Wytłaczarki laboratoryjne

Wytłaczarki laboratoryjne do tworzyw sztucznych są narzędziami badawczo-rozwojowymi służącymi nie tylko do przetwarzania niewielkich ilości materiału, lecz przede wszystkim do poznania jego zachowania w kontrolowanych warunkach procesu. Umożliwiają opracowywanie formulacji, ocenę przetwarzalności, wyznaczanie okna procesowego oraz pozyskiwanie danych potrzebnych do przenoszenia technologii z laboratorium do skali pilotażowej i przemysłowej.

W zależności od wymaganych funkcji technologicznych stosuje się wytłaczarki jednoślimakowe lub wytłaczarki dwuślimakowe. Układy jednoślimakowe są szczególnie przydatne do kontrolowanego podawania, uplastyczniania, homogenizacji i formowania stopu. Układy dwuślimakowe zapewniają większą swobodę konfigurowania kolejnych operacji procesu, takich jak topienie, dozowanie składników, mieszanie, compounding i odgazowanie.

Oferta SiTech3D obejmuje rozwiązania do przetwórstwa tworzyw sztucznych, żywności, gumy i silikonu oraz wyposażenie procesowe, w tym podajniki boczne. Dobór urządzenia powinien wynikać z właściwości materiału, funkcji procesu, wymaganej historii termomechanicznej oraz zakresu danych, które mają zostać uzyskane podczas badań.

Wytłaczarka laboratoryjna jako narzędzie rozwoju materiału i procesu

Wytłaczarka laboratoryjna nie powinna być traktowana wyłącznie jako pomniejszona wersja urządzenia produkcyjnego. Jej podstawową rolą jest umożliwienie prowadzenia kontrolowanych eksperymentów, w których można powiązać właściwości materiału, konfigurację układu uplastyczniającego i parametry procesu z zachowaniem stopu oraz właściwościami otrzymanego produktu.

W praktyce oznacza to możliwość przejścia od pojedynczej próby technologicznej do wyznaczania okna procesowego – zakresu warunków, w których materiał jest prawidłowo podawany, uplastyczniany, mieszany i formowany bez nadmiernej degradacji, niestabilności przepływu lub utraty wymaganych właściwości.

Tak prowadzone badania pozwalają analizować zależność:

materiał i formulacja → konfiguracja urządzenia → historia termomechaniczna → stan stopu → właściwości produktu.

Mała skala ogranicza zużycie surowca i ułatwia wykonywanie kolejnych eksperymentów. Ma to szczególne znaczenie podczas badań nowych polimerów, kosztownych dodatków, materiałów wysoko napełnionych, kompozytów oraz formulacji dostępnych początkowo w niewielkich ilościach. Sama miniaturyzacja urządzenia nie jest jednak celem. Stanowisko laboratoryjne powinno przede wszystkim umożliwiać kontrolowanie i dokumentowanie tych zjawisk procesowych, które będą istotne podczas dalszego rozwoju technologii.

Wytłaczarki laboratoryjne znajdują zastosowanie między innymi w badaniach:

• termoplastów i mieszanin polimerowych,
• polimerów wysokotemperaturowych,
• kompozytów i nanokompozytów,
• biopolimerów,
• masterbatchy i koncentratów dodatków,
• materiałów wysoko napełnionych,
• formulacji spożywczych,
• mieszanek gumowych i silikonowych.

W zależności od konfiguracji stanowisko może być wykorzystywane do oceny przetwarzalności materiału, opracowywania receptur, analizy wpływu temperatury i ścinania, przygotowywania próbek do dalszych badań, określania stabilności procesu oraz wyznaczania parametrów potrzebnych do późniejszego skalowania technologii.

Jedno- czy dwuślimakowa – dobór według funkcji procesu

Wybór pomiędzy wytłaczarką jednoślimakową i dwuślimakową nie powinien wynikać wyłącznie z rodzaju polimeru. Kluczowe jest określenie operacji technologicznych, które muszą zostać wykonane na materiale podczas przejścia przez układ uplastyczniający.

Innej konfiguracji wymaga stabilne uplastycznianie gotowego granulatu, a innej przygotowanie wieloskładnikowego compoundu zawierającego pigmenty, napełniacze mineralne, włókna, modyfikatory lub inne dodatki funkcjonalne.

Wytłaczarki jednoślimakowe

Wytłaczarki jednoślimakowe są szczególnie przydatne w procesach, w których najważniejsze są stabilne podawanie materiału, jego topienie, transport, homogenizacja i wytworzenie powtarzalnego strumienia stopu.

Odpowiednio zaprojektowana geometria ślimaka może jednocześnie realizować określone zadania związane z mieszaniem, budowaniem ciśnienia oraz przygotowaniem stopu do dalszego formowania. Układu jednoślimakowego nie należy więc sprowadzać wyłącznie do prostego transportu polimeru.

W pracach laboratoryjnych można analizować między innymi wpływ:

• geometrii ślimaka,
• długości L/D,
• profilu temperatury cylindra,
• prędkości obrotowej ślimaka,
• wydajności masowej,
• stanu i sposobu podawania surowca,
• warunków generowania ciśnienia,
• geometrii głowicy i oporów przepływu

na przebieg topienia, temperaturę stopu, stabilność ciśnienia i wydajności oraz właściwości wytłaczanego materiału.

Wytłaczarki jednoślimakowe są szczególnie użyteczne w badaniach termoplastów i innych materiałów, które nie wymagają intensywnego compoundingu wieloskładnikowego. Mogą służyć do opracowywania parametrów uplastyczniania, przygotowywania próbek, badań porównawczych oraz odtwarzania wybranych warunków procesowych istotnych dla technologii wykorzystujących przemysłowe układy jednoślimakowe.

Wytłaczarki dwuślimakowe

Wytłaczarki dwuślimakowe są szczególnie przydatne wtedy, gdy proces wymaga świadomego połączenia kilku operacji technologicznych wzdłuż długości roboczej urządzenia.

Odpowiednia konfiguracja elementów roboczych może tworzyć kolejne strefy:

• podawania i transportu materiału,
• topienia polimeru,
• mieszania dystrybucyjnego,
• mieszania dyspersyjnego,
• wprowadzania kolejnych składników,
• zwilżania napełniaczy,
• odpowietrzania i odgazowania,
• homogenizacji compoundu,
• transportu i przygotowania materiału do dalszego formowania.

W compoundingu należy rozróżnić dwa podstawowe mechanizmy mieszania. Mieszanie dystrybucyjne służy przede wszystkim do równomiernego rozmieszczenia składników w objętości materiału. Mieszanie dyspersyjne wymaga natomiast odpowiednich naprężeń działających na materiał i może prowadzić do rozbijania aglomeratów lub większych struktur obecnych w formulacji.

Wymagany udział obu mechanizmów zależy od rodzaju polimeru, właściwości dodatku, udziału poszczególnych komponentów i oczekiwanej struktury końcowego materiału. Dlatego konfiguracja ślimaków powinna wynikać z zadania technologicznego, a nie wyłącznie z oczekiwanej wydajności urządzenia.

Mniejsze układy dwuślimakowe pozwalają prowadzić eksperymenty przy niewielkim zużyciu surowca i częstych zmianach formulacji. Większe konfiguracje laboratoryjne umożliwiają pracę przy większych strumieniach materiału i obciążeniach procesowych, co w odpowiednio zaprojektowanym programie badań może wspierać przygotowanie technologii do przejścia do skali pilotażowej i przemysłowej. Wiarygodność takiego skalowania zależy jednak od zachowania właściwych kryteriów podobieństwa procesu, a nie wyłącznie od wielkości urządzenia.

Dobór wytłaczarki do rodzaju materiału

Tworzywa sztuczne i mieszaniny polimerowe

W obszarze tworzyw sztucznych wytłaczarki laboratoryjne są wykorzystywane do badań nad przetwórstwem polimerów, modyfikacją formulacji, przygotowywaniem próbek oraz określaniem zależności pomiędzy właściwościami materiału i warunkami procesu.

Badania mogą obejmować zarówno gotowe granulaty, jak i układy wieloskładnikowe, w których właściwości końcowego materiału zależą od jakości dozowania, topienia, mieszania i homogenizacji.

Kompozyty i materiały napełnione

W przypadku kompozytów konfiguracja procesu powinna uwzględniać nie tylko polimer bazowy, ale całą formulację. Znaczenie mają między innymi rodzaj napełniacza, jego udział, geometria cząstek lub włókien, gęstość nasypowa, podatność na aglomerację oraz wrażliwość na ścinanie.

Dla proszków i drobnych napełniaczy szczególnie ważne mogą być warunki zwilżania przez stopiony polimer oraz uzyskanie wymaganej dystrybucji i dyspersji. W przypadku materiałów wzmacnianych włóknami konfiguracja elementów roboczych i miejsce dozowania mogą dodatkowo wpływać na długość włókien pozostających w gotowym compoundzie.

Polimery wysokotemperaturowe

Przetwórstwo polimerów wysokotemperaturowych wymaga odpowiedniego zakresu temperatur pracy, stabilnej kontroli cieplnej oraz materiałów konstrukcyjnych dostosowanych do warunków procesu. Istotne jest również ograniczenie niekontrolowanego czasu przebywania materiału w wysokiej temperaturze, szczególnie w przypadku polimerów podatnych na degradację termiczną.

W badaniach laboratoryjnych ważna jest dlatego nie tylko możliwość osiągnięcia wymaganej temperatury, ale również kontrolowanie rzeczywistej historii cieplnej materiału podczas całego procesu.

Wytłaczanie żywności

W zastosowaniach spożywczych proces wytłaczania może łączyć transport, mieszanie, obróbkę cieplną i mechaniczną oraz formowanie produktu. Na wynik procesu wpływają między innymi temperatura, wilgotność, intensywność ścinania oraz czas przebywania materiału.

W zależności od zastosowania wykorzystywane są zarówno wytłaczarki jednoślimakowe do żywności, jak i wytłaczarki dwuślimakowe do żywności. Stanowiska laboratoryjne pozwalają analizować wpływ parametrów procesu na strukturę, teksturę i właściwości produktu końcowego.

Guma i silikon

W przypadku wytłaczarek laboratoryjnych do gumy i silikonu konstrukcja układu powinna uwzględniać wysoką lepkość materiału, jego charakterystykę reologiczną oraz wrażliwość na temperaturę i historię mechaniczną.

Znaczenie mogą mieć również udział i rodzaj napełniaczy, generowanie ciepła w wyniku pracy mechanicznej oraz konieczność ograniczenia niepożądanej historii termicznej. Celem badań jest więc nie tylko uzyskanie określonego kształtu produktu, lecz przede wszystkim poznanie warunków, w których materiał może być stabilnie i powtarzalnie przetwarzany.

Podajniki boczne – znaczenie miejsca wprowadzenia składnika

Podajnik boczny nie jest wyłącznie dodatkowym punktem zasilania wytłaczarki. W procesach compoundingu miejsce wprowadzenia składnika może wpływać na jego czas przebywania, historię cieplną i mechaniczną oraz warunki kontaktu z polimerem.

Wprowadzanie wybranych napełniaczy, proszków lub włókien w dalszej części układu może być korzystne wtedy, gdy wymagane jest wcześniejsze uplastycznienie matrycy albo ograniczenie czasu działania wysokiej temperatury i intensywnego ścinania na dodawany komponent.

W przypadku włókien miejsce dozowania i konfiguracja dalszej części ślimaków mogą wpływać również na stopień ich skracania. Z kolei materiały o małej gęstości nasypowej, drobne proszki lub składniki o trudnych właściwościach przepływowych mogą wymagać odpowiednio zaprojektowanego sposobu podawania.

Dobór miejsca dozowania powinien być zatem rozpatrywany razem z konfiguracją ślimaków, stopniem wypełnienia układu, wymaganym poziomem mieszania oraz położeniem stref odgazowania.

Odgazowanie – usuwanie wilgoci, powietrza i składników lotnych

W wielu procesach obecność wilgoci, powietrza lub innych składników lotnych może wpływać na stabilność przetwarzania i właściwości końcowego materiału. W zależności od formulacji stosuje się odpowietrzanie atmosferyczne lub odgazowanie próżniowe.

Skuteczność odgazowania zależy nie tylko od samego poziomu podciśnienia. Znaczenie mają również stan materiału w strefie odpowietrzania, stopień wypełnienia kanałów, powierzchnia kontaktu stopu z przestrzenią odgazowania, lepkość materiału oraz czas dostępny na transport składników lotnych.

W układach badawczych możliwość zmiany położenia i warunków odgazowania jest szczególnie cenna przy opracowywaniu nowych formulacji oraz badaniu materiałów zawierających wilgoć, rozpuszczalniki, produkty reakcji lub inne składniki lotne.

Dane procesowe – od nastawy maszyny do rzeczywistego stanu materiału

W laboratorium istotne jest nie tylko ustawienie parametrów urządzenia, lecz również poznanie rzeczywistego stanu procesu. Nastawa temperatury strefy grzewczej nie jest tym samym co temperatura stopu, a sama prędkość obrotowa ślimaka nie opisuje jeszcze intensywności oddziaływania mechanicznego na materiał.

W zależności od konfiguracji stanowiska wartościowe są między innymi pomiary i rejestracja:

• temperatur poszczególnych stref cylindra,
• temperatury stopu,
• prędkości obrotowej ślimaka lub ślimaków,
• momentu obrotowego i obciążenia napędu,
• ciśnienia stopu w wybranych punktach układu,
• wydajności masowej,
• strumieni dozowanych składników,
• parametrów odgazowania.

Zestawienie tych danych pozwala oceniać stabilność procesu, porównywać kolejne formulacje i konfiguracje oraz określać, czy podobny produkt został uzyskany przy rzeczywiście porównywalnych warunkach oddziaływania na materiał.

W bardziej zaawansowanych badaniach mogą być analizowane również wielkości pochodne, takie jak jednostkowa energia mechaniczna, obciążenie właściwe procesu czy czas i rozkład czasu przebywania materiału. Parametry te pomagają opisywać proces w sposób bardziej użyteczny dla jego późniejszego skalowania niż same nastawy temperatur i obrotów.

Reologia i zachowanie materiału podczas przepływu

Reologia ma podstawowe znaczenie dla projektowania procesu wytłaczania, ponieważ opisuje zależność pomiędzy odkształceniem, szybkością ścinania, naprężeniem i temperaturą materiału. Wpływa między innymi na transport stopu, spadki ciśnienia, warunki mieszania, obciążenie napędu oraz sposób przepływu przez głowicę.

Sama wytłaczarka laboratoryjna nie jest jednak automatycznie reometrem. Parametry takie jak moment, ciśnienie, temperatura stopu i wydajność pozwalają obserwować zachowanie materiału w rzeczywistym procesie, natomiast ilościowe badania reologiczne wymagają odpowiedniego układu pomiarowego i zdefiniowanej geometrii przepływu.

Połączenie danych procesowych z pomiarami reologicznymi pozwala lepiej wyjaśniać przyczyny zmian ciśnienia, wydajności, mieszania oraz stabilności wytłaczania i dzięki temu trafniej dobierać konfigurację urządzenia.

Od wytłaczarki laboratoryjnej do procesu przemysłowego

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

Celem skalowania powinno być zachowanie porównywalnych warunków oddziaływania na materiał w tych obszarach, które odpowiadają za właściwości uzyskanego produktu, a nie mechaniczne kopiowanie nastaw mniejszej maszyny.

W zależności od procesu podczas przejścia do większej skali mogą mieć znaczenie między innymi:

• wydajność w odniesieniu do wielkości i geometrii układu,
• jednostkowa energia mechaniczna wprowadzana do materiału,
• warunki i intensywność ścinania,
• rzeczywista temperatura stopu,
• przebieg topienia,
• generowanie i rozkład ciśnienia,
• średni czas oraz rozkład czasu przebywania materiału,
• stopień wypełnienia układu,
• charakter mieszania dystrybucyjnego i dyspersyjnego.

Nie wszystkie te parametry muszą być jednocześnie zachowane podczas scale-up. Ich znaczenie zależy od mechanizmu odpowiedzialnego za właściwości konkretnego materiału i produktu. Dlatego prawidłowo zaprojektowane badania laboratoryjne powinny najpierw identyfikować parametry krytyczne, a dopiero później określać kryteria przeniesienia procesu na większą instalację.

W scale-up nie chodzi o zachowanie identycznych nastaw maszyny. Celem jest zachowanie tych warunków procesu, które decydują o stanie materiału i właściwościach produktu.

Szersze kryteria wyboru urządzenia omawia artykuł jak dobrać wytłaczarkę do materiału i procesu.

Na co zwrócić uwagę przy konfiguracji wytłaczarki laboratoryjnej?

Przed wyborem urządzenia warto określić przede wszystkim:

• rodzaj i postać surowca,
• zakres temperatur przetwarzania,
• właściwości reologiczne materiału,
• wrażliwość na temperaturę i ścinanie,
• czy przetwarzany będzie gotowy materiał, czy tworzona nowa formulacja,
• rodzaj i udział dodatków oraz napełniaczy,
• wymaganą intensywność mieszania,
• potrzebę odgazowania,
• sposób i miejsce dozowania poszczególnych składników,
• dostępną ilość materiału do badań,
• wymaganą wydajność,
• zakres wymaganych pomiarów i rejestracji danych,
• docelową skalę procesu.

Dopiero na tej podstawie należy dobierać typ układu uplastyczniającego, średnicę i geometrię ślimaka, długość L/D, zakres momentu i prędkości obrotowej, liczbę stref temperaturowych, sposób dozowania, układ odgazowania oraz wyposażenie dodatkowe.

FAQ – wytłaczarki laboratoryjne

Jak dobrać wytłaczarkę laboratoryjną do badań i prac rozwojowych?

Dobór powinien wynikać z rodzaju materiału, funkcji procesu oraz zakresu danych, które mają zostać uzyskane podczas prób. Należy określić między innymi wymagany sposób topienia i mieszania, potrzebę odgazowania, sposób dozowania komponentów, dostępny zakres surowca, planowaną wydajność oraz docelowy kierunek skalowania technologii. Dopiero później dobiera się typ wytłaczarki, geometrię układu, L/D, napęd i wyposażenie procesowe.

Kiedy wybrać wytłaczarkę jednoślimakową?

Wytłaczarka jednoślimakowa jest właściwym rozwiązaniem przede wszystkim wtedy, gdy głównym zadaniem jest stabilne podawanie, uplastycznianie, homogenizacja i formowanie materiału. Odpowiednio dobrana geometria ślimaka może również realizować zadania związane z mieszaniem. Do takich zastosowań przeznaczone są laboratoryjne wytłaczarki jednoślimakowe LE-1S.

Kiedy lepszym wyborem jest wytłaczarka dwuślimakowa?

Układ dwuślimakowy jest szczególnie przydatny wtedy, gdy proces obejmuje compounding, intensywne mieszanie, dyspersję dodatków, odgazowanie, dozowanie kolejnych składników albo przetwarzanie formulacji wieloskładnikowych. Laboratoryjne wytłaczarki dwuślimakowe LE-2CC pozwalają kształtować kolejne funkcje procesu poprzez odpowiednią konfigurację elementów roboczych i stref technologicznych.

Czym różni się mieszanie dystrybucyjne od dyspersyjnego?

Mieszanie dystrybucyjne służy przede wszystkim do równomiernego rozmieszczenia poszczególnych składników w objętości materiału. Mieszanie dyspersyjne wymaga odpowiednich naprężeń działających na aglomeraty, krople lub inne domeny i może prowadzić do ich rozdrobnienia, jeżeli naprężenia przekroczą odporność danej struktury. W wielu procesach compoundingu potrzebne są oba mechanizmy, ale ich wymagany udział zależy od materiału i celu technologicznego.

Czy wyniki z wytłaczarki laboratoryjnej można skalować do warunków przemysłowych?

Tak, ale scale-up nie polega na prostym przeliczeniu średnicy ślimaka i wydajności. Należy uwzględnić między innymi warunki topienia i mieszania, temperaturę stopu, intensywność oddziaływania mechanicznego, czas przebywania, stopień wypełnienia układu oraz parametry odpowiedzialne za właściwości produktu. Dlatego duże znaczenie ma prawidłowe zaprojektowanie eksperymentów oraz rejestracja danych procesowych.

Jakie materiały można badać na wytłaczarkach laboratoryjnych?

Zakres zależy od konstrukcji urządzenia i konfiguracji układu uplastyczniającego. Wytłaczarki laboratoryjne SiTech3D mogą być dobierane do badań termoplastów, mieszanin polimerowych, materiałów wysokotemperaturowych, kompozytów, nanokompozytów, biopolimerów, masterbatchy, materiałów wysoko napełnionych, formulacji spożywczych oraz mieszanek na bazie gumy i silikonu.

Do czego służy podajnik boczny?

Podajnik boczny umożliwia wprowadzanie wybranego składnika bezpośrednio do określonej strefy wytłaczarki. Pozwala dzięki temu dobrać moment dodania napełniacza, proszku, włókna lub innego komponentu do aktualnego stanu polimeru i wymaganej historii dalszego mieszania. W określonych procesach może to ograniczać niepotrzebnie długą ekspozycję dodatku na temperaturę lub intensywne ścinanie.

Po co stosuje się odgazowanie w procesie wytłaczania?

Odgazowanie służy do usuwania z materiału lub stopu powietrza, wilgoci i innych składników lotnych. W zależności od procesu może być realizowane atmosferycznie lub pod próżnią. Jego skuteczność zależy nie tylko od poziomu podciśnienia, ale również od właściwości materiału, stopnia wypełnienia układu oraz warunków panujących w strefie odpowietrzania.

Jakie dane procesowe warto rejestrować podczas badań?

Szczególnie wartościowe są temperatury stref i stopu, prędkość obrotowa ślimaka, moment obrotowy, ciśnienie stopu, wydajność oraz rzeczywiste strumienie dozowanych składników. W bardziej zaawansowanych badaniach mogą być również analizowane parametry pochodne, takie jak jednostkowa energia mechaniczna oraz czas i rozkład czasu przebywania materiału.

Czy wytłaczarka laboratoryjna może służyć do badań reologicznych?

Parametry procesu wytłaczania, takie jak moment, ciśnienie, temperatura stopu i wydajność, dostarczają informacji o zachowaniu materiału podczas rzeczywistego przetwarzania. Ilościowe badania reologiczne wymagają jednak odpowiedniego układu pomiarowego i zdefiniowanych warunków przepływu. Dlatego wytłaczarka może stanowić część stanowiska do badań reologicznych, ale sama w sobie nie zastępuje reometru.

Dlaczego temperatura stopu jest ważniejsza niż sama nastawa temperatury cylindra?

Temperatura zadana dla strefy cylindra określa warunki pracy układu grzania i chłodzenia, ale nie musi odpowiadać rzeczywistej temperaturze materiału. Stop jest ogrzewany nie tylko przez grzałki, lecz również w wyniku pracy mechanicznej i dyssypacji energii podczas przepływu oraz mieszania. Dlatego w badaniach technologicznych pomiar temperatury stopu może dostarczać informacji, których nie można uzyskać wyłącznie z nastaw regulatorów stref.