یک آزمایشگاه اکسترودر چگونه کار می کند؟
اکسترودر آزمایشگاه ابزاری اساسی در تولید ، توسعه و تولید در مقیاس کوچک در صنایع مختلف از جمله علوم پلیمری ، فرآوری مواد غذایی ، داروسازی و تولید دستگاه های پزشکی است. این امکان را به دانشمندان و مهندسان می دهد تا بدون نیاز به تجهیزات صنعتی در مقیاس بزرگ ، مواد جدید را آزمایش کنند و نمونه های اولیه را آزمایش کنند. درک عملکرد داخلی یک اکسترودر آزمایشگاه برای کسانی که در توسعه مواد و بهینه سازی فرآیند نقش دارند بسیار مهم است.
در این مقاله ، ما اجزای اساسی را کشف خواهیم کرد یک اکسترودر آزمایشگاهی ، نحوه عملکرد آن ، فرآیند گام به گام اکستروژن و اینکه چگونه پارامترهایی مانند دما ، فشار و طراحی پیچ بر مواد پردازش شده تأثیر می گذارد.
اکسترودر آزمایشگاه چیست؟
قبل از بررسی نحوه کار یک آزمایشگاه اکسترودر ، مهم است که درک کنید که چیست. اکسترودر آزمایشگاه یک نسخه جمع و جور از یک اکسترودر صنعتی است که برای پردازش موادی مانند پلیمرها ، پلاستیک ، لاستیک ، مواد غذایی و حتی داروهای دارویی استفاده می شود. این معمولاً در تنظیمات آزمایشگاهی به کار می رود که در آن آزمایش های با دقت بالا و با دقت بالا برای بهینه سازی خصوصیات مواد ، توسعه نمونه های اولیه و آزمایش فرمولاسیون های جدید انجام می شود.
اکسترودرهای آزمایشگاهی به گونه ای طراحی شده اند که حجم نسبتاً کمی از مواد را کنترل می کنند ، به طور معمول در محدوده چند کیلوگرم در ساعت ، و آنها را برای اهداف تحقیق و توسعه ایده آل می کند. آنها ماشینهای همه کاره هستند که قادر به پردازش طیف گسترده ای از مواد ، از جمله ترموپلاستیک ، ترموست و پلیمرهای تخریب پذیر هستند و در برنامه های مختلف از ترکیب پلیمری تا توسعه محصول مواد غذایی استفاده می شوند.
اجزای اصلی اکسترودر آزمایشگاه
برای درک چگونگی کار یک آزمایشگاه اکسترودر ، لازم است ابتدا خود را با اجزای اصلی آن آشنا کنید. این مؤلفه ها برای پردازش مواد اولیه و تبدیل آنها به شکل یا فرم مورد نظر در یکنواخت کار می کنند. در اینجا قسمت های اصلی اکسترودر آزمایشگاه معمولی آورده شده است:
1. قیف غذا
قیف خوراک جایی است که مواد اولیه در اکسترودر وارد می شود. بسته به نوع ماده پردازش شده ، این ماده می تواند به صورت گلوله ، پودر یا حتی مایعات باشد. قیف تضمین می کند که مواد به طور مداوم و با سرعت کنترل شده به اکسترودر تغذیه می شوند.
2. پیچ و بشکه
مونتاژ پیچ و بشکه هسته اکسترودر است. پیچ ، که اغلب از آن به عنوان 'پیچ اکسترودر' یاد می شود ، یک جزء مارپیچ چرخان است که مواد را از طریق بشکه حرکت می دهد. بشکه یک محفظه استوانه ای است که پیچ را در خود جای داده است و عملکرد اصلی آن هدایت و مهار مواد در هنگام گرم شدن و پردازش است.
این پیچ دارای چندین پرواز (یا بخش) است که برای انجام عملکردهای مختلف مانند انتقال ، ذوب ، مخلوط کردن و فشار دادن مواد طراحی شده اند. با چرخش پیچ ، انرژی مکانیکی را روی مواد اعمال می کند و باعث گرم شدن آن و جریان به سمت قالب می شود.
3. بخاری و سیستم کنترل دما
یکی از ویژگی های اصلی اکسترودرهای آزمایشگاهی ، توانایی آنها در کنترل دمای مواد در هنگام پردازش است. بخاری های برقی به طور معمول در اطراف بشکه قرار می گیرند تا دمای ثابت را حفظ کنند. گرما مواد را نرم یا ذوب می کند و باعث می شود دستکاری و شکل گیری آن آسان تر شود.
از سنسورهای دما و کنترل کننده ها برای نظارت و تنظیم دما در نقاط مختلف در امتداد بشکه استفاده می شود. حفظ دمای مناسب برای دستیابی به خصوصیات مواد مورد نظر بسیار مهم است ، زیرا مواد مختلف دارای نیاز دما خاص برای پردازش بهینه هستند.
4. مردن
قالب مؤلفه ای است که از طریق آن ماده از اکسترودر خارج می شود. این ماده به طور معمول از فلز ساخته شده است و شکل یا شکل خاصی دارد که هندسه محصول نهایی را دیکته می کند. بسته به خروجی مورد نظر ، می میرند در شکل های مختلفی مانند ورق ، فیلم ، لوله یا رشته ها قرار دارند.
در اکسترودرهای آزمایشگاهی ، می تواند به راحتی تعویض شود تا با اشکال و اندازه های مختلف آزمایش شود. مواد از طریق قالب تحت فشار مجبور می شوند و شکل آن با پیکربندی قالب تعیین می شود.
5. سیستم موتور و درایو
موتور مسئول چرخاندن پیچ و رانندگی روند اکستروژن است. سرعت موتور را می توان تنظیم کرد تا سرعت چرخش پیچ را کنترل کند ، که به نوبه خود بر سرعت جریان مواد تأثیر می گذارد. سیستم موتور و درایو همچنین گشتاور لازم را برای غلبه بر مقاومت مواد پردازش شده فراهم می کند.
6. سیستم کنترل
سیستم کنترل یک اکسترودر آزمایشگاه وظیفه نظارت و تنظیم پارامترهای مختلف پردازش از جمله دما ، فشار ، سرعت پیچ و سرعت جریان مواد را بر عهده دارد. این سیستم به اپراتور اجازه می دهد تا کنترل دقیق بر فرآیند اکستروژن را حفظ کرده و در زمان واقعی تنظیماتی را برای بهینه سازی خصوصیات مواد انجام دهد.
روند اکستروژن: گام به گام
اکنون که اجزای اصلی را بیان کردیم ، بیایید نگاهی دقیق تر به چگونگی آشکار شدن روند اکستروژن در یک آزمایشگاه آزمایشگاهی بیندازیم.
مرحله 1: بارگیری مواد اولیه
این فرآیند با بارگذاری مواد اولیه در قیف خوراک آغاز می شود. بسته به ترکیب شیمیایی آن و محصول نهایی مورد نظر ، این ماده ممکن است به صورت گلوله ، پودر یا پوسته باشد. پس از بارگیری ، مواد شروع به جریان به بشکه می کنند ، جایی که پردازش می شود.
مرحله 2: گرم کردن مواد
با حرکت مواد از طریق بشکه ، از طریق بخاری های خارجی در معرض گرما قرار می گیرد. فرآیند گرمایش مواد را نرم یا ذوب می کند و باعث می شود شکل آن قابل انعطاف پذیر تر و آسان تر شود. در بعضی موارد ، از یک سیستم خنک کننده نیز ممکن است برای تنظیم دما و جلوگیری از گرمای بیش از حد ، به ویژه برای مواد حساس استفاده شود.
سیستم کنترل دما تضمین می کند که این ماده به دمای پردازش بهینه برسد ، که بسته به ماده مورد استفاده متفاوت است. به عنوان مثال ، ترموپلاستیک به طور معمول به دمای بین 150 درجه سانتیگراد و 250 درجه سانتیگراد نیاز دارد ، در حالی که مواد غذایی ممکن است به دمای پردازش کمتری نیاز داشته باشند.
مرحله 3: انتقال و مخلوط کردن مواد
پس از گرم شدن مواد به اندازه کافی ، پیچ چرخان شروع به انتقال آن از طریق بشکه می کند. با چرخش پیچ ، نیروهای برشی ایجاد می کند که مواد را مخلوط می کنند و از توزیع یکنواخت گرما و فشار اطمینان می دهند. این پیچ همچنین انرژی مکانیکی را روی مواد اعمال می کند ، که به ذوب شدن بیشتر و مخلوط کردن آن کمک می کند.
در برخی از اکسترودرهای آزمایشگاهی ، این پیچ با مناطق مختلف طراحی شده است که هر یک عملکرد خاص را ارائه می دهند:
منطقه خوراک : در جایی که مواد در ابتدا در بشکه بارگیری می شوند و منتقل می شوند.
منطقه فشرده سازی : در جایی که ماده گرم و فشرده شده است و منجر به ذوب می شود.
منطقه اندازه گیری : جایی که مواد مخلوط و همگن هستند و آن را برای اکستروژن از طریق قالب آماده می کنند.
طراحی پیچ برای کارآیی فرآیند اکستروژن بسیار مهم است ، زیرا تعیین می کند که چگونه مواد مخلوط ، گرم شده و منتقل می شوند.
مرحله 4: شکل دادن به مواد
با حرکت ماده به سمت قالب ، گرم ، مخلوط و تحت فشار به قوام مناسب است. قالب جایی است که مواد شکل نهایی خود را به خود می گیرند. فشار درون بشکه ، مواد را از طریق قالب مجبور می کند ، که بسته به کاربرد مورد نظر ، ممکن است اشکال مختلفی از قبیل ورق ، فیلم یا لوله داشته باشد.
طراحی قالب بسیار مهم است زیرا میزان جریان و شکل مواد اکسترود شده را تعیین می کند. اکسترودرهای آزمایشگاهی اغلب با مرگ قابل تعویض همراه هستند و به اپراتورها امکان می دهند با اشکال و هندسه های مختلف آزمایش کنند.
مرحله 5: خنک کننده و جامد سازی
هنگامی که ماده از قالب خارج می شود ، به سرعت خنک می شود تا شکل آن را محکم کند. این فرآیند خنک کننده بسته به مواد و محصول نهایی مورد نظر می تواند از طریق خنک کننده هوا ، حمام های آب یا سایر سیستم های خنک کننده حاصل شود.
برای مواد ترموپلاستیک ، خنک کننده سریع برای حفظ شکل مواد و جلوگیری از تغییر شکل آن ضروری است. در بعضی موارد ، درمان های پس از خنک کننده ، مانند کشش یا نقاشی ، ممکن است برای تقویت خصوصیات مکانیکی مواد استفاده شود.
مرحله ششم: برش یا جمع آوری اکسترودات
پس از خنک شدن ، مواد اکسترود شده به طور معمول به بخش های کوچکتر برش داده می شوند یا بسته به کاربرد آن به عنوان یک رشته مداوم جمع آوری می شوند. در مورد فیلم های پلاستیکی ، مواد اکسترود شده ممکن است روی یک رول پیچیده شوند. برای سایر مواد مانند گلوله ها ، اکسترودات اغلب برای پردازش یا آزمایش بیشتر به قطعات کوچک و یکنواخت بریده می شود.
پارامترهای کلیدی که بر روند اکستروژن تأثیر می گذارد
عوامل مختلفی بر نتیجه روند اکستروژن تأثیر می گذارد. با تنظیم این پارامترها ، اپراتورها می توانند خصوصیات مواد را به خوبی تنظیم کرده و به نتایج مطلوب برسند.
1. کنترل دما
دمای داخل بشکه یکی از مهمترین عوامل اکستروژن است. مواد مختلف برای پردازش بهینه نیاز به دمای خاص دارند. اگر درجه حرارت خیلی زیاد باشد ، ممکن است باعث تخریب یا واکنشهای شیمیایی ناخواسته شود. برعکس ، اگر درجه حرارت خیلی کم باشد ، ممکن است مواد به درستی جریان پیدا نکنند یا ممکن است برای شکل دادن به آن خیلی سفت و سخت بمانند.
2. سرعت
سرعت پیچ بر زمان اقامت مواد در بشکه تأثیر می گذارد ، که به نوبه خود بر ذوب و مخلوط کردن آن تأثیر می گذارد. سرعت پیچ بالاتر به طور معمول منجر به زمان پردازش سریعتر می شود اما می تواند منجر به نیروهای برشی بالاتر شود که ممکن است خاصیت مواد را تحت تأثیر قرار دهد. تنظیم سرعت پیچ به اپراتورها اجازه می دهد تا سرعت جریان را کنترل کنند و به بافت و قوام مورد نظر دست یابند.
3. فشار
فشار درون بشکه توسط ویسکوزیته مواد ، سرعت پیچ و مقاومت در برابر قالب مشخص می شود. فشار بالا می تواند منجر به اختلاط بهتر و اکسترودات با کیفیت بالاتر شود اما همچنین می تواند باعث سایش بیش از حد دستگاه شود. کنترل فشار مناسب تضمین می کند که مواد از طریق سیستم به طور مؤثر و بدون ایجاد انسداد یا آسیب ، جریان می یابد.
4. طرح
طراحی پیچ برای اطمینان از اختلاط مناسب ، گرمایش و انتقال مواد بسیار مهم است. طرح های مختلف پیچ مانند پیچ های منفرد ، پیچ های دوقلوی یا پیچ های چرخاننده ، درجات مختلفی از قابلیت های برشی و اختلاط را در اختیار شما قرار می دهد. طراحی پیچ باید متناسب با مواد خاص و خصوصیات انتهای مورد نظر باشد.
پایان
یک اکسترودر آزمایشگاه با استفاده از گرما ، فشار و انرژی مکانیکی برای پردازش مواد اولیه به شکل ها و اشکال مورد نظر کار می کند. محققان و تولید کنندگان با تنظیم پارامترهایی مانند دما ، سرعت پیچ و فشار ، می توانند فرآیند اکستروژن را به خوبی تنظیم کنند
به خصوصیات مواد خاص دست یابید. این انعطاف پذیری باعث می شود ابزارهای ضروری آزمایشگاه در علوم مواد ، تحقیق و توسعه و تولید در مقیاس کوچک در صنایع مختلف باشد.
درک چگونگی عملکرد یک اکسترودر آزمایشگاه برای هر کسی که در توسعه مواد درگیر باشد ، ضروری است ، زیرا به آنها امکان می دهد فرآیندها را بهینه کنند ، نمونه های اولیه ایجاد کنند و فرمولاسیون های جدید را با دقت و کنترل آزمایش کنند. چه در زمینه های تحقیق پلیمر ، فرآوری مواد غذایی یا تولید دستگاه های پزشکی ، اکسترودر آزمایشگاه نقش مهمی در پیشبرد فناوری و نوآوری دارد.
