محاسبات ساده افزایش مقیاس برای بخش مذاب در اکسترودرها

بسپار/ ایران پلیمر هنگام طراحی یا ارزیابی یک ماردان با استفاده از روش‌های ساده‌تر می‌توانید از معادلات ذوب پیچیده اجتناب کنید، در زمان صرفه‌جویی کنید و نتایج خوبی داشته باشید.

 

افزایش مقیاس (Scale-up) یا کاهش مقیاس تک­ماردان­ها برای تغییر برون­داد ماردان، بیش از یک تغییر مقیاس ساده در بخش پیمایش (metering) است. هر بخش ماردان باید جداگانه در نظر گرفته شود و سپس برونداد آن متناسب با برونداد دیگر بخش­ها هماهنگ گردد. به‌عنوان مثال، افزودن طول به یک بخش همراه با کاهش طول سایر بخش­ها است.

اگرچه مقداری ذوب در تمام بخش­های ماردان رخ می‌دهد، اما بیشترین ذوب در بخش فشرده‌سازی (compression) یا جایی­که قطر بدنه ماردان تدریجا کاهش می­یابد و به‌عنوان بخش مذاب شناخته می‌شود، رخ می­دهد. گرمای هدایت شده از بدنه­ی سیلندر، در مقایسه با گرمای ناشی از  اتلاف گرانرو یا برش، اثر به نسبت کمی بر ذوب دارد، به‌جز در سرعت­های ماردان بسیار کم، چراکه نیروی برش کمتر بوده و گرمای کمتری از طریق برش ایجاد می­شود. هنگامی‌که یک فیلم مذاب روی دیواره­ی سیلندر شکل می‌گیرد، دما در فیلم به‌سرعت افزایش می‌یابد، به‌طوری‌که اختلاف دمای کمی برای انتقال گرما از سیلندر به بسپار وجود دارد. علاوه ­بر این، خود بسپار یک عایق عالی است که از انتقال گرما به بسپار ذوب نشده در زیر لایه مذاب شکل گرفته روی دیواره ­ی سیلندر جلوگیری می­کند. به‌عنوان ‌مثال، فولاد 130 برابر رساناتر از LDPE است. هنگامی­که نوع بسپار، ابعاد و سرعت ماردان یکسان است، آهنگ ذوب تا حد زیادی متناسب با سطح بسپار ذوب نشده یا بستر جامدِ در تماس با سیلندر است، چراکه ذوب در نتیجه­ ی اتلاف گرانرو یا برش رخ می­دهد.

Zhev Tadmor و Imrich Klein در کتاب خود با نام Engineering Principles of Plasticating Extrusion، نشان دادند که آهنگ متوسط ​​ذوب در یک کانال مخروطی طبق رابطه 1 محاسبه می­شود.

1.                                                                                          ω = (ΦW^0.5) / (2- (A/ψ))

طبق این معادله، آهنگ ذوب در هر پره کانال مخروطی (ω) برابر است با آهنگ ذوب (Φ) ضرب در جذر عرض بستر جامد (W)، تقسیم بر مقدار 2 منهای آهنگ مخروطی شدن (A)، تقسیم بر نسبت آهنگ ذوب بر آهنگ جریان جرمی به ازای واحد عمق کانال (ψ) است. با وجود این پیچیدگی، تمام اطلاعات برای Φ،A  و ψ در این معادله موجود است یا نسبتا به‌راحتی محاسبه می‌شود، به‌جز W که عرض بستر جامد در کانال (جایی که در تماس با سیلندر است) است. تعیین عرض بستر جامد در تماس با سیلندر در هر محل، یک تحلیل دشوار است و عمدتا تخمین زده می­شود یا تجزیه و تحلیلی از داده‌های فشار دقیقا در شرایط درون بخش مذاب است.

همان‌طور که در شکل 1 نشان داده شده است، عمق کانال به‌طور تدریجی در بخش مذاب کاهش می‌یابد و فشار روی بسپار ذوب شده و ذوب نشده درون کانال اعمال می‌شود. در نتیجه، جامد و مذاب با همان سرعت به پایین کانال حرکت نمی­کنند. به­علاوه، حجم نسبی کانال به دلیل فشرده‌سازی درون کانال تغییر می‌کند. آهنگ ذوب فقط تحت تاثیر عمق کانال نیست، اما ارتباط نزدیکی به سطح سیلندرِ در تماس با بستر جامد دارد. در نتیجه آهنگ ذوب مستقیما با آهنگ جریان یا برون­داد ارتباط ندارد.

شما می‌توانید از یک روش ساده برای تعیین سطح در تماس با بستر جامد استفاده کنید که در واقع آهنگ ذوب واقعی را محاسبه نمی‌کند، بلکه تنها عملکرد ذوب را در یک ماردان نسبت به دیگری مقایسه می‌کند. البته این روش فقط می­تواند برای فراورش یک نوع بسپار استفاده شود. اگر اولین ماردان به­طور رضایت­بخشی با دمای مناسب، ثبات، کیفیت مذاب و عمر ماردان، کار کند، سپس اندازه ماردان دوم را می‌توان با نتایج خوبی مقیاس­گذاری کرد. هم­چنین توصیه می‌شود که افزایش مقیاس به گونه­ای باشد که تغییرات قطر کم باشد.

 

برگردان : دکتر فاطمه خودکار

[email protected]

 

(ادامه دارد…)

 

متن کامل این مقاله را که در شماره   201 ماهنامه بسپار در نیمه تیرماه منتشر شده است، بخوانید.

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید.