เครื่องคอมพาวด์สกรูคู่ (Twin-screw compounding line)
เครื่องที่ผลิต masterbatch และคอมพาวด์

ภาพรวมเครื่อง

เครื่องคอมพาวด์ไม่ได้ทำชิ้นงาน หน้าที่ของมันคือรับเม็ดพลาสติก (carrier resin) ผงสี สารเติมแต่ง และ filler มาหลอม ผสม ไล่ก๊าซ แล้วตัดเป็นเม็ดใหม่ที่ทุกเม็ดมีสูตรเท่ากัน ผลผลิตมีสองแบบ คือ masterbatch (สูตรเข้มข้น เติมทีละไม่กี่เปอร์เซ็นต์ที่เครื่องฉีดหรือเครื่องรีด) และ compound (สูตรพร้อมใช้ เช่น PP ผสม talc หรือ FR PP ที่ใช้ทั้งถุง)

ต่างจากเครื่องรีดสกรูเดี่ยวสามข้อ ข้อแรก สกรูสองแท่งขบกันและหมุนทางเดียวกัน (co-rotating intermeshing) ผิวสกรูปาดกันเอง (self-wiping) เนื้อจึงไม่ค้างนาน ข้อสอง สกรูประกอบจากชิ้นย่อย (screw elements) สวมบนแกนเฟือง จัดลำดับชิ้นใหม่ได้ตามสูตร ข้อสาม เครื่องถูกป้อนแบบไม่เต็มร่อง (starve-fed) feeder เป็นตัวกำหนดปริมาณผลิต ส่วนรอบสกรูกำหนดพลังงานผสม สองค่านี้แยกกันปรับได้ ซึ่งเป็นเหตุผลหลักที่งานผสมใช้เครื่องแบบนี้

1. Feeder หลักแบบชั่งน้ำหนัก (loss-in-weight feeder) — ชั่ง hopper ทุกวินาที แล้วปรับรอบ auger ให้ได้ kg/h ตามค่าตั้ง สูตรที่มีหลายวัตถุดิบใช้หลายตัว
2. มอเตอร์หลัก (main motor) — ให้กำลังขับ ปรับรอบได้
3. Gearbox — ลดรอบ แบ่ง torque ไปสองแกนเท่ากัน และรับแรงดันย้อนจากดายด้วย thrust bearing
4. กระบอกแบบท่อน (barrel segments) — ต่อกันหลายท่อน แต่ละท่อนมีฮีตเตอร์และช่องน้ำหล่อเย็นของตัวเอง
5. สกรูคู่ (co-rotating screws) — ชิ้นสกรูสวมบนแกนเฟือง เรียงลำดับตามงาน
6. Side feeder — สกรูคู่ขนาดเล็กดัน filler หรือใยแก้วเข้าด้านข้างกระบอก หลังพลาสติกหลอมแล้ว
7. ช่องระบายอากาศ (atmospheric vent) — ปล่อยอากาศที่ติดมากับผงและ filler
8. ช่องสุญญากาศ (vacuum vent) — ดูดความชื้น monomer และสารระเหยออกก่อนถึงดาย ผ่านถังดักไอ (knock-out pot) ไปปั๊ม
9. Screen changer และ die plate — กรองสิ่งปนเปื้อน แล้วแบ่งพลาสติกหลอมเป็นเส้น (strand)
10. รางน้ำหล่อเย็น (water bath) — ทำให้เส้นแข็งพอจะตัด
11. Air knife — เป่าน้ำออกจากผิวเส้นก่อนตัด
12. เครื่องตัดเม็ด (strand pelletizer) — ตัดเส้นเป็นเม็ด แล้วส่งต่อไปตะแกรงคัดขนาดและบรรจุ

ส่วนประกอบทีละหน่วย

1. ระบบป้อน (feeding)

ความแม่นของสูตรถูกตัดสินที่ feeder ไม่ใช่ที่สกรู เพราะเครื่องแบบ starve-fed ไม่มีกลไกแก้สัดส่วนที่ป้อนผิด มีสองแนวทางป้อน:

• Premix ผสมทุกอย่างในเครื่องผสม (เช่น high-speed mixer หรือ tumble mixer) แล้วป้อนด้วย feeder ตัวเดียว ง่ายและใช้ feeder น้อย แต่เม็ดกับผงมีขนาดและความหนาแน่นต่างกัน จึงแยกชั้น (segregation) ระหว่างทางได้
• Split feeding ใช้ feeder แยกต่อวัตถุดิบ เช่น เม็ด carrier · premix ของผงสีหรือสารเติมแต่ง · filler ทาง side feeder แม่นกว่าและเปลี่ยนสูตรเร็วกว่า แต่ต้องมี feeder หลายตัว สารที่ใช้สัดส่วนน้อยมากมักผสมกับผงพลาสติกเป็น premix ย่อยก่อน เพื่อให้ feeder ทำงานในช่วงที่แม่น

2. ระบบขับ (drive)

ตัวเลขที่บอกความสามารถของเครื่องสกรูคู่ได้ดีที่สุดคือ specific torque หน่วย Nm/cm³ คือ torque ต่อแกนหารด้วยระยะห่างระหว่างแกนยกกำลังสาม (Md/a³) ใช้เทียบเครื่องต่างขนาดกันได้ เครื่องรุ่นใหม่มักอยู่ราว 10–18 Nm/cm³ เครื่องรุ่นเก่ามักต่ำกว่า ค่าอ้างอิงทั่วไป ต้องยืนยันกับผู้ผลิตเครื่องและ TDS torque สูงหมายถึงป้อนได้มากขึ้นที่รอบเท่าเดิม และเดินสูตรหนืดหรือ filler สูงได้โดยไม่ต้องเร่งรอบจนพลาสติกร้อนเกิน

3. ส่วนหลอมและผสม (process section)

กระบอกทำจากหลายท่อนต่อกัน ความยาวรวมเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลางสกรูคือ L/D ท่อนที่มีช่องเปิด (ช่องป้อน side feeder vent) สลับตำแหน่งได้ ส่วนสกรูวัดความลึกร่องด้วย Do/Di คือเส้นผ่านศูนย์กลางนอกหารด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางโคนร่อง ค่าสูงแปลว่าร่องลึก ปริมาตรว่างมาก รับผงฟูหรือ filler ได้มาก แต่แกนเล็กลงจึงรับ torque ได้น้อยลง เครื่องทั่วไปอยู่ราว 1.5–1.8 ค่าอ้างอิงทั่วไป ต้องยืนยันกับผู้ผลิตเครื่องและ TDS

การจัดเรียงชิ้นสกรู (screw configuration)

ชิ้นสกรูแต่ละแบบทำงานต่างกัน การเลือกและเรียงลำดับชิ้นจึงเป็นส่วนหนึ่งของสูตร ไม่ใช่แค่การตั้งเครื่อง

• ชิ้นลำเลียง (conveying elements) พิตช์ยาวลำเลียงเร็ว ร่องไม่เต็ม ใช้ใต้ช่องป้อนและช่อง vent พิตช์สั้นใช้สร้างแรงดันก่อนดาย
• ชุดนวด (kneading block) จานหลายแผ่นเรียงเหลื่อมกันเป็นมุม (stagger angle) เหลื่อมเดินหน้า 30–60° ยังช่วยลำเลียงและเฉือนปานกลาง · 90° (neutral) ไม่ลำเลียง กักเนื้อและเฉือนมากขึ้น · เหลื่อมถอยหลัง (reverse) ต้านการไหล ทำให้หน้าชุดนวดเต็มร่องและใช้พลังงานสูง
• ความกว้างของจาน จานกว้างเฉือนแรง เน้นตีก้อนให้แตก (dispersive mixing) จานแคบแบ่งและพับกระแสบ่อย เน้นกระจายให้ทั่ว (distributive mixing)
• ชิ้นผสม (mixing elements) แบบมีฟันหรือร่องบาก ผสมแบบกระจายด้วยแรงเฉือนต่ำ เหมาะกับสารที่ไม่ทนแรงเฉือนและใยแก้วที่ไม่ควรถูกตัดสั้น
• ชิ้นถอยหลัง (reverse elements) ใช้เป็นซีลก่อนช่องสุญญากาศ พลาสติกหลอมเต็มร่องตรงนี้จนอากาศจากด้านหลังรั่วเข้ามาไม่ได้

Dispersive คือการตีก้อน (agglomerate) ของผงสีหรือ filler ให้เล็กลง ต้องใช้แรงเฉือนหรือแรงยืดที่สูงกว่าแรงยึดของก้อน Distributive คือการกระจายให้ทั่วโดยไม่ได้ทำให้ก้อนเล็กลง masterbatch ที่ดีต้องได้ทั้งสองอย่าง เวลาที่เนื้ออยู่ในเครื่อง (residence time) สั้น มักอยู่ราว 10–60 วินาที ค่าอ้างอิงทั่วไป ต้องยืนยันกับผู้ผลิตเครื่องและ TDS สารที่ไม่ทนความร้อนจึงเสื่อมน้อยกว่าในเครื่องที่เนื้อค้างนาน

4. ปลายเครื่อง: ดายและระบบตัดเม็ด (die and pelletizing)

ระบบตัดเม็ดเลือกตามปริมาณผลิตและวัสดุ แบบตัดเส้น (strand) ลงทุนต่ำและเปลี่ยนสีง่าย จึงพบมากในงาน masterbatch แบบตัดใต้น้ำ (underwater) เหมาะกับปริมาณสูงและวัสดุที่เส้นขาดง่าย แบบตัดหน้าดาย (water-ring หรือ hot-face) ใช้กับงาน filler สูงที่เส้นเปราะ

ประเภทของเครื่อง

เลือกขนาดเครื่องอย่างไร

เริ่มจากสูตรที่ยากที่สุดที่ต้องเดิน ไม่ใช่สูตรที่ง่ายที่สุด แล้วไล่ตามลำดับนี้:

1. ตั้งเป้า kg/h ต่อสูตร แยกสูตรที่ filler สูง ผงสีกระจายยาก และสูตรที่ต้องไล่ก๊าซมาก เพราะสามกลุ่มนี้กำหนดขนาดเครื่อง
2. ดูว่าสูตรชนเพดานอะไรก่อน torque-limited คือ torque เต็มก่อนเพราะต้องใช้พลังงานผสมมาก (masterbatch สี filler สูงในเรซิน MFI ต่ำ) ต้องการ specific torque สูง · volume-limited คือร่องสกรูเต็มก่อนเพราะผงฟู bulk density ต่ำ ต้องการ Do/Di สูง หรือย้าย filler ไป side feeder
3. ประเมินกำลัง กำลังที่เพลา (kW) ≈ พลังงานจำเพาะ (specific energy, kWh/kg) × ปริมาณผลิต (kg/h) งาน polyolefin ทั่วไปมักใช้ราว 0.1–0.3 kWh/kg สูตรที่ตีก้อนยากใช้มากกว่า ตัวอย่างคำนวณ: 500 kg/h × 0.2 kWh/kg = 100 kW ที่เพลา แล้วเผื่อสำหรับการสูญเสียและสูตรในอนาคต
4. เข้าใจความสัมพันธ์ torque กับรอบ กำลัง (kW) = torque รวม (Nm) × รอบ (rpm) ÷ 9,550 ที่ torque เท่ากัน รอบสูงให้กำลังมากขึ้น แต่ความร้อนจากแรงเฉือนก็สูงขึ้น หลายโรงงานตั้งเป้าเดิน torque ราว 70–90% ของค่าสูงสุด เพื่อเหลือช่องให้การป้อนที่แกว่ง
5. ขยายขนาดจากเครื่องทดลอง ปริมาณผลิตเพิ่มตามเส้นผ่านศูนย์กลางยกกำลังราว 2.5–3 (Q₂ = Q₁ × (D₂/D₁)^x) แต่พื้นที่ผิวกระบอกเพิ่มช้ากว่า เครื่องใหญ่จึงระบายความร้อนผ่านกระบอกได้น้อยกว่า อุณหภูมิหลอมต้องตรวจซ้ำหลังขยาย เครื่องพัฒนาสูตรราว 16–30 mm ผลิตได้ระดับไม่กี่ถึงหลายสิบ kg/h เครื่องผลิตราว 40–75 mm อยู่ระดับหลายร้อยถึงหลักพัน kg/h ขึ้นกับสูตร
6. เลือก L/D ตามจำนวนโซนที่ต้องใช้ ป้อน หลอม side feed ผสม ไล่ก๊าซ สร้างแรงดัน งาน masterbatch และคอมพาวด์ทั่วไปมัก L/D ราว 32–48 งานที่ไล่สารระเหยมากหรือมีปฏิกิริยาในเครื่องยาวกว่านี้
7. ให้ปลายเครื่องรับได้ทัน ความยาวรางน้ำ ขนาดเครื่องตัด ตะแกรงคัด และระบบบรรจุต้องรองรับ kg/h สูงสุด ปลายเครื่องที่เล็กไปจะกลายเป็นคอขวดก่อนสกรู

ตัวเลขในหัวข้อนี้เป็นค่าอ้างอิงทั่วไป ต้องยืนยันกับผู้ผลิตเครื่องและ TDS วิธีที่น่าเชื่อที่สุดคือทดลองสูตรจริงบนเครื่องขนาดใกล้เคียงก่อนตัดสินใจ

จุดตรวจบำรุงรักษา

เครื่องสกรูคู่ไม่ค่อยเสียแบบหยุดทันที แต่เสื่อมช้าๆ จนคุณภาพเม็ดตก วิธีจับได้เร็วคือบันทึก torque แรงดันหน้าดาย และอุณหภูมิหลอมของแต่ละสูตรไว้เป็นค่าฐาน แล้วเทียบทุกครั้งที่เดินสูตรเดิม

การเติม masterbatch และสารเติมแต่งบนเครื่องนี้

บนเครื่องนี้ masterbatch ไม่ได้ถูกเติม แต่ถูกผลิต คุณภาพที่ผู้ใช้ปลายทางเห็นจึงเริ่มที่นี่ ตำแหน่งที่สารเข้าเครื่องมีผลมาก: เม็ดและผงสีเข้าที่ช่องป้อนหลักเพื่อผ่านชุดนวดเต็มระยะ filler และใยแก้วเข้าทาง side feeder หลังพลาสติกหลอมแล้ว เพื่อลดการสึกของสกรูและไม่ตัดใยแก้วให้สั้น สารที่ระเหยง่ายหรือไม่ทนความร้อนเติมช้าลงตามความยาวกระบอก หรือคุมอุณหภูมิโซนให้ต่ำ

การกระจายตัวกับ let-down ratio masterbatch ที่เข้มข้นใช้ let-down ต่ำ ประหยัดต่อชิ้นงาน แต่แต่ละเม็ดต้องไปกระจายในเม็ดหลักจำนวนมากบนเครื่องฉีดหรือเครื่องรีดสกรูเดี่ยว ซึ่งผสมได้น้อยกว่าเครื่องสกรูคู่มาก ถ้าก้อนผงสีหรือสารเติมแต่งไม่ถูกตีให้แตกตั้งแต่ตอนผลิต จะเห็นเป็นเส้นสี จุด เจลในฟิล์ม หรือผล UV และ antistatic ที่ไม่นิ่งระหว่างชิ้น การวัดการกระจายตัวที่ใช้กันมีทั้งการรีดฟิล์มแล้วนับจุด และ filter pressure value ตาม EN 13900-5 masterbatch ฟังก์ชันส่วนใหญ่เติมราว 0.5–3% ส่วนสาร FR ต้องเติมสูงระดับ 20–30% ค่าอ้างอิงทั่วไปในอุตสาหกรรม ต้องยืนยันด้วยการทดลองจริงบนเครื่องของคุณ อ่านวิธีคิดต้นทุนของ let-down ได้ที่ ทำไม masterbatch ที่แพงกว่าอาจถูกกว่า และลองตัวเลขของคุณเองใน เครื่องคิดต้นทุนต่อชิ้นงานดี

ทำไมการจ้างผลิต (toll compounding) จึงใช้ได้ สิ่งที่ทำให้ masterbatch สองล็อตต่างกันคือสูตร ลำดับการป้อน ตำแหน่งป้อน การจัดเรียงสกรู และอุณหภูมิแต่ละโซน ไม่ใช่ตัวเครื่อง ถ้าข้อกำหนดเหล่านี้ถูกเขียนไว้ชัดและคุมตามจริง สูตรเดียวกันเดินบนไลน์สกรูคู่ที่สเปกใกล้กันได้ผลใกล้กัน ACS ใช้โมเดลนี้: ออกแบบสูตรและเงื่อนไขการผลิต แล้วผลิตบนไลน์สกรูคู่ของผู้ผลิตพันธมิตร ส่วนเม็ดรีไซเคิลกลุ่ม Circular ผลิตในโรงงานของบริษัทเอง (ดูกระบวนการผลิตเม็ดรีไซเคิล) รายการสินค้าอยู่ที่ สินค้าและ TDS

ปัญหาที่สารเติมแต่งแก้ไม่ได้ จุดดำจากเนื้อไหม้ที่ค้างในชิ้นสกรูสึกหรือคราบหน้าดาย เม็ดมีฟองเพราะช่องสุญญากาศตัน และสูตรเพี้ยนเพราะ feeder ไม่ได้สอบเทียบ เป็นเรื่องเครื่องทั้งหมด ต้องแก้ที่เครื่อง การเพิ่ม antioxidant หรือเปลี่ยน carrier ช่วยได้แค่บางส่วนและซ่อนอาการไว้เท่านั้น

ลิงก์ไปบทความกระบวนการ

เครื่องคอมพาวด์คือเครื่องรีดแบบพิเศษ หลักการหลอมด้วยสกรู ดาย และการหล่อเย็นอธิบายไว้ใน การรีด (Extrusion) ถ้าปัญหาที่เห็นอยู่ที่ชิ้นงานปลายทาง ดู จุดดำ · เส้นสี สีไม่สม่ำเสมอ · เจล ตาปลา