Statikus keverõfej homogén ömledék elõállításhoz fröccsöntésnél

Átírás

1 Statikus keverõfej homogén ömledék elõállításhoz fröccsöntésnél SCHNEIDER, GOTTLIEB * kereskedelmi igazgató UNGVÁRI GYÖRGY ** kereskedelmi képviselõ Termékismertetõ 1. Bevezetés Cikkünkben ismertetjük az SMN keverõfej felépítését, mûködését, hatását a polimer ömledék homogenitására, valamint tárgyaljuk a nyomásesést és az abból származó hõmérsékletemelkedést, illetve a legfontosabb felhasználási lehetõségeket a fröccsöntési technológiában. Az, hogy az anyag homogenitása az ömlesztõ egység elhagyása után gyakran nem megfelelõ, nem meglepõ. Közelebbrõl vizsgálva, a csigában az alábbi folyamatok mennek végbe: a mûanyag granulátum vagy por behúzása, felmelegítése, komprimálása, mechanikus és termikus homogenizálása, majd kitolása. Gyakran színezõés adalékanyagokat is be kell keverni. Ehhez járul továbbá, hogy az ömlesztési folyamat során a hasznos csigahossz folyamatosan csökken. Jó minõségû fröccstárgyakat gyártani csak kifogástalan és homogén ömledékkel lehet. A fröccsöntésnél a csiga elõterének elhagyása után a polimer ömledék sugár- és tengelyirányban jelentõs hõmérséklet különbséget mutat és/vagy az adalékok nem elég homogén módon oszlanak el, ami színfátyolosodáshoz, foltokhoz, vetemedéshez és más minõségi hiányosságokhoz vezethet. A folyadékok keverésénél szerzett jó tapasztalatok alapján, széles viszkozitás tartományban már évek óta az ömledék további homogenizálásához statikus keverõt alkalmaznak. Ezeket egy erre a célra módosított dûznibe 1. ábra. SMN keverõfej a befröccsöntési folyamat során bekövetkezõ pótlólagos ömledékhomogenizálásra építik be, mely az ömledéket a befröccsöntés során pótlólagosan homogenizálja. Az eredmény egyenletes színezõ- és/vagy egyenletes adalékanyag-eloszlás sugárirányú hõmérsékletkülönbség nélkül, azaz optimális folyóképességû ömledék. A gépet statikus keverõdûznivel (1. ábra) legtöbb esetben utólag szerelik fel. 2. Az SMN statikus keverõdûzni felépítése A StaMixCo statikus keverõelemet, melyet az SMN keverõ fejbe építenek be, speciálisan a fröccsöntési folyamat kemény feltételeire (rövid idejû csúcsterhelés, terheléscsere gyors bekövetkezése) fejlesztették ki. Az SMN keverõfej több, egymáshoz képest, 90 -kal elforgatott, egymás mögé helyezett keverõelembõl áll, amelyeket egy megfelelõen módosított fejbe illesztenek (2. ábra). 2. ábra. Keverõfej keresztmetszete A keverõelem egymásba kapaszkodó és egymást keresztezõ közfalakból áll, melyek a laminárisan áramló polimer ömledéket rétegekre osztják, majd a csõkeresztmetszeten haladnak tovább. A keverõelemekkel módosított dûzni, kis kiterjedése miatt, szinte minden fröccsöntõ gépbe nehézség nélkül beépíthetõ. Mivel a plasztikáló egységet nem kell sem módosítani, sem kicserélni, ezért gyorsan és olcsón lehet a homogenizálási teljesítményt a követelményekhez igazítani, régebbi gépek esetében is. E szerkezeti mód eredménye egy mechanikailag nagyon erõs, terhelhetõ elem, 85% szabad térfogattal, ami viszonylag kis nyomásesést hoz létre. A darabot öntvényként (a keverõháló és az azt körülvevõ gyûrû monolitikus egységet képez hegesztési helyek nélkül) rozsdamentes acélból állítják elõ, mely megfelelõ hõkezelés *StaMixCo Technology AG, CH-8474 Dinhard, Ebnetstrasse 8, Schweiz, telefon: , fax: , info@stamixco.com, **Magyarországi képviselet, 2225 Üllõ, Hajcsár út 24., telefon: , mobil: , gy.ungvari@monornet.hu évfolyam, 3. szám 111

2 után nagyon nagy szilárdságú. A keverõháló belépõ élét tetõszerûen alakítják ki, így optimális áramlás érhetõ el. Az LMXR keverõelemet a BAYER AG (Leverkusen) fejlesztette ki és szabadalmaztatta, melyet a STAMIXCO TECHNOLOGY AG ennek alapján gyárt. A keverõszerkezet a folyadékáramot részáramokra osztja majd újra öszszevezeti ezeket (3. ábra). Az átkeverés döntõen sugárirányban történik és kiegyenlíti a koncentráció vagy a hõmérséklet inhomogenitásokat a csõfal és a középpont között. A csõfalon és a keverõtesten, az üres csõvel ellentétben, nincs stagnáló határréteg, mivel az áramlás mindig a beépített felülethez és a csõfalhoz képest adott szög alatt lép fel és sohasem azzal párhuzamosan (ahogy az üres csõben). Az áramlás folyamatos felosztása révén képzõdõ rétegek száma, és ezzel a homogenitás, növekvõ keverõelem száal nõ. 3. ábra. Két viszkózus poliuretán keverék az SMN statikus keverõben az üres csõben (fent) végbemenõ keverõhatással összehasonlítva 4. ábra. Hõmérséklet-profil a keverõfej átmérõje mentén. 1 a csiga elõterében, 2 az SMN keverõfej után A kifogástalanul homogenizált mûanyag ömledék az egyik legfontosabb elõfeltétele a kiemelkedõen magas minõségû termékek elõállításának. Különösebb intézkedések hiányában a mûanyag ömledék a csiga elõterében jelentõs radiális és axiális hõmérséklet különbségeket mutat. Ez számos hibához vezethet: helytelen zsugorodás, súly- és színeltérések, színfoltok és csíkok stb. A statikus keverõ keverõhatása nemcsak a polimerömledékek hõmérséklet különbségének megszüntetésénél (4. ábra), hanem a színezék- és adalékanyagok jobb eloszlatásában is bizonyított. A csiga elõterében áramló ömledék a plasztikáló henger falával érintkezõ vékony, csõ alakú rétegének sebessége zérus, a szomszédos rétegek sebessége a henger belseje felé egyre nõ, és legnagyobb a sebesség a tengely mentén. A sebesség-eloszlás üres csõben az 5. ábrán feltüntetett parabolikus sebességprofilnak felel meg. Stacioner áramlásnál a henger bármely keresztmetszetén az idõegység alatt áthaladó ömledék térfogata a nyomáseséssel és a henger sugarának negyedik hatványával egyenesen, az ömledék viszkozitásával fordítottan arányos. A hengerben tengelyirányban áramló ömledékre három erõ hat: a nyomóerõ, valamint a szomszédos belsõ és külsõ rétegtõl származó súrlódási erõk. A Newtontörvény alapján a három erõ eredõjének zérusnak kell lennie [1 4]. Ha a keverõfejen áramoltatjuk át az ömledéket, homogenizáljuk annak belsõ hõjét. Az ömledék hõmérséklete szoros összefüggésben van a viszkozitással (növekvõ hõmérséklettel az ömledék viszkozitása csökken). Az elõzõekben említett törvényszerûség alapján, az SMN keverõfejet elhagyó ömledék áramlási profilja az 5. áb- 3. Az SMN keverõfej mûködése 3.1. Hõmérséklet- és sebességprofilok 5. ábra. A polimer sebességprofilja üres csõben és SMN keverõben évfolyam, 3. szám

3 ra szerint alakul. A polimer ömledékek folyásával kapcsolatos kérdéseket a reológia tárgyalja [5] Homogenitás Az SMN keverõfej keverõteljesítménye mennyiségileg meghatározható. A legegyszerûbben a σ/σ 0 relatív standardeltéréssel adható meg, ami egy keveréknek a kiindulási állapothoz mért megváltozását mutatja. A fröccsöntés során a legtöbb esetben az L/D = 4 nagyságú relatív keverõ hosszúság kielégítõ. Egy ilyen keverõ σ/σ 0 standard eltérése 0,2 (6. ábra), mely a homogenitásbeli egyenetlenségeket ötödrészére csökkenti. Az SMN keverõfej keverõhatása ellentétben a dinamikus keverõkkel független az átáramló anyag mennyiségétõl. 7. ábra. Különbözõ keverõdûznik térfogatáram-nyírósebesség karakterisztikái ahol P a nyomásesés [Pa]; Ne a dimenziómentes Newton-szám; Re p a csõátmérõtõl függõ dimenziómentes Reynolds-szám; η a dinamikus viszkozitás [Pa s]; V a térfogatáram [cm 3 /s]; D a csõ belsõ átmérõje [m]; L a keverési hossz [m]. Az SMN keverõfejre Ne Re p = A megadott nyomásveszteség kizárólag newtoni folyadékokra igaz. A legtöbb polimer azonban nem ilyen, mert viszkozitása a nyírósebességtõl függ. Ez utóbbi pedig adott keverõ geometriánál a befröccsöntésnél kialakuló térfogatáraal áll kapcsolatban. A leginkább megfelelõ keverõfej kiválasztásához a 7. ábra nyújt segítséget. Az SMN keverõ fej nyomásesése arányos az ömledék viszkozitásával a megfelelõ nyírósebességnél. Legjobb, ha a polimer szállítója által megadott viszkozitás értéket vesszük alapul. Egy másik lehetõség a viszkozitás meghatározására az ömledékindex (MFI). Ezzel egy becsült áramlási görbét (7. ábra) készíthetünk, amely azonban soha nem fogja elérni a közvetlenül a polimerrel mért görbe pontosságát. A gyakorlatban fellépõ nyomásesések, az üzemi körülményektõl függõen, a számított értékeket akár 100%- kal is átléphetik. A polimer ömledékek nyomás alatti viszkozitás növekedése többnyire a 7. ábra szerinti értékeken marad. Ez a hatás különösen a rövid befröccsöntési idõknél, a befröccsöntés elején, azaz a nagy sebesség változásoknál jelentõs. A nyomásesést a dûzni bemeneténél nem vettük figyelembe. 6. ábra. Relatív standardeltérés az L/D viszony függvényében 3.3. Nyomásesés A lamináris áramlás nyomásesése a keverõfejben: 4 V L P = Ne Rep η π 3 D D (1) 3.4. Hõmérsékletemelkedés a nyomásesés hatására A keverõben disszipálódó energia nem számottevõ. Ezért a keverõ be- és kilépése közötti, nyomáscsökkenés hatására kiváltott hõmérsékletemelkedés is kicsi, mely a következõ képlettel számítható ki: T adiabetikus P = ρ c (2) ahol T a hõmérsékletkülönbség [ C]; ρ a sûrûség [kg/m 3 ]; c fajhõ [J/kg C]. A mûanyag ömledék sûrûsége kg/m 3, a fajhõ pedig J/kg C között ingadozik. Ennek eredménye 5 C hõmérsékletemelkedés 100 bar nyomásesésre. 4. Az SMN keverõdûzni jellemzõi és kiválasztása A keverõdûzniben létrejött nyírósebesség a plasztikáló egységgel összehasonlítva kicsi, ezért a diszperzív keveréshez, mint pl. szilárd anyag agglomerátumok feltörése, nem alkalmas. A statikus keverõ ezzel szemben különösen alkalmas disztributív keverésre, pl. színezõ évfolyam, 3. szám 113

4 anyagok egyenletes eloszlatására az ömledékben direkt színezésnél vagy a forrócsatorna rendszer sugárirányú hõmérséklet homogenizálására. Az LMXR keverõelem nagyon hatékony (8. ábra). Ez a keverõ rövid hosszából ered, ami fontos tényezõ a fröccsöntõ gépeknél. A szükséges keverõelemek száma a feladat megfogalmazástól függ. Nagyfelületû darabok, mint pl. TV ház vagy számítógép monitor, nyomtató, világos színezésénél 12 keverõelemre van szükség. Az alkalmazások több mint 90%-ánál komoly homogenitásbeli problémák vannak, ezeknél 8 keverõelembõl álló keverõ szükséges (L/D = 4,5). Mindössze 6 keverõeleel sok esetben a szükséges homogenitás javulás már elérhetõ. A puszta hõmérséklet homogenizáláshoz 4 keverõelem is elegendõ. A keverõfej megengedett nyomásesésének bar közé kell esni. Az átömlõ keresztmetszet helyes megválasztásával ez elérhetõ. A hidraulika olajnyomását általában barral kell emelni. Gyakran meg sem kell azt növelni, mivel a homogén ömledék a szerszámcsatornában jobban folyik, a nyomásesés ezáltal csökken és ezt a keverõ dûzni részben vagy egészben kompenzálja. Az SMN keverõelemek késleltetési spektruma szûk, ennek eredménye a nagyon jó öntisztítás (8. ábra). Anyag- vagy színváltásnál a keverõ tartalma viszonylag rövid idõ alatt kicserélõdik. A torlónyomás növelésével a homogenitásbeli hiányosságok, mint pl. egyenlõtlen szín- és adalékanyag-eloszlás okozta radiális és axiális hõmérsékleti profilok, részben kiküszöbölhetõk. Az intézkedés csökkenti a plasztikáló teljesítményt és erõteljesen növeli az energiafelhasználást. Ez utóbbi abból következik, hogy a csiga, amely a plasztikálás során kis hatásfokú szivattyúnak tekinthetõ, hosszú idõn keresztül nagy nyomás ellenében kell, hogy dolgozzon. Ugyanez az eredmény SMN keverõfejjel jóval gazdaságosabban érhetõ el. A radiális színkoncentráció- és hõmérséklet különbségek a keverõ elemek révén kiegyenlítõdnek. Az axiális hõmérséklet különbségek a magasabb energia disszipáció miatt csökkennek az ömledék hidegebb részeiben, miközben a plasztikálási teljesítmény nem csökken. A befröccsöntés 8. ábra. Öntisztítási karakterisztikák plusz energiaszükséglete nem jelentõs, mert viszonylag rövid ideig kell a megnövekedett nyomásesést áthidalni. A rendszert színcserénél nem kell tisztítani. A keverõben, ellentétben az üres csõvel, közel dugattyúáramlás uralkodik, a kifejezetten sugárirányú áramlás következtében. Ezért a régi ömledék kitolása az újjal gyors és tökéletes. A kereskedelmi forgalomban kapható keverõelemek legfontosabb geometriai és kiválasztási jellemzõit az 1. táblázat tartalmazza. 5. Felhasználási példák Az SMN keverõdûznivel gyakorlatilag minden termoplaszt feldolgozható, a PVC, kifejezett bomlási hajlama miatt, viszont nem. Az SMN statikus keverõk raktárról 12, 18, 22, 27, 33, 40 és 52 standard méretekben kaphatók. Ezzel a fröccsgépekre való alkalmazás csigaátmérõ tartományban lehetséges. Egy 1400 g tömegû termék elõállításánál mesterkeverékkel dolgoztak és állandó színhiba keletkezett. A keverõfej beépítésével a színezési probléma megoldódott és a színezõanyag felhasználás 11%-kal csökkent. A kifogástalan minõségû termékek elõállításához szükséges beállítási idõ 2 óráról 1/2 3/4 órára csökkent. A keverõ beépítésével az optimális gépbeállítás megtartása kevés- Fröccsgép csigaátmérõ Fröccstérfogat Keverõdûzni Keverõelem nagy furat belsõ külsõ viszkozitás típusa átmérõ átmérõ átmérõ, cm 3 /s kis viszkozitás cm 3 /s 1. táblázat. SMN keverõfej elemek méretei elem hossz teljes hossz (8 elem) SMN , SMN , SMN , SMN , SMN , SMN ,0 192 Tûrés (osztály/) F7/h6 H6/g6 0/0,1 0/ 0, évfolyam, 3. szám

5 bé lett kritikus. Csak nagyobb eltérések vezettek a termékek minõségcsökkenéséhez. Egy nagyon régi, L/D = 10 csigájú fröccsöntõ gépen víztiszta PS-bõl 1 1,5% fehér és kék mesterkeverékkel mintákat fröccsöntöttek. Még ezen a direkt színezésre alkalmatlan gépen is sikerült a 6 keverõeleel ellátott SMN keverõfej beépítése után egy nyitott dûznivel és torlónyomás alkalmazása nélkül majdnem tökéletes színeloszlást elérni. Ez a példa azt mutatja, hogy kedvezõtlen csiga tulajdonságokkal rendelkezõ erõsen használt gépek is költséghatékonyan állíthatók át a direkt színezésre keverõfej beépítésével. Ez azt is jelenti, hogy a régi gép újra cserélése elodázható. Egy kn záróerejû fröccsöntõ gépen polipropilén kopolimerbõl készülõ, 2800 g tömegû terméket színeztek direkt módon. Hogy nagyjából elfogadható színeloszlást érjenek el, a maximálisan lehetséges fröccsnyomást állították be. A keverõfej beépítése után ezt a minimumra lehetett csökkenteni. Ebbõl következett a ciklusidõ megrövidülése. A SMN keverõfej direkt színezésnél a pigmenteket egyenlõen osztja el az ömledékben. Ezáltal kis színezõanyag koncentráció mellett jó fedettségi fok érhetõ el. A költségcsökkenés miatt a keverõfej ára hamar megtérül. Nemcsak a világos színeknél, amelyeknél az egyenetlen színeloszlás azonnal látható, hanem a sötétebb színeknél is költségcsökkenés érhetõ el. A keverõfej hõmérsékletkülönbség nélküli ömledék elõállítására képes. A csiga ellenállása minden egyes fröccsöntésnél azonos, ezáltal a termékek tömegének szórása kisebb lesz. Ez lehetõvé teszi az utónyomás csökkentését, és így a tömegközépérték közelítését a minimálisan elvárthoz. A polietilének feldolgozásánál elért anyagmegtakarítás következtében ára megtérül. Az univerzális csigával ellátott fröccsgépeken történõ polipropilén feldolgozáskor gyakran gyenge a termék minõsége, mert ez különös tekintettel a módosított mûanyagokra, amelyek egyre nagyobb mennyiségben kerülnek a piacra speciális csigát igényel. A gyakorlati példák azt mutatták, hogy az ilyen mûanyagok probléma nélkül feldolgozhatók univerzális csigával felszerelt gépeken, feltéve, hogy a dûznibe keverõfejet építettek be. 6. Minõségjavítás A színezési probléma a torlónyomás növelésével részben megoldható, de az ömledék plasztikálási idejének, valamint az ömledékhõmérséklet növekedésének rovására. Mindkettõ együtt sok esetben a ciklusidõ meghosszabbodásához vezet. Ilyen esetekben az SMN keverõdûzni a megoldás, mivel a kisebb torlónyomással ugyanaz az eredmény érhetõ el. Ehhez gyakran még 40%-os színezék megtakarítás is járul, így a keverõ néhány héten belül amortizálódik. Régebbi gépeknél, különösen olyanoknál, melyek 9. ábra. Szín-eloszlás egy SAN-ból készült fogkefe nyelében. Fent: SMN keverõdûznivel 3%-nál kisebb selejtarány, lent: standard dûznivel 25 30% selejtarány 10. ábra. Színeloszlás egy próbatest fenekén csigája viszonylag rövid, a keverõ dûzni beépítése a darab minõségét általában javítja és az alkalmazási tartomány kiterjeszthetõ vagy a selejtarány csökkenthetõ direkt színezésnél (9. és 10. ábra). Reciklált anyag feldolgozásánál segít az ömledék pótlólagos homogenizálása, azaz a keverõ dûznivel jobb minõségû darabot lehet gyártani, vagy a selejtarányt csökkenteni. Ha a reciklált anyagot új anyaggal kombinálva dolgozzuk fel, gyakran a reciklált anyag hányadát növelni lehet anélkül, hogy minõségromlás jelentkezne, ami az anyagköltségek csökkenéséhez vezet. 7. Összefoglalás Az SMN keverõfej beépítése a fröccsöntõ gépbe a termékek minõségének javulásán kívül költségmegtakarítást is eredményez, mert kevesebb színezõ koncentrátumra lesz szükség. A ciklusidõ csökkenése a legtöbb esetben lehetõvé teszi a keverõfej rövid idõn belüli megtérülését. A fröccsöntõ gép felhasználási területe kibõvíthetõ, az új gép beszerzésének ideje kitolható, ami szintén költségcsökkentést eredményez. A keverõfej kis beépítési mérete és geometriája lehetõvé teszi bármilyen fröccsöntõ gépbe való beépítését és ezzel az egész feldolgozási folyamat optimalizálását. Irodalomjegyzék [1] Grosz-Röll, F.: Homogenitätserfassung in statischen Mischern, [2] Schneider, G.: Kontinuierliches Mischen von Flüssigkeiten mit statischen Mischern, [3] Schneider, G.: Optimiert Verarbeitung mit statischen Mischer, [4] Kohler, R.: Untersuchungen zur Verbesserung der thermischen Homogenität der Massevorlage beim Spritzgiessen, [5] Budó, Á.: Az áramlások leírása és felosztása, a belsõ súrlódás (viszkozitás) évfolyam, 3. szám 115