Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

8.5 Különleges extrudercsigák, különleges extruderek

8.5 Különleges extrudercsigák, különleges extruderek

Amint azt a fejezet elején hangsúlyoztuk, az eddig elmondottak az egybekezdéses, állandó menetemelkedésű és fejszalag szélességű háromzónás, magprogresszív csigával dolgozó egycsigás extruderekre vonatkoztak. Annak ellenére, hogy a gyakorlatban ezek a rendszerek a legelterjedtebbek, speciális igények kielégítésére különleges extrudereket fejlesztettek ki. A következőkben ezekből ismertetünk néhányat.

8.5.1 Gáztalanító extrudercsiga

Jóllehet a szintetikus polimerek nedvességfelvétele többnyire nagyon szerény (néha csak néhány tized vagy század százalék), az ebből a feldolgozás hőmérsékletén keletkező gőz, valamint az egyéb gázok bizonyos kényes esetekben (pl. fóliagyártás, kábelszigetelés stb.) erősen ronthatják a termék minőségét. Ennek elkerülésére dolgozták ki az ún. gáztalanító extrudereket, melyek első megoldása az ún. kaszkád extruder volt. Ez nem más, mint két „klasszikus” extruder sorba kapcsolása, melynél az első extruder a polimer ömledéket a második extruder etető részébe táplálja. A nyitott, jobb esetben vákuumozott, (második) garaton a gázok- és gőzök jól eltávolíthatók. Ez a kézenfekvő megoldás üzembiztos termelést eredményez, de meglehetősen drága, és nagy helyigényű. A fejlesztés abba az irányba haladt, hogy a két extruder funkcióját egyetlen speciálisan kiképzett, egy hengerben elhelyezett csigával oldják meg. Az ilyen rendszerű plasztifikáló egységek csigája általában két, egymást követő, hasonló geometriájú csigaszakaszból áll (8.18 ábra). A megoldás lényege az, hogy a „klasszikus” behúzó-ömlesztő-homogenizáló szakaszok után egy dekompressziós szakasz következik.

Gáztalanító extrudercsiga és nyomásviszonyai

8.18 ábra: Gáztalanító extrudercsiga és nyomásviszonyai A, D) behúzó zónák, B, E) kompressziós zónák, C, F) kiszállító zónák pIImax) maximális végső nyomás, pIImin) minimális végső nyomás, g) gázelvitel helye. Látható, hogy az első behúzó szakasz (A) magátmérője nagyobb, mint a második behúzó szakaszé (D), hOII> hOI. A kitoló zónák aránya hasonló (h1II> h1I). L a teljes csigahossz [8.8]

Itt 2–3 meneten keresztül a mag átmérője lecsökken a behúzó szakasz átmérőjének értékére, vagy még kisebbre, ezáltal a hengerben uralkodó nyomás is az atmoszférikus körüli értékre esik. Ennek a szakasznak a közepén megfúrva a hengert, és e furatot vákuumcsatlakozással ellátva, a nem kívánatos légnemű anyagok elvezethetők. Ezután következik a második kompressziós, majd a kitoló szakasz, ahol már – elvileg – gőz- és gázmentes ömledék áramlik. A gyakorlatban alkalmazott számos „trükk” a módszer két hibáját igyekszik kiküszöbölni. Az egyik veszély ugyanis az, hogy a dekompressziós zóna ellenére is ömledék kerül a vákuumvezetékbe, és megszüntetheti a gáztalanító hatást. A másik hibaforrás a gáztalanításhoz rendelkezésre álló kis felületből adódik, aminek eredményeként ismét csak tökéletlenül gáztalanított ömledéket kapunk.

8.5.2 Különleges kiszállító szakaszú csigák

Amint azt már korábban is említettük, a plasztifikáló egység egyik legfontosabb feladata a homogén ömledék előállítása. Nem engedhető ugyanis meg, hogy a szerszámba szilárd, fel nem olvadt részecskék, erősen különböző hőmérsékletű ömledékáramok, nem megfelelően „feltárt”, inhomogén anyagrészek kerüljenek. Ennek érdekében a csiga homogenizáló- vagy kitoló zónáját különleges elemekkel láthatják el, melyek az ömledék tökéletes homogenitását hivatottak biztosítani. A különböző keverő- és nyíróelemek az ömledék áramlásának módosításával, ill. a szűkített résben fellépő nagyobb nyíródeformációval érik el ezt a hatást. Ezeket mutattuk be a keverőextruderek csigáin a 6.10 és a 6.11 ábrán a 177. oldalon.

Meg kell jegyezni, hogy termikusan érzékeny, beégésre hajlamos anyagok feldolgozása esetén fokozott óvatossággal kell eljárni ezen elemek alkalmazásánál.

8.5.3 Ömledék szétválasztó csiga

Az eddig megismert, hagyományos extrudercsiga megoldásoktól teljesen eltér Ch. Maillefer 1959-ben szabadalmaztatott elve alapján előállított ún. ömledék szétválasztó (v. extraháló) csiga (8.19 ábra). Az eljárás alapgondolata az volt, hogy az ömlesztő zónában szét kell választani egymástól a rossz hővezetésű megolvadt polimer ömledéket a még szilárd granulátumtól, ezáltal csökkenteni lehet az ömledék termikus terhelését, meg lehet gátolni a szilárd ágy szétesését, és növelni lehet a plasztifikáló teljesítményt.

A Maillefer-csiga alapelve

8.19 ábra: A Maillefer-csiga alapelve [8.8] a) kis térfogatú horony ömledékszállítása b) mélyebb horony granulátum-ömlesztésre

A Maillefer csiga működési elve röviden a következő. Az ömlesztő zónában egy új, második, ún. elválasztó menet indul, melynek menetemelkedése nagyobb, mint a fő meneté, és úgy van megválasztva, hogy az ömlesztő zóna végére utol is éri azt. (Tehát a kiszállító – v. homogenizáló zónában már ismét csak egy menet van.) Az elválasztó menet fejszalagja és a csigaház belső felülete közti hézag úgy van kiképezve, hogy azon az ömledék át tud jutni (az ömledékcsatornába), a granulátum viszont nem. A második, elválasztó menet nagyobb menetemelkedése azt is biztosítja, hogy a csigacsúcs felé haladva, az olvadás folyamatának megfelelően az ömledékszállító csatorna térfogata nő, a szilárdanyag-szállítóé viszont csökken. A két csatorna térfogatának arányát egyébként a menetmélységekkel is lehet szabályozni.

8.5.4 Moduláris csiga

Amint az az eddigiekből is látszik, az extrudercsigáknak nagyon sok kialakítási formája létezik. Ha ehhez hozzátesszük azt, hogy elvileg minden anyaghoz és minden termékhez más és más csiga kellene, akkor beláthatjuk a variálható – vagy moduláris –csigák kialakítása iránti igény jogosságát.

Az ilyen csigákat ugyanis egy központi tengelyre felfűzött elemekből (modulokból) a kivánalmaknak megfelelően lehet összeállítani. Így – bizonyos határokon belül – változtatható a kompresszióviszony, összeállíthatunk rövid és hosszú kompressziójú, dekompressziós szakasszal, különböző nyíró- és keverőelemekkel, sőt különböző menetprofillal is csigákat.

Moduláris csiga elemei

8.20 ábra: Moduláris csiga elemei

8.5.5 Többcsigás extruderek

Ahogyan azt már az ömledékkeverés technikájánál érintettük (6.2 fejezet, 173. oldaltól) az extruder keverési hatásfokát és szállítóteljesítményét is nagymértékben fokozni lehet az ikercsigás (twin-screw, Doppelschnecken) megoldással.

Az ikercsigás extruzió elsősorban a kemény PVC-porkeverékek feldolgozásánál vált be. Kezdetben csak a behúzó szakaszon alkalmaztak egy ún. segéd-csigát, amely a biztonságos anyagtovábbításra szolgált.

Az itt szerzett kedvező tapasztalatok alapján alakultak ki a plasztifikáló egység teljes hosszában két csigával dolgozó extruderek, melyek jellemzőit röviden az alábbiakban lehet összefoglalni.

Az ikercsigás extuzió alapvető elrendezései

8.21 ábra: Az ikercsigás extuzió alapvető elrendezései a) együttforgó, egymásba hatoló, b) szemben forgó, egymásba hatoló, c) szemben forgó, nem egymásba hatoló [8.8]

A csigák forgásiránya lehet azonos vagy ellentétes. Az azonos forgásirányú csigák menetemelkedése azonos, az ellentétes forgásirányuaké pedig ellentétes irányú (bal-jobb).

A csigák illesztése lehet laza, közepes és szoros. Az ikercsigák általában olyan szoros illesztéssel dolgoznak egymás mellett, hogy meneteikkel a másik csiga menetárkába az illesztési hézag megengedte mértékig belenyúlnak.

Ikercsiga változó menetszárnyakkal

8.22 ábra: Ikercsiga változó menetszárnyakkal [8.1]

Minél mélyebben nyúlnak egymásba a menetek, annál kevesebb anyag tud átjutni a két csiga közti keskeny résen. A nagyobbik, át nem jutott anyaghányad kénytelen a c alakú zárt térben a csigacsúcs felé áramolni. Ez a kényszeráramlás az ellentétes forgásirányú kétcsigás extruderek fő jellemzője.

Kétcsigás extruder szerelés közben

8.23 ábra: Kétcsigás extruder szerelés közben [8.9]

Jóllehet a kényszeráramlás kíméletes plasztifikálást biztosít, a keverő hatás fokozására gyakran megszakítják a menetek folytonosságát, és gyúrótárcsákkal segítik elő a keveredést.

Az ellenkező forgásirányú ikercsigák hajtása egyszerűbb – csak az egyik csigát kell kívülről hajtani, a másikat ez a csiga egy fogaskerék-párral hajtja – de ezeknél szerényebb a nyíróhatás. Az azonos irányban forgó csigák jobb keverést biztosítanak.

Az ikercsigás extruderekben igen nagy nyomások uralkodnak, ezért:

  • 1.) Szállítóteljesítményük jelentősen meghaladja az egycsigás extruderekét, ezért alkalmasak pl. nagy átmérőjű csövek gyártására.

  • 2.) A nagy igénybevétel miatt nem mindig engedhető meg a tengely elvékonyítása. Ilyenkor a kompressziót a menetemelkedés szögének csökkentésével vagy a fejszalag szélességének növelésével lehet biztosítani. (8.22 ábra)

Ezek a berendezések meglehetősen drágák.

Az egymásba hatoló menetszárnyú ikercsigás extruder hatékonyságának felismerésén felbátorodva hozták létre a bolygócsigás extrudereket, amelyeket a 6.2 fejezetben ismertettünk (180. oldal, 6.15 ábra).