تکنولوژی و ماشین آلات شکل دهی محصولات چوب پلاست
ماشین آلات محصولات چوب پلاست انواع مختلفی دارد. که در ادامه به بررسی انواع مختلف ماشین الات پرداخته می شود. اصول کلی شکل دهی در تولید پیوسته به این ترتیب است که ابتدا مواد اولیه sizing ( عمل اندازه گیری و افزودن مواد کمکی موردنیاز ) می شوند ؛ سپس مواد اولیه سلولزی در خشک کن تا حد مطلوب (1%) رطوبت خود را از دست می دهند البته عمل خشک کردن در بعضی فرآیندها قبل از اختلاط چوب و پلیمر ودر برخی دیگر از فن آوریهای جدیدتر پس ازآن صورت می پذیرد در مرحله سوم توسط سیستم تغذیه که ممکن است ثقلی باشد یا حجمی ویا … مواد به داخل اکسترودر خوراک دهی می شوند در مرحله بعد خروجی سیستم اکسترودر به صورت گرانول در می آید در نهایت هم گرانول تولید شده با انواع فرآیندهای شکل دهی ترموفرمینگ قالبگیری شده و به محصول نهایی تبدیل می شوند .
اصول کلی شکل دهی در تولید پیوسته :
- عمل سنجش و اضافه کردن مواد افزودنی
- خشک کردن تا رطوبت زیر 1%
- تغذیه به داخل دستگاه اکستروژن
- تولید گرانول WPC
روش های تولید چوب پلاست
اکستروژن : متداول ترین روش شکل دهی این کامپوزیتهای چوب پلاست است قابلیت تولید پیوسته ، انبوه واتوماتیک از مزایای این روش به شمار می روند دربین ماشین آلات فرآیند اکستروژن ، اکسترودرهای دو پیچه همسوگرد واکسترودر های دو پیچه ناهمسوگرد مخروطی ،از تک پیچه ها عمومیت بیشتری دارند . خوراک دهی این اکسترودرها بسته به امکانات وتجهیزات می تواند به صورت مواد اولیه مجزا ، مواد اولیه پیش اختلاط شده ویا گرانول صورت گیرد در این ماشین ذوب مواد دراثرانتقال حرارت از بدنه وبرش ایجاد شده در اثر حرکت پیچ صورت می گیرد . تولیدات این اکسترودرها می تواند به صورت مستقیم به شکل پروفیل های چوب پلاست اکسترود شده مورد مصرف قرار گیرد و یا با استفاده از دستگاه گرانول سازبه صورت دانه های گرانول درآمده ودر سایر فرآیندها مثل تزریق وپرس مصرف شود .
از آنجایی که فیلر مورد استفاده در این کامپوزیت الیاف وپودر سلولزی (چوب پلاست) است که به شدت آبدوست هستند ؛ رطوبت گیری وخشک کردن جهت رسیدن به خواص مکانیکی مطلوب اهمیت بسزایی دارد زیرا عدم رطوبت گیری مناسب نه تنها مانع از اختلاط خوب ذرات چوب وپلیمر می شود بلکه بعد از فرآیند نیز به دلیل حضورآب در سطح مشترک چوب وپلیمر ، چسبندگی بین چوب وپلیمر کاهش می یابد وغیر ازکاهش خواص فیزیکی ومکانیکی قطعه تولیدی باعث می شوند که عمر مفید قطعه به شدت کاهش پیدا کند.
رطوبت موجود در چوب در حین فرآیند تبخیر شده وباعث ایجاد یک فوم نامنظم وایجاد حفره و نقص در قطعه تولیدی می شود همچنین چوب دارای دانسیته و پایداری حرارتی پایین است و اندازه ذرات محدوده گسترده ای دارد ( از نظر یکنواختی ابعاد ذرات) که در مرحله تغذیه وانتقال بر مشکلات فرآیند می افزاید.
یکی دیگر از چالش های اساسی در فرآیندهای شکل دهی ، افزایش ویسکوزیته ومحدودیت دمای فرآیند می باشد که به دلیل جلوگیری از تخریب حرارتی مواد لیگنوسلولزی موجب کاهش مقاومت مذاب وکاهش کیفیت قطعه وشکست سطحی مذاب می شود کمک فرآیندها ، روان کننده ها وعوامل جفت کننده مهمترین ابزارغلبه بر این مشکل به شمار می روند در ضمن باید یاد آوری کرد که درحین فرآیند ، دما نباید در هیچ نقطه ای از 180 درجه سانتی گراد تجاوز کند زیرا در دمای بالاتر تخریب حرارتی الیاف سلولزی آغاز می شود.
البته با پیشرفت فن آوری ، دربعضی از تکنولوژی ها تولید نیازی به خشک کن نیست وعمل رطوبت گیری در اکسترودرصورت می گیرد؛ در این اکسترودرها الیاف ویا پودرسلولزی با رطوبتی در حدود 15% وارد شده و بعد از طی مسیر مورد نظر جهت رطوبت گیری و رسیدن به رطوبت مورد نیاز عمل اختلاط بین پلیمر وچوب آغاز می گردد از مزایای این روش نسبت به عمل خشک کردن قبل از ورود به اکسترودر ، کاهش هزینه تولید و عدم نیاز به استفاده از الیاف رطوبت گیری شده می باشد.
همان طور که ذکر شد برای رفع مشکلات فوق از روان کنده ها وعوامل جفت کننده استفاده می شود که در بخش مواد افزودنی به تفصیل در مورد این ترکیبات صحبت خواهد شد
همانطور که بیان شد متداول ترین روش برای تولید کامپوزیت چوب پلاست استفاده از ماشین اکسترودر می باشد در ادامه به تشریح انواع اکسترودر و تکنولوژی های متداول این ماشین آلات می پردازیم
انواع اکسترودر و تکنولوژیهای متداول
اکسترودر های تک پیچه (اکسترودر پروفیل) :
اکسترودر تک پیچه به فراوانی درفرآیند ترموپلاستیک ها استفاده می شود ، این اکسترودرها از سه ناحیه تغذیه ، تراکم وفشردگی و اندازه گیری وسنجش تشکیل شده اند ؛ قیمت این دستگاه ها به نسبت سایر اکسترودرها پایین تر می باشد به ندرت از این دستگاه جهت فرایند کامپوزیت چوب پلاست استفاده می شود از معایب این دستگاه به اختلاط ضعیف مواد زمان اقامت گسترده ودبی پایین آنها می توان اشاره کرد. در مواردی که ماده اولیه به صورت ذرات گرانول تغذیه شده باشد مشکل اختلاط وجود ندارد ولی در دبی بالا احتمال سوختن الیاف وجود دارد .
مقاطع مختلف در انواع پروفیلهای تولید شده با دستگاه اکسترودر
برای آشنایی بیشتر با ماشین اکسترودر در تصویر زیر قسمتهای مختلف یک اکستروژن به صورت شماتیک نشان داده شده است .
اکسترودر دوپیچه همسوگردبعنوان ماشین آلات محصولات چوب پلاست: بعنوان ماشین آلات محصولات چوب پلاست:
جهت اختلاط عموما از اکسترودرهای دوپیچه استفاده می شود نوع همسو گرد اختلاط بهتری را ایجاد می کند اما تنش برشی ایجاد شده در آن بالاست ولذا برای مواد حساس به برش مانند PVC معمولا استفاده نمی شوند زمان اقامت در نوع همسو گرد بالاتر از نوع نا همسو گرد است زیرا بیشتر جریان مواد در انتقال ازیک پیچ به پیچ دیگر صورت می گیرد این مساله سبب اختلاط بهترووتوزیع زمان اقامت پهن ترمی گردد نمای شماتیک الگوی جریان مواد در داخل اکسترون در شکل ذیل به خوبی نشان داده شده است.
در این اکسترودر ها مواد از یک پیچ به پیچ دیگر در مسیری به شکل 8 منتقل می شوند بدون اینکه کمترین احتمال ماندگار شدن موضعی وجود داشته باشد.
از جمله اکسترودر های دو پیچه همسو گرد موجود در بازار به موارد زیر می توان اشاره کرد :
شرکت ایتالیایی Bausano اکسترودر دو پیچه همسو گردی خاص کامپوزیت های چوب پلاست طراحی نموده است که برای پلی اولفین ها مناسب می باشد .
این سیستم نیاز به زطوبت گیری قبل از فرآیند را ندارد ودر حین اکسترود کردن توسط وکیوم رطوبت را که تبخیر شده مکش می کند و از سیستم خارج می سازد همچنین این خط مجهز به یک دستگاه اختلاط خشک می باشد که قبل ازاکستروژن مواد در داخل آن مخلوط می شوند در ضمن خوراک پلیمر این دستگاه باید به صورت پودر باشد .
شرکت امریکایی Entek نیز دستگاه دو پیچه همسوگرد مخصوص کامپوزیت های چوب پلاست برپایه پلی اولفین ها طراحی کرده در این جدول قطرپیچ و دبی آنها ذکر شده است :
|
-
اکسترودر دوپیچه ناهمسوگرد موازی بعنوان ماشین آلات محصولات چوب پلاست:
اکسترودرهای دوپیچه ناهمسوگرد موازی عموما در تولید پروفیلهای در وپنجرهPVC بکار می روند اختلاط در پیچ های نا همسوگرد به نسبت ضعیفتر از نوع همسو گرد است درناهمسو گردها بیشتر جریان در فضای بین دو پیچ در حرکت است وانتقال مواد از یک پیچ به پیچ دیگر کمتر صورت می گیرد . این مساله سبب اختلاط ضعیف تر وزمان اقامت کوتاهتر و توزیع زمان اقامت باریکتر نسبت به نوع همسوگرد می شود .
درجدول زیر مقایسه کلی بین انواع اکسترودرهای دوپیچه همسوگرد و ناهمسوگرد ارائه می شود
| نوع ساختار | مزایا | معایب |
| همسوگرد
در هم فرو رفته حجم بزرگ
همسوگرد
در هم فرو رفته حجم نرمال |
· کنترل دمایی آسان
· خود تمیز کنندگی عالی · اختلاط وپراکنش عالی · اختلاط عرضی وطولی بالا · امکان ایجاد فشار وخلا بالا · امکان ایجاد زمان اقامت بالا تا 6 دقیقه
· کنترل دمایی آسان · خود تمیز کنندگی عالی · اختلاط وپراکنش عالی · اختلاط عرضی وطولی بالا · امکان ایجاد فشار وخلا بالا · امکان ایجاد زمان اقامت بالا تا 6 دقیقه · کنترل فشار عالی · امکان ایجاد توان موتوربالا از ابتدا
|
· تنها با توان موتور پایین قابلیت شروع به کار را دارد .
· ماشین آلات گران قیمت · برای تولید با حجم کم صرفه اقتصادی ندارد
· تنها زمانهای اقامت کمتر از 7دقیقه اقتصادی است · به علت ظرفیت پایین تولید فشار، کنترل فشار محدود است
|
| نا همسوگرد
حجم نرمال در هم فرو نرفته
نا همسوگرد حجم نرمال در هم فرو رفته
|
· اختلاط وپراکنش مناسب
· اختلاط عرضی وطولی عالی · کنترل فشار مناسب · کنترل دمایی مطلوب · امکان ایجاد توان بالای موتور از ابتدا
· خودتمیز کنندگی عالی · اثرات پخش کنندگی خوب · امکان کنترل فشاری خوب · امکان ایجاد فشار بالا وخلا · امکان ایجاد توان بالای موتور از ابتدا
|
· خود تمیزکنندگی ضعیف · تنها زمان اقامت کمتر از 7 دقیقه اقتصادی است · برای کنترل مناسب فشار باید ماشین آلات دارای طول زیاد باشد · گرانی قیمت تجهیزات وماشین آلات
· اختلاط عرضی متوسط · اختلاط طولی نا مناسب · تنها زمانهای اقامت کمتر از 7 دقیقه اقتصادی است · کنترل دمایی مشکل · ماشین آلات گران قیمت هستند . |
ماخذجدول : « گرمابی ح . ولشگری س. 1385 مقاله ارایه شده در سمینارچوب پلاست دانشگاه امیر کبیر»
-
اکسترودرهای دو پیچه نا همسو گرد مخروطی بعنوان ماشین آلات محصولات چوب پلاست:
سیستم های جدید (Counter Roating Twin Screw Extruder ConicalIntermeshing ) اکسترودرهای دوپیچه مخروطی ناهمسوگرد ومتداخل را برای فرآیند کامپوزیتهای چوب پلاستپیشنهاد می کنند .این سیستم دارای زمان اقامت کوتاه وتوزیع اقامت باریک است که سبب کنترل دمایی خوب وبه حداقل رسیدن تخریب حرارتی می گردد. این مساله برای مواد حساس مثل PVC و چوب یک مزیت بزرگ به شمار می رود .
قطر زیاد مارپیچ وسطح تماس زیاد در منطقه تغذیه به انتقال مخاوط دارای درصد چوب بالا کمک می کند شکل مخروطی در سرعت پایین ، گشتاور وفشار بالا ایجاد می کند که سبب فشردگی وآغشتگی بهترذرات چوب می شود به علاوه قطر کم ناحیه metering سبب تامین جریان ویسکوز لازم دای می گردد شکل زیر نمای شماتیک قسمت ماردون (پیچ) اکسترودر دو پیچه مخروطی را نشان می دهد . این دستگاه برای اولین بار توسط شرکت اطریشی Cincinnatti برای کامپوزیتهای چوب پلاست بانام تجاری FiberexT ساخته شد وقابلیت فرآیند های PP ,PE ,PVC را دارد.
اکسترودرهای FiberexT به طور ویژه برای تولید کامپوزیت چوب پلاست طراحی شده اند ودارای ویژگی هایی به شرح زیر می باشند :
- سری اکسترودرهای FiberexT 35 _ 92 برای تولید 50 تا 1000کیلوگرم در ساعت مناسب هستند.
- روشهای خوراک دهی متنوع از جمله مخلوط آماده ، گرانول چوب پلیمر، واکستروژن مستقیم مواد خام ، امکان استفاده از این اکسترودرها رابرای هر نوع خوراک اولیه فراهم می سازد.
- امکان گاز گیری تا 8% رطوبت را برای کامپوزیت های با 30 تا 90درصد چوب فراهم می کند .
- قسمتهای قابل تعوبض خوراک دهی ، توزین ،گازگیری وماردون از ویژگی های این ماشین می باشد
- بیش از 30 طراحی مختلف ماردون برای الیاف وجود دارد وتوان کار با انواع پلیمر از پلیمرهای طبیعی مثل نشاسته تاPP,PVC ,PE را دارد .
-
سایر دستگاه های اکسترودر ساخته شده
اکسترودرهای دیگری به نام Wood Truder توسط شرکت Davis Standard ساخته شده که شامل یک اکسترودر دو پیچه ویک اکسترودر تک پیچه است که قابلیت فرآیندPE, PP PVC را دارد.
در این سیستم ابتدا پودر چوب به تنهایی وبدون اینکه رطوبت گیری شود و یا با پلیمرمخلوط گردد به ناحیه تغذیه انتقال یافته ودر مسیر گرم شده و رطوبت خود را از دست می دهد سپس پلیمر مذاب به صورت جانبی از اطراف اکسترودر به داخل تزریق می شود وبا ذرات چوب مخلوط می گردد ، در این سیستم به دلیل اینکه پلیمر در حالت مذاب با پودر چوب مخلوط می شود امکان استفاده از اشکال دیگر پلیمر مثل گرانول ومواد بازیافتی وجود دارد.
در این سیستم پس از اختلاط رطوبت اضافی توسط ناحیه گاز گیر که مجهز به سیستم وکیوم است خارج شده وآنگاه مخلوط وارد ناحیه سنجش می شود در این منطقه از اکستروژن دما معمولی است تا ازتخریب حرارتی و سوختن مواد در آن جلوگیری شود در مقایسه با دیگر اکستروژنها این سیستم نیاز به تجهیزات و انرژی بیشتری دارد ( تصویر زیر).
مهندسان شرکت ژاپنی Ein متد جدیدی را برای خروج کامل رطوبت از چوب ابداع کرده اند در این روش به جای حرارت دهی مستقیم ازحرارت حاصل از انرژی چرخشی استفاده می شود همجنین آنها برای روشی را یرای پاشش مذاب پلیمر بر روی سطح ذرات چوب به ثبت رسانده اند.
محصولات تولیدی آین شرکت با نام تجاریEIN WOOD توسط اکسترودر و ازطريق تزریق با فشار بالا ساخته می شود ( تصویرزیر) و درصد مواد لیگنوسلولزی آن از 51% برای PVC سخت تا 60% برای PVC نرم متغیر است ، درضمن این خط توانایی استفاده از ضایعات چوب پلاست را نیز دارد.
اکسترودرهای Conex :
اکسترودرهای جدیدی هستند که از دو روتورچرخنده مخروطی تشکیل شده اند ودر هر دوطرف روتورهای چرخنده استاتور قرار گرفته وهر روتور با ماردون های مجزا خوراک دهی وکنترل می شود . روتورهای مخروطی از شیارها وحفرات (sigments) تشکیل شده اند .
وقتی مواد وارد قسمت داخلی روتور می شود پس ازطی کردن مسیرشیارهای داخلی به حفره می رسد وبعداز عبوراز حفره ماده وارد شیار خارجی می شود وبا چرخش روتور به حفره بعدی می رسد واز این راه ماده دوباره به داخل چرخه وارد می شود وبا تکرار این عمل مواد به صورت کامل با هم مخلوط می شوند .
کیفیت بالا به نسبت هزینه کم از محاسن این تکنولوژِی به شمار می رود و ازجمله دیگر ویژگی های مثبت استفاده از این اکسترودرها ، عدم نیاز به” آمیزه سازی ” یا “Compunding”،عدم نیاز به رطوبت گیری از مواد اولیه مصرفی وامکان استفاده از مواد مصرف شده بازیافتی مثل خرده های پلاستیک ؛ چوب و کاغذ است
همچنین تولید محصول چوب پلاست چند لایه در این اکسترودرها ؛ امکان استفاده از مواد ارزان قیمت برای قسمتهای داخلی پروفیل ومواد خام با کیفیت را درسطح خارجی فراهم می سازد .
همانطور که در بخش پودرهای سلولزی اشاره شد ذرات چوب یا مواد لیگنوسلولزی می توانند در قبل ویا حین فرآیند بسته به نوع دستگاه خشک شوند. به عنوان نمونه شرکت Extrusion Tek Milacron منبع تغذیه ای به نام CM 140 Z ساخته است که می تواند مخلوط پلیمر ومواد لیگنوسلولزی راپیش از ورود به ناحیه تغذیه اکسترودر، پیش گرم کند ورطوبت اضافی را خارج نماید.
محصول اکستروژن پروفیل( تصویر پایین ) و ورق خواهد بود ، با قرار دادن دای های مختلف می توان پروفیل را با اشکال مختلف سطح مقطع و همچنین ورقهای مورد مصرف برای فرآیندهای ترموفرمینگ را تولید کرد.
بدون دیدگاه