Selama proses extrusion, partikel plastik mengalir dari hopper menuju ke feed throat dari sebuah extruder. Gaya gravitasi biasanya menjadi gaya penggerak utama dalam pengaliran padatan di hopper. Untuk bentuk pelet dan beberapa granul, gaya ini menghasilkan mass flow atau hopper flow, di mana semua partikel bergerak turun secara bersamaan menuju feed throat.
Namun, ketika partikel mudah memadat, material di sekitar tepi hopper bisa menjadi diam, sementara partikel hanya mengalir melalui saluran sempit di bagian tengah (center channel) sehingga terjadi funnel flow.
Aliran massa partikel (mass flow) akan berhenti bila partikel-partikel tersebut membentuk jembatan (bridging) di dasar hopper. Sebaliknya, funnel flow akan berhenti karena piping, yaitu ketika cincin material yang tidak bergerak menghalangi aliran partikel melalui corong.
Karena fenomena funnel flow, bridging, dan piping sering terjadi pada material dengan massa jenis curah (bulk density) rendah, maka desain hopper dan feed port dimodifikasi untuk mengatasi masalah tersebut. Selain itu, bagian feed throat biasanya didinginkan untuk mencegah partikel plastik meleleh di dasar hopper, yang dapat membentuk jembatan padatan.
Ketika single-screw extruder diberi umpan secara tidak penuh (starve-fed) (lihat Gambar 5.12d), partikel plastik tidak langsung mengisi seluruh alur ulir (screw channel). Akibatnya, beberapa alur pertama di zona umpan (feed zone) tidak memiliki tekanan yang cukup untuk memadatkan partikel polimer.
Pengangkutan partikel di saluran yang tidak terisi penuh menjadi tidak stabil dibandingkan saluran yang terisi penuh. Karena itu, metode pemberian umpan terukur (metered feeding) jarang digunakan pada single-screw extruder.
Namun, metode ini bisa digunakan untuk:
- mengurangi beban motor,
- membatasi kenaikan suhu,
- menambahkan beberapa komponen melalui satu hopper,
- meningkatkan proses pencampuran (mixing) dalam single-screw extruder,
- mengontrol aliran pada vented barrel extruder, serta
- memberi umpan untuk material dengan bulk density
Setelah partikel plastik mencapai feed zone, partikel-partikel tersebut dipadatkan menjadi lapisan padat (solid bed). Lapisan padat ini kemudian dibawa ke bawah sepanjang extruder melalui gaya geser kental (viscous drag atau drag flow).
Dalam proses ini, lapisan padat lebih melekat pada dinding barrel dan terdorong ke depan oleh gerakan rotasi tepi depan ulir (screw flight). Saat lapisan padat bergerak ke bawah, tekanan di dalamnya meningkat secara bertahap.
Teori feed zone yang dikembangkan oleh Darnell dan Mol mengasumsikan bahwa lapisan padat bergerak seperti plug flow (aliran sumbat). Dengan demikian, perpindahan padatan bergantung pada:
- dimensi saluran ulir (channel dimension),
- kecepatan ulir (screw speed),
- massa jenis curah padatan,
- koefisien gesekan antara lapisan padat dengan dinding barrel,
- koefisien gesekan antara lapisan padat dengan ulir, dan
- gradien tekanan pada feed zone.
Transportasi padatan meningkat dengan kecepatan ulir dan kedalaman saluran yang lebih dalam pada awalnya. Namun, jika saluran terlalu dalam, gesekan antara lapisan padat dan ulir juga meningkat sehingga menurunkan efisiensi pengangkutan padatan.
Suhu barrel hanya sedikit memengaruhi karakteristik gesekan, sehingga pengaruhnya terhadap perpindahan padatan terbatas. Biasanya, beberapa zona pemanas pertama justru dijaga tetap lebih dingin dibanding zona berikutnya untuk mencegah peleburan dini pada lapisan padat.
Lapisan permukaan ulir sering dilapisi bahan pelindung untuk mencegah polimer menempel, seperti:
- PTFE (Teflon) berlapis nikel,
- pelapisan krom-PTFE,
- nitrida titanium,
- boron nitrida, atau
- disulfida tungsten.
Beberapa extruder juga menggunakan pemanasan pada ulir (bukan pendinginan) untuk mengubah koefisien gesekan di akar ulir dan meningkatkan perpindahan padatan. Selain itu, grooved barrel dapat meningkatkan gesekan antara lapisan padat dan dinding barrel, sehingga meningkatkan laju perpindahan padatan. Namun, semakin tinggi tekanan, laju perpindahan padatan akan menurun.
Perpindahan padatan paling sensitif terhadap koefisien gesekan (COF) di dinding barrel dan akar ulir. Pada tekanan rendah, COF meningkat cepat seiring kenaikan suhu lalu menurun lagi. Pada tekanan tinggi, COF justru hanya menurun saat suhu naik. Akibatnya, kemampuan perpindahan padatan sangat bergantung pada jenis polimer, aditifnya, dan kondisi proses extrusion.
Sebagian besar proses peleburan (melting) terjadi di transition zone, namun sebagian polimer dapat mulai meleleh di feed zone dan baru sepenuhnya cair di metering zone.
Walaupun pemanas dan kipas pendingin mengatur profil suhu barrel, konduksi panas dari dinding barrel hanya menyumbang 0–30% energi peleburan, sisanya berasal dari gerakan mekanik ulir (viscous dissipation) — cara yang jauh lebih efisien untuk melelehkan plastik.
Model peleburan utama dikembangkan oleh Tadmor.
Pada awal transition zone, lapisan polimer cair terbentuk antara lapisan padat dan dinding barrel. Lapisan cair ini terkumpul di tepi depan ulir dan membentuk melt pool.
Seiring makin banyak padatan yang meleleh, melt pool membesar dan terjadi pusaran (vortex) di dalamnya. Lapisan padat mengecil hingga akhirnya hancur oleh pusaran tersebut, dan sisa partikel yang belum meleleh akan meleleh karena panas dari polimer cair di sekitarnya.
Jika masih ada partikel padat hingga akhir metering zone, partikel tersebut akan tertahan di screen pack atau keluar bersama produk (extrudate).
Untuk mengatasi masalah solid-bed breakup, dikembangkan desain ulir dengan Maddock mixing section dan barrier screw.
- Maddock mixing meningkatkan gaya geser tinggi pada partikel yang belum meleleh, sehingga mempercepat pelelehan.
- Barrier screw memisahkan lapisan padat dan melt pool, sehingga mencegah pencampuran yang tidak merata.
Dalam barrier screw, transition zone memiliki dua saluran:
- Saluran utama untuk lapisan padat.
- Saluran sekunder untuk aliran lelehan.
Ketika padatan mulai meleleh, lapisan lelehan terdorong melewati dinding pemisah (barrier flight) menuju saluran sekunder. Seiring pergerakan plastik, volume saluran padat berkurang dan saluran lelehan membesar, hingga akhirnya hanya tersisa satu saluran di metering zone.
Semua desain barrier screw bertujuan memastikan padatan benar-benar meleleh agar aliran stabil dan tidak terjadi surging (lonjakan aliran). Jika peleburan tidak seimbang dengan penyempitan saluran, maka bisa terjadi penyumbatan (plugging) yang menyebabkan surging.
Di metering zone, polimer umumnya sudah dalam bentuk cair. Ulir yang berputar mendorong lelehan di sepanjang dinding barrel, menghasilkan drag flow (QD) yang menjadi gaya utama pengangkut.
Ketika die dipasang di ujung extruder, terbentuk gradien tekanan besar (head pressure) yang menimbulkan dua jenis aliran tambahan:
- Pressure flow (QP) – aliran yang disebabkan tekanan balik dari die.
- Leakage flow (QL) – lelehan yang terdorong balik melewati celah antara ulir dan dinding barrel.
Kedua aliran ini berlawanan arah dengan drag flow, dan secara keseluruhan disebut back flow.
Ketika drag flow mendominasi, output extruder meningkat secara linear terhadap kecepatan ulir. Namun, tekanan juga meningkat seiring kecepatan ulir, dan efek akhirnya sangat tergantung pada viskositas lelehan.
- Pada lelehan dengan viskositas tinggi → pressure flow kecil, output stabil.
- Pada viskositas rendah → pressure flow besar, output berkurang.
Kedalaman saluran, desain ulir, dan panjang metering zone juga memengaruhi fenomena ini.
Leakage flow meningkat bila celah antara ulir dan barrel (flight clearance) membesar, atau saat lelehan sangat encer. Pada extruder baru, efeknya kecil, namun seiring keausan ulir dan barrel, leakage flow meningkat dan output menurun, sehingga penurunan output digunakan sebagai indikator keausan.
Output die meningkat dengan head pressure serta viskositas rendah dan celah die yang lebih besar. Namun, hasil akhir juga dipengaruhi oleh kualitas produk. Kurva karakteristik die biasanya digunakan untuk menemukan kondisi proses optimal, serta menghindari cacat seperti melt fracture atau incomplete melting.
Tekanan lelehan (head pressure) diukur di ujung extruder, biasanya sebelum breaker plate, dengan sensor tekanan (pressure transducer).
Pemantauan tekanan penting untuk keamanan, kualitas produk, penelitian dan pengembangan, kondisi screen pack, serta troubleshooting proses. Karena tekanan dapat mencapai 69 MPa (10.000 psi), sistem otomatis akan menghentikan operasi jika tekanan berlebih terdeteksi.
Fluktuasi tekanan (surging) menyebabkan variasi output dan bisa menjadi indikator masalah kualitas produk atau keausan komponen.
Suhu lelehan (melt temperature) juga dipantau. Nilai ini bergantung pada posisi sensor, jenis material, dan kondisi proses. Thermocouple yang menempel langsung ke dinding barrel akan sangat dipengaruhi suhu dinding. Jenis sensor lainnya (seperti sensor inframerah) dapat mengukur rata-rata suhu lelehan, namun biayanya mahal dan ketersediaannya terbatas.
Karena geseran tertinggi terjadi di dekat dinding, dan pendinginan juga lebih kuat di sana, maka sering terdapat perbedaan suhu hingga 50°C antara bagian tengah dan tepi saluran lelehan. (by : niginashq) #plasticpallet #plasticrecycle #bumimulia #paletplastik
Source : Modern Plastic Handbook (Charles A. Harper)