A napjainkban alkalmazott polimereket – legyenek azok természetesek vagy mesterségesek – gyakorlatilag sohasem használják fel önmagukban. Az alkalmazott segédanyagok bejuttatását és a kívánt tulajdonság eléréséhez nélkülözhetetlen homogenitást, keverő berendezések alkalmazásával érik el, így manapság ezek az eszközök nélkülözhetetlenek a műanyagipar számára. Jelen cikkemben röviden szeretném ismertetni a műanyagiparban leggyakrabban alkalmazott keverő berendezéseket és azok működését.
Az alkalmazott segédanyagokat a felhasznált mennyiség alapján két fő csoportba tudjuk sorolni; megkülönböztetünk adalékanyagokat és társító anyagokat. A polimerekben kis mennyiségben alkalmazott adalékanyagok leggyakrabban a polimer élettartamának növelését (stabilizátorok), feldolgozhatóságát (csúsztatók), speciális tulajdonsággal való felruházását (antisztatikumok, égésgátlók) vagy színét (színezékek) biztosítják. A másik nagy csoportba a polimerrel összemérhető mennyiségben alkalmazott társító anyagok tartoznak, melyek alkalmazása az egyes tulajdonságok javítását, napjainkban pedig leginkább az ár csökkentését szolgálják. A polimerekben alkalmazott adalék- és társító anyagokban egy viszont közös: bejuttatásukhoz és homogén eloszlatásukhoz speciális berendezésekre van szükség.
Mielőtt még belemélyednénk az alkalmazott eszközök ismertetésébe, két fontos, keveréssel kapcsolatos alapfogalmat tisztáznunk kell. Nézzük meg mi a különbség a diszperzív és a disztributív keverés között! Diszperzív keverés során a nagy, összetartó szemcsék mérete számottevően lecsökken (a nagy szemcsék kisebbekké esnek szét), míg a disztributív keverés az egyedi kisméretű szemcsék homogén eloszlatását teszi lehetővé. Belátható, hogy megfelelő minőségű termék előállításához mindkét keverési folyamatnak egy időben jelen kell lennie. Mivel ez a két keverési folyamat tökéletesen sohasem szeparálható, így ezt a feltételt gyakorlatilag minden keverésre alkalmas gép teljesíteni tudja, ám ezek egymáshoz való arányát az adott berendezés geometriája, és az így kialakuló nyírásviszonyok erőteljesen befolyásolják. Jó példa erre egy egyszerű egycsigás extruder, mely esetében a nagyobb menetemelkedésű csigával jobb diszperzív, míg kisebb menetemelkedésűekkel nagyobb mértékű disztributív keverést érhetünk el.
A keverésre alkalmazott berendezéseket két fő csoportra tudjuk bontani: a száraz (por) keverőkre, illetve az ömledék állapotban történő keverést biztosító berendezésekre. Az előbbi csoportba tartozó keverőket porok, granulátumok összekeverésére alkalmazzák (például nagyméretű szalagkeverők vagy silós keverők), de ebbe a csoportba tartoznak az egyik speciális polimer, a PVC keverésére alkalmas berendezések is. Ennek a polimernek a feldolgozását három fő lépcsőre bonthatjuk: első lépésben történik meg a polimer por adalékanyagokkal történő összekeverése, majd ezt követően ömledék állapotban történő feltárása, melyet egy utolsó, alakadási lépés követ. A PVC porok keverésére leggyakrabban úgynevezett fluidágyas, vagy más néven gyorskeverőket alkalmaznak. Elterjedésük kis helyigényüknek és könnyű automatizálhatóságuknak köszönhető.
Porok, granulátumok keverését szolgáló szalagkeverő
Működésük viszonylag egyszerű: a bekeverni kívánt PVC port és a hozzákeverni kívánt adalékanyagokat a dupla falú, megfelelő közeggel (olaj vagy víz) szabályozható hőmérsékletű keverőtérbe juttatjuk. A fedél zárását követően a keverőtér alján elhelyezkedő keverőlapátokat nagy sebességgel forgatni kezdjük, melynek hatására a por a fal mellett körbe és felfelé halad, majd középre érve a keverőtér aljára hullik. A szemcsék gyors mozgásából következő súrlódás miatt nagy mennyiségű hő disszipálódik, mely elősegíti az adalékanyagok megolvadását és szemcsékbe történő diffundálását. A folyamat általában 10-15 percig tart mely idő alatt a belső tér 100-120 °C hőmérsékletre melegszik fel. A megfelelő keverés nem csak az előállítani kívánt termék minőségét biztosítja, hanem a feltárási lépést is megkönnyíti. A keverés végén, az előkészített PVC port a keverőlapátok alacsony fordulatszámon történő járatása mellett a keverőtér alján található nyíláson keresztül távolítják el a berendezésből. Az iparban alkalmazott nagyméretű keverő berendezésekből kikerülő nagyobb mennyiségű forró PVC por nagyon hamar egy kezelhetetlen tömbbé állna össze, így ezeknél a keverőknél második lépésként egy lassú forgási sebességű hűtőkeverőt is alkalmaznak. Ennek segítségével az előállított port körülbelül 40 °C-ra hűtik vissza, majd továbbítják a feltárást végző berendezés felé.
Nagyméretű, kétlépcsős, ipari PVC keverő berendezések
Egy laboratóriumi PVC keverő rotorja (Henschel FM10C)
A műanyag és gumiiparban alkalmazott keverők másik nagy csoportját az ömledék állapotú keverést biztosító berendezések alkotják. Ezeket az eszközöket további két részre bonthatjuk, a szakaszos, illetve a folyamatos keverőkre. Az előbbi csoportba tartozik az úgynevezett hengerszék, melynek lelkét két egymással szemben, eltérő sebességgel forgó, fűthető henger alkotja. A két henger távolsága széles határok között változtatható. A berendezés működése során a homogenizálni kívánt anyagot a hengerszékre juttatjuk, ahol az a lassabban forgó hengeren (munkaoldal) egy palástot képez. A hengerek egymáshoz való közelítésével középen kialakul egy ömledék szakáll, melynek folyamatos örvénylése biztosítja a megfelelő keveredést. Eme eszköznek legnagyobb hátránya az automatizálásának nehézsége és nagy emberi erőforrás igénye. Napjainkban ezeket a berendezéseket főképp a gumiiparban találjuk meg, ám általában már nem keverésre, hanem az előre elkészített keverék további feldolgozásának elősegítésére alkalmazzák (csíkozás).
A gumiipar alapító berendezése: a hengerszék
A gumiipar másik, előszeretettel alkalmazott szakaszos keverő berendezése az úgynevezett Banbury vagy más néven belső keverő, ám a szakzsargonban ezeket az eszközöket leggyakrabban csak gyúrókamra névvel illetik. Ennél az eszköznél két, egymással szemben forgó, nyolcas alakú hengerben elhelyezkedő, speciális geometriával rendelkező rotor biztosítja a megfelelő keverést. A henger fűthető, egyes esetekben akár hűthető is, hogy a keverést állandó hőmérsékleten végezhessük. (A hűtés ebben az esetben a keverés során keletkező frikciós hő elvezetésére szolgál.) A belső keverőkben számos különböző geometriával rendelkező rotort alkalmaznak, hogy a lehető legnagyobb hatékonyságú homogenizálást érhessék el. A berendezésbe a beadagolás felülről, az ürítés kisebb gépek esetében a kamra bontásával, míg nagyobb méretű eszközöknél a kamra alján történik. A belső keverők a gumiiparból hamar átkerültek a műanyagiparba. Térhódításuk jó keverési hatékonyságuknak, és a megfelelő mértékű keverés kis méretekben történő megvalósíthatóságának köszönhető. Ennek az utóbbi jó tulajdonságnak leginkább az anyagfejlesztésnél, kutatási folyamatoknál van nagy jelentősége.
Kis méretű (laboratóriumi) belső keverő
Az eddig felsorolt berendezések egyik fő hátránya, hogy szakaszos működésűek. Ezen probléma kiküszöbölése érdekében a műanyagiparban számos folyamatos keverésre alkalmas berendezést fejlesztettek ki. Ha megvizsgálunk egy egyszerű egycsigás extrudert, akkor azt tapasztalhatjuk, hogy a csigaszárnyak között kialakuló forgó ömledékmozgás valamilyen mértékű homogenizációt létrehoz a feldolgozás során, viszont ez általában még nem elegendő a kívánt keverési hatékonyság eléréséhez. A homogenizálás növelése érdekében egyes esetekben az ömledékszállítási zónában található csigaszárnyakat átvágják, ezzel fokozva a garat felé történő visszaáramlást, és így előidézve a jobb keveredést. Másik lehetőségként egy korábbi cikkben már részletezett statikus vagy dinamikus keverőelemek beépítésével fokozzák a keveredést, melyekkel már jobb hatásfok érhető el. Mivel a kapott csigakonstrukciók keverési hatékonysága a bonyolultabb keverési feladatokra még mindig nem volt megfelelő, így a polimer keverékek és kompozitok előállítására újabb folyamatos berendezést kellett kifejleszteni. Ekkor hívták életre a kétcsigás extrudereket, melyeket a csigák egymáshoz viszonyított helyzete és forgásiránya alapján csoportosíthatunk. A keverési feladatokra általánosságban tökéletesen illeszkedő, ellentétes forgású csigákat alkalmaznak. A tökéletes illeszkedés egyik fő funkciója, hogy így a csigák egymást és a henger falát is folyamatosan tisztítják, így megakadályozva a holtterek kialakulását, az ebből következő anyagpangást és degradációt.
Kétcsigás extruder csigái. Középen egy rövid keverési szakasz található, melynek fő funkciója a keverési hatékonyság növelése.
A kétcsigás extruderek változatos keverési feladatokhoz való rugalmas alkalmazásának lehetőségét a moduláris kétcsigás extruderek megjelenése jelentette. Ezek hengere és maga a csiga is elemekből építhető fel. Ez teszi lehetővé, hogy a henger esetében változtathassuk a vákuumzóna vagy az esetleges plusz beadagolásnak a helyét, míg a csiga esetében a szállító-, keverő-, gyúró-, visszafordító- és nyíróelemek biztosítják a csiga feladatspecifikus felépítését. Ezeket az elemeket egy hosszú bordázott tengelyre fűzik fel, majd a csigát menetesen rögzíthető csigacsúccsal zárják le. A rugalmasságon, változtathatóságon kívül nagy előnye ezeknek a csigáknak, hogy a nagyobb koptatásnak kitett, ebből következően hamarabb amortizálódó elemek külön-külön cserélhetőek.
A moduláris csigák változatos elemei
A kétcsigás moduláris extruderek megjelenésével és alkalmazásával számos keverési feladatot egy csapásra megoldottnak tekinthettünk. Természetesen a keverő berendezések fejlődése ezeknek a moduláris extrudereknek a folyamatos térhódítása mellett sem állt meg, sőt számos egyéb, speciális eszköz megjelenéséhez vezettek. Az egyik ilyen, mára már szélesebb körben elterjedt, a Buss cég által kifejlesztett berendezés, az úgynevezett ko-knéter, melyek a kétcsigás extruderek keverési hatékonyságát is túlszárnyalják. A berendezés legfőbb érdekessége, hogy mindössze egy, különleges csigát tartalmaz, melynek csigaszárnyai számos helyen, 120 °-onként át vannak vágva. A csiga egy speciális hengerben helyezkedik el, melynek belső felületéről cserélhető tüskék lógnak be a csigatérbe. A csiga nem csak forgó, hanem kismértékű tengelyirányú mozgást is végez, így működés közben a hengerről lelógó tüskék mindig a csigaszárnyak átütésében csúsznak át. A berendezés szerkezeti bonyolultsága miatt a csiga eltávolítását, a tüskék helyének esetleges módosítását, vagy csak nagyobb mértékű tisztítási feladatokat a henger szétnyitásával valósíthatunk meg. A berendezés fontos hátránya, hogy eme speciális csiga önmagában nem alkalmazható, hisz a számos átütés és az előre-hátra való mozgás miatt nem alakul ki megfelelő nyomás a csiga végén. Ennek megoldására a berendezéshez minden esetben egy, a keverőcsigára merőleges másodcsigát, úgynevezett szállító csigát kapcsolnak.
Végül, de nem utolsó sorban meg kell említeni egy másik fontos speciális berendezést az úgynevezett bolygócsigás extrudert. Ennél az eszköznél a központi nagy átmérővel rendelkező csigát további általában 8, de akár 10-12-14 darab kisméretű csiga veszi körül. A kisméretű csigák kényszerkapcsolatban állnak mind a központi nagy csigával, mind pedig a henger falával. Eme speciális konstrukció miatt az ömledék nagy nyírásnak van kitéve, főképp a kis csigák között található résben. Ezeket a speciális berendezéseket előszeretettel alkalmazzák például a gyógyszeripar számára készülő, átlátszó PVC csomagolás előállítására.
A bolygócsigás extruderek belső szerkezeti felépítése
Rövid összefoglalómban láthattuk, hogy a műanyag- és gumiipar számára a keverési technológiák manapság gyakorlatilag már nélkülözhetetlenek. A fejlesztők az évek során számos szakaszos és folyamatos működésű berendezést hívtak életre annak érdekében, hogy a megfelelő alapanyag előállítását a lehető legnagyobb termelékenységgel tudjuk végezni. Nagyon fontos, hogy egy adott keverési feladathoz a megfelelő gép kiválasztása nem csak jobb minőségű alapanyaghoz, de végső soron gazdaságosabb előállításhoz is vezet.
Források:
Ica Manas-Zloczower: Mixing and Compounding of Polymers
Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János: A polimertechnika alapjai (2007)
Pukánszky Béla: Műanyagok feldolgozása (2012)
http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Images/MaterialsHandling/Mixers/rib-gen.JPG
http://www.sinbakplas.com/photo/sinbakplas/editor/20160319162113_33391.jpg
http://fedequip.com/core/media/media.nl?id=242511&c=1157836&h=917fe3714f9f9eefef04
http://www.deguma.com/files/maschinenfotos/1-435- 1.jpg
http://cache4.asset-cache.net/xd/160564395.jpg?v=1&c=IWSAsset&k=2&d=62CA815BFB1CE4808EBB88B3B36711ECD1DB44E5599D888A973E59482FEE61F3E6FC28F224D5E72D
http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/20400- 6866661.jpg
http://i01.i.aliimg.com/img/pb/989/412/265/1283483241322_hz-fileserver3_3047893.jpg
http://www.internalmixers.com/test/internalmixers.com/photo/pl5401753-remark.jpg