رفع مشکلات تولید لوله پلی اتیلن؛ عیب‌یابی + راهکار

صنعت تولید لوله‌های پلی‌اتیلن (Polyethylene Pipes) یکی از حساس‌ترین و دقیق‌ترین حوزه‌های صنایع پلاستیک است. رقابت در این بازار تنها بر سر قیمت نیست، بلکه کیفیت نهایی محصول، صافی سطح، مقاومت در برابر فشار هیدرواستاتیک و طول عمر لوله، تعیین‌کننده برنده نهایی است. تولیدکنندگان حرفه‌ای به‌خوبی می‌دانند که مشکلات تولید لوله پلی اتیلن می‌تواند منجر به تولید حجم عظیمی از ضایعات، توقف خطوط تولید و در نهایت ضررهای هنگفت مالی شود.

در این مقاله مرجع، ما فراتر از نصایح عمومی می‌رویم. ما به عمق فرآیند اکستروژن نفوذ می‌کنیم، دینامیک سیالات پلیمری را بررسی می‌کنیم و نقش حیاتی مواد اولیه (مانند مستربچ‌ها و پرکننده‌های کربنات کلسیم) را در بروز یا رفع این مشکلات تحلیل خواهیم کرد. اگر به دنبال بهینه‌سازی خط تولید خود و رسیدن به استانداردهای بین‌المللی هستید، این مطلب نقشه راه شماست.

دسته‌بندی کلی عیوب در لوله‌های پلی اتیلن

برای برخورد سیستماتیک با مشکلات، ابتدا باید آن‌ها را دسته‌بندی کنیم. تجربه نشان داده است که ۹۰ درصد ایرادات خطوط تولید لوله پلی اتیلن در سه دسته اصلی جای می‌گیرند:

1. عیوب ظاهری و سطحی: مانند زبری، پوست کوسه‌ای شدن (Sharkskin)، مات بودن یا سوختگی سطح.
2. عیوب ابعادی و ساختاری: نوسانات ضخامت دیواره، دوپهنی (Ovality) و انحراف از استاندارد قطر.
3. عیوب مکانیکی و فیزیکی: شکنندگی، تست ضربه ضعیف و عدم تحمل فشار هیدرواستاتیک.

۱. تحلیل تخصصی زبری سطح و پدیده شکست مذاب (Melt Fracture)

یکی از شایع‌ترین مشکلات تولید لوله پلی اتیلن، زبری سطح داخلی یا خارجی لوله است. این پدیده که در ادبیات فنی با نام‌های مختلفی مثل “پوست پرتقالی” یا “پوست کوسه‌ای” شناخته می‌شود، ناشی از ناپایداری جریان مذاب در حین خروج از دای (Die) است.

علل ریشه‌ای زبری سطح:

• تنش برشی بالا (Shear Stress): زمانی که سرعت خروج مواد از دای بیش از حد بحرانی باشد، مذاب پلیمر نمی‌تواند به نرمی روی دیواره فلزی دای بلغزد. این اصطکاک باعث پارگی سطح جریان و ایجاد زبری می‌شود.
• دمای نامناسب دای: سرد بودن لب‌های دای (Die Lips) باعث می‌شود لایه بیرونی مذاب سریع‌تر سرد شده و حالت الاستیک پیدا کند که منجر به ترک‌های ریز سطحی می‌شود.
• آلودگی دای: وجود ذرات سوخته یا کربنیزه شده در دهانه قالب، مسیر خروج مواد را مختل کرده و خطوط طولی روی لوله ایجاد می‌کند.

راهکارهای عملیاتی رفع زبری:

برای رفع این مشکل، گام‌های زیر را به ترتیب اجرا کنید:

1. دمای بخش‌های انتهایی سیلندر و به‌ویژه دای را (حدود ۵ تا ۱۰ درجه) افزایش دهید تا ویسکوزیته کاهش یابد.
2. از تمیز بودن کامل دای و عدم وجود گرفتگی اطمینان حاصل کنید. پولیش کردن سطح داخلی دای می‌تواند معجزه کند.
3. بررسی فرمولاسیون: استفاده از کمک‌فرآیندها (Processing Aids) و همچنین پودر کربنات کلسیم با دانه‌بندی میکرونیزه و پوشش‌دار (Coated) می‌تواند لغزندگی مذاب را افزایش داده و تنش برشی را به شدت کاهش دهد.

«ناپایداری‌های جریان پلیمری در ناحیه خروجی دای، تابعی مستقیم از نرخ برش و خواص ویسکوالاستیک ماده است. افزودن فیلرهای معدنی مناسب می‌تواند با تغییر رئولوژی، آستانه شکست مذاب را به تاخیر بیندازد.»

– برگرفته از مقالات Journal of Applied Polymer Science (ترجمه و تلخیص)

۲. نوسانات ضخامت و عدم تمرکز (Eccentricity)

تولید لوله‌ای که در یک طرف ضخیم و در طرف دیگر نازک باشد، نه تنها استاندارد را پاس نمی‌کند، بلکه باعث هدررفت مواد اولیه می‌شود. این مشکل معمولاً به تنظیمات مکانیکی و فرآیند خنک‌کاری مربوط است.

دلایل ایجاد نوسان ضخامت:

اگر ضخامت لوله در طول زمان تغییر می‌کند (نوسان سینوسی)، مشکل احتمالا از نوسان خروجی اکسترودر (Surging) یا عدم یکنواختی کشنده (Haul-off) است. اما اگر ضخامت در محیط لوله متفاوت است (یک طرف نازک، یک طرف ضخیم)، مشکل از عدم هم‌مرکزی دای و مندرل یا تنظیمات نامناسب تانک خلاء است.

نقش حیاتی میکسینگ مواد: اگر مواد اولیه به درستی در اکسترودر مخلوط نشوند (Poor Homogeneity)، مذاب با چگالی و دمای متفاوت به دای می‌رسد. اینجاست که کیفیت اسکرو (مارپیچ) و همچنین کیفیت پودر کربنات کلسیم مصرفی اهمیت پیدا می‌کند. پودرهای بی‌کیفیت با توزیع اندازه ذرات نامناسب، باعث نوسان فشار پشت دای و در نتیجه نوسان ضخامت می‌شوند.

۳. حباب، حفره و تخلخل در بافت لوله

مشاهده حباب در مقطع برش‌خورده لوله یکی از خطرناک‌ترین مشکلات تولید لوله پلی اتیلن است، زیرا مستقیماً مقاومت فشاری لوله را کاهش می‌دهد.

• رطوبت: دشمن شماره یک پلی‌اتیلن و فیلرها، رطوبت است. اگر مواد اولیه (به‌ویژه کامپاندها یا پودرهای افزودنی) رطوبت داشته باشند، در دمای بالای اکسترودر بخار شده و تبدیل به حباب می‌شوند.
• مواد فرار (Volatiles): تجزیه حرارتی برخی افزودنی‌های نامرغوب می‌تواند گاز تولید کند.
• هواکشی نامناسب (Venting): اگر اکسترودر دارای سیستم گازگیر (Vented Extruder) است، گرفتگی منافذ آن باعث حبس شدن هوا در مذاب می‌شود.

۴. سوختگی و تغییر رنگ پلیمر (Degradation)

ظاهر شدن رگه‌های زرد یا قهوه‌ای روی لوله یا بوی تند سوختگی، نشان‌دهنده تخریب حرارتی پلیمر است. پلی‌اتیلن به حرارت حساس است و اگر بیش از حد در سیلندر باقی بماند یا دمای المنت‌ها از حد مجاز فراتر رود، زنجیره‌های پلیمری شکسته می‌شوند.

نقاط مرده (Dead Spots): طراحی نامناسب کلگی (Die Head) می‌تواند باعث شود مواد در گوشه‌ها گیر کرده، بسوزند و ناگهان کنده شده و وارد جریان لوله شوند. این ذرات سوخته نقاط تمرکز تنش هستند و لوله در تست فشار دقیقاً از همین نقاط می‌ترکد.

۵. نقش استراتژیک مواد افزودنی در کاهش مشکلات تولید

امروزه تولید لوله پلی اتیلن خالص بدون افزودنی‌ها تقریباً غیرممکن یا غیررایح است (مگر در گریدهای خاص آب‌رسانی حساس). استفاده از مستربچ‌ها و پرکننده‌ها (Fillers) برای کاهش قیمت تمام شده و بهبود خواص مکانیکی رایج است. اما شمشیر دو لبه اینجاست:

اگر از پودر کربنات کلسیم با مش‌بندی دقیق و خلوص بالا استفاده کنید، نه تنها مشکل ایجاد نمی‌کند، بلکه:

• مدول الاستیسیته (سفتی) لوله را افزایش می‌دهد.
• ثبات ابعادی لوله را در حین خنک شدن بهبود می‌بخشد (کاهش جمع‌شدگی یا Shrinkage).
• باعث انتقال حرارت بهتر و خنک‌کاری سریع‌تر لوله می‌شود که سرعت تولید را بالا می‌برد.

در مقابل، استفاده از پودرهای ارزان و دانه‌درشت، حکم سمباده را برای سیلندر و مارپیچ دارد و باعث استهلاک شدید دستگاه و افت کیفیت لوله می‌شود.

۶. مشکلات بخش خنک‌کاری و سایزینگ (Vacuum Tank)

پس از خروج از دای، لوله وارد وان خلاء می‌شود. تنظیم نبودن میزان خلاء می‌تواند مشکلات زیر را ایجاد کند:

• خلاء زیاد: اصطکاک شدید لوله با کالیبراتور، ایجاد خط و خش روی سطح خارجی و گیر کردن لوله.
• خلاء کم: عدم شکل‌گیری صحیح لوله، دوپهنی شدن و افتادگی لوله (Sagging) به دلیل نیروی جاذبه قبل از خنک شدن کامل.

آب خنک‌کننده باید تمیز و بدون رسوب باشد. گرفتگی نازل‌های آبپاش در وان خلاء باعث خنک شدن نامتقارن لوله و ایجاد تنش‌های پسماند (Residual Stress) می‌شود که در نهایت موجب تاب‌برداشتن لوله (Warpage) خواهد شد.