بررسی پدیده Plate-Out در فرآیند اکستروژن  PVC – بخش دوم

پدیده Plate-Out یکی از مشکلاتی است که تولیدکنندگان در فرآیند اکستروژن PVC سخت با آن مواجه هستند. Plate-Out به رسوب ناخواسته ای از ترکیبات موجود در کامپاند اطلاق می‌شود که معمولاً در بخش‌های کالیبراسیون، دای و گازگیر اکستروژن به وجود می‌آید و می‌تواند بر روی کیفیت محصول نهایی و عملکرد استروژن تأثیر گذارد.

در حال حاضر، دقیق ترین مکانیسمی که برای پدیده Plate-Out ارائه شده و مورد پذیرش سایر محققین قرار گرفته است مکانیسم ارائه شده از طرف لیپولد می باشد [1] . این مکانیسم بیان می‌دارد که در فرآیند Plate-Out ترکیبات آلی، به ویژه هیدروکربن‌ها به عنوان محملی برای ترکیبات غیر آلی عمل می‌کنند. مکانیسم لیپولد شامل پنج مرحله می‌باشد:

1. هیدروکربنهای مذاب، پایدارکننده‌ها را در خود حل می‌کنند.
2. در دمای بالای 175 درجه، کلسیم استئارات در این مخلوط حل می‌شود و تشکیل کمپلکس می‌دهد.
3. این کمپلکس بر روی سطوح قطبی افزودنی‌های غیر آلی جذب می‌شود و میزان قطبیت افزودنی را کم می‌کند.
4. در ناحیه گازگیر، این ذرات از مذاب پلیمری جدا می‌شوند. کاهش فشار در این ناحیه باعث می‌شود تا دما به زیر 175 درجه کاهش یابد و در نتیجه رسوب ذرات بر روی سطوح فلزی اکسترودر اتفاق می‌افتد.
5. رسوب تشکیل شده مخلوطی از ترکیبات ژل-غیر آلی می‌باشد که از ترکیبات هیدروکربنی جدا شده است. این رسوب، بستری ایجاد می‌کند که به طور مداوم، ذرات بیشتری در آن منطقه رسوب می‌کند.

بازمن [2] در مطالعه‌ای که بر روی پدیده Plate-Out در کامپاند‌های تهیه شده از پایدارکننده کلسیم/زینک انجام داده است، بر خلاف سایر محققین، این پدیده را به پایداری حرارتی فرمولاسیون مرتبط نموده و فرض نموده که تشکیل رسوب، در مناطقی از اکستروژن اتفاق می‌افتد که در آن مناطق، فشار بالاتر است.

شیلر [3] در مطالعه خود نشان داده که شرایط فرآیندی نیز می‌تواند بر روی پدیده Plate-Out تاثیرگذار باشد، به نحوی که با افزایش گشتاور دستگاه، میزان رسوب تشکیل شده افزایش یافته است. وجود رطوبت در فرمولاسیون نیز به تشدید Plate-Out در فرآیند منجر می‌شود.

تحقیقات متعددی نشان داده است که افزایش فیلر کربنات کلسیم در فرمولاسیون می‌تواند به کاهش پدیده Plate-Out منجر شود [5-3]. علت این موضوع، خواص سایشی فیلرهای کربنات کلسیم بر روی سطوح اکسترودر است که از تشکیل رسوب بر روی سطوح فلزی جلوگیری می‌نماید. این در حالی است که افزایش TiO2 در فرمولاسیون برخلاف انتظار، پدیده Plate-Out را تشدید می‌کنند [3]. علت افزایش رسوب در اکسترودر با افزایش دوز تیتان، می تواند به دلیل ریزتر بودن ذرات تیتان در مقایسه با کربنات کلسیم باشد.

هولتزن و موسیانو [6] با بکارگیری دای های متفاوت در فرایند اکستروژن سعی نموده‌اند اثر رئولوژی مذاب پلیمری بر روی محل تشکیل Plate-Out را بررسی نمایند.

گیلبرت [7] در مطالعه خود به صورت دقیق‌تر به بررسی ترکیبات موجود در رسوب Plate-Out پرداخته است. بر اساس آنالیز‌های انجام شده مشخص گردید که رسوب، غالباً از ترکیبات غیر آلی، شامل تیتان، کربنات کلسیم و پایدار کننده ها تشکیل شده است. در کنار ترکیبات غیر آلی در رسوب، به میزان کمتری روان کننده (وکس‌ها و استئارات کلسیم) و همچنین تأخیر اندازنده شعله و مواد فوم زا نیز وجود داشته است.

گیلبرت [8] در مطالعه دیگری سعی نموده تا تاثیر نوع و دوز وکس استفاده شده در فرمولاسیون PVC سخت، بر روی پدیده Plate-Out در قسمت دای اکستروژن را مورد بررسی قرار دهد. در این مطالعه فرمولاسیونی که برای انجام تست‌ها به کار رفته در جدول شماره 1 نمایش داده شده است.

در این مطالعه از انواع پلی اتیلن وکس (PE-Wax) و پلی اتیلن واکس اکسید شده (OPE-Wax) در فرمول استفاده شده که مشخصات آن‌ها در جدول ۲ نشان داده شده است.

وکس‌های بکار رفته، در دانسیته، دمای مذاب، گرانروی و عدد اسیدی با یکدیگر متفاوت بوده‌اند و هر کدام از وکس‌ها در دو دوز 0.2 و 0.4 در فرمولاسیون استفاده شده‌اند. مجموعه ۱۷ تست برای انجام این مطالعه به انجام رسیده است.

آماده‌سازی کامپاند

در این مطالعه PVC و سایر افزودنی‌ها وارد میکسر ۸ لیتری شده‌ و پس از رسیدن به دمای 120 درجه وارد محفظه سردکن می‌شوند. پس از ۵ دقیقه، کامپاند از محفظه سردکن تخلیه شده و به مدت ۴۸ ساعت به آن استراحت داده می‌شود. کامپاند بدست آمده در مرحله بعد وارد اکسترودر دو مارپیچ کونیکار می‌شود، که پروفایل دمایی آن در جدول شماره ۳ نشان داده شده است.

شکل 1 ظاهر دای نصب شده بر روی اکسترودر را نشان می‌دهد. بعد از گذشت ۷۰ دقیقه از شروع فرایند اکستروژن، فرآیند تولید، متوقف شده و میزان رسوب تشکیل شده در قسمت دای مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. برای تعیین میزان رسوب تشکیل شده، ناحیه دای به شش قسمت مجزا تقسیم‌بندی شده و میزان رسوب، در هر ناحیه بین صفر (بدون Plate-Out)، تا ۵ (سطح کاملاً پوشیده شده از رسوب) امتیازدهی می‌شود. در نهایت، امتیازاتی که در شش ناحیه به دست آمده با یکدیگر جمع می‌شود و عددی بین ۰ تا ۳۰ حاصل می‌شود.

آنالیز کیفی Plate-Out

از آنجا که جرم تشکیل شده در پدیده Plate-Out ناچیز می‌باشد، بهترین تکنیک برای آنالیز کیفی Plate-Out و ترکیبات موجود در رسوب تشکیل شده، آنالیز لیزری جرم یون القایی1 (LIMA) می‌باشد. در این تکنیک، لیزر UV به سطح نمونه برخورد می‌کند و ترکیبات بخار شده، که شامل کاتیون، آنیون و ذرات مختلف شیمیایی می‌شوند، در طیف سنج جرمی مورد آنالیز قرار می‌گیرد. قطر نمونه آنالیز شده تنها بین یک تا دو میکرون و عمق آن حدود 0.25میکرون می‌باشد و این بدان معناست که این تکنیک از دقت بالایی برای آنالیز مواد و ارائه اطلاعات ارزشمند به محققین برخوردار است.

تعیین مشخصات کامپاند

به منظور تعیین مشخصات فرآیندی کامپاند، از دستگاه رئومتر استفاده شده است. برای این منظور کامپاند به رئومتری که تا دمای 190 درجه پیش گرم شده و دور آن بر روی rpm 40 تنظیم شده است ریخته می‌شود و دمای ذوب و گشتاور (Torque) دستگاه نسبت به زمان اندازه‌گیری می‌شود. همچنین مطابق با استانداردASTM D1505 ترک و زمان فیوژن ثبت می‌شود.

نتایج

خلاصه‌ای از میزان Plate-Out به گشتاور دستگاه و دمای حداکثری مذاب درفرآیند اکستروژن، در جدول شماره 4 نمایش داده شده است. نتایج حاصله نشان دهنده آن است که با افزایش دوز وکس پلی اتیلن، گشتاور دستگاه و حداکثر دمای مذاب کاهش می‌یابد. این نتایج با تئوری روان‌سازی کامپاند همخوانی دارد:

1. وکس‌ها اصطکاک بین ذره‌ای ذرات کامپاند را کاهش می‌دهند که باعث افت گشتاور دستگاه و افزایش زمان فیوژن می‌گردد.
2. وکس‌ها چسبندگی به سطوح اکسترودر را کاهش می‌دهند و نتیجتاً گشتاور دستگاه افت پیدا می‌کند.

گشتاور دستگاه و دمای مذاب برای فرمو‌ل‌های تهیه شده با OPE-Wax بالاتر از کامپاندهای PE-Wax می باشد که نشان دهنده کاهش زمان فیوژن و بالاتر بودن درجه فیوژن می‌باشد.

آنالیز Plate-Out

پدیده Plate-Out در قسمت دای، بیشتر در نواحی که در شکل ۲ نمایش داده شده است تشکیل می‌گردد.

میزان Plate-Out برای تمامی نمونه ها در شکل ۳ و ۴ نشان داده شده است. میزان Plate-Out با تغییر نوع روان کننده تغییر می‌یابد و با افزایش دوز روان کننده Plate-Out افزایش یافته است.

• 

• 

خواص فیزیکی و شیمیایی روان کننده ها بر میزان Plate-Out تاثیر گذار هستند. شکل 7-5 رابطه بین Plate-Out و ویسکوزیته، دانسیته و نقطه مذاب برای PE-Wax را نشان می‌دهد و شکل های 11- 8 رابطه بین نقطه ذوب، دانسیته، ویسکوزیته و عدد اسیدی OPE-Wax را نمایش داده است.

در بررسی رابطه خواص فیزیکی PE-Wax با میزان پدیده Plate-Out ، نقطه ذوب و Plate-Out از رابطه معنادار بهتری نسبت به ویسکوزیته و دانسیته برخوردار هستند. در خصوص روان کننده‌های OPE-Wax با افزایش دانسیته، نقطه ذوب و عدد اسیدی میزان Plate-Out افزایش یافته اما رابطه Plate-Out و ویسکوزیته از رابطه خطی تبعیت نمی‌کند.

آنالیز رئومتر

جدول شماره 7 داده‌های به دست آمده از تست رئومتر را نمایش داده است. در نمونه‌های تهیه شده با PE-Wax ، زمان و گشتاور فیوژن، تابع میزان دوز روان‌کننده بوده است و خواص روان‌کننده، تأثیری چندانی روی گشتاور و زمان فیوژن نداشته است. در فرمول‌های تهیه شده با OPE-Wax زمان فیوژن کوتاه‌تر شده و با افزایش دوز روان کننده، گشتاور فیوژن کاهش یافته که در فرآیند اکستروژن نیز مشاهده شده است.

آنالیز LIMA

کاتیو‌ن‌ها و آنیون‌های شناسایی شده، به ترتیب در جدول شماره 8 و 9 نشان داده شده‌اند. ذرات پایدار کننده سرب، در تمامی ذرات رسوبی مشاهده شده است، اما در نمونه‌های رسوبی از کامپاندهای OPE-Wax میزان ذرات مشتق شده از تیتان و کربنات کلسیم کمتر بوده است.

بحث

لیپولد معتقد است که در پدیده Plate-Out روان کننده‌های با جرم مولی پایین، به عنوان محملی برای ترکیبات غیر آلی عمل می‌نمایند که نتایج حاصل از این تحقیق نیز این فرضیه را تأیید می‌نماید. اولاً با افزایش دوز روان کننده در کامپاند، میزان رسوب Plate-Out در همه فرمولاسیون‌ها افزایش یافته است و این بدان معناست که با افزایش میزان روان کننده ، شانس اینکه مواد غیر آلی، توسط روان کننده‌ها از بستر مذاب پلیمری خارج شوند افزایش یافته است، چرا که روان کنند‌ه‌های ناسازگار، تمایل بیشتری به مهاجرت از مذاب پلیمری دارند. ثانیاً بر اساس آزمایشات انجام شده، نقطه ذوب PE-Wax ، مهم‌ترین ویژگی فیزیکی است که بر روی میزان رسوب Plate-Out مؤثر بوده است، به این معنا که هرچه نقطه ذوب، پایین‌تر بوده نرخ Plate-Out کمتر شده است.

در حقیقت این نوع از وکس‌ها در زمان کوتاه‌تری در اکسترودر فعال می‌شوند که این موضوع، خود را در گشتاور پایین‌تر و زمان فیوژن طولانی‌تر نشان می‌دهد. بنابراین میزان سطوح بیشتری، توسط این وکس‌ها پوشانده می‌شود و فیلم روان‌کننده نازکتری در طول سطوح اکسترودر و دای شکل می‌گیرد و نتیجتاً میزان رسوب تشکیل شده از مواد غیر آلی در سطوح داخلی کاهش می‌یابد.

اما عملکرد OPE-Wax در پدیده Plate-Out متفاوت بوده است. این وکس‌ها به دلیل نقطه ذوب بالاتر، جرم مولی بیشتر و سازگاری بهتر با مذاب PVC از گشتاور بالاتر و زمان فیوژن کوتاه‌تری برخوردارند و این مسئله سبب می‌شود تا رفتار روان‌کنندگی این وکس‌ها به تأخیر بیفتد. از آنجا که مهاجرت به سطح این وکس‌ها از مذاب پلیمری دیرتر اتفاق می‌افتد، لایه ضخیم‌تری از وکس در محل دای شکل می‌گیرد و مواد غیر آلی بیشتری توسط وکس‌ها به دیواره دای مهاجرت می‌کند.

نتیجه گیری

تشکیل رسوب Plate-Out در قسمت دای اکستروژن با خواص فیزیکی روان‌کننده وکس مرتبط می‌باشد. برای وکس‌های پلی اتیلنی ناهمگون با مذاب پلیمری، نقطه ذوب وکس، مهم‌ترین ویژگی است که بر روی میزان رسوب Plate-Out تأثیر می‌گذارد. وکس‌هایی که از نقطه ذوب پایین‌تری برخوردارند، زمان فیوژن را به تأخیر می‌اندازند و با تشکیل لایه نازکتری از سطح لغزنده روان‌کننده، بر روی دیواره، میزان رسوب Plate-Out در قسمت دای را کاهش می‌دهند.

میزان رسوب Plate-Out در فرمول‌هایی که در آن‌ها از PE-Wax استفاده شده است بیشتر از کامپاندهای تهیه شده با OPE-Wax بوده که علت آن، دمای بالاتر مذاب پلیمری و همچنین تأخیر در مهاجرت به سطح، از اکسترودر به سمت دای بوده است.

کاهش دوز وکس‌ها در فرمولاسیون، باعث می‌شود تا از میزان Plate-Out کاسته شود. علت این موضوع به دلیل تشکیل لایه نازک تری از روان کننده بر روی دیواره و در طول اکسترودر و دای می باشد.

مراجع:

[1]R.F. Lippoldt, Plast. Eng., 37, 37 (1978).
[2] G. Bussman, H. Ruse, and B. Herr, Kunststoffe, 88, 2154 (1998)
[3] M. Schiller, B. Pelzl, R. Haberleitner, and H. Huisman, ‘‘Plate-Out—A Problem Without Hope?,’’ in Conf. Proc., Plastic Profiles in Construction, Brussels, November 2006.
[4] A. Bos, T. Huelsmann, S. Juergens, and M. Sander, ‘‘Plate- Out in Extrusion,’’ in Conf. Proc., New Techniques in Extrusion, Wu†rzburg, June 1999.
[5] B.R.O. Pointer, ‘‘Extrusion of Unplasticized PVC: A Study of Plate-Out Phenomena,’’ Internal Report PL/510/B, ICI Ltd., PVC Division, Welwyn Garden City.
[6] D.A. Holtzen and J.A. Musiano, ‘‘Die Lip Plate-Out—A Proposed Mechanism,’’ Conf. Proc., SPE RETEC, St Louis, Sept. 1996.
[7] M. Gilbert, N. Varshney, K. Van Soom, and M. Schiller, J. Vinyl and Addit. Technol., 14, 3 (2008).
[8] M. Gilbert, N. Varshney, M. Walon, and M. Schiller, J. Vinyl and Addit. Technol., 209-215 (2012).