دانشنامه جامع کمپرس یخ67
فصل ۶۷
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
طراحی ژلپک با قابلیت استفاده مجدد و چرخه عمر بالا؛ بررسی تعداد دفعات انجماد و ذوب، تغییر حجم ژل، آباندازی، استحکام فیلم و دوخت، کاهش ظرفیت سرمایشی و روش تعیین عمر واقعی ژلپک
67-1 ـ مقدمه
ژلپک چندبارمصرف زمانی ارزش اقتصادی و فنی پیدا میکند که بتواند تعداد قابل قبولی چرخه انجماد، نگهداری در دمای پایین، مصرف، ذوب و انجماد مجدد را بدون کاهش محسوس عملکرد تحمل کند.
در چنین محصولی فقط ظرفیت سرمایشی اولیه مهم نیست. باید بررسی شود که پس از چندین چرخه:
– آیا حجم ژل تغییر میکند؟
– آیا آب آزاد ایجاد میشود؟
– آیا فیلم شکننده میشود؟
– آیا دوخت ضعیف میشود؟
– آیا نشتی ایجاد میشود؟
– آیا ظرفیت سرمایشی کاهش مییابد؟
—
67-2 ـ چرخه عمر چیست؟
یک چرخه کامل را میتوان به صورت زیر تعریف کرد:
انجماد → استفاده → گرمشدن یا ذوب → بازگشت به شرایط انجماد
تعداد چرخههایی که محصول میتواند بدون عبور از معیارهای خرابی تحمل کند، عمر چرخهای آن است.
—
67-3 ـ چرا عمر چرخهای اهمیت دارد؟
اگر ژلپک یکبارمصرف باشد، هزینه فیلم و پلیمر در هر بار مصرف پرداخت میشود.
اما در محصول چندبارمصرف، هزینه باید بر تعداد دفعات استفاده تقسیم شود.
مثلاً اگر قیمت تولید یک بسته ۱۰۰ واحد باشد:
– ۱ چرخه → ۱۰۰ واحد در چرخه
– ۱۰ چرخه → ۱۰ واحد در چرخه
– ۵۰ چرخه → ۲ واحد در چرخه
البته هزینه نگهداری، شستوشو، انرژی انجماد و حمل نیز باید جداگانه بررسی شود.
—
67-4 ـ اجزای مؤثر بر دوام
عمر ژلپک فقط به ژل داخلی وابسته نیست.
چهار بخش اصلی عبارتاند از:
1. فرمول داخلی؛
2. فیلم؛
3. دوخت؛
4. شکل و ابعاد بسته.
ضعیف بودن هر کدام میتواند عمر کل محصول را محدود کند.
—
67-5 ـ نقش فیلم
فیلم باید در برابر:
– دمای پایین؛
– انجماد؛
– انبساط؛
– خم شدن؛
– فشار؛
– ضربه
مقاومت کافی داشته باشد.
فیلمی که در دمای اتاق عملکرد خوبی دارد، الزاماً برای چرخههای مکرر انجماد و ذوب مناسب نیست.
—
67-6 ـ نقش دوخت
دوخت یکی از حساسترین قسمتهای ژلپک است.
حتی اگر فیلم اصلی سالم بماند، ضعف دوخت میتواند باعث خروج ژل شود.
بنابراین آزمایش دوخت باید در کنار آزمایش خود فیلم انجام شود.
—
67-7 ـ انبساط هنگام انجماد
آب هنگام تبدیل به یخ منبسط میشود.
اگر بسته بیش از حد پر شده باشد، فشار داخلی میتواند افزایش یابد.
بنابراین نباید کیسه را تا ظرفیت هندسی کامل پر کرد.
—
67-8 ـ فضای خالی یا Headspace
وجود مقدار مناسبی فضای خالی میتواند امکان تغییر حجم را فراهم کند.
اما فضای خالی بیش از حد نیز میتواند:
– شکل بسته را نامناسب کند؛
– تماس حرارتی را کاهش دهد؛
– جابهجایی داخلی ایجاد کند.
بنابراین باید به صورت آزمایشی بهینه شود.
—
67-9 ـ تغییر حجم ژل
بعد از هر چند چرخه، جرم و ابعاد بسته اندازهگیری شود.
مثلاً:
[
V_n
]
حجم پس از چرخه (n) باشد.
درصد تغییر حجم:
[
%\Delta V=
\frac{V_n-V_0}{V_0}\times100
]
است.
—
67-10 ـ تغییر جرم
جرم اولیه:
[
M_0
]
و جرم پس از چرخه:
[
M_n
]
باشد.
آنگاه:
[
%\Delta M=
\frac{M_n-M_0}{M_0}\times100
]
میتواند برای شناسایی کاهش جرم ناشی از نشتی یا تبخیر احتمالی مفید باشد.
—
67-11 ـ آباندازی ژل
آباندازی یا Syneresis به جدا شدن بخشی از آب از ساختار ژل گفته میشود.
در ژلپک ممکن است به صورت:
– آب آزاد؛
– جمع شدن مایع در یک قسمت؛
– تغییر شکل ژل
دیده شود.
—
67-12 ـ چرا آباندازی مهم است؟
اگر آب آزاد افزایش یابد:
– شکل ژل تغییر میکند؛
– فشار موضعی تغییر میکند؛
– توزیع سرمایش ممکن است یکنواخت نباشد؛
– احتمال نشت در صورت آسیب فیلم بیشتر میشود.
بنابراین آباندازی باید در آزمون عمر محصول ثبت شود.
—
67-13 ـ نقش پلیآکریلات سدیم
پلیآکریلات سدیم آب را در ساختار متورمشده نگه میدارد.
اما پایداری آن به عواملی مانند:
– کیفیت آب؛
– میزان یونها؛
– نسبت آب به پلیمر؛
– نوع و درجه اتصال عرضی؛
– شرایط انجماد و ذوب
وابسته است.
—
67-14 ـ کیفیت آب
آب حاوی یونهای زیاد میتواند رفتار تورم پلیآکریلات را تغییر دهد.
بنابراین اگر فرمول با آب تصفیهشده ساخته شده است، در تولید انبوه نیز کیفیت آب باید کنترل شود.
تغییر کیفیت آب میتواند باعث تغییر:
– ویسکوزیته؛
– جذب آب؛
– آب آزاد؛
– ساختار ژل
شود.
—
67-15 ـ نسبت آب به پلیمر
اگر:
[
R=\frac{M_w}{M_p}
]
بیش از حد افزایش یابد، ممکن است آب آزاد بیشتر شود.
اگر مقدار پلیمر بیش از نیاز باشد، هزینه و ویسکوزیته افزایش مییابد.
هدف، نقطهای است که ژل پایدار با حداقل مصرف پلیمر ایجاد شود.
—
67-16 ـ آزمون عمر ۱۰ چرخهای
برای مرحله اولیه توسعه میتوان آزمون ۱۰ چرخهای انجام داد.
پس از چرخههای:
1؛ 3؛ 5؛ 7؛ 10
پارامترهای زیر بررسی شوند:
– جرم؛
– حجم؛
– نشتی؛
– ظاهر؛
– استحکام دوخت؛
– عملکرد سرمایشی.
—
67-17 ـ آزمون ۵۰ چرخهای
پس از موفقیت در آزمون اولیه، میتوان آزمون طولانیتر انجام داد.
مثلاً:
۵۰ چرخه انجماد و ذوب
اما تعداد ۵۰ چرخه فقط یک برنامه آزمایشی است و نباید به عنوان عمر تضمینی محصول تلقی شود.
—
67-18 ـ آزمون ۱۰۰ چرخهای
برای محصولی که قرار است عمر چرخهای بسیار بالا داشته باشد، آزمون ۱۰۰ چرخه یا بیشتر قابل طراحی است.
در این سطح، علاوه بر نشتی، عملکرد حرارتی و مکانیکی نیز باید بررسی شود.
—
67-19 ـ تعریف نقطه پایان عمر
نباید صرفاً بگوییم «پس از ۱۰۰ چرخه سالم بود».
باید معیار مشخصی تعریف شود.
مثلاً پایان عمر زمانی باشد که یکی از این موارد رخ دهد:
– نشتی؛
– پارگی؛
– کاهش جرم بیش از حد تعیینشده؛
– افت عملکرد حرارتی بیش از حد تعیینشده؛
– تغییر شکل غیرقابل قبول.
—
67-20 ـ معیار نشتی
نشتی را میتوان به چند شکل آزمایش کرد:
بازرسی ظاهری
وزنکشی
آزمون فشار
قرار دادن روی سطح جاذب
هر روش باید معیار پذیرش مشخص داشته باشد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
67-21 ـ آزمون فشار
پس از چند چرخه، نمونه تحت فشار کنترلشده قرار گیرد.
هدف بررسی:
– ترک؛
– باز شدن دوخت؛
– نشت
است.
مقدار فشار باید بر اساس ساختار واقعی بسته تعیین شود.
—
67-22 ـ آزمون سقوط
ژلپک سرد یا منجمد میتواند در حملونقل سقوط کند.
بنابراین آزمون سقوط باید در شرایط مختلف انجام شود:
– قبل از چرخهها؛
– بعد از چرخهها؛
– در حالت سرد؛
– در حالت گرم.
—
67-23 ـ آزمون سوراخشدن
فیلم باید در برابر آسیب مکانیکی معمول مقاومت کافی داشته باشد.
پس از سوراخشدن عمدی در یک آزمون کنترلشده، میتوان بررسی کرد که آیا:
– سوراخ گسترش پیدا میکند؛
– دوخت آسیب میبیند؛
– ژل از بسته خارج میشود.
—
67-24 ـ استحکام دوخت پس از انجماد
یکی از آزمونهای مهم، مقایسه دوخت در دو حالت است:
قبل از انجماد
و
پس از چندین چرخه انجماد و ذوب
اگر استحکام دوخت کاهش قابل توجه داشته باشد، فیلم یا فرآیند دوخت نیاز به اصلاح دارد.
—
67-25 ـ تأثیر دمای انجماد
چرخه:
[
0\rightarrow25^\circ C
]
با چرخه:
[
-18\rightarrow25^\circ C
]
از نظر تنش حرارتی یکسان نیست.
بنابراین دمای واقعی کاربرد باید در آزمون عمر بازسازی شود.
—
67-26 ـ نرخ گرم و سرد شدن
سرعت تغییر دما نیز میتواند مهم باشد.
انجماد بسیار سریع و ذوب بسیار سریع ممکن است تنش متفاوتی نسبت به تغییرات آهسته ایجاد کند.
به همین دلیل روش آزمون باید ثابت باشد.
—
67-27 ـ ظرفیت سرمایشی پس از چرخه
پس از مثلاً ۱۰ یا ۵۰ چرخه، باید ظرفیت سرمایشی دوباره اندازهگیری شود.
اگر:
[
Q_0
]
ظرفیت اولیه و:
[
Q_n
]
ظرفیت پس از (n) چرخه باشد:
[
Retention=
\frac{Q_n}{Q_0}\times100
]
درصد حفظ عملکرد را نشان میدهد.
—
67-28 ـ مثال محاسبه حفظ ظرفیت
اگر ظرفیت اولیه:
[
Q_0=1000kJ
]
و پس از ۵۰ چرخه:
[
Q_{50}=930kJ
]
باشد:
[
Retention=93%
]
یعنی حدود ۹۳ درصد ظرفیت اولیه در این آزمون باقی مانده است.
—
67-29 ـ کاهش ظرفیت سرمایشی
کاهش ظرفیت ممکن است ناشی از:
– تغییر ساختار ژل؛
– آب آزاد؛
– تغییر توزیع آب؛
– تغییر شکل بسته؛
– شرایط متفاوت انجماد
باشد.
بنابراین نباید بدون آزمایش علت را به یک عامل خاص نسبت داد.
—
67-30 ـ آزمون وزن ثابت
در طول آزمون چرخهای، وزن نمونهها باید ثبت شود.
مثلاً:
چرخه| جرم
۰| ۱۰۰۰ g
۱۰| ۹۹۸ g
۲۰| ۹۹۵ g
۵۰| ۹۸۸ g
این تغییرات باید بررسی شود تا مشخص شود کاهش جرم ناشی از نشتی، تبخیر یا خطای اندازهگیری است.
—
67-31 ـ آزمون ابعاد
سه بعد بسته اندازهگیری شود:
[
L\times W\times H
]
تغییر ابعاد میتواند نشانه تغییر فشار داخلی یا ساختار ژل باشد.
—
67-32 ـ تغییر شکل دائمی
اگر پس از ذوب، بسته به شکل اولیه بازنگردد، باید بررسی شود که آیا این تغییر:
– موقتی؛
– ناشی از جابهجایی ژل؛
– یا دائمی
است.
تغییر شکل دائمی ممکن است چیدمان داخل جعبه را مختل کند.
—
67-33 ـ اثر ضخامت
بستههای ضخیم معمولاً جرم بیشتری از ژل را در خود جای میدهند.
اما در چرخههای مکرر، اختلاف دما درون بسته ممکن است بیشتر شود.
بنابراین ضخامت باید همراه با دوام مکانیکی بررسی شود.
—
67-34 ـ اثر بسته تخت
بسته تخت سطح تماس زیادی دارد.
این ویژگی برای سرمایش سریع مفید است، اما فیلم بزرگتر ممکن است به مراقبت بیشتری در برابر پارگی و سوراخشدن نیاز داشته باشد.
—
67-35 ـ اثر نسبت طول به عرض
نسبت طول به عرض نیز مهم است.
یک بسته بسیار باریک و کشیده ممکن است در برابر تاخوردگی یا فشار موضعی رفتار متفاوتی با بسته تقریباً مربعی داشته باشد.
—
67-36 ـ انتخاب فیلم برای عمر بالا
در توسعه صنعتی بهتر است حداقل سه گزینه فیلم آزمایش شوند:
فیلم| ضخامت| آزمون
A| کم| چرخهای
B| متوسط| چرخهای
C| بیشتر| چرخهای
سپس عملکرد حرارتی و مکانیکی مقایسه شود.
—
67-37 ـ فیلم چندلایه
فیلم چندلایه میتواند ترکیبی از ویژگیهای مختلف داشته باشد.
برای مثال ممکن است یک لایه برای استحکام و لایه دیگری برای آببندی مناسب انتخاب شود.
اما انتخاب نهایی باید با آزمون انجماد و ذوب واقعی انجام شود.
—
67-38 ـ کیفیت دوخت
سه پارامتر اصلی فرآیند دوخت عبارتاند از:
– دما؛
– زمان؛
– فشار.
هر سه باید کنترل شوند.
تغییر کوچک در تنظیم دستگاه میتواند بر استحکام دوخت اثر بگذارد.
—
67-39 ـ آلودگی محل دوخت
وجود ژل یا آب روی محل دوخت میتواند کیفیت اتصال را کاهش دهد.
در تولید صنعتی باید محل دوخت تا حد امکان تمیز نگه داشته شود.
این موضوع در ژلپکهای با ژل روان اهمیت بیشتری دارد.
—
67-40 ـ فضای خالی و فشار داخلی
فضای خالی باید به اندازهای باشد که تغییر حجم را تحمل کند، اما نه آنقدر زیاد که بسته شکل نامناسب پیدا کند.
بهترین مقدار باید با آزمون انجماد تعیین شود.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
67-41 ـ نگهداری نمونه شاهد
از هر سری تولید بهتر است چند نمونه به عنوان نمونه شاهد نگهداری شود.
این نمونهها در صورت بروز مشکل میتوانند برای مقایسه با نمونههای چرخهخورده استفاده شوند.
—
67-42 ـ ثبت اطلاعات هر چرخه
برای هر نمونه میتوان جدولی مانند زیر ایجاد کرد:
چرخه| جرم| حجم| نشتی| ظاهر| عملکرد
۰| ثبت| ثبت| ندارد| سالم| ۱۰۰٪
۱۰| ثبت| ثبت| ثبت| ثبت| ثبت
۲۵| ثبت| ثبت| ثبت| ثبت| ثبت
۵۰| ثبت| ثبت| ثبت| ثبت| ثبت
این جدول اساس تحلیل عمر محصول است.
—
67-43 ـ تکرار آزمون
یک نمونه نمیتواند به تنهایی اعتبار کافی برای تعیین عمر محصول داشته باشد.
بهتر است چند نمونه مستقل آزمایش شوند.
اگر مثلاً ۱۰ بسته آزمایش شوند، پراکندگی نتایج نیز مشخص میشود.
—
67-44 ـ تحلیل پراکندگی
ممکن است میانگین عملکرد مناسب باشد، اما یک یا دو نمونه زودتر خراب شوند.
بنابراین باید:
– میانگین؛
– حداقل؛
– حداکثر؛
– انحراف معیار
در صورت امکان محاسبه شوند.
—
67-45 ـ آزمون ترکیبی
پس از چرخههای مشخص، نمونه را همزمان از نظر:
حرارتی + مکانیکی + نشتی
آزمایش کنید.
برای مثال:
۵۰ چرخه → انجماد → آزمون فشار → آزمون سقوط → آزمون ظرفیت سرمایشی.
این روش به شرایط واقعی نزدیکتر است.
—
67-46 ـ تعیین عمر تجاری
اگر هدف بازار ۲۰ چرخه استفاده باشد، آزمایش نباید دقیقاً فقط ۲۰ چرخه باشد.
بهتر است حاشیه آزمون نیز در نظر گرفته شود.
برای مثال:
هدف تجاری: ۲۰ چرخه
برنامه آزمون: ۳۰ یا بیشتر
عدد دقیق باید بر اساس ریسک محصول و کاربرد تعیین شود.
—
67-47 ـ عوامل کاهشدهنده عمر
عوامل مهم عبارتاند از:
– پرشدن بیش از حد؛
– فیلم ضعیف؛
– دوخت نامناسب؛
– انجماد شدید؛
– تاخوردگی مکرر؛
– فشار مکانیکی؛
– آباندازی؛
– کیفیت نامناسب آب؛
– فرمول ناپایدار.
—
67-48 ـ پروتکل پیشنهادی تعیین عمر
مرحله ۱: انتخاب حداقل سه فرمول.
مرحله ۲: انتخاب حداقل دو فیلم.
مرحله ۳: تولید نمونههای هموزن.
مرحله ۴: ثبت وزن و ابعاد.
مرحله ۵: انجام چرخههای مشخص.
مرحله ۶: بازرسی در نقاط تعیینشده.
مرحله ۷: آزمون نشتی و دوخت.
مرحله ۸: اندازهگیری ظرفیت سرمایشی.
مرحله ۹: تحلیل نتایج.
مرحله ۱۰: تعیین نقطه پایان عمر.
—
67-49 ـ چکلیست نهایی دوام
☐ فرمول داخلی ثابت شده است.
☐ کیفیت آب کنترل شده است.
☐ فیلم انتخاب شده است.
☐ ضخامت فیلم مشخص است.
☐ فرآیند دوخت کنترل شده است.
☐ Headspace مشخص شده است.
☐ وزن اولیه ثبت شده است.
☐ ابعاد اولیه ثبت شده است.
☐ آزمون ۱۰ چرخه انجام شده است.
☐ آزمون طولانیتر انجام شده است.
☐ نشتی بررسی شده است.
☐ استحکام دوخت بررسی شده است.
☐ تغییر حجم بررسی شده است.
☐ تغییر جرم بررسی شده است.
☐ ظرفیت سرمایشی پس از چرخهها اندازهگیری شده است.
☐ چند نمونه مستقل آزمایش شدهاند.
☐ معیار پایان عمر تعریف شده است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
67-50 ـ جمعبندی فصل
طراحی ژلپک چندبارمصرف با طراحی یک ژلپک معمولی تفاوت دارد. در اینجا محصول باید علاوه بر عملکرد سرمایشی اولیه، در برابر تعداد زیادی چرخه انجماد و ذوب نیز پایدار بماند.
چهار عامل اصلی در عمر محصول عبارتاند از:
فرمول داخلی + فیلم + دوخت + هندسه بسته
پلیآکریلات سدیم میتواند آب را در ساختار ژل نگه دارد، اما پایداری ژل به کیفیت آب، نسبت آب به پلیمر، ویژگی پلیمر و شرایط چرخهای نیز وابسته است.
برای تعیین عمر واقعی، فقط مشاهده ظاهری کافی نیست. باید پارامترهای مختلف اندازهگیری شوند:
[
%\Delta M=
\frac{M_n-M_0}{M_0}\times100
]
برای تغییر جرم و:
[
%\Delta V=
\frac{V_n-V_0}{V_0}\times100
]
برای تغییر حجم.
همچنین حفظ ظرفیت سرمایشی با رابطه:
[
Retention=
\frac{Q_n}{Q_0}\times100
]
قابل محاسبه است.
به عنوان یک برنامه توسعه، میتوان ابتدا آزمون ۱۰ چرخه، سپس ۵۰ چرخه و در صورت نیاز آزمونهای طولانیتر را انجام داد. پس از هر مرحله باید نشتی، تغییر جرم، تغییر حجم، ظاهر، استحکام دوخت و ظرفیت سرمایشی بررسی شود.
نکته بسیار مهم این است که «۵۰ چرخه آزمایش» به خودی خود به معنای «عمر تضمینی ۵۰ بار مصرف» نیست. برای اعلام عمر تجاری باید شرایط واقعی استفاده، ضریب اطمینان، پراکندگی نتایج و معیار مشخص پایان عمر در نظر گرفته شود.
برای یک ژلپک صنعتی، بهترین روش این است که عمر محصول نه با یک مشاهده ساده، بلکه با یک پروتکل مستند و قابل تکرار تعیین شود:
نمونهسازی → اندازهگیری اولیه → چرخههای انجماد و ذوب → آزمون مکانیکی → آزمون نشتی → آزمون حرارتی → تحلیل داده → تعیین معیار پایان عمر
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۶۸
روش طراحی ژلپک ضدنشتی و مقاوم در برابر سوراخشدن؛ بررسی ساختار فیلم، ضخامت، چندلایه بودن، نوع دوخت، گوشههای بسته، فشار داخلی، ضربه، سقوط، سوراخشدن و روش افزایش ایمنی بسته در حملونقل
۰ دیدگاه