توربو میکسر پی وی سی| شناخت اجزا، مراحل و روش انجام
توربو میکسرها یکی از تجهیزات اصلی در فرآیند تولید پی وی سی بخصوص پی وی سی سخت می‌باشد. توربو میکسر شامل یک میکسر گرم و یک میکسر سرد است که در آن مواد اولیه پی وی سی به همراه افزودنی مورد نیاز میکس شده و پودر یک دستی حاصل شده که به آن کامپاند پودری پی وی سی نیز گفته می‌شود. این کامپاند در مرحله بعد وارد تجهیزات تولید از جمله اکستروژن، تزریق و... شده و محصول نهایی مورد نظر از آن تولید می‌گردد. تولید یک کامپاند با کیفیت در کیفیت نهایی محصول، کاهش مشکلات تولید و همچنین بهینه شدن فرمولاسیون اثر بسیار زیادی دارد. در این مقاله به شکل تخصصی به بررسی تولید کامپاند پی وی سی با توربو میکسر پرداخته شده است. میکس پی وی سی با تجهیزات دیگری از جمله میکسرهای آرام گرد نیز امکان پذیر است که در مقاله دیگر به آن پرداخته شده است.
میکسر گرم پی وی سی
میکس و اختلاط گرم پی وی سی معمولا در میکسرهایی با سرعت بالا انجام می‌شود(البته ممکن است گاهی در میکسر با سرعت کم هم انجام شود). دمای مواد طی فرآیند اختلاط تا ۱۰۰ درجه سانتی گراد و حتی بالاتر نیز افزایش می‌یابد. در این روش علاوه بر توزیع مواد پراکنش (dispersive) نیز اتفاق می‌افتد.
در نتیجه پراکنش مواد خواص مواد نیز بهبود می یابد، همچنین استابلایزر پی وی سی، روان کننده پی وی سی و نرم کننده پی وی سی در مقایس‌های مختلف در پی وی سی جذب می‌شوند. کامپاند حاصل معمولا جامد و به حالت free-flowing بوده و با نام dry powder شناخته می‌شود.
میکسر سرد پی وی سی
در میکسر PVC از نوع سرد معمولا اختلاط در دمای زیر ۵۰ درجه سانتی گراد و با سرعت کم انجام شده، زمان میکس در این نوع اختلاط معمولا زیاد می‌باشد و مخلوط یا powder blend به شکل کاملا خشک نیست و به صورت free-flowing نمی‌باشد(به ویژه زمانی که میزان نرم کننده زیاد است.).
به همین دلایل معمولا از این نوع روش مکیس معمولا برای پیش-اختلاط در فرآیند کامپاندینگ مذاب يا
melt- compoundingاستفاده می‌شود.
در این روش کامپاندینگ توزیع (distributive) مواد اتفاق می‌افتد، اما اکثر افزودنی‌ها حالت اولیه خود را حفظ می‌کنند (اگرجه نرم کننده تا حدود زیادی در پی وی سی جذب خواهد شد.). از جمله میکسرهای که با این روش عمل می‌کنند می‌توان به ribbon blender اشاره کرد.
اجزا میکسر توربو پی وی سی
اجزای اصلی دستگاه توربو میکسر
1-موتور اصلی
موتور میکسر باید قدرت کافی داشته باشد. در صورتی که توان موتور کافی نباشد در برخی فرمولاسیون‌ها که میزان کمک فرآیند و نرم کننده بیشتری دارد پس از ذوب شدن این مواد سرعت میکسر کم شده و آمپر افزایش خواهد یافت. برای میکسرهای 300 لیتری موتور با توان 55 کیلووات توصیه می‌شود.
2-مخزن اصلی
در طراحی مخزن میکسر شعاع مخزن از اهمیت بالایی برخوردار است. شعاع بالاتر برای فرمولاسیون با نرم کننده بالاتر و چوب پلاستیک توصیه شده و برای فرمولاسیون سخت بهتر است شعاع مخزن میکسر گرم کمتر باشد. در واقع در یک حجم ثابت مخزن‌هایی با ارتفاع بیشتر ترجیح داده می‌شود.
3-سیستم کنترل حرارتی
بهتر است ترموکوبل‌ها در نزدیک پره اول در میکسر توربو نصب شود. سنسورهای دمایی بهتر است از نوع pt100 باشد. ترموکوبل j از k دقیق تر است.
4-میکسر سرد
میکسر سرد افقی عموما عمومی نسبت به نوع عمودی خنک کردن مواد را به شکل بهتری انجام می‌دهند. توصیه می‌شود حجم میکسر خنک کن حداقل 4 برابر میسکر گرم باشد.
5-دریچه تخلیه
در هنگام بسته شدن دریچه تخلیه نباید هیچ موادی در پشت دریجه تخلیه باقی بماند. اندازه دریچه تخلیه باید استاندارد باشد تا مواد در مدت زمان مناسبی تخلیه شود.
6-پره‌ها
پره‌های سه طبقه ترجیح داده می‌شوند. همپنین پره باید به صورت کمانی طراحی شود و از طراحی پره با زاویه تیز اجتناب کرد. پره میکسر نباید فاصله زیادی با مخزن داشته باشد چرا که از ایجاد اصطکاک مناسب جلوگیری شده و زمان میکس زیاد می‌شود.فاصله مطلوب در محدوده 0.5 سانتی متر می‌باشد. فاصله بین پره‌ها بستگی به طراحی میکسر دارد و عموما در حدود 8 سانتی متر است.
7-تیغه ثابت در میکسر
این تیغه بر روی مخزن نصب شده و سبب برگشت مواد رو به پایین شده و میکس را بهبود خواهد داد.
نکات مهم در مورد نحوه میکس
سعی شود در حدود 70 درصد از ظرفیت میکس پر شود و به صورت کاملا پر و یا نیمه پر استفاده نشود.
حرکت مواد در میکسر باید به شکلی باشد که مواد به صورت v شکل دیده شود.
در هنگام تخلیه میکسر باید دقت شود که میکسر گرم به صورت کامل تخلیه شود.
عملیات میکس در توربو میکسر با سرعت بالا انجام می‌شود. استاندارد سرعت موتور میکسر 1400 دور بر دقیقه است که در این حالت سرعت شافت میکسر در محدوده 950 تا 1000 دور در دقیقه می‌باشد.
تولید گرما در میکسر گرم PVC
فرآیند اختلاط با در میکسرهایی با سرعت بالا تقریبا یک سیستم شبه آدیپاتیک است. در واقع گرما در درجه اول در اثر برخورد با سطح موثر پره‌های میکسر و همچین در اثر برخورد متقابل ذرات به یکدیگر ایجاد می‌شود. عامل دیگر در ایجاد گرما اصطکاک بین تجهیزات میکسر و مواد اولیه، اصطکاک بین ذرات، اصطکاک بین ذرات و دیواره میکسر و... می‌باشد.
در صورت طراحی بهینه میکسر وجود هیترها (ژاکت گرمایی) غیر ضروری است، فقط در موارد خاصی مانند میکسر پی وی سی امولوسیون با درصد بالای نرم کننده. برای میکس این نوع از پی وی سی به انرژی در حدود ۱ کیلوات به ازای هر کیلوگرم مورد نیاز است در صورتی که در میکس فرمولاسیون‌های معمول، نیرویی در حدود ۰.۴ تا ۰.۶ کیلو وات بر کیلوگرم کافی است.
استفاده از میکسر سرد در کنار میکسر گرم
امکان استفاده از میکسر گرم به تنهایی وجود دارد و کامپاند تولید شده را می‌توان مستقیما وارد اکستروردر یا کامپاندینگ مذاب کرد؛ با این حال در عمل در کنار میکسر گرم از یک میکسر سرد نیز استفاده می‌شود. در ادامه به بررسی دلایل استفاده از میکسرهای گرم/ سرد پرداخته می‌شود.
دلایل استفاده از میکسر گرم/ سرد
- کامپاند ایجاد شده باید به جهت جلوگیری از مشکلاتی مثل ایجاد توده و مشکل lumping و caking تا دمای ۵۰ درجه سانتی گراد خنک شود.
- اگر چه بعد از گذشتن زمان مشخص کامپاند گرم پی وی سی به دمای مورد نظر می‌رسد، اما با استفاده از میکسر سرد یک شوک سرمایی به پی وی سی وارد شده که باعث کاهش اقامت حرارت و بهبود خواص جریان پذیری(free-flowing) آن می‌شود.
نکته: به جهت پایین بودن هدایت حرارتی پی وی سی میکسرهای سرد را از نظر حجم چند برابر بزرگتر از میکسر گرم می‌سازند تا زمان سرد شدن PVC کاهش یابد.
- در طی فرآیند میکس پی وی سی سوپانسیون و یا بالک در اثر اصطکاک امکان ایجاد بار الکترواستاتیک وجود دارد که سبب ضعیف شدن خواص پی وی سی از جمله خواص جریان پذیری می‌شود. (به ویژه پی وی سی با دانسیته بالک پایین) یک راه حل برای حل این مشکل سرد کردن سریع پی وی سی تا دمای ۴۰ درجه سانتی گراد است.
معیار تخیله و زمان میکس در میکسر سرد و گرم( توربو میکسر سرد/گرم)
معیار تخلیه میکسر گرم در پی وی سی می‌تواند بر اساس زمان و یا دما باشد. به دلیل وابسته بودن اختلاط پی وی سی به دما معمولا میکس پی وی سی بر اساس دما انجام شده و محدوده تخلیه در دمای 115 تا 120 درجه در نظر گرفته می‌شود. شیب افزایش دما 15 درجه در دقیقه معمولا برای پی وی سی ایده آل در نظر گرفته می‌شود.
تغییرات دمایی در فرمولاسیون‌های مختلف
همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. رسیدن دما به معیار مشخص برای پی وی سی سخت زود تر از پی وی سی نرم صورت می‌گیرد به بیان دیگر با افزایش نرم کننده در فرمولاسیون اصطکاک کمتر شده و میزان افزایش دما در هر دقیقه کاهش یافته و در نتیجه زمان میکس کاهش می‌یابد.
تغییر آمپر دستگاه در مراحل مختلف میکس:
در شکل زیر محور عمودی آمپر و محور افقی زمان میکس است. تغییرات آمپر در میکس را می‌توان به چند ناحیه اصلی تقسیم بندی کرد.
1-افزایش مرحله اول آمپر دستگاه
در این مرحله پراکندگی افزودنی در پی وی سی انجام شده و آمپر زیاد می‌شود.
2-کاهش مرحله اول آمپر دستگاه
پراکندگی افزودنی با پی وی سی به حد اولیه رسیده و جریان آزاد پودر ایجاد شده و آمپر کاهش می‌یابد.
3-افزایش مرحله دوم آمپر
در این مرحله روان کننده ذوب شده و در اثر پراکنندگی آن آمپر افزایش می‌یابد.
4-کاهش مرحله دوم آمپر
در این مرحله جریان آزاد پودر ایجاد شده و آمپر کم می‌شود.
5-افزایش نهایی آمپر
در این مرحله که در دمای نزدیک به انتهای میکس رخ داده و در حدود 115 درجه سانتی گراد است برخی استئارات‌های فلزی ذوب شده و باعث افزایش آمپر می‌شوند.
6-مرحله ثابت شدن آمپر
در این مرحله آمپر ثابت شده چرا که افزودنی‌ها به پراکندگی و توزیع مناسبی دست یافته و پودر یک دست ایجاد می‌شود.
سوال:
علت خوشه سازی در فرآیند اختلاط پی وی سی چیست و چه راه حلی برای آن وجو دارد؟
مورد بعضی از فرمولاسیون پی وی سی، به ویژه آنهایی که دارای اجزایی نظیر استئارات کلسیم می باشند، سرعت بالا نوک هموزن، سبب افزایش تشکیل خوشه از کربنات کلسیم، دی اکسید تیتانیوم و اجزا دیگر می شود. خوشه هایی که بر روی تیغه های همزن و یا در نزدیکی آن تشکیل می شود.
خوشه هایی که بر روی تیغه های همزن و یا در نزدیکی آن تشکیل شده اند، پوسته پوسته می شوند، اما خوشه های دیگر همچنان در اندازه بزرگ باقی می مانند و به دلیل پراکنده نشدن در فرمولاسیون سبب ایجاد نقص بر روی سطح محصول نهایی خواهند شد.
اگر در این خوشه ها رنگدانه نیز وجود داشته باشند، رنگ محصول یکنواختی چندانی نخواهد داشت. با بررسی خوشه ها، مشخص شده است که ذرات استئارات کلسیم نیز نقش مهمی در این میان دارند.در واقع استئارات کلسیم مانند یک چسب ذرات مختلف را به هم چسبانده و از این طریق خوشه ها را تشکیل می دهد.
راهکار هایی برای حل مشکل خوشه سازی در اختلاط با سرعت بالا
برای مرتفع نمودن مشکل خوشه سازی راهکارهای مختلفی ارائه شده که برخی از آنها به شرح زیر است.
1-خوشه های بزرگتر به کمک یک غربال (مش 40) از مخلوط پودری جدا می شود.
2-با استفاده از تیغه های تیز و پولیش شده می توان از تجمع بیش از حد کلوخه ها در اطراف همزن جلوگیری کرد.
3-برای کاهش خوشه سازی می توان برخی از اجزا، نظیر دی اکسید تیتانیوم، کربنات کلسیم و رنگدانه را در چند ثانیه پایانی اختلاط به فرمولاسیون افزود.
در مورد اختلاط پودری پی وی سی باید به جنبه های دیگری نظیر ایجاد الکتریسیته ساکن در جریان پودر نیز توجه شود، زیرا ممکن است مشکلاتی را ایجاد کند. از این رو گاهی از مقدار کمی عامل ضد استاتیک برای کاهش برهم کنش های الکتریکی و در نتیجه دستیابی به چگالی توده ای کمتر فرمولاسیون استفاده می شود.
خلاصه و نتیجه گیری میکس و کامپاندینگ پی وی سی
پی وی سی باید با افزودنی‌هایی چون استابلایزر، روان کننده، نرم کننده، فیلر، براق کننده، کمک فرآیند، اصلاح کننده ضربه و ... ترکیب شود تا قابل تولید شود و خواص مورد نظر در آن ایجاد شود. در صنعت پی وی سی عمدتا از دو نوع میکسر آرام گرد و توربو استفاده می‌شود. رعایت اصولی سبب بهبود میکس تهیه شده می‌شود. از جمله می‌توان صحیح بودن طراحی پره میکسر، طراحی اصولی مخزن، نصب تیغه ثابت میکس و در نهایت نحوه و ترتیب اصولی میکس.
