Metode Baru Meningkatkan Pencampuran Polimer dalam Ekstrusi Sekrup

Dalam proses ekstrusi plastik, pencampuran yang seragam merupakan faktor penting yang menentukan kualitas produk. Hal ini menjadi sangat penting ketika menggabungkan masterbatch warna dengan persentase rendah, di mana backmixing—pencampuran bahan dengan aliran berlawanan secara aksial—memainkan peran penting. Proses ini memerlukan partikel masterbatch untuk mengalami pengurangan ukuran secara dramatis dari skala milimeter ke mikrometer di dalam ekstruder, sehingga menghadirkan tantangan pencampuran yang luar biasa.

Pencampuran ekstrusi bertujuan untuk mencapai distribusi komponen yang homogen, memastikan karakteristik produk yang konsisten seperti warna dan sifat mekanik. Saat menambahkan masterbatch konsentrasi rendah, pemisahan partikel awal dapat melebihi 100 mm. Untuk mencapai pewarnaan yang seragam, ketebalan lurik akhir harus mencapai skala mikrometer—pengurangan sebesar lima kali lipat yang memerlukan kemampuan pencampuran yang luar biasa.

Analisis tradisional berfokus pada pencampuran penampang (dalam penampang saluran sekrup), diatur oleh laju geser Couette:

γ = πDN/H

Dimana D = diameter laras, N = kecepatan ulir, H = kedalaman saluran. Laju geser tipikal (50-100 s⁻¹) dikombinasikan dengan waktu tinggal 20 detik menghasilkan 1.000-2.000 unit regangan geser total—cukup untuk reduksi pergoresan tiga tingkat namun seringkali tidak memadai untuk keseragaman visual.

Pencampuran aksial (backmixing), sebaliknya, adalah aliran yang digerakkan oleh tekanan di sepanjang sumbu ekstruder. Memahami mekanisme ini terbukti penting untuk mengoptimalkan desain sekrup.

Untuk fluida hukum pangkat (τ = m(γ')ⁿ), kecepatan tak berdimensi φ=v/vmax berhubungan dengan koordinat tak berdimensi ξ=2y/H sebagai:

φ = 1 - |ξ|^((n+1)/n)

Fluida Newton (n=1) menunjukkan profil kecepatan parabola dengan geser nol di garis tengah—menciptakan zona mati pencampuran. Ketika n berkurang (perilaku penipisan geser), profil mendekati aliran sumbat, memperluas daerah geser rendah dan mempersulit pencampuran balik.

Analisis RTD mengungkapkan bagaimana waktu tinggal material bervariasi dalam ekstruder. Untuk aliran tekanan hukum pangkat antara pelat sejajar:

v(y) = v_max * [1 - (2|y|/H)^((n+1)/n)]

Fungsi RTD eksternal f(t)dt berasal dari distribusi kecepatan, menunjukkan bahwa peningkatan penipisan geser (n lebih rendah) mempersempit RTD—mengurangi efisiensi backmixing. Model RTD sekrup tunggal Pinto-Tadmor untuk fluida Newton:

F(θ) = 1 - (1 - θ)²(1 + 0,35θ + 0,135θ²)

menunjukkan bagaimana geometri sekrup semakin membatasi skenario RTD dibandingkan skenario pelat paralel, dengan menekankan tantangan backmixing.

Permasalahan utama muncul dari pergeseran aksial yang mendekati nol di pusat saluran sekrup. Solusi efektif meliputi:

• Pin/slot pencampur:Ganggu pola aliran untuk mendistribusikan kembali material
• Mixer luar dalam:Penerbangan offset secara aktif mentransfer materi inti ke pinggiran saluran
• pencampur CRD:Desain khusus yang mendorong pertukaran material aksial radial
• Pengurangan ukuran partikel:Bahan baku yang lebih kecil mengurangi ketebalan lurik awal
• Pewarna cair:Mengurangi pergoresan awal tetapi dapat mempengaruhi pelumasan barel

Backmixing tetap menjadi tugas pencampuran ekstrusi yang paling menuntut karena geser aksial yang rendah, terutama di pusat saluran dan dengan material yang menipiskan geser. Untuk mencapai reduksi striasi lima tingkat memerlukan perangkat pencampur yang canggih (seperti pencampur inside-out atau CRD) atau pengurangan striasi awal melalui modifikasi bahan baku. Inovasi masa depan dapat menggabungkan optimasi geometrik dengan teknik penanganan material yang canggih untuk mengatasi tantangan yang terus-menerus ini.