انواع حرکت مواد در سیلندر و مارپیچ (ماردون)

انواع حرکت مواد در سیلندر و مارپیچ ؛ کیفیت  قطعات اکسترود شده به طیف وسیعی از عوامل بستگی دارد مانند: نوع ماده تغییر شکل یافته ، نحوه جریان آن در طول فرایند تغییر شکل، نوع  ابزار، حالت تنش، دما، شرایط اصطکاک، نوع روان کننده ها و نحوه استفاده از آنها و غیره.

مواد پلیمری در اثر اصطکاک با فلز موجود در لایه بیرونی اجزای اکسترودر بسیار کندتر از مرکز کانال جریان حرکت می کنند. بنابراین، مشاهده می شود که تغییر شکل در پروفایل سرعت جریان، نتیجه جابجایی های نسبی مواد مذاب پلیمری است که منجر به برش بین لایه های مجاور مواد می شود. بیشترین تغییر شکل در لایه پلیمری در ارتباط با فلز بیرونی ایجاد می گردد، شدت تغییر شکل لایه های کناری اغلب دو برابر لایه های نزدیک به مرکز است. در نهایت این تنش ها باعث توزیع یکنواخت کرنش ، ریز ساختار، اختلاط یکنواخت و یکنواختی  خواص مواد در سطح مقطع محصول می شود. تعداد زیادی از نشریات مربوط به تأثیر نوع فلز بر الگوی جریان و ریزساختار و خواص مکانیکی محصولات اکسترود شده منتشر شده است که در بین آنها آثار Sheppard ، Kusiak et al. ، Libura et al. شایان ذکر است.

بررسی جریان پلیمر در داخل اکسترودر معمولاً بر موضوعات زیر متمرکز است:

الف) انتقال جامد در بخش خوراک

ب) مکانیسم ذوب در اکسترودر

ج) جریان مذاب پلیمر در پره های یک مارپیچ

در قسمت تغذیه پیچ اکسترودر ، تغذیه پلیمر جامد توسط تعادل نیروها کنترل می شود. در عمل ، میزان جریان در سه قسمت پیچ باید مساوی باشد ، یعنی:

Q_feed = Q_compression = Q_metering

جریان مذاب پلیمری در پره های یک پیچ در این تجزیه و تحلیل، تعدادی فرض به شرح زیر انجام می شود:

 مایع نیوتنی است

 جریان ایزوترمال است.

 هیچ لغزش در دیواره سیلندر وجود ندارد.

  تمام پیچ پر است .

 کانال در مقایسه با عرض آن کم عمق است.

 سیال تراکم ناپذیر است.

 الگوی جریان کاملاً توسعه یافته است.

 از تأثیر گرانش می توان غفلت کرد.

 

تجزیه و تحلیل جریان در اکسترودر :

Total flow = Drag flow – Pressure flow – Leak flow

جریان برشی (drag flow):

N: سرعت حرکت مارپیچ

H : عرض کانال

D : قطر مارپیچ

f: زاویه پره با خط محوری

 

جریان فشاری ( Pressure flow):

در این عبارت، جریان فشاری موجود در اکسترودر تابع تغییر فشار در طول اکسترودر و همچنین ارتفاع کانال مارپیچ اکسترودر می­باشد. علاوه بر این دو آیتم می­توان به ویسکوزیته­ی مذاب پلیمری در دمای فرایندی نیز اشاره نمود.

جریان نشتی ( Leak flow ):

در این جریان دو آیتم d به عنوان ارتفاع پره های مارپیچ در نظر گرفته شده و e نیز به عنوان ضخامت پره­های مارپیچ در نظر گرفته شده است. این نوع جریان در محاسبات در مقایسه با دو نوع جریان دیگر نیز نادیده گرفته می­شود.

تا این جا به معرفی دو جریان برشی و فشاری پرداخته شده که در هر کدام از اکسترودرها جریان فشاری بیشتر باشد، میزان اختلاط و زمان ماند بیشتر می­شود . به این شکل که حضور دای در انتهای مسیر جریان مذاب سبب یک جریان فشاری برگشتی از مذاب به سمت عقب می­شود که این جریان سبب اختلاط بیشتر در مذاب گردیده و همچنین هرچه تنش بیشتر و در نتیجه جریان برشی بیشتری در یک اکسترودر  باشد، اختلاط تقویت شده و مذابی یکنواخت در سیستم مشاهده می­­گردد.

اکسترودر های کاربردی در زمینه ساخت محصولات پلیمری شامل تک مارپیچ، دو مارپیچ بوده که هر کدام با توجه به نوع جریان غالب در سیلندر و مارپیچ برای کاربردهای خاصی مورد استفاده قرار می­گیرد. برای مثال اکسترودرهای دو مارپیچ نا همسوگرد تنش برشی زیادی در نقطه ی تماس دو مارپیچ بر مذاب پلیمری وارد می­کند که سبب اختلاطی قوی در مذاب پلیمری می­شود. در حالی که قدرت پمپ مذاب و زمان ماند پلیمر در اکسترودر نسبت به اکسترودر دو مارپیچ همسو گرد بیشتر بوده و مذابی یکنواخت را برای تولید محصول به وجود می آورد.