خانه / رزین ها / کاربرد افرودنی ها در لوله های پلی اتیلن
کاربرد افرودنی ها در لوله های پلی اتیلن

کاربرد افرودنی ها در لوله های پلی اتیلن

کاربرد افزودنی Polymer Processing Additives درلوله های HDPE
افزودنی های کمک فرایندی پلیمری با پایه فلوئور پلیمر، اغلب در صنعت پلی اتیلن استفاده می شوند و قادر به از بین بردن شکست مذاب (Melt Fracture) و تجمع مواد سر قالب (Die build up) هستند.
PPA بدون آنکه به خواص نهایی محصول لطمه ای بزند، به صورت بهینه در رنج وسیعی از کاربرد های فرایندی استفاده می-شود. در این مقاله تحقیقات فنی – تجربی نشان می دهد که چگونه PPA بدون داشتن اثر منفی بر روی خواص مکانیکی لوله ها، وضعیت اکستروژن را تغییر می¬دهد.
PPA به عنوان فلوئور پلیمر دینامیکی پوشش دهنده سطح فلز در قالب، شناخته می شود. لازم به ذکر است که این نوع مواد در پلی اتیلن امتزاج پذیر نیستند و در حالت برش خیلی زیاد (درون اکسترودر) به صورت قطرات خیلی کوچک به قسمت خارجی جریان مذاب مهاجرت کرده و پوششی را بر روی دیواره فلزی قالب تشکیل می دهند که این پوشش ، حالت سرعت صفر را در نزدیکی دیواره قالب از بین می برد و در نتیجه پروفایل سرعت افزایش پیدا کرده و مقاومت در سطح مشترک فلز-پلیمر کاهش پیدا می کند.
همچنین این نوع افزودنی اثر خود را در طی فرایند اکستروژن با کاهش فشار راهگاه و صافی سطح محصول، نشان می دهد. PPA در حقیقت برای رفع عیب های سطحی مثل پوست کوسه ی یا شکست مذاب، در طی فرایند پلی تیلن استفاده می شود.
استفاده از PPA این اجازه را به ما می دهد که انتخاب راحت تری برای نوع رزین داشته باشیم. به عنوان مثال، افت فشار امکان استفاده از مواد با MFIپایین تر که برای خواص و فرایند پذیری مفید می باشد را، فراهم می سازد. همچنین در مطالعات دیگر ثابت شده است که PPA برای کاهش تجمع مواد سر قالب و کاهش ژل شدگی مناسب است.
تاًثیر PPA بر روی پارامتر¬های فرایندی در طی اکستروژن:
در این تحقیق کامپاندها بر پایه رزین HDPE (gr/cm^3 Density=0/940 و MFI=0/45 gr/10min) تهیه شده است و کلیه کامپاندها شامل % ۲/۵دوده می باشد. برای آزمایش و بحث در این مقاله از PPA هایی به شرح ذیل استفاده شده است:
PPA 1: Dynamar™ PPA FX 9613
PPA 2: Dynamar™ PPA FX 5920A
PPA 3: Dynamar™ PPA FX 5911X
PPA 4: Dynamar™ PPA FX 5920B

برای آزمایش اولیه و مقایسه انواع مختلف PPA از رئومتر موئینگی استفاده شد. ۱،۲،۳PPA به مقدار مساوی، به مواد مشکی اضافه شد. PPA3 استفاده شده در رزین HDPE، با بیشترین کاهش ویسکوزیته ظاهری، بهترین نتیجه را نشان داد و به همین دلیل برای انجام آزمایشات انتخاب شد.
برای نمونه اول از یک پلیمر مرجع که عاری از هر گونه PPA بود استفاده شد و به نمونه دوم مقدار ppm PPA3 600 اضافه شدPPA . و دوده بوسیله یک مستربچ شامل ۴۰% دوده، ساخت شرکت Cabot به پلیمر اضافه شد. لوله¬ها بوسیله یک اکسترودر ۴۵ میلی¬متر رایفن هازر و قالبی با قطر خارجی ۱۱/۸ و قطر داخلی ۸/۳ میلی¬متر تولید شده است.
Compound 1: HDPE + 2/5% CB + 0 ppm PPA (Reference)
Compound 2: HDPE + 2/5% CB + 600 ppm PPA 3
تاًثیرPPA بر روی فشار اکسترودر:
در اولین مرحله اثر PPA بر روی فشار راهگاه، در سرعت موتور و دمای ثابت بررسی شد. فشار مرجع ۱۳۱ bar در کامپاند ۱ ثابت بوده و پس از آن کامپاند ۲ به اکسترودر اضافه شده است که شامل ۶۰۰ ppm PPA3 بوده است و تقریبا بلافاصله، فشار درون اکسترودر کاهش پیدا کرد. این کاهش فشار، نتیجه چسبیدن PPA به سطح قالب بوده است. فشار پس از حدود ۲۰ دقیقه در ۱۱۰ bar ثابت ماند که برابر با %۱۳ کاهش فشار است


(شکل۱) تاثیر PPA3 600 ppm بر روی فشار، در طی فرایند اکستروژن
در آزمایش دوم، تحت شرایط فرایندی دما و فشار ثابت، اثر PPA3 600ppm را بر روی خروجی اکسترودر آزمایش و ارزیابی شد و در حالی که فشار یک عامل محدود کننده برای تولید است، این آزمایش یکی از مزیت¬های PPA برای افزایش خروجی را، به ما نشان داد.

شکل۲) افزایش خروجی در طی فرایند اکستروژن لوله های HDPEدر فشار ثابت با استفاده از PPA3 600ppm
وقتی که کامپاند شامل PPA3 600ppm به اکسترودر اضافه شد، فشارکاهش پیدا کرد. بعد از رسیدن به تعادل، سرعت موتور را افزایش دادیم. دور موتور از ۳۴ rpm شروع شد و سرعت موتور گام به گام افزایش پیدا کرد و زمانی که سرعت موتور به ۴۷ rpm رسید، فشار نیز به فشار مرجع رسید. میزان خروجی قبل و بعد از افزایش سرعت موتور اندازه¬گیری شد و همانطور که مشخص شد خروجی %۴۵ افزایش پیدا کرد. البته اثر PPA در تولید لوله با ضخامت دیواره بزرگتر نسبت به تولید لوله های با ضخامت دیواره نازک، ضعیف تر است (شکل۲).
تاًثیر PPA در شریط دما و فشار:
PPA، دمای اکستروژن را کاهش می¬دهد و این کاهش دما در کاربرد¬های حساس باعث کاهش تخریب ماده پلیمری می¬شود و تاثیر مثبتی بر روی خواص نهایی دارد. همچنین دمای پایین باعث کاهش تجمع مواد سر قالب (die build up) نیز می¬شود.
تنظیمات اکسترودر زمانی که از PPA استفاده نشده بود، بر روی فشار۱۲۸ bar و سرعت موتور ۳۴ rpm تنظیم شده بود. وقتی کهPPA به سیستم اضافه شد فشار در۱۱۰ bar به تعادل رسید و در همان لحظه دمای نواحی مختلف اکسترودر ۱۵-۲۰℃ کاهش پیدا کرد (سیستم دمایی۱). دما در اولین ناحیه حرارتی که مربوط به منطقه خوراک¬دهی است، ثابت نگه داشته شد. در مرحله دوم هنگامی که دما به تنظیمات جدید رسید، فشار مجدداً از ۱۱۰ به bar 118 افزایش پیدا کرد (سیستم دمایی۲). در مرحله سوم دما ۱۰℃ دیگر کاهش پیدا کرد (سیستم دمایی۳). فشار در جایی که درجه حرارت به حالت پایدار رسیده بود، به مقدار bar124 رسید. این فشار بدست آمده در دمای ۲۵℃ پایین¬تر، هنوز از فشاری که ترکیب مرجع ما داشت، کمتر است (شکل۳).

جدول۱) برنامه¬های دمایی فرایند اکستروژن، در حضور ۶۰۰ppm PPA
در نتیجه استفاده از PPA3 600ppm این امکان را فراهم می¬کند که بدون محدودیت برای خروجی یا افزایش فشار، میزان دما را ℃ ۲۵-۳۰ کاهش دهیم.


شکل۳) تغییرات فشار به عنوان تابعی از زمان
تاًثیر PPA در خواص مقاومت طولانی مدت هیدرو استاتیک (LTHS):
PPAدر رزین HDPE امتزاج¬پذیر نیست. همانطور که در بالا توضیح داده شد، پس از مخلوط¬کردن PPA، فاز جداگانه¬ای بوجود می¬آید و پس از زمان اندکی به صورت لایه خیلی نازک به سطح آمده و انرژی لایه سطحی قالب و نیروی مورد نیاز برای حرکت پلیمر در تمامی سطح قالب را، کاهش می¬دهد. تنش برشی کاهش قابل توجهی پیدا کرده (شکل۴)، و در نتیجه ویسکوزیته ظاهری نیز در رزین شامل PPA در مقایسه با رزین اصلی کاهش پیدا می¬کند (شکل۵).

شکل ۴) رئومترموئینگی، کاهش تنش برشی

شکل ۵) رئومترموئینگی، کاهش ویسکوزیته ظاهری
به منظور انجام آزمون هیدرو استاتیک بلند مدت، از دو رزین زیر استفاده کردیم:
HDPE Polymers: Resin A=HDPE,density 0.947 ;HLMI 9
Resin B=HDPE,density 0.945 ;HLMI 10
به منظور به حداکثر رساندن تاثیر PPA بر روی خواص فیزیکی مکانیکی، PPA با غلظت بالا انتخاب شد و هر رزین شامل ۱۰۰۰ppm PPA با رزین بدون افزودنی مقایسه شد. نمونه لوله بر اساس استاندارد ASTM D 2837 و ISO TR 9080 مورد آزمایش قرار گرفت. ۱،۲،۳PPA از رزینA بر اساس استانداردASTM 2837 در دمای ۲۳ ℃ مورد آزمایش قرار گرفت. به منظور کم ¬کردن مقدار مستربچ، PPA از طریق مستربچ فرموله شده به رزین اضافه شد.
از نظر تولیدکننده حفظ خواص فیزیکی و مکانیکی مواد که ممکن است در افزایش عمر لوله مفید باشد، خیلی مهم است. از آنجایی که PPA فاز جداگانه¬ای را تشکیل می¬دهد، نگرانی تولیدکننده این است که ذرات ممکن است به عنوان نقاط تمرکز تنش عمل کرده و باعث انتشار ترک شوند. اطلاعات بدست آمده نشان داده است که افزودن PPA تاثیر منفی برروی خواص LTHS نداشته است (شکل۶ و۷).

شکل ۶) نتایج تست LTHS برای رزین A در دمای ℃ ۲۳ طبق استاندارد ASTM D2837

شکل ۷) نتایج تست LTHS برای رزین B در دمای ℃ , ۲۰℃ ۶۰, ℃ ۸۰ مطابق استاندارد (ISO TR 9080)
تاًثیر PPAبر روی سطح ظاهری :
پس از اکستروژن شرایط سطح ظاهری به صورت چشمی مورد بررسی قرار گرفت.
شکل ۸) (دریافت فایل ) عکس از سطح ظاهری لوله بدون PPA (سمت چپ) و با حضور PPA (سمت راست)
نتایج بررسی¬های انجام شده بر روی سطح ظاهری لوله حاکی از این بود که استفاده از PPA، باعث بهبود کیفیت سطح می¬شود (شکل۸).
البته شایان ذکر است که این نوع افزودنی (PPA)، در شرکت¬های مستربچ سازی داخل کشور نیز، تولید می¬شود.
نتیجه¬گیری :
۱) استفاده از PPA در فرایند اکستروژن، باعث کاهش چشمگیر فشار اکسترودر می¬شود. همچنین کاهش گشتاور، باعث کاهش مصرف انرژی در اکسترودر نیز می¬شود.
۲) هنگامی که فشار در اکسترودر یک عامل محدودکننده است، PPA می¬تواند خروجی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد، به شرطی که تجهیزات دارای توانایی و ظرفیت خنک¬کاری این خروجی اضافی باشند.
۳) با استفاده از PPA می¬توانیم بدون ایجاد مشکل در خروجی و یا افزایش فشار اکسترودر، تنظیمات دما را کاهش دهیم.
۴) ترکیبات حاوی PPA منجر به سطحی صاف و صیقلی، در لوله HDPE می¬شود.
۵) آزمایشات مکانیکی دراز مدت نشان می¬دهد که استفاده از PPA اثر منفی بر روی خواص مکانیکی دراز مدت لوله¬های پلی اتیلن ندارد.
مراجع:
۱٫ Blong, T.J.; Klein, D.F.; Pocius, A.V.; Strobel, M.A.; “The Influence of Polymer Processing Additives on the Surface, Mechanical, and Optical Properties of LLDPE Blown Film.” Tappi Polymer, Laminations, and Coating Conference,1993.
۲٫ Horns, J.; “The Influence of Using Polymer Processing Additives to Improve the Extrusion Characteristics of LDPE/LLDPE Resin Blends.” Tappi Polymer, Laminations and Coating Conference Proceedings (1), 1996.
۳٫ Van den Bossche, L.; Georjon, O.; Donders,T.; 3. Van den Bossche, L.; Georjon, O.; Donders,T.; PE’۹۷ World Congress, Maack Business Services.
۴٫ Woods, S.S.; Amos, S.E.; The Use of Polymer Processing Additives to Reduce Gel Formation in Polyolefin Plastomer Extrusion, TAPPI 1998 / ANTEC 1999
۵٫ Springborn Testing and Research, 10 Water Street, Enfield, CT, 060682

 

درباره mahanchemical.co

مهندس شیمی پانزده سال تدریس شیمی تولید کننده مواد شیمیایی در قم متولد تیر چهل وسه

پاسخ بدهید