دای
دای مغز دستگاه نامیده می شود، زیرا شکل محصول نهایی توسط شکلدهی که در دای انجام می شود، تعیین میگردد. انواع زیادی از دای برای تولید محصولات اکسترود شده گوناگون در دسترس است. چیزی که در تمامی دایها مشترک است، نیاز به طراحی هندسه جریان داخلی مناسب است. اگر دای شکل جریان مناسب را نداشته باشد، امکان تولید محصول پلیمری بر مبنای مشخصات مورد نظر وجود نخواهد داشت.
برای فرایند بهینه، دایها بایستی سیستم کنترل دمایی مجزا داشته باشند. یک ناحیه کنترل دمایی معمولاً برای دایهای کوچک کافی است. دایهای بزرگتر ممکن است چندین ناحیه کنترل دمایی داشته باشند. بعلاوه، عایقسازی اطراف بدنهی دای اغلب به منظور کاهش اتلاف حرارت به هوای محیط و همچنین کاهش حساسیت دمای دای به تغییرات شرایط دمایی محیط مورد استفاده قرار میگیرد (کانتور، ۲۰۰۶).
عوامل مؤثر بر کیفیت عملکرد ماشین اکسترودر تابعی از قطر (D)، طول (L)، گام های پیچ، شکل و خشک بودن دانهها، سرعت چرخش و سرعت حرکت و طرح قالب (دای) است.
۲-۵-۲٫ نواحی عملکردی اکستروژن
در این بخش شش ناحیه در طول اکسترودر تشریح می شود که عملکردهای مختلف سیستم را انجام می دهند. درک نواحی عملکردی ترکیبی از دانش مواد پلیمری همراه با دانش سختافزار اکستروژن میباشد. با حرکت پلیمر در این نواحی عملکردی مختلف و در شکلهای مختلف (به عنوان مثال گرانول، بستری از جامد و یا مذاب)، با اجزای سختافزاری (به عنوان مثال محفظه خوراک، مارپیچ و ماردون) در نواحی عملکردی مختلف برهمکنش می کند. اگر هر یک از این عملکردها به درستی انجام نپذیرد، کیفیت محصول نهایی یا راندمان فرایند اکستروژن ممکن است کاهش یابد. به عبارت دیگر، برای بهینه سازی ظرفیت محصول اکسترودر، هر ناحیه عملکردی بایستی به صورت بهینه عمل کند (کانتور، ۲۰۰۶).
شش ناحیه عملکردی عبارتند از (شکل ۲-۱۶):
انتقال و جابجایی مواد جامد؛
ذوب کردن؛
پمپ کردن مذاب؛
مخلوط کردن؛
گاززدایی (یا رطوبت زدایی)؛
شکلدهی توسط دای (کانتور، ۲۰۰۶).
شکل ۲-۱۶. شش ناحیه عملکردی در اکسترودر
این موارد نبایستی با بخشهای هندسی اکسترودر شامل بخش خوراکدهی، بخش انتقال و بخش اندازه گیری اشتباه گرفته شوند. اگرچه بین بخشهای هندسی و نواحی عملکردی برخی وابستگیها وجود دارد، عملکردها توسط نواحی هندسی محدود نمیشوند. برای مثال، ذوب کردن تنها محدود به ناحیه انتقال نمی شود، ممکن است در بخش خوراکدهی آغاز شده و تا بخش اندازه گیری ادامه یابد. از طرفی، تمامی اکسترودرها شامل هر شش ناحیه عملکردی نمی شود. برخی از اکسترودرها توسط پلیمر مذاب خوراکدهی میگردند و در نتیجه نیازی به ناحیه انتقال جامد و ذوب کردن ندارد، و تعداد زیادی از اکسترودرها نیز ناحیه گاززدایی زا شامل نمیشوند.
۲-۵-۳٫ انواع اکستروژن
۲-۵-۳-۱٫ اکستروژن پروفیل (پروفایل)
پروفیل به شکلی گفته می شود که سطح مقطع ثابت دارد و به روش اکستروژن مذاب از یک دای که در انتهای اکسترودر قرار دارد، تولید می شود. سادهترین شکل دای یک صفحه فلزی است که سوراخ یا سوراخهایی روی آن ایجاد شده است که محصول خروجی از این دای یک میله توپر بوده که قطر آن معادل قطر سوراخ خواهد بود (شکل ۲-۱۷). از آن جا که این عمل در فشار نسبتاً پایین انجام می شود هزینه های تولید در آن پایین میباشد. همچنین با تعبیه کردن یک مانع مناسب در وسط سوراخ محصول خروجی به صورت لوله تو خالی یا تیوب خواهد شد. در نهایت پروفیلهای تولید شده به اندازه مناسب برش میخورند.
شکل ۲-۱۷. دستگاه اکستروژن پروفایل
۲-۵-۳-۲٫ اکستروژن پوششدهی سیم و کابل[۲۹]
برای فرایند پوششدهی سیم لخت و یا کابلی که شامل رشته های زیادی سیم نازک است با توجه به نوع کاربرد از مواد گوناگونی استفاده می شود. در این فرایند سیم لخت در هنگام عبور از دای مخصوص این کار در تماس مستقیم با پلیمر مذاب قرار میگیرد و مذاب پس از پوشش سیم به همراه آن از دای خارج شده و در ادامه فرایند خنک سازی انجام میگیرد تا پلیمر روی سیم تثبیت شود.
۲-۵-۳-۳٫ اکستروژن ورق و فیلم قالبگیری[۳۰]
اکستروژن ورق، مشابه اکستروژن پروفیل است با این تفاوت که دای مورد استفاده به شکل یک روزنه شیاری شکل است. این دای به عنوان دای T شکل یا رخت آویز شناخته می شود. فیلم خارج شده از این دای به سرعت به وسیله غلتکهای مسیر حرکت خود شکل گرفته و عریض می شود و همچنین عملیات سرد شدن و جامد شدن نیز به وسیله غلتکها انجام می شود. طول این نوع دایها بسته به نوع فیلم تولیدی ممکن است به چندین متر برسد. بر حسب ضخامت، محصول خروجی را فیلم یا ورق می نامند (شکل ۲-۱۸)، البته باید گفت تقسیم دقیقی بین این دو وجود ندارد. فیلمهای تولیدی با این روش به فیلمهای ریختهگری شده یا کست فیلم (Cast Film) معروف هستند. ورقهای ضخیمتر تولیدی با این روش برای ترمو فرمینگ یا دای کات (برش قالبی) استفاده میشوند و در صورت لزوم برای بعضی مصارف آنها را مانند جعبههای مقوایی تا میزنند. فیلمهای اکسترود شده نازکتر نیز به صورت یک لایه یا لمینیت شده با سایر مواد، در بسته بندیهای انعطاف پذیر استفاده گسترده دارند.
شکل ۲-۱۸. اکستروژن ورق و فیلم قالبگیری
۲-۵-۳-۴٫ اکستروژن فیلم های جهت یافته
خواص فیلمهای کست یا دمشی و همچنین ورقها را میتوان با جهت یافتگی فیزیکی مولکولهای پلیمر بهبود بخشید. ورقهای کست را میتوان در جهت کار دستگاه به کمک غلتکهایی که سرعت آنها بیشتر از سرعت خروج مذاب پلیمر از دای است، جهت یافته کرد. این عمل معمولاً با عبور فیلم کست از بین مجموعه ای از غلتکها انجام میگیرد، به طوری که سرعت هر غلتک به میزان مشخصی از سرعت غلتک قبلی آن بیشتر است. جهت یافتگی هم در جهت عرضی (Transverse Direction) و یا در هر دو جهت (Biaxial Orientation) انجام می شود، که از این دسته فیلمها میتوان به فیلم BOPP اشاره کرد که دارای خواص فوق العادهای است و کاربرد بسیار زیادی در صنعت بسته بندی دارد. تا سی سال قبل سلفونها بیشترین کاربرد را در صنایع بسته بندی داشتند ولی با ورود فیلم های BOPP به صنعت، این محصول به سرعت جایگزین سلفونها شد. فیلمهای BOPP دارای تکنولوژی بسیار پیچیدهای میباشند و حجم سرمایه گذاری آنها برای احداث یک واحد با ظرفیت اقتصادی حدود ۲۰ میلیون دلار است.
نوع دیگری از فیلمها با نام فیلم ارینت نشده، تخت یا ریختهگری نیز وجود دارند که هم به صورت ورق به روش نورد سرد (فیلم ریخته گری شده) و هم از روشهای متنوع لولهای تهیه می گردند. در هر مورد سرد کردن مذاب موجب می شود تا خواص بصری عالی ایجاد شود. اینگونه فیلمها را از رزینهای هوموپلیمر و کوپلیمر شده تهیه می کنند و معروف و پر کاربردترین آنها فیلم پلیپروپیلن ریختهگری شده CPP یا (Cast Polypropylene Film) است. این فیلم عمدتاً در بسته بندی منسوجات به کار میرود که در آن مجموعه ای از براقیت بالا، مه گرفتگی پایین و عدم خرابی رنگ مورد نظر است. فیلم ریخته گری شده PP برای لفافپیچی کامل کالاهای کاغذی نیز بکار می رود، فیلم ریخته گری شده به عنوان لایه سیل در ساختارهای لمینت مناسب برای حرارت دهی مثل ضد عفونی با اتوکلا و کاربردهای جوشاندن در کیسه نیز به کار میرود. ورق آن در شکل دهی حرارتی برای ظروف قابل ضدعفونی و بسته بندی مواد غذایی بکار برده می شود. از موارد کاربرد این فیلم بستهبندی منسوجات، لفاف پیچی کامل کالاهای کاغذی، شیرینی، شکلات، ماکارونی، سرنگ و لوازم جراحی است.
در هر دو دستگاهی که برای جهت یافتگی به کار می روند دمای پلیمر باید تا حدی بالا باشد. اگر فرایند کشش و سرد سازی به سرعت انجام گیرد، ابعاد اولیه فیلم یا ورق در حافظه آن باقی خواهند ماند و در صورت حرارت مجدد تمایل خواهد داشت به حالت اولیه برگردد که با بهره گیری از این خاصیت فیلمهای جمع شدنی (Shrink Film) تولید می شود. به منظور ارائه تصویر کاملتری از موارد کاربرد فیلمهای پلیمری چند لایه توضیحاتی پیرامون فیلمهای متالایز و فیلم دو سرپیچ (Twist) ضروری به نظر میرسد.
فیلم متالایز فیلمی است که با یک لایه نازک از آلومینیوم پوشیده شده است. به منظور تولید این فیلمها (که عمداتا ازCPP,PE,BOPP میباشد) ابتدا فیلم از حالت رول خارج میگردد تا در معرض بخار آلومینیوم قرار گیرد که در نتیجه لایهای نازک از این بخار روی فیلم را میپوشاند. در پایان لفاف تولید شده نه تنها ظاهری درخشندهتر و جالب توجه دارد بلکه مقاومت بیشتری در برابر نفوذ اکسیژن و بخار آب از خود نشان میدهد.
فیلم دو سرپیچ (Twist) به فیلمهایی اطلاق می شود که خاصیت پیچشی مطلوبی از خود نشان می دهند این فیلمها رفته رفته جایگزین فیلم های PVC مورد مصرف در صنایع تولید شکلات و شیرینی گردیدند که دلیل آن را میتوان در مضرات ناشی از حرارت فیلم های PVC هنگام دوخت بسته بندی دانست.
۲-۵-۳-۵٫ اکستروژن فیلم دمشی[۳۱]
این نوع فیلم به وسیله اکسترود کردن پلیمر از یک دای استوانهای شکل و تبدیل آن به یک حباب استوانهای شکل تولید می شود. با منبسط شدن حباب توسط بادی که از جداره دای خارج می شود، ضخامت مناسب فیلم به دست می آید. با کشیدن حباب باد شده از انتها (بالا) و افزایش پیوسته مذاب پلیمر از ابتدای آن، تولید فیلم نازک پلیمری به صورت پیوسته انجام می شود. جریان هوا در سطح بیرونی حباب علاوه بر این که سبب سرد شدن آن می شود با ایجاد یک بالشتک هوا از انحراف حباب جلوگیری می کند. پس از سرد شدن فیلم، برای تخلیه هوای داخل، آن را از یک شیار عبور می دهند و سپس توسط غلتکهای جمع کننده و کشنده جمع می شود. در برخی کاربردها حباب به صورت تیوب جمع می شود و در برخی موارد دیگر به صورت دلخواه برش خورده و یک سر آن با سیل حرارتی دوخته می شود و به عنوان کیسه پلاستیکی (نایلکس) استفاده می شود. در شکل ۲-۱۹ زیر تصاویری کلی از فرایند فیلم دمشی (Blow Film) آورده شده است.
علاوه بر دستگاههایی که برای کنترل اندازه و شکل استفاده میشوند، سایر واحدهای فرایند مانند چاپ و پوششدهی، شکلدهی و خلاء، برش و دوخت و تازدن را می توان در سیستم پایین دستی فرایند نصب کرد و خطوط تولیدی با محصولات یکنواخت و کامل ایجاد کرد. اکستروژن فیلم دمشی برای تولید تمام فیلم های پلی اتیلن به کار میرود. در این روش میتوان فیلمهایی با عرض زیاد و هزینه کم تولید کرد به عنوان مثال در صورتی که قطر حباب ۲ متر باشد، پس از باز کردن آن سطحی با عرض ۶ متر بدست می آید که اگر بخواهیم این کار را به روش فیلم کَست انجام دهیم بسیار سخت و پرهزینه خواهد بود، همچنین باید گفت فیلمهایی که با مواد اولیه یکسان اما با این دو روش (فیلم دمشی و کست فیلم) تولید میشوند به سبب متغیر بودن مختصات حرارتی و مکانیکی، خواص متفاوتی نیز خواهند داشت. یکنواختی سطح و ضخامت در فیلمهای کست بیشتر از فیلمهای دمشی است، همچنین سرد کردن سریع به کمک غلتکهای سرد باعث تثبیت ساختار مولکولی آمورف (بی نظم) در ساختار مولکولی فیلم کست می شود، لذا فیلم تولیدی نرمتر بوده و شفافیت بالاتری خواهد داشت. در روش فیلم دمشی سرد کردن کند تر صورت میگیرد بنابراین پلیمرهای بلوری مانند PEوPP هنگام خروج از دای کاملاً شفاف و آمورف میباشند، اما قدری بالاتر از خروجی دای، با کاهش دما، پلیمر شروع به بلوری شدن می کند و تغییر از حالت شفاف به مات کاملاً مشخص است. همچنین کنترل ضخامت و یکنواختی سطح در این روش از روش کست فیلم مشکلتر است اما هزینه ماشین آلات و تولید به میزان قابل توجهی در روش اکستروژن فیلم دمشی پایین است و این در صنعت یک مزیت بسیار بزرگ است.
شکل ۲-۱۹. دستگاه اکستروژن فیلم دمشی
۲-۵-۳-۶٫ اکستروژن آمیزه ساز[۳۲]
از این روش برای تولید ترکیبات پیشرفته و بهینه سازی شده پلیمری و مستربچ (رنگدانه) سازی استفاده می شود. این روش اغلب توسط اکسترودرهای قدرتمند که دارای دو پیچ هستند انجام می شود.
فصل سوم
مواد و روشها
۳-۱٫ مواد اولیه
پتاسیم پرسولفات، اتانول، متانول، ۲و۲ دیفنیل-۱-پیکریل هیدرازیل[۳۳]، و ۲-۲ آزینوبیس -۳- اتیل بنزوسیزولین-۶- اسید سولفونیک[۳۴]، ۲-۶ دیکلروفنل ایندوفنل، تیوسیانات آمونیوم، پودر آهن، اسید کلریدریک، کلروفرم، پراکسید هیدروژن، کلرید باریم دو آبه، سولفات آهن هفت آبه، محیط کشت نوترینت آگار[۳۵] و محیط کشت پوتیتو دکستروز آگار[۳۶] از شرکت مرک خریداری شد. محلول رینگر، بیکربنات سدیم از شرکت سیگما خریداری شد. بادام زمینی از بازار محلی مشهد تهیه گردید. پلیمرهای LDPE[37] گرید ۲۰۰، از شرکت ملی صنایع پتروشیمی ایران و سدیم ال آسکوربات از شرکت دای جونگ کره جنوبی خریداری شدند.
۳-۲٫ روش تولید فیلمها
در اولین مرحله پلیمر LDPE به مدت یک ساعت در دمای ۸۰ درجه سانتی گراد، گرمخانه گذاری شد تا رطوبت آنها حذف شود. به منظور تولید فیلمهای فعال، سدیم اسکوربات (به صورت پودری با اندازه ذرات میکرو و نانو) به نسبت ۵، ۱۰ و ۱۵ درصد با پلیمر LDPE مخلوط گردید. فیلم حاصل از پلیمر LDPE به تنهایی به عنوان نمونه شاهد در نظر گرفته شد. فرایند تولید فیلمها با بهره گرفتن از دستگاه اکسترودر دو مارپیچه همسو (مدل ZSK، ساخت کشور آلمان) با قطر پیچ (D) 12 میلیمتر، طول پیچ (L/D) 24 میلیمتر، عرض دای ۲۰۰ میلیمتر و ضخامت ۲۵۰/۰ میلیمتر انجام گرفت. پروفایل دمایی از محل تغذیه تا دای به ترتیب ۱۰۰-۱۰۹-۱۰۹-۱۱۵ درجه سانتی گراد بود (طبق شکل ۳-۱). سرعت چرخش مارپیچ ۴۰ دور در دقیقه بود. پروفایل خارج شده از دستگاه در حوضچه آب سرد تا دمای تقریبی ۱۰ درجه سانتی گراد خنک شد و نوار بدست آمده توسط آسیاب دستگاه به صورت گرانولهای کوچک درآمد. گرانولهای تولیدی در آون فندار با دمای ۸۰ درجه سانتی گراد به مدت دو ساعت گرمخانهگذاری شد تا رطوبت اضافی آن گرفته شود. در مرحله بعد برای تولید فیلم، گرانولهای تولیدی به داخل دستگاه فیلم بلندر (Brabender، ساخت کشور آلمان) منتقل شد. پروفایل دمایی دستگاه به ترتیب از محل ورود مواد تا دای محل خروج ۱۱۰-۱۲۰-۱۲۵-۲۰۰ درجه سانتی گراد و سرعت چرخش مارپیچ ۲/۴۷ دور بر دقیقه بود. در مرحله بعد فیلم با بهره گرفتن از دستگاه کشش و جمع کن، با دور ۲۷ متر در دقیقه کشیده و جمع شد. ضخامت فیلمهای تولید شده ۵/۷ میکرون بود. فیلم-های تولیدی، تحت خلا بستهبندی شده و تا زمان انجام آزمایشات داخل یخچال نگهداری گردیدند.
شکل۳-۱. پروفایل دمایی اکسترودر
علاوه بر تولید فیلمهای فعال سدیم آسکوربات که به اختصار SA-LDPE نامیده می شود فیلم فعال حاوی ذرات نانو سدیم آسکوربات که به اختصار NSA-LDPE نیز به همان روش تولید گردید.
۳-۳٫ تهیه بستههای بادام زمینی
به منظور تهیه پاکتهایی مناسب برای نگهداری بادام زمینی، از فیلمهای تولید شده بستهبندیهایی در ابعاد ۱۰×۱۵ تهیه گردید. دوخت پاکتها با بهره گرفتن از دستگاه دوخت حرارتی خانگی با المنت تک سیم (مدل Vacupack 383، ساخت شرکت KPUPS) انجام شد.
۳-۴٫ آزمونها
۳-۴-۱٫ آزمونهای مربوط به فیلم بسته بندی
۳-۴-۱-۱٫ آزمون مهاجرت
مطالب درباره : بررسی امکان تولید فیلم پلاستیکی فعال گیرندگی اکسیژن بر پایه نمک ...
