمونه‌های داخلی از به‌کارگیری این اکسترودر برای اکستروژن لوله‌های پلی‌اولفین ارائه شده و عمل نشان داده که تا حد زیادی موفق بوده است. هدف از این اقدام صرفه‌جویی در انرژی است. یک اکسترودر مارپیچ دوقلو مخروطی با بدنه ۶۵ و طول کلی ۱۳۲، قدرت موتور محرک آن تنها ۳۷ کیلووات است، در حالی که در اکستروژن لوله پلی‌اتیلن، مشخصات و خروجی لوله می‌تواند معادل یک اکسترودر مارپیچ منفرد ۷۵ میلی‌متری یا حتی ۸۰ میلی‌متری باشد، و به طور کلی یک اکسترودر مارپیچ منفرد ۷۵ میلی‌متری یا ۸۰ میلی‌متری، حداقل قدرت محرکی معادل ۹۰ کیلووات دارد. کشورهای خارجی در زمینه اکستروژن محصولات با اکسترودر دوقلو موازی غیرمتقارن تجربیات بلوغ‌یافته‌ای دارند. کشورهای خارجی در زمینه اکستروژن محصولات با اکسترودر دوقلو موازی غیرمتقارن، تجربه بلوغ یافته‌ای دارند. جایگزین داخلی، در واقع استفاده از اکسترودر دوقلو مخروطی غیرمتقارن است، یا از نظر هزینه تجهیزات، هزینه ساخت اکسترودر دوقلو موازی غیرمتقارن بالاتر از اکسترودر دوقلو مخروطی غیرمتقارن است.

این روش استفاده قطعاً یک جایگزین ساده نیست، زیرا خواص ذوب‌شدگی و جریان‌پذیری پلی‌اتیلن و PVC تفاوت‌های آشکاری دارند. بنابراین برای اکستروژن محصولات PVC با اکسترودر دوقلو مارپیچی مخروطی غیرمتقارن، لازم است مارپیچ را برای اکستروژن پلی‌اتیلن بازطراحی کرد و سر اکسترودر را نیز متناسب با آن اصلاح نمود. در سال‌های اخیر، برخی افراد سعی کرده‌اند محصولات را با اکسترودر دوقلو ایزوتروپیک (شامل دوقلو مخروطی و دوقلو تخت) اکسترود کنند، و پیشرفت‌هایی در این زمینه حاصل شده است، اما به نظر من از دیدگاه صرفه‌جویی در انرژی، تفاوت چندانی بین اکسترودر دوقلو همگرا و ناهمگرا وجود ندارد و برای اکسترودر دوقلو همگرا، ایجاد فشار پایدار در هد دشوارتر است، که این کار به سادگی استفاده مستقیم از اکسترودر دوقلو ناهمگرا نیست.

تفاوت‌های اصلی بین اکسترودر دوقلو غیرهم‌محور و اکسترودر تک‌پیچ عبارت‌اند از دو نکتهٔ زیر:

1. مکانیزم‌های انتقال آن‌ها متفاوت است. انتقال مواد در اکسترودر تک‌پیچ از نوع جریان کششی است. مواد جامد توسط کشش اصطکاکی و مواد مذاب توسط کشش ویسکوز منتقل می‌شوند. ضریب اصطکاک بین ماده جامد و سطح فلز و همچنین ویسکوزیته مذاب، تا حد زیادی ظرفیت انتقال اکسترودر تک‌پیچ را تعیین می‌کنند. در یک اکسترودر دوقلو با مارپیچ‌های متقابل، مواد از طریق جابجایی مثبت منتقل می‌شوند. با چرخش مارپیچ‌ها، مواد توسط رشته‌های درهم‌تنیده به سمت جلو رانده می‌شوند. ظرفیت انتقال جابجایی مثبت به نزدیکی پره یک مارپیچ به پره مارپیچ دیگر بستگی دارد. اکسترودرهای دوقلوی متقابل با درگیری تنگ، حداکثر جابجایی مثبت را به دست می‌آورند.
2. میدان‌های سرعت آن‌ها متفاوت است. پروفایل سرعت در اکسترودر تک‌پیچ نسبتاً واضح و آسان برای توصیف است، در حالی که وضعیت در اکسترودر دوقلو بسیار پیچیده و دشوار برای توصیف است. این عمدتاً به دلیل وجود ناحیه درگیری در اکسترودر دوقلو است. جریان پیچیدهٔ رخ‌داده در ناحیهٔ درگیری، اکسترودر دوقلو را از مزایای زیادی بهره‌مند می‌سازد، مانند اختلاط کافی، انتقال حرارت یکنواخت، توان ذوب بالا و عملکرد تخلیهٔ مناسب. با این حال، تحلیل دقیق وضعیت جریان در ناحیهٔ درگیری دشوار است.