4.5: Ekstrüzyon yoluyla güç yasası modelinin gösterilmesi

Bu deney için, yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) ve daha uzun zincirli bir olefinin tipik bir termoplastik kopolimeri (ExxonMobil Paxon BA50, erime sıcaklığı ~204 °C) silindirik bir kalıptan ekstrüde edilecektir.

1. Ekstrüderi başlatın

1. Ekstrüdere güç vermeye hazır olduğunuzda egzozu "AÇIK" konuma getirin.
2. Hazneyi ve ekstrüderi polimer peletlerle doldurun.
3. Motor anahtarının "KAPALI" olduğundan emin olun. Ardından ana şalteri "AÇIK" konuma getirin.
4. Panel üzerindeki yukarı/aşağı tuşlarını kullanarak kalıp sıcaklığını 220 - 250 °C arasında, bölge 1 sıcaklığını erime sıcaklığının 5 - 20 °C üzerinde ve bölge 2 sıcaklığını bölge 1 sıcaklığı ile kalıp sıcaklığı arasında ayarlayın.
5. Isıtılmış tüm bölgelerin sıcaklıkları ayar noktalarına ulaştıktan sonra, ekstrüder içindeki polimeri eritmek için en az 1 saat bekleyin. Buna "ısıyla ıslatma" denir ve kritik derecede önemlidir, çünkü eriyikte kalan herhangi bir katı, kalıp üzerinde aşırı yüksek bir basınç uygulayacak ve bu da kararsız akışlara neden olacaktır.

2. Ekstrüderin Çalıştırılması

1. Her iki anahtarı da kullanarak motoru "AÇIK" konuma getirin.
2. İstediğiniz hızı ayarlayın. Düşük bir RPM ile başlayın ve polimer kalıptan çıkarken istenen hıza ulaşılana kadar RPM'yi kademeli olarak artırın. 10 - 100 RPM arasında bir hız aralığı önerilir, ancak bu büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır. Hiçbir koşulda 3.000 psi kalıp basıncını aşmayın. Psi <2,500 psi olmalıdır.
3. İstenilen hıza ulaştıktan sonra ekstrüderi ~10 dakika çalıştırın. Reçine peletlerine sahip olduğundan emin olmak için hazneyi periyodik olarak kontrol edin.
4. Numune almak için bir ölçüm tavasını önceden tartın.
5. Ekstrüdatı makasla keserek ve ölçüm tavasında ölçülen zaman aralıklarında kalıptan çıkanları toplayarak akış hızını ölçün. Kalıp aşırı sıcaktır ve koruyucu eldivenler olmadan dokunulmamalıdır.
6. Ekstrüdatın kütlesini tartın ve ekstrüdat şeridinin çapını bir mikrometre ile ölçün.
7. Motoru farklı bir hıza getirin ve veri toplamadan önce ~ 10 dakika bekleyin.
8. Birden fazla kalıp sıcaklığında çalışıyorsanız, veri toplamadan önce yeni kalıp sıcaklığına ulaşıldıktan sonra 15 dakika bekleyin. Geçiş sırasında polimer israfını önlemek için kalıp sıcaklığını yükseltirseniz başlangıçta hızı düşürün.
9. Farklı çalışma koşulları için akış hızı ölçümlerini tekrarlayın.

3. Ekstrüderin kapatılması

1. İstenen tüm verileri topladıktan sonra, her iki ekstrüder motor anahtarını da "KAPALI" konuma getirin.
2. Ardından ana şalteri "KAPALI" konuma getirin.

Ekstrüzyon, polimerleri ve diğer malzemeleri, araba parçaları ve oyuncaklar gibi çeşitli uygulamalar için boru ve borular gibi tanımlanmış şekillere dönüştüren endüstriyel bir işlemdir. Endüstriyel makinelerin tasarımından önce küçük ölçekte incelenir. Ekstrüzyon için yaygın malzemeler poliolefinler, polietilen ve kopolimerlerdir. Ekstrüzyon sırasında, katı besleme olarak bilinen termal plastik malzeme taşınır, karıştırılır ve eritilir. Madde, kalıp olarak bilinen bir kalıptan geçirilir, daha sonra soğur ve esnek olmayan özelliklere geri döner. Bir güç yasası modeli kullanarak polimer çıktısını etkileyen çeşitli parametreleri araştırmak için basit laboratuvar ekstrüderleri kullanılabilir. Ayrıca, çalışma koşulları ile teorik davranıştan sapmalar ve ekstrüdat şekli arasındaki ilişkiler kurulabilir. Bu video, bir ekstrüderin nasıl çalıştığını, nasıl çalıştırılacağını ve süreci değerlendirmek için güç yasası modelinin nasıl kullanılacağını gösterecektir.

Ekstrüder, polimer granülleri besleyen bir hazneden, farklı sıcaklık bölgelerini kontrol etmek için dirençli ısıtma elemanlarına sahip silindirik bir odadan oluşan bir namludan ve merkez hattı etrafında dönen sarmal bir vidadan oluşur. Vidanın kanalları, karıştırma ve erimeyi teşvik etmek için besleyicide en geniştir. Bununla birlikte, kanallar vidanın uzunluğu boyunca giderek daralır ve sığlaşır. Vida, besleyiciden sabit bir taşıma sağlamak için tasarlanmıştır ve aynı zamanda besleme eridikçe hacim, birikim ve basınçtaki azalmayı hesaba katar. Erimiş bir polimerin davranışı, sıcaklığa, basınca ve kesme geriliminin kesme hızına oranı olan viskoziteye bağlıdır. Çoğu polimer için viskozite hem sıcaklık hem de kesme hızı ile azalır ve bu da onları Newton olmayan sıvılar yapar. Spesifik olarak, polimer eriyikleri genellikle viskoelastiktir ve akışları bir güç yasası modeli ile tanımlanır. Kuvvet yasası iki ampirik sabit içerir. M, viskozite modülüdür ve güçlü bir şekilde sıcaklığa bağlıdır. Ve n ayrıca sıcaklığa göre de değişebilir. Güç yasası sabitleri, hacimsel akış hızı, basınç ve geometriden hesaplanabilir. Akış hızı, kalıp çıkışının iki zaman aralığında tartılmasıyla belirlenir. Artık bir ekstrüderin nasıl çalıştığını bildiğinize göre, güç yasası modelini gerçek bir deneyde uygulayalım.

Bu deneyde kullanılan termoplastik malzeme, hem etilen hem de uzun zincirli bir olefin bağlarını içeren yüksek yoğunluklu bir polietilen kopolimerdir. Başlamak için egzozu açık konuma getirin. Polimer peletleri alın ve ekstrüderin hunisini doldurun. Motor anahtarının kapalı olduğundan emin olun ve ardından ana anahtarı açık konuma getirin. Sıcaklık ayarları kullanılan malzemeye göre ayarlanmalıdır. Birinci bölgenin sıcaklığını, polimerin yaklaşık 200 santigrat derece olan erime noktasının yaklaşık beş ila 20 santigrat derece üzerine ayarlayın. Silindirik kalıbın sıcaklığı olan üçüncü bölgenin sıcaklığını 220 ila 250 santigrat derece arasında ayarlayın. Son olarak, ikinci bölgenin sıcaklığını birinci ve üçüncü bölgeler arasında olacak şekilde ayarlayın. İstenen ayar noktasına ulaşıp ulaşmadıklarını görmek için ısıtılan tüm bölgelerin sıcaklığını kontrol edin. Ayar noktalarına ulaşıldığında, ısıyla ıslatma adı verilen bir aşama olan en az bir saat bekleyin. Isıyla ıslatma, aksi takdirde kalıp üzerinde aşırı yüksek basınç uygulayabilen ve kararsız akışlara neden olabilen herhangi bir artık katı polimerin erimesini sağlar.

Motoru açık konuma getirin. Düşük RPM ile başlayan anahtarı kullanarak istenen hızı ayarlayın. Ve istenen en düşük hıza ulaşılana kadar polimerin kalıptan çıktığı görüldükçe hızı kademeli olarak artırın. 3.000 psi kalıp basıncını aşmayın. İstenilen hıza ulaşıldıktan sonra ekstrüderi 10 dakika çalıştırın. Yeterli reçine peletine sahip olduğundan emin olmak için hazneyi periyodik olarak kontrol edin. Numune toplama için kullanılacak tavaları önceden tartın. Koruyucu eldiven giyin. Makas kullanarak, çok sıcak ekstrüdatı önceden ağırlıklandırılmış bir tavaya dikkatlice kesin ve akış hızını hesaplamak için ölçülen zaman aralıkları arasında ekstrüde edilen polimer kütlesini tartın. Ekstrüdat şeridinin çapını bir mikrometre ile ölçün. Hız kontrol cihazını kullanarak ayar noktasını yeni bir ayara getirin ve 10 dakika bekleyin. Daha önce gerçekleştirilen gibi örnekleri ve verileri toplayın. Farklı sıcaklıklarda veri setini elde etmek için hızı düşürün ve bölgelerin ayar noktasını ayarlamak için sıcaklık kontrol cihazlarını kullanın. Numuneleri toplamadan önce 15 dakika bekleyin.

Hem ekstrüder motor anahtarını hem de ana şalteri kapatın. Polimerin kütle hızını ve eriyik yoğunluğunu kullanarak, hacimsel akış hızını hesaplayın, Q. Belirli bir kalıp sıcaklığında malzemeyi en iyi karakterize eden viskozite modülünü, m'yi ve güç yasası indeksini, n'yi belirlemek için güç yasasını kullanın. Bu iki denklem arasındaki kilit nokta, kayma gerilimini namlu boyunca basınç düşüşü ile ilişkilendiren momentum dengesidir. Bu üç denklemi, hacimsel akış hızı elde etmek için çözülebilecek bir diferansiyel denklemde birleştirin. Bu denklemi doğrusallaştırın ve m ve n'yi bulmak ve sonuçları karşılaştırmak için hem doğrusal hem de doğrusal olmayan regresyonu kullanın. Şimdi verileri analiz edelim ve güç yasası modeline ne kadar iyi uyduğunu ve modelle tutarlı olup olmadığını inceleyelim.

Güç yasası modeline doğrusal regresyon, basınç, P ve akış hızı, Q arasındaki ilişkiyi gösteren bu grafikte görülmektedir. Belirleme katsayısı iyi bir uyum gösterir. Güç yasası indeksi, n ve viskozite modülü, m, bunun bir psödoplastik olduğunu, yani kesme hızı arttıkça viskozitenin azaldığını gösterir. Oda sıcaklığında sudan 10 milyon kat daha viskoz ve gliserinden 10.000 kat daha viskozdur. Akış hızının, kalıp şişme oranı üzerinde hafif bir etkisi olduğu görüldü, ancak polimer kayması üzerinde değil. Özetle, güç yasası modelinin, momentum denklemi ile bağlantılı olarak, bu Newtonian olmayan sıvının akışını uygun bir şekilde tanımladığını, vida hızı ve sıcaklığına yanıt olarak akış ve viskozite değişikliklerini gösterdiğini gösterir.

Borular ve plastiklerden biyomalzemelere kadar çeşitli ürün türleri oluşturmak için hem endüstriyel beceri süreçlerinde hem de tezgah üstü araştırmalarda kullanılan çeşitli ekstrüzyon teknikleri mevcuttur. Ekstrüderler polimerleri basit şekillere dönüştürür. Ayrıca polimer karışımına polimerik olmayan katkı maddelerini de karıştırabilirler. Nihai ürünün mekanik özelliklerini değiştirmek için katkı maddeleri eklenir ve genellikle daha fazla tokluk verir. Örnekler arasında plastikleştiriciler, antioksidanlar ve alev geciktiriciler bulunur. Talk veya karbon gibi inorganik katkı maddeleri, erimedikleri için sınırlı kullanıma sahiptir. Ekstrüzyon aynı zamanda, termoplastik bir mürekkebin bir nozuldan çıktığı ve üç boyutlu bir malzeme oluşturmak için birçok katman halinde bir yüzey üzerinde biriktirildiği bir işlem olan 3D baskının da temelidir. Bu çok yönlü teknik, dokuya özgü hücre yapılarını biyo-baskı yapmak için biyomühendislik uygulamalarında araştırılmaktadır. Ekstrüderler için bir diğer önemli kullanım, ürünleri bir enjeksiyon kalıbına beslemektir, bu da malzemeyi basınç kullanarak bir kalıp boşluğuna zorlar. Kalıp döküme benzer. Bu işlem daha özel ürünler yaratır ve bu nedenle uygulama alanı sınırlıdır. Boru, boru ve ambalaj malzemelerinin yanı sıra ekstrüzyon, gıda işleme için de yaygın olarak kullanılmaktadır. Ekmek, makarna, şekerlemeler, tahıllar veya evcil hayvan mamaları gibi ürünler büyük miktarlarda ekstrüde edilir. Nişasta içeriği yüksek ürünler, nem ve viskozite profilleri nedeniyle gıda ekstrüzyonunda yaygın olarak işlenir.

JoVE'nin polimer ekstrüzyona girişini yeni izlediniz. Artık ekstrüzyon sürecini, akışın, hızın ve sıcaklığın işlemi nasıl etkileyebileceğini ve bunu değerlendirmek için güç yasası modelinin nasıl uygulanacağını anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.