ההיסטוריה של מכונות שחול פלסטיק

שחול פלסטיק הוא תהליך ייצור בנפח גבוה שבו פלסטיק גולמי מותך ויוצר פרופיל רציף. אקסטרוזיה מייצרת פריטים כמו צינורות/צינורות, פסי מזג אוויר, גידור, מעקות לסיפון, מסגרות חלונות, סרטי פלסטיק ויריעות, ציפויים תרמופלסטיים ובידוד תיל.
תהליך זה מתחיל בהזנת חומר פלסטי (כדורים, גרגירים, פתיתים או אבקות) מתוך הופר לתוך חבית המכבש. החומר נמס בהדרגה על ידי האנרגיה המכנית שנוצרת על ידי סיבוב ברגים ועל ידי תנורים המסודרים לאורך הקנה. לאחר מכן הפולימר המותך נאלץ לתוך תבנית, אשר מעצבת את הפולימר לצורה שמתקשה במהלך הקירור.

הִיסטוֹרִיָה

שחול צינורות
המבשרים הראשונים למכבש המודרני פותחו בתחילת המאה ה-19. בשנת 1820, תומס הנקוק המציא "לעיסה" גומי שנועד להחזיר שאריות גומי מעובדות, ובשנת 1836 פיתח אדווין צ'אפי מכונה עם שני גלילים לערבב תוספים לגומי. השחול התרמופלסטי הראשון היה בשנת 1935 על ידי פול טרסטר ואשתו אשלי גרשוף בהמבורג, גרמניה. זמן קצר לאחר מכן, רוברטו קולומבו מ-LMP פיתח את מחלצי הברגים הראשונים באיטליה.

תַהֲלִיך
בשיחול של פלסטיק, חומר התרכובת הגלם הוא בדרך כלל בצורה של חרוזים (חרוזים קטנים, הנקראים לעתים קרובות שרף) המוזנים מכוח הכבידה מהופר המותקן עליון לתוך הקנה של האקסטרודר. לעתים קרובות נעשה שימוש בתוספים כגון חומרי צבע ומעכבי UV (בנוזל או בצורת גלולה) וניתן לערבב אותם בשרף לפני ההגעה לבור. לתהליך יש הרבה מן המשותף עם הזרקת פלסטיק מנקודת הטכנולוגיה של האקסטרודר, אם כי הוא שונה בכך שהוא בדרך כלל תהליך מתמשך. בעוד ש-pultrusion יכול להציע פרופילים דומים רבים באורכים רציפים, בדרך כלל עם תוספת חיזוק, הדבר מושג על ידי משיכת המוצר המוגמר מתוך התבנית במקום להוציא את נמס הפולימר דרך תבנית.

החומר נכנס דרך גרון ההזנה (פתח ליד החלק האחורי של הקנה) ובא במגע עם הבורג. הבורג המסתובב (בדרך כלל מסתובב ב-120 סל"ד למשל) מאלץ את חרוזי הפלסטיק קדימה לתוך הקנה המחומם. טמפרטורת האקסטרוזיה הרצויה היא לעתים נדירות שווה לטמפרטורת הקבוע של החבית עקב חימום צמיג והשפעות אחרות. ברוב התהליכים, נקבע פרופיל חימום לחבית בו שלושה או יותר אזורי חימום עצמאיים הנשלטים על ידי PID מעלים בהדרגה את טמפרטורת החבית מאחור (שם נכנס הפלסטיק) לחזית. זה מאפשר לחרוזי הפלסטיק להימס בהדרגה כשהם נדחפים דרך החבית ומוריד את הסיכון להתחממות יתר שעלולה לגרום לפירוק בפולימר.

חום נוסף תורם מהלחץ והחיכוך האינטנסיביים המתרחשים בתוך החבית. למעשה, אם קו אקסטרוזיה פועל בחומרים מסוימים מהר מספיק, ניתן לכבות את המחממים ולשמור על טמפרטורת ההיתוך על ידי לחץ וחיכוך בלבד בתוך החבית. ברוב המכבשים, מאווררי קירור קיימים כדי לשמור על הטמפרטורה מתחת לערך שנקבע אם נוצר יותר מדי חום. אם קירור אוויר מאולץ אינו מספיק, משתמשים במעילי קירור יצוקים.

מכבש פלסטיק חתוך לשניים כדי להציג את הרכיבים
בחלק הקדמי של החבית, הפלסטיק המותך עוזב את הבורג ועובר דרך חבילת מסך כדי להסיר כל מזהמים בהמסה. המסכים מחוזקים על ידי לוחית מפסק (פאק מתכת עבה עם חורים רבים שנקדחו דרכו) שכן הלחץ בנקודה זו יכול לעלות על 5,000 psi (34 MPa). מכלול חבילת המסך/לוחית המפסק משמשת גם ליצירת לחץ אחורי בקנה. נדרש לחץ אחורי להמסה אחידה וערבוב נכון של הפולימר, וניתן "לשנות" את כמות הלחץ שנוצר על ידי שינוי הרכב חבילת המסך (מספר המסכים, גודל אריגת התיל שלהם ופרמטרים נוספים). שילוב צלחת מפסק וחבילת מסך מבטל גם את "זיכרון הסיבוב" של הפלסטיק המותך ויוצר במקום זאת "זיכרון אורך".
לאחר מעבר דרך צלחת המפסק נכנס פלסטיק מותך למות. המט הוא זה שנותן למוצר הסופי את הפרופיל שלו ויש לתכנן כך שהפלסטיק המותך יזרום באופן שווה מפרופיל גלילי, לצורת הפרופיל של המוצר. זרימה לא אחידה בשלב זה יכולה לייצר מוצר עם מתחים שיוריים לא רצויים בנקודות מסוימות בפרופיל שעלולות לגרום לעיוות בעת הקירור. ניתן ליצור מגוון רחב של צורות, מוגבל לפרופילים רציפים.

כעת יש לקרר את המוצר וזה בדרך כלל מושג על ידי משיכת האקסטרוד דרך אמבט מים. פלסטיקים הם מבודדים תרמיים טובים מאוד ולכן קשה לקרר אותם במהירות. בהשוואה לפלדה, פלסטיק מוליך את החום שלו פי 2,000 לאט יותר. בקו אקסטרוזיה של צינור או צינור, אמבט מים אטום מופעל על ידי ואקום מבוקר בקפידה כדי למנוע מהצינור או הצינור החדש שנוצר ועדיין מותך להתמוטט. עבור מוצרים כגון יריעות פלסטיק, הקירור מושג על ידי משיכה דרך סט גלילי קירור. עבור סרטים ויריעה דקה מאוד, קירור אוויר יכול להיות יעיל כשלב קירור ראשוני, כמו באקסטרוזיה של סרט מנופח.
מכבשי פלסטיק נמצאים בשימוש נרחב גם לעיבוד מחדש של פסולת פלסטיק ממוחזרת או חומרי גלם אחרים לאחר ניקוי, מיון ו/או מיזוג. חומר זה מופעל בדרך כלל לחוטים המתאימים לקיצוץ לתוך החרוזים או הגלולה לשימוש כמבשר לעיבוד נוסף.

עיצוב בורג
ישנם חמישה אזורים אפשריים בבורג תרמופלסטי. מכיוון שהטרמינולוגיה אינה סטנדרטית בתעשייה, שמות שונים עשויים להתייחס לאזורים אלה. לסוגים שונים של פולימר יהיו עיצובי ברגים שונים, חלקם אינם כוללים את כל האזורים האפשריים.

בורג אקסטרוזיה פשוט מפלסטיק

ברגי אקסטרודר מבוסטון מתיוס
לרוב הברגים יש את שלושת האזורים הבאים:
● אזור הזנה (נקרא גם אזור העברת מוצקים): אזור זה מזין את השרף לתוך המכבש, ועומק התעלה בדרך כלל זהה בכל האזור.
● אזור התכה (נקרא גם אזור המעבר או הדחיסה): רוב הפולימר נמס בקטע זה, ועומק התעלה הולך וקטן.
● אזור המדידה (נקרא גם אזור העברת ההמסה): אזור זה ממיס את החלקיקים האחרונים ומערבב לטמפרטורה והרכב אחידים. כמו אזור ההזנה, עומק הערוץ קבוע בכל אזור זה.
בנוסף, לבורג מאוורר (דו-שלבי) יש:
● אזור דקומפרסיה. באזור זה, כשני שליש במורד הבורג, התעלה הופכת לפתע עמוקה יותר, מה שמקל על הלחץ ומאפשר הוצאת גזים כלואים (לחות, אוויר, ממיסים או מגיבים) החוצה באמצעות ואקום.
● אזור מדידה שני. אזור זה דומה לאזור המדידה הראשון, אך עם עומק ערוץ גדול יותר. זה משמש ללחץ מחדש על ההיתוך כדי להעביר אותו דרך ההתנגדות של המסכים והקוביה.
לעתים קרובות מתייחס אורך הבורג לקוטר שלו כיחס L:D. לדוגמה, בורג בקוטר 6 אינץ' (150 מ"מ) ב-24:1 יהיה באורך 144 אינץ' (12 רגל), וב-32:1 הוא באורך 192 אינץ' (16 רגל). יחס L:D של 25:1 נפוץ, אך מכונות מסוימות עולות ל-40:1 עבור יותר ערבוב ויותר תפוקה באותו קוטר בורג. ברגים דו-שלביים (אווררים) הם בדרך כלל 36:1 כדי לקחת בחשבון את שני האזורים הנוספים.
כל אזור מצויד בצמד תרמי אחד או יותר או RTDs בקיר החבית לבקרת טמפרטורה. "פרופיל הטמפרטורה" כלומר, הטמפרטורה של כל אזור חשובה מאוד לאיכות ולמאפיינים של האקסטרוד הסופי.

חומרי שחול אופייניים

צינור HDPE במהלך שחול. חומר ה-HDPE מגיע מהמחמם, לתוך התבנית, ואז לתוך מיכל הקירור. צינור צינור Acu-Power זה מחולץ יחד - שחור מבפנים עם מעיל כתום דק, כדי לייעד כבלי חשמל.
חומרים פלסטיים אופייניים המשמשים בשיחול כוללים בין היתר: פוליאתילן (PE), פוליפרופילן, אצטל, אקריליק, ניילון (פוליאמידים), פוליסטירן, פוליוויניל כלוריד (PVC), אקרילוניטריל בוטאדיאן סטירן (ABS) ופוליקרבונט.[4 ]

סוגים למות
ישנם מגוון רחב של מתלים המשמשים בשיחול פלסטיק. בעוד שיכולים להיות הבדלים משמעותיים בין סוגי התבנית והמורכבות, כל התבנית מאפשרת שחול רציף של נמס פולימר, בניגוד לעיבוד לא רציף כגון הזרקה.
שחול סרט מפוצץ

שחול מכה של סרט פלסטיק

ייצור סרט פלסטיק עבור מוצרים כגון שקיות קניות ויריעות רצופות מתבצע באמצעות קו סרט מפוצץ.
תהליך זה זהה לתהליך שחול רגיל עד הקוביה. ישנם שלושה סוגים עיקריים של מתלים המשמשים בתהליך זה: טבעתי (או ראש צולב), עכביש וספירלה. מתנות טבעתיות הן הפשוטות ביותר, והן מסתמכות על התעלת הפולימר המסתובבת סביב כל החתך של התבנית לפני היציאה מהקוביה; זה יכול לגרום לזרימה לא אחידה. קוביות עכביש מורכבות מציר מרכזי המחובר לטבעת התבנית החיצונית באמצעות מספר "רגליים"; בעוד שהזרימה סימטרית יותר מאשר במות טבעתיות, נוצרים מספר קווי ריתוך אשר מחלישים את הסרט. מתנות ספירליות מסירות את הנושא של קווי ריתוך וזרימה אסימטרית, אך הן ללא ספק המורכבות ביותר.

ההמסה מתקררת מעט לפני עזיבת התבנית כדי להניב צינור מוצק למחצה חלש. קוטר הצינור הזה מתרחב במהירות באמצעות לחץ אוויר, והצינור נמשך כלפי מעלה באמצעות גלילים, מותח את הפלסטיק הן לכיוון הרוחב והן לכיוון המשיכה. השרטוט והנשיפה גורמים לסרט להיות דק יותר מהצינור שחולץ, וגם מיישרים את השרשראות המולקולריות הפולימריות בצורה מועדפת לכיוון שרואה את המתח הפלסטי ביותר. אם הסרט נמשך יותר ממה שהוא מנופח (קוטר הצינור הסופי קרוב לקוטר האקסטרוד) מולקולות הפולימר יהיו מיושרות מאוד עם כיוון הציור, וייצור סרט חזק בכיוון זה, אך חלש בכיוון הרוחבי . סרט שקוטר גדול משמעותית מקוטר האקסטרוד יהיה בעל חוזק רב יותר בכיוון הרוחבי, אך פחות בכיוון המשיכה.
במקרה של פוליאתילן ופולימרים חצי גבישיים אחרים, כשהסרט מתקרר הוא מתגבש במה שמכונה קו הכפור. כשהסרט ממשיך להתקרר, הוא נמשך דרך מספר סטים של גלילי נייפ כדי לשטח אותו לצינורות שטוחים, שאותם ניתן לסלול או לחתוך לשני גלילי יריעה או יותר.

שחול יריעה/סרט
שחול יריעות/סרט משמש להוצאת יריעות פלסטיק או סרטים עבים מכדי לפוצץ. ישנם שני סוגים של מתלים בשימוש: בצורת T ומתלה מעילים. מטרתם של קוביות אלו היא לכוון מחדש ולהנחות את זרימת ההמסה של פולימר מפלט עגול יחיד מהאקסטרודר לזרימה מישורית דקה ושטוחה. בשני סוגי הקוביות להבטיח זרימה קבועה ואחידה על פני כל שטח החתך של התבנית. הקירור הוא בדרך כלל על ידי משיכה דרך סט גלילי קירור (לוח שנה או גלילי "צנן"). בשיחול גיליונות, גלילים אלה מספקים לא רק את הקירור הדרוש אלא גם קובעים את עובי הגיליון ומרקם פני השטח.[7] לעתים קרובות נעשה שימוש ב-co-extrusion כדי ליישם שכבה אחת או יותר על גבי חומר בסיס כדי להשיג תכונות ספציפיות כגון ספיגת UV, מרקם, עמידות לחדירת חמצן או השתקפות אנרגיה.
תהליך נפוץ לאחר שחול למלאי יריעות פלסטיק הוא תרמופורמינג, שבו היריעות מחוממות עד לריכוך (פלסטיק), ויוצרות באמצעות תבנית לצורה חדשה. כאשר נעשה שימוש בוואקום, זה מתואר לעתים קרובות כיצירת ואקום. התמצאות (כלומר יכולת/צפיפות זמינה של הסדין להימשך לתבנית שיכולה להשתנות בעומקים בין 1 ל-36 אינץ' בדרך כלל) היא חשובה ביותר ומשפיעה מאוד על זמני המחזור של רוב הפלסטיקים.

שחול צינורות
צינורות שחולפים, כגון צינורות PVC, מיוצרים באמצעות מתלים דומים מאוד לשמש בשיחול של סרט מנופח. ניתן להפעיל לחץ חיובי על החללים הפנימיים דרך הסיכה, או להפעיל לחץ שלילי על הקוטר החיצוני באמצעות מדדי ואקום כדי להבטיח מידות סופיות נכונות. ניתן להחדיר לומנים או חורים נוספים על ידי הוספת המדרסים הפנימיים המתאימים לתבנית.

קו אקסטרוזיה רפואית של בוסטון מתיוס
יישומי צינורות רב-שכבתיים קיימים גם בתעשיית הרכב, תעשיית האינסטלציה והחימום ותעשיית האריזה.

אקסטרוזיה מעל מעיל
שחול מעל מעיל מאפשר יישום של שכבת פלסטיק חיצונית על חוט או כבל קיימים. זהו התהליך האופייני לבידוד חוטים.
ישנם שני סוגים שונים של כלי תבנית המשמשים לציפוי מעל חוט, צינורות (או מעיל) ולחץ. בכלי מעיל, נמס הפולימר אינו נוגע בחוט הפנימי עד מיד לפני שפתי התבנית. בכלי לחץ, ההיתוך יוצר קשר עם החוט הפנימי זמן רב לפני שהוא מגיע לשפתי התבנית; זה נעשה בלחץ גבוה כדי להבטיח הידבקות טובה של ההמסה. אם נדרש מגע אינטימי או הדבקה בין השכבה החדשה לחוט הקיים, נעשה שימוש בכלי לחץ. אם הדבקה אינה רצויה / נחוצה, נעשה שימוש בכלי מעיל במקום.

Coextrusion
Coextrusion הוא שחול של מספר שכבות של חומר בו זמנית. סוג זה של שחול משתמש בשני מכבשים או יותר כדי להמיס ולספק תפוקה נפחית קבועה של פלסטיקים צמיגים שונים לראש שחול בודד (מת) אשר יוציא את החומרים בצורה הרצויה. טכנולוגיה זו משמשת בכל אחד מהתהליכים שתוארו לעיל (סרט מפוצץ, כיסוי יתר, צינורות, יריעה). עובי השכבה נשלט על ידי המהירויות והגדלים היחסיים של המכבשים הבודדים המספקים את החומרים.

5:5 שכבה משותף של צינור "סחיטה" קוסמטי
בתרחישים רבים בעולם האמיתי, פולימר בודד אינו יכול לעמוד בכל הדרישות של יישום. שחול מורכב מאפשר הוצאת חומר מעורבב, אך קו-אקסטרוזיה שומרת על החומרים הנפרדים כשכבות שונות במוצר שחולף, ומאפשרת מיקום מתאים של חומרים בעלי תכונות שונות כגון חדירות חמצן, חוזק, קשיחות ועמידות בפני שחיקה.
ציפוי אקסטרוזיה
ציפוי אקסטרוזיה הוא שימוש בתהליך מפוצץ או יצוק לציפוי שכבה נוספת על מאגר קיים של נייר, נייר כסף או סרט. לדוגמה, תהליך זה יכול לשמש לשיפור מאפייני הנייר על ידי ציפויו בפוליאתילן כדי להפוך אותו לעמיד יותר בפני מים. השכבה המחולצת יכולה לשמש גם כדבק לחיבור שני חומרים אחרים. Tetrapak הוא דוגמה מסחרית לתהליך זה.

תרכובות שחול
שחול תרכובות הוא תהליך המערבב פולימר אחד או יותר עם תוספים כדי ליצור תרכובות פלסטיות. ההזנות עשויות להיות כדורים, אבקה ו/או נוזלים, אך המוצר הוא בדרך כלל בצורת גלולה, לשימוש בתהליכי יצירת פלסטיק אחרים כגון שחול והזרקה. כמו באקסטרוזיה מסורתית, יש מגוון רחב של גדלי מכונות בהתאם ליישום ולתפוקה הרצויה. בעוד שחולצות בורג בודד או כפולות עשויות לשמש באקסטרוזיה מסורתית, ההכרח של ערבוב נאות בשיחול תרכובת הופך את המחלצים עם בורג כפול כמעט לחובה.

סוגי מחלצים
ישנם שני תת-סוגים של מכבשי בורג כפול: מסתובבים יחד ומסתובבים נגדיים. מינוח זה מתייחס לכיוון היחסי שכל בורג מסתובב בהשוואה לאחר. במצב סיבוב משותף, שני הברגים מסתובבים בכיוון השעון או נגד כיוון השעון; בסיבוב נגדי, בורג אחד מסתובב בכיוון השעון ואילו השני מסתובב נגד כיוון השעון. הוכח כי עבור שטח חתך נתון ומידת חפיפה (התערבות), המהירות הצירית ומידת הערבוב גבוהים יותר במחלצים תאומים מסתובבים יחד. עם זאת, הצטברות לחץ גבוהה יותר במחלצים מסתובבים נגדית. עיצוב הבורג הוא בדרך כלל מודולרי בכך שאלמנטים שונים של שינוע וערבול מסודרים על הצירים כדי לאפשר תצורה מחדש מהירה לשינוי תהליך או החלפה של רכיבים בודדים עקב בלאי או נזק קורוזיבי. גדלי המכונה נעים בין 12 מ"מ לגודל של עד 380 מ"מ

יתרונות
יתרון גדול של אקסטרוזיה הוא שניתן ליצור פרופילים כגון צינורות בכל אורך. אם החומר גמיש מספיק, ניתן לייצר צינורות באורכים ארוכים אפילו להתפתל על סליל. יתרון נוסף הוא שחול של צינורות עם מצמד משולב כולל אטם גומי.