12. POLİMERLERİN ÜRETİM YÖNTEMLERİ
EKSTRÜZYON
EKSTRÜZYON
EKSTRÜZYONDA KULLANILAN EKİPMAN Plastikleştirme ve basınç-yaratma fonksiyonları üretimi etkileyen önemli konularıdır, çünkü kafa çıkış - ağzı ve basınç ünitesi üretim sırasında birbirlerini çok etkilerler. İki fonksiyonu da uygulamak için pek çok metotlar vardır. Şekil 12 a ekstruziyon için kullanılan bir piston ve ısıtılmış silindir görülmektedir. Bu metot, ergime -reometrelerinde malzemelerin özelliklerini kontrol için kullanılmaktadır. Eskiden de bazı ekipmanlarda kullanılırdı fakat artık bu metot sadece bazı fluorokarbon ve yüksek molekül yapılı mühendislik plastiklerinde kullanılmaktadır. Literatürde Ram Extrusion diye anılır.
Bu bir defalık itişten, devamlı akış sağlamak için birkaç itici ve valf düzeneğine ihtiyaç vardır ve silindirler birbiri ardına dolup boşalır. Şekil 12b de bu gösterilmiştir. Çoğu ekstrüzyon pompası sürekli çıkışı gerektirir, bu yüzden piston iticili ekstrüzyon rüderlerin mutlaka valfa gereksinimleri vardır. Şekil 13a, b, c ve d de ekstrüzyonda kullanılan çeşitli pompaları göstermektedir.
Şekil 13a, tek vidalı ekstrüderi oluşturan bir vidalı pompadır. Şekil 13b, çift vidalı (burgulu) ekstrüderi oluşturan bir çift burgulu pompadır. Malın çıkış oranının, göreceli olarak çıkış basıncından bağımsız olması istenilen bir özelliktir. Şekil 13 c'de gösterilen dişli pompalar, ergimiş halde düşük viskozite gösteren (lowmelt-viscosity) malzemelerin çıkışını kontrol etmek amacıyla tek burgulu (vidalı) pompalarla birlikte kullanılırlar. Basınç oluşturmaya değişik bir yaklaşım da şekil 13 d de görülen Maxwel erimeelastisiltesi pompasıdır. Bu alışılmamış polimer pompası için tipik bir örnektir. Çünkü çalışması ergimiş polimerlerin özel karakteristiklerine dayandırılmıştır. Elestruder üretim sırasında üç görevi yerine getirir. Malzemeyi ergitir veya plastifikleştirir, malın kafa ağzından dışarıya çıkması için gereken basıncı oluşturur, malı kaydırır ve karıştırır. Yukarıda şekilleri verilmiş olan (13 a, b, c, d) her bir sistem, tüm bunları kendi özel tarzında yapar ve ergimiş polimere değişik karakteristikler verirler.
Ram extruder öncelikle, ısıtıcılarla ısıtılmış gövde silindirindeki ısıyı polimere temas yoluyla iletir ve malzeme gövdeden çıkmadan önce malzemeyi ısıtmış olur; basıncıda direkt olarak hidrostatik etki ile sağlar. Karıştırma ve kayma ise düz akış ve direkt kafa çıkışına gelme dolayısı ile çok düşük limitlerde kalmaktadır. Diğer ekstruziyon makineleri çok daha karışık tarzlarda çalışmaktadır.
Tek Burgulu Pompa: Basınç yaratma etkisinin, sürükleme akışı (drag-flow) adı verilen mekanizmanın üzerindeki etkisine bağlıdır. Tek burgulu pompalar, yarattıkları basıncın sürükleme akışı (drag flow) adı verilen mekanizmayı etkileme olayı ile açıklanırlar. Artan basıncın nedeni, malzeme ve burgu ile kovan arasındaki etkileşimdir ve çıkış miktarı (delivery-rate); malzeme ısısı, gövde ısısı ve kayma oranının kompleks fonksiyonudur. Polimerin eritilmesi olayı, malzemenin gövde çeperlerinden geçen ısıyı transfer etmeleri ve kesimden dolayı oluşan ısıtma kombinasyonu ile oluşur. Malzeme makineden geçerken üzerinde bol miktarda kayma ve karıştırma olmaktadır. Kayma miktarı, malzeme ısısı ve karıştırma yüksek oranda birbirinden bağımsızdırlar ve ayrı ayrı kontrol edilemezler. Sonuç olarak bazı durumlarda, özellikle yüksek çıkış miktarlarında sabit işlem yapmak zordur. Çift Burgulu-Pompa: Çift burgulu(veya çok burgulu) pompalar, ergimiş polimerde basınç oluşturmak için, dişleri birbirinin içine geçecek şekilde aynı yönde veya birbirinin tersi (corotating) (counterrotating) yöne dönerek oluştururlar. Burgular arasındaki açıklık az olmadığı için, makine, çıkış miktarı konusunda malzemenin özelliğine bağlı olmayan bir pozitif pompalama düzeneğidir. Her ne kadar Ram ekstruziyondaki kadar pozitif değilse de, çıkış ta çok dengeli, pompadan geçen reçine üzerindeki kayma etkilerinden bağımsızdır. Basınç arttırma ve kayma-karıştırma (shearmixing) fonksiyonları, aslında birbirinden bağımsızdırlar fakat her birini ayrı ayrı uygun vida dizaynı ve makine kontrolü ile değiştirmek olasıdır. Burada malzemeyi ısıtan ısı çoğunlukla kovan duvarından sağlanmıştır, göreceli az bir kısmı kayma sonucu oluşturmuştur. Malzeme gerçekte, burgu ve kovan tarafından oluşturulan hareketli bir boşluk içinde az miktarda kayma ve vidalar arasında çimdikleme ile götürülmektedir. Çift burgulu pompalar, özellikle kaymaya yüksek hassasiyet gösteren malzemelerde kullanılır, çünkü kayma ve çıkış birbirinden bağımsız olarak kontrol edilebilirler.
Dişli Pompa: Dişli pompa ekstrüzyon pompası olarak kullanılan, bir pozitif boşaltma düzeneğidir. Birbirine geçmiş dişlilerden oluşan yapısı nedeniyle yüksek basınçlarda sabit çıkışlar sağlar. Pompanın iç hacmi küçük olduğundan, pompa duvarları ısıtılarak polimeri ısıtmak çok güçtür. Sonuç olarak, dişli pompalar genellikle ergimiş polimerle beslenen daha çok tek burgulu extruder gibi diğer ergitme düzeneklerinden sonra çıkışlarını kontrol" etmek amacıyla kullanılırlar. Dişli pompanın diğer iki karakteristiği de faydalarını sınırlıyor. Bunlardan ilki, yüksek viskoziteli ergimiş polimerlerde, hemen girişte kolaylıkla boşluğun oluşması, diğeri de birbirinin içinde dönen dişlilerin bölgesel de olsa çok yüksek-kayma oranlan meydana getirmesi ve bunun kaymaya hassas reçinelerde problem yaratmasıdır. Bu tipler, genellikle düşük molekül ağırlıklı, düşük viskozitesi reçinelerde kullanılır. Örneğin: Tekstil fiberlerinin yapıldığı ve adhezivlerin (yapıştırıcıların) reçineleri. Elastik Eriyik Pompası: Elastik Eriyik pompası, polimerlerdeki kayma etkilerinin viskoelastik malzeme üzerinde yarattığı güçten yararlanarak çalışır. Bu birimler, şimdiye kadar gördüğüm tüm pompa türlerinden daha fazla olarak kaymaya duyarlıdırlar. Herhangi bir pompa-lama aksiyonu alabilmemiz için, malzeme yüksek oranda kaymaya uğramalıdır. Erime elastisitesi pompaları, çok yüksek basınçlar üretmezler. Bu üniteleri üretimde kullanmak için bunlar tek-burgulu pompa veya dişli pompa gibi basınç oluşturan pompalarla birlikte kullanılırlar. Fakat burada basınç oluşturan pompalar, erime elastisitesi pompalarından sonra kullanılırlar. Çok yüksek kayma oranı uniform bir şekilde giren eriyiğe dağılır ve çok uniform bir eriyik kalitesi sağlar. Elastik eriyik pompası, karışmanın ve rengin çok iyi dağılmasının elzem, olduğu ve diğer yönden eriyik kalitesi üzerinde yüksek oranda kontrol sağlanması gereken durumlarda kullanılır. Kaymaya duyarlı malzemelerle kullanılırsa degradasyona neden olabilir. Üretimde kullanılan ekipmanın tasarımında, en iyi koşullarda ekstrüzyon işlemini gerekleştirmek için çeşitli karıştırma ve pompalama işlemlerini yaparak eriyik koşullarının istenen biçimde olmasını sağlamak gerekir. Özellikle tek burgulu ekstrüderlerde çıkışının ekstrüderi ile olan etkileşimi, üretimi etkileyen önemli, bir faktördür.
Ekstrüzyon işleminin son aşaması, ekstrüderde şekil verilmiş malzemenin şeklini bozmadan soğutmaktır. Bunun için gerekli mekanizma, bir yandan ekstrü-derden çıkan malzemeyi çekerek kafa ağzından uzaklaştıracak, bir yandan da soğutulmasını sağlayacaktır. Çekme işleminin, kafa ağzından çıkış hızına göre ayarlanabilmesi gerekir. Şekil 14 'te ekstrüzyonla plastik boru üretimine ilişkin şema verilmiştir. Burada çekme işlemi, çift yollu merdane tipi konveyörlerle yapılmakta, Konveyör bandınınürününekstrüderden çıkış hızına göre ayarlanmaktadır. Soğutma işlemi ise su tankları ile yapılmaktadır. Kafa ağzından çıkan ürünün soğutulması, şekillendirilmesi ve depolanacak hale getirilmesi, ekstrüzyon hattının tasarımında belki de ekstrüzyon kalıbından daha fazla özen göstermek gerekir.
IV. SOĞUTMA VE ÇEKME İŞLEMİNDE MALZEMELERİN ÖZELLİKLERİ Daha önce sözü edilen malzeme özelliklerinin kafa ağzından çıkıştan sonraki soğutma ve çekme işlemlerini nasıl etkilediğini görelim.levha veya şerit gibi basit şekiller, yüksek eriyik direnci gibi özel eriyik özellikleri gerektirmezler.bunlarda kafa ağzından çıkan reçine doğrudan konveyöre aktarılarak soğutma işlemi burada gerçekleştirilebilir. Boru ya da profil gibi şekillerin ekstrüzyonunda ise ergime sıcaklığında deformasyona karşı direnç, yani yüksek eriyik direnci gerekir. Özel şekillerin ekstrüzyonunda ise eriyiğin tiksotropisinin yüksek olması çok önemlidir. Kayma kuvvetinin ortadan kalkmasıyla birlikte viskozitesi büyük ölçüde değişime uğramayan malzemelerin kompleks profiller halinde ekstrüzyonu oldukça zordur. PVC, bu özelliği taşıdığından ekstrüzyon yöntemi ile kolayca şekillendirilirken, tiksotropisi düşük olan poliofelin ve poliamidler, genelde ekstrüzyon işlemlerinde kullanılmaz. Soğutma ve çekme işlemini etkileyen bir başka özellik de polimerin kristalleşme hızı ve derecesidir. Polimerler soğutulduklarında kristalleşerek ekstlüde edilmiş malzemede büzülme hızında önemli değişiklikler yaratırlar. Ekstrüde edilmiş malzemenin soğutulmasında soğutma işlemi, malzemenin her tarafına eşit biçimde uygulanmazsa önemli şekil bozuklukları meydana gelir. Asetal, poliamid ve bazı poliolefinler yüksek derecede kristalleşme gösterdiklerinden soğutma ve şekil verme işlemleri çok zordur. Ekstrüzyon işleminde genellikle gözden kaçırılan önemli bir özellik de ısıl dengeliğidir. Malzemenin ekstrüderden geçirilirken özelliklerini kaybetmemesi, aynı zamanda şekillendirilirken yüksek kayma kuvvetlerinden doğan yüksek ısıya da dayanması gerekir. Yüksek ısı sonucu degredasyon veya yanma olabilir ki, sert PVC örneğinde buna sık rastlanır veya metil metakrilat plastiklerinde olduğu gibi polimer zincirinin yer yer koparak daha düşük molekül ağırlıklı ürünlerin oluşmasına neden olabilir. Çizelge l' de genelde kullanılan malzemelerin özelliklerine dayanılarak ekstrüzyon işlemine olan etkileri verilmiştir.
Proseste, önce polimer parçacıkları ekstrüder kovanına (barrel) besleme hunisinden konulur. Vida bu parçacıklarını ileriye taşır, eritir, homojenleştirir (karıştırır), basıncını arttırır ve ekstrüder kafasına yerleştirilen kalıptan (die) geçirerek değişik mamuller oluşturur. Ürünün şekli kalıbın kesit geometrisine bağlıdır. Kablo, çubuk, tüp, boru, değişik şekillerde profil boru, film, levha, elyaf gibi mamuller ekstrüzyon metodu ile üretilebilir (Şekil 1).
Ekstrüzyon panel Ekstrüzyon cam profili
Ekstrüzyon gömleği dışarıdan elektrikli ısıtıcılarla ısıtılır. Polimerin akışı sırasında sürtünmeden sıcaklık çok artarsa, gömlek soğutulur. Başlıca işletme değişkenleri vidanın dönme hızı ve gömlekteki sıcaklık dağılımıdır. Ürünün niteliklerini vidanın uzunluk çap oranı, sarım açısı, sarımların sayısı, sarımların yüzeyden yüksekliğidir. Genellikle uzunluk çap oranı 24:1, sarım açısı 17,60 civarındadır. Sarım yüksekliği vida boyunca değişkendir. Besleme hunisine yakın kısımda gömlek ile vida arasındaki boşluk fazladır, ekstrüder kafasına doğru bu mesafe azalır. Böylece, ön kafada gereken basınç temin edilmiş olur. Bazı ekstrüderlerde çift vida kullanılır. Şekil 2 de tek vidalı bir ekstrüder, ekstrüzyon prosesi ve vida zonları gösterilmektedir.
Ekstrüder gömleği ısıtma/soğutma [c]
Zonlarda basınç çıkışa doğru artmakta, çıkışta maksimum seviyeye ulaşmaktadır. Besleme (feed) bölgesi, huniden soğuk olarak aldığı malzemeyi, sıkıştırma bölgesine (compression) iletir. Sıkıştırma bölgesinde polimer ergitilerek, ölçme (metering) zonuna iletilir. Ölçme zonu, hacim ve basınca bağlı olarak eriyik plastik malzemeyi, kalıba bir ölçü pompası gibi dağıtır. Basınç dağılımı açısından sıralama PB<PS<PÖ şeklindedir. Ekstrüzyondan elde edilen ürün kullanılan kalıbın şekline bağlıdır. Polimerin elastik özellikleri mamulün şeklini etkiler. Şişme mamulün ekstrüd edildiği kalıba oranla genişlemesidir ve kalıp dizaynında önemli bir etkendir. Ekstrüzyon sıcaklığı ve hızı şişmeye etkiler. Ekstrüzyon hızı çok fazla olursa ekstrüd edilen plastikte kararsızlıklar ve yüzey bozuklukları olur. Şişmenin etkisini kontrol etmek amacı ile ekstrüder çıkışına bir takım cihazlar yerleştirilir. Şekil 3 (a), çeşitli polimerik malzemelerin vida ceketi (kovan) çapına bağlı olarak
[a] [b]
Bu çıkış miktarları pratikte, sıcaklık, vida hızı gibi... proses parametrelerine bağlı olarak ±%25 değişim göstermektedir. Bazı ekstrüderler çok nemli malzemelerin işlenebilmesine de izin vermektedir. Önceden malzemeyi kurutmak ekstra bir maliyet oluşturmakta ve zaman kaybına sebep olmaktadır. 250 C de çalışan bir ekstrüderde polimer içerisindeki buhar basıncı 4 MN/m2 olmaktadır. Buhar çıkış açıklığına sahip bir ekstrüder Şekil 4 (a) da, filtre ve sabitleme levhası (b) de verilmiştir.
[a] [b] filtre filtre sabitleme levhası
Şekil 4. (a) Buhar çıkışına sahip bir ekstrüderin zonları, (b) filtre ve sabitleme levhası Basınç buhar çıkışı sırasında aniden düşmektedir. filtre açıklığı normalde 120-150 μm, özel uygulamalar için ise yaklaşık 45 μm olmaktadır. Çift Vidalı Ekstrüderler Çift vidalı ekstrüderler, yüksek verim, etkin karıştırma ve ısı üretimi gibi konularda daha geniş olanaklara sahip olmaktadır
Şekil 5. (a) Karşı dönüşlü (geçmeli), (b) Aynı dönüşlü (geçmeli), (c) Karşı dönüşlü (geçmesiz), (d) Aynı dönüşlü (geçmesiz) çift vida dizaynları
Vidalar birleşmiş yada birleşmemiş konumda tasarlanabilirler (Şekil 6). Birleşmemiş vidalar ile oluşturulan yapıda, vida taşıyıcı yüzeyleri arasında malzeme geçişine imkan sağlayacak şekilde boşluk bulunmaktadır. Vidalar birleşmiş ise, vidaların çevresindeki hareket yavaştır ama itici hareket daha büyüktür.
Şekil 6. (a) Aralarında boşluk bulunan, (b) Aralarında boşluk bulunmayan vidalar
Ekstrüder Eriyik Akış Analizi Şekil 7 deki gibi paralel tabakalar arasında akışın olduğu düşünülürse küçük ABCD elementinin hacimce akış hızı dq =V.dy.dx dir. Hız gradyeninin lineer olduğu düşünülürse V=Vd[y/H] olur.
[a] [b]
Şekil 7. (a) Paralel levhalar arasında akış, (b) Vidanın detayları Qd=, buradan Qd=1/2.T.H.Vd olur. AB=dz, element genişliği=dx ve kanal genişliği=t olmaktadır. Vd=π.D.N.cosØ, Burada N vida hızıdır. T=(πDtanØ-e)cosØ, Qd=1/2(πDtanØ-e)( πdncos2ø)h dir. Burada e terimi genellikle (πdtanø) ya göre çok küçük olmaktadır. Dolayısıyla eriyiğin çekme akması (drag) Formül (2) deki gibidir. Qd=1/2 π2d2nhsinøcos2ø Formül (2) Ölçme zonunda kayma gerilmesi Vd/H tarafından ifade edilmektedir. Şekil 7 b) ye göre Kuvvetler F1=F2+2F3 dür. Buradan eriyiğin geri basınç akışı (pressure) Formül (3) deki gibi bulunur. Qp=- Formül (3) Geri sızma akması (leakage) ise Formül (4) de verilmiştir. QL= Formül (4) Sonuç olarak toplam çıkış akışı, Formül 1, 2 ve 3 kullanılarak hesaplanmaktadır (Formül 5). Q=1/2 π2d2nhsinøcos2ø-- Formül (5) Şekil 8 de vida açısının 35 olduğunda maksimum toplam çıkışın sağlandığı görülmektedir. vidanın üretilebilirliği ve ekstrüder uzunluğunun ana bileşkeni olması sebebiyle, pratikte bu açı 17-20 aralığındadır.
Şekil 8. Çekme ve basınç akışı değişimi Ekstrüder/kalıp karakteristikleri açısından incelenirse, ekstrüderin çıkışında basınç maksimumdur. Q=Qmax=1/2 π2d2nhsinøcos2ø Formül (6) Basınç gradyeni lineer olarak artmakta ve dp/dl=p/l olmaktadır. Burada L, ekstrüder boyudur. Ekstrüderin sonunda basınç çok büyük olmasına rağmen çıkışta düşer. Q=0 ve geri sızma akması ihmal edilirse maksimum basınç Formül (7) deki gibi bulunur. Burada; Pmax maksimum basınç, D vida çapı, L vida boyu, N vida hızı, η viskozite, H ölçme zonu mesafesi, Ø vida açısıdır. P=Pmax= Formül (7) Örnek 1. Tek vidalı bir ekstrüder aşağıdaki özelliklerde dizayn edilmiştir; L/D oranı=24, vida açısı=17,7 Maksimum vida hızı 100 dev/dk, vida çapı=40mm Ölçme zonu=3mm Ekstrüzyon prosesi sırasında maksimum viskozite 500 Ns/m2 olduğuna göre maksimum basıncı hesaplayınız.
Ekstrüzyon prosesinin kullanıldığı üretim yöntemleri Ekstrüzyon prosesi profil, film, levha, tel kaplama, boru, tüp gibi şekilli polimer parçaların üretiminde kullanıldığı gibi dolgu/takviye, plastikleştirici, kalıp ayırıcı, yaşlanma geciktirici, alevlenme geciktirici, renklendirici, köpük yapıcı, çapraz bağlayıcı, UV, viskozite artırıcı, yüzey sertleştirici gibi katkı malzemelerini de içeren polimer yarı ürün (granül hammadde) hazırlanmasında da kullanılmaktadır. Bunun ile birlikte atık plastiklerin geri dönüşümünde de kullanılan bir prosestir (Şekil 9).
Şekil 9. Granül hammadde üretiminde ekstrüzyon prosesi
Ekstrüzyonla tel kaplanması işlemi uzun zamandır uygulanmaktadır. İnce tellerin plastikle kaplanması, güç kablolarının kaplanması ekstrüzyonun ilk uygulama alanlarındandır. Şekilden görüldüğü gibi tel ısıtılarak kalıba beslenir. Kalıptan kaplanarak çıkan kablo su banyosundan geçerek soğutulur ve çekme makaraları ile 1000-1500 m/dk hızı ile çekilerek bir makaraya sarılır. Kaplamanın kalınlığı tel besleme hızına, çekme makaralarına ve operasyon değişkenlerine bağlıdır. En çok PVC ve DYPE kullanılır (Şekil 10).
Isıtılmış tel Şekil 10. (a) Kablo kaplanmasında kullanılan ekstrüder kalıbı, (b) Kaplama, (c) Genel şema.