دانشنامه جامع کمپرس یخ23
فصل ۲۳
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
مواد اولیه و پلیمرهای مناسب برای تولید ژلپک؛ مقایسه پلیآکریلات سدیم، پلیآکریلات پتاسیم، پلیمرهای فوقجاذب، هیدروژلها، مواد معدنی و ترکیبات ژلکننده
مقدمه
انتخاب ماده اولیه مناسب، یکی از مهمترین تصمیمات در طراحی ژلپک است. ممکن است دو ماده هر دو توانایی جذب مقدار زیادی آب داشته باشند، اما رفتار آنها در هنگام انجماد، ذوب، فشار، نگهداری، اختلاط و بستهبندی کاملاً متفاوت باشد.
به همین دلیل برای ساخت یک ژلپک تجاری نمیتوان فقط به عبارتهایی مانند «جذب ۱۰۰ برابر» یا «جذب ۲۰۰ برابر وزن خود» اکتفا کرد.
آنچه اهمیت دارد، رفتار واقعی ماده در فرمولاسیون نهایی و شرایط استفاده است.
—
۲۳-۱ ـ دستهبندی مواد مورد استفاده
مواد مورد استفاده در سیستمهای سردکننده را میتوان به چند گروه کلی تقسیم کرد:
1. آب
2. پلیمرهای فوقجاذب
3. پلیآکریلات سدیم
4. پلیآکریلات پتاسیم
5. هیدروژلهای مختلف
6. غلظتدهندههای پلیمری
7. محلولهای نمکی
8. مواد تغییر فازدهنده
9. مواد معدنی و پرکنندهها
10. افزودنیهای کمکی
هر گروه ویژگیهای خاص خود را دارد.
—
۲۳-۲ ـ آب؛ ماده پایه بسیاری از ژلپکها
آب سادهترین ماده مورد استفاده در پکهای سردکننده است.
مزایای آن:
– قیمت نسبتاً پایین
– دسترسی آسان
– ظرفیت گرمایی مناسب
– سادگی فرآیند
– بینیازی از پیچیدگی فرمولاسیون
اما آب بهتنهایی ژل تشکیل نمیدهد و برای تولید بستهای با حالت نیمهجامد یا ژلمانند نیاز به ساختار نگهدارنده دارد.
—
۲۳-۳ ـ چرا از پلیمر استفاده میشود؟
پلیمر جاذب میتواند آب را در ساختار متورم خود نگه دارد.
در نتیجه:
– آب کمتر حرکت میکند؛
– بسته میتواند حالت ژلهای پیدا کند؛
– احتمال تجمع آب آزاد کاهش مییابد؛
– محصول در هنگام حمل شکل مناسبتری پیدا میکند.
—
۲۳-۴ ـ پلیمر فوقجاذب چیست؟
پلیمرهای فوقجاذب یا SAP موادی هستند که قابلیت جذب مقدار قابل توجهی مایع و تشکیل ساختار متورم را دارند.
ظرفیت جذب آنها به عوامل مختلف وابسته است، از جمله:
– نوع پلیمر
– اندازه ذرات
– درجه اتصال عرضی
– نوع مایع
– غلظت یونها
– pH
بنابراین ظرفیت جذب یک عدد ثابت برای همه شرایط نیست.
—
۲۳-۵ ـ پلیآکریلات سدیم
پلیآکریلات سدیم یکی از پلیمرهای فوقجاذب شناختهشده است.
این ماده میتواند در حضور آب متورم شود و ساختار ژلمانند ایجاد کند.
برای استفاده در ژلپک باید علاوه بر جذب آب، مواردی مانند:
– رفتار انجماد
– آباندازی
– دوام
– سازگاری با فیلم
– فرآیندپذیری
نیز بررسی شوند.
—
۲۳-۶ ـ مزیت اصلی پلیآکریلات سدیم
یکی از مزایای این ماده امکان تبدیل مقدار زیادی آب آزاد به یک ساختار ژلمانند است.
این ویژگی میتواند طراحی بسته را سادهتر کند.
اما افزایش مقدار پلیمر الزاماً به معنی افزایش متناسب ظرفیت سرمایشی نیست.
—
۲۳-۷ ـ محدودیت پلیآکریلات سدیم
ظرفیت جذب پلیآکریلات سدیم در حضور یونها میتواند نسبت به آب کماملاح کاهش پیدا کند.
بنابراین اگر ماده با آب شهری یا محلول نمکی استفاده شود، باید عملکرد واقعی اندازهگیری شود.
—
۲۳-۸ ـ پلیآکریلات پتاسیم
پلیآکریلات پتاسیم نیز در گروه پلیمرهای فوقجاذب قرار میگیرد.
از نظر ساختار کلی به خانواده پلیآکریلاتها مربوط است، اما تفاوت یون همراه میتواند بر رفتار آن اثر بگذارد.
برای انتخاب بین پلیآکریلات سدیم و پتاسیم، آزمون واقعی در شرایط کاربرد ضروری است.
—
۲۳-۹ ـ آیا پلیآکریلات پتاسیم بهتر است؟
نمیتوان یک پاسخ عمومی برای همه کاربردها داد.
معیارهای انتخاب عبارتاند از:
– قیمت
– میزان جذب در آب مورد استفاده
– رفتار در انجماد
– رفتار پس از ذوب
– پایداری
– قابلیت تولید
– سازگاری با بستهبندی
بنابراین «بهتر بودن» باید نسبت به کاربرد مشخص تعریف شود.
—
۲۳-۱۰ ـ تفاوت یون سدیم و پتاسیم
در پلیمرهای مشابه، نوع یون همراه میتواند بر رفتار تورم و برهمکنش پلیمر با آب اثر بگذارد.
اما برای ژلپک، این تفاوت باید در محصول نهایی ارزیابی شود، زیرا عملکرد نهایی فقط به نام یون وابسته نیست.
—
۲۳-۱۱ ـ هیدروژل چیست؟
هیدروژل ساختاری سهبعدی است که مقدار زیادی آب را در خود نگه میدارد.
هیدروژلها میتوانند از:
– پلیمرهای مصنوعی
– پلیمرهای طبیعی
– ترکیبات اصلاحشده
ساخته شوند.
ویژگی آنها به ساختار شبکهای و میزان اتصال عرضی وابسته است.
—
۲۳-۱۲ ـ هیدروژل طبیعی و مصنوعی
هیدروژلهای طبیعی ممکن است بر پایه موادی مانند پلیساکاریدها یا پروتئینها ساخته شوند.
هیدروژلهای مصنوعی معمولاً امکان کنترل بیشتری روی خواص دارند.
برای ژلپک صنعتی، هزینه، پایداری، قابلیت تولید و الزامات کاربرد باید همزمان بررسی شوند.
—
۲۳-۱۳ ـ مواد ژلکننده
همه مواد ژلکننده الزاماً فوقجاذب نیستند.
برخی مواد صرفاً ویسکوزیته آب را افزایش میدهند.
این تفاوت مهم است.
غلظتدهنده ممکن است آب را غلیظ کند، در حالی که پلیمر فوقجاذب آب را در شبکه متورم خود نگه میدارد.
—
۲۳-۱۴ ـ غلظتدهندهها
غلظتدهندهها میتوانند برای کنترل حرکت مایع مورد بررسی قرار گیرند.
اما مقدار زیاد آنها ممکن است:
– فرآیند پرکنی را دشوار کند؛
– هزینه را افزایش دهد؛
– رفتار حرارتی را تغییر دهد.
پس استفاده از آنها باید بر اساس نیاز واقعی باشد.
—
۲۳-۱۵ ـ محلولهای نمکی
محلولهای نمکی میتوانند ویژگیهای انجماد و ذوب آب را تغییر دهند.
به همین دلیل در برخی سیستمهای سردکننده مورد استفاده قرار میگیرند.
اما نمک میتواند بر پلیمرهای فوقجاذب نیز اثر بگذارد.
بنابراین ترکیب نمک و پلیمر باید جداگانه آزمایش شود.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۲۳-۱۶ ـ چرا آب نمک برای هر ژلپکی مناسب نیست؟
اگر هدف استفاده از پلیمر فوقجاذب باشد، افزایش یونها ممکن است توان تورم پلیمر را کاهش دهد.
بنابراین ممکن است فرمولی که در آب خالص عملکرد مناسبی دارد، در آب نمکی نتیجه متفاوتی بدهد.
—
۲۳-۱۷ ـ مواد تغییر فازدهنده
مواد تغییر فازدهنده یا PCM موادی هستند که در محدوده دمایی مشخصی تغییر فاز میدهند و در این فرآیند انرژی زیادی جذب یا آزاد میکنند.
این مواد میتوانند برای طراحی سیستمهای حرارتی تخصصی استفاده شوند.
—
۲۳-۱۸ ـ تفاوت PCM با ژلپک پلیمری
در ژلپک پلیمری، بخش عمده جرم ممکن است آب باشد که در شرایط مشخص منجمد میشود.
در PCM، مادهای انتخاب میشود که تغییر فاز آن در محدوده دمایی موردنظر رخ دهد.
انتخاب بین این دو به هدف کاربرد بستگی دارد.
—
۲۳-۱۹ ـ مزیت احتمالی PCM
مزیت مهم PCM امکان طراحی برای یک محدوده دمایی مشخص است.
این ویژگی برای کاربردهایی که دمای هدف بسیار مهم است، میتواند جذاب باشد.
اما قیمت، دسترسی و سازگاری مواد باید بررسی شود.
—
۲۳-۲۰ ـ محدودیت PCM
PCMها میتوانند نسبت به آب و پلیمرهای ساده پیچیدهتر و گرانتر باشند.
همچنین انتخاب ماده باید با توجه به:
– دمای تغییر فاز
– ظرفیت گرمای نهان
– پایداری چرخهای
– بستهبندی
– ایمنی
انجام شود.
—
۲۳-۲۱ ـ مواد معدنی
برخی مواد معدنی ممکن است بهعنوان پرکننده یا اصلاحکننده ساختار بررسی شوند.
اما افزودن ماده معدنی به یک ژلپک ساده، لزوماً ظرفیت سرمایشی را افزایش نمیدهد.
حتی ممکن است باعث:
– افزایش وزن
– تهنشینی
– کاهش آب آزاد
– تغییر انتقال حرارت
شود.
—
۲۳-۲۲ ـ سیلیکا و مواد معدنی متخلخل
مواد معدنی متخلخل میتوانند مایعات را در ساختار خود نگه دارند.
اما باید بین «جذب سطحی» و «ظرفیت سرمایشی» تفاوت قائل شد.
جذب مایع توسط یک ماده، به خودی خود به معنی افزایش ظرفیت سرمایشی نیست.
—
۲۳-۲۳ ـ خاک رس و مواد مشابه
برخی مواد معدنی میتوانند رفتار ژلمانند یا غلظتدهندگی ایجاد کنند.
اما استفاده از آنها در ژلپک باید با توجه به:
– وزن
– انتقال حرارت
– تهنشینی
– سازگاری با فیلم
آزمایش شود.
—
۲۳-۲۴ ـ کربوکسیمتیل سلولز و غلظتدهندههای مشابه
برخی پلیمرهای محلول در آب میتوانند برای افزایش ویسکوزیته بررسی شوند.
این مواد با پلیمرهای فوقجاذب تفاوت دارند و نباید ظرفیت آنها با SAP یکسان در نظر گرفته شود.
—
۲۳-۲۵ ـ ژلاتین و مواد طبیعی
مواد طبیعی ژلکننده ممکن است در بعضی کاربردها از نظر پژوهشی جالب باشند.
اما برای تولید صنعتی باید موارد زیر بررسی شود:
– پایداری در زمان
– رشد میکروبی
– رفتار در انجماد
– هزینه
– یکنواختی مواد اولیه
بنابراین طبیعی بودن بهتنهایی مزیت صنعتی محسوب نمیشود.
—
۲۳-۲۶ ـ انتخاب ماده بر اساس دمای هدف
ماده مناسب باید بر اساس دمای موردنظر انتخاب شود.
برای مثال، یک محصول ممکن است نیاز داشته باشد:
– فقط خنک بماند؛
– نزدیک صفر درجه نگهداری شود؛
– زیر صفر قرار گیرد؛
– در یک محدوده دمایی مشخص ثابتتر بماند.
این نیازها فرمولاسیون متفاوتی ایجاد میکنند.
—
۲۳-۲۷ ـ انتخاب ماده بر اساس مدت استفاده
اگر محصول فقط چند ساعت استفاده شود، فرمول ساده ممکن است کافی باشد.
اگر هدف استفاده طولانی یا چندباره باشد، باید موارد زیر اهمیت بیشتری پیدا کنند:
– دوام
– چرخه انجماد و ذوب
– پایداری ژل
– استحکام فیلم
—
۲۳-۲۸ ـ انتخاب ماده بر اساس قیمت
هزینه ماده اولیه باید به ازای محصول نهایی محاسبه شود.
ممکن است یک پلیمر گرانتر، به مقدار بسیار کمتری نیاز داشته باشد.
در مقابل، ماده ارزانتر ممکن است برای رسیدن به همان عملکرد نیازمند مقدار بیشتری باشد.
بنابراین قیمت هر کیلوگرم ماده بهتنهایی معیار مناسبی نیست.
—
۲۳-۲۹ ـ هزینه به ازای عملکرد
یک شاخص کاربردیتر میتواند چنین باشد:
هزینه ماده ÷ ظرفیت سرمایشی قابل استفاده
این شاخص کمک میکند مواد مختلف از نظر اقتصادی مقایسه شوند.
—
۲۳-۳۰ ـ قابلیت تولید صنعتی
مادهای که در آزمایشگاه عالی عمل میکند اما با تجهیزات خط تولید سازگار نیست، انتخاب مناسبی برای تولید تجاری نخواهد بود.
باید بررسی شود که ماده:
– قابل اختلاط باشد؛
– قابل پرکردن باشد؛
– باعث گرفتگی دستگاه نشود؛
– زمان فرآیند را بیش از حد افزایش ندهد.
—
۲۳-۳۱ ـ قابلیت نگهداری مواد اولیه
مواد اولیه باید از نظر شرایط انبارداری نیز بررسی شوند.
برای مثال:
– رطوبت
– دما
– نور
– بستهبندی
– زمان نگهداری
میتوانند بر برخی مواد اثر بگذارند.
—
۲۳-۳۲ ـ خلوص مواد
خلوص بالاتر همیشه به معنی عملکرد بهتر نیست، اما تغییرات شدید در ترکیب ماده میتواند باعث تغییر رفتار محصول شود.
برای تولید تکرارپذیر بهتر است مشخصات مواد اولیه ثابت باشد.
—
۲۳-۳۳ ـ اهمیت گرید صنعتی
مواد شیمیایی میتوانند در گریدهای مختلف تولید شوند.
برای کاربردهای عمومی صنعتی، گرید مناسب باید بر اساس نیاز واقعی انتخاب شود.
برای کاربردهای خاص مانند تماس با مواد غذایی یا پزشکی، الزامات جداگانهای مطرح میشود و نباید صرفاً بر اساس «گرید صنعتی» تصمیم گرفت.
—
۲۳-۳۴ ـ مقایسه ساده مواد
ماده| جذب آب| پیچیدگی تولید| هزینه احتمالی| رفتار قابل کنترل
آب| ندارد| بسیار کم| پایین| محدود
پلیآکریلات سدیم| بالا| متوسط| متوسط| مناسب برای تحقیق
پلیآکریلات پتاسیم| بالا| متوسط| وابسته به تأمین| نیازمند آزمون
غلظتدهنده| متوسط/متغیر| متوسط| متغیر| بیشتر برای کنترل بافت
محلول نمکی| ندارد به معنای SAP| کم| پایین تا متوسط| تغییر رفتار انجماد
PCM| وابسته به نوع| بالاتر| معمولاً بالاتر| قابل طراحی برای دمای خاص
این جدول یک مقایسه عمومی است و جایگزین آزمون مواد واقعی نیست.
—
۲۳-۳۵ ـ ترکیب دو نوع پلیمر
از نظر پژوهشی میتوان ترکیب دو پلیمر را بررسی کرد.
اما باید مشخص شود که ترکیب آنها چه اثری بر:
– جذب آب
– ویسکوزیته
– انجماد
– ذوب
– هزینه
دارد.
ترکیب مواد بدون آزمون ممکن است فقط هزینه را افزایش دهد.
—
۲۳-۳۶ ـ پلیمر و نمک
ترکیب پلیمر فوقجاذب با محلول نمکی یکی از موضوعات مهم تحقیقاتی است.
نمک ممکن است ویژگی انجماد را تغییر دهد، اما همزمان تورم پلیمر را نیز کاهش دهد.
بنابراین این سیستم نیازمند آزمایش جداگانه است.
—
۲۳-۳۷ ـ پلیمر و غلظتدهنده
ترکیب این دو گروه میتواند ساختار ژل را تغییر دهد.
ممکن است پلیمر آب را جذب کند و غلظتدهنده نیز حرکت آب را محدود کند.
اما افزایش مواد جامد میتواند وزن و هزینه را افزایش دهد.
—
۲۳-۳۸ ـ نقش اتصال عرضی
در پلیمرهای فوقجاذب، میزان اتصال عرضی شبکه بر میزان تورم و استحکام ژل اثر دارد.
اتصال عرضی کمتر میتواند تورم بیشتری ایجاد کند، اما ساختار ممکن است نرمتر شود.
اتصال عرضی بیشتر ممکن است ژل متراکمتر و پایدارتر ایجاد کند.
مقدار مناسب باید بر اساس گرید واقعی پلیمر مشخص شود.
—
۲۳-۳۹ ـ ظرفیت جذب آزاد و ظرفیت تحت فشار
یک پلیمر ممکن است در آب آزاد مقدار زیادی آب جذب کند.
اما تحت فشار یا در حضور بار مکانیکی، بخشی از آب میتواند آزاد شود.
این تفاوت برای ژلپک مهم است، زیرا بسته هنگام حمل تحت فشار قرار میگیرد.
—
۲۳-۴۰ ـ آزمون جذب تحت فشار
برای مقایسه پلیمرها میتوان شرایط کنترلشدهای طراحی کرد که نمونه پس از جذب آب تحت فشار مشخص قرار گیرد.
سپس میزان آب باقیمانده در ساختار اندازهگیری شود.
این آزمون برای مقایسه مواد واقعی کاربردیتر از عدد جذب کاتالوگ است.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۲۳-۴۱ ـ اثر اندازه ذرات بر تولید
ذرات بسیار ریز ممکن است سریعتر آب بگیرند اما گردوغبار بیشتری ایجاد کنند.
ذرات درشتتر ممکن است اختلاط آهستهتری داشته باشند.
بهترین اندازه ذرات باید با تجهیزات و سرعت تولید هماهنگ شود.
—
۲۳-۴۲ ـ ماده مناسب برای تولید دستی
برای تولید دستی یا نمونهسازی، مادهای که:
– بهآسانی مخلوط شود؛
– کلوخه نشود؛
– آب را سریع جذب کند؛
– نیاز به تجهیزات پیچیده نداشته باشد
مزیت عملی دارد.
—
۲۳-۴۳ ـ ماده مناسب برای تولید صنعتی
در تولید صنعتی، علاوه بر عملکرد، باید موارد زیر بررسی شوند:
– ثبات بچ به بچ
– قیمت
– تأمین مستمر
– سرعت فرآیند
– ایمنی کار
– گردوغبار
– قابلیت انتقال
– قابلیت پرکنی
—
۲۳-۴۴ ـ ماده مناسب برای ژلپک چندبارمصرف
برای محصول چندبارمصرف باید تمرکز بیشتری بر:
– چرخه انجماد و ذوب
– آباندازی
– تغییر حجم
– دوام فیلم
– پایداری ژل
باشد.
—
۲۳-۴۵ ـ ماده مناسب برای محصول یکبارمصرف
اگر محصول فقط یک دوره استفاده دارد، ممکن است طراحی سادهتری اقتصادی باشد.
در این حالت هزینه مواد و بستهبندی اهمیت بیشتری پیدا میکند.
اما حتی محصول یکبارمصرف نیز باید از نظر نشتی و ایمنی بستهبندی بررسی شود.
—
۲۳-۴۶ ـ انتخاب ماده برای محصولات حساس
اگر ژلپک در نزدیکی مواد غذایی، دارویی یا کاربردهای پزشکی استفاده شود، انتخاب ماده فقط مسئله فنی نیست.
باید:
– الزامات قانونی
– تماس مستقیم یا غیرمستقیم
– مهاجرت مواد
– پاکیزگی
– مستندات تأمینکننده
نیز بررسی شود.
نباید صرفاً بر اساس اینکه ماده «غیرسمی به نظر میرسد» آن را برای چنین کاربردهایی مناسب اعلام کرد.
—
۲۳-۴۷ ـ ساخت ماتریس انتخاب مواد
برای انتخاب ماده میتوان جدول امتیازدهی فنی تهیه کرد، بدون اینکه از ابتدا یک ماده را برنده فرض کنیم.
معیارها:
معیار| اهمیت
قیمت| زیاد
جذب آب| زیاد
پایداری| زیاد
رفتار انجماد| بسیار زیاد
تولیدپذیری| زیاد
تأمین| زیاد
سازگاری با فیلم| زیاد
ایمنی کاربرد| بسیار زیاد
سپس هر ماده با آزمون واقعی ارزیابی شود.
—
۲۳-۴۸ ـ آزمون سه مرحلهای انتخاب ماده
روش پیشنهادی:
مرحله اول
غربالگری آزمایشگاهی.
مرحله دوم
آزمون در بسته واقعی.
مرحله سوم
تولید نیمهصنعتی.
مادهای که از هر سه مرحله عبور کند، گزینه مناسبتری برای ادامه توسعه خواهد بود.
—
۲۳-۴۹ ـ انتخاب ماده برای پروژه تولیدی
برای یک پروژه واقعی بهتر است ابتدا این اطلاعات جمعآوری شود:
– قیمت خرید
– حداقل مقدار خرید
– مشخصات فنی
– ظرفیت جذب در آب مورد استفاده
– اندازه ذرات
– رفتار در انجماد
– رفتار در ذوب
– زمان هیدراتهشدن
– شرایط نگهداری
– مستندات ایمنی
– امکان تأمین مستمر
پس از جمعآوری این اطلاعات، نمونهها با یک روش آزمایش یکسان مقایسه شوند.
—
۲۳-۵۰ ـ جمعبندی فصل
هیچ مادهای را نمیتوان بدون تعیین کاربرد، بهصورت مطلق «بهترین ماده برای ژلپک» معرفی کرد.
آب، پلیآکریلات سدیم، پلیآکریلات پتاسیم، سایر پلیمرهای فوقجاذب، غلظتدهندهها، محلولهای نمکی و PCM هرکدام میتوانند در شرایط خاص کاربرد داشته باشند.
برای یک پروژه صنعتی، مهمترین معیارها عبارتاند از:
عملکرد حرارتی + قیمت + تولیدپذیری + پایداری + تأمین مستمر + سازگاری با فیلم + شرایط کاربرد
در مورد پلیآکریلاتها نیز نباید تنها ظرفیت جذب اعلامشده روی کاتالوگ را معیار انتخاب قرار داد. مقدار جذب در آب واقعی، رفتار تحت فشار، رفتار هنگام انجماد و ذوب و میزان آباندازی باید بهصورت عملی اندازهگیری شود.
در نهایت، بهترین مسیر برای انتخاب ماده عبارت است از:
غربالگری مواد → ساخت نمونه → آزمون در شرایط واقعی → مقایسه اقتصادی → آزمون نیمهصنعتی → انتخاب نهایی
به این ترتیب، ماده اولیه نه صرفاً به دلیل تبلیغات فروشنده، بلکه بر اساس عملکرد واقعی در ژلپک انتخاب خواهد شد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۲۴
روش آزمایشگاهی اندازهگیری ظرفیت سرمایشی ژلپک؛ محاسبه انرژی جذبشده، اندازهگیری دما در طول زمان، مقایسه فرمولاسیونها، طراحی آزمون استاندارد داخلی و تبدیل نتایج آزمایش به مشخصات فنی محصول.