علت سوختگی PVC را در چه مواردی می توان جست و جو کرد؟ به طور کلی سوختگی PVC یکی از عیوب مهم و پرهزینه در فرآیند اکستروژن لوله است که خود را به شکل تغییر رنگ، لکه های قهوه ای و سیاه، رگه های تیره، بوی اسیدی، زبری سطح و حتی کاهش خواص مکانیکی لوله نشان می دهد. این مسئله معمولاً زمانی رخ می دهد که ترکیب PVC در اثر دمای بیش از حد، تنش برشی بالا، زمان ماند طولانی یا ضعف سیستم پایدارکننده حرارتی دچار تخریب شود. از آنجا که PVC  نسبت به حرارت حساس است، کنترل شرایط فرآیند در آن اهمیت بیشتری نسبت به بسیاری از پلیمرهای ترموپلاستیک دارد.

در اکستروژن لوله سوختگی فقط نتیجه بالا بودن دمای تنظیم شده دستگاه نیست. ممکن است دمای هیترها در محدوده معمول قرار داشته باشد، اما به دلیل اصطکاک زیاد، سرعت بالای مارپیچ، طراحی نامناسب پیچ، گرفتگی مسیر، تجمع مواد در نقاط مرده یا زمان ماند طولانی، دمای واقعی مذاب به اندازه ای افزایش پیدا کند که تخریب PVC آغاز شود. از این رو برای پیدا کردن علت سوختگی باید هم زمان فرمولاسیون، مواد اولیه، پیچ، سیلندر، دای و پارامترهای فرآیند بررسی شوند. این مقاله جامع به بررسی مفهوم سوختگی و علت سوختگی PVC در اکستروژن لوله در مواردی مجزا و کامل اختصاص یافته است.

سوختگی PVC در اکستروژن لوله به چه معناست؟

منظور از سوختگی PVC در اکستروژن، نوعی تخریب حرارتی یا Thermal Degradation است که در اثر قرار گرفتن PVC در شرایط حرارتی و مکانیکی نامناسب اتفاق می افتد. PVC در برابر حرارت حساس است و با شروع تخریب، واکنشی به نام دهیدروکلرینه شدن (Dehydrochlorination) رخ می دهد. در این واکنش HCl  یا هیدروژن کلرید از ساختار زنجیره PVC جدا می شود و در ادامه ساختارهای دارای پیوند دوگانه و پلی ان های مزدوج تشکیل می شوند. این تغییرات شیمیایی همان است که در آخر به تغییر رنگ و سیاه شدن PVC می انجامد.

مشکل مهم این است که HCl آزادشده تخریب بیشتر PVC را تسریع می کند؛ بنابراین تخریب حرارتی ماهیتی خود تقویت شونده دارد. به همین دلیل اگر مقدار کمی PVC تخریب شده در پیچ، سیلندر یا دای باقی بماند، ممکن است بعداً به صورت ذرات سیاه یا رگه های سوخته وارد لوله شود.  در بخش بعدی، یعنی بدنه اصلی مقاله به بررسی علت سوختگی PVC خواهیم پرداخت.

مهم ترین علت سوختگی PVC در اکستروژن لوله

مهم ترین انواع علت سوختگی PVC از این قبیل اند:

• کمبود یا نامناسب بودن استابلایزر حرارتی

استابلایزر حرارتی یکی از مهم ترین اجزای فرمولاسیون PVC است و وظیفه آن به تأخیر انداختن تخریب حرارتی و کنترل واکنش های مربوط به آزادشدن HCl است. اگر مقدار استابلایزر کمتر از نیاز فرمول باشد، نوع آن با شرایط فرآیند سازگار نباشد یا ظرفیت حرارتی آن برای زمان ماند و دمای واقعی دستگاه کافی نباشد، PVC  سریع تر زرد و سپس قهوه ای و سیاه می شود.

از این رو در هنگام مشاهده سوختگی نباید بلافاصله دستگاه را مقصر دانست. تغییر بچ مواد اولیه، کاهش مقدار استابلایزر، اختلاط نامناسب افزودنی ها یا استفاده از سیستم پایدارکننده نامتناسب نیز ممکن است علت اصلی باشد.

• بالا بودن دمای اکستروژن

یکی از واضح ترین علت های سوختگی  PVC، تنظیم بیش از حد دمای مناطق مختلف اکسترودر است. PVC  برای ژل شدن و رسیدن به میزان مناسب فیوژن به گرما نیاز دارد؛ اما افزایش بیش از اندازه دما سرعت تخریب حرارتی را به شدت افزایش می دهد. در چنین شرایطی ابتدا تغییر رنگ زرد یا کرم دیده می شود و با ادامه تخریب، رنگ محصول به قهوه ای و سپس سیاه تغییر می کند.

نکته مهم این است که دمای تنظیم شده روی کنترلر الزاماً برابر با دمای واقعی مذاب نیست. اصطکاک بین PVC و سطوح فلزی، اصطکاک داخلی ذرات و برش ایجادشده توسط پیچ گرمای اضافی تولید می کنند. بنابراین در عیب یابی سوختگی نباید تنها به عدد نمایش داده شده توسط کنترلر دما اکتفا کرد.

برای نمونه یکی از منابع صنعتی برای اکستروژن لوله PVC محدوده های تقریبی ۱۶۰ تا ۱۷۰ درجه سانتی گراد در ناحیه تغذیه، ۱۷۰ تا ۱۸۰ درجه در بخش تراکم و ۱۸۰ تا ۱۹۰ درجه در بخش همگن سازی را مطرح می کند؛ اما این اعداد را نباید به عنوان یک نسخه ثابت برای همه خطوط در نظر گرفت، زیرا دمای مناسب به فرمولاسیون، نوع رزین، طراحی پیچ و دستگاه وابسته است.

• افزایش بیش از حد سرعت پیچ و تنش برشی

سرعت بالای پیچ یکی دیگر از دلایل مهم سوختگی PVC است. افزایش سرعت، میزان برش واردشده به ماده را بالا می برد و در نتیجه گرمای اصطکاکی بیشتری در مذاب ایجاد می شود. در این حالت ممکن است دمای هیترها طبیعی باشد، اما دمای واقعی ماده در داخل اکسترودر افزایش پیدا کند.

به همین دلیل اگر با افزایش RPM پیچ، هم زمان گشتاور، فشار مذاب، تغییر رنگ یا ایجاد لکه های سیاه مشاهده شود، باید احتمال تولید بیش از حد گرمای برشی بررسی شود. منابع فنی نیز طراحی پیچ با Shear پایین و کنترل شده را برای PVC توصیه می کنند؛ زیرا برش بیش از حد ممکن است تخریب حرارتی ایجاد کند؛ در حالی که برش بسیار کم نیز باعث فیوژن ناقص می شود.

• زمان ماند طولانی PVC در اکسترودر

گاهی مشکل سوختگی حتی با وجود دمای مناسب اتفاق می افتد؛ زیرا PVC مدت زیادی داخل اکسترودر باقی می ماند. هرچه ماده برای مدت بیشتری در معرض حرارت و برش قرار بگیرد، مجموع انرژی حرارتی دریافت شده افزایش می یابد و احتمال تخریب بیشتر می شود.

نقاط مرده (Dead Zones) در سیلندر، پیچ یا دای یکی از عوامل مهم ایجاد زمان ماند طولانی هستند.PVC  در این نقاط جمع می شود، برای مدت طولانی حرارت می بیند و به تدریج تخریب می شود. سپس قطعات تخریب شده از محل خود جدا و به صورت لکه های سیاه یا قهوه ای وارد جریان مذاب می شوند.

جمع بندی

علت سوختگی PVC در اکستروژن لوله را نمی توان تنها به بالا بودن دما نسبت داد. سوختگی در اصل نتیجه برهم کنش چند عامل شامل دمای واقعی مذاب، زمان ماند، تنش برشی، سرعت پیچ، وضعیت روان کننده ها، عملکرد استابلایزر، طراحی پیچ و دای، نقاط مرده، کیفیت مواد اولیه و شرایط راه اندازی و توقف دستگاه است. تخریب حرارتی PVC با آزادشدن HCl و تشکیل ساختارهای پلی انی آغاز می شود و در صورت کنترل نشدن می تواند به تغییر رنگ، ایجاد لکه های سیاه، بوی اسیدی، زبری سطح و افت خواص مکانیکی منجر شود.