$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Wytłaczanie to proces przemysłowy, w którym polimery i inne materiały przekształcają się w określone kształty, takie jak rury i rury do zastosowań tak różnorodnych, jak części samochodowe i zabawki. Jest badany na małą skalę przed zaprojektowaniem maszyn przemysłowych. Typowymi materiałami do wytłaczania są poliolefiny, polietylen i kopolimery. Podczas wytłaczania termiczny materiał plastyczny, znany jako pasza stała, jest transportowany, mieszany i topiony. Substancja jest przepuszczana przez formę zwaną matrycą, po czym stygnie i powraca do właściwości nieelastycznych. Proste wytłaczarki laboratoryjne mogą być wykorzystywane do badania różnych parametrów wpływających na wydajność polimeru przy użyciu modelu prawa potęgowego. Ponadto można ustalić zależności między warunkami pracy a odchyleniami od zachowania teoretycznego, a także kształtem wytłoczyny. Ten film zilustruje, jak działa ekstruder, jak go obsługiwać i jak wykorzystać model prawa potęgowego do oceny procesu.
Wytłaczarka składa się z leja zasypowego, który podaje granulat polimerowy, beczki składającej się z cylindrycznej komory z rezystancyjnymi elementami grzejnymi do kontrolowania różnych stref temperatury oraz śruby śrubowej, która obraca się wokół linii środkowej. Kanały ślimaka są najszersze na podajniku, aby ułatwić mieszanie i topienie. Jednak kanały stają się coraz węższe i płytsze na całej długości śruby. Ślimak został zaprojektowany tak, aby zapewnić stabilny transport z podajnika, przy jednoczesnym uwzględnieniu zmniejszenia objętości i nagromadzenia oraz ciśnienia w miarę topnienia paszy. Zachowanie stopionego polimeru zależy od temperatury, ciśnienia i lepkości, czyli stosunku naprężenia ścinającego do szybkości ścinania. W przypadku większości polimerów lepkość zmniejsza się zarówno wraz z temperaturą, jak i szybkością ścinania, co czyni je płynami nienewtonowskimi. W szczególności stopione polimery są zwykle lepkosprężyste, a ich przepływ jest opisany przez model prawa potęgowego. Prawo potęgowe zawiera dwie stałe empiryczne. M jest modułem lepkości i jest silnie zależny od temperatury. N może się również zmieniać w zależności od temperatury. Stałe potęgowe można obliczyć na podstawie objętościowego natężenia przepływu, ciśnienia i geometrii. Natężenie przepływu ustala się poprzez zważenie wydajności matrycy w dwóch przedziałach czasowych. Teraz, gdy już wiesz, jak działa ekstruder, zastosujmy model prawa potęgowego w prawdziwym eksperymencie.
Materiałem termoplastycznym użytym w tym eksperymencie jest kopolimer polietylenu o wysokiej gęstości, który zawiera ogniwa zarówno etylenu, jak i olefiny o długim łańcuchu. Aby rozpocząć, włącz wydech. Weź granulki polimeru i napełnij lej wytłaczarki. Upewnij się, że wyłącznik silnika jest wyłączony, a następnie ustaw wyłącznik główny w pozycji włączonej. Ustawienia temperatury należy dostosować do używanego materiału. Ustaw temperaturę strefy pierwszej na około pięć do 20 stopni Celsjusza powyżej temperatury topnienia polimeru, która wynosi około 200 stopni Celsjusza. Ustaw temperaturę strefy trzeciej, czyli temperaturę cylindrycznej matrycy, w zakresie od 220 do 250 stopni Celsjusza. Na koniec ustaw temperaturę strefy drugiej tak, aby znajdowała się między strefą pierwszą a trzecią. Sprawdź temperaturę wszystkich ogrzewanych stref, aby zobaczyć, czy osiągnęły żądaną wartość zadaną. Po osiągnięciu nastaw odczekaj co najmniej godzinę, fazę zwaną wygrzewaniem. Wygrzewanie zapewnia stopienie wszelkich resztek stałego polimeru, który w przeciwnym razie może wywierać zbyt wysokie ciśnienie na matrycę, powodując niestabilne przepływy.
Włącz silnik. Ustaw żądaną prędkość za pomocą przełącznika, zaczynając od niskich obrotów. I stopniowo zwiększaj prędkość, gdy polimer wychodzi z matrycy, aż do osiągnięcia najniższej żądanej prędkości. Nie przekraczaj ciśnienia matrycy 3,000 psi. Uruchom ekstruder na 10 minut po osiągnięciu żądanej prędkości. Okresowo sprawdzaj zbiornik, aby upewnić się, że ma wystarczającą ilość granulek żywicy. Wstępnie zważyć szalki, które mają być użyte do pobrania próbki. Załóż rękawice ochronne. Za pomocą nożyczek ostrożnie pokrój bardzo gorący ekstrudat na wstępnie zważoną patelnię i zważ masę polimeru, który został wytłoczony między zmierzonymi odstępami czasu, aby obliczyć natężenie przepływu. Zmierz średnicę taśmy ekstrudowanej za pomocą mikrometru. Za pomocą regulatora prędkości ustaw nastawę na nowe ustawienie i odczekaj 10 minut. Zbierz próbki i dane tak, jak wykonano to wcześniej. Aby uzyskać zestaw danych w różnych temperaturach, zmniejsz prędkość i użyj regulatorów temperatury do dostosowania nastawy stref. Odczekaj 15 minut przed pobraniem próbek.
Wyłącz zarówno wyłącznik silnika ekstrudera, jak i wyłącznik główny. Korzystając z szybkości masowej i gęstości topnienia polimeru, oblicz objętościowe natężenie przepływu, Q. Użyj prawa potęgowego, aby określić moduł lepkości m i indeks prawa potęgowego n, które najlepiej charakteryzują materiał w danej temperaturze matrycy. Łącznikiem między tymi dwoma równaniami jest równowaga pędu, która wiąże naprężenie ścinające ze spadkiem ciśnienia na lufie. Połącz te trzy równania w równanie różniczkowe, które można rozwiązać, aby uzyskać objętościowe natężenie przepływu. Zlinearyzuj to równanie i użyj zarówno regresji liniowej, jak i nieliniowej, aby znaleźć m i n oraz porównać wyniki. Przeanalizujmy teraz dane i sprawdźmy, jak dobrze jest one dopasowane do modelu prawa potęgowego i czy w ogóle jest z nim zgodne.
Regresja liniowa do modelu prawa potęgowego jest widoczna na tym wykresie, który przedstawia zależność między ciśnieniem P a natężeniem przepływu Q. Współczynnik determinacji wskazuje na dobre dopasowanie. Indeks potęgowy n i moduł lepkości m wskazują, że jest to pseudoplastyczność, to znaczy wraz ze wzrostem szybkości ścinania lepkość maleje. Jest ponad 10 milionów razy bardziej lepka niż woda w temperaturze pokojowej i 10 000 razy bardziej lepka niż gliceryna. Wydaje się, że natężenie przepływu ma niewielki wpływ na współczynnik pęcznienia matrycy, ale nie na poślizg polimeru. Podsumowując, pokazuje to, że model prawa potęgowego, w połączeniu z równaniem pędu, odpowiednio opisuje przepływ tego płynu nienewtonowskiego, wskazując na zmiany przepływu i lepkości w odpowiedzi na prędkość i temperaturę śruby.
Istnieje wiele technik wytłaczania, które są wykorzystywane zarówno w procesach przemysłowych, jak i w badaniach laboratoryjnych w celu tworzenia różnych rodzajów produktów, od rur i tworzyw sztucznych po biomateriały. Wytłaczarki przekształcają polimery w proste kształty. Mogą również mieszać niepolimerowe dodatki z mieszanką polimerów. Dodatki są dodawane w celu modyfikacji właściwości mechanicznych produktu końcowego, często nadając mu większą wytrzymałość. Przykłady obejmują plastyfikatory, przeciwutleniacze i środki zmniejszające palność. Dodatki nieorganiczne, takie jak talk czy węgiel, mają ograniczone zastosowanie, ponieważ nie topią się. Wytłaczanie jest również podstawą druku 3D, procesu, w którym atrament termoplastyczny wychodzi z dyszy i osadza się na powierzchni w wielu warstwach, tworząc trójwymiarowy materiał. Ta wszechstronna technika jest badana w zastosowaniach bioinżynieryjnych do biodruku konstruktów komórkowych specyficznych dla tkanek. Innym kluczowym zastosowaniem wytłaczarek jest podawanie produktów do formy wtryskowej, która wtłacza materiał do gniazda formy za pomocą ciśnienia. Jest podobny do odlewania ciśnieniowego. W procesie tym powstają bardziej wyspecjalizowane produkty i dlatego ma ograniczony zakres zastosowania. Oprócz rur, rurek i materiałów opakowaniowych, wytłaczanie jest również powszechnie stosowane w przetwórstwie spożywczym. Produkty, takie jak chleb, makarony, wyroby cukiernicze, płatki śniadaniowe czy karma dla zwierząt domowych, są wytłaczane w ilościach masowych. Produkty o wysokiej zawartości skrobi są powszechnie przetwarzane w procesie wytłaczania żywności ze względu na ich profile wilgotności i lepkości.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do wytłaczania polimerów. Powinieneś teraz zrozumieć proces wytłaczania, jak przepływ, prędkość i temperatura mogą wpływać na proces oraz jak zastosować model prawa potęgowego do jego oceny. Dzięki za oglądanie.
