Wytłaczarki laboratoryjne

Wytłaczarki laboratoryjne SiTech3D są przeznaczone do badań materiałowych, rozwoju formulacji, optymalizacji procesu oraz przygotowania technologii do dalszego skalowania. Ich zadaniem nie jest jedynie przetworzenie niewielkiej ilości surowca, lecz umożliwienie kontrolowanego eksperymentu, w którym można powiązać właściwości materiału, konfigurację urządzenia i parametry procesu z zachowaniem stopu oraz właściwościami produktu.

Dobór urządzenia powinien wynikać przede wszystkim z funkcji procesu. Wytłaczarki jednoślimakowe są szczególnie użyteczne przy stabilnym podawaniu, topieniu, homogenizacji i formowaniu materiału. Wytłaczarki dwuślimakowe zapewniają większą swobodę konfigurowania kolejnych operacji, takich jak dozowanie składników, mieszanie, compounding i odgazowanie.

Poniżej można wybrać grupę urządzeń według rodzaju procesu i materiału. W dalszej części wyjaśniamy, jak dobrać skalę, typ wytłaczarki, wyposażenie oraz zakres pomiarów do planowanych badań.

Jak dobrać wytłaczarkę laboratoryjną do procesu?

Dobór urządzenia warto rozpocząć od określenia, co ma wydarzyć się z materiałem podczas przejścia przez wytłaczarkę. Średnica ślimaka, długość robocza, zakres prędkości obrotowej, moment napędu i wydajność są ważnymi parametrami technicznymi, ale powinny wynikać z zadania technologicznego, rodzaju materiału oraz celu badań.

Innej konfiguracji wymaga stabilne uplastycznianie gotowego granulatu, innej przygotowanie wieloskładnikowego compoundu, a jeszcze innej badanie niewielkiej próbki nowego materiału lub przygotowanie procesu do skali pilotażowej.

Miniaturowa, laboratoryjna czy pilotażowa?

Określenie „wytłaczarka laboratoryjna” obejmuje urządzenia pracujące w różnych skalach. Wielkość układu powinna wynikać z ilości dostępnego materiału, charakteru eksperymentu, oczekiwanej wydajności oraz planowanego dalszego rozwoju technologii. Najmniejsza maszyna nie jest automatycznie najlepszym urządzeniem do każdego laboratorium.

Wytłaczarki miniaturowe są szczególnie przydatne wtedy, gdy materiał jest kosztowny, trudno dostępny albo znajduje się na wczesnym etapie rozwoju. Pozwalają ograniczyć zużycie surowca i zwiększyć liczbę możliwych eksperymentów.

Wytłaczarki laboratoryjne zapewniają szerszy zakres zmian konfiguracji procesu, możliwość współpracy z dodatkowym wyposażeniem oraz prowadzenie badań przy nadal stosunkowo niewielkim zużyciu materiału.

Stanowiska pilotażowe pozwalają zwiększyć strumień materiału i badać zachowanie procesu bliżej warunków przyszłej instalacji produkcyjnej.

Przejście pomiędzy skalami nie polega na prostym zwiększeniu średnicy ślimaka, prędkości obrotowej i wydajności. Właściwy scale-up wymaga ustalenia, które parametry odpowiadają za stan materiału i właściwości produktu.

Wytłaczarki jedno- i dwuślimakowe SiTech3D

LE-1S – laboratoryjne wytłaczarki jednoślimakowe

Rodzina LE-1S jest przeznaczona do procesów, w których istotne są stabilne podawanie materiału, jego topienie, transport, homogenizacja oraz przygotowanie powtarzalnego strumienia stopu do dalszego formowania.

Odpowiednio dobrana geometria ślimaka pozwala jednocześnie realizować zadania związane z mieszaniem, budowaniem ciśnienia i przygotowaniem materiału do przepływu przez głowicę. Układu jednoślimakowego nie należy więc sprowadzać wyłącznie do prostego transportu polimeru.

W badaniach można analizować między innymi wpływ geometrii ślimaka, długości L/D, profilu temperatury, prędkości obrotowej, wydajności, sposobu zasilania i oporu głowicy na przebieg topienia, temperaturę stopu, ciśnienie oraz stabilność procesu.

LE-2CC – laboratoryjne wytłaczarki dwuślimakowe

Rodzina LE-2CC jest przeznaczona do procesów, w których wymagane jest świadome kształtowanie kolejnych operacji technologicznych wzdłuż długości roboczej urządzenia.

Konfiguracja elementów roboczych pozwala budować kolejne strefy transportu, topienia, mieszania dystrybucyjnego, mieszania dyspersyjnego, dozowania dodatkowych składników, zwilżania napełniaczy, odgazowania oraz homogenizacji compoundu.

W pracach R&D szczególną wartość ma możliwość analizowania wpływu konfiguracji ślimaków na historię termomechaniczną materiału. Dzięki temu badanie może dotyczyć nie tylko nastaw urządzenia, ale również sposobu, w jaki energia i naprężenia są wprowadzane do materiału w kolejnych strefach procesu.

Jednoślimakowa czy dwuślimakowa?

Wybór nie powinien wynikać wyłącznie z rodzaju polimeru. Kluczowe jest określenie operacji technologicznych, które mają zostać wykonane podczas przejścia materiału przez układ uplastyczniający.

Szczegółowe kryteria wyboru urządzenia opisujemy w artykule Jak dobrać wytłaczarkę do materiału, procesu i skali produkcji?.

Dobór według materiału i zadania technologicznego

Termoplasty i mieszaniny polimerowe

Wytłaczarki laboratoryjne mogą być wykorzystywane do oceny przetwarzalności gotowych gatunków tworzyw, opracowywania parametrów uplastyczniania, przygotowywania próbek oraz badania zależności pomiędzy właściwościami materiału i warunkami procesu.

W przypadku mieszanin polimerowych znaczenie ma nie tylko uzyskanie jednorodnego strumienia, ale również sposób kształtowania morfologii układu oraz warunki prowadzące do określonego rozproszenia i stabilizacji faz.

Kompozyty i materiały wysoko napełnione

W procesach kompozytowych należy analizować całą formulację. Znaczenie mają rodzaj i udział napełniacza, geometria cząstek lub włókien, gęstość nasypowa, podatność na aglomerację, warunki zwilżania przez stop oraz odporność składników na ścinanie.

W przypadku włókien miejsce dozowania i konfiguracja dalszej części układu mogą wpływać na ich długość pozostającą w końcowym materiale. Dla proszków i napełniaczy mineralnych istotne są między innymi warunki podawania, zwilżania oraz wymagany poziom dyspersji.

Polimery wysokotemperaturowe

Przetwórstwo polimerów wysokotemperaturowych wymaga odpowiedniego zakresu temperatur, stabilnej kontroli cieplnej i materiałów konstrukcyjnych dostosowanych do warunków procesu. Równie ważne jest kontrolowanie czasu przebywania oraz rzeczywistej historii cieplnej materiału.

Temperatura zadana dla stref cylindra nie jest automatycznie temperaturą stopu. Zależność tę opisujemy szerzej w artykule Kontrola temperatury stopu w wytłaczarkach dwuślimakowych.

Wytłaczanie żywności

W procesach spożywczych wytłaczanie może jednocześnie realizować transport, mieszanie, obróbkę cieplną i mechaniczną oraz formowanie produktu. Na wynik wpływają między innymi temperatura, wilgotność, intensywność oddziaływania mechanicznego oraz czas przebywania.

Do takich zastosowań przeznaczone są wytłaczarki jednoślimakowe do żywności oraz wytłaczarki dwuślimakowe do żywności.

Guma i silikon

Materiały elastomerowe wymagają uwzględnienia wysokiej lepkości, wrażliwości na temperaturę i historię mechaniczną oraz właściwego sposobu generowania ciśnienia i transportu. Dla takich zastosowań rozwijana jest grupa wytłaczarek laboratoryjnych do gumy i silikonu.

Mieszanie dystrybucyjne i dyspersyjne

W compoundingu samo określenie „mieszanie” jest niewystarczające. Mieszanie dystrybucyjne odpowiada przede wszystkim za równomierne rozmieszczenie składników w objętości materiału. Mieszanie dyspersyjne wymaga natomiast odpowiednich naprężeń działających na aglomeraty, krople lub inne struktury i może prowadzić do ich rozdrobnienia.

Wymagany udział obu mechanizmów zależy od polimeru, rodzaju dodatku, jego udziału oraz oczekiwanej struktury końcowego materiału. Z tego powodu konfiguracja układu nie powinna wynikać wyłącznie z oczekiwanej wydajności.

Konfiguracja procesu: dozowanie, podawanie boczne i odgazowanie

Stanowisko laboratoryjne powinno umożliwiać odtworzenie operacji istotnych dla badanego procesu. W zależności od zadania może to obejmować dozowanie kilku komponentów, wprowadzanie składnika w dalszej części układu oraz usuwanie powietrza, wilgoci, rozpuszczalników lub innych substancji lotnych.

Podajniki boczne pozwalają wprowadzać wybrane składniki po wcześniejszym uplastycznieniu matrycy. Ma to znaczenie między innymi dla proszków, napełniaczy i włókien, dla których czas ekspozycji na temperaturę lub intensywne ścinanie powinien być kontrolowany.

W przypadku włókien miejsce dozowania oraz konfiguracja dalszej części układu mogą wpływać na stopień ich skracania. Materiały o małej gęstości nasypowej lub trudnych właściwościach przepływowych mogą natomiast wymagać odpowiednio zaprojektowanego sposobu podawania.

Skuteczność odgazowania nie zależy wyłącznie od poziomu podciśnienia. Znaczenie mają także stan materiału w strefie odpowietrzania, stopień wypełnienia kanałów, lepkość stopu, powierzchnia dostępna dla transportu składników lotnych, czas przebywania oraz położenie stref mieszających.

Wytłaczarka laboratoryjna powinna dostarczać danych, a nie tylko produktu

W pracach badawczo-rozwojowych ważny jest nie tylko wynik końcowy, lecz możliwość wyjaśnienia, dlaczego materiał zachował się w określony sposób. Dlatego wartościowe stanowisko laboratoryjne powinno umożliwiać obserwację i rejestrację parametrów istotnych dla badanego procesu.

W zależności od konfiguracji mogą to być między innymi:

• temperatury poszczególnych stref cylindra,
• temperatura stopu,
• prędkość obrotowa ślimaka lub ślimaków,
• moment obrotowy i obciążenie napędu,
• ciśnienie stopu w wybranych punktach układu,
• wydajność masowa,
• strumienie dozowanych składników,
• parametry odgazowania,
• zużycie energii, jeżeli jest objęte pomiarem.

Interpretacja kilku sygnałów jednocześnie pomaga odróżnić zmianę zachowania materiału od problemu wynikającego na przykład z dozowania, temperatury, oporu głowicy lub innych elementów instalacji.

Szersze podejście do monitorowania procesu przedstawiamy w artykule Technologie czujników do monitorowania procesów w wytłaczaniu polimerów.

Reologia pomaga zrozumieć zachowanie stopu

Właściwości reologiczne materiału wpływają na transport stopu, spadki ciśnienia, warunki mieszania, obciążenie napędu oraz przepływ przez głowicę. Lepkość stopionego polimeru nie jest jedną stałą wartością, lecz zależy między innymi od temperatury i szybkości deformacji.

Sama wytłaczarka laboratoryjna nie jest jednak automatycznie reometrem. Moment, ciśnienie, temperatura i wydajność dostarczają informacji o zachowaniu materiału w rzeczywistym procesie, natomiast ilościowe badania reologiczne wymagają zdefiniowanej geometrii i warunków pomiaru.

Podstawy zależności pomiędzy lepkością, szybkością ścinania, lepkosprężystością i strukturą polimeru opisujemy w artykule Ciecze nienewtonowskie i reologia polimerów.

Od laboratorium do skali pilotażowej i przemysłowej

Scale-up procesu wytłaczania nie polega na mechanicznym zwiększeniu średnicy ślimaka, prędkości obrotowej i wydajności. Zmiana skali wpływa jednocześnie na topienie, transport materiału, wymianę ciepła, poziom ścinania, generowanie ciśnienia, czas przebywania, stopień wypełnienia i charakter mieszania.

W zależności od badanego procesu znaczenie mogą mieć między innymi:

• wydajność w odniesieniu do geometrii układu,
• jednostkowa energia mechaniczna,
• rzeczywista temperatura stopu,
• intensywność oddziaływania mechanicznego,
• czas i rozkład czasu przebywania,
• stopień wypełnienia,
• charakter mieszania dystrybucyjnego i dyspersyjnego.

Nie wszystkie parametry można zachować jednocześnie. Dlatego celem dobrze zaprojektowanych badań laboratoryjnych jest najpierw ustalenie, które wielkości odpowiadają za właściwości badanego materiału i produktu, a następnie określenie kryteriów ich przeniesienia na większą instalację.

Szerzej zagadnienie doboru urządzenia i skali omawiamy w artykule Jak dobrać wytłaczarkę do materiału, procesu i skali produkcji?.

Jak przygotować dane do doboru wytłaczarki laboratoryjnej?

Dobór urządzenia jest znacznie dokładniejszy, jeżeli punktem wyjścia jest materiał i planowany proces, a nie wyłącznie oczekiwana średnica ślimaka.

Na tej podstawie można świadomie dobierać typ układu uplastyczniającego, średnicę i geometrię ślimaka, długość L/D, zakres momentu i prędkości obrotowej, liczbę stref temperaturowych, sposób dozowania, odgazowanie oraz wyposażenie pomiarowe.

Nie zawsze wystarcza sama wytłaczarka

W wielu projektach badawczych wytłaczarka jest jednym z elementów większego stanowiska. W zależności od procesu może współpracować z dozownikami, podajnikiem bocznym, pompą stopu, filtrem, głowicą, systemem chłodzenia, urządzeniami odbierającymi, granulatorem, nawijarką lub aparaturą pomiarową.

Dlatego przy bardziej złożonych projektach warto rozpatrywać cały ciąg technologiczny, a nie tylko pojedynczą maszynę. Przykładowe konfiguracje przedstawiamy w kategorii laboratoryjne linie z wytłaczarkami jedno- i dwuślimakowymi.

FAQ – wytłaczarki laboratoryjne

Jak dobrać wytłaczarkę laboratoryjną?

Najpierw należy określić materiał, cel procesu, dostępną ilość surowca, wymagane operacje technologiczne, planowaną wydajność oraz zakres danych potrzebnych podczas badań. Dopiero na tej podstawie dobiera się typ wytłaczarki, średnicę, geometrię ślimaka, napęd i wyposażenie dodatkowe.

Kiedy wybrać wytłaczarkę jednoślimakową?

Przede wszystkim wtedy, gdy najważniejsze są stabilne podawanie, topienie, homogenizacja, transport stopu i formowanie materiału. Odpowiednio zaprojektowany ślimak może również realizować określone zadania mieszające.

Kiedy wybrać wytłaczarkę dwuślimakową?

Gdy proces obejmuje wiele operacji, takich jak compounding, wieloetapowe dozowanie, intensywne mieszanie, dyspersja dodatków, odgazowanie lub przygotowanie formulacji wieloskładnikowych.

Czy najmniejsza wytłaczarka jest zawsze najlepsza do badań?

Nie. Mała skala ogranicza zużycie materiału, ale urządzenie musi umożliwiać odtworzenie zjawisk istotnych dla badanego procesu. Wielkość układu należy dobrać do celu eksperymentu, ilości dostępnego surowca i planowanej dalszej skali technologii.

Czy wyniki z laboratorium można skalować do warunków przemysłowych?

Tak, ale nie przez proste przeliczenie średnicy ślimaka, prędkości obrotowej lub wydajności. Należy ustalić, które parametry procesu odpowiadają za właściwości produktu i jak zmieniają się wraz ze skalą urządzenia.

Czy wytłaczarka laboratoryjna może służyć do badań reologicznych?

Może stanowić część stanowiska badawczego i dostarczać wartościowych danych o zachowaniu materiału podczas rzeczywistego procesu. Sama wytłaczarka nie zastępuje jednak reometru, ponieważ ilościowe badania reologiczne wymagają zdefiniowanej geometrii i warunków pomiaru.

Jakie dane procesowe warto rejestrować?

Zależy to od programu badań, ale szczególnie wartościowe są temperatura stopu, ciśnienie, moment obrotowy, prędkość ślimaka, wydajność oraz rzeczywiste strumienie dozowanych składników. W bardziej zaawansowanych stanowiskach można analizować także zużycie energii, parametry odgazowania i wielkości pochodne.

Od materiału do konfiguracji stanowiska

Wartość wytłaczarki laboratoryjnej nie wynika z maksymalnej liczby dostępnych funkcji, lecz z tego, czy geometria, napęd, wyposażenie i zakres pomiarów odpowiadają rzeczywistemu problemowi technologicznemu.

Dlatego dobór stanowiska powinien przebiegać w kolejności:

materiał i formulacja → cel procesu → wymagane operacje → skala badań → konfiguracja urządzenia → pomiary → kryteria dalszego skalowania

Takie podejście pozwala wykorzystać stanowisko nie tylko do wykonania pojedynczej próby, ale do budowania wiedzy potrzebnej do rozwoju materiału, procesu i późniejszej technologii produkcyjnej.