EP Ekstrüzyonu Sırasında Erime Kırılmasını Nasıl Önleyebiliriz?

Giriş

Erime kırılması, ekstrüzyon kalıplama sırasında kesme hızlarının kritik bir eşiği aştığı durumlarda polimer eriyiklerinin yüzey dengesizliği yaşamasını ifade eder. Bu durum, ekstrüde edilen malzemenin yüzeyinin pürüzlü hale gelmesine ve köpekbalığı derisi, düzensizlikler, bambu benzeri desenler veya spiral bozulmalar gibi deformasyonların ortaya çıkmasına neden olur. Erimiş malzeme kırılması, ürün kalitesini ve üretim verimliliğini ciddi şekilde etkileyebilir.

classic 'in reolojik test cihazı olan kapiler reometre, çeşitli malzemeler için geniş bir kesme hızı ve sıcaklık aralığında eriyik kırılması fenomeninin incelenmesini sağlar.

Bu nedenle, bu çalışmada, polietilen (PE) malzemelerde eriyik kırılmasına sıcaklığın etkilerini, kalıbın giriş açısını ve kalıbın uzunluk-çap oranını sistematik olarak incelemek üzere bir NETZSCH Rosand RH10 kapiler reometre (şekil 1) kullanılmıştır. Bu araştırma, gerçek üretimde PE işleme tekniklerine rehberlik etmeyi, eriyik kırılmasının oluşumunu önlemeyi ve böylece üretim verimliliğini ve PE ürünlerinin kalitesini artırmayı amaçlamaktadır.

Ölçüm Koşulları ve Test Yöntemi

Ölçüm koşulları Tablo 1’de özetlenmiştir.

Tablo 1: Ölçüm koşulları

Sol silindirin altına kalıplar takıldıktan ve sıcaklığın sabitlenmesini bekledikten sonra, PE peletleri silindire yavaşça eklendi, sistem 1 MPa'ya önceden basınçlandırıldı ve ardından 5 dakika boyunca sabit bir sıcaklıkta ön ısıtma işlemine tabi tutuldu. Ardından, cihaz ayarlanan kesme hızları tablosuna göre testi otomatik olarak gerçekleştirdi ve eriyik basıncı, kesme viskozitesi ve sıcaklık bilgilerini kaydetti.

Test Sonuçları ve Tartışma

İşleme Sıcaklığının PE’nin Erimiş Kırılma Olayına Etkisi

Şekil 2, farklı sıcaklıklardaki PE numuneleri için görünen kesme^viskozitesi1 ile görünen kesme^hızı2 arasındaki eğrileri göstermektedir. Şekilde görüldüğü gibi, PE numunelerinin görünen kesme viskozitesi, tüm sıcaklık koşullarında kesme hızının artmasıyla kademeli olarak azalmakta ve tipik bir kesme incelmesi davranışı sergilemektedir. Bunun nedeni, kılcal kalıp içindeki kesme kuvvetlerinin PE moleküler zincirleri arasındaki dolanmaları bozması, moleküller arası etkileşimleri azaltması ve dolayısıyla görünür kesme viskozitesinde bir düşüşe yol açmasıdır. Ayrıca, sıcaklık arttıkça PE eriyiklerinin serbest hacmi genişler; bu da zincir segmentlerinin hareketliliğini artırır ve moleküller arası kuvvetleri zayıflatır. Sonuç olarak, PE eriyiklerinin akışkanlığı artar. Dolayısıyla, aynı görünür kesme hızı için PE numunelerinin görünür kesme viskozitesi, sıcaklığın artmasıyla azalır.

¹Görünür kesme^viskozitesi, akış alanı veya giriş etkileri için düzeltme yapılmadan doğrudan hesaplanan kesme viskozitesidir.

²Görünür kesme hızı, akış alanı düzeltmesi yapılmadan doğrudan hesaplanan kesme hızıdır.

Şekil 3, farklı sıcaklık ve kesme hızlarında bir kapiler kalıptan ekstrüde edilen PE eriyiklerinin yüzey morfolojisine ait fotoğrafları göstermektedir. Şekilden de görülebileceği gibi, nispeten düşük kesme hızlarında (300 s⁻¹’i geçmeyen), PE ekstrüdatlarının yüzeyleri nispeten pürüzsüz kalmaktadır. Ancak kesme hızı arttıkça, ekstrüzyon ürünlerinin yüzeyinde düzensiz dalgalanmalar görülmeye başlar. Özellikle 200°C'de, 300 s⁻¹ kesme hızında PE ekstrüzyon ürününde eriyik kırılması meydana gelir. Sıcaklık 220°C’ye yükseltildiğinde, eriyik kırılmasının başlaması için kritik görünen kesme hızı 500 s⁻¹’e yükselir. Sıcaklığın 250°C’ye kadar daha da artırılması, 800 s⁻¹’lik bir görünen kesme hızına ulaşılana kadar eriyik kırılmasını geciktirir.

Bu davranış, yüksek sıcaklıklarda moleküler zincirlerin artan termal hareketine atfedilebilir; bu hareket, dış kesme kuvvetlerinin yol açtığı yönlendirme ve çözülme etkilerine karşı koyar. Sıcaklık arttıkça, moleküler zincirlerin yoğunlaşan hareketi, eriyik kırılmasının meydana gelmesi için gereken kritik kesme hızını yükseltir. Bu nedenle, yeterli eriyik mukavemetinin korunması koşuluyla, ekstrüzyon sırasında işleme sıcaklığının artırılması, PE ürünlerinin yüzey kalitesini etkili bir şekilde iyileştirebilir.

Kalıp Giriş Açısının PE Ürünlerinin Erimiş Malzeme Kırılma Fenomeni Üzerindeki Etkisi

Şekil 4, 220 °C'de farklı giriş açılarına sahip kapiler kalıplardan çeşitli kesme hızlarında ekstrüde edilen PE eriyiklerinin yüzey morfolojisini göstermektedir. Şekilde görüldüğü gibi, ekstrüde yüzeyler düşük görünür kesme hızlarında (500 ^s-1'i geçmeyen) nispeten pürüzsüz kalmaktadır. Ancak kesme hızı arttıkça, yüzeyde düzensiz dalgalanmalar görülmeye başlar. Özellikle, kalıp giriş açısı 180° olduğunda, 500 ^s⁻¹ görünür kesme hızında eriyik kırılması meydana gelir.

Buna karşılık, giriş açısı 90° olan bir kalıp kullanıldığında, eriyik kırılmasının başlaması için kritik görünen kesme hızı 800 s⁻¹’e yükselir. Bu fenomen, polimerin silindirden giriş açısı daha küçük olan bir kalıba akarken eriyik akış çizgilerinin ani daralmasına ve bunun sonucunda önemli bir uzamalı akış bileşeninin ortaya çıkmasına bağlanabilir. Yüksek hızlı uzamada, PE moleküler zincirleri yüksek oranda yönelir ve bu da kalıptan çıktıktan sonra elastik geri kazanımın artmasına yol açar. Bu durum, kalıp şişmesinin artmasına neden olur. Aynı zamanda, çekme gerilmelerinin yoğunlaşması eriyik kırılmasını kolayca tetikleyebilir. Bu nedenle, kalıp giriş açısının azaltılması, daha pürüzsüz PE ürünleri elde edilmesine katkıda bulunabilir.

Kalıp Uzunluk-Çap Oranının PE Erimiş Malzemenin Kırılma Fenomeni Üzerindeki Etkisi: Daha Pürüzsüz PE Ürünleri Elde Edilmesine Katkı Sağlar

Şekil 5, farklı uzunluk-çap (L/D) oranlarına sahip kapiler kalıplardan çeşitli görünür kesme hızlarında ekstrüde edilen PE eriyiklerinin yüzey morfolojisinin fotoğraflarını göstermektedir. Görüldüğü gibi, nispeten düşük görünen kesme hızlarında (300 ^s-1'i geçmeyen), ekstrüde edilmiş PE ürünlerinin yüzeyleri pürüzsüz kalmaktadır. Ancak, kesme hızı arttıkça düzensiz dalgalanmalar ortaya çıkmaya başlamaktadır. Özellikle, L/D oranı 8:1 olduğunda, eriyik kırılması 300 ^s-1 görünür kesme hızında meydana gelir. Buna karşılık, 16:1 veya 32:1 L/D oranları kullanıldığında, eriyik kırılmasının başlaması için kritik kesme hızı 500 ^s⁻¹’e yükselir.

Bununla birlikte, 500 ^s-1 kesme hızında ekstrüzyon ürünü morfolojisinin büyütülmüş görüntüleri incelendiğinde, 32:1 L/D oranıyla üretilen ekstrüzyon ürününün yüzeyinin, 16:1 oranıyla üretilene göre daha pürüzsüz olduğu görülmektedir. Bu durum, daha küçük bir kalıp L/D oranının, kılcal kanal içindeki PE moleküler zincirleri için daha kısa bir gevşeme süresine yol açmasına bağlanmaktadır. Sonuç olarak, akış sırasında depolanan elastik enerji tam olarak serbest bırakılamaz ve bu da eriyiğin kırılmaya daha yatkın hale gelmesine neden olur. Bu nedenle, kalıp L/D oranını ayarlamak da PE ürünlerinin yüzey kalitesini iyileştirmenin etkili bir yöntemi olabilir.

Sonuç

Bu çalışmada, NETZSCH Rosand RH10 kapiler reometresi kullanılarak, farklı sıcaklıklarda, kalıp giriş açılarında ve kalıp uzunluk-çap oranlarında çeşitli kesme hızlarına sahip polietilen (PE) ekstrüdatlarının morfolojik değişiklikleri incelenmiştir. Belirli bir kritik kesme hızı eşiğinin altında, ekstrüdatlar pürüzsüz yüzeyler sergilemiştir. Kesme hızı bu kritik değeri aştığında, PE ekstrüzyon ürünlerinin yüzeyi pürüzlü hale geldi ve eriyik kırılması meydana geldi. İşleme sıcaklığının artırılması, kalıp giriş açısının azaltılması ve daha büyük bir kalıp uzunluk-çap oranının kullanılmasının, eriyik kırılması olgusunun bastırılmasına katkıda bulunduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, PE ekstrüzyon ürünlerinin yüzey morfolojisi yalnızca belirli kesme hızı değerleriyle incelendiğinden, eriyik kırılmasının başlaması için kritik kesme hızını doğru bir şekilde belirlemek amacıyla Erime Kırılması Testi modu kullanılarak daha ayrıntılı bir inceleme yapılması önerilir.