دانشنامه جامع کمپرس یخ27
فصل ۲۷
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
طراحی ژلپک اقتصادی با پلیآکریلات سدیم؛ تعیین نسبت آب به پلیمر، کاهش قیمت تمامشده، افزایش ظرفیت سرمایشی، جلوگیری از کلوخهشدن، کنترل ویسکوزیته و طراحی فرمول مناسب تولید انبوه
مقدمه
یکی از جذابترین مسیرهای تولید ژلپک، استفاده از آب و پلیآکریلات سدیم برای ایجاد یک ماده سردکننده ژلمانند است.
پلیآکریلات سدیم میتواند مقدار زیادی آب را در ساختار متورم خود نگه دارد و از نظر فرآیند تولید، امکان طراحی محصولاتی با درصدهای مختلف پلیمر و آب را فراهم میکند.
اما نکته بسیار مهم این است که هدف یک فرمول اقتصادی، صرفاً کم کردن قیمت پلیمر نیست.
فرمول اقتصادی واقعی باید بین چند عامل تعادل برقرار کند:
قیمت + ظرفیت سرمایشی + سهولت تولید + پایداری + استحکام بسته + زمان انجماد + عملکرد پس از ذوب
بنابراین لازم است فرمولاسیون با آزمایش مرحلهای طراحی شود.
—
۲۷-۱ ـ چرا پلیآکریلات سدیم برای ژلپک جذاب است؟
این پلیمر میتواند آب را جذب و در شبکه متورم خود نگهداری کند.
در نتیجه میتوان آب را به شکل یک توده ژلمانند در بسته قرار داد.
مزایای بالقوه:
– قیمت مناسب در برخی گریدها
– جذب آب بالا
– قابلیت اختلاط با آب
– امکان تنظیم نسبت آب به پلیمر
– قابلیت تولید در مقیاس مختلف
—
۲۷-۲ ـ اشتباه رایج؛ توجه فقط به ظرفیت جذب
فرض کنید فروشنده اعلام کند یک کیلوگرم پلیمر میتواند ۱۵۰ کیلوگرم آب جذب کند.
این عدد بهتنهایی برای طراحی ژلپک کافی نیست.
باید مشخص شود:
– جذب در چه آبی؟
– در چه زمانی؟
– تحت چه فشاری؟
– در چه دمایی؟
– با چه روش آزمایشی؟
انجام شده است.
—
۲۷-۳ ـ ظرفیت جذب در آب خالص
پلیمرهای فوقجاذب معمولاً در آب کماملاح عملکرد متفاوتی نسبت به محلولهای حاوی یون دارند.
به همین دلیل اگر در فرمول از آب شهری استفاده میشود، بهتر است ظرفیت جذب با همان آب آزمایش شود.
—
۲۷-۴ ـ تأثیر نمکها
یونهای محلول میتوانند بر تورم پلیمر اثر بگذارند.
بنابراین افزودن نمک با هدف تغییر دمای انجماد باید همزمان از نظر:
کاهش ظرفیت جذب پلیمر
نیز بررسی شود.
—
۲۷-۵ ـ هدف فرمول اقتصادی
فرمول اقتصادی را میتوان به این صورت تعریف کرد:
«کمترین هزینه برای رسیدن به عملکرد حرارتی و مکانیکی مورد نیاز.»
این تعریف بهتر از عبارت «کمترین مقدار پلیمر» است.
—
۲۷-۶ ـ فرمول بسیار کمپلیمر
اگر مقدار پلیمر بسیار کم باشد، ممکن است:
– آب آزاد ایجاد شود؛
– ژل ضعیف شود؛
– حرکت مایع افزایش یابد.
اما از طرف دیگر، ظرفیت سرمایشی جرمی میتواند به دلیل درصد بالاتر آب همچنان قابل توجه باشد.
پس باید آزمون واقعی انجام شود.
—
۲۷-۷ ـ فرمول بسیار پرپلیمر
اگر پلیمر بیش از حد مصرف شود:
– هزینه افزایش مییابد؛
– ژل ممکن است بسیار سفت شود؛
– پرکنی سختتر شود؛
– نسبت آب کاهش پیدا کند.
بنابراین افزایش پلیمر همیشه مزیت نیست.
—
۲۷-۸ ـ یک روش ساده برای شروع
برای شروع آزمایش میتوان سه سطح پلیمر را بررسی کرد:
فرمول A: پلیمر کم
فرمول B: پلیمر متوسط
فرمول C: پلیمر زیاد
مقادیر دقیق باید بر اساس گرید واقعی پلیمر و هدف محصول تعیین شود.
—
۲۷-۹ ـ مثال آزمایشگاهی
فرض کنید در هر نمونه ۱۰۰۰ گرم آب در نظر گرفته شود.
میتوان چند مقدار مختلف پلیمر را بهصورت آزمایشی بررسی کرد؛ مثلاً:
۵ گرم
۱۰ گرم
۲۰ گرم
۳۰ گرم
سپس میزان:
– آب آزاد
– ویسکوزیته
– زمان تشکیل ژل
– انجماد
– ذوب
مقایسه شود.
این اعداد صرفاً نمونه طراحی آزمایش هستند.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۲۷-۱۰ ـ چرا آزمایش کوچک بهتر از تولید مستقیم است؟
اگر ابتدا یک بچ ۱۰۰ کیلوگرمی ساخته شود و فرمول نامناسب باشد، مقدار زیادی ماده و زمان از بین میرود.
اما آزمایش با ۱ یا ۲ کیلوگرم، امکان اصلاح سریع فرمول را فراهم میکند.
—
۲۷-۱۱ ـ آزمایش جار یا ظرف
یک روش ساده این است که هر فرمول در یک ظرف جداگانه آماده شود.
برای هر نمونه ثبت شود:
– مقدار آب
– مقدار پلیمر
– زمان اختلاط
– زمان هیدراتهشدن
– ظاهر نهایی
—
۲۷-۱۲ ـ معیار اول؛ آب آزاد
پس از تشکیل ژل بررسی کنید آیا در ته ظرف یا اطراف ژل آب آزاد وجود دارد یا خیر.
آب آزاد زیاد میتواند نشان دهد نسبت پلیمر به آب برای هدف موردنظر مناسب نیست.
البته وجود مقدار مشخصی آب آزاد الزاماً به معنی نامناسب بودن فرمول نیست؛ زیرا هدف نهایی محصول اهمیت دارد.
—
۲۷-۱۳ ـ معیار دوم؛ یکنواختی
ژل باید تا حد امکان یکنواخت باشد.
اگر قسمتهایی بسیار سفت و قسمتهایی بسیار روان باشند، پرکنی و عملکرد محصول ناپایدار میشود.
—
۲۷-۱۴ ـ معیار سوم؛ زمان هیدراتهشدن
زمان لازم برای رسیدن به ساختار موردنظر اندازهگیری شود.
فرمولی که ۵ دقیقهای آماده میشود با فرمولی که چند ساعت نیاز دارد، از نظر تولید صنعتی یکسان نیست.
—
۲۷-۱۵ ـ معیار چهارم؛ قابلیت پمپاژ
اگر ژل باید با پمپ منتقل شود، باید مشخص شود:
آیا پمپ میتواند آن را بهطور پایدار جابهجا کند؟
ژل بیش از حد سفت ممکن است نیاز به تجهیزات ویژه داشته باشد.
—
۲۷-۱۶ ـ معیار پنجم؛ قابلیت پرکنی
حتی اگر ژل از نظر آزمایشگاهی عالی باشد، باید بتوان آن را با سرعت و دقت مناسب داخل بسته وارد کرد.
—
۲۷-۱۷ ـ رابطه آب و پلیمر
یکی از مهمترین پارامترهای فرمول:
نسبت جرم آب به جرم پلیمر
است.
مثلاً اگر:
۱۰۰۰ گرم آب
و
۱۰ گرم پلیمر
داشته باشیم:
نسبت آب به پلیمر = ۱۰۰:۱
است.
—
۲۷-۱۸ ـ نسبت آب به پلیمر ثابت نیست
نسبت مناسب به گرید پلیمر و هدف محصول بستگی دارد.
پلیمرهای مختلف ظرفیت جذب یکسانی ندارند.
حتی یک پلیمر مشخص نیز در آبهای مختلف میتواند رفتار متفاوتی داشته باشد.
—
۲۷-۱۹ ـ اثر آب بیشتر
افزایش آب نسبت به پلیمر میتواند ژل را نرمتر کند.
اگر آب بیش از توان نگهداری شبکه باشد، آب آزاد ایجاد میشود.
—
۲۷-۲۰ ـ اثر پلیمر بیشتر
افزایش پلیمر میتواند آب آزاد را کاهش داده و ساختار را سفتتر کند.
اما ممکن است هزینه افزایش یابد و فرآیند پرکنی دشوارتر شود.
—
۲۷-۲۱ ـ هدف واقعی؛ نقطه تعادل
فرمول مناسب معمولاً در یک نقطه تعادل قرار دارد:
نه آنقدر رقیق که آب آزاد زیاد شود و نه آنقدر غلیظ که تولید و هزینه را مشکل کند.
—
۲۷-۲۲ ـ نقش آب در سرمایش
آب ظرفیت گرمایی مناسبی دارد و در صورت انجماد و ذوب، انرژی نهان قابل توجهی نیز درگیر میشود.
بنابراین در یک ژلپک مبتنی بر آب، نباید صرفاً به مقدار پلیمر توجه کرد.
—
۲۷-۲۳ ـ محاسبه ساده انرژی محسوس
اگر ۱ کیلوگرم آب از ۰ تا ۱۰ درجه افزایش دما داشته باشد:
Q ≈ 1 × 4.18 × 10 = 41.8 kJ
است.
—
۲۷-۲۴ ـ انرژی نهان
اگر آب به شکل یخ باشد و در محدوده آزمون ذوب شود، انرژی نهان ذوب نیز وارد محاسبه میشود.
برای آب خالص، مقدار مرجع انرژی نهان ذوب حدود:
۳۳۴ kJ/kg
است.
اما در ژلپک واقعی نباید بدون آزمایش فرض کرد که تمام آب دقیقاً مانند یخ خالص رفتار میکند.
—
۲۷-۲۵ ـ آیا پلیمر ظرفیت سرمایشی دارد؟
پلیمر نیز ظرفیت گرمایی دارد، اما در بسیاری از فرمولهای آبپایه، نقش اصلی آن ایجاد ساختار و نگهداری آب است.
بنابراین افزایش پلیمر ممکن است سهم آب را کاهش دهد.
—
۲۷-۲۶ ـ فرمول اقتصادی واقعی
فرض کنید دو محصول داریم:
محصول A:
– پلیمر کمتر
– آب بیشتر
محصول B:
– پلیمر بیشتر
– آب کمتر
اگر هر دو عملکرد حرارتی قابل قبول داشته باشند، محصولی که هزینه نهایی کمتری دارد میتواند برای بازار عمومی مناسبتر باشد.
اما این مقایسه باید با آزمون واقعی انجام شود.
—
۲۷-۲۷ ـ محاسبه قیمت پلیمر
اگر قیمت پلیمر مثلاً:
۳۰۰٬۰۰۰ تومان به ازای هر کیلوگرم
باشد و در یک بسته ۱۰ گرم استفاده شود:
۰٫۰۱۰ × ۳۰۰٬۰۰۰ = ۳٬۰۰۰ تومان
هزینه پلیمر هر بسته خواهد بود.
این فقط مثال محاسباتی است و قیمت واقعی باید با قیمت روز خرید محاسبه شود.
—
۲۷-۲۸ ـ تأثیر مقدار پلیمر بر قیمت
اگر مقدار پلیمر از ۱۰ گرم به ۲۰ گرم افزایش یابد، در همین مثال هزینه پلیمر نیز دو برابر میشود.
بنابراین حتی تغییر چند گرم در محصول بزرگمقیاس میتواند روی قیمت تمامشده اثر داشته باشد.
—
۲۷-۲۹ ـ آب تقریباً رایگان نیست
حتی اگر آب ماده بسیار ارزانتری از پلیمر باشد، هزینههای:
– تصفیه احتمالی
– پمپاژ
– مخزن
– اختلاط
– نگهداری
– کنترل کیفیت
وجود دارد.
اما در بسیاری از فرمولها، سهم آب از هزینه مواد اولیه همچنان بسیار کمتر از پلیمر است.
—
۲۷-۳۰ ـ فیلم و پلیمر را با هم محاسبه کنید
گاهی کاهش چند گرم پلیمر، صرفهجویی ایجاد میکند اما اگر باعث افزایش ضخامت فیلم یا افزایش ضایعات شود، سود واقعی کاهش پیدا نمیکند.
بنابراین باید هزینه کل محصول بررسی شود.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۲۷-۳۱ ـ کلوخهشدن پلیمر
یکی از مشکلات مهم هنگام ساخت ژل با پلیآکریلات، تشکیل کلوخه است.
وقتی سطح ذرات سریعاً آب جذب کند، لایه ژلی تشکیل میشود و آب نمیتواند بهآسانی به داخل کلوخه نفوذ کند.
—
۲۷-۳۲ ـ روش کاهش کلوخه
میتوان موارد زیر را آزمایش کرد:
– افزودن تدریجی پودر
– پخش یکنواخت پودر
– اختلاط مناسب آب
– انتخاب اندازه ذرات مناسب
– جلوگیری از ریختن حجم زیاد پودر در یک نقطه
—
۲۷-۳۳ ـ ترتیب اختلاط
در یک فرآیند معمول میتوان:
1. آب را وارد مخزن کرد.
2. همزن را فعال کرد.
3. پلیمر را تدریجی اضافه کرد.
4. تا حد لازم اختلاط داد.
5. زمان هیدراتهشدن را رعایت کرد.
6. محصول را بررسی کرد.
فرمول واقعی باید با آزمون فرآیندی اعتبارسنجی شود.
—
۲۷-۳۴ ـ ورود هوا
همزدن بسیار شدید ممکن است هوا وارد ژل کند.
حبابهای زیاد میتوانند:
– حجم ظاهری را تغییر دهند؛
– پرکنی را دشوار کنند؛
– انتقال حرارت را تحت تأثیر قرار دهند.
—
۲۷-۳۵ ـ کنترل ویسکوزیته
ویسکوزیته را میتوان با یک روش ثابت داخلی مقایسه کرد.
لازم نیست در شروع کار تجهیزات بسیار پیچیده وجود داشته باشد؛ مهمتر از همه، ثابت بودن روش اندازهگیری است.
—
۲۷-۳۶ ـ آزمایش قیف جریان
برای برخی ژلهای نسبتاً روان میتوان از روشهای ساده جریانسنجی استفاده کرد.
زمان خروج مقدار مشخصی ژل از یک مسیر مشخص، امکان مقایسه نمونهها را فراهم میکند.
این روش جایگزین ویسکومتر استاندارد در همه کاربردها نیست، اما برای مقایسه داخلی میتواند مفید باشد.
—
۲۷-۳۷ ـ آزمایش فشردگی
ژلپک باید در شرایط واقعی تحت فشار قرار گیرد.
پس از فشار مشخص بررسی شود:
– آیا آب آزاد خارج میشود؟
– آیا فیلم تغییر شکل میدهد؟
– آیا دوخت باز میشود؟
—
۲۷-۳۸ ـ اثر فشار بر آب موجود در ژل
پلیمر ممکن است آب را در ساختار خود نگه دارد، اما فشار زیاد میتواند بخشی از آب را جابهجا کند.
بنابراین آزمون فشار برای انتخاب فرمول مهم است.
—
۲۷-۳۹ ـ آزمون انجماد فرمولهای مختلف
سه فرمول A، B و C را با جرم مساوی تولید کنید.
سپس در شرایط کاملاً یکسان منجمد کنید.
بررسی شود:
– زمان رسیدن به دمای هدف
– وضعیت ظاهری
– تغییر حجم
– استحکام بسته
—
۲۷-۴۰ ـ آزمون ذوب
پس از خروج از فریزر، دما در طول زمان ثبت شود.
هدف این نیست که فقط بدانیم «کدام بسته دیرتر گرم شد».
باید مشخص شود:
کدام فرمول در شرایط یکسان، عملکرد قابل تکرارتر دارد.
—
۲۷-۴۱ ـ آزمون آباندازی پس از ذوب
پس از ذوب کامل یا رسیدن به شرایط مشخص، بسته بررسی شود.
اگر آب آزاد داخلی بهوضوح افزایش یافته باشد، باید علت بررسی شود.
—
۲۷-۴۲ ـ انتخاب فرمول با روش DOE
برای توسعه حرفهایتر میتوان از طراحی آزمایش استفاده کرد.
دو عامل اصلی:
X1 = درصد پلیمر
X2 = مقدار آب
و خروجیها:
Y1 = ویسکوزیته
Y2 = آب آزاد
Y3 = زمان سرمایش
Y4 = هزینه
میتوانند باشند.
—
۲۷-۴۳ ـ آزمایش چندنقطهای
به جای سه فرمول، میتوان پنج تا نه فرمول طراحی کرد.
مثلاً درصد پلیمر در چند سطح مختلف بررسی شود.
این روش به پیدا کردن محدوده مناسب کمک میکند.
—
۲۷-۴۴ ـ چرا نباید یک فرمول را فوراً نهایی کرد؟
ممکن است فرمولی از نظر ویسکوزیته عالی باشد، اما در آزمون حرارتی ضعیفتر عمل کند.
فرمول دیگری ممکن است سرمایش خوبی داشته باشد اما پرکنی دشواری ایجاد کند.
پس باید چند معیار همزمان بررسی شوند.
—
۲۷-۴۵ ـ فرمول اقتصادی برای تولید انبوه
برای تولید انبوه، فرمول نهایی باید دارای این ویژگیها باشد:
– مواد اولیه قابل تأمین
– کیفیت ثابت
– فرآیند ساده
– زمان تولید مناسب
– قابلیت پرکنی
– قیمت قابل کنترل
– عملکرد حرارتی تکرارپذیر
—
۲۷-۴۶ ـ استانداردسازی فرمول
پس از انتخاب فرمول باید آن را به دستور تولید تبدیل کرد.
مثلاً:
آب: X کیلوگرم
پلیآکریلات سدیم: Y کیلوگرم
زمان اختلاط: Z دقیقه
زمان هیدراتهشدن: T دقیقه
مقادیر واقعی باید از نتایج آزمایش محصول مشخص شوند.
—
۲۷-۴۷ ـ کنترل بچ تولیدی
هر بچ باید از نظر موارد زیر کنترل شود:
– جرم مواد اولیه
– زمان اختلاط
– ظاهر ژل
– ویسکوزیته
– جرم پرشده
– کیفیت دوخت
—
۲۷-۴۸ ـ ثبت فرمولهای آزمایشی
برای جلوگیری از تکرار آزمایشها، هر فرمول باید کد داشته باشد.
مثلاً:
SP-01
SP-02
SP-03
و نتیجه هرکدام ثبت شود.
—
۲۷-۴۹ ـ فرمول پیشنهادی یا فرمول آزمایشگاهی؟
در مرحله توسعه بهتر است به جای اعلام یک فرمول قطعی، محدوده آزمایشی تعریف شود.
زیرا نوع پلیآکریلات، اندازه ذرات، کیفیت آب، فیلم و هدف کاربرد میتوانند نتیجه را تغییر دهند.
بنابراین یک فرمول مناسب باید از آزمایش واقعی به دست آید.
—
۲۷-۵۰ ـ جمعبندی فصل
پلیآکریلات سدیم میتواند مادهای مناسب برای توسعه ژلپکهای آبپایه باشد، اما موفقیت محصول به مقدار پلیمر بهتنهایی وابسته نیست.
برای طراحی اقتصادی باید همزمان بررسی شود:
نسبت آب به پلیمر + ظرفیت سرمایشی + آب آزاد + ویسکوزیته + قابلیت پرکنی + رفتار انجماد + رفتار ذوب + قیمت تمامشده + دوام بسته
فرمول اقتصادی الزاماً فرمولی نیست که کمترین مقدار پلیمر را داشته باشد؛ بلکه فرمولی است که با کمترین هزینه، عملکرد موردنیاز را به شکل پایدار و تکرارپذیر ایجاد کند.
برای شروع تحقیق عملی، میتوان چند فرمول با نسبتهای متفاوت آب به پلیمر ساخت و سپس آنها را از نظر:
ظاهر → آب آزاد → ویسکوزیته → قابلیت پرکنی → انجماد → ذوب → ظرفیت سرمایشی → دوام → هزینه
مقایسه کرد.
پس از انتخاب فرمول آزمایشگاهی، مرحله بعدی باید تولید نیمهصنعتی و بررسی عملکرد همان فرمول در دستگاه واقعی باشد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۲۸
طراحی ژلپک فوقاقتصادی با کمترین مصرف پلیآکریلات؛ بررسی نسبتهای مختلف آب و پلیمر، محاسبه هزینه هر کیسه، آزمایش جذب، بررسی آب آزاد، انجماد و ذوب و تعیین نقطه بهینه اقتصادی برای تولید انبوه
۰ دیدگاه