Wytłaczarki oraz urządzenia dla farmacji
Wytłaczanie farmaceutyczne HME stało się nowatorską technologią przetwarzania w opracowywaniu molekularnych dyspersji aktywnych składników farmaceutycznych API (Active Pharmaceutical Ingredient) do różnych matryc polimerowych lub i lipidowych. Technika ta umożliwia prowadzenie kontrolowanego w czasie, modyfikowanego i ukierunkowanego dostarczania leków. HME zapewniło teraz możliwość wykorzystania materiałów w celu zamaskowania gorzkiego smaku substancji czynnych.
HME zyskało znaczną uwagę zarówno ze strony przemysłu farmaceutycznego, jak i środowisk akademickich w zakresie zastosowań dla farmaceutycznych form dawkowania, takie jak tabletki, kapsułki, folie i implanty do dostarczania leków drogą doustną, przezskórną i przez śluzówkową. Te możliwości wytłaczania farmaceutycznego sprawiają, że HME jest doskonałą alternatywą dla innych dostępnych technik. Oprócz tego, jest to sprawdzony proces produkcyjny, HME spełnia cel schematu technologii analitycznej procesu (PAT) amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA) do projektowania, analizowania i kontrolowania procesu produkcyjnego poprzez pomiary kontroli jakości podczas aktywnego procesu wytłaczania. Technika wytłaczania na gorąco stwarza perspektywę opracowania różnych komponentów, technologii przetwarzania raz materiałów i nowatorskiego projektowania receptur i rozwój w jej różnorodnych zastosowaniach w systemach dostarczania leków.
W ostatnich latach technologia wytłaczania przesunęła punkt ciężkości badań farmaceutycznych ze względu na wszechstronne zastosowania technologii. W międzyczasie duży wysiłek poświęcono miniaturyzacji urządzeń do wytłaczania farmaceutycznego, szczególnie w odniesieniu do wymagań rozwoju nowych jednostek chemicznych i preparatów. Doprowadziło to do powstania niezawodnego procesu wytłaczania na małą skalę.
Technologia procesowa wytłaczania na gorąco (HME).
Technologia wytłaczania na gorąco (HME) okazała się solidną metodą wytwarzania wielu systemów dostarczania leków i dlatego okazała się przydatna również w przemyśle farmaceutycznym. Wytłaczanie to proces pompowania, mieszania i ścinania materiałów w podwyższonej kontrolowanej temperaturze i ciśnieniu do produktu o jednolitym kształcie i gęstości. HME polega na zagęszczaniu i przekształcaniu mieszanek z proszku lub mieszanki granulowanej w produkt o jednolitym kształcie. Podczas tego procesu polimery są topione i formowane w produkty o różnych kształtach i rozmiarach.
Możliwości technologii wytłaczania farmaceutycznego na gorąco (HME).
Wytłaczanie jest techniką, która ma ogromny potencjał do wykorzystania w syntezie organicznej. Wytłaczanie zapewnia sposób na uzyskanie mieszania odczynników, pozwala również na precyzyjne dostrojenie zakresu mieszania poprzez modyfikację konfiguracji wytłaczarki farmaceutycznej. Sama wytłaczarka może zapewnić grzanie do temperatury kilkuset stopni i w razie potrzeby można dodać niewielkie ilości rozpuszczalnika w celu przyspieszenia reakcji. Wytłaczarki mogą być wyposażone w wydajne systemy chłodzenia. Dlatego można stwierdzić, że wytłaczarka zapewnia większość, jeśli nie wszystkie parametry, które może zapewnić konwencjonalna synteza na bazie rozpuszczalników. W rzeczywistości, w odniesieniu do obecnego dążenia do bardziej zrównoważonego środowiska, wytłaczarka jest korzystna, ponieważ ilość wymaganego rozpuszczalnika jest zmniejszona lub wyeliminowana. Co więcej, zazwyczaj czasy reakcji są znacznie skrócone. HME zapewnia twórcom produktów medycznych, tworzenie rozpuszczalnych postaci dawek doustnych i urządzeń uwalniających leki z opcją przetwarzania, która maksymalizuje mieszanie API z polimerem. Jednocześnie minimalizując degradację API (Active Pharmaceutical Ingredient), a nawet otwiera drzwi do produktów, których nie można przygotować innymi sposobami.
Wytłaczarki farmaceutyczne.
Modułowa konfiguracja wytłaczarek dwuślimakowych daje możliwość połączenia kilku operacji jednostkowych w jednej maszynie. Podawanie, mieszanie, wytłaczanie i formowanie są realizowane jednocześnie w wytłaczarce dwuślimakowej, ze względu na ciągły proces.
W ostatnich latach wytłaczarki dwuślimakowe zostały z powodzeniem zastosowane w zastosowaniach farmaceutycznych poprzez maszyny o zredukowanych rozmiarach. Kluczowym czynnikiem są rozmiary a w szczególności objętość układu uplastyczniającego wytłaczarki farmaceutycznej.
Wytłaczanie dwuślimakowe stało się techniką wydajną i elastyczną ze względu na zalety, takie jak redukcja kosztów, poprawa skuteczność procesu i elastyczność zdolności badawczych oraz produkcyjnych. Wytłaczarki dwuślimakowe są stosowane w procesach badawczych oraz produkcyjnych, takich jak granulacja, poprawa biodostępności lub manipulowanie właściwościami leków w stanie stałym. Wytłaczanie ma również zastosowanie w procesach opracowywania nowych stałych postaci dawkowania dla medycyny spersonalizowanej.
Wysoka przepustowość materiału wymagana przez proces ciągłego wytłaczania jest zaletą w produkcji, ale jest ograniczeniem w opracowywaniu nowych formuł. Szczególnie we wczesnym okresie rozwoju nowe jednostki chemiczne nie są dostępne lub są zbyt drogie w dużych ilościach. Z tego powodu istnieje zapotrzebowanie na wytłaczarki o niskiej przepustowości do rozwoju produktów farmaceutycznych uzyskiwanych metodą wytłaczania farmaceutycznego (HME).
W produkcji farmaceutycznej małe wytłaczarki są przydatne, ponieważ są bardziej niezawodne przy użyciu małych ilości substancji aktywnych. Małe partie mogą być łatwo dostępne i łatwo skorygowane poprzez szybką zmianę procesu.
Ograniczenia technologiczne i materiałowe przy konstruowaniu wytłaczarek farmaceutycznych.
Jedną z dominujących przeszkód w rozwoju zminiaturyzowanych wytłaczarek jest optymalizacja kluczowych części sprzętu podczas zmniejszania rozmiaru. Ograniczeniami są dostępne materiały a konkretnie dostępność konstrukcyjnych stali kwasoodpornych o pożądanych właściwościach wytrzymałościowych oraz dopuszczonych do kontaktu z produktami farmaceutycznymi. Innym ograniczeniem jest umiejętność projektowania i budowania miniaturowych wytłaczarek o wysokich parametrach użytkowych i technicznych.
Wraz ze zmniejszaniem wymiarów wytłaczarki farmaceutycznej pojawiają się obiektywne czynniki fizyczne i techniczne prowadzące o zmniejszenia możliwości dostarczania energii mechanicznej do układu uplastyczniającego. Mówiąc inaczej maleje gęstość mocy wyrażana parametrem Nm./cm3. Zmniejszanie się tego parametru ogranicza zdolność wytłaczarki do przetwarzania materiałów stawiających wysokie opory oraz ogranicza możliwości profilowania procesu. Zmniejszeniu ulegają możliwości wytłaczarki do transportu takich materiałów. Musi zostać zredukowana do niższej wartości przepustowość wytłaczarki, co często stanowi wyzwanie w odniesieniu do jednorodności podawania. Spoiste materiały proszkowe, powodują wysokie obciążenie mechaniczne wytłaczarki generując wysokie zapotrzebowanie na moc mechaniczną. Wpływa to na czas przebywania materiału w wytłaczarce, a czasem na właściwości produktu końcowego. Wręcz kultowym zagadnieniem jest umiejętność zmniejszenie skali sprzętu w taki sposób, aby był skuteczny do ogólnego użytku ze względu na zmienne warunki procesu dla badanych produktów. Czynniki wpływające na skalowanie w górę lub w dół obejmują objętość, transfer ciepła i transfer masy mieszanie rozprowadzające oraz homogenizujące. Te czynniki mają wpływ zarówno na sprzęt do podawania, jak i konstrukcje układu uplastyczniającego wytłaczarki farmaceutycznej, który jest odpowiedzialny za przebieg i jakość procesu wytłaczania.
Zmniejszenie skali procesu, wraz ze zmniejszaniem rozmiarów geometrycznych cylindra oraz ślimaków wytłaczarki farmaceutycznej jest kluczowym czynnikiem, ponieważ ogólne koncepcje skalowania stosowane w dużych wytłaczarkach zawodzą. Na przykład pojęcie podobieństwa geometrycznego ma zakres, który staje się nieprawidłowy przy użyciu małych wytłaczarek. Jednym z głównych problemów jest zależność stosunku powierzchni do objętości składników, które wpływają na tarcie i wymianę ciepła. Innym problemem podczas zmniejszania skali jest to, że właściwości substancji, takie jak rozmiar cząstek i lepkość, pozostają stałe, podczas gdy maszyna staje się mniejsza. Może to również mieć wpływ na proces wytłaczania farmaceutycznego.
Nasza firma włożyła duży wysiłek w proces miniaturyzacji komponentów w technologii wytłaczania farmaceutycznego. Posiadamy w ofercie różne typy zminiaturyzowanych wytłaczarek, które różnią się średnicą i długością układu uplastyczniającego, ale także konstrukcją.
Wytłaczarki na małą skalę można podzielić na dwie grupy:
- Pierwsza grupa maszyn, została zaprojektowany do wczesnego rozwoju, ponieważ można go uruchomić z zaledwie kilkoma gramami materiału. RES-2PN 2x12mm-Pharma, RES-2PB 2x12mm-Minilab, RES-2PM-Minilab.
- Druga grupa naszych wytłaczarek obejmuje wytłaczarki o zmniejszonych rozmiarach. RES-2PN 2x16 mm-Pharma, RES-2PM 2x20 mm-Pharma, RES-2PM 2x24 mm-Pharma.
Wszystkie nasze wytłaczarki przeznaczone do wytłaczania farmaceutycznego łączy wysoka funkcjonalność, wysokie parametry techniczne oraz co jest wyjątkową możliwość pracy jako wytłaczarki współbieżne oraz przeciwbieżne. Proces zmiany kierunku wirowania ślimaków wytłaczarek jest zautomatyzowany dzięki opracowanej technologii Vertex II.
Przetwarzanie tworzyw sztucznych metodą wytłaczania
Wytłaczanie za pomocą extruderów to sposób przetwórstwa tworzyw polimerowych który ma duże znaczenie gospodarcze, gdyż przetwarza się dzięki temu procesowi ponad 50% wytwarzanych materiałów z tworzyw sztucznych. Wytłaczanie (ekstruzja) to nie jest proces prosty do przeprowadzenia w praktyce.
Nie da się zbudować dobrej wytłaczarki bez dogłębnej wiedzy z zakresu zjawisk zachodzących w układzie uplastyczniającym wytłaczarki. Konieczna jest wiedza z zakresu materiałoznawstwa oraz technologiczna z zakresu przetwarzania tworzyw sztucznych. Urządzenie do wytłaczania jest obiektem trudnym do sterowania. Problemy mogą pojawiać się w układzie uplastyczniającym wytłaczarki lub w procesie formowania materiału polimerowego. Warunki panujące w wytłaczarce, takie jak wysoka temperatura, wysokie ciśnienie, znaczne naprężenia ścinające oraz obecność różnych napełniaczy, mogą powodować przyśpieszone zużycie podzespołów maszyn przetwórczych do tworzyw sztucznych. Extruder zbudowany jest z trzech podstawowych układów: napędowego, sterowania i uplastyczniającego, a także z komponentów pomocniczych.
W procesie ekstruzji bardzo ważną rolę odgrywa układ uplastyczniający wytłaczarki zbudowany z cylindra oraz ślimaka [ślimaków], który stanowi kluczowy podzespół każdej wytłaczarki. Konkretny typ układu uplastyczniającego wytłaczarki dobierany jest adekwatnie do specyfiki przetwarzanego tworzywa. Ślimak wytłaczarki odpowiada bowiem za jakość i konsystencję wytłaczanego tworzywa. Istnieje wiele możliwych konfiguracji ślimaków stosowanych w wytłaczarkach. Kluczowymi parametrami wytłaczarki są jakość uplastycznienia materiału oraz jego homogenizacja, czyli dokładne wymieszanie składników. W cylindrze, w wyniku ruchu obrotowego ślimaka [ślimaków, materiał jest transportowany w kierunku głowicy. Tworzywo przemieszczające się w cylindrze wytłaczarki dostaje się do ogrzewanej strefy, gdzie ulega stopieniu, a następnie homogenizacji materiałowej i termicznej. Uplastyczniony i wymieszany stop podawany jest z odpowiednią wydajnością i z odpowiednim ciśnieniem do głowicy wytłaczarki, gdzie materiał jest formowany przyjmując kształt ustnika.
O złożoności problematyki wytłaczania tworzyw sztucznych świadczy duża liczba rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych przy projektowaniu i wytwarzaniu wytłaczarek. Celem jest uzyskanie poprawy wydajności procesu, poprawy jakości wyrobów oraz bardziej efektywnego uplastyczniania tworzyw, w tym materiałów trudno przetwarzalnych [np. niestabilnych termicznie].
W technologii wytłaczania decydujące znaczenie ma uplastycznianie, czyli odpowiednie przejście tworzywa wejściowego, na skutek nagrzewania, sprężania, ruchu i działania sił ze stanu na ogół stałego w stan plastyczny. Proces ten jest najważniejszym czynnikiem determinującym wydajność wytłaczania i jakość otrzymanej wytłoczyny. Tworzywo polimerowe po procesie uplastyczniania musi charakteryzować się określonymi parametrami, a więc temperaturą, ciśnieniem, stopniem homogenizacji, prędkością ruchu i natężeniem przepływu. Przy czym, występują większe lub mniejsze wahania tych wielkości, charakteryzowane określonym okresem i daną amplitudą.
Układ uplastyczniający wytłaczarki spełnia cztery funkcje podstawowe:
- nagrzewanie tworzywa, prowadzone w celu zapewnienia zadanego przebiegu zmian stanów fizycznych tworzywa przetwarzanego, określanego temperaturą i jej fluktuacją. Dostarczyć energii cieplnej koniecznej do ogrzania tworzywa do wymaganej przez proces temperatury, w celu stopienia polimeru.
- sprężanie mechanicznie tworzywa w celu usunięcia powietrza spomiędzy jego granulek. A następnie wytworzyć w stopionym tworzywie stabilne ciśnienie mające na celu uzyskanie w tworzywie przetwarzanym zadanego przebiegu zmian ciśnienia, określanego wartością ciśnienia i jego pulsacją.
- mieszanie, zapewniające homogenizowanie, czyli ujednorodnienie składu i właściwości, głównie cieplnych i mechanicznych, jak również struktury tworzywa przetwarzanego oraz równomiernego w masie nagrzania stopu do wymaganej temperatury
- transportowanie, umożliwiające przemieszczanie tworzywa przez układ z uzyskaniem na jego końcu potrzebnej prędkości wypływu tworzywa z określonym natężeniem i ustaloną fluktuacją oraz pulsacją.
Czasami układ uplastyczniający jest skonstruowany do spełniania także funkcji pomocniczych, którymi mogą być na przykład odgazowanie lub spienianie. Najczęściej stosowanym w wytłaczarkach jednoślimakowych jest klasyczny ślimak trójstrefowy
Ślimak trójstrefowy wytłaczarki jednoślimakowej.
Strefy przetwórcze ślimaka wytłaczarki określane są przez zmieniającą się wysokość kanału ślimaka:
- W strefie zasilania wysokość kanału ślimaka jest stała i jest największa,
- W strefie sprężania wysokość kanału ślimaka zmniejsza się najczęściej jest to zmiana liniowa.
- W strefie dozowania wysokość kanału jest stała i ma wartość najmniejszą.
Wielkości geometryczne które charakteryzują ślimak wytłaczarki:
- L/D – długość części roboczej przedstawiana liczbą kalibrów [średnicy cylindra wytłaczarki] np. L/D=32.
- D – średnica zewnętrzna.
- H – wysokość kanału (0,12-0,2D).
- W – szerokość kanału (0,75-1,2D).
- S – skok linii śrubowej zwoju,
- φ – kąt pochylenia zwoju.
- e – szerokość zwoju).
- R – stopień sprężania.
Rysunek 1 wielkości geometryczne ślimaka wytłaczarki
Kąt pochylenia zwoju ślimaka wytłaczarki [kąt helisy] i wydajność wolumetryczna
W wytłaczaniu kąt helisy to kąt między spiralą a płaszczyzną poprzeczną do osi ślimaka wytłaczarki. Dla większości zastosowań skok zwoju ślimaka wytłaczarki jest równy jego średnicy. Wydajność wolumetryczna zależy od kąta helisy. Wydajność objętościowa zależy tylko od kąta spirali, a w przypadkach, gdy skok jest równy średnicy (= 17°40), wówczas sprawność objętościowa wynosi 45,4%.
Energia zużyta na obracanie i pompowanie tworzywa do przodu układu uplastyczniającego wytłaczarki zamienia się w ciepło. Ponieważ materiał również jest ścinany, wytwarzane ciepło jest znane jako ciepło ścinające. Ciepło ścinające nie jest równomiernie rozłożone w całym materiale, ale jest największe tam, gdzie szybkość ścinania jest najwyższa. Ilość wydzielanego ciepła może być na tyle wysoka, że może powodować miejscowe przegrzanie i rozkład materiału lub jego degradację. Dla danego materiału ilość wydzielanego ciepła ścinającego zależy od prędkości i średnicy ślimaka. Jeśli to możliwe, rozmiar wytłaczarki powinien być dopasowany do przewidywanej wydajności. Możliwe jest osiągnięcie wymaganej wydajności przy małej średnicy ślimaka wytłaczarki pracującej szybko lub przy maszynie o większej średnicy pracującej wolniej. Ogólnie stwierdza się, że większa maszyna wytworzy stopienie w znacznie niższej temperaturze i osiągnie wyższe wyniki. Z tego powodu wytłaczarki pracujące z wysokimi obrotami powinny być wyposażone w wydajne układy chłodzące stref cylindra.
Skok zwoju ślimaka wytłaczarki do tworzyw sztucznych.
Skok zwoju ślimaka wytłaczarki definiuje się jako odległość między dwoma kolejnymi zwojami. Skok zwoju ślimaka jest bezpośrednio związany z kątem spirali ślimaka, który jest kątem między zwojem śruby a płaszczyzną prostopadłą do osi śruby. Jeśli podziałka ma być równa średnicy ślimaka, nazywana jest podziałką kwadratową. Należy zauważyć, że skok kwadratowy nie zawsze jest optymalnym skokiem dla konstrukcji ślimaka. W rzeczywistości optymalny skok lub alternatywnie optymalny kąt spirali można obliczyć na podstawie reologii wytłaczanych materiałów.
Stopień sprężania ślimaka wytłaczarki do tworzyw sztucznych.
Współczynnik kompresji jest ważnym parametrem do oceny podczas projektowania ślimaków ekstruderów. Może być określony przez stosunek głębokości kanału (lub alternatywnie objętości kanału) w sekcji podawania do głębokości w sekcji dozowania. Ten pierwszy jest znany jako współczynnik kompresji głębokości, a drugi to współczynnik kompresji objętościowej. W przypadku śrub specjalnych, takich jak śruby barierowe, uwzględnienie współczynnika kompresji wolumetrycznej (VCR) jest bardziej niezawodnym parametrem projektowym niż współczynnik kompresji głębokości (CR), ponieważ skok zabieraka zmienia się również z sekcji zasilającej na sekcje przejściowe i pomiarowe w ich projektowaniu ślimaków. Warto wspomnieć, że wartość CR może być również mylącym parametrem w projektowaniu ślimaków. Na przykład, jeśli głębokość kanału zmienia się z 16 mm w sekcji podawania do 4 mm w sekcji dozowania, CR wynosi 4:1. Jednak ten sam stopień kompresji zostanie osiągnięty, jeśli głębokość kanału zmieni się z 12 mm w sekcji podawania do 3 mm w sekcji dozowania. Te dwa ślimaki zachowują się zupełnie inaczej pomimo tego, że mają identyczny stopień kompresji. Ważnym parametrem w konstrukcji ślimaków wytłaczarek, ściśle powiązanym ze stopniem sprężania, jest nachylenie odcinka przejściowego.
W celu uzyskania wydajnego topnienia, stopień sprężania i nachylenie sekcji przejściowej powinny być starannie dopasowane do szybkości topnienia przetwarzanego polimeru. Stopień kompresji ślimaka zależy również od ściśliwości przetwarzanych materiałów. Ściśliwość, czyli zdolność materiałów sypkich (np. proszki) do zajmowania mniejszej objętości podczas ściskania, wpływa na wydajność topienia przetwarzanych materiałów. Dlatego do wytłaczania materiałów o wysokiej ściśliwości generalnie zaleca się stosowanie ślimaka o wysokim stopniu kompresji.
Stosunek długości do średnicy (L/D) ślimaków wytłaczarek.
Kolejnym kluczowym parametrem w konstrukcji śrub jest stosunek długości do średnicy (L/D). Definiuje się go jako stosunek długości ślimaka do jego średnicy. Typowe stosunki L/D ślimaka wynoszą od 20:1 do 36:1 a nawet do 52:1. Długość ślimaka zależy od liczby odcinków branych pod uwagę przy projektowaniu ślimaka, co z kolei zależy od zastosowania i przetwarzanych materiałów. W przypadku konwencjonalnych ślimaków z trzema strefami funkcjonalnymi (tj. strefy podawania, kompresji i dozowania) typowy stosunek L/D wynosi 24:1 do 32:1. Jednak w przypadku procesów, w których wymagany jest stop wysoce homogeniczny i wolny od żelu oraz topienie o stałej temperaturze i ciśnieniu, potrzeba dodatkowych sekcji jest nieunikniona. Na przykład, do konstrukcji tych ślimaków często dodaje się jeden lub więcej dodatkowych elementów mieszających, aby zapewnić równomierne dostarczanie stopu do matrycy. Dlatego w tych zastosowaniach ślimak powinien być dłuższy, aby pomieścić dodane sekcje. Wtedy typowy stosunek L/D dla ślimaków stosowanych w procesach wytłaczania wynosi 32:1. W procesach, w których wymagane jest odgazowanie (tzw. śruba dwustopniowa), zwykle zalecane są ślimaki o stosunku L/D większym niż 32:1.
Prześwit pomiędzy ślimakiem a cylindrem wytłaczarki.
Prześwit pomiędzy ślimakiem a cylindrem wytłaczarki jest miarą przestrzeni między zewnętrzną średnicą ślimaka a ścianą cylindra układu uplastyczniającego. Niewłaściwy prześwit będzie miał negatywny wpływ na działanie układu uplastyczniającego. Mały prześwit może powodować nadmierne zużycie ślimaka, natomiast duży prześwit może zmniejszyć wydajność topienia ślimaka. To ostatnie występuje, ponieważ duże prześwity mogą pozwolić na gromadzenie się grubej warstwy stopionej na powierzchni cylindra, co zmniejsza przewodność cieplną przez cylinder. Duży luz pomiędzy ślimakiem a cylindrem ekstrudera, może również zmniejszyć zdolność pompowania ślimaka z powodu nadmiernego przepływu zwrotnego tworzywa.
Mieszanie tworzywa w wytłaczarce ślimakowej.
Ślimak wytłaczarki nie zawsze zapewnia bardzo dobre mieszanie wytłaczanego tworzywa. Wynika to ze sposobu, w jaki tworzywo przepływa lub jest transportowane wzdłuż układu uplastyczniającego. Tworzywo transportowane w kierunku osi podłużnej ślimaka wytłaczarki możenie być należycie wymieszane. Z tego powodu materiał wychodzący z maszyny nie będzie jednolitej jakości. Będzie niejednorodny, ponieważ ma niejednorodną historię ścinania. Dlatego ważne jest aby układ uplastyczniający rozbił aglomeraty zapewniając dobre mieszanie dyspersyjne. Drugim ważnym działaniem układu uplastyczniającego jest wytworzenie losowego rozkładu przestrzennego przetwarzanego materiału zapewniając mieszanie dystrybucyjne.
Aby zapewnić wysoka jakość wytłaczanego materiału istnieje tendencja do stosowania dłuższych układów wytłaczających o stosunku długości do średnicy [stosunek L/D] przekraczającym 25/1. Długie układy uplastyczniające są stosowane tam, gdzie wymagane są wysokie natężenia przepływu i doskonała jednorodność stopu. Będą one wytwarzać taką samą przepustowość jak krótsze układy, ale przy niższych prędkościach obrotowych ślimaków wytłaczarki. Jest to szczególnie ważne, gdy wytwarzane jest dużo ciepła, które musi być odprowadzone z układu. Zastosowanie dłuższego zespołu uplastyczniającego daje większą elastyczność działania, ponieważ istnieje więcej możliwości zastosowania elementów ścinających i mieszających. Niektóre wytłaczarki mają 32 D do 52 D długości.
Elementy intensywnego ścinania i mieszania tworzywa stosowane w ślimakach wytaczarek.
Otrzymanie wyrobu o wymaganej jakości z dużą wydajnością, umożliwiają ślimaki ekstruderów zaopatrzone w odpowiednie elementy homogenizujące tworzywo, tj. ścinające i mieszające, które zwykle są umieszczone w końcowej części ślimaka wytłaczarki. Celem działania elementów ścinających jest przede wszystkim przyśpieszenie równomiernego uplastycznienia tworzywa poprzez zamianę energii mechanicznej napędu ślimaka w energię cieplną. Zadaniem elementów rozprowadzających jest homogenizacja uplastycznionego tworzywa opuszczającego element ścinający. Ujednorodnienie uzyskuje się dzięki zastosowaniu układu mieszającego umieszczonego w strefie relaksacji, tj. strefie o zwiększonej wysokości kanałów. Charakteryzują się one tym, iż strumień tworzywa ulega w nim wielokrotnemu podziałowi na mniejsze strugi, które łączą się następnie ze sobą w innych konfiguracjach, co powoduje intensywne mieszanie uplastycznionego materiału. Należy zaznaczyć, iż stosowanie tych elementów powoduje wzrost mocy pobieranej przez napęd ekstrudera, a więc równocześnie wzrost temperatury uplastycznionego tworzywa. Element taki działa jak dławik, obniżając wydajność wytłaczania, lecz umożliwia prowadzenie procesu przy wyższych prędkościach obrotowych ślimaka i zapewnia otrzymania odpowiednio ujednorodnionego tworzywa i optymalnej jakości wyrobu.
Obecnie wiele ślimaków stosowanych w procesach wytłaczania ma element mieszający. Wynika to z faktu, że uzyskanie dobrej jakości produktu wymaga dostarczenia stopu tworzywa bardzo wysokiej jakości do dyszy, co nie jest łatwe do osiągnięcia bez sekcji mieszającej w ślimaku. Zasadniczo w wytłaczarce występują dwa rodzaje mieszania; mieszanie dyspersyjne i mieszanie dystrybucyjne. W procesach wytłaczania mieszadła dyspersyjne są używane głównie do usuwania żeli w stopie. Mieszalniki rozdzielcze służą do homogenizacji stopu, w szczególności do uzyskania stopu homogenizowanego termicznie. Jest to ważny problem w procesach ekstruzji, ponieważ słaba homogenizacja ma szkodliwy wpływ na końcową jakość produktu, zwłaszcza na jego jednorodność.
Opracowano już wiele rodzajów elementów mieszających do mieszania zarówno dyspersyjnego, jak i dystrybucyjnego, które znajdują zastosowanie w konstrukcjach ślimaków ekstruderów. Zasadniczo elementy mieszające o wysokim ścinaniu są używane głównie do mieszania dyspersyjnego. Należy zauważyć, że duża szybkość ścinania, a w konsekwencji wysokie naprężenie ścinające przyłożone do stopionego polimeru podczas przemieszczania się przez małą szczelinę biegu barierowego może podnieść temperaturę stopionego polimeru. Skręcony mikser Maddock, zwany również mikserem spiralnym ścinającym, odpowiednio zoptymalizowany może zmniejszyć wpływ ścinania na wzrost temperatury stopu. Mieszalnik ananasowy, zwykle używany jako mieszalnik dystrybucyjny, w sposób ciągły rozdziela i łączy różne strumienie stopu w celu uzyskania jednorodnego stopu polimeru. Jest znany jako element mieszający o niskim ścinaniu. W przypadku procesów wytłaczania, w których stopione tworzywo jest homogenizowane termicznie, ten mieszalnik może być bardzo pomocny.
Elementy mieszające stosowane w ślimakach wytłaczarek.
Geometrię elementów ślimaka wytłaczarki mieszających oraz ścinających należy odpowiednio dobrać do właściwości przetwarzanego materiału. Należy brać pod uwagę przy doborze właściwości układu uplastyczniającego wytłaczarki łącznie z głowicą kształtująca wytłaczany profil. Długość elementów ścinających i mieszających ślimaka wytłaczarki wnosi zazwyczaj 2-3 D. Elementy te umieszczane są zazwyczaj w końcowej części ślimaka lub w odległości 5-7 D od jego końca.
Stosowane są elementy mieszające jak poniżej:
- element typu torpeda.
- element Maddocka.
- element z zaporami poprzecznymi.
- element Maillefera.
- element z występami mieszającymi.
- element o nieciągłym uzwojeniu.
- element Rheotoc.
- element Dulmage (Dow).
- element Saxton (DuPont).
Układ uplastyczniający wytłaczarki powinien najpierw zapewnić mieszanie dyspersyjne, a następnie wytworzyć mieszanie dystrybucyjne. Te dwa procesy mieszania można powtórzyć więcej niż jeden raz.
Sekcje mieszania dyspersyjnego.
Dostępna jest duża liczba dyspersyjnych sekcji mieszających. Można je podzielić na trzy główne grupy:
- pierścienie ścinające lub blistry.
- mieszalniki karbowane takie jak sekcje mieszające Egan, Maddock.
- mieszalniki barierowe poprzeczne takie jak EVK lub proste sekcje mieszania bariery krzyżowe.
Sekcje mieszania dystrybucyjnego.
Dostępnych jest wiele dystrybucyjnych sekcji mieszania. Można je podzielić na cztery główne grupy:
- mieszalniki szczelinowe.
- mieszalniki pinowe.
- mieszalniki wnękowe.
- mieszalniki o zmiennej głębokości
Barierowy ślimak wytłaczarki
Barierowy ślimak wytłaczarki jest uważany za najnowocześniejszą konstrukcję, która zawiera oddzielny kanał stopu, aby zapewnić pełne uplastycznienie przed sekcją dozującą. Konstrukcja ślimaka barierowego wykorzystuje zwój wtórny rozpoczynający się w strefie przejściowej, aby oddzielić stopiony polimer sąsiadujący ze zwojem pierwotnym od niestopionych granulek tworzywa. Unikając w ten sposób rozwoju dużej strefy topnienia w kanale pierwotnym, która spowalnia wydajne topnienie surowca. Ślimak ten wykorzystuje również pełną barierę obwodową na końcu sekcji przejściowej, aby zagwarantować plastyfikację całkowicie stopionego tworzywa przed końcowym mieszaniem i pompowaniem.
W przypadku ślimaka extrudera pozbawionego bariery część złoża granulek tworzywa rozpadnie się i zostanie stopiona w pierwszej kolejności. Pozostałe niestopione granulki można stopić tylko poprzez konwekcję ciepła z otaczającego stopu. Topienie przez konwekcję ciepła nie jest wydajnym mechanizmem topienia materiałów polimerowych ze względu na ich ograniczoną przewodność cieplną. Dlatego niestopiony polimer może nadal przepływać przez wylotowy koniec wytłaczarki, powodując niepożądany produkt. Ślimaki barierowe mogą rozwiązać ten problem poprzez oddzielenie kanałów stopionego i stałego za pomocą zgarniaka wtórnego zwanego zgarniaczem barierowym. Sekcja barierowa, w której zachodzi główna część topienia, jest umieszczona pomiędzy sekcją karmienia i dozującą. Sekcja bariery zazwyczaj zastępuje sekcję przejściową; istnieją jednak konstrukcje ślimaków z oddzielnymi sekcjami przejściowymi i barierowymi.
Istnieją dwa główne projekty ślimaków barierowych; stała głębokość i stała szerokość. Jak sama nazwa wskazuje, głębokość kanałów dla niestopionych granulek polimeru oraz stopionych pozostaje niezmieniona przy konstrukcji o stałej głębokości. Szerokość kanału dla niestopionych granulek staje się węższa wzdłuż długości ślimaka, podczas gdy kanał stopu staje się szerszy. W przeciwieństwie do tego, ślimaki barierowe o stałej szerokości mają szerokość kanału dla stopionego i niestopionego polimeru, niezmienione w całej sekcji bariery, podczas gdy ich głębokości są różne; głębokość kanału materiału stałego zmniejsza się, a głębokość kanału topienia wzrasta.
Zasady doboru ślimaków do procesu wytłaczania.
Długość strefy zasilania ślimaka ekstrudera powinna być tym większa, im wyższa jest temperatura mięknienia tworzywa, przy czym niekiedy redukuje się jej długość kosztem wstępnego podgrzania materiału. Długość strefy sprężania powinna być tym większa, im wyższa jest temperatura mięknięcia oraz jej zakres. Tworzywa amorficzne, cechuje dość szeroki zakres temperatur mięknienia. Tworzywa krystaliczne, topią się w niewielkim zakresie temperatur. Może to być zaledwie kilka stopni, zatem do ich wytłaczania stosuje się ślimaki z krótką (1-2D) strefą sprężania. Nieco inaczej jest w przypadku tworzyw łatwo odkształcalnych, jak LDPE, gdzie można stosować nawet ślimaki dwustrefowe z długą strefą sprężania, w której niestopione jeszcze granulki tworzywa ulegają od początku powolnemu ściskaniu.
Optymalny stopień sprężania ślimaka (stosunek wysokości kanału ślimaka w strefie zasilania do jego wysokości w strefie dozowania) powinien być większy od stosunku gęstości stałego tworzywa do jego gęstości nasypowej. Zatem tworzywa w postaci proszku będą wymagać ślimaka o większym stopniu sprężania niż ten sam materiał w postaci granulatu. Parametr ten zależy także od lepkości materiału w warunkach wytłaczania i tak dla tworzyw amorficznych, wykazujących dużą lepkość stopu wskazane są ślimaki o małym stopniu sprężania, aby uniknąć przegrzewania intensywnie ścinanego materiału oraz nadmiernego obciążenia układu napędowego ślimaka.
Niewielkie stopnie sprężania ślimaka, rzędu 2 zalecane są przy przetwórstwie tworzyw niestabilnych termicznie. Do takich tworzyw należy PVC, dla których zbyt duży stopień sprężania mógłby spowodować degradację materiału. Dla stabilnych termicznie tworzyw semikrystalicznych, jak PE czy PP stosować można wysokie stopnie sprężania, rzędu 4 i więcej. Przedstawione zależności wskazywałyby na konieczność dysponowania dużą liczbą ślimaków, aby przy każdej zmianie surowca uzyskać optymalne warunki wytłaczania.
W praktycznych zastosowaniach jest to rozwiązanie kosztowne. W pewnych warunkach istnieje możliwość dopasowania ślimaków do innych tworzyw poprzez zmianę regulowalnych parametrów pracy wytłaczarki, takich jak prędkość obrotowa ślimaka czy temperatury stref grzejnych. Ślimak do LDPE można wykorzystać do wytłaczania PP przy nieco większych prędkościach obrotowych. Ślimak do PS może również służyć do przetwórstwa PC po podwyższeniu temperatur stref grzejnych. Ślimak wytłaczarki ogólnego przeznaczenia jest zaprojektowany w taki sposób tak, aby pasował do jak najszerszej gamy tworzyw sztucznych. Taki ślimak zastosowany w wytłaczarce nie jest idealną odpowiedzią na przetwarzanie jakiegokolwiek konkretnego materiału.