دانشنامه جامع کمپرس یخ42
فصل ۴۲
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
طراحی ژلپک با بیشترین جذب آب و کمترین مصرف پلیآکریلات؛ بررسی ظرفیت واقعی پلیآکریلات سدیم، اثر کیفیت آب، اندازه ذرات، روش اختلاط، زمان آبگیری، آب آزاد، نسبت آب به پلیمر و روش تعیین فرمول اقتصادی
مقدمه
در تولید ژلپک اقتصادی، یکی از مهمترین مسائل، تعیین مقدار دقیق پلیآکریلات موردنیاز برای نگهداری مقدار مشخصی آب است.
پلیآکریلات سدیم یک پلیمر فوقجاذب است و میتواند مقدار قابل توجهی آب را در ساختار خود نگهداری کند. با این حال، عدد جذب درجشده در مشخصات ماده اولیه الزاماً در شرایط واقعی تولید ژلپک به دست نمیآید.
کیفیت آب، املاح، اندازه ذرات، اتصال عرضی پلیمر، روش اختلاط، فشار مکانیکی، زمان آبگیری و حتی شکل بسته میتوانند نتیجه را تغییر دهند.
بنابراین هدف صحیح این نیست که صرفاً بگوییم:
«این پلیمر چند برابر وزن خود آب جذب میکند؟»
بلکه باید پرسید:
«این پلیمر در شرایط واقعی تولید ژلپک، چه مقدار آب را بدون ایجاد آب آزاد قابلتوجه و با حفظ عملکرد موردنظر نگه میدارد؟»
این تفاوت میان ظرفیت جذب آزمایشگاهی و ظرفیت کاربردی، یکی از مهمترین موضوعات توسعه فرمول اقتصادی است.
—
۴۲-۱ ـ تعریف ظرفیت جذب
ظرفیت جذب را میتوان به صورت ساده از رابطه زیر محاسبه کرد:
A = (Mwet − Mdry) / Mdry
که در آن:
– Mwet جرم پلیمر پس از جذب؛
– Mdry جرم پلیمر خشک؛
– A ظرفیت جذب بر حسب گرم آب به ازای هر گرم پلیمر است.
اگر پلیمر ۱۰ گرم آب جذب کرده باشد، مقدار A برابر ۱۰ خواهد بود.
—
۴۲-۲ ـ تفاوت «برابر وزن» و «درصد»
گاهی ظرفیت جذب به صورت:
۱۰ برابر وزن
و گاهی به صورت:
۱۰۰۰٪
بیان میشود.
این دو عبارت باید با دقت تفسیر شوند، زیرا روش محاسبه و تعریف آب جذبشده ممکن است متفاوت باشد.
—
۴۲-۳ ـ ظرفیت جذب اسمی
ظرفیت درجشده در کاتالوگ تولیدکننده معمولاً تحت شرایط آزمایشگاهی مشخص به دست آمده است.
شرایط آزمایش باید قبل از مقایسه دو محصول بررسی شود.
—
۴۲-۴ ـ ظرفیت جذب کاربردی
برای ژلپک، ظرفیت کاربردی مهمتر است.
ظرفیت کاربردی یعنی مقدار آبی که پلیمر در:
– آب واقعی؛
– نسبت اختلاط مشخص؛
– دمای مشخص؛
– زمان مشخص؛
– و داخل بسته واقعی
میتواند پایدار نگه دارد.
—
۴۲-۵ ـ چرا عدد جذب تغییر میکند؟
عوامل متعددی مؤثرند:
– املاح آب؛
– یونهای دوظرفیتی؛
– pH؛
– اندازه ذرات؛
– ساختار شبکه؛
– دما؛
– فشار؛
– زمان.
—
۴۲-۶ ـ آب خالص
آب کماملاح معمولاً شرایط مناسبی برای دستیابی به ظرفیت تورم بالای بسیاری از پلیمرهای فوقجاذب ایجاد میکند.
اما حتی در آب خالص نیز نوع پلیمر اهمیت زیادی دارد.
—
۴۲-۷ ـ آب دارای املاح
یونهای موجود در آب میتوانند باعث کاهش تورم پلیآکریلات شوند.
در نتیجه اگر تولید در نقاط مختلف با آبهای متفاوت انجام شود، ممکن است کیفیت ژل تغییر کند.
—
۴۲-۸ ـ اثر یونهای چندظرفیتی
یونهایی مانند کلسیم و منیزیم میتوانند اثر بیشتری بر رفتار برخی پلیمرهای یونی داشته باشند.
بنابراین سختی آب نیز میتواند در تحقیق و توسعه بررسی شود.
—
۴۲-۹ ـ هدایت الکتریکی آب
EC یک شاخص ساده برای بررسی مقدار کلی یونهای محلول است.
اما EC به تنهایی مشخص نمیکند چه یونهایی در آب وجود دارند.
برای کنترل تولید، EC میتواند یک شاخص غربالگری مفید باشد.
—
۴۲-۱۰ ـ pH
pH نیز میتواند بر رفتار برخی پلیمرها اثرگذار باشد.
در فرمولاسیون اولیه بهتر است pH آب ثبت شود تا شرایط آزمایش قابل تکرار باشد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۴۲-۱۱ ـ اندازه ذرات پلیآکریلات
اندازه ذرات بر سرعت آبگیری اثر میگذارد.
ذرات کوچکتر معمولاً سطح تماس بیشتری دارند و میتوانند سریعتر آبگیری کنند.
اما سرعت جذب بالا میتواند خطر کلوخهشدن را نیز افزایش دهد.
—
۴۲-۱۲ ـ ذرات درشت
ذرات درشتتر ممکن است در هنگام اختلاط راحتتر پخش شوند.
اما زمان رسیدن به حالت کاملاً آبگیریشده میتواند بیشتر شود.
—
۴۲-۱۳ ـ اندازه ذرات و تولید صنعتی
برای تولید انبوه بهتر است یک محدوده مشخص اندازه ذرات انتخاب شود.
تغییر مداوم گرید یا اندازه ذرات میتواند باعث تغییر ویسکوزیته و رفتار پرشدن شود.
—
۴۲-۱۴ ـ اتصال عرضی
ساختار اتصال عرضی پلیمر یکی از عوامل مهم ظرفیت تورم است.
اتصال عرضی کمتر میتواند تورم بیشتری ایجاد کند، اما ساختار ممکن است از نظر مکانیکی ضعیفتر باشد.
اتصال عرضی بیشتر معمولاً ساختار متراکمتری ایجاد میکند.
—
۴۲-۱۵ ـ هدف بهینه
هدف تولیدکننده نباید بیشترین تورم تئوری باشد.
هدف باید:
ظرفیت جذب کافی + پایداری ژل + قابلیت تولید + هزینه مناسب
باشد.
—
۴۲-۱۶ ـ آزمایش لیوانی
یک روش ساده برای شروع، آزمایش در ظروف شفاف است.
برای مثال، مقدار مشخصی پلیمر را با مقدار مشخص آب مخلوط کنید و وضعیت را در زمانهای مختلف بررسی کنید.
—
۴۲-۱۷ ـ نمونه آزمایشی
مثلاً:
۱ گرم پلیمر
با:
۱۰۰ گرم آب
مخلوط شود.
این نسبت صرفاً برای آزمایش است و به معنی فرمول تجاری نیست.
—
۴۲-۱۸ ـ ثبت زمان
وضعیت نمونه در زمانهای:
۵ دقیقه، ۱۵ دقیقه، ۳۰ دقیقه، ۶۰ دقیقه و ۲۴ ساعت
قابل ثبت است.
—
۴۲-۱۹ ـ شاخصهای مشاهده
در هر زمان بررسی شود:
– حجم ژل؛
– آب آزاد؛
– یکنواختی؛
– کلوخه؛
– تغییر بافت.
—
۴۲-۲۰ ـ چرا آزمایش ۲۴ ساعته؟
برخی پلیمرها در چند دقیقه بخش زیادی از آب را جذب میکنند، اما رسیدن به حالت پایدار ممکن است بیشتر طول بکشد.
بنابراین فقط آزمایش کوتاهمدت کافی نیست.
—
۴۲-۲۱ ـ روش قطرهای
برای جلوگیری از کلوخهشدن، میتوان آب را به تدریج به پلیمر اضافه کرد.
این روش برای بررسی سرعت جذب مناسب است، ولی الزاماً مشابه فرآیند تولید صنعتی نیست.
—
۴۲-۲۲ ـ روش پودر به آب
در تولید ژلپک، ممکن است پلیمر به آب اضافه شود.
در این روش باید پودر به صورت تدریجی و یکنواخت پخش شود.
—
۴۲-۲۳ ـ روش آب به پودر
در برخی آزمایشها آب به پلیمر اضافه میشود.
این روش ممکن است خیلی سریع کلوخه ایجاد کند و برای بسیاری از پلیمرهای فوقجاذب نیازمند کنترل دقیق باشد.
—
۴۲-۲۴ ـ کلوخه چیست؟
کلوخه زمانی تشکیل میشود که سطح ذره یا مجموعهای از ذرات سریعاً ژل شود و مانع نفوذ آب به بخش داخلی شود.
نتیجه، ذراتی با هسته خشک و سطح ژلهای است.
—
۴۲-۲۵ ـ جلوگیری از کلوخه
راهکارهای قابل بررسی:
– افزودن تدریجی؛
– پخش یکنواخت؛
– همزدن کنترلشده؛
– استفاده از ذرات مناسب؛
– جلوگیری از افزودن حجم زیاد پودر در یک نقطه.
—
۴۲-۲۶ ـ همزدن شدید
همزدن شدید میتواند هوای زیادی وارد سیستم کند.
بنابراین شدت همزدن باید برای دستیابی به یکنواختی کافی تنظیم شود.
—
۴۲-۲۷ ـ حباب هوا
وجود حباب میتواند حجم ظاهری ژل را تغییر دهد.
در تولید صنعتی، حباب زیاد ممکن است پرکردن کیسه و کنترل وزن حجمی را دشوار کند.
—
۴۲-۲۸ ـ زمان آبگیری
پس از تشکیل اولیه ژل، باید مشخص شود چه زمانی برای رسیدن به وضعیت پایدار لازم است.
این زمان بخشی از دستورالعمل تولید خواهد بود.
—
۴۲-۲۹ ـ ژل پایدار
ژل پایدار ژلی است که پس از گذشت زمان مشخص:
– آب آزاد قابل توجه ایجاد نکند؛
– ساختار آن تغییر شدید نکند؛
– قابلیت بستهبندی خود را حفظ کند.
—
۴۲-۳۰ ـ آب آزاد قابل قبول
«صفر بودن آب آزاد» همیشه تنها معیار ممکن نیست.
معیار باید براساس کاربرد تعیین شود.
برای یک محصول خاص ممکن است مقدار بسیار کم آب آزاد قابل قبول باشد، ولی برای محصولی که در معرض فشار و حملونقل قرار دارد، محدودیت سختگیرانهتری لازم باشد.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۴۲-۳۱ ـ فشار مکانیکی
ژلپک در هنگام حمل، روی هم قرار گرفتن یا قرار گرفتن در جعبه تحت فشار قرار میگیرد.
فشار میتواند باعث جابهجایی آب در ساختار ژل شود.
بنابراین ظرفیت جذب بدون اعمال فشار ممکن است با ظرفیت کاربردی متفاوت باشد.
—
۴۲-۳۲ ـ آزمون تحت فشار
میتوان نمونه ژل را تحت فشار مشخص قرار داد و میزان آب آزاد یا خروج مایع را اندازهگیری کرد.
این آزمون برای مقایسه دو فرمول بسیار مفید است.
—
۴۲-۳۳ ـ جذب در برابر نگهداری
دو مفهوم باید جدا شوند:
ظرفیت جذب
و
ظرفیت نگهداری
ممکن است پلیمر مقدار زیادی آب جذب کند ولی بخشی از آن در فشار یا گذشت زمان آزاد شود.
—
۴۲-۳۴ ـ ظرفیت نگهداری مهمتر است
برای ژلپک، توانایی نگهداری آب در طول چرخه:
انجماد → ذوب → حمل
اهمیت زیادی دارد.
—
۴۲-۳۵ ـ اثر انجماد
انجماد میتواند باعث تغییر ساختار ژل و توزیع آب شود.
بنابراین فرمول باید بعد از انجماد و ذوب نیز بررسی شود.
—
۴۲-۳۶ ـ آب و پلیآکریلات پس از ذوب
پس از ذوب، ممکن است رفتار ژل با حالت اولیه متفاوت باشد.
باید بررسی شود که آیا:
– آب آزاد افزایش یافته؛
– ژل جدا شده؛
– حجم تغییر کرده؛
– یا ساختار پایدار باقی مانده است.
—
۴۲-۳۷ ـ آزمون چرخهای
یک برنامه ساده توسعه میتواند شامل:
۵، ۱۰، ۲۰ یا تعداد بیشتری چرخه
باشد.
تعداد چرخه نهایی باید براساس عمر مورد انتظار محصول تعیین شود.
—
۴۲-۳۸ ـ فرمولاسیون با حداقل پلیمر
برای یافتن حداقل مقدار پلیمر، میتوان مقدار آب را ثابت نگه داشت و پلیمر را مرحلهای کاهش داد.
مثلاً:
نمونه| آب| پلیمر
A| ۱۰۰۰ g| ۲۰ g
B| ۱۰۰۰ g| ۱۵ g
C| ۱۰۰۰ g| ۱۰ g
D| ۱۰۰۰ g| ۷.۵ g
E| ۱۰۰۰ g| ۵ g
سپس آب آزاد، پایداری و عملکرد حرارتی بررسی شود.
—
۴۲-۳۹ ـ تعیین نقطه شکست
ممکن است تا یک مقدار مشخص کاهش پلیمر، عملکرد تقریباً ثابت بماند.
اما بعد از یک نقطه، آب آزاد به سرعت افزایش یابد.
این نقطه را میتوان آستانه عملکردی فرمول در نظر گرفت.
—
۴۲-۴۰ ـ انتخاب فرمول نهایی
فرمول نهایی معمولاً کمی بالاتر از حداقل مقدار لازم انتخاب میشود تا تغییرات طبیعی مواد اولیه و فرآیند تولید باعث شکست محصول نشود.
این حاشیه باید با آزمون تعیین شود.
—
۴۲-۴۱ ـ محاسبه ظرفیت واقعی جذب
فرض کنید:
۱۰ گرم پلیمر خشک
پس از آزمون دارای:
۸۱۰ گرم جرم کل
باشد.
اگر جرم اولیه آب:
۸۰۰ گرم
باشد، مقدار آب نگهداریشده تقریباً:
۸۰۰ گرم
است.
در این حالت نسبت آب به پلیمر:
۸۰۰ ÷ ۱۰ = ۸۰
است.
اما اگر بخشی از آب آزاد باشد، ظرفیت کاربردی باید با آزمون جداگانه مشخص شود.
—
۴۲-۴۲ ـ ظرفیت جذب در آب مقطر
برای مقایسه گریدهای مختلف، میتوان ابتدا آزمون استاندارد داخلی با آب کماملاح انجام داد.
این آزمون یک خط مبنا ایجاد میکند.
—
۴۲-۴۳ ـ آزمون با آب واقعی
پس از آزمون آب مرجع، باید همان پلیمر با آب واقعی محل تولید آزمایش شود.
اگر اختلاف عملکرد زیاد باشد، کیفیت آب باید وارد دستورالعمل تولید شود.
—
۴۲-۴۴ ـ ظرفیت جذب و ظرفیت سرمایشی
حتی اگر نمونه A آب بیشتری نگه دارد، الزاماً ظرفیت سرمایشی بیشتری ندارد.
برای مقایسه واقعی باید:
– جرم؛
– میزان آب؛
– درصد آب منجمد؛
– زمان انجماد؛
– منحنی ذوب
بررسی شود.
—
۴۲-۴۵ ـ چرا مقدار آب اهمیت دارد؟
در ژلپک آبپایه، آب معمولاً بخش اصلی مادهای است که انرژی حرارتی را جذب میکند.
بنابراین طراحی اقتصادی معمولاً به سمت:
حداکثر آب پایدار با حداقل پلیمر مؤثر
حرکت میکند.
—
۴۲-۴۶ ـ اما افزایش آب محدودیت دارد
اگر آب بیش از توان نگهداری پلیمر باشد:
– آب آزاد افزایش مییابد؛
– نشتی بیشتر میشود؛
– فشار داخلی ممکن است تغییر کند؛
– کیفیت بسته کاهش پیدا میکند.
بنابراین نقطه بهینه باید آزمایش شود.
—
۴۲-۴۷ ـ یک برنامه تحقیقاتی کامل
برای توسعه فرمول اقتصادی، میتوان این مراحل را اجرا کرد:
۱. انتخاب دو یا سه گرید پلیمر.
۲. تعیین کیفیت آب.
۳. آزمایش پنج نسبت آب/پلیمر.
۴. ثبت زمان آبگیری.
۵. بررسی آب آزاد.
۶. آزمون فشار.
۷. ساخت کیسه واقعی.
۸. انجماد.
۹. آزمون ذوب.
۱۰. مقایسه هزینه.
—
۴۲-۴۸ ـ تبدیل نتیجه به دستور ساخت
بعد از انتخاب فرمول، باید دستور ساخت شامل موارد زیر باشد:
– وزن آب؛
– وزن پلیمر؛
– ترتیب افزودن؛
– زمان اختلاط؛
– زمان آبگیری؛
– روش پرکردن؛
– وزن هر بسته؛
– پارامترهای دوخت.
—
۴۲-۴۹ ـ کنترل کیفیت فرمول
برای هر بچ تولیدی، نمونهبرداری و کنترل شود:
□ وزن پلیمر
□ وزن آب
□ EC آب
□ ظاهر ژل
□ آب آزاد
□ وزن بسته
□ کیفیت دوخت
□ نشتی
□ عملکرد پس از انجماد
□ عملکرد پس از ذوب
—
۴۲-۵۰ ـ جمعبندی فصل
برای تولید ژلپک اقتصادی با پلیآکریلات سدیم، مهمترین هدف این نیست که بالاترین عدد جذب آب تئوری به دست آید.
هدف واقعی عبارت است از:
بیشترین مقدار آب پایدار و قابلاستفاده با کمترین مقدار پلیآکریلات مؤثر.
برای رسیدن به این هدف باید تفاوت میان چهار مفهوم مشخص شود:
ظرفیت جذب تئوری
ظرفیت جذب آزمایشگاهی
ظرفیت نگهداری کاربردی
ظرفیت سرمایشی واقعی
این چهار مقدار الزاماً برابر نیستند.
کیفیت آب، املاح، سختی، اندازه ذرات، ساختار پلیمر، روش اختلاط، زمان آبگیری و فشار میتوانند ظرفیت واقعی را تغییر دهند.
برای یک تولیدکننده، روش منطقی این است که ابتدا چند نسبت آب به پلیمر در مقیاس کوچک بررسی شود و سپس نمونهها در کیسه واقعی منجمد و ذوب شوند.
در نهایت فرمولی انتخاب شود که در کنار مصرف کم پلیمر، دارای:
آب آزاد پایین، پایداری مناسب، قابلیت پرکردن، دوخت مطمئن، انجماد مناسب، عملکرد حرارتی قابل قبول و هزینه رقابتی
- باشد.
نکته مهم دیگر این است که اگر هدف اصلی افزایش ظرفیت سرمایشی است، پس از رسیدن به حداقل پلیمر مؤثر، افزایش مقدار آب قابل نگهداری معمولاً اهمیت بیشتری از افزایش بیرویه پلیمر خواهد داشت؛ البته تنها در صورتی که آب اضافه واقعاً پایدار بماند و در فرآیند انجماد و ذوب عملکرد مطلوبی داشته باشد.
بنابراین فرمول اقتصادی ژلپک باید با آزمایش محصول نهایی تعیین شود، نه فقط با عدد جذب درجشده در مشخصات ماده اولیه.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۴۳
اثر کیفیت آب بر عملکرد پلیآکریلات در ژلپک؛ بررسی آب مقطر، آب شهری، آب سخت، آب شور، EC، pH، کلسیم، منیزیم و سایر یونها و روش اصلاح آب برای افزایش جذب و پایداری ژل
۰ دیدگاه