Các phương pháp gia công Polymer

Các phương pháp gia công Polymer

GIA CÔNG POLYMER Chương I GIỚI THIỆU CHUNG

I Định nghĩa và mục đích của kỹ thuật gia công polymer

Công nghiệp hiện đại của các chất cao phân tử bắt đầu với sự khám phá ra kỹ thuật

biến tính hoá học các polymer thiên nhiên, trong các khám phá quan trọng này là việc lưu

hoá cao su và acetat hoá cellulose

Trong những năm gần đây polymer (P) tổng hợp đã chiếm vai trò chủ đạo trong công

nghiệp Với việc sản xuất được nhiều loại polymer có tính chất hoá học, hoá lý thay đổi, có

nhiều ứng dụng trong thực tế, tổng hợp polymer đã trở thành hoạt động bậc nhất của công

nghiệp hoá học

Cùng với sự phát triển polymer tổng hợp và nhân tạo rõ ràng là phần phải phát triển

song song một ngành biến đổi các vật liệu polymer thành các sản phẩm sử dụng vào các

việc cần thiết Cho nên trong lĩnh vực polymer cần phải phát triển đồng thời cả hai mặt là

tìm ra các vật liệu polymer mới và cải tiến hoặc đưa ra các phương pháp gia công thích hợp

với loại vật liệu và yêu cầu sử dụng Khía cạnh thứ 2 này chính là các vấn đề mà môn kỹ

thuật gia công polymer phải giải quyết, đây cũng là một lĩnh vực quan trọng của công

nghiệp polymer Trong những năm gần đây, số lượng loại polymer mới tìm ra ít hơn so với

những năm đầu tiên của sự phát triển của ngành Vì vậy, các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra

các biện pháp sử dụng hiệu quả các loại polymer hiện đang có

Sơ bộ, ta có thể định nghĩa kỹ thuật gia công polymer như sau: Kỹ thuật gia công

polymer là một ngành của kỹ thuật học, nghiên cứu các quá trình và thiết bị dùng để tăng

tính chất của vật liệu polymer và để gia công chúng thành những sản phẩm sử dụng theo yêu

cầu đòi hỏi Trong quá trình gia công, trong nguyên liệu có thể xảy ra các phản ứng hoá học,

các biến dạng và cuối cùng là sự thay đổi bất thuận nghịch các tính chất vật lý của vật liệu

Song có một điểm cần lưu ý là những phản ứng xảy ra trong quá trình tổng hợp polymer

không lặp lại trong quá trình gia công chúng (tất nhiên có một số trường hợp ngoại lệ)

Việc nghiên cứu các quá trình gia công nhằm mục đích tìm ra phương pháp và thiết bị

thích hợp để gia công loại vật liệu polymer thành các sản phẩm mong muốn Phương pháp

gia công có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm và đến lượng nó, phương pháp gia

công bị chi phối bởi tính chất của vật liệu polymer cũng như yêu cầu về hình dáng, tính chất

của sản phẩm cuối cùng

Việc chọn lựa một phương pháp gia công thích hợp nói chung là rất phức tạp, phải chú

ý đến nhiều khía cạnh như tính chất của vật liệu ban đầu, yêu cầu về chất lượng sản phẩm,

yêu cầu về lợi ích kinh tế Nói chung phải đảm bảo thu được sản phẩm có tính năng tốt và

có lợi ích về kinh tế

Đối với nhựa nhiệt rắn, phương pháp gia công thích hợp và có lợi hơn cả là phương

pháp ép nóng, vì quá trình ép nhanh và có thể đạt năng suất cao, điều kiện nhiệt độ không

cao thích hợp cho việc đóng rắn vật liệu, khi ép xong không cần phải làm nguội vật liệu

trong khuôn

Trái lại đối với nhiệt nhựa dẻo thì phương pháp ép nóng nói chung là không thích hợp

vì sau khi thành hình phải làm nguội vật liệu trong khuôn, nên quá trình này không thể tiến

hành nhanh vì như thế sẽ tạo ra những ứng suất nội làm giảm chất lượng sản phẩm Để gia

công nhựa nhiệt dẻo người ta thường dùng các phương pháp như đùn, đúc dưới áp suất Tuy

nhiên cũng phải tuỳ theo tính chất vật liệu mà áp dụng phương pháp gia công Ví dụ PE và

PS thì phương pháp đúc dưới áp suất là thích hợp, còn đối với PVC, do nhiệt độ chảy nhớt

của nhựa gần với nhiệt độ phân huỷ nên loại nhựa này thường được gia công bằng phương

pháp đùn

Đối với các loại nhựa epoxy, người ta thường gia công bằng phương pháp đổ khuôn

(hay đúc không áp suất) Đối với các loại celluloid, phương pháp gia công thường dùng là

tạo hình nhiệt ở trạng thái mềm cao

Kích thướt, hình dáng và sự ổn định kích thướt, hình dáng sản phẩm trong quá trình sử

dụng cũng là những yêu cầu quan trọng và chịu ảnh hưởng của phương pháp gia công Mặt

khác, tác dụng của nhiệt có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của sản phẩm, có loại nhựa dưới

tác dụng của nhiệt tính chất không đổi, nhưng cũng có loại nhựa không bền nhiệt Do đó,

việc chọn phương pháp gia công cần phải đảm bảo chế độ nhiệt thích hợp để tính chất sản

phẩm thu được tốt nhất

II Phân loại các phương pháp gia công

Phương pháp gia công gắn liền với thiết bị dùng để thực hiện quá trình gia công và có

liên quan đến sự biến đổi trạng thái của vật liệu trong thiết bị Vì vậy cho đến nay chưa có

cách phân loại nào có thể nêu lên đầy đủ các yếu tố trên được

Trong công nghiệp để dễ nắm bắt các quá trình gia công, người ta tạm thời xếp các quá

trình gia công từng nhóm theo nhiệm vụ của quá trình hoặc trạng thái vật lý của nguyên liệu

trong quá trình gia công

Các quá trình gia công thường được xếp thành 3 nhóm nhiệm vụ chính là:

1 Nhóm các phương pháp tạo hình: có nhiệm vụ tạo cho vật liệu có hình dạng sản phẩm sử

dụng thuộc nhóm này gồm các phưưong pháp gia công như ép, ép đúc, đúc dưới áp suất,

đùn, tạo hình nhiệt, cắt gọt

2 Nhóm các phương pháp lắp ghép: có nhiệm vụ tạo liên kết giữa các chi tiết của sản phẩm

với nhau Trong nhóm này có thể kể đến phương pháp gia công như: hàn và phủ bề mặt

(bao gồm dán hoặc phun)

3 Nhóm các phương pháp biến tính: có nhiệm vụ thay đổi cấu trúc cấu trúc polymer bằng

phương pháp vật lý hoặc bằng phản ứng hoá học như các phương pháp trộn, hoạt hoá ề

mặt, biến tính polymer

Trong quá trình gia công, dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, trạng thái vật liệu bị

biến đổi Tuỳ theo, trạngt thái vật liệu và điều kiện gia công, các quá trình gia công polymer

cũng được chia thành 6 nhóm chính:

- Nhóm 1:

Gồm các phương pháp gia công ở điều kiện nhiệt độ, áp suất cao, vật liệu ở trạng thái

chảy nhớt trong quá trình gia công Thuộc nhóm này gồm các quá trình chủ yếu như sau:

+ Ép + Đúc dưới áp suất + Đùn

Trong đó quá trình đúc dưới áp suất được tiến hành ở áp suất cao hơn cả (áp suất lên đến

100 MPa), còn quá trình ép và đùn có thể tiến hành ở áp suất thấp hơn

- Nhóm 2:

Gồm các phương pháp gia công ở điều kiện nhiệt độ và áp suất, vật liệu ở trạng thái mềm

cao, phổ biến nhất là các phương pháp gia công vật liệu ở dạng tấm Phương pháp tạo hình

nhiệt tuỳ theo bề dày tấm vật liệu mà áp suất sử dụng bé hơn 10 ÷ 100 lần so với các phương

pháp ở nhóm 1, nhiệt độ gia công cũng thấp hơn

- Nhóm 3:

Gồm các phương pháp gia công ở điều kiện nhiệt độ, áp suất gần như bình thường, vậût

liệu gia công cũng giữ nguyên các cấu trình ban đầu như quá trình gia công cơ khí

- Nhóm 4:

Thuộc nhóm này gồm các phương pháp gia công sau:

+ Đúc không áp suất

+ Đúc li tâm

trong đó vật liệu gia công ở trạng thái lỏng hoặc mềm cao ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ

không cao lắm (trường hợp có đốt nóng sơ bộ)

- Nhóm 5:

Đây là nhóm các quá trình gia công bằng cách nấu chảy và đổ khuôn, thường được sử

dụng để gia công sản phẩm có kích thướt lớn và PE là loại polymer thường được gia công

bằng phương pháp này

- Nhóm 6:

Bao gồm phương pháp hàn và dán polymer, nhằm mục đích liên kết các chi tiết sản

phẩm Trong quá trình hàn, liên kết tại bề mặt tiếp xúc được tạo bởi quá trình khuếch tán của

các mạch phân tử tại bề mặt tiếp xúc nhờ vạo sự hoà tan trong dung môi ở nhiệt độ thường

Như đã nói ở trên, quá trình gia công gắn liền với thiết bị, cho nên người ta còn phân loại

theo cách chế tạo sản phẩm như gia công bằng phương pháp ép, đúc, đùn, tạo hình nhiệt

độ

Chương II CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA POLYMER

I Tính chất lưu hoá biến (cơ học) của polymer

Lưu biến là ngành khoa học khảo sát sự biến dạng và sự chảy của vật thể

Theo định nghĩa, sự biến dạng là sự thay đổi hình dạng, kích thướt của vật thể khi chịu tác

dụng của ngoại lực, còn sự chảy là trạng thái biến dạng liên tục, bất thuận nghịûch, không

giới hạn của lưu chất khi chịu tác dụng của ứng suất

Tính chất lưu biến của vật thể polymer chịu ảnh hưởng của đặc trưng cấu trúc của nó, đó

là:

- Hình dạng bất đối xứng (chiều dài rất lớn so với chiều ngang) và tính chất mềm dẻo

của mạch phân tử polymer

- Lực tác dụng tưởng hổ giữa các phân tử lớn Đối với một số polymer có cấu tạo mạng

lưới, sự hiện diện của các nối ngang không nhiều lắm và ngắn hơn so với mạch phân tử sẽ

hạn chế sự dịch chuyển tương đối giứa các mạch phân tử với nhau

1 Đường cong chảy

Đường cong chảy của polymer nóng và dung dịch polymer ở dạng đầy đủ như ở hình

2.1

Các đường gạch đứt biểu diễn 1 giá trị của độ nhớt

Đường cong chảy được chia làm 3 đoạn ứng với 3 vùng:

- Vùng tố độ trượt thấp (vùng 1):

Đường cong chảy thể hiện tính chất newton, ứng với biểu diễn logν. theo lgσ đoạn

đường thẳng Vùng này còn được gọi là vùng chảy Newton với độ nhớt cao nhất

1 2

3

.

logν

σlog

Tăng độ nhớt

Hình 2.1: đường cong chảy

Đường biểu diễn logν. theo lgσ vẫn là đường thẳng và được gọi là vùng chảy Newton có

độ nhớt thấp nhất

- Vùng có độ trượt trung gian (vùng 2):

Ở đây sự chảy có sự sai lệch so với định luật Newton và được gọi là vùng chảy phi

Newton Ở vùng này độ nhớt biểu kiến giảm khi vận tốc trượt gia tăng Nhánh này được gọi

là nhánh cấu trúc

2 Độ nhớt

Độ nhớt là một thông số quan trọng trong quá trình gia công polymer, nó thể hiện khả

năng chống lại sự chảy của lưu chất Về bản chất, độ nhớt thể hiện hiệu quả của việc truyền

động lượng giữa các lớp trong quá trình chảy của lưu chất

Độ nhớt phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau:

Hình 2.2:Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt

Ở phần trước, ta đã xét sự ảnh hưởng của tốc độ trượt và ứng suất trượt lên độ nhớt của

hệ thống polymer Trong phần này, chúng ta xét đến 2 yếu tố khác, đó là áp suất và nhiệt độ,

hai thông số quan trọng của quá trình gia công, chúng ảnh hưởng đến độ nhớt đôi khi rất

mạnh mẽ và đưa đến những bất ngờ nếu chúng ta không lưu tâm đến nó

- Sự phụ thuộc vào áp suất của độ nhớt:

Aính hưởng của áp suất lên độ nhớt của polymer là một vấn đề rất quan trọng trên lý

thuyết cũng như trên thực tế

Trong thực tế, khi gia công, hệ polymer chịu áp suất lên đến vài trăm (như trường hợp

trên), có khi lên đến vài ngàn (như đúc áp suất) atm, cho nên ảnh hưởng của áp suất đến độ

nhớt của hệ polymer có thể dẫn đến các sai lệch các thông số kỹ thuật của quá trình nếu ta

sử dụng số liệu độ nhớt ở áp suất thường để tính

Kết quả nghiên cứu sự phụ thuộc của độ nhớt vào áp suất của polymer cho thấy ở áp suất

σ hệ số áp suất của độ nhớt, sự thay đổi áp suất còn ảnh hưởng đến nhiệt độ hoá thuỷ tinh

của hệ polymer Khi tăng áp suất, nói chung Tg tăng, do đó ở điều kiện nhiệt độ xác định,

đặc trưng nhớt của hệ thay đổi theo P và có thể xảy ra các quá trình như hoá thuỷ tinh,

kết tinh, làm thay đổi tính chất vật lý của hệ

- Sự phụ thuộc của độ nhớt vào nhiệt độ:

Nếu không có biến đổi hóa học xảy ra thì khi nhiệt độ tăng, độ nhớt của hệ thống sẽ

giảm

3 Sự bất ổn định của dòng chảy

Đối với nhiều polymer ở giá trị ứng suất trượt khoảng 2.105 Pa thường xuất hiện hiện

tượng bất ổn định của dòng chảy của polymer nóng chảy và dung dịch polymer, biểu hiện

việc xuất hiện những vết săn trên bề mặt sản phẩm và nhiều hơn nữa là sự biến dạng hoàn

toàn dòng nhựa (dòng nhựa bị xoắn quăn queo) (melt fracture) khi khảo sát bằng nhớt kế

mao quản áp suất không đổi Điều này, có nghĩa là hiện tượng chảy Newton ở vùng vận tốc

trượt cao hiếm khi thực hiện được trên toàn khối polymer

Hiện tượng răn trên bề mặt của dòng nhựa được giải thích là do sự bất ổn định của

dòng chảy ở sát bề mặt thanh mao quản, nguyên nhân là do có sự trượt của lớp lưu chất tiếp

xúc với thành mao quản

Hiện tượng dòng nhựa bị xoắn là do sự bất ổn định của dòng nhựa ở đầu vào mao quản

và được kéo dài đến đầu ra khi tăng vận tốc chảy của lưu chất Do đó, hiện tượng này có thể

được khắc phục bằng cách tăng chiều dài mao quản

4 Sự phụ thuộc của tính chất lưu biến của Polymer vào vận tốc biến dạng và nhiệt độ

Nói chung khi tăng vận tốc biến dạng thì vật liệu trở nên cứng hơn, ứng suất kéo đứt

tăng, biến dạng dư khi đứt giảm, còn khi tăng nhiệt độ thì vật liệu trở nên dẻo hơn, biến

dạng khi đứt tăng trong khi đó ứng suất kéo đứt giảm

II Yếu tố cấu trúc ảnh hưởng đến tính chất của polymer

Cấu trúc của polymer sẽ quyết định tính chất của chúng Sự thay đổi cấu trúc sẽ làm

thay đổi tính chất của polymer Do đó, việc hiểu biết mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất

là điều cần thiết Tuy nhiên, nội dung này được trình bày ở môn học lý hoá polymer Ở đây

chỉ cần đề cập một số yếu tố quan trọng và tương tác của chúng, để ta có một cái nhìn tổng

thể cho vấn đề

Trong các yếu tố cấu trúc quyết định tính chất của polymer có thể kể đến:

1, Khối lượng phân tử trung bình và độ đa phân tán

2, Độ kết tinh của polymer

Polymer trên quan điểm nhiệt động học là một hệ thống không đồng nhất, độ trùng

hợp của các phân tử trong hệ thống polymer khác nhau, cho nên các phương pháp xác định

khối lượng phân tử của polymer chỉ cho biết giá trị trung bình của chúng Ngoài ra các

phương pháp xác định khác còn cho biết độ đa phân tán của polymer

Về mặt cấu trúc, polymer được chia thành 2 loại: polymer tinh thể và vô định hình

(polymer thuỷ tinh)

Đặc tính quan trọng của polymer vô định hình ở trạng thái thuỷ tinh là hệ số giản nở

thể tích bé so với trạng thái mềm cao

Đối với polymer kết tinh thì thường các polymer không kết tinh hoàn toàn trên toàn

khối mà có xen lẫn những vùng vô định hình Cho nên về phương diện này chúng cũng là

một hệ không đồng nhất trên quan điểm nhiệt động học

Tỷ lệ giữa vùng kết tinh so với toàn khối polymer trong polymer rắn gọi là độ kết tinh

Các yếu tố thuận lợi cho việc kết tinh của polymer là polymer có sự cân xứng phân tử, mạch

thẳng, ít phân nhánh, nếu có nhóm thế thì nhóm thế phải không cồng kềnh

Qua sự khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố cấu trúc đến tính chất của polymer có thể

nhận xét như sau:

1, MP tăng thì tính chất cơ lý tăng, độ nhớt của polymer nóng chảy cũng như dung

dịch polymer và khối lượng riêng polymer cũng tương tự Trái lại một số tính chất của độ

truyền sáng, độ hoà tan giảm

2, Polymer kết tinh có tính chất cơ lý cao hơn polymer vô định hình Khi độ kết tinh

tăng thì độ hoà tan trong dung môi, độ tương hợp với chất hoá dẻo giảm Quá trình định

hướng (kéo căng) sẽ hổ trợ cho việc kết tinh làm tăng tính chất của vật liệu theo hướng kéo

và tính chất đẳng hướng của vật liệu cũng sẽ tăng lên trong quá trình định hướng

Ngoài các yếu tố trên, còn có một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến tính chất của

polymer như:

- Sự hiện diện của tính chất tạo liên kết ngang, tính độn tăng cường (có tác dụng như

những nối ngang vật lý giữa các mạch phân tử polymer) trong polymer vô định hình sẽ

làm tăng tính chất cơ lý của chúng Tuy nhiên đối với polymer kết tinh nếu các hiệu ứng

này quá lớn sẽ cản trở sự kết tinh và làm giảm tính chất cơ lý

- Sự hiện diện giữa các nhóm phân cực trong mạch phân tử làm tăng năng lượng liên kết

giữa các mạch phân tử, tính chất cơ lý tăng lên, độ hoà tan trong các dung môi phân cực

giảm

Tóm lại, cấu trúc của polymer có ảnh hưởng đến tính chất của chúng Do đó, nó sẽ là

một yếu tố quan trọng giới hạn phạm vi sử dụng của polymer cũng như phương pháp gia

công chúng

III Những tính chất kỹ thuật chủ yếu của vật liệu polymer

Trong quá trình gia công polymer, một số tính chất kỹ thuật của nguyên liệu có ý

nghĩa quan trọng, chúng không những quyết định việc lựa chọn các thông số kỹ thuật của

quá trình sản xuất mà còn quyết định việc lựa chọn phương pháp gia công và tính toán thiết

bị Vì vậy, tuy các nguyên liệu đưa vào nhà máy gia công thường có kèm theo bảng các

thông số kỹ thuật của nguyên liệu do các nhà sản xuất cung cấp nhưng việc xác định các

tính chất kỹ thuật để kiểm tra số liệu là một việc cần thiết trước khi đưa nguyên liệu đi gia

công, và công việc này đôi khi không thể bỏ qua được nhất là đối với quá trình gia công

trong đó đòi hỏi việc phối liệu thích hợp

1 Khối lượng riêng gộp

Đại lượng này còn gọi là trọng lượng đổ đầy, chỉ có ý nghĩa với vật liệu rời, đây cũng

là dạng thường gặp của các nguyên liệu polymer Theo định nghĩa khối lượng riêng gộp

bằng tỷ số giữa khối lượng của vật liệu và thể tích gộp mà khối vật liệu chiếm chổ

m

kg V

m

g g

Khối lượng riêng gộp khác với khối lượng riêng thật của vật liệu, thí dụ khối lượng

riêng gộp của cát khô là 1200 kg/cm3 trong khi đó khối lượng riêng thật là 1500 kg/cm3

g

ρ phụ thuộc vào hình dạng, kích thướt, mức độ sắp xếp chặt chẽ của vật liệu Đây là một số

liệu không thể thiếu khi tính toán thể tích phần chứa nguyên liệu của thiết bị như thể tích

buồng nạp nguyên liệu của máy đúc áp suất, xilo,

2 Hệ số nén ép

Hệ số nén ép K thể hiện sự biến đổi thể tích của khối lượng vật liệu khi đưa vào quá

trình gia công Theo định nghĩa K bằng tỷ số giữa thể tích của một lượng nhất định nguyên

liệu ở dạng chưa tạo hình và thể tích của nó ở dạng tạo hình:

ρ : khối lượng riêng gộp của nguyên liệu

Hệ số nén ép K phụ thuộc rất nhiều vào áp suất ép vì sự gia tăng áp suất làm cho vật

liệu bị nén chặt hơn, hậu quả là khối lượng riêng của sản phẩm tăng lên Ngoài áp suất, độ

nén ép còn phụ thuộc vào trạng thái của vật liệu và số liệu này rất cần thiết khi tính toán

thiết kế các máy đùn

3 Thành phần cỡ hạt - kích thướt hạt

Đối với các vật liệu ở dạng hạt thì sự khác nhau về kích thướt hạt, đường kính hạt là

yếu tố quan trọng khi gia công vật liệu Đặc trưng này được biết qua thành phần cớ hạt hay

còn gọi là phân bố cỡ hạt và thường được xác định bằng phương pháp rây

Nguyên liệu có kích thướct hạt đồng đều sẽ thuận lợi khi gia công như trộn lẫn với các

chất đều hơn, sự gia nhiệt dễ dồng nhất hơn

4 Hàm lượng ẩm và các chất dễ bay hơi

Khi hơi ẩm và các chất dễ bay hơi hiện diện trong nguyên liệu lớn hơn một giới hạn

nào đó nó sẽ có ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm như sản phẩm cong vênh, bề mặt

sần sùi, có lóng lánh ánh bạc trên bề mặt đồng thời nó cũng ảnh hưởng đến quá trình gia

công như kéo dài thời gian duy trì áp suất trong khi ép, đặc biệt là khi ép không nâng chày

ép

Hàm lượng ẩm và các chất dễ bay hơi đuợc xác định bằng độ chênh lệch khối lượng

của mẫu trước và sau khi sấy ở điều kiện nhiệt độ và thời gian xác định Thông thường trong

hơi, các vật liệu thường được sấy trước khi gia công, điều kiện nhiệt độ và thời gian được ghi

trong các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của các nhà sản xuất nguyên liệu cung cấp

5 Độ linh động

Độ linh động là một đại lượng đặc trưng cho khả năng chảy của vật liệu dưới tác dụng

của áp suất và nhiệt độ Nó có một ý nghĩa quan trọng đối với khả năng gia công vật liệu

Độ linh động cao thì vật liệu chảy vào khuôn nhanh, áp suất đòi hỏi không cao, khuôn

lâu mòn, kích thuớc, hình dạng sản phẩm chính xác, chất lượng sản phẩm đồng đều Nhưng

vật liệu có độ linh động quá cao sẽ cho sản phẩm có nhiều ba via do vật liệu thoát ra ở mặt

giáp khuôn hoặc các khe giữa lõi tạo hình và khuôn

Độ linh động của vật liệu phụ thuộc vào:

+ Bản chất, hình dạng, kích thướt của phụ gia + Bản chất của nhựa

+ Tỷ lệ giữa nhựa và phụ gia + Nhiệt độ gia công

+ Hàm lượng chất bốc hơi, chất hoá dẻo, chất bôi trơn + Vận tốc chuyển trạng thái

+ Bề mặt khuôn ép Một cách tổng quát độ linh động của polymer giảm khi tăng hàm lượng chất độn, nhất

là các chất độn dạng sợi dài, dạng hạt lớn Để tăng độ linh động của vật liệu người ta thường

thêm vào polymer những chất hoá dẻo, chất bôi trơn

Biết được độn linh động của nguyên liệu cho phép chúng ta chọn đúng chế độ gia công

(áp suất, nhiệt độ ) khi gia công các sản phẩm có hình dạng phức tạp, các chất cốt gia cố,

chúng ta nên chọn nguyên liệu có độ linh động cao

Sau đây là một số phương pháp xác định độ linh động của vật liệu polymer:

- Phương pháp Rasiga

Phương pháp này thường dùng đối với nhựa nhiệt rắn

Rãnh tạo hình của khuôn Rasiga có dạng elip (tiết diện), đầu trên cùng 4x6 mm, đầu dưới

1x4 mm và chiều cao 250 mm

Để xác định dộ linh động thường vật liệu được ép thành miến ở nhiệt độ thường với áp

suất 500 kg/cm2, lấy 7,5 g vật liệu sau khi đã ép cho vào khuôn, đốt nóng đến nhiệt độ 150 ÷

1600C, ép trong 3 phút dưới áp suất 300 kg/cm2

Chiều cao của thanh sản phẩm trong khuôn thể hiện độ linh động của vật liệu Chiều

cao càn lớn, độ linh động càng cao

- Phương pháp dùng nhớt để mao quản áp suất không đổi:

Đối với các loại nhựa nhiệt dẻo người ta thường dùng đại lượng gọi là chỉ số nóng chảy

(µI) đó là số gam nhựa dẻo đùn được trong 10 phút ở điều kiện chuẩn định bằng nhớt kế

mao quản áp suất không đổi

Tải trọng thường sử dụng chủ yếu cho các loại nhựa chủ yếu là:

( )g G

G0 = 2160 − ± 10

G: Tải trọng của Piston

Đối với các loại nhựa không ổn định nhiệt, ở nhiệt độ cao người ta sử dụng các giá trị tải

trọng sau đây:

( ) ( ) ( )g G

G

g G

G

g G

G

20 21600

15 10000

10 5000

3 2 1

Điều kiện nhiệt độ và tải trọng cho các loại nhựa khác nhau thường cho bởi các tài liệu kỹ

thuật liên quan hay theo các tiêu chuẩn tự chọn:

Điều kiện Nhiệt độ Tải trọng (g) Aïp suất (kg/cm 2 )

Bảng 2-1: Các chế độ đo chỉ số nóng chảy

Loại nhựa Điều kiện đo (theo ký hiệu ở bảng 2-5)

Acetal Acrylic Acrylonitril - Butadien - Styren

Cellulose ester Nylon Polyetylen Polypropylen Polystylen

Bảng 2-2: Chế độ đo chỉ số chảy của một số nhựa

ASTM Standard, Plastic - General Menthods of testing, Part 17, 1964

Để giảm sai số trong việc xác định độ linh động, người ta thường dùng các mao quản dài

- Phương pháp dùng dẻo kế:

Đối với cao su và hỗn hợp cao su, người ta thường dùng khai niệm độ dẻo Theo định

nghĩa, độ dẻo của vật liệu biểu diễn khả năng biến dạng của vật thể dưới tác dụng của ngoại

lực và duy trì biến dạng này khi giải phóng lực

Độ dẻo của cao su và hỗn hợp cao su thường được xác định theo 2 loại chỉ số:

1, Chỉ số dẻo: Biểu diễn khả năng biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực

2, Chỉ số hồi phục: Biểu diễn khả năng duy trì biến dạng khi bỏ tải trọng

Việc xác định độ dẻo của hỗn hợp cao su về mặt nguyên tắc chỉ có tính chất quy ước,

và giá trị của nó phụ thuộc vào phương pháp chuẩn được chọn để đo Các phương pháp

thường sử dụng đối với cao su là:

1, Khảo sát sự thay đổi chiều cao của mẫu dưới tác dụng của tải trọng giữa 2 bề mặt

song song, thí dụ như trường hợp dẻo kế Wallace

2, Khảo sát biến dạng trượt của vật liệu giữa bề mặt chuyển động và bề mặt đứng yên,

thí dụ dùng nhớt kế Mooney

Ngoài ra, độ dẻo của cao su cũng có thể đo bằng nhớt kế mao quản áp suất không đổi

Trong phương pháp đo độ dẻo bằng dẻo kế Wallace, người ta đo bề dày của mẫu sau khi

chịu tác dụng của lực nén 10 kg ở nhiệt độ 1000C trong 15 giây, bề dày mẫu trước khi nén là

1mm Chỉ số Wallace là bề dày mẫu sau khi nén tính theo 1/100 mm Do đó, mẫu cao su

càng dẻo thì chỉ số Wallace càng bé

6 Vận tốc đóng rắn, thời gian đóng rắn

Thời gian đóng rắn của nhựa nhiệt rắn hay thời gian lưu hoá của cao su là thời gian cần

thiết để vật liệu dưới tác dụng của nhiệt và áp suất chuyển biến thành trạng thái có tính chất

sử dụng tốt nhất Vận tốc đóng rắn biểu thị tốc độ chuyển trạng thái của vật liệu, chỉ phụ

thuộc vào bản chất của vật liệu Tuy nhiên, thời gian đóng rắn còn phụ thuộc vào bề dày của

sản phẩm gia công do trong quá trình đóng rắn cần có sự dẫn nhiệt mà các vật liệu này dẫn

nhiệt kém cho nên sản phẩm càng dày thì thời gian đóng rắn càng dài

Thời gian đóng rắn của nhựa nhiệt rắn được đo bằng nhớt kế canavec, còn thời gian lưu

hoá cao su thường được đo bằng lưu hoá kế và ít dùng hơn với nhớt kế Mooney

Nhớt kế canavec và nhớt kế Mooney thuộc loại nhớt kế Roto, trong đó Roto quay

tương đối so với khuôn ở vận tốc không đổi Trong khối vật liệu trong khuôn mẫu, cho Roto

chuyển động, do ảnh hưởng của độ nhớt vật liệu Roto sẽ chịu tác dụng của một ứng suất

trượt Ứng suất trượt này được ghi nhận trên thiết bị ghi

Trong quá trình đóng rắn vật liệu, do sự hình thành mạng lưới không gian, độ nhớt của

vật liệu sẽ tăng do đó ứng suất trượt ghi nhận được sẽ tăng theo quá trình đóng rắn Tuy

nhiên, đối với một số vật liệu bên cạnh quá trình đóng rắn còn có quá trình phân huỷ nhiệt

làm giảm độ nhớt của vật liệu Do đó, giản đồ σT − t (ứng suất trượt - thời gian) là một

đường cong có cực đại (trong trường hợp có phân huỷ nhiệt) hoặc là đường cong có tiệm cận

ngang (trường hợp không có sự phân huỷ nhiệt) Thời gian đóng rắn sẽ là thời gian mà giá trị

T

σ đạt cực đại hoặc bắt đầu nằm ngang

Hình 2.3: đường cong lưu hóa

Ngoài ra, thời gian đóng rắn, từ giản đồ chúng ta còn có thể xác định được thời gian

hoạt hoá thh đó là thời gian mà vật liệu chưa xảy ra quá trình đóng rắn đáng kể và vận tốc

đóng rắn bằng độ dốc của đoạn thẳng trên giản đồ: tg α

Việc xác định thời gian lưu hoá bằng lưu hoá kế và lưu biến kế đối với hỗn hợp cao su

cho kết quả chính xác hơn dùng nhớt kế Mooney Đối với 2 loại thiết bị này, thời gian lưu

hoá được xác định bằng cách theo dõi tính năng của vật liệu khi chịu tác dụng của ứng suất

(hoặc biểu diễn) thuận nghịch chu kỳ xác định

Ngoài việc xác định thời gian đóng rắn bằng các thiết bị trên, thời gian đóng rắn còn

có thể xác định bằng phương pháp ép từng bậc Theo phương pháp này, mẫu vật liệu được

tiến hành ở điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định, nhưng ở thời gian khác nhau, sau đó tiến

hành đo tính năng sử dụng của các mẫu này và thời gian đóng rắn sẽ là thời gian ép của mẫu

có tính năng sử dụng cao nhất

7 Độ co thể tích

Độ co thể tích biểu diễn sự giảm thể tích sản phẩm so với kích thước cơ bản của vùng

tạo hình của khuôn sau khi đạt tới nhiệt độ bình thường

Độ co thể tích có 2 ảnh hưởng ngược nhau: làm dễ dàng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn và

gây ra sự thiếu kích thước của sản phẩm Ngoài ra, khi nhiệt độ co rút quá lớn còn gây nhiều

khuyết tật khác như cong vênh, rạn nứt

Hiện tượng thể tích bị giảm đi khi đưa về nhiệt độ ban đầu do 2 nguyên nhân chủ yếu:

+ Sự giản nở nhiệt của sản phẩm:

+ Đối với các nhựa nhiệt rắn, trong quá trình định hình trong khuôn, xảy ra phản ứng

t hh t đr

t hh : thời gian hoạt hóa

t đr : thời gian đóng rắn

σ

t

Độ co thể tích được tính bởi công thức:

(V Kh V Sp)/ V Kh

100

VKh, VSp: thể tích của khuôn và của sản phẩm ở nhiệt độ phòng

Độ co thể tích phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có thể kể đến:

+ Bản chất của polymer: mỗi loại polymer có giới hạn co thể tích khác nhau Đối với

loại nhựa nhiệt rắn, độ co thể tích còn phụ thuộc vào mức độ trùng hợp hoặc trùng ngưng

của các Prepolymer

+ Sự hiện diện của các chất độn thường làm giảm độ co thể tích

+ Điều kiện gia công (nhiệt độ, thời gian làm nguội) có ảnh hưởng đến độ co thể tích

của sản phẩm

+ Bản chất vật liệu làm khuôn

Ngoài ra, còn phải kể đến sự co thể tích do sự mất ẩm và chất dễ bay hơi trong quá

trình gia công, loại phương pháp gia công Thực tế cho thấy áp suất gia công và thời gian

lưu lại trong khuôn của các nhựa nhiệt rắn không ảnh hưởng đến độ co thể tích và hình dáng

của sản phẩm, chỉ chịu ảnh hưởng của sự biến dạng gây ra do sự co thể tích xảy ra trong sản

+ Độn amiăng

- Melamin - phenol - formaldehid

- Ureformandehit độn α - xenlulo

• Diallyl phtalat (DAP)

- Độn thuỷ tinh

1 ÷ 5

4 ÷ 8

3 ÷ 6

6 ÷ 9

Vật liệu (1) Độ co (%) Vật liệu (1) Độ co

Bảng 2.3: độ co thể tích của một số loại vật liệu

8 Nhiệt độ gia công

Nhiệt độ gia công trước tiên phụ thuộc vào bản chất của polymer, các tính chất gia

công của polymer, hình dáng, kích thước của sản phẩm Nhiệt độ gia công còn phụ thuộc

vào phương pháp được chọn để gia công và loại thiết bị dùng để gia công polymer

Việc chọn đúng nhiệt độ gia công không những tạo điều kiện thu được sản phẩm chất

lượng tốt mà còn có thể làm tăng năng suất thiết bị Trái lại, khi chọn nhiệt độ gia công

không thích hợp sẽ dẫn đến những khuyết tật trên sản phẩm như thiếu kích thước, tính chất

cơ lý giảm và trong nhiều trường hợp không thể tiến hành gia công được

Nhiệt độ gia công của các nguyên liệu khác nhau thường được xác định bằng thực

nghiệm và được cho bởi các tài liệu kỹ thuật của các nhà chế tạo nguyên liệu Tuy nhiên để

có cơ sở cho việc lựa chọn nhiệt độ gia công của nguyên liệu polymer, chúng ta cần lưu ý

đối với những điểm sau:

1, Đối với các loại nhựa nhiệt rắn và cao su, nhiệt độ gia công được lựa chọn trên vận

tốc đóng rắn (lưu hoá) phù hợp với điều kiện thiết bị và đặc tính của sản phẩm

2, Đối với các loại nhựa nhiệt dẻo, chúng ta cần chú ý đến các thông số nhiệt như nhiệt

độ chảy nhớt (Tf), nhiệt độ hoá thuỷ tinh (Tg) (đối với polymer vô định hình), nhiệt độ nóng

chảy (Tm) (đối với polymer kết tinh) và nhiệt độ phân huỷ (Tph) Nhiệt độ gia công các vật

liệu polymer ở trạng thái chảy nhớt phải bé hơn Tph và lớn hơn Tf (hoặc nhiệt độn nóng

chảy) Đối với các phương pháp gia công vật liệu ở trạng thái mềm cao nhiệt độ gia công

nằm giữa Tg và Tf Tg còn là một thông số quan trọng xác định nhiệt độ lấy sản phẩm khỏi

Các thông số Tg, Tf, Tm, Tph phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của polymer, một số phụ

gia có ảnh hưởng ít nhiều đến tính chất này như chất ổn định nhiệt, các polymer hoá dẻo

và là những thông số quan trọng của polymer

Chương III NGHIỀN, TRỘN, TẠO HẠT POLYMER

Các quá trình nghiền, trộn, tạo hạt là những quá trình chuẩn bị rất cần thiết trước khi

gia công polymer thành sản phẩm sử dụng

I Nghiền

1 Định nghĩa và mục đích

Nghiền là quá trình làm giảm kích thước của các phần tử vật liệu cứng Mục đích của quá

trình nghiền:

- Tăng cường khả năng trộn lẫn giữa các cấu tử trong quá trình trộn (do tạo kích thước nhỏ

hơn dẫn đến khả năng phân tán lớn)

- Giúp cho quá trình sấy và nóng chảy nhanh hơn

- Làm nhỏ phế liệu cho nguyên công tạo hạt

Nếu kích thước của hạt quá nhỏ thì dễ bị dính vón Do vậy phải điều chỉnh kích thước

của hạt cho hợp lý với từng loại polymer (dùng rây)

2 Thiết bị nghiền

Có nhiều loại thiết bị nghiền và tuỳ thuộc vào loại vật liệu mà sử dụng các loại thiết bị

khác nhau để nghiền Các máy nghiền thường được dùng nhất là: máy đập vỡ hình trụ tròn,

máy nghiền búa, máy xay dao, máy nghiền dinh, máy nghiền trục cán

Dựa vào kích thước hạt, trạng thái vật liệu, sự phân loại kích thước để chọn cách và

thiết bị nghiền phù hợp

Các máy kể trên sử dụng các tải trọng khác nhau để nghiền vật liệu như máy nghiền

trụ tròn dùng tải trọng nén, máy nghiền dao dùng tải trọng cắt, máy nghiền dinh dùng lực va

đập và sự chà xát

Trong các loại trên, máy nghiền dao có ý nghĩa hơn cả vì nó thích hợp để nghiền

những polymer có ứng dụng rộng rãi nhất và dùng để làm nhỏ phế liệu cho nguyên công tạo

hạt

Tốc độ của máy nghiền dao từ 12 ÷ 14 m/s, khoảng cách giữa các lưỡi dao cố định và

lưỡi dao di động từ 0,25 ÷ 0,5 mm Năng suất nghiền phụ thuộc vào kích thước vật liệu cần

đạt được, nó nằm trong khoảng 10 kg/h ÷ 2500 kg/h

II Trộn

1 Định nghĩa và mục đích

Trộn là quá trình tạo ra sự dịch chuyển tương đối giữa các vật liệu cần pha trộn với nhau

cho đến khi sự phân bố giữa chúng được đều khắp

- Mục đích:

+ Trộn đều và phân bố các loại vật liệu khác nhau trong hỗn hợp (polymer, phụ gia, độn,

màu )

+ Ngoài ra nếu hỗn hợp ở dạng Past thì quá trình trộn còn làm nhuyễn và dẻo vật liệu,

tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình gia công như cán

2 Đặc điểm của quá trình trộn

Trong quá trình trộn sẽ xuất hiện các ứng suất lớn sinh ra do các bộ phận của thiết bị

chuyển động tương đối gây ra Điều này dẫn đến một số hệ quả sau:

+ Sự gia tăng nhiệt độ của khối vật liệu do nội nhiệt sinh ra do ma sát, cùng với sự gia

nhiệt bên ngoài, vật liệu từ dạng rời (thường gặp đối với các loại nhựa nhiệt dẻo và nhiệt

rắn), độ dẻo thấp (trường hợp cao su và nhựa) chuyển sang trạng thái liên tục có độ mềm

dẻo nhất định Quá trình này gọi là quá trình làm mềm (còn gọi là quá trình dẻo hoá hay

nhựa hoá) Thông thường, 2 quá trình trộn và làm mềm xảy ra đồng thời

+ Dưới tác dụng của ứng suất cơ học lớn, sẽ xảy ra quá trình cắt đứt mạch phân tử tạo

những gốc tự do và quá trình kết hợp các gốc này lại Điều này có ảnh hưởng đến tính năng

gia công và tính năng sủ dụng của polymer

+ Sự chuyển động tương đối giữa các bộ phận của thiết bị sẽ tạo nên những biến dạng

trượt trong khối vật liệu giúp cho việc phân tán các phụ gia vào khối thiết bị polymer Hiệu

quả của quá trình phân tán theo kiểu này phụ thuộc chủ yếu vào:

• Biến dạng trượt gây ra trong hỗn hợp,

• Chất lượng của khối hỗn hợp sau khi trộn phụ thuộc vào tính năng bề mặt của

2 pha: Đối với mỗi loại vật liệu polymer, cần phải chọn một chế độ trộn thích hợp nhằm

đảm bảo 2 yêu cầu:

+ Đảm bảo trộn đều mà vẫn duy trì được tính năng cơ lý của sản phẩm ở mức độ cao

nhất

+ Đảm bảo khả năng gia công trong quá trình tiếp theo thuận lợi nhất

3 Thiết bị trộn

- Tuỳ thuộc vào mục đích và trang thái vật liệu khác nhau mà người ta sử dụng các

thiết bị trộn khác nhau một cách hợp lý Ví dụ: Máy trộn lệûch ly tâm: PS, PE, PP, PMMA,

máy khuấy cách khuấy chữ Z: PVC

- Các vật liệu dạng lỏng hoặc bột nhão như điều chế bột nhão PVC cũng được thực

hiện trong máy khuấy Những máy khuấy này có kích thước nhỏ, trục khuấy thẳng đứng,

quay trong thùng trụ tròn Tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà thùng khuấy có thể có 2 lớp

để đun nóng hoặc làm nguội

- Một số trường hợp khi trộn cần tránh không cho không khí lẫn vào vật liệu, người ta

thường trộn chúng trong các máy khuấy kín và có bơm chân không để tạo chân không cho

thiết bị

- Đối với các vật liệu dạng hạt có kích thước khác nhau, để trộn các phụ gia dạng bột,

người ta thường sử dụng máy trộn hình tang quay Trong quá trình chúng chuyển động

ngược chiều chúng được tích điện và như vậy các phân tử phụ gia sẽ bám vào các hạt vật

liệu Để quá trình trộn có hiệu quả, số vòng quay của máy ở vào khoảng 25 ÷ 35 vòng/phút

- Để tạo ra các hỗn hợp ở dạng bột, người ta thường dùng loại máy trộn nghiền phối

hợp có số vòng quay nhanh

+ Phần cuối của cánh khuấy của thiết bị này đạt với tốc độ 40 m/s tốc độ lớn có tác dụng

tạo sự nghiền

+ Cánh gạt có tác dụng ngăn cản sự dịch chuyển quay dạng xoắn để tạo sựu dịch chuyển

tương đối của các phần tử vật liệu với nhau tốt hơn và từ đó cũng tạo được nhiệt do ma sát

+ Trong trường hợp cần thiết có thể tăng nhiệût độ bằng cách nung nóng nhờ hệ thống nung

Tuỳ thuộc vào yêu cầu của việc trộn mà có thể nung đến 1400C

+ Nhiệt độ của vật liệu trong máy khuấy nguội khoảng 350C (để giữ không cho vật liệu bị

vón lại)

+ Thời gian trộn nói chung là ngắn, khoảng 10 phút

- Để làm dẻo vật liệu máy trộn trục vít (đặc biệt là nhiều trục vít) cũng được dử dụng

rộng rãi (hình trang bên)

- Để phối trộn hỗn hợp có lượng chất độn lớn (như hợp phần cao su) người ta dùng loại

máy trộn kín Đối với loại này nhiệt sinh ra lớn do đó thể tích không quá 300 lít

- Máy trộn hở (còn gọi là máy cán 2 trục) được sử dụng rất nhiều trong gia công cao su Ta

sẽ đi sâu vào nghiên cứu thiết bị này:

4 Trộn gián đoạn trên máy trộn hở:

a Đặc điểm

Do cấu tạo vùng làm việc của máy cán 2 trục hẹp nên quá trình trộn trên máy cán 2 trục

có những đặc điểm sau:

- Hiệu quả trộn thấp nên thời gian của một chu kỳ trộn dài, năng lượng tiêu tốn cho đơn vị

khối lượng nguyên liệu lớn so với các thiết bị khác

- Công nhân thao tác nặng nhọc, vất vả

- Tính chất an toàn thấp, vệ sinh công nghiệp kém: bụi nhiều và nóng

Tuy nhiên, loại máy cán 2 trục có một số ưu việt mà máy trộn kín không có đựơc như:

- Tính năng sử dụng nhiều: có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như cán tấm,

trộn, gia nhiệt Trong đó có những chức năng mà máy trộn kín không thực hiện được

cán tấm

- Về mặt hiệu quả kinh tế, thực tế cho thấy máy cán 2 trục năng suất nhỏ sẽ có hiệu quả

kinh tế hơn

b Cấu tạo và phân loại

Trong công nghiệp cao su (công nghiệp gia công) và chất dẻo, máy cán 2 trục được sử

dụng cho nhiều công việc khác nhau: sơ luyện cao su, trộn và nhựa hoá các hỗn hợp cao su

và chất dẻo, cán tấm, gia công hỗ hợp nguyên liệu trước khi nhập liệu lên máy cán tráng

hoặc máy đùn trục vít, nghiền mịn, loại bỏ các vật liệu sợi trong polymer như khi tái sinh

cao su và nhựa dẻo

Về mặt cấu tạo, máy cán 2 trục thuộc loại máy cán trục quay, làm việc gián đoạn Cụm

chi tiết làm việc là 2 trục rỗng, đặt song song trên cùng một mặt phẳng nằm ngang Các trục

này quay quanh trục của mình với vận tốc khác nhau, ngược chiều

Tỷ số vận tốc dài giữa 2 trục được gọi là tỷ tốc f:

Tỷ tốc này là một thông số quan trọng cần lưu ý khi sử dụng máy cán 2 trục Tỷ tốc f

càng lớn thì ứng suất tác dụng càng lớn, sự phá vở cấu trúc càng mạnh và nhiệt sinh ra càng

nhiều Vì thế, đối với các máy có chức năng là nghiền, cán phá có f rất lớn (lên đến 4) còn

các máy dùng để trộn các vật liệu polymer thì tỷ tốc gần bằng 1 nhằm giảm bớt quá trình cắt

đứt mạch phân tử khi trộn

Vật liệu gia công khi đưa vào máy bị các trục quay theo chiều gặp nhau kéo vào

khoảng giữa 2 trục (cùng biến dạng) nhờ các lực liên kết nội và lực ma sát của vật liệu vời

bề mặt trục cán Lực cắt và lực nén càng gia tăng khi vật liệu càng đi sâu vào khe trục tương

ứng với sự gia tăng của ứng suất trượt và ứng suất nén Các ứng suất này gây biến dạng

trong khối vật liệu và sự chảy của vật liệu qua khe trục Các biến dạng trục tạo nên bề mặt

tiếp xúc mới giúp quá trình phân tán các phụ gia vào khối polymer dễ dàng hơn Các ứng

suất phát minh càng lớn, biến dạng càng mạnh mẽ khi tỷ tốc càng cao và khe hở trục càng

bé Dưới tác dụng của ma sát nội và ngoại, khối vật liệu sẽ nóng lên dễ dàng tạo thành một

khối đồng nhất và liên tục

Ra khỏi khe trục, tấm vật liệu thường bám vào khe trục nóng hơn, nhám hơn, có vận

tốc lớn hơn (có tài liệu ghi vật tốc bé hơn) Để đạt được độ đồng nhất và sự mềm dẻo cần

thiết thường khi gia công trên máy cán 2 trục vật liệu được cho qua khe hở trục nhiều lần

* Phân loại

Việc phân loại máy cán 2 trục thường dựa trên mục đích và cách bố trí truyền động giữa

các trục Tuỳ theo mục đích sử dụng, người ta chia máy cán 2 trục thành những nhóm chính

như sau:

- Máy cán tấm: Dùng để trộn hệ lưu hoá và hỗn hợp cao su từ máy trộn kín đưa sang và

xuất tấm vật liệu Máy này có tỷ tốc từ 1 ÷ 1,07

- Máy cán đốt nóng: Dùng để gia nhiệt cho hỗn hợp vật liệu polymer đến nhiệt độ cần

thiết trước khi đưa sang máy cán nhiều trục hoặc máy đùn trục vít Máy cán đốt nóng có

tỷ tốc khoảng 1,22 ÷ 1,27

- Máy cán trộn: thường dùng vào việc làm mềm cao su trước khi hỗn luyên, trộn và nhựa

hoá hỗ hợp nhựa Máy cán trộn có tỷ tốc 1 ÷ 1,07

Trong sử dụng, 3 loại máy cán trên được sử dụng lẫn lộn như nhau

- Máy cán đập: Dùng để nghiền sơ bộ cao su cũ, ebonic trong quá trình tái sinh nguyên

liệu, bề mặt có rãnh, tỷ tốc 2,42 ÷ 2,55

- Máy cán nghiền: Dùng để nghiền mịn cao su cũ, ebonic, nhựa nhiệt rắn bề mặt trục

thường láng, tỷ tốc 2,55 ÷ 4

- Máy cán lọc: Dùng để laọi các vật liệu sợi, các chất bẩn cơ học trong bột cao su cũ trước

khi tiến hành tái sinh, trục cán có cấu tạo đặc biệt lớn ở giữa, nhỏ ở hai đầu giống như

quả bom

- Máy cán thí nghiệm: Dùng để chuẩn bị mẫu trong các phòng thí nghiệm, đặc tính giống

3 loại đầu nhưng kích thước bé hơn

c Cơ sở vật lý của quá trình nạp liệu máy cán 2 trục

Quá trình gia công vật liệu polymer trên máy cán 2 trục chỉ xảy ra trong vùng biến

dạng, nghĩa là trong khoảng không gian giới hạn bởi 2 cung A1C1 và A2C2 vàtrên suốt chiều

dài làm việc của trục cán

Một số định nghĩa:

- Góc ôm: là góc tạo thành từ những đường thẳng nối liền tâm 2 trục cán và trục vectơ kéo

từ tâm trục đến vị trí ngoài cùng., tại đó có sự tiếp xúc của nguyên liệu với bề mặt trục

1

1 C , A C

A là cung ôm

( )2

0175 , 0 360

R l

Ri: Bán kính trục

i

α : góc ôm

Nhìn chung, quá trình gia công trên máy cán 2 trục là một quá trình cơ nhiệt phức tạp

kèm theo các hiện tượng hoá học, cơ hoá, lý hoá Sau đây, chúng ta chỉ xét đến điều kiện để

khối vật liệu đi vào khe hở trục của máy cán Do dòng chảy dọc theo trục của cán không

đáng kể, nên chúng ta chỉ xét trên tiết diện thẳng góc với trục cán

Cho hệ toạ độ Oxy (O là trung điểm của O1O2) như hình vẽ

Các lực tác dụng lên hệ gồm có:

T1, T2: lực ma sát của vật liệu lên bề mặt 2 trục

( )3

.

1 1 1

1 1 1

β

=

β

= tg N T

tg N T

2

1 ,β

β : góc ma sát tương ứng trên 2 trục

Tổng lực tác dụng lên khối vật liệu là Fr

2 1 2

N G

F r = r + r + r + r + r

Chiếu phương trình lên hệ Oxy ta có:

( )4 cos

cos

sin

sin

cos (sin

) cos

β

= β

= β

α

= α

= α

2 1

2 1

2 1

6

Khi đó (5) trở thành:

cos

−

Fy

Trong điều kiện gia công trên máy cán, lực trọng trường G thường không đáng kể so với các

lực khác, khi đó:

cos

Fy

Để vật liệu đi vào khe trục thì Fyy > 0, từ (8) suy ra để Fy > 0 thì β > α ( )9

Từ (9) cho thấy khi góc ôm càng bé thì vật liệu càng dễ dàng đi vào khe trục, nghĩa là với

cùng bề dày thì vật liệu được gia công trên máy có kích thước lớn hơn hoặc khe hở trục lớn

sẽ đi vào khe trục dễ dàng hơn

Hầu hết các vật liệu polymer khi gia công đều tồn tại các biến dạng đàn hồi, biến dạng

chảy Khi đi qua vùng đàn hồi vì vật liệu không chịu nén nên chúng sẽ bị biến dạng theo 3

hướng Nếu bắt đầu vào vùng biến dạng tấm vật liệu có chiều dày H, chiều rộng b, tại khe

trục chiều dày là h0, rộng là b0 và khi ra khỏi vùng biến dạng chiều dài h3, chiều rộng b3 thì:

- Đối với vật liệu đnà hồi tuyệt đối:

d Phân tích thuỷ động

Việc đưa các phương trình toán học để mô tả quá trình cán trên máy cán 2 trục có thể

thực hiện theo 2 hướng chính sau đây:

1, Dựa vào các số liệu thực nghiệm và lý thuyết động dạng để quy mô hoá

2, Dựa vào việc giải các phương trình thuỷ động học của lưu chất không chịu nén trong

vùng biến dạng của các máy trục quay

Để đơn giản trong việc giải các phương trình thuỷ động học, người ta đưa ra một số

quy ước như sau:

+ Lực trọng trường không đáng kể so với các lực tác dụng khác

+ Bỏ qua thành phần biểu diễn gia tốc trong phương trình động lượng vì dòng chảy chậm,

độ nhớt của lưu chất lớn

+ Vật liệu gia công giả sử là chất lỏng Newton và quá trình chảy đẳng nhiệt

+ Do khe hở trục thường rất nhỏ so với bán kính trục nên các gradien vận tốc theo hướng x

không đáng kể với hướng y

+ Aïp suất chỉ thay đổi theo trục x

Với các điều kiện kể trên, phương trình động lượng của lưu chất trở thành:

( )11 0

∂

∂

y

v x

P: áp suất của phần tử lưu chất

vx: vận tốc của phần tử này theo hướng x

µ: độ nhớt của lưu chất

∗ Tính vận tốc và lưu lượng vật liệu qua máy cán:

Lấy tích phân (11) với các điều kiện biên:

( )12

2

2

1 2

1

v f v v h

y

v v h

2

1 1 4

2

1

1 1

2 2

v

f y v h

f h

y x

( )14

( )15

12

1 2

x

P h

2

1

3

1 h v

P

tức là áp suất đạt cực đại Tại khe hở có chiều dày bằng h3

Tại điểm ra của vật liệu thì h = h3 và áp suất đạt cực tiểu (P = 0) Tại điểm đối xứng

với điểm ra ta cũng có h = h3 và ở vị trí này áp suất đạt cực đại Mặt phẳng vuông góc trục x

đi qua vị trí này gọi là mặt phẳng trung hoà

∗ Tính áp suất:

Từ (15) và (16) ta có:

( )17

12 2 1

2

1 12

1 2 1

3 3 1

3 1 3

− +

h

h h v f x P

h v

f h

x

P h

v f

Từ biểu thức này qua một số biến đổi, ta được:

- Khi x > 0:

[g h h C]

h h

R v f

0 0

.

2

3 2 1

- Khi x < 0:

[ g h h C]

h h

R v f

0 0

.

2

3 2 1

0 0

0

3 0

0

0 2

3 0 3 0 3

1

h

h h arctg h

h h h

h h h

h h h h h h

h

( )20 4

3 2

3

0

0 3

0

0 3

0

0 3

3

0 3

h

h h arctg h

h h h

h h h

h h

−α

−α+

−αα

−α

CKhi khe hở trục rất bé so với bán kính trục và h được tính bằng công thức ( )22

2

0

R

xh

Giá trị áp suất cực đại tại tiết diện trung hoà cho bởi công thức: P = P( )h2 (thế h = h3 vào

180n P- do x<0)

( )24

.

3 2 1

0 0

1

h h

R v f

∗ Tính phản lực đẩy của trục:

Do sự hình thành áp suất trong khối vật liệu khi đi qua vùng biến dạng, các trục sẽ chịu một

lực đẩy theo hướng tách rời nhau Lực này được tính như sau:

( )

2

1

1 0

µ +

h

R v W f

FP

1 1 1

1 2 3 ,

1

− β +

− α

− β

− α +

α

− +

− β +

− α α

− α

− α

= β α

arctg arctg

g

cán trục của việc làm dài chiều W h

H h

= α

∗ Tính công suất tiêu tốn:

2

1

4 2 3

2

0 0 2 1

+ β α +

µ

h

h R v W P

− α α

−

− β +

− α α

−

= β

g

4 α β = arctg α − + arctg β − g

Khi tỷ tốc f = 1:

2

2 0

0 2

, 1 2 1

0

, 1 2 1

h h g P

P

x C

h h g P

P

H g H

h

max 2

=

P

P C

h g h

h

( )

2

1 0

max 0

=

P

P h

g h

g h

h

Trong đó h2 = h3 dùng để chỉ điểm nằm trên mặt phẳng trung hoà ứng với x < 0

Từ các giá trị này ta vẽ được profile áp suất như sau:

Tương tự như vậy, ta có profile vận tốc trong vùng biến dạng:

Từ giản đồ cho thấy có sự chuyển động ngược chiều của lưu chất và do đó làm tăng

hiệu quả trộn Vùng này gọi là vùng xoáy Vùng xoáy phải luôn luôn chuyển và càng nhỏ

càng tốt để tránh hiện tượng nguội bề mặt

e Sự uốn cong và biện pháp hiệu chỉnh

Dưới tác dụng của lực đẩy trục sinh ra do vật liệu đi vào máy trộn, trục cán bị uốn

cong theo chiều lực đẩy Hiện tượng này đối với quá trình trộn không quan trọng lắm Tuy

nhiên, nếu sử dụng thiết bị để cán tấm thì việc uốn cong trục sẽ gây ra sự không đồng đều bề

dày của sản phẩm, ở giữa dày hơn 2 bên cạnh:

Mức độ uốn cong trục dưới tác dụng của lực đẩy cho bởi phương trình:

24

4 3

2 2

2

Z EI

y: độ uốn tại điểm cách tâm trục một khoảng Z

FS: Lực tác dụng trên đơn vị chiều dài trục

E: Modun đàn hồi của kim laọi chế tạo trục

I: Mômen quán tính của tiết diện trục

W: chiều dài làm việc của trục

a: khoảng cách từ tâm hữu hiệu của gối đỡ đến đầu mức làm việc của trục

Tại Z = 0, độ uốn cong cực đại

384

.

Để khắc phục sự biến thiên bề dày của tấm sản phẩm do sự uốn cong trục gây nên, người ta

dùng những biện pháp sau đây:

1, Sử dụng trục cán có profile lồi:

2, Đặt chéo các trục cán: (Đối với trục cuối cùng)

Khi 2 trục cán đặt chéo nhau với góc chéo α tương đối nhỏ, sự thay đổi khe hở giữa 2 trục

dọc theo trục đối xứng cho bởi biểu thức:

[Z2. 2 2 R h0 2]2 2 R ( )35

hZ: khe hở trại điểm cách tâm trục 1 khoảng Z

h0: khe hở tại tâm trục

R: bán kính trục

α: gọc hợp bởi trục đối xứng của 2 trục

Khi h0 R, ta có:

2 4

.

0

2 2

0

h R Z h h

Từ (36) cho thấy ∆h phụ thuộc vào Z theo dạng parabol trong khi đó (33) cũng cho

thấy y phụ thuộc theo Z dạng parabol (có tài liệu nói không phải parabol) Tuy nhiên, giá trị

của y và ∆ htại cùng 1 giá trị Z không trùng nhau do dó biện pháp đặt lệch trục không bổ

sung chính xác độ uốn của trục do vật liệu cán gây ra

3, Tạo mômen chống uốn trong trục cán

Được thực hiện ở trục cán cuối cùng bằng pitton thuỷ lực

f Trộn trên máy trộn 2 trục

Để đưa các phụ gia vào khối polymer bằng máy trộn 2 trục, trước tiên khối polymer

phải được cán đều đạt được độ dẻo nào đó và được cuộn tròn theo trục phía trước của máy

(phía thao tác) Kết quả là có một lớp polymer bao quanh trục truớc và khối polymer nằm

trên khe trục

Do quá trình quay của trục cán sẽ có những dòng polymer di chuyển ngược chiều quay

của trục ở đầu vào của vật liệu tạo nên gấp cuốn phụ gia khi đó đã được rãi đều dọc theo

chiều dài làm việc của trục, dưới tác dụng của các ứng suất trượt, sẽ gây ra các biến dạng

trượt trong khối vật liệu giúp phân tán phụ gia theo chiều chu vi trục (tức là toàn bộ trên bề

mặt của lớp polymer) Như vậy, vận tốc đưa phụ gia vào khối hỗn hợp phụ thuộc vào tác

động lôi cuốn phụ gia của khối hỗn hợp trên khe trục vào các nếp gấp của mình và quá trình

phân tán phụ gia phụ thuộc vào tác dụng của ứng suất trượt gây ra khi vật liệu đi vào vùng

biến dạng của máy

Sự khảo sát tốc độ đưa phụ gia vào khối polymer cho thấy trong thời gian đầu, vận tốc

xâm nhập của phụ gia là hằng số, sau đó giảm dần và tiến đến 0 Vì vậy thường khi đưa phụ

gia hoặc độn vào khối polymer bằng máy cán 2 trục người ta thường cho hết vào một lần

Sự khảo sát quá trình trộn trên máy trộn 2 trục cho thấy nếu không có sự cắt đảo, sự

xâm nhập của phụ gia sẽ không xảy ra được trên toàn bộ khối hỗn hợp mà có một lớp

polymer sát mặt trục phụ gia không tới được Lớp này gọi là "lớp chết" Ngoài ra, kết quả

nghiên cứu còn cho thấy trong quá trình trộn không cắt đảo, khối hỗn hợp trên khe trục với

lượng nhỏ sẽ hữu hiệu hơn là lượng lớn Vì nếu khối này lớn sẽ có ít nếp gấp hơn và có xu

hướng chuyển động quay tròn khối này quanh một trục riêng, do đó trở nên vô hiệu trong

quá trình trộn

Tóm lại, với quá trình trộn không cắt đảo, tính đồng nhất của khối hỗn hợp sẽ:

- Rất tốt theo hướng chu vi, do các biến dạng trượt trong khe trục gây nên

- Tốt theo hướng dọc trục (ngoại trừ ở 2 đầu làm việc) nếu phụ gia được rãi đều theo chiều

dài làm việc của trục

- Xấu theo hướng bán kính, có 1 "lớp chết" ở sát mặt trục

Hepner đã nghiên cứu định lượng quá trình trộn trên máy trộn 2 trục với lượng nhỏ

lycopodium (dạng bột, màu vàng, dùng làm chất làm khô và hấp thụ) đủ để định lượng bằng

cách đếm hạt độn trong các mẫu nhỏ lấy ra 1 cách có hệ thống từ tấm hỗn hợp bằng kính

hiển vi Và rút ra một số kết luận sau:

1, Nếu không có cắt đảo, mức độ trộn chỉ đạt đến 71%, nghĩa là không bao giờ đạt

được đồng nhất ở toàn khối

2, Quá trình cắt đảo sẽ nâng mức độ trộn lên 100%, bằng cách đưa "lớp chết" lên mặt

trên, tức là đưa vào vùng hoạt động

3, Với kỹ thuật cắt đảo thường sử dụng nghĩa là cắt khoảng 1/2 đến 3/4 bề rộng tấm

polymer trên trục và đảo ngược bề mặt "lớp chết" lên trên Kết quả cho thấy vận tốc trộn gần

như không đổi

4, Nếu quá trình trộn được thực hiện bằng cách cắt cuộn đổi đầu thì kết quả cho vận

tốc trộn tăng lên 2 lần, nhưng phương pháp này thực tế không được áp dụng vì thao tác nặng

nhọc

5, Với chế độ cắt đảo, sự hữu hiệu của khối hỗn hợp trên khe trục sẽ không còn, và

thực tế khối hỗn hợp này gây tiêu tốn năng lượng mà không góp phần vào việc trộn

Về phương pháp trộn trên máy trộn 2 trục có cắt đảo, Hepner kết luận như sau:

1, Hiệu ứng trộn theo hướng bán kính của khối hỗn hợp trên khe trục không được triệt

để sử dụng mà quá trình trộn đạt được phần lớn do hiện tượng cuộn, đảo và ép

2, Quá trình cắt đảo không làm tăng vận tốc trộn so với quá trình không cắt đảo mà đòi

hỏi thao tác nặng nhọc hơn và phụ thuộc vào người thợ đứng cán trộn Ngoài ra, điều kiện

an toàn không cho phép tăng vận tốc trục cán tức là giới hạn khả năng trộn của máy

Hepner đã đề nghị một kiểu máy thoả mãn các yêu cầu (hình dưới):

1, Phải xáo trộn toàn thể "lớp chết"

2, Phải tận dụng được khả năng trộn theo chiều bán kính của khối hỗn hợp trên khe

trục

3, Phải hạn chế thao tác trên tấm hỗn hợp

Thiết bị cải tiến được đề nghị này có thêm một trục phụ quay tự do, có thể di chuyển

qua lại đến các vị trí trên các trục chính Tấm hỗn hợp trên trục trước sẽ chạy qua trục phụ

rồi mới vào khe trục

Khi trục phụ ở vị trí trên trục trước (vị trí T) thì quá trình trộn xảy ra như khi không

có trục phụ Để đưa phụ gia vào "lớp chết", trục phụ sẽ chuyển sang vị trí S (sau), phụ gia

cho vào khe trục bị cuốn vào "lớp chết" trước kia

Kết quả nghiên cứu với bột lycopodium cho thấy việc bố trí trục phụ này đạt được

hiệu quả trộn cao như trong bảng sau:

Loại thiết bị Giá trị 3θ (phút)

Có cắt đảo 15 Máy trộn không

Máy trộn cải tiến có trục phụ 3,6

3θ là thời gian đạt được mức độ trộn 95% (xem như là đồng nhất)

5 Trộn trên máy trộn kín

a Cấu tạo và hoạt động

Máy trộn kín còn gọi là máy trộn Roto, trên nguyên tắc thuộc loại thùng trộn

Thường máy gồm 2 vỏ hình trụ ghép vào nhaum mỗi phần có một cánh trộn quayquanh trục

riêng của mình Các cánh trộn này gọi là Roto Khi Roto quay quanh vật liệu bị đảo trộn,

mạnh nhất là ở vùng 2 Roto gặp nhau Phần vật liệu nằm ở đỉnh Roto và vách buồng trên sẽ

xuất hiện các ứng suất trượt, gây nên các biến dạng trượt, giúp sự phân tán các chất được dễ

dàng Các ma sát ngoại và nội trong khối vật liệu sẽ làm nóng khối vật liệu tạo thành một

khối đồng nhất và liên tục Để điều chỉnh nhiệt độ khối vật liệu khi trộn, vỏ máy có hệ thống

giải nhiệt, còn Roto thì rỗng để có thể cho nước giải nhiệt hoặc hơi nước gia nhiệt vào

Các Roto có thể là các loại cánh trộn dạng ∑ hoặc Z, hoặc dạng xoắn ốc Tiết diện

của Roto không đổi, với máy trộn kín thường dùng thì tiết diện là 1 hình elip

Các phụ gia và polymer được cho vào máy qua cửa nạp liệu Sau một thời gian trộn

nhất định, hỗn hợp được tháo ra ở cửa tháo liệu dưới dạng khối

Để thuận tiện cho việc gia công tiếp theo, khối vật liệu này thường phải đưa qua máy

cán 2 trục để cán thànhtấm Vì thế, thường trong các nhà máy gia công polymer, máy trộn

kín thường được trang bị thêm máy cán 2 trục

Hiệu suất trộn cũng như năng suất của máy trộn kín cao hơn máy trộn hở Về an toàn

vệ sinh công nghiệp thì máy trộn kín cũng tốt hơn

Máy trộn kín thường được sử dụng để hỗn luyện cao su và nhựa hoá chất dẻo

Trong quá trình trộn do các lực ma sát nhiệt độ khối vật liệu tăng lên làm cho độ nhớt

giảm => ứng suất trượt giảm làm cho hiệu quả trộn kém Để nhiệt độ không đổi trong quá

trình trộn phải giải nhiệt cho hệ thống Tuy nhiên, vận tốc truyền nhiệt tỷ lệ với diện tích bề

mặt truyền nhiệt, tức tỷ lệ với K2 (K: tỷ số đồng dạng) còn công suất tiêu tốn (lượng biến

thành nhiệt) tỷ lệ với thể tích buồng máy, tức là tỷ lệ với K3 Vì vậy, việc duy trì nhiệt độ

không đổi là khó khăn, đặc biệt là đối với máy có thể tích buồng lớn Do đó, thường thể tích

các máy này bị giới hạn

b Phân tích thuỷ động

Việc sử dụng các phương pháp thuỷ động và giải các phương trình này để có những công

thức tính toán cho máy trộn kín phức tạp hơn nhiều so với máy cán 2 trục do những lý do

sau:

- Các biến dạng vật lý trong buồng máy không đồng nhất Phần vật liệu ở giứa đỉnh Roto

và vách máy có biến dạng chảy mềm ở các phần khácthì chủ yếu là biến dạng dão và

biến dạng đàn hồi

- Các dòng chảy bị xáo trộn do thể tích của buồng trộn thay đổi bất thường, và có lúc áp

suất vật liệu bên trong tăng mạnh đẩy nắp nạp liệu lên

Tuy nhiên, trong vùng biến dạng mạnh mẽ nhất, tức là ở khe hở giữa đỉnh Roto và vách

buồng máy, ứng suất trượt và vậ tốc trượt biến thiên ổn định hơn và toàn thể khối vật liệu

đều đi qua vùng biến dạng này do sự lệch pha trong sự chyển động của 2 Roto Sự lệch pha

này sẽ làm cho các hạt phân tán dần dần bị cuốn theo dòng vật liệu và đi vào vùng biến dạng

giữa khe hở Roto và vách máy Cho nên các kết quả thu được từ việc phân tích thuỷ động

học trong khe hở giữa Roto và vách buồng máy cho phép ước tính được các thông số kỹ

thuật của máy trong mức độ chấp nhận được

Cũng giống như trong trường hợp máy trộn hở, việc phân tích thuỷ động học máy trộn

kín được thực hiện trong một số điều kiện đơn giản hoá bài toán như sau:

3, Bề dày khe hở giữa đỉnh Roto và vách máy không đổi và rất nhỏ so với bề rộng

nên chỉ biến thiên của vx theo hướng y là đáng kể

4, Bán kính cong của vách buồng máy rất lớn so với bề mặt rộng của đỉnh Roto, do

đó có thể áp dụng mô hình phẳng để khảo sát dòng chảy

Máy trộn kín được mô hình hoá có tiết diện như sau và để thận tiện cho việc khảo sát

ta xem Roto đứng yên còn buồng máy quay với vận tốc N vòng/phút, tức là với vận tốc dài:

N

R

v = 2Π

Chọn hệ trục toạ độ như hình vẽ, chiều (+) hướng theo chiều quay của vỏ buồng máy

Phương trình động lượng áp dụng cho vừng khe hở giữa đỉnh Roto và vách máy trong

các điều kiện nêu trên có dạng:

( )2 0

v y h y x

=

Lưu lượng của lưu chất ở vùng đỉnh Roto:

( )4

12 2

12 2

2 1 3

3 0

P P P với x

P h h v Q

x

P h h v Q

dy v Q

=

∂

∂ µ

( ) ( ) ( )

v x

P

h

h H h h

h

h H v h

H

h H v x

P

h H

v H h x

P

x

X Đặt

h H v x X

H h

x P

h H v X x

P x H h x P

h

v H v X

P H h x P

X

P H H v x

P h h v

X

P H H v Q

= α β

+ α

− α β µ

=

∆

⇒

β +

= β +

− β µ

∆

⇔

= β

+ µ

+ µ

∆

⇒

∆ µ

−

=

∆ µ +

⇒

∆ µ

−

=

6 1

6

.

6

6

2

12

1

; 2

12 12

2

12 12

2 2

12 12

12 2

.

12 2

5

, 4

3

12 2

3 2

3 3

2

2 3

3

3 3

3 3

3 3

3 3

3 3

1

6 2 1

2 3 2

2 3

2

y h

v y h y h

v

y h

v y h y h

v

vx

+

− β + α

− α β

=

+

− β + α

− α β µ µ

=

Gọi V⋅ là vận tốc trượt trung bình Theo định nghĩa 2 . . ( )8

h

N R h

v

V ⋅ = = Π

Ứng suất trượt trung bình:

( )9

2

.

h

N R h

v

V= µ =µ Π µ

=

Biến dạng trượt của lưu chất:

x đoạn trượt chất lưu gian thời là t t

= ξ

x

x V v

v

⋅

= ξ

0

.

1 1

(α + β) ⎡ β(α − )⎤ β

µ

( )

β + α

β + α α

β

− α β + β + α

2

.

2 2

2

2 3

2 3

3 2

β + α α

β + α

= β + α

β + α Π

=

= ξ

⇒

β + α

β + α α

v h

x N R v

x V

v v

x x

Trong 1 đơn vị thời gian diến dạng trượt lặp lại N lần Vậûy biến dạng trượt trong đơn

vị thời gian là:

.

2

2

3

β + α α

β + α

= ξ h

x N

Từ (8), (9), (10), (11) cho ta tính được các giá trị của vận tốc trượt trung bình, ứng

suất trượt trung bình và biến dạng trượt trong đơn vị thời gian Đây là các thông số quyết

định tính năng của quá trình trộn Nếu 2 máy có cùng V⋅ , τ và N ξ sẽ hoạt động hữu hiệu

như nhau

Dựa vào các kết quả phân tích thuỷ động trên đây ta sẽ có quy mô hoá thiết bị này

Vì quá trình trộn kín gồm 2 máy như hình trên ghép lại và ta xem 2 máy này là đồng dạng

nhau với tỷ số đồng dạng là K

( )12

0 0 0 0 0

B h

h H

H x

x X

X R

R

R, X, x, H, h như trên, B là chiều dài của Roto

Xét trường hợp 2 máy có cùng vận tốc, N = N0 và giả sử T = T0 Từ (9), (11), (12) ta được:

(T, T0: nhiệt độ ):

( )0

0 0

.

13 ξ

= ξ

τ

= τ

= ⋅

⋅

N N

V V

Từ (13) => cả 2 máy trộn sẽ có tác dụng giống nhau trong quá trình trộn

Năng lượng tiêu tốn trên đơn vị thể tích của hỗn hợp cũng có thể được chứng minh là

bằng nhau cho cả 2 máy

c,Quá trình phân tán phụ gia trong máy trộn kín:

Quá trình trộn thường được phân biệt ra làm 2 loại: trộn đơn giản và trộn phân tán

Trong quá trình trộn phân tán chúng ta xét đến sự đồng nhất của hỗn hợp ở mức độ

cấu tạo ( texture) tinh hơn, trong đó có sự giảm kích thước của các khối tập kết vật liệu độn,

có khi đến kích thước của từng hạt độn

Máy trộn kín được xem là máy trộn phân tán hiệu quả vì ứng suất biến dạng tác dụng

rất mạnh mẽ nên có khả năng phá vở được các khối tập kết hạt độn thành những hạt rời rạc

trong khối polymer

Mac Kelvey đã nghiên cứu sự phân tán của phụ gia và đưa ra kết luận:

1, Ứng suất trượt lớn sẽ hổ trợ cho việc phân tán Với một hệ thống cho sẵn sẽ có một

giá trị giới hạn duới của ứng suất σTmin, mà dưới giá trị này không xảy ra quá trình phân tán

Khi ứng suất trượt lớn hơn σTmin thì chỉ có các tập hợp các hạt độn có sự định hướng ban đầu

thuận lợi (trục của chúng thẳng góc với dòng chảy) mới phân tán được

2, Nếu dòng chảy trong máy trộn là đơn hướng thì chỉ có những tập hợp hạt độn có sự

định hướng ban đầu thuận lợi mới bị phá vở Các tập hợp có sự định hướng ban đầu theo

chiều dòng chảy sẽ không bị phá vở Tuy nhiên, với máy trộn có dòng vật liệu liên tục đổi

hướng thì quá trình trộn sẽ giúp phân tán các hạt độn Với thời gian đủ cần thiết, các tập hợp

dần dần được định hướng thuận lợi và sự phá vở tập hợp sẽ xảy ra

3, Trong trường hợp lực hút giữa các hạt là lực hoá trị thứ cấp (các lực vandeval) và

diện tích tiếp xúc giữa các hạt ít phụ thuộc kích thước hạt thì lực hút giữa các hạt sẽ không

phụ thuộc kích thước hạt và hạt có kích thước lớn sẽ dễ bị phân tán hơn hạt có kích thước

nhỏ

JONE và SNYDER đã nghiên cứu quá trình trộn trên máy trộn kín và có kết quả thực

nghiệm cho trường hợp phân tán bột ZnO trong một loại cao su như sau:

Nhiệt độ vỏ

máy ( 0 C)

Nhiệt độ cuối cùng ( 0 C)

Thời gian trộn (phút)

Vận tốc Roto (vòng/phút)

Năng lượng tiêu hao (Wh)

Mức độ phân tán tương đối

80 94,5

Trong bảng này, 3 thí nghiệm đầu ứng với vận tốc Roto không đổi, tức vận tốc trượt tại

là do sự giảm độ nhớt khi nhiệt độ tăng, hậu quả là ứng suất trượt giảm đưa đến mức độ phân

tán giảm

Kết quả 3 thí nghiệm cuối cho thấy việc tăng vận tốc Roto làm tăng vọt nhiệt độ, mức

độ phân tán đi qua 1 cực đại rồi giảm xuống Hiện tượng này là do ảnh hưởng của nhiệt sinh

ra làm tăng nhiệt độ khối vật liệu, độ nhớt giảm xuống gây ảnh hưởng ngược với sự tăng ứng

suất trượt khi tăng vận tốc Roto

Tóm lại:

- Khi tăng nhiệt độ hiệu quả trộn giảm

- Khi tăng vận tốc Roto thì thời gian trộn để đạt được mức độ phân tán nào đó sẽ rút ngắn

lại tuy nhiên cần phải có hệ thống giải nhiệt cho máy tốt để tránh hiệu ứng tăng nhiệt độ

của khối vật liệu khi vận tốc Roto tăng

- Dạng của đỉnh Roto có ảnh hưởng lớn đến biến dạng trượt của khối vật liệu, do đó ảnh

hưởng đến công suất tiêu tốn và mức độ phân tán

6 Trộn và nhựa hoá trên máy đùn trục vít

Kết quả phân tích của Mac Kelvey cho thấy ựu hiện diện của dòng chảy ngang tạo sự

luân chuyển trong tiết diện rãnh vít đóng vai trò quan trọng trong quá trình trộn khối vật

liệu Bằng phương pháp tính Mac Kelvey đã tìm được phương trình tính biến dạng trượt tổng

cộng của khối vật liệu như sau:

* 3

, cos

3

2 1

−

= ε

Sin

a G a F H

L

T

L: chiều dài trục vít

H: bề sâu rãnh vít

ϕ: góc xoắn của răng vít

0

0 0

0

1 1

3 1 6

3 1 1 ,

1 1

3 1 3 1 1

a a a a b a a

a b

a b

a G

a a a a b a a

a b a b a

F

−

−

− +

−

φ + φ

− + φ + φ

−

−

= φ

−

−

− +

0 = với y0 là vị trí tương ứng của y trên vòng luân chuyển trong tiết diện ngang của

rãnh theo chiều ngược lại với chiều chuyển động cuả y

b: Phần thời gian lưu chất ở trong vùng trên của rãnh so với toàn bộ thời gian lưu chất nằm

trong rãnh

Từ phương trình (∗) chúng ta có thể rút ra những kết luận sau:

1, Vít có rãnh cạn sẽ tạo sự trộn hữu hiệu hơn là vít có rãnh sâu Hiệu quả trộn tỷ lệ với

chiều dài của trục vít

2, Sự làm nguội trục vít sẽ làm tăng hiệu quả trộn vì nó làm giảm bề sâu hữu hiệu của

rãnh vít

3, Sự gia tăng áp suất ở vận tốc vít không đổi cũng tăng hiệu quả trộn vì ở vận tốc vít

không đổi sự gia tăng áp suất làm tăng φ và ⇒ εT tăng

4, Sự gia tăng áp suất ở một xuất lượng không đổi cũng tăng hiệu quả trộn nhưng

không bằng tăng áp suất ở vận tốc vít không đổi Điều này là do tăng áp suất ở xuất lượng

không đổi đòi hỏi phải gia tăng vận tốc vít => QD gia tăng, cho nên φ tăng nhưng không

nhiều như trường hợp trên

III Tạo hạt polymer

Mục đích: Việc tạo hạt polymer nhằm các mục đích chủ yếu sau:

- Tạo điều kiện dễ dàng cho quá trình gia công

- Để dễ bảo quản, vận chuyển, hạn chế thất thoát do rơi vãi

Quá trình tạo hạt thường được thực hiện bằng 2 phương pháp: Tạo hạt lúc còn nóng và tạo

hạt lúc nguội

- Để tạo hạt lúc còn nóng người ta lắp thêm đầu đùn (đầu bép) nhiều lỗ, mà qua đó chất

dẻo làm nhuyển được đẩy ra khỏi miệng đầu lép thì được dao quay cắt thành hạt theo

kích thước nhất định Hạt đựoc tạo rơi xuống khoang chứa ở đó nó được làm nguội bằng

nước hoặc bằng không khí lạnh Các hạt được làm nguội bằng nước khi đem đi sấy và

đóng gói, các hạt vật liệu được tạo khi còn nóng có dạng dẹt, trộn hoặc dạng cầu

- Để tạo hạt khi nguội, người ta tách các sợi được đùn ra khỏi đầu lép, kéo qua bể nước

lạnh để làm nguội Các sợi vật liệu được bộ phận vận chuyển đưa vào bộ phận tạo hạt

được dao cắt thành hạt có dạng trụ tròn, chiều dài 2 ÷ 3 mm

Chương IV: GIA CÔNG SẢN PHẨM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÙN

I Đặc điểm

Đùn là một phương pháp gia công chủ yếu dùng cho nhựa dẻo và các vật liệu đàn hồi

như cao su, trong đó vật liệu ở trạngt thái chảy nhớt được đẩy liên tục qua 1 khe hở có tiết

diện nhất định gọi là đầu tạo hình

Phương pháp đùn liên tục chỉ áp dụng cho nhựa nhiệt dẻo và vật liệu đàn hồi, còn đối

với nhựa nhiệt rắn thì chỉ áp dụng được phương pháp gián đoạn trên máy đùn piston

Đặc điểm của phương pháp đùn liên tục là:

- Năng suất máy rất cao

- Sản phẩm chỉ được định hình theo 2 chiều Do đó, mức độ chính xác của kích thước sản

phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chế độ gia công (nhiệt độ, áp suất ), chế độ xử lý

sau khi sản phẩm ra khỏi đầu tạo hình (kéo căng, định hình ) (take off)

- Bằng cách thay đổi đầu tạo hình hoặc kết hợp với các bộ phận xử lý phôi đùn khác nhau,

máy đùn có thể sản xuất ra nhiều mặt hàng khác nhau như: màng mỏng, tấm phẳng, sợi,

thanh, ống, bọc cáp và dây dẫn, các sản phẩm rỗng, lưới

Ngoài ra, thiết bị đùn trục vít còn có thể sử dụng để nhựa hoá, tạo hạt, trộn

II Máy đùn trục vít

1 Phân loại

Máy đùn trục vít có nhiều loại, tuỳ theo công dụng, loại vật liệu gia công mà người ta

chọn loại máy thích hợp Việc phân loại máy đùn cũng chưa được thống nhất, đại thể máy

đùn có thể được phân loại trên các cơ sở sau:

- Theo số vít hoạt động

- Theo công dụng

a Phân loại theo số trục vít hoạt động

Máy đùn trục vít có thể có 1 hay nhiều vít (thường là 2 hoặc 3 vít) Đối với máy đùn

nhiều trục vít, các trục vít có thể quay ăn khớp hoặc không ăn khớp, cùng chiều hoặc ngược

chiều Do cấu tạo phức tạp, nhất là bộ truyền động nên máy đùn nhiều trục vít ít được sử

dụng trong công nghiệp đùn tạo hình mà thường được dùng để trộn và nhựa hoá hỗn hợp

nhiều cấu tử

b Phân loại theo công dụng:

Theo công dụng thì được chia làm nhiều loại như: máy đùn gia công chất dẻo, máy đùn

gia công cao su, máy đùn sản xuất màng mỏng, ống Đối với mỗi loại công dụng, đòi hỏi

phải có 1 cấu tạo thích hợp để đảm bảo tính năng gia công tốt nhất Việc dùng lẫn lộn cho

nhau, không những không có hiệu quả kinh tế mà đôi khi không thực hiện được các quá

trình kỹ thuật theo yêu cầu

2 Cấu tạo máy đùn trục vít

a Cửa nạp liệu

Cửa nạp liệu có thể có tiết diện tròn, oval, chữ nhật hoặc vuông, thành dứng, xiên, tiếp

xúc Sau đây là một số ví dụ về cửa nạp liệu:

Chiều dài của cửa nạp liệu không được bé hơn kích thước của 1 bước vít

b Trục vít

Đây là bộ phận chính của máy, quay trong xi lanh, nhiệm vụ của nó là làm một bộ

phận tiếp nhận nguyên liệu tại cửa nạp liệu, tải đến vùng nhựa hoá, tạo ma sát trượt để nhựa

hoá và trộn, tác dụng như một bơm nhựa lỏng nhằm tạo môt áp suất nào đó để đẩy nhựa

Nguyên liệu trong vít có thể chia làm 3 vùng:

- Vùng vận chuyển hạt rắn: Nguyên liệu ở dạng hạt rắn trong vùng này

- Vùng nhựa hóa (vùng nén): Nguyên liệu ở dạng bột nhão, gồm hỗn hợp lẫn lộn polymer

nóng chảy và các hạt rắn

- Vùng phối liệu (vùng đo lường): Nguyên liệu ở vùng này ở dạng chảy nhớt

Như vậy, khi di chuyển từ của nạp liệu đến đầu tạo hình, khối lượng riêng của nhựa thay

đổi liên tục và do đó vít cần phải có một hệ số nén nào đó Để thực hiện điều này có thể thực

hiện một trong các giải pháp sau:

- Thay đổi bề sâu rãnh vít

- Thay đổi bước răng vít

- Kết hợp cả 2 phương pháp trên

Xét về mặt cơ học thì trục vít có bề sâu rãnh vít không đổi bền hơn Trái lại, xét về mặt

thiết kế chế tạo và tính năng kỹ thuật thì vít có bước răng không đổi ổn định hơn vì khi thay

đổi bước răng sẽ đưa đến sự thay đổi góc xoắn Từ đó kéo theo sự thay đổi đáng kể một loạt

các thông số kỹ thuật khác ngoài việc khó khăn khi chế tạo

Các thông số cơ bản của trục vít:

L: Chiều dài

D: Đường kính

t: bước vít (thường t = D)

ϕ: Góc ngiêng cánh vít

h1, h2: Chiều sâu của rãng vít

h: bề rộng rãnh vít (w)

e: Bề dày cánh vít (e = 0,1D)

Một trong những thông số hình học có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm là

chiều dài trục vít vì nó ảnh hưởng đến thời gian lưu của nguyên liệu trong máy Tuỳ theo

mục đích sử dụng, chiều dài của vít thay đổi trên một khoảng rộng Để gia công cao su thì tỷ

lệ = 3 ÷ 4

D

L

, còn để gia công nhựa nhiệt dẻo thì tỷ lệ này lên đến 15 ÷ 20

Chiều dài của các vùng phân chia trên trục vít tuy có tính quy ước nhưng rất quan

trọng nhất là chiều dài vùng phối liệu Nếu chiều dài vùng phối liệu (metering section) ngắn

sẽ rất biến động (trong vùng làm việc) ở nhiệt độ và áp suất, năng suất thay đổi nhiều Trái

lại, máy có chiều dài vùng phối liệu lớn các thông số trên sẽ ổn định hơn, đồng thời áp suất

cũng lớn hơn

Để tăng độ nhuyễn, độ đồng nhất cho chất dẻo, người ta cũng có thể sử dụng các trục

vít đặc biệt

Trục vít thường được chế tạo bằng thép không gỉ, có độ cứng cao và hệ số ma sát đối

với nguyên liệu phải bé vì một trong những yếu tố đảm bảo năng suất cao là hệ số ma sát

của trục vít đối với polymer phải bé hơn của xi lanh đối với polymer Bề cao của răng vít

được tính toán đủ để đảm bảo độ bền của trục vít và độ ổn định của dòng chảy Chiều cao

này không vượt quá 0,1 lần bề rộng rãnh vít Một số giá trị bề cao rãnh vít như sau: