در این مطلب به بررسی فرایند اکستروژن مواد پرداخته می شود. یکی از مهمترین ویژگی پلیمرها و به ویژه پلاستیک ها سهولت شکل پذیری آنهاست. در بعضی حالات، قطعات نیمه کاملی نظیر ورقه ها یا میله های تولید شده، متعاقباً با استفاده از روشهای متداول ساخت، مانند جوشکاری یا ماشین کاری به قطعه نهایی تبدیل می شود. اما در بسیاری مواقع، قطعه نهایی، علیرغم برخورداری از شکلی کاملاً پیچیده، طی یک مرحله تولید می شود. عملیات حرارت دادن، شکل دادن و خنک کردن ممکن است( مانند تولید لوله به روش اکستروژن) به دنبال یکدیگر و بدون وقفه (Continuous) انجام شود و یا ممکن است طی مراحلی ناپیوسته، زمانگیر و تکرار شونده( مثل عملیات تولید تلفن خانگی به روش قالبگیری تزریقی) صورت پذیرد که در اکثر موارد، فرایند به طور خودکار انجام شده برای تولید انبوه بسیار مناسب است.

طیف وسیعی از روشهای شکل دهی برای پلاستیک ها و پلیمرهای شکل پذیر کاربرد دارد. اکسترودر یعنی مجموعه محفظه و ماردون که می توان به عنوان بدنه و واحد اصلی تولید قطعاتی با اشکال مختلف به کار برد. در بسیاری از حالات انتخاب روش به چگونگی شکل نهایی قطعه و گرما نرم یا گرما سخت بودن ماردون بستگی دارد. دسته بندی اکسترودرهای متداول این دسته بندی شامل گونه های زیر می شود.

اکسترودر تک ماردونه ( One Screw Extruder)

یکی از متداولترین روشهای شکل دهی پلاستیک ها، اکستروژن است که از یک ماردون در داخل محفظه ای تشکیل شده است. ماده اولیه پلاستیک ها به صورت دانه ای شکل (گرانول) یا خاکه نرم از قیف به ماردونه تغذیه می شود. آنگاه در حال حمل به وسیله ماردون در طول محفظه، در اثر هدایت حرارت از طرف گرم کننده های محفظه (Barrel Heaters) و برش ناشی از حرکت بر روی لبه های ماردون گرم می شود. عمق کانال (Channel-Depth) در طول ماردون کاهش یافته و موجب فشرده شدن مواد می شود. در انتهای محفظه اکسترودر، مذاب با عبور از قالبی به شکل مورد نظر برای محصول نهایی در می آید. اکسترودر ماردونه سه قسمت مجزا دارد:

الف) ناحیه تغذیه (Feed Zone): کار این ناحیه، دادن گرمای اولیه به پلاستیک و انتقال آن به نواحی بعدی است. عمق ثابت ماردون طوری انتخاب شود که مواد لازم و کافی را به ناحیه اندازه گیری (Metering Zone) تغذیه کند؛ به طوری که نه دچار گرسنگی شود و نه در اثر زیاد بود ن مواد، لبریز و پس زده شود. طراحی مناسب (Optimum) و متعادل، به طبیعت و شکل مواد تغذیه شونده (Feedstock) ،شکل هندسی (Geometry) ماردون و خواص اصطکاکی پلاستیک نسبت به ماردون و محفظه بستگی دارد. رفتار اصطکاکی مواد تغذیه شده، تاثیر قابل توجهی بر آهنگ ذوب شدن مواددارد.

ب) ناحیه تراکم و فشردگی (Compression Zone): در این ناحیه، عمق ماردونه به تدریج کاهش می یابد که موجب متراکم شدن و فشردگی پلاستیک می شود. این فشردگی دو نقش عمده ایفا می کند؛ یکی آنکه هوای محبوش در داخل مواد را به ناحیه تغذیه می راند و دیگر آنکه انتقال حرارت را با کاهش دادن ضخامت مواد بهبود می بخشد.

ج) ناحیه اندازه گیری و سنجش: در این ناحیه، عمق ماردونه یکسان و ثابت، اما بسیار کمتر از عمق ناحیه تغذیه است. در این ناحیه، مذاب به صورت همگون و یکنواخت در می آید به طوری که با آهنگ ثابتی، در درجه حرارت و فشار یکسان و ثابت، به حدیده تغذیه می شود. این ناحیه به سهولت و سادگی تحلیل و ارزیابی می شود؛ زیرا مشتمل بر جریان مذاب گرانروان در داخل مجرایی با عمق و ابعاد ثابت است.
طول نواحی سه گانه ماردون خاص، بستگی به ماده ای دارد که تحت اکستروژن قرار می گیرد . برای نمونه نایلون خیلی سریع ذوب می شود، به طوری که تراکم و فشردگی مذاب در طول یک گام از ماردون نیز قابل تامین است. اما پلی وینیل کلراید، به حرارت بسیار حساس است و لذا طول ناحیه فشردگی برای آن برابر با طول ماردون است. از آنجا که پلاستیک ها دارای گرانروی های متفاوت هستند، رفتار آنها در خلال اکستروژن نیز متفاوت است.

آهنگ وزنی خروجی واقعی ۲۵% با آنچه نشان داده شده اختلاف نشان می دهد که بستگی به دما، سرعت ماردون و غیره دارد. در اکسترودرهای تجاری، نواحی اضافی برای بهبود کیفیت محصول به ماردون افزوده می شود. به عنوان نمونه، ناحیه اختلاطی (Mixing Zone) مشتمل بر پلکان هایی (Flights) با گام کمتر یا معکوس، به منظور کسب اطمینان از یکنواختی مذاب و کافی بودن آن در منطقه اندازه گیری، استفاده می شود .
در برخی از اکسترودرها ناحیه هواگیری(منفذ خروج هوا) وجود دارد. وجود این ناحیه به این دلیل است که برخی پلاستیک ها جاذب رطوبت(Hygroscopic)  هستند یعنی از محیط اطراف خود رطوبت جذب می کنند و در داخل مذاب، بخار آب محبوس می شود. برای رفع این مشکل راه حل آن است که مواد تغذیه شونده به اکسترودر را قبلاً خشک کنیم. این روش گران و پر هزینه است و امکان آلودگی نیز دارد. روش دوم، استفاده از محفظه های منفذدار (Vented Barrels) است. در اولین قسمت ماردون، مواد که به صورت دانه بندی است، پس از ورود ذوب شده، سپس به طریق معمول فشرده و همگن می شود. آنگاه با ورود به ناحیه غیر فشردگی (Decompression-Zone) ،فشار مذاب به محیط کاهش می یابد؛ این عمل، امکان خروج و گریز بخار و سایر مواد فرار از داخل مذاب را از طریق منفذ تعبیه شده در بدنه اکسترودر فراهم می کند. آنگاه مذاب در طول محفظه به ناحیه دوم فشردگی هدایت می شود تا از محبوس شدن هوا در مذاب ممانعت به عمل آید. دلیل دفع بخار این است که در دمایی برابر با 250 درجه سانتیگراد، بخار آب موجود در پلاستیک مذاب دارای فشاری برابر ۴ مگا نیوتن بر متر مربع است که موجب خروج آسان آن از مذاب و گریز از منفذ خروج می شود. توجه کنید که چون فشار محیط تقریباً ۰.۱ مگا نیوتن بر متر مربع است، استفاده از مکش خلاء (Vacuum) در منفذ خروجی، اثر ناچیزی در خروج بخار و مواد فرار دارد.

یکی دیگر از اجزای مهم اکسترودر، صافی (Gauze Filter) پس از ماردون و پیش از حدیده است. این صافی به صورت کاملاً موثری هرگونه مواد ناهمگون و ناخالص یها را از مذاب جدا می کند . عدم وجود آن حتی ممکن است موجب انسداد حدیده گردد. این صفحات صاف و غربال کننده معمولاً مذاب را تا مقیاس ۱۲۰ تا ۱۵۰ میکرون صاف و تصفیه می کنند. اما شواهد موجود نشان می دهد که ذراتی کوچکتر از مقیاس فوق، موجب شروع ایجاد ترک های مویین در تولیدات پلاستیکی نظیر لوله های تحت فشار پلی اتیلنی می شود . برای چنین مواردی صافی های بسیار ظریفی در مقیاس ۴۵ میکرون به کار می رود که به گونه ای موثر و جالب توجه، کیفیت و عمر مفید محصول را بهبود می بخشد. از آنجا که این صافی های ظریف آسیب پذیر است، توسط صفحه سرعت شکنی (Breaker plate) هدایت می شود. این صفحه تعداد زیادی سوراخهای مماس بر یکدیگر و بسیار تنگاتنگ دارد که بدون اینکه به ذرات جامد سوخته (Dead-Spots) احتمالی همراه با مذاب اجازه ورود دهد، مذاب را عبور می دهد. این صفحه سرعت شکن همچنین جریان مذابی را که پس از خروج به صورت حلزونی در آمده است خطی می کند. چون منافذ این صافی های ظریف به تدریج بسته می شود، پی در پی باز شده، تعویض می شود . در بسیاری از اکسترودرهای پیشرفته با صافی های ظریف، کار تعویض آنها بدون نیاز به توقف اکسترودر صورت می گیرد . همچنین باید خاطر نشان کنیم که اگرچه این وظیفه اصلی صفحه سرعت شکن و صاف نیست؛ اما به ایجاد فشار معکوسی که موجب بهبود اختلاط مذاب می شود کمک می کند. چون فشار در حدیده حائز اهمیت است، شیری (valve) پس از صفحه سرعت شکن در اکسترودر وجود دارد که امکان تنظیم لازم را فراهم می آورد. چگونگی جریان (Mechanism of flow) پلاستیگ با حرکت در طول ماردون به صورت زیر ذوب می شود. نخست لایه نازکی (Thin Film) از ماده مذاب در جداره محفظه تشکیل می شود. با چرخش ماردون این لایه از جداره محفظه کنده شده به قسمت جلوی پیکان ماردون انتقال می یابد و وقتی که به سطح خود ماردون (Core of screw) می رسد، دوباره به طرف بالا جاروب می شود. بدین ترتیب حرکت چرخشی در جلوی پیکان ماردون(پیشانی ماردون) به وجود می آید . در آغاز، پلکان ماردون حاوی دانه های جامد است که در اثر حرکت چرخشی به داخل حوضچه مذاب جاروب می شود. با استمرار چرخش ماردون، مواد بیشتری به داخل حوضچه مذاب ریخته می شود. تا اینکه در نهایت فقط مواد مذاب است که پلکانهای ماردون اکسترودر وجود دارد. در اثنای گردش ماردون در داخل محفظه، حرکت مواد در راستای طول ماردون بستگی به چسبندگی مواد به ماردون یا محفظه دارد. به طور نظری در مرز افراط و تفریط (Extremes) وجود دارد. در یکی فقط مواد به درون ماردون چسبیده است، در نتیجه ماردون و مواد مانند استوانه توپر و جامدی در داخل محفظه می چرخد. در این حالت نامناسب هیچ خروجی وجود ندارد . در حالت دوم، مدار روی ماردون می لغزد و مقاومت زیادی در برابر گردش ماردون در داخل محفظه به وجود می آورد. در این حالت حرکتی در جهت محور دستگاه برای مذاب فراهم می شود که بهترین حالت ممکن است. در عمل، رفتار واقعی، حالتی بین دو واحد است زیرا مواد هم به ماردون و هم به بدنه اکسترودر می چسبد. خروجی مناسب ناشی از به وجود آمدن جریان کشنده و جلو برنده ای (Drag flow) در اثر چرخش ماردون و سکون محفظه است که به حرکت سیال گرانروان بین دو صفحه موازی شباهت دارد که در آن صفحه ای ثابت و صفحه دیگر دارای حرکت است. علاوه بر این، جریان دیگری هم ناشی از اختلاف فشار بین دو انتهای ماردون است وجود دارد وبه این دلیل که حداکثر فشار در انتهای اکسترودر به وجود می آید، جریان فشاری (Pressure flow) خروجی را کاهش می دهد. همچنین به دلیل فاصله (Clearance) که بین پلکانهای ماردون و بدنه اکسترودر وجود دارد اجازه نشتی به مواد در جهت عکس امتداد ماردون داده، به طور موثری خروجی گاز را کاهش می دهد . فرار و گریز مواد به سمت عقب ماردون در حالتی که ماردون فرسوده (Worn) باشد بیشتر است. گرما یا سرمای خارج اکسترودر نیز نقش مهمی در نحوه ذوب شدن مواد ایفا می کند. در اکسترودرهایی که دارای خروجی زیادی هستند، مواد، طول محفظه اکسترودر را سریع می کند. در نتیجه گرمای ذوب شدن کامل در اثر عمل برش تولید می شود و به استفاده از حرارت دهنده های خارجی محفظه اکسترودر نیازی نیست. بنابراین در این حالت اگر گرمای زیادی در مذاب به وجود آمده باشد سرد نگه داشتن محفظه حائز اهمیت است . در برخی مواقع خنک کردن ماردون اکسترودر نیز لازم است که البته اثری بر درجه حرارت مذاب ندارد . اما اثر مالشی(اصطکاکی ) بین پلاستیک و ماردون را کاهش می دهد . در همه اکسترودرها خنک کردن محفظه اکسترودر در ناحیه تغذیه ضروری است و لازم است تا بتوان اطمینان کاملی از تغذیه بدون درد سر مواد به اکسترودر به دست آورد. طبیعت و حالت گرمایی مذاب در اکسترودر با دو حالت ترمودینامیکی مقایسه می شود. اولی حالت بی دررو(Adiabatic) است؛ به این مفهوم که سیستم کاملاً مجزا از محیط خارج است و هیچ جذب و دفع حرارتی در آن رخ نمی دهد. اگر این حالت مطلوب در اکسترودر حاکم نباشد، فقط مقداری کار لازم است روی مذاب انجام شود تا گرمای معین تولید کند که به ازاء آن هیچ ضرورتی به گرم یا سرد کردن دستگاه نباشد . حالت مطلوب دوم، به همدما (Isothermal) موسوم است که در این حالت، درجه حرارت در تمام نقاط مذاب یکسان است و در نتیجه محفظه به گرم کردن و سرد کردن مستمر و دائمی برای جبران هرگونه اتلاف یا اخذ حرارت از مذاب برای ثابت ماندن دما نیاز دارد. در عمل، عملیات حرارتی در اکسترودرها بین دو حالت مرزی فوق قرار دارد. اکسترودرها ممکن است بدون هیچ حرارت دهنده یا سرد کننده خارجی کار کنند. لیکن در واقع در این صورت بی در رو نیست؛ زیرا اتلاف حرارت به وقوع می پیوندد. از طرف دیگر با حالت همدما در تمام طول اکسترودر مواجه نیستیم زیرا دانه های جامد نسبتاً سردی به اکسترودر تغذیه می شود . اما برخی از نواحی اکسترودر ممکن است خیلی نزدیک به حالت همدما باشد. معمولاً ناحیه انداره گیری در بحث و تحلیل همدما در نظر گرفته می شود. در حالت کلی: جریان خروجی از اکسترودر را برآیند سه مولف می دانیم جریان جلو برنده و کشنده جریان فشاری جریان نشتی (Leakage flow)

 

اکسترودر دو ماردونه ( Two Screw Extruder)

در سالهای اخیر استفاده از اکسترودرهای دوماردونه که در داخل محفظه داغ اکسترودر حرکت چرخشی دارد، افزایش یافته است. این دستگاه ها در مقایسه با اکسترودرهای تک ماردونه تفاوتهایی در آهنگ خروجی، بازده اختلاط، حرارت تولید شده و نظایر آن نشان می دهد . خروجی اکسترودر دوماردونه معمولاً سه برابر اکسترودر تک ماردونه ای با همان قطر و سرعت است. اگرچه اصطلاح ماردون دوقلو اصطلاحی بین المللی برای اکسترودرهای دو ماردونه است؛ اما دو ماردون لزوماً یکسان نیستند. در واقع انواع گوناگونی از این دستگاه موجود است . برخی از آنها را که دارای ماردون هایی با گردش در جهت مخالف یا موافق یکدیگر است نشان می دهد و به علاوه ماردونها ممکن است به صورت جفت شده (Conjugated) یا جفت نشده (Non-Conjugated) باشند. در حالت جفت نشده، بین پلکان های ماردون فضای خالی وجود دارد که امکان حضور مواد را نیز فراهم می کند. در اکسترودر دو ماردونه ای با جهت چرخش مخالف یکدیگر، مواد دچار برش و فشردگی می شوند(نظیر آنچه در غلتکرانی رخ می دهد) یعنی مواد بین غلتک هایی با جهت چرخش متفاوت، فشرده می شود . در اکسترودر حاوی دو ماردون با جهت چرخش یکسان، مواد از یک ماردون به دیگری منتقل می شود. این گونه آرایش برای مواد حساس به حرارت کاملاً مناسب است؛ زیرا مواد در اکسترودر به سرعت منتقل می شود بدون اینکه کمترین احتمال ماندگار شدن موضعی (Entrapment) مواد وجود داشته باشد. حرکت مواد در اطراف ماردون های جفت نشده کمتر(کندتر) است ولی نیروی جلوبرنده (Propulsive) بزرگتر است.