Tại sao không thể có “trục vít phổ dụng” cho mọi loại nhựa?

Gần đây, có người hỏi tôi về “trục vít phổ dụng” trong ép phun và ép đùn:

“Vì sao đến giờ vẫn chưa có một thiết kế trục vít có thể dùng cho mọi loại nhựa?”

Với nhiều người, “nhựa” dường như đều giống nhau. Nhưng thực tế, mỗi loại nhựa có đặc tính xử lý rất khác biệt.

Ba chức năng chính của trục vít

Một trục vít đơn thực hiện ba chức năng cơ bản:

Vận chuyển hạt nhựa rắn (solids conveying)
Nấu chảy nhựa (melting)
Định lượng và tạo áp (metering or pumping)

Mỗi chức năng này phụ thuộc trực tiếp vào đặc tính riêng của từng loại polymer, bao gồm:

tính dẫn nhiệt,
độ đàn hồi nhớt (viscoelasticity),
mật độ ở trạng thái rắn và lỏng,
và hệ số ma sát.

Những đặc tính này thay đổi rất lớn giữa các loại nhựa, khiến một trục vít “phổ dụng” không thể xử lý hiệu quả tất cả chúng.

Điều này không có nghĩa là một số nhựa hoàn toàn không thể chạy trên cùng một trục vít — mà là chúng sẽ không đạt hiệu suất tối ưu.

Ví dụ: So sánh HDPE và HIPS

Hãy so sánh hai loại polymer phổ biến trong ép đùn: HDPE (polyethylene mật độ cao) và HIPS (polystyrene chịu va đập cao).

Nhiệt dung riêng và nhiệt độ gia công của hai loại này khá tương đồng, nhưng:

HDPE có nhiệt dung riêng trung bình 0.55 Btu/lb-°F,
HIPS chỉ 0.40 Btu/lb-°F.

=> Nghĩa là cần nhiều hơn 37,5% năng lượng để đưa 1 pound HDPE lên nhiệt độ gia công so với HIPS.

Ngoài ra, HDPE là vật liệu bán tinh thể (crystalline) — có nhiệt độ nóng chảy rõ ràng, trong khi PS là amorphous (vô định hình), không có điểm nóng chảy cụ thể.

Để phá vỡ cấu trúc tinh thể của HDPE, cần thêm khoảng 100 Btu/lb (nhiệt nóng chảy), nên tổng năng lượng tiêu thụ của HDPE gần 50% cao hơn so với HIPS.

Ảnh hưởng của độ nhớt và tính đàn hồi

Polymer còn khác nhau ở độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ và tốc độ cắt (shear rate).

Hai thông số đặc trưng là:

hệ số định luật công suất (n) — biểu thị mức độ độ nhớt thay đổi theo shear rate;
chỉ số độ nhớt (m) — biểu thị độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ.

Hai thông số này quyết định sự biến đổi của độ nhớt khi gia tăng shear và nhiệt độ.

Ví dụ, HIPS có độ thay đổi độ nhớt theo shear cao hơn HDPE khoảng 50%.

Khác biệt về mật độ và hiệu suất nấu chảy

HDPE có mật độ rắn bằng khoảng 90% của PS, nhưng mật độ khi nóng chảy chỉ bằng 77%.

Điều này nghĩa là khi tan chảy, HDPE giãn nở thể tích, làm giảm khối lượng nhựa chảy ra mỗi vòng quay trục vít.

Để đạt cùng năng suất (lb/giờ), rãnh vít của HDPE phải sâu hơn khoảng 38% so với HIPS, và tỷ lệ nén trục vít cũng cần được điều chỉnh để bù cho sự giãn nở này.

Tác động ngược khi đổi vật liệu

Vì HIPS phản ứng mạnh hơn với shear, nên nếu dùng trục vít thiết kế cho HDPE (rãnh sâu hơn) để chạy HIPS, nhựa HIPS có thể không nóng chảy hoàn toàn, do độ nhớt giảm nhanh và nhiệt sinh ra từ shear không đủ để nấu chảy phần rắn còn lại.

Tốc độ cấp liệu và ma sát

Tốc độ cấp liệu (feeding rate) – yếu tố quyết định năng suất trục vít – phụ thuộc vào:

hình dạng và mật độ hạt nhựa,
ma sát giữa các hạt,
và ma sát giữa hạt với thành kim loại của phễu, cổ nạp và xilanh.

Các nghiên cứu chỉ ra rằng:

PS có hệ số ma sát động với thép cao hơn HDPE khoảng 50%, ảnh hưởng đến tốc độ cấp liệu, mức độ nén trong rãnh vít đầu và hiệu quả nấu chảy tổng thể.

Không thể có một trục vít cho tất cả

Khi xét toàn bộ các yếu tố — nhiệt dung, độ nhớt, ma sát, mật độ, cấu trúc tinh thể — ta thấy mỗi sự khác biệt đều ảnh hưởng đến hiệu suất ép đùn.

Ngay cả HDPE và PS, vốn không quá khác biệt, cũng khó có thể xử lý tối ưu bằng cùng một thiết kế trục vít.

Giờ hãy tưởng tượng phải thiết kế trục vít có thể xử lý thêm nhựa có nhiệt độ chảy cao như PC (polycarbonate) hoặc các loại nhựa cần sấy khô trước khi gia công — sự khác biệt càng lớn hơn nữa.

Kết luận

Mỗi loại nhựa có những đặc tính riêng ảnh hưởng đến yêu cầu của quá trình ép đùn.

Vì vậy, chúng ta vẫn cần những thiết kế trục vít riêng biệt cho từng nhóm polymer.

Tuy nhiên, khi đã phát triển được thiết kế chuẩn cho một loại nhựa, ta có thể thu nhỏ hoặc mở rộng (scale-up/down) theo tỷ lệ để tạo ra các kích thước khác nhau mà vẫn giữ hiệu suất ổn định — miễn là không thay đổi quá lớn về kích thước.

Nguồn:PT Plastic technology

Giải pháp và dịch vụ kỹ thuật

Tại sao không thể có “trục vít phổ dụng” cho mọi loại nhựa?