CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.Tổng quan về máy đùn trục vít 1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của máy đùn Nguồn gốc của máy đùn, theo lịch sử có thuyết nói đó là một cây súng nước làm bằng ống tre. Ngày xưa, từ trước đây cả trăm năm những loại mì ống, đất sét, xà bông đã được chế tạo bằng phương thức đùn. Những máy này có thể được gọi là máy đùn kiểu RAM, khác hẳn với máy đùn nhựa ngày nay.
Phương thức đùn ra liên tục nhờ vít đùn được khai thác trong thời gian tương đối gần đây, xác lập quyền sáng chế đầu tiên trên thế giới vào năm 1879. Ba năm sau đó, công ty Paul Troester đưa ra thị trường máy đùn cao su trục vít, trong vòng 20 năm kế tiếp đã sản xuất và bán ra 600 máy. Dựa trên kỹ thuật này công ty Paul Troester đã hoàn thành máy đùn nhựa cơ cấu biến tốc xoắn gia nhiệt bằng điện và tự động điều nhiệt vào năm 1939, lần đầu tiên thử nghiệm tạo hình đùn nhựa bằng loại hai ống cứng. Đấy là hình dạng gốc của máy đùn nhựa hiện nay.
Máy đùn nhựa là máy gia công các nguyên liệu có tính tạo hình, vì vậy đã phát triển cùng với việc sản xuất chất tổng hợp thời hậu chiến. Đặc biệt các loại nhựa sợi Olefin, sợi Styrene, sợi Polyamid không thể tạo hình được bằng phương pháp Roll Calendar vì vậy máy đùn nhựa cần tồn tại. Hậu thập kỷ 1950, thời kỳ sản xuất số lượng lớn nhờ công nghệ hoá dầu, đánh dấu một thời kỳ mới máy đùn nhựa và kỹ thuật tạo hình tiến bộ vượt bực. Thời gian ấy các kỹ thuật thực dụng hoá đều đùn chữ T dùng trong phạm vi rộng, đùn nhựa nhiều lớp, đùn nhựa Tandem (ghép nối), đùn nhựa hai trục các loại, phương pháp cán tấm hai trục, kỹ thuật đùn nhựa phức hợp… khai thác rất nhiều kỹ thuật khác nhau.
Thời kỳ đen tối của tạo hình Plastic trong và sau chiến tranh đã qua đi, năm 1949 hãng NRM (Mĩ), năm 1952 hãng Windsor (Anh) đã đưa kỹ thuật đùn nhựa vào nâng cao kỹ thuật quốc hữu hoá sản xuất, thêm nữa kỹ thuật gia công và máy đùn nhựa của Nhật Bản hiện nay đã vượt qua được biến cố dầu lửa và phát triển, đạt mức hàng đầu trên thế giới. Máy tạo hình nhựa bằng phương pháp đùn theo sự phát triển kỹ thuật bằng những kinh nghiệm như vậy, bên cạnh các máy tạo hình Calendar hiện đại, máy tạo hình phun là ba loại máy tạo hình lớn dùng nhựa tổng hợp. Ngoài ra máy đùn nhựa có nhiều phạm vi lựa chọn vật liệu và chủng loại sản phẩm tạo hình, có khả năng ứng dụng tạo hình từ sản xuất nguyên liệu, nguyên liệu trung gian Trang 8 Trung tâm CN Hóa học Đồ án chuyên ngành hữu cơ đến các sản phẩm cuối cùng, vì vậy có thể nói nó là máy tiêu thụ nguyên liệu nhiều nhất trong công nghệ sản xuất nhựa. Cấu tạo cơ bản của máy đùn trục vít Hình 1.
Cấu tạo cơ bản của máy đùn trục vít Cho biết các bộ phận chính của máy đùn một vít. Thành phần chính của máy là một xylanh làm bằng trụ thép, bên trong có một trục rỗng hay đặc có tạo các rãnh xoắn trên bề mặt. Trục này gọi là trục vít, do vậy máy đùn được gọi là máy đùn trục vít. Cỡ máy đùn thường do kích thước trong của xylanh quyết định và thường được chuẩn hoá theo các số sau: 30, 45, 65, 80, 90, 100, 120, 150, 200mm.
Chẳng hạn máy đùn Φ90 nghĩa là đường kính trong của xylanh là 90mm. Năng lượng để làm quay trục vít được cung cấp bởi bộ truyền động có tốc độ thay đổi theo từng bậc (khi thay đổi ở hộp số) hay vô cấp (dùng động cơ có tốc độ thay đổi được). Quá trình đùn như sau: nguyên liệu nhựa được cho vào xylanh qua phễu nạp liệu, được trục vít vận chuyển lên phía trước, trong quá trình vận chuyển nguyên liệu bị ép nén sinh ra nhiệt ma sát kết hợp với nhiệt gia nhiệt từ bên ngoài bị nóng chảy và được ép qua lưới lọc, tấm đỡ lưới lọc và vào đầu khuôn có hình dạng thường là giống với hình dạng sản phẩm. Áp lực nhựa trước khi vào đầu khuôn có thể thay đổi có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi cỡ lưới và số lưới.
Sau khi ra khỏi đầu khuôn, nhựa nóng chảy được làm lạnh, định hình cho ra kích thước cuối cùng và cắt thành sản phẩm. Xy lanh Trang 9 Trung tâm CN Hóa học Đồ án chuyên ngành hữu cơ Xy lanh là một ống thành dày được đặt cố định trên giá đỡ. Hệ thống giá đỡ này phải đảm bảo khi gắn đầu khuôn xylanh không bị cong (khi đầu khuôn quá nặng phải dùng bộ phận đỡ phụ bên ngoài) và bộ phận đỡ xylanh phải đảm bảo xylanh có thể giãn nở được theo chiều dài khi nung nóng và co lại được khi làm nguội. Vật liệu chế tạo xylanh phải có tính bền mài mòn, chống ăn mòn và có độ bền cơ học tốt.
Vì vậy phải dùng thép có độ bền cao và bề mặt làm việc thường được thấm Nitơ. Tỷ lệ chiều dài/đường kính trong của xylanh là (L/D) là một đặc tính quan trọng trong xylanh vì nó xác định tỉ lệ giữa bề mặt xylanh dùng để trộn và tạo nhiệt masat (kết hợp với trục vít) và bề mặt xylanh dùng để nhận / thải nhiệt gia nhiệt từ / ra bên ngoài. Chẳng hạn nếu xylanh ngắn thì rõ ràng diện tích để trao đổi nhiệt với bên ngoài giảm đi, còn nhiệt masat gần như không đổi (nhiệt masat phụ thuộc nhiều vào cấu tạo, tốc độ quay của trục vít) nên máy ngắn đòi hỏi nhiệt độ gia nhiệt cao hơn hoặc nếu cần giải nhiệt thì hiệu quả giải nhiệt phải tốt. Tỷ lệ L/D của xylanh được định nghĩa là tỷ lệ giữa chiều dài xylanh ứng với phần trục vít có răng và đường kính trong của xylanh.
Tỷ lệ này thường nằm trong khoảng 16/1 – 32/1 nhưng thông thường là các tỷ lệ sau: 20/1, 24/1, 28/1. Xylanh thường được gia nhiệt bằng điện trở quấn ở bên ngoài có công suất nằm trong khoảng 25 – 45 W/in2 (1in = 2. Khi cần giảm nhiệt độ thì xylanh phải được làm nguội. Tác nhân làm nguội có thể là không khí (dùng quạt gió) hay một chất lỏng tải nhiệt khác (như nước, dầu) trong đó giải nhiệt bằng không khí là phương pháp ưa dùng nhất giá thành lắp đặt thấp, dễ điều khiển.
Nước hay dầu chỉ dùng khi cần tốc độ giải nhiệt cao khi bị quá nhiệt. Xylanh Điện trở gia nhiệt Quạt giải nhiệt X y la n h Ð i ?n tr? g ia nh i? t Q u ?t l àm m át Hình 2: Quạt làm mát xylanh Bề mặt trong xylanh thường trơn láng, tuy nhiên khi cần tăng năng suất phần ngay dưới phễu bên trong xylanh có thể tạo các rãnh có hình dạng thích hợp thường có đầu vào lớn đầu ra nhỏ. Khi hạt nhựa vào rãnh, nó bị nén lại một phần khi chạy trong rãnh vì vậy năng suất sẽ tăng lên vì tác dụng nén xảy ra ngay ở đoạn đầu xylanh (bình thường đối với xylanh trơn, tác dụng nén do trục vít tạo ra). Trục vít Trang 10 Trung tâm CN Hóa học Đồ án chuyên ngành hữu cơ Đây là thành phần chính của máy đùn, hình dạng trục vít quyết định tính năng của máy đùn.
Có hai dạng trục vít sau đây: Vùng3 Vùng1 Vùng2 Hình 3.1: Trục vít phân thành ba vùng Vít có ba vùng phân biệt rõ rệt, vít này hay gặp trong máy đùn Nylon (PA). Vùng 1: Vùng cấp liệu, răng có độ sâu nhất. Mục đích vùng cấp liệu là để vận chuyển nguyên liệu từ phễu vào các vùng sau của vít. Cần tránh gia nhiệt mạnh vùng này để nguyên liệu không bị dính vào các rãnh vít, khi bị dính nhiều thì nhựa không thể đi vào xylanh được nữa.
Vùng 2: Vùng nén có độ sâu răng giảm nhanh. Tại vùng này nguyên liệu bị nén mạnh và nóng chảy, đồng thời chất khí sẽ bị đẩy ngược lại và thoát ra khỏi máy qua phễu hoặc lỗ xylanh có lỗ thoát khí thì khí sẽ thoát ra đường này. Vùng 3: Vùng bơm, có độ sâu răng nông nhất. Tại vùng này nhựa tiếp tục được đồng nhất và tạo áp lực cao để đẩy nhựa nóng chảy vào đầu khuôn.2: Trục vít có độ sâu rãnh giảm dần Vít có độ sâu rãnh giảm dần đều từ đầu vít đến cuối vít.
Như vít cho PVC, PE. Vít vẫn có ba chức năng như trên. Chiều dài các vùng phụ thuộc nhiều vào loại nhựa gia công, chúng ta hãy xét chiều dài các vùng này của trục vít cho gia công PE và PA: Nhựa PE có điểm nóng chảy thấp và khoảng nóng chảy rộng. Nhựa PA có điểm nóng chảy cao hơn và khoảng nóng chảy hẹp hơn.
Như vậy: Chiều dài vùng 1 của vít PE phải ngắn để nhựa PE không bị nóng chảy trong vùng này, trái lại vùng 1 của vít PA phải dài để có thể cung cấp đủ nhiệt cho nhựa nóng chảy được khi vào vùng 2. Trang 11 Trung tâm CN Hóa học Đồ án chuyên ngành hữu cơ Chiều dài vùng 2 của vít PE phải dài vì do PE có khoảng nóng chảy rộng, cần phải có thời gian để các phần có khối lượng phân tử cao hay thấp nóng chảy được. Trái lại chiều dài vùng 2 của vít PA ngắn vì nhựa PA nóng chảy rất nhanh khi đạt nhiệt độ nóng chảy. Cũng vì lý do này vùng 3 của vít PA dài hơn để nhựa có thời gian đồng nhất hoàn toàn khi nóng chảy nhanh hơn PE.
Qua ví dụ trên có thể thấy được ảnh hưởng của loại nhựa đến cấu tạo trục vít. Chính vì vậy khi gia công các loại nhựa khác nhau thì phải thay đổi trục vít. Tuy nhiên cũng có nhiều loại nhựa có thể sử dụng cùng một trục vít như PE, PP, PS chẳng hạn. Các thông số cấu tạo của một trục vít như sau: e t D L Hình 3.
Các thông số của trục vít D: đường kính ngoài trục vít L: chiều dài phần trục vít có răng t: bước vít, thông thường t = D φ : góc nghiêng của răng vít, thường φ = 17,5o e : bề rộng răng vít h1 : độ sâu răng vít tại vùng cấp liệu h2: độ sâu răng vít tại vùng bơm liệu Tỷ số nén là tỷ số giữa thể tích một bước vít tại đầu nạp liệu với thể tích một bước vít tại đầu bơm liệu, h1/h2 là tỷ số nén của trục vít, khi trục vít có bước vít không đổi. Tỷ số này phụ thuộc vào loại nhựa (PE, PVC.) dạng vật lý của nguyên liệu (bột hay hạt) và khối lượng của phân tử nhựa.