دانشنامه جامع کمپرس یخ56
فصل ۵۶
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
طراحی ژلپک با حداکثر آب و حداقل پلیآکریلات؛ بررسی مرز آب آزاد، ظرفیت جذب واقعی، پایداری ژل، کاهش قیمت تمامشده، افزایش ظرفیت سرمایشی و تعیین کمترین مقدار پلیمر موردنیاز برای تولید اقتصادی
56-1 ـ مقدمه
در تولید ژلپک، پلیآکریلات معمولاً بخش گرانتر فرمول نسبت به آب است. از طرف دیگر، بخش اصلی ظرفیت حرارتی ژلپک آب است. بنابراین از نظر اقتصادی این پرسش اهمیت زیادی دارد:
حداقل مقدار پلیآکریلاتی که میتواند مقدار موردنیاز آب را به شکل پایدار درون بسته نگه دارد، چقدر است؟
هدف این فصل پاسخ آزمایشگاهی و عملی به همین پرسش است.
—
56-2 ـ اصل اقتصادی فرمولاسیون
دو هدف ظاهراً متفاوت باید همزمان دنبال شوند:
1. افزایش سهم آب؛
2. حفظ پایداری ژل.
اگر آب زیاد و پلیمر کم باشد، ممکن است آب آزاد ایجاد شود.
اگر پلیمر زیاد باشد، هزینه افزایش یافته و سهم آب از جرم کل کاهش پیدا میکند.
بنابراین هدف، کمترین پلیمر مؤثر است، نه صرفاً کمترین مقدار پلیمر.
—
56-3 ـ چرا آب اهمیت دارد؟
آب ظرفیت گرمایی بالایی دارد.
برای تغییر دمای محسوس:
[
Q=mC_p\Delta T
]
و برای آب تقریباً:
[
C_p=4.18;kJ/(kg.K)
]
در نظر گرفته میشود.
پس افزایش جرم آب، در شرایط مشابه، ظرفیت حرارتی سیستم را افزایش میدهد.
—
56-4 ـ نقش پلیآکریلات
پلیآکریلات برای ایجاد ساختار ژل و نگهداری آب استفاده میشود.
اما نباید تصور کرد که تمام آب موجود در ژل الزاماً از نظر حرارتی رفتاری کاملاً مشابه آب آزاد دارد.
ساختار ژل، میزان تحرک آب و شرایط انجماد میتواند بر رفتار واقعی اثر بگذارد.
—
56-5 ـ ظرفیت جذب اسمی و واقعی
اگر یک پلیآکریلات در شرایط آزمایشگاهی مثلاً ۱۵۰ برابر جرم خود آب جذب کند، این عدد لزوماً در ژلپک واقعی به دست نمیآید.
کیفیت آب، فشار، غلظت یونها، pH، اندازه ذرات و روش آزمایش اثر دارند.
بنابراین:
ظرفیت جذب اعلامشده ≠ ظرفیت جذب عملی در ژلپک
است.
—
56-6 ـ نسبت آب به پلیمر
رابطه اصلی:
[
R=\frac{M_w}{M_p}
]
است.
مثلاً:
۱۰۰۰ گرم آب + ۱۰ گرم پلیمر:
[
R=100
]
و:
۱۰۰۰ گرم آب + ۵ گرم پلیمر:
[
R=200
]
هرچه R افزایش پیدا کند، مصرف پلیمر کاهش مییابد، اما احتمال آب آزاد نیز ممکن است افزایش یابد.
—
56-7 ـ نقطه بهینه
نقطه بهینه جایی است که:
– آب آزاد قابل قبول باشد؛
– ژل پایدار باشد؛
– نشتی وجود نداشته باشد؛
– تولید امکانپذیر باشد؛
– ظرفیت سرمایشی مناسب باشد؛
– قیمت تمامشده پایین باشد.
بنابراین صرفاً بر اساس آزمایش جذب آب تصمیمگیری نباید کرد.
—
56-8 ـ طراحی آزمایش اولیه
برای شروع میتوان ۱۰۰۰ گرم آب را ثابت گرفت و مقدار پلیمر را تغییر داد.
نمونه| آب| پلیمر
A| 1000 g| 20 g
B| 1000 g| 15 g
C| 1000 g| 10 g
D| 1000 g| 7.5 g
E| 1000 g| 5 g
این مقادیر نمونهاند و مقدار نهایی باید با ماده واقعی تعیین شود.
—
56-9 ـ آزمون آب آزاد
بعد از آمادهسازی هر نمونه:
– ژل را در ظرف شفاف قرار دهید؛
– زمان مشخصی صبر کنید؛
– آب آزاد سطحی را بررسی کنید؛
– در صورت امکان جرم آب جداشده را اندازهگیری کنید.
نمونهای که آب آزاد زیادی دارد، برای بستهبندی مستقیم مناسب نیست.
—
56-10 ـ آزمایش فشار
گاهی ژل در حالت عادی پایدار است، اما با فشار آب آزاد ایجاد میکند.
بنابراین نمونه باید تحت فشار مشابه شرایط واقعی بسته آزمایش شود.
برای مثال میتوان:
– فشار دستی کنترلشده؛
– قرار دادن وزن مشخص؛
– یا آزمون فشاری ساده
را مقایسه کرد.
—
56-11 ـ آزمون بسته واقعی
پس از آزمایش ظرف، نمونهها باید داخل همان فیلمی که قرار است در تولید استفاده شود قرار گیرند.
این مرحله بسیار مهم است؛ زیرا رفتار ژل داخل بسته ممکن است با ظرف آزمایش متفاوت باشد.
—
56-12 ـ کنترل وزن
وزن پرشده هر بسته باید ثبت شود.
مثلاً اگر وزن هدف ۵۰۰ گرم باشد، یک محدوده داخلی مانند:
[
500\pm tolerance
]
تعریف میشود.
مقدار تلرانس باید بر اساس فرآیند تولید تعیین شود.
—
56-13 ـ اثر وزن بر ظرفیت سرمایشی
فرض کنیم دو بسته فرمول مشابه دارند:
– بسته اول: ۵۰۰ گرم؛
– بسته دوم: ۱۰۰۰ گرم.
در شرایط مشابه، بسته دوم جرم حرارتی بیشتری دارد.
اما الزاماً دو برابر زمان سرمایش را ایجاد نمیکند؛ زیرا هندسه و انتقال حرارت نیز مهم هستند.
—
56-14 ـ افزایش آب بدون افزایش حجم بسته
اگر هدف افزایش آب باشد، میتوان ابتدا هندسه را اصلاح کرد.
مثلاً به جای افزایش ضخامت، سطح بسته افزایش پیدا کند.
این کار میتواند امکان افزایش جرم آب را با حفظ ضخامت کم فراهم کند.
—
56-15 ـ چرا ضخامت مهم است؟
مسیر انتقال حرارت در بسته ضخیم بیشتر است.
به صورت تقریبی:
[
t\propto L^2
]
بنابراین بسته تخت میتواند سریعتر به تغییرات دمایی پاسخ دهد.
البته این رابطه یک تقریب طراحی است و نتیجه واقعی باید اندازهگیری شود.
—
56-16 ـ حداکثر آب از دید تولید
حداکثر آب از دید اقتصادی مطلوب است، اما از دید تولید محدودیت دارد.
اگر مقدار پلیمر کم شود، ممکن است:
– ویسکوزیته پایین بیاید؛
– آب آزاد افزایش یابد؛
– دوغاب یا ژل روان شود؛
– پرکردن دشوار شود؛
– نشتی افزایش یابد.
بنابراین حداکثر آب عملی با حداکثر آب تئوری تفاوت دارد.
—
56-17 ـ حداکثر آب از دید سرمایش
از نظر ساده حرارتی، آب بخش مهمی از ظرفیت سرمایشی را تأمین میکند.
اگر افزایش آب باعث ناپایداری ژل نشود، از نظر اقتصادی میتواند مطلوب باشد.
اما باید ظرفیت واقعی پس از انجماد و ذوب نیز آزمایش شود.
—
56-18 ـ آب آزاد و آب نگهداریشده
برای توسعه فرمول بهتر است آب به دو بخش مفهومی تقسیم شود:
آب نگهداریشده در شبکه ژل
و
آب آزاد
هدف این نیست که تمام آب الزاماً کاملاً غیرمتحرک باشد؛ هدف این است که ساختار بسته در شرایط واقعی پایدار باقی بماند.
—
56-19 ـ اثر کیفیت آب
آب دارای یونهای مختلف میتواند رفتار پلیآکریلات را تغییر دهد.
بهویژه یونهای چندظرفیتی مانند:
– کلسیم؛
– منیزیم
میتوانند نسبت به آب بسیار کماملاح، اثر بیشتری بر تورم پلیمر داشته باشند.
—
56-20 ـ آزمایش با آبهای مختلف
اگر محصول قرار است با آب شهری تولید شود، آزمایش اصلی بهتر است با همان آب انجام شود.
میتوان سه نمونه مقایسه کرد:
آب| هدف
تصفیهشده| مرجع
شهری| شرایط واقعی
آب سخت| آزمون حساسیت
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
56-21 ـ اندازه ذرات پلیآکریلات
اندازه ذرات میتواند بر سرعت آبگیری اثر بگذارد.
ذرات ریزتر معمولاً سطح تماس بیشتری دارند، اما ممکن است هنگام اختلاط کلوخه ایجاد کنند.
بنابراین اندازه ذرات باید همراه با روش اختلاط بررسی شود.
—
56-22 ـ روش اضافه کردن پلیمر
پلیمر بهتر است به صورت تدریجی وارد آب شود.
ریختن ناگهانی مقدار زیادی پودر ممکن است:
– سطح بیرونی را ژلهای کند؛
– داخل کلوخه خشک بماند؛
– زمان هیدراتاسیون را افزایش دهد.
—
56-23 ـ سرعت همزدن
همزدن باید برای پخش مناسب کافی باشد، ولی بیش از حد شدید نباشد.
اختلاط بسیار شدید میتواند هوای زیادی وارد سیستم کند.
بنابراین سرعت بهینه باید با آزمون تعیین شود.
—
56-24 ـ زمان استراحت
پس از اختلاط، نمونه بهتر است برای مدت مشخصی استراحت کند.
سپس:
– یکنواختی؛
– آب آزاد؛
– ویسکوزیته؛
– حجم؛
– ظاهر
بررسی شود.
—
56-25 ـ آزمون انجماد
پس از تثبیت اولیه ژل، نمونهها وارد فریزر شوند.
دمای:
– سطح؛
– مرکز؛
– محیط فریزر
ثبت شود.
مرکز بسته مهمترین نقطه برای تشخیص انجماد کامل است.
—
56-26 ـ انجماد کامل چیست؟
انجماد کامل را نباید فقط از روی سفت شدن سطح تشخیص داد.
ممکن است سطح کاملاً یخزده باشد ولی مرکز هنوز دمای بالاتری داشته باشد.
بنابراین سنسور مرکز یا روش معتبر دیگری برای تعیین وضعیت انجماد توصیه میشود.
—
56-27 ـ نقش آب در گرمای نهان
اگر بخش قابل توجهی از آب منجمد شود، انرژی نهان تغییر فاز اهمیت پیدا میکند.
برای آب خالص در نزدیکی نقطه انجماد، مقدار تقریبی گرمای نهان ذوب:
[
L_f\approx334;kJ/kg
]
است.
رفتار ژل واقعی میتواند با آب خالص متفاوت باشد.
—
56-28 ـ مثال ظرفیت سرمایشی
فرض کنید ۱ کیلوگرم آب مؤثر در تغییر فاز باشد.
ظرفیت نظری مربوط به گرمای نهان تقریباً:
[
Q=1\times334=334;kJ
]
است.
این عدد ظرفیت نظری تغییر فاز آب است و نباید بدون آزمون، به عنوان ظرفیت واقعی یک ژلپک تجاری اعلام شود.
—
56-29 ـ چرا پلیمر بیشتر ظرفیت سرمایشی را الزاماً افزایش نمیدهد؟
پلیآکریلات خودش جایگزین مستقیم آب نیست.
اگر افزایش پلیمر باعث شود جرم آب از ۱۰۰۰ گرم به ۸۰۰ گرم کاهش یابد، ممکن است بخشی از ظرفیت حرارتی بالقوه کاهش پیدا کند.
بنابراین هدف باید حداقل پلیمر مؤثر و حداکثر آب پایدار باشد.
—
56-30 ـ شاخص اقتصادی مهم
میتوان هزینه را به ازای ظرفیت سرمایشی اندازه گرفت:
[
C_Q=\frac{\text{هزینه بسته}}{\text{ظرفیت سرمایشی مفید}}
]
هرچه این مقدار کمتر باشد، از نظر اقتصادی طراحی کارآمدتر است؛ البته کیفیت، دوام و ایمنی نیز باید همزمان لحاظ شوند.
—
56-31 ـ محاسبه ساده قیمت فرمول
اگر:
– قیمت هر کیلو پلیمر = (P_p)
– قیمت هر کیلو آب = (P_w)
باشد:
[
Cost=M_pP_p+M_wP_w
]
در اغلب فرمولهای آبمحور، سهم هزینه پلیمر میتواند بسیار بیشتر از سهم هزینه آب باشد.
بنابراین کاهش منطقی مصرف پلیمر میتواند اثر اقتصادی قابل توجهی داشته باشد.
—
56-32 ـ نمونه محاسبه
فرض کنیم قیمت فرضی پلیمر ۱۰۰ واحد و قیمت آب ۱ واحد به ازای کیلوگرم باشد.
فرمول اول:
[
1000g+20g
]
هزینه مواد:
[
1+2=3
]
فرمول دوم:
[
1000g+10g
]
هزینه:
[
1+1=2
]
یعنی کاهش پلیمر از ۲۰ به ۱۰ گرم، در این مثال فرضی، یکسوم هزینه مواد را کاهش داده است.
—
56-33 ـ اما هزینه فقط مواد اولیه نیست
هزینه نهایی شامل:
– فیلم؛
– دوخت؛
– نیروی انسانی؛
– برق؛
– تجهیزات؛
– ضایعات؛
– کنترل کیفیت؛
– بستهبندی؛
– حمل
نیز میشود.
پس فرمول ارزانتر لزوماً محصول ارزانتر نیست.
—
56-34 ـ ضایعات ناشی از فرمول ضعیف
اگر کاهش پلیمر باعث افزایش نشتی شود، ممکن است:
– درصد مرجوعی افزایش یابد؛
– ضایعات فیلم افزایش پیدا کند؛
– زمان کنترل کیفیت بالا برود؛
– اعتبار محصول آسیب ببیند.
پس باید هزینه شکست نیز در تصمیمگیری وارد شود.
—
56-35 ـ تعیین مرز آب آزاد
یکی از مهمترین آزمایشها تعیین نقطهای است که با کاهش پلیمر، آب آزاد ناگهان افزایش پیدا میکند.
مثلاً ممکن است نتایج فرضی چنین باشند:
پلیمر| آب آزاد
20 g| صفر
15 g| بسیار کم
10 g| کم
7.5 g| متوسط
5 g| زیاد
در چنین حالتی، ناحیه ۱۰ تا ۱۵ گرم ارزش بررسی دقیقتر دارد.
—
56-36 ـ آزمایش دقیقتر اطراف نقطه بهینه
اگر ۱۰ گرم و ۱۵ گرم قابل قبول باشند، آزمایشهای:
– 10 g
– 11 g
– 12 g
– 13 g
– 14 g
– 15 g
میتوانند نقطه اقتصادی مناسبتری را مشخص کنند.
این روش بهتر از انتخاب تصادفی فرمول است.
—
56-37 ـ حاشیه ایمنی فرمول
اگر ۱۰ گرم دقیقاً در مرز پایداری باشد، استفاده صنعتی از همان نقطه ممکن است ریسک داشته باشد.
بهتر است مقداری حاشیه فرآیندی در نظر گرفته شود.
مثلاً اگر حداقل آزمایشگاهی ۱۰ گرم باشد، فرمول تولید ممکن است کمی بالاتر انتخاب شود؛ مقدار دقیق باید از آزمونهای تکرارپذیری تعیین شود.
—
56-38 ـ آزمون تکرارپذیری
هر فرمول مهم بهتر است حداقل در چند تکرار ساخته شود.
اگر نتایج نمونهها:
– ۱۰ گرم؛
– ۱۰ گرم؛
– ۱۰ گرم
کاملاً متفاوت نباشند، اعتماد به فرمول بیشتر میشود.
در تولید صنعتی، پراکندگی نتایج اهمیت زیادی دارد.
—
56-39 ـ آزمون نشتی
نمونه نهایی باید:
1. پر شود؛
2. دوخت شود؛
3. در شرایط عادی بررسی شود؛
4. منجمد شود؛
5. ذوب شود؛
6. دوباره بررسی شود.
نشتی پس از انجماد اهمیت ویژهای دارد.
—
56-40 ـ آزمون دوام
برای محصول چندبارمصرف:
انجماد → ذوب → انجماد
چندین بار تکرار شود.
پس از هر چرخه موارد زیر بررسی شود:
– وزن؛
– شکل؛
– آب آزاد؛
– دوخت؛
– سوراخشدگی؛
– عملکرد سرمایشی.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
56-41 ـ فرمولاسیون بدون افزودنی اضافی
اگر آب و پلیآکریلات به تنهایی عملکرد مناسب دارند، افزودن مواد اضافی الزاماً ضروری نیست.
هر افزودنی جدید باید دلیل مشخصی داشته باشد.
مثلاً:
افزایش پایداری، کنترل رنگ، اصلاح فرآیند یا هدف فنی مشخص.
—
56-42 ـ خطر افزودنیهای غیرضروری
افزودنی میتواند:
– هزینه را افزایش دهد؛
– جذب پلیمر را تغییر دهد؛
– نقطه انجماد را تغییر دهد؛
– سازگاری فیلم را کاهش دهد.
بنابراین فرمول ساده معمولاً نقطه شروع مناسبتری برای توسعه است.
—
56-43 ـ طراحی سهمرحلهای فرمول
یک روش عملی:
مرحله اول: غربالگری ۵ فرمول.
مرحله دوم: آزمایش دقیق ۳ فرمول نزدیک به نقطه بهینه.
مرحله سوم: آزمون تولیدی و چرخهای یک یا دو فرمول نهایی.
این روش هزینه توسعه را کاهش میدهد.
—
56-44 ـ معیارهای انتخاب نهایی
فرمول نهایی را میتوان با جدول زیر ارزیابی کرد:
شاخص| اهمیت
مقدار پلیمر| بسیار بالا
آب آزاد| بسیار بالا
ظرفیت سرمایشی| بسیار بالا
سرعت انجماد| بالا
نشتی| بسیار بالا
هزینه| بالا
قابلیت تولید| بالا
دوام| بالا
—
56-45 ـ فرمول پیشنهادی برای تحقیق اولیه
برای شروع پروژه، بهتر است یک فرمول ثابت به عنوان مرجع داخلی انتخاب شود.
سپس تمام نمونهها نسبت به آن مقایسه شوند.
مثلاً:
فرمول مرجع = ۱۰۰۰ گرم آب + مقدار مشخص پلیآکریلات
بعد تغییرات به صورت درصدی نسبت به مرجع ثبت شوند.
—
56-46 ـ تبدیل فرمول آزمایشگاهی به تولید
فرض کنید فرمول نهایی آزمایشگاهی:
[
M_w=100kg
]
و
[
M_p=1kg
]
باشد.
برای بچ ۱۰۰۰ کیلوگرمی، در صورت ثابت بودن نسبت:
[
M_w\approx990.1kg
]
و:
[
M_p\approx9.9kg
]
خواهد بود.
در تولید واقعی باید حجم فیلم، ضایعات، تلرانس وزن و شرایط فرآیند نیز لحاظ شود.
—
56-47 ـ کنترل بچ تولیدی
برای هر بچ بهتر است ثبت شود:
– شماره بچ؛
– جرم آب؛
– جرم پلیمر؛
– کیفیت آب؛
– زمان اختلاط؛
– زمان هیدراتاسیون؛
– وزن پرشده؛
– ابعاد؛
– پارامترهای دوخت؛
– نتیجه آزمون نشتی.
این اطلاعات برای ردیابی بسیار مهم هستند.
—
56-48 ـ روش عملی پیشنهادی برای پادنار
برای توسعه یک محصول اقتصادی، میتوان ابتدا سه هدف همزمان تعیین کرد:
هدف اول: حداقل پلیمر.
هدف دوم: حداقل آب آزاد.
هدف سوم: حداکثر ظرفیت سرمایشی مفید.
سپس نمونهها با یک روش ثابت تولید و مقایسه شوند.
این روش از افزایش تصادفی پلیمر یا افزودنیهای متعدد جلوگیری میکند.
—
56-49 ـ چکلیست نهایی توسعه فرمول
قبل از قفل کردن فرمول، این موارد بررسی شوند:
☐ نسبت آب به پلیمر مشخص شده است.
☐ آب آزاد اندازهگیری شده است.
☐ کیفیت آب ثابت است.
☐ ژل یکنواخت است.
☐ کلوخه وجود ندارد.
☐ بسته نشتی ندارد.
☐ مرکز بسته در انجماد اندازهگیری شده است.
☐ منحنی ذوب ثبت شده است.
☐ عملکرد در جعبه واقعی بررسی شده است.
☐ حداقل چند چرخه انجماد و ذوب آزمایش شده است.
☐ هزینه مواد و بستهبندی محاسبه شده است.
☐ فرمول دارای حاشیه ایمنی فرآیندی است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
56-50 ـ جمعبندی فصل
در ژلپکهای آبمحور، آب بخش مهم ظرفیت حرارتی و پلیآکریلات عامل اصلی نگهداری آب در ساختار ژل است. بنابراین از نظر اقتصادی میتوان به دنبال فرمولی بود که بیشترین مقدار آب ممکن را با کمترین مقدار مؤثر پلیآکریلات در خود نگه دارد.
اما یک نکته اساسی وجود دارد:
کمترین مقدار پلیمر، الزاماً بهترین فرمول نیست؛ کمترین مقدار پلیمرِ مؤثر و پایدار، هدف واقعی است.
برای تعیین این نقطه، باید مجموعهای از آزمونها انجام شود:
– آزمایش نسبت آب به پلیمر؛
– بررسی آب آزاد؛
– آزمون فشار؛
– بررسی یکنواختی ژل؛
– آزمون انجماد؛
– آزمون ذوب؛
– آزمون نشتی؛
– آزمون چرخهای؛
– آزمون در جعبه واقعی؛
– محاسبه هزینه.
رابطه اصلی اقتصادی فرمول:
[
Cost=M_wP_w+M_pP_p
]
و رابطه ساده ظرفیت حرارتی:
[
Q=mC_p\Delta T
]
است.
در صورت تغییر فاز آب، گرمای نهان نیز باید در محاسبات لحاظ شود:
[
Q=mL_f
]
با این حال، ظرفیت نظری نباید جایگزین آزمون عملی ژلپک شود.
بهترین مسیر توسعه این است که ابتدا یک فرمول ساده آب + پلیآکریلات به عنوان مرجع انتخاب شود، سپس مقدار پلیمر مرحلهبهمرحله کاهش پیدا کند تا نقطهای که آب آزاد، ناپایداری یا نشتی افزایش مییابد شناسایی شود. پس از آن، مقدار پلیمر کمی بالاتر از مرز بحرانی و با حاشیه فرآیندی مناسب انتخاب و در مقیاس واقعی آزمایش شود.
این روش میتواند به تولید ژلپکی منجر شود که:
پلیمر کمتری مصرف میکند، آب بیشتری دارد، ظرفیت حرارتی مناسبی ایجاد میکند و در عین حال از نظر تولید و بستهبندی پایدار باقی میماند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۵۷
روش تعیین دقیق ظرفیت سرمایشی واقعی ژلپک پلیآکریلاتی؛ مقایسه ظرفیت نظری و عملی، اندازهگیری گرمای محسوس و نهان، آزمون کالریمتری ساده، منحنی دما ـ زمان و تعیین ظرفیت سرمایشی بر حسب کیلوگرم، لیتر و هزینه تولید
۰ دیدگاه