آشنایی با مراحل، مواد و بهینه سازی

برای تولید یک پروفیل UPVCبا کیفیت بالا 4 مرحله را بترتیب می توان نام برد که در ادامه به طور کامل مورد بحث قرار خواهد گرفت:

1- انتخاب مواد اصلی تشکیل دهنده: دانش انتخاب مواد لازم برای ترکیب با پلی وینیل کلراید برای بدست آوردن محصولی که نیازهای مورد نظر را برآورده نماید.

2- ترکیب کردن مواد: که شامل سنجش، اندازه گیری و ترکیب همه مواد برای بدست آوردن مخلوطی یک دست و هموژن است.

3- فرآیند اکستروژن و شکل دهی: تولید یک محصول کاربردی از یک فرآیند که شامل نرم کردن پودر ترکیب شده جامد تغذیه شده، شکل دهی این پلاستیک به وسیله قالب های مخصوص، خنک کردن شکل نهایی توسط قالب های کالیبره شده و حمام های آب سرد و میزهای کالیبراسیون است.

4- طراحی: استفاده از تکنولوژی های اکستروژن و ساخت برای تولید پنجره در مدل های گوناگون.

1. انتخاب مواد اصلی تشکیل دهنده:

پروفیل شامل مواد تشکیل دهنده مختلفی است. در حدود 85 درصد ماده تشکیل دهنده اصلی پلی وینیل کلراید است (شکل 1). پلی وینیل کلرید مورد استفاده برای تولید پروفیل عموماً از نوع سوسپانسیون (K value: 65-68)است که در حالت خالص آن پارامترهایی مانند دوام و مقاومت در برابر شرایط جوی که از فاکتورهای ضروری برای پروفیل های در و پنجره است را دارا نمی باشد. 

برای افزایش کارایی آن در محصول نهایی، عوامل و موادی که بتواند کارایی خاصی را به پروفیل بیافزاید را به PVCاضافه می کنند ( جدول زیر را مشاهده نمایید).

پایدار کننده‌های حرارتی:

اگر استابلایزر حرارتی وجود نداشته باشد، PVCدر تماس با دمای بالا و حرارت زیاد اکسترودر دو مارپیچه حتماً خواهد سوخت و حالتی زغالی به خود خواهد گرفت. با استفاده از مقادیر کافی پایدار کننده مناسب از تخریب ترکیب می توان جلوگیری کرد که این امر تضمین می کند که خواص کاربردی ترکیب به وسیله تغییرات گرمایی شدید در حین نرم شدن متاثر نخواهد گشت.

در سیستم پنجره به عنوان محصول نهایی که در آن از مقادیر کم یا نامرغوب استابلایزر حرارتی استفاده شده باشد بوسیله تابش اسعه خورشید تحت تاثیر قرار خواهد گرفت و روند تخریب و تغییر رنگ آن تسریع خواد گشت. در صورت عدم استفاده از استابلایزرهای مناسب، PVCمی خواهد از حالت جامد برگردد، حالت سخت به نرم، که از لحاظ ساختاری نامرغوب است. در نتیجه قابها (Sash)کج و تغییر شکل یافته و فریم ها با کارکرد نامطلوب خواهد بود. این نقصان توسط خرابی یا ناهمترازی قفل، حرکت های قاب ثابت، نقص در نگهدارنده شیشه و افزایش فضای نفوذ بین قاب و فریم نمایان می شود. برخی از شرکت های تولید کننده با اضافه کردن مقداری از دی اکسید تیتانیوم ارزان در ترکیب اولیه مواد خود می خواهند ثابت کنند که نور خورشید انعکاس بهتر و بیشتری پیدا خواهد کرد. این سناریو با این وجود به گچی شدن منجر می شود. گچی شدن زمانی رخ می دهد که TiO₂مانند یک باقیمانده پودری از پروفیل خارج شده و بر رویی سطح فریم یا قاب باقی خواهد ماند. عوامل جوی مانند باران و باد این پودر را خواهد شکست و بر روی نمای پنجره و ساختمان تشکیل لکه های بدنما خواهد کرد.

بر اساس فرمولاسیون های ارائه شده توسط Baerlocherو Trefflerمی توان از پایدار کننده های پایه سرب به میزان 5 phrو پایدار کننده های بر پایه کلسیم- روی به میزان 2.5-3.5 phrبه ازای 100 phr PVCاستفاده کرد. این مقدار برای پایدار کننده های حرارتی بر پایه قلع بین 1.2-1.6 phrگزارش شده است.

کدری و لکه گذاری شیمیایی گوگرد، محدودیت فنی برای استفاده از پایدار کننده های سربی هستند. در پروفیل‌هایی که از پایدار کننده های سربی استفاده می کنند کدری در محصول در مقایسه با محصولات مشابه با استابلایزر متفاوت، بیشتر است. سمیت آنها نیز برای کارگرانی که در تماس با آن هستند باعث افسردگی می شود. همچنین مقدار استفاده از پایدار کننده حرارتی پایه سرب در مقایسه با پایدار کننده های دیگر بیشتر است. پایدار کننده‌های بر پایه کلسیم- روی جایگزینی مناسب برای پایدار کننده های سربی هستند که هم سمیت کمتر و قیمت مناسب دارند و همچنین برای رسیدن به خواص مطلوب از مقدار کمتری در فرمولاسیون استفاده می شود. مشکل کدری در استابلایزرهایی که پایه سربی نیستند کمتر می‌باشد.

مواد اصلاح کننده ضربه:

UPVCاصلاح نشده در دمای محیط و پایین‌تر از آن مقاومت ضربه پایینی دارد.  با وارد کردن یک فاز لاستیک در داخل ماتریس پلیمر می توان مقاومت پروفیل را در برابر ضربه بهبود بخشید که این امر مستلزم پخش خوب این فاز در ماتریس و چسپندگی بین این دو فاز است. بدون استفاده از مواد اصلاح کننده ضربه، محصول نهایی (پنجره) بسیار شکننده خواهد بود. پنجره بدون مقدار کافی اصلاح کننده ضربه در ساختار خود بوسیله ضربات وسایل نصب (مانند دستگاه میخ زنی) آسیب خواهد دید یا بصورت ترک و شکستگی در برابر عوامل جویی مانند تگرگ خود را نشان خواهد داد.

انواع متفاوتی از اصلاح کننده‌های ضربه وجود دارند: پلی اتیلن کلردارشده (CPE)، کوپلیمر آکریلات پلی متیل آکریلات، ترپلیمر متاکریلات- بوتادی ان- استیرن (MBS)، آکرینیتریل- بوتادی ان- استیرن(ABS)و کوپلیمر اتیلن وینیل استات (EVA)که هر کدام می توانند به محصول خواص متفاوتی ببخشند. در این میان اصلاح کننده های ضربه اکریلاتی به علت تورم بعد از دای کم و چسپندگی با ماتریس و خواص مکانیکی خوبی که دارند بیشتر مورد توجه هستند. MBSو ABSبرای کاربردهای بیرون مناسب نیستند و بیشتر در ترکیبات شفاف کاربرد دارند. مقدار استفاده برای مواد اصلاح کننده ضربه بر پایه اکریلاتی بین 5-7 phrگزارش شده است.

پایدار کننده های UV

نور فرابنفش (UV)یک جزء طبیعی از نور خورشید است (شکل 2). این طول موج از نور باعث سوختگی و ایجاد تومر سیاه رنگ در اعماق پوست (نوعی از سرطان) می شود. همچنین این اشعه ها باعث تغییر رنگ و از بین رفتن آن در پارچه ها و الیاف که در وسایل منزل استفاده می شود و سایر وسایل خانه و ساختمان می شود.این اشعه ها همچنین باعث تغییر رنگ مواد تشکیل دهنده پروفیل در و پنجره می‌شود. برای به مینیمم رساندن اثر نور خورشید باید از پایدار کننده های نور UVدر فرمولاسیون استفاده کرد که این مواد از تغییر رنگ محصول در برابر نور خورشید برای مدت طولانی جلوگیری خواهد کرد.

سیستم پنجره که در آن از پایدار کننده نور UVاستفاده نشده باشد یک تغییر رنگ فاحش در مدت زمان کوتاهی که در معرض نور آفتاب قرار گیرد را شاهد خواهیم بود. پنجره‌های سفید، کدر می شوند که گاهی زرد و یا حتی قهوه ای سوخته نیز به نظر خواهند رسید. پروفیلهایی که به رنگ قهوه ای سوخته در آمده اند یک سطح کدر را نشان خواهند داد و در حقیقت تابش نور بر روی اینچنین سطحی بسیار ناخوشایند و بدنما خواهد بود. به علت قیمت بالای این جزء ترکیب بسیاری از تولید کنندگان از آن استفاده نمی‌کنند. در فرمولاسیون های ارائه شده استفاده از این جز بین 0-0.3 phr  گزارش شده است. 

دی اکسید تیتانیوم

دی اکسید تیتانیوم یک ترکیب معمول شیمیایی است که در بسیاری از محصولات که رنگ سفید براق مورد نیاز است استفاده می شود. بعلت اضافه شدن TiO₂به محصول رنگ پروفیل سفید خواهد بود. جدا از جنبه زیبایی شناسی، TiO₂نقش مهمی در کارکرد نهایی و عملی پنجره دارد. به علت رنگ براق آن اشعه های خورشید را منعکس می کند و مانع از تمرکز حرارت ناخواسته بر روی سطح خارجی و داخل و خارج chamberها می شود (شکل3). تجمع حرارتی پیوستگی ساختار پنجره را کاهش می دهد و باعث تخریب آن می شود. با این وجود مقدار مورد استفاده با توجه به شرایط کاربردی اقلیمی تعیین می شود و مقدار زیاد آن تغییرات ناخواسته زیادی را بوجود می آورد. فرمولاسیون های متفاوت مقدار 3-9 phrرا برای دی اکسید تیتانیوم پیشنهاد داده اند. استفاده از مقادیر مختلف دی اکسید تیتانیوم می تواند شدت سفیدی متفاوتی ایجاد کند.

دی اکسید تیتانیوم یک ترکیب معمول شیمیایی است که در بسیاری از محصولات که رنگ سفید براق مورد نیاز است استفاده می شود. بعلت اضافه شدن TiO₂به محصول رنگ پروفیل سفید خواهد بود. جدا از جنبه زیبایی شناسی، TiO₂نقش مهمی در کارکرد نهایی و عملی پنجره دارد. به علت رنگ براق آن اشعه های خورشید را منعکس می کند و مانع از تمرکز حرارت ناخواسته بر روی سطح خارجی و داخل و خارج chamberها می شود (شکل3). تجمع حرارتی پیوستگی ساختار پنجره را کاهش می دهد و باعث تخریب آن می شود. با این وجود مقدار مورد استفاده با توجه به شرایط کاربردی اقلیمی تعیین می شود و مقدار زیاد آن تغییرات ناخواسته زیادی را بوجود می آورد. فرمولاسیون های متفاوت مقدار 3-9 phrرا برای دی اکسید تیتانیوم پیشنهاد داده اند. استفاده از مقادیر مختلف دی اکسید تیتانیوم می تواند شدت سفیدی متفاوتی ایجاد کند.

روان کننده ها

روان کننده ها به عنوان کاهش دهنده اصطکاک بین سطح فلزی اکستروژن، قالب، کالیبراتور و پلیمر به کار می رود. این جزء جریان صاف و پیوسته را بدون چسپندگی به سطوح فلزی را برای پلیمر مهیا می سازد که باعث ایجاد یک سطح صاف و غیر کدر در محصول نهایی می شود. روان کننده ها به دو دسته روان کننده خارجی (کاهش اصطکاک بین PVCو سطوح فلزی) و روان کننده داخلی (کاهش اصطکاک درون پلیمر به منظور کاهش ویسکوزیته در حین فرآیند) تقسیم می شود. پارافین ها و واکسهای پلی اتیلنی از جمله این روان کننده‌ها هستند. بر طبق نسخه‌های ذکر شده مقدار 0.1 –1.2 phrاستفاده از روان کننده ها به عنوان مقدار بهینه توصیه شده است.

کمک فرآیندها

این جزء باعث بهبود خواص ذوب می‌گردد و  مورفولوژی مذاب ترکیب مورد تاثیر قرار خواهد داد ( برای مثال پایداری ترکیب زمانی که به حالت پلاستیک تغییر می کند). مقدار مناسب این جزء برای اطمینان از اینکه ذوب پلاستیک و خنک شدن در یک سرعت یکسان است، ضروری است زیرا باعث همگن شدن و بهبود استحکام مذاب می شود. بدون استفاده از کمک فرآیند یک ناپیوستگی در کیفیت یا در حین کاربرد بوجود می آید. استفاده از آن باعث افزایش شفافیت و براقیت پروفیل نیز می گردد. مقدار مورد نیاز کمک فرآیند در فرمولاسیون بین 0.5- 1.5 phrاست.

پرکننده

در PVCسخت استفاده از پرکننده محدود به افزایش چقرمگی که بوسیله قرار گرفتن ذرات در داخل زنجیرهای پلیمری است می شود و کاهش قیمت در درجه بعدی قرار دارد. کربنات کلسیم پوشش داده شده با اندازه ذرات کوچکتر از 100 نانومتر کاملاً مطلوب تشخیص داده شده است. پوشش دادن کربنات خیس شدن آن توسط پلیمر را افزایش می دهد که این باعث ایجاد چسپندگی بهتر و در نتیجه پیوستگی بیشتر مذاب و در نهایت خواص بالاتری خواهد بود. استفاده از کربنات بر روی براقیت محصول نهایی نیز تاثیر گذار خواهد بود بدین ترتیب که کربنات با اندازه ریزتر براقیت بیشتری ایجاد می کند. استفاده از مقدار 4-10 phrکربنات کلسیم در فرمولاسیون ها توصیه گشته است.

در نهایت باید ذکر کرد که نوع PVCمورد استفاده، نوع خام آن بود که سابقه مذاب نداشته باشد، بعبارتی از پودر پلی وینیل کلراید خام استفاده می شود.  تولید کنندگانی که از پروفیل بازیافتی که آن را بسیار ریز کرده اند برای تولید محصول استفاده می کنند این ریسک را می پذیرند که محصولی با کیفیتی پایین که پایداری، استحکام، مقاومت در برابر شرایط جوی و سطحی ناهموار دارد را تولید کنند. در شکل 4 نمایی از مطالب گفته شده در بالا را مرور خواهیم کرد:

در مطالب بالا برای تولید یک پروفیل UPVC با کیفیت بالا، اشاره به 4 مرحله متوالی شد و مرحله اول که شامل انتخاب مواد اصلی تشکیل دهنده بود، بطور کامل مورد بحث قرار گرفت. در بخش سعی می کنیم مراحل بعد را به طور کامل بررسی کنیم:

مرحله دوم) ترکیب کردن کامل مواد:

به زبان ساده می‌توان شبیه انچه برای دستور العمل پخت یک کیک وجود دارد که از اجزای گوناگون با مقادیر مختلف تشکیل شده است و باید با ضربات مختلف ان را به صورت کامل میکس کرد، اشاره کرد. منحرف شدن از شیوه ذکر شده در دستور العمل نتایج پیش بینی نشده ای مانند “خیلی شیرین شدن” و “خیلی خشک شدن” یا “مزه اش اصلا خوب نیست” را به دنبال دارد. ترکیب کردن پلی وینیل کلراید(PVC) با سایر مواد نیز حالتی مشابه با انچه گفته شد را دارد. مواد زیادی برای دستیابی به مشخصات کارکرد بهینه باید دقیق اندازه گیری شود و همچنین باید بطور کامل ترکیب شوند تا یک مخلوط یکدست برای تغذیه به اکسترودر بدست اید. بطور حتم اگر طبق دستورالعمل‌های کاربردی عمل نشود، پروفیل‌های بکار رفته در محصول نهایی (در و پنجره) از کیفیت و خواص خوبی برخوردار نخواهند بود. بسیاری از کمپانی‌های سازنده از نیروی انسانی به عنوان ابزار سنجش برایًترکیب و وزن کردن مواد استفاده می کنند که این روش مطمئنا عاری از اشتباه نخواهد بود. در شکل ۱ می‌توان نمای یک سیستم اتوماتیک ترکیب مواد UPVC را مشاهده کرد: 

با وجود این چنین سیستمی، مواد با دقت بالایی اندازه گیری می شود و هیچگونه تغییری در فرمولاسیون در یک روز نسبت به روز بعد وجود نخواهد داشت، لذا کیفیت همواره ثابت خواهد ماند. زمانی که مواد بطور دقیق اندازه گیری شد، هموژن و یکدست بودن مخلوط بدست امده بسیار ضروری خواهد بود. مخلوط کردن شامل یک میکس گرم تا دمای حدود 125 درجه و یک میکس عادی است که مواد در ان خنک می شوند و به ترتیب مواد این مراحل را خواهند گذراند. بدون دستیابی به یک ترکیب مناسب و یکدست، خواص ان در نواحی مختلف پروفیل متفاوت خواهد بود. این امر علاوه بر ایجاد دشواری های متعدد در پروسه فرایند (مانند پارگی، تغییر رنگ، سوختن و …)، بطور گسترده بر لولاهای سیستم پنجره تولید شده با Sashو فریم اثر خواهد گذاشت. وقتی محصول با نواحی داغ دستگاه جوشکاری تماس پیدا کند، پلاستیک در سرعت‌های مختلف شروع به ذوب شدن می کند ( شکل 2 را مشاهده فرمایید.)

وقتی که پروفیل‌های ذوب شده به ارامی به هم فشار داده می شوند، به طور مناسب به هم متصل نمی گردند. همچنین یک ترکیب ناهمگن باعث ایجاد تغییر رنگ و ماتی می‌شود زیرا پایدار کننده‌ها و رنگدانه‌ها به خوبی پخش نشده‌اند. در شکل 3 می توان نمایی از این اثر را مشاهده کرد: 

همچنین یک میکس نادرست از مواد اصلاح کننده ضربه ممکن است منجر به اثر معروف Spidering شود. در اینجا یک سری شکاف در سطح پروفیل بوجود می‌اید، درحالی که در لایه داخلی دیوار پروفیل این اثر وجود ندارد. این اثر را می‌توان به خواص چقرمگی مختلف بین سطح و لایه زیرین وینیلی ارتباط داد. این شکاف‌های سطحی شبیه گل و لای خشک شده در افتاب شدید هستند. (شکل 4 را مشاهده فرمایید).

استفاده از نرم‌افزارهای کامپیوتری در این مرحله بسیار مهم می‌باشد. کامپیوترها نه تنها حرکت انتقالی پره‌های میکسر را اندازه گیری می کنند، بلکه پروفایل های دمایی ایجاد شده در میکسر در اثر اصطکاک را اندازه گیری می کند. افزایش ناگهانی دما باعث می شود کامپاند مقداری از خواص خود را حتی قبل از ورود به خط اکستروژن از دست بدهد. همان‌گونه که از شکل۱ پیدا است بعد از بدست اوردن یک ترکیب همگون، مواد وارد سیلو می‌شوند و منتطر دستور برای ورود به اکسترودر خواهد‌ماند. همچنین این سیستم کاملا بسته است لذا ناخالصی‌ها امکان حضور در ان را ندارند.

مرحله سوم) فرایند و شکل دهی پروفیل 

اکسترودر دو مارپیچه: عبارت دو مارپیچه یک فرایند درونی را توصیف می کند که کامپاند را با نیروی زیاد از قالب و سیستم کالیبراسیون خارج می کند. اکسترودرهای دو مارپیچه از خیلی جهات به نوع تک مارپیچ ان برتری دارند. با استفاده از قیاس “میکس کیک”که در ابتدا ذکر شد، تصور کنید کیک را با یک میکسر الکتریکی درست کنیم که تنها یه پره دارد: چرخش تنها در یک جهت با حرکت جزئی مواد، زمان مورد نیاز برای یک فرایند درست بسیار بیشتر از زمان مشابه برای یک میکسر با دو پره است.

اکسترودر دو مارپیچ متداخل ناهمسوگرد را می توان با میکسر دو پره مقایسه کرد. سرعت تولید در اکسترودرهای دومارپیچه نسبت به نوع تک مارپیچه آن برای تولید این محصول در حدود۳برابر بیش‌تر است. لازم به ذکر است بیشتر کمپانی هایی که از مواد بازیافتی برای تولید پروفیل استفاده می کنند اکسترودر تک مارپیچه را بکار می گیرند. منظور از مواد بازیافتی استفاده از ضایعات پروفیل UPVC بعد از اکسترود شدن است که ان را بصورت پودر در اورده اند. شکل 5 نمایی از فرایند اکستروژن و کالیبراسیون را تا بدست اوردن پروفیل بطور کامل نشان می دهد.

 کالیبراسیون: عمل خنک کردن ترکیب وینیلی از حالت پلاستیک به حالت جامد دارای کارایی را کالیبراسیون یا تنظیم گویند. زمانی که پلاستیک از قالب یا دای خارج شد، سطح خارجی و حفرات داخلی باید به اندازه کافی خنک شوند تا شکل خود را در طول عمر کارکرد پنجره حفظ کند. این حفظ شکل را اصولا حافظه می نامند. اگر پروفیل بطور مناسب خنک نشود، دیواره های خارجی و داخلی ممکن است تاب بردارند یا خم شوند زمانی که بخواهند تا دمای محیط سرد شوند. این تغییر فرم‌ها ممکن است به همان اندازه که نقص در محصول نهایی ایجاد می کند، باعث ایجاد مشکلات زیادی در پروسه تولید گردد (شکل 6 را مشاهده فرمایید)

.

کالیبراتورها (شکل 7 را مشاهده نمایید) مجموعه ای از قالب‌های فلزی هستند که منتج به شکل نهایی پروفیل اکسترود شده می شود. به محض اینکه پلاستیک داغ از این قالب‌ها می گذرد، سوراخ های ریز مکش دیواره خارجی در برابر قسمت داخلی کالیبراتورها می کشد. این پروسه تضمین می کند که دیواره تاب بر نمی دارد و هیچ تغییر ابعاد ناخواسته‌ای نخواهیم داشت. 

در حالی که پروفیل با شکل تثبیت شده از میان این واحدها می گذرد، حمام ابی به سطح فلزی ان تزریق می شود تا حرارت را از سطح فلزی ان جذب کند. برای هر نوع پروفیل بین 6 تا 8 سیستم کالیبراسیون مورد نیاز است.