دانشنامه جامع کمپرس یخ59
فصل ۵۹
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش طراحی ژلپک چندبارمصرف با عمر طولانی؛ بررسی فیلم، دوخت، پلیآکریلات، آب، انجماد و ذوب مکرر، تغییر حجم، آباندازی، مقاومت مکانیکی و تعیین تعداد چرخه قابل تحمل برای یک ژلپک صنعتی
59-1 ـ مقدمه
یکی از تفاوتهای مهم میان یک ژلپک معمولی و یک ژلپک صنعتی، تعداد دفعاتی است که محصول میتواند بدون افت محسوس عملکرد مورد استفاده قرار گیرد.
در یک محصول چندبارمصرف، فقط خود ژل اهمیت ندارد. مجموعهای از عوامل باید همزمان پایدار باشند:
– فیلم؛
– دوخت؛
– ژل؛
– پلیآکریلات؛
– آب؛
– شکل بسته؛
– مقاومت مکانیکی؛
– رفتار در انجماد و ذوب.
بنابراین طراحی محصول چندبارمصرف باید از ابتدا بر اساس چرخه عمر انجام شود.
—
59-2 ـ مفهوم چرخه عمر
یک چرخه کامل را میتوان به صورت زیر تعریف کرد:
انجماد → خروج از فریزر → استفاده → گرمشدن یا ذوب → بازگشت به فریزر
این فرآیند یک بار، یک چرخه محسوب میشود.
برای محصول صنعتی باید از ابتدا تعداد چرخه مورد انتظار مشخص شود.
—
59-3 ـ چرا تعداد چرخه مهم است؟
یک ژلپک ممکن است پس از یک یا دو بار استفاده عملکرد خوبی داشته باشد، اما در استفاده مکرر:
– فیلم ضعیف شود؛
– دوخت ترک بخورد؛
– ژل آباندازی کند؛
– شکل بسته تغییر کند؛
– عملکرد حرارتی کاهش پیدا کند.
بنابراین آزمایش یک نمونه نو برای ارزیابی محصول چندبارمصرف کافی نیست.
—
59-4 ـ تعیین هدف عمر
مثلاً برای توسعه یک محصول میتوان هدف آزمایشی تعریف کرد:
۱۰، ۲۰، ۵۰ یا ۱۰۰ چرخه
عدد نهایی باید بر اساس کاربرد واقعی و طراحی محصول تعیین شود.
—
59-5 ـ اجزای مؤثر بر دوام
دوام کلی تابع چند بخش است:
[
Durability=f(Film,Seal,Gel,Water,Geometry)
]
ضعف هر یک از این اجزا میتواند عمر محصول را محدود کند.
—
59-6 ـ فیلم؛ اولین خط دفاعی
فیلم باید در برابر:
– دمای پایین؛
– تغییر حجم؛
– فشار داخلی؛
– خمشدن؛
– ضربه؛
– سوراخشدن
مقاومت کافی داشته باشد.
انتخاب فیلم صرفاً بر اساس قیمت آن اشتباه است.
—
59-7 ـ فیلم تکلایه
فیلم تکلایه ممکن است برای برخی محصولات اقتصادی مناسب باشد.
مزایا:
– ساختار ساده؛
– هزینه پایینتر؛
– تولید آسانتر.
اما در برخی شرایط ممکن است از نظر مقاومت مکانیکی یا عملکرد در دمای پایین محدودیت داشته باشد.
—
59-8 ـ فیلم چندلایه
فیلم چندلایه میتواند ترکیبی از ویژگیهای مختلف را ارائه دهد؛ مانند:
– استحکام؛
– انعطاف؛
– قابلیت دوخت؛
– مقاومت در برابر سوراخشدن.
البته قیمت و پیچیدگی تولید نیز ممکن است افزایش یابد.
—
59-9 ـ ضخامت فیلم
افزایش ضخامت میتواند مقاومت مکانیکی را افزایش دهد، ولی لزوماً بهترین راهحل نیست.
زیرا:
– هزینه بیشتر میشود؛
– وزن بستهبندی افزایش مییابد؛
– انتقال حرارت ممکن است اندکی تغییر کند.
بنابراین ضخامت باید با آزمون تعیین شود.
—
59-10 ـ دوخت حرارتی
در بسیاری از بستههای انعطافپذیر، محل دوخت یکی از نقاط حساس است.
پارامترهای اصلی:
– دما؛
– زمان؛
– فشار.
باید کنترل شوند.
—
59-11 ـ آلودگی محل دوخت
وجود ژل یا ذرات پلیمر در محل دوخت میتواند استحکام اتصال را کاهش دهد.
بنابراین باید فرآیند پرکردن به گونهای طراحی شود که محل دوخت تمیز باقی بماند.
—
59-12 ـ استحکام دوخت پس از انجماد
دوختی که در دمای اتاق سالم است، الزاماً پس از انجماد همان استحکام را ندارد.
بنابراین آزمون باید پس از:
انجماد → ذوب
نیز تکرار شود.
—
59-13 ـ تغییر حجم
هنگام سرد شدن و انجماد، رفتار حجمی محتویات باید بررسی شود.
وجود فضای خالی مناسب میتواند از وارد شدن فشار غیرضروری به فیلم جلوگیری کند.
—
59-14 ـ فضای خالی
اگر بسته بیش از حد پر شود، تغییر حجم یا جابهجایی محتویات میتواند فشار بیشتری بر:
– فیلم؛
– گوشهها؛
– دوخت
وارد کند.
پس وزن پرشدن باید با طراحی بسته هماهنگ باشد.
—
59-15 ـ گوشههای بسته
گوشههای تیز میتوانند تمرکز تنش ایجاد کنند.
طراحی مناسب گوشهها میتواند احتمال آسیب مکانیکی را کاهش دهد.
برای محصول چندبارمصرف، هندسه نرمتر و بدون نقاط تنش شدید میتواند مفید باشد.
—
59-16 ـ شکل تخت
ژلپک تخت مزیت مهمی دارد:
توزیع بهتر محتویات
اما بسته بسیار تخت ممکن است در برابر تاخوردگی یا خمشدنهای مکرر به مراقبت بیشتری نیاز داشته باشد.
—
59-17 ـ شکل ضخیم
بسته ضخیم:
– حجم بیشتری از ژل را در خود جای میدهد؛
– ممکن است ظرفیت کلی بیشتری داشته باشد؛
– ولی تنش داخلی و مسیر انتقال حرارت متفاوتی ایجاد میکند.
انتخاب شکل باید بر اساس کاربرد باشد.
—
59-18 ـ نقش پلیآکریلات
پلیآکریلات در طول چرخههای انجماد و ذوب باید تا حد امکان ساختار خود را حفظ کند.
اما رفتار واقعی به:
– گرید پلیمر؛
– میزان اتصال عرضی؛
– کیفیت آب؛
– نسبت آب به پلیمر؛
– فشار
وابسته است.
—
59-19 ـ تغییر ساختار ژل
اگر ژل پس از چند چرخه:
– شلتر؛
– سفتتر؛
– دو فاز؛
– آبانداز
شود، باید علت آن بررسی شود.
تغییر بافت میتواند نشانه تغییر ساختار داخلی باشد.
—
59-20 ـ آباندازی پس از چرخه
یکی از مهمترین شاخصها:
افزایش آب آزاد پس از چرخههای متوالی
است.
اگر نمونه در چرخه اول پایدار باشد ولی بعد از چندین چرخه آب آزاد افزایش یابد، فرمول یا فرآیند نیازمند بررسی است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
59-21 ـ آزمون آب آزاد
پس از هر تعداد مشخص چرخه، نمونه بررسی شود.
مثلاً:
– چرخه صفر؛
– چرخه ۵؛
– چرخه ۱۰؛
– چرخه ۲۰؛
– چرخه ۵۰.
مقدار آب آزاد در هر مرحله ثبت شود.
—
59-22 ـ کاهش جرم
جرم بسته را قبل و بعد از چرخهها اندازهگیری کنید:
[
\Delta m=m_0-m_n
]
کاهش جرم میتواند نشانه:
– نشتی؛
– تبخیر؛
– پارگی بسیار کوچک
باشد.
—
59-23 ـ تغییر ابعاد
طول، عرض و ضخامت نیز ثبت شوند.
برای مثال:
[
\Delta T=T_n-T_0
]
اگر ضخامت تغییر قابل توجهی داشته باشد، علت باید بررسی شود.
—
59-24 ـ تغییر شکل دائمی
ممکن است بسته پس از ذوب به شکل اولیه برنگردد.
این موضوع باید ثبت شود.
برای محصول حرفهای میتوان حد پذیرش داخلی برای تغییر شکل تعیین کرد.
—
59-25 ـ آزمون فشار پس از چرخه
پس از چند چرخه، نمونه تحت فشار مشخص قرار گیرد.
هدف بررسی:
– سلامت فیلم؛
– سلامت دوخت؛
– وجود نشتی؛
– تغییر ساختار ژل.
است.
—
59-26 ـ آزمون سقوط پس از چرخه
بستهای که چندین بار منجمد و ذوب شده، ممکن است نسبت به نمونه نو حساستر باشد.
بنابراین آزمون سقوط میتواند بعد از تعداد مشخصی چرخه انجام شود.
—
59-27 ـ آزمون سوراخشدن
برای بستههای صنعتی، مقاومت در برابر تماس با اجسام خارجی اهمیت دارد.
آزمون سوراخشدن باید با روش ثابت انجام شود تا نتایج قابل مقایسه باشند.
—
59-28 ـ آزمون سرمایشی پس از چرخه
دوام فقط به سلامت ظاهری محدود نمیشود.
باید بررسی شود که ظرفیت سرمایشی پس از چرخهها کاهش پیدا نکرده باشد.
مثلاً:
[
Q_0
]
ظرفیت اولیه و:
[
Q_n
]
ظرفیت پس از n چرخه باشد.
—
59-29 ـ درصد حفظ عملکرد
میتوان تعریف کرد:
[
Retention=\frac{Q_n}{Q_0}\times100
]
اگر:
[
Q_0=5000kJ
]
و:
[
Q_{50}=4750kJ
]
باشد:
[
Retention=95%
]
این فقط یک مثال محاسباتی است.
—
59-30 ـ اهمیت منحنی دما ـ زمان
حتی اگر ظرفیت کل تقریباً ثابت بماند، شکل منحنی ممکن است تغییر کند.
بنابراین بهتر است بعد از چرخهها:
[
T=f(t)
]
نیز مقایسه شود.
—
59-31 ـ سرعت گرمشدن
میتوان نرخ تقریبی گرم شدن را بررسی کرد:
[
\frac{\Delta T}{\Delta t}
]
اگر بعد از چرخههای زیاد شیب منحنی افزایش پیدا کند، ممکن است عملکرد حرارتی تغییر کرده باشد.
—
59-32 ـ ظرفیت و سرعت دو شاخص جداگانهاند
ممکن است ظرفیت کلی حفظ شود ولی:
– انجماد سریعتر شود؛
– ذوب سریعتر شود؛
– یا برعکس.
پس فقط یک شاخص برای ارزیابی دوام کافی نیست.
—
59-33 ـ کیفیت آب
آب مورد استفاده در تولید باید تا حد امکان ثابت باشد.
تغییر کیفیت آب بین بچها میتواند عملکرد پلیآکریلات را تغییر دهد.
بهتر است مشخصات آب ورودی ثبت شود.
—
59-34 ـ آب سخت
وجود یونهایی مانند کلسیم و منیزیم ممکن است تورم پلیآکریلات را کاهش دهد یا رفتار ژل را تغییر دهد.
بنابراین اگر محصول با آب شهری تولید میشود، آب واقعی تولید باید در آزمون استفاده شود.
—
59-35 ـ نسبت آب به پلیمر
اگر پلیمر بسیار کم باشد، آب آزاد ممکن است زیاد شود.
اگر پلیمر بیش از حد باشد، هزینه افزایش یافته و سهم آب کاهش مییابد.
بنابراین برای محصول چندبارمصرف باید علاوه بر عملکرد اولیه، پایداری چرخهای نیز بررسی شود.
—
59-36 ـ آزمون چند فرمول
فرض کنید سه فرمول داریم:
فرمول| پلیمر| آب
A| کم| زیاد
B| متوسط| زیاد
C| بیشتر| زیاد
ممکن است A در روز اول مناسب باشد ولی در چرخههای متعدد آباندازی کند.
در این حالت آزمایش دوام اطلاعاتی میدهد که آزمون اولیه نشان نمیدهد.
—
59-37 ـ اثر مقدار پلیمر بر دوام
افزایش پلیمر ممکن است در برخی فرمولها پایداری ساختار ژل را افزایش دهد، ولی این موضوع باید آزمایش شود.
نمیتوان یک نسبت ثابت را برای تمام گریدها و آبها عمومی دانست.
—
59-38 ـ نقش کیفیت هیدراتاسیون
اگر در زمان تولید کلوخه ایجاد شود، بخشهایی از پلیمر ممکن است به خوبی آبگیری نشده باشند.
این ناهمگنی میتواند در چرخههای بعدی آشکارتر شود.
پس کیفیت اختلاط از ابتدا اهمیت دارد.
—
59-39 ـ کنترل حباب
حبابهای زیاد ممکن است فضای داخلی بسته را تغییر دهند.
همچنین میتوانند در زمان فشردهشدن، تنش موضعی ایجاد کنند.
فرآیند اختلاط باید هوای اضافی را تا حد امکان کنترل کند.
—
59-40 ـ دمای انجماد
شرایط انجماد باید ثابت باشد.
اگر یک نمونه در فریزر با دمای متفاوت قرار گیرد، مقایسه چرخهای آن با نمونه دیگر قابل اتکا نخواهد بود.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
59-41 ـ سرعت انجماد و دوام
سرعت بسیار زیاد یا بسیار کند انجماد ممکن است رفتار ساختاری متفاوتی ایجاد کند.
برای توسعه محصول، بهتر است چرخههای آزمایشی با شرایطی انجام شوند که به شرایط واقعی مصرف نزدیک باشند.
—
59-42 ـ شرایط ذوب
ذوب نیز باید استاندارد باشد.
مثلاً اگر یک نمونه در هوای ۲۰°C و دیگری در ۳۵°C ذوب شود، مقایسه چرخهها منصفانه نیست.
—
59-43 ـ تعریف چرخه استاندارد
یک دستورالعمل داخلی میتواند چنین باشد:
مرحله ۱: انجماد تا رسیدن مرکز به دمای مشخص.
مرحله ۲: خروج از فریزر.
مرحله ۳: قرارگیری در دمای محیط مشخص.
مرحله ۴: رسیدن مرکز به دمای پایان.
مرحله ۵: بازگشت به فریزر.
این فرآیند یک چرخه محسوب میشود.
—
59-44 ـ آزمون ۱۰ چرخه
۱۰ چرخه برای غربال اولیه مناسب است.
بعد از چرخههای:
– ۱؛
– ۵؛
– ۱۰
بررسی شود:
– نشتی؛
– جرم؛
– شکل؛
– آب آزاد؛
– عملکرد سرمایشی.
—
59-45 ـ آزمون ۵۰ چرخه
اگر محصول برای استفاده مکرر طراحی شده است، میتوان آزمون طولانیتر تعریف کرد.
در چرخههای:
– ۱۰؛
– ۲۰؛
– ۳۰؛
– ۴۰؛
– ۵۰
اندازهگیری انجام شود.
—
59-46 ـ تعیین پایان عمر
پایان عمر نباید صرفاً با پارگی کامل تعریف شود.
ممکن است محصول قبل از پارگی:
– ظرفیت سرمایشی خود را کاهش دهد؛
– آباندازی کند؛
– تغییر شکل دائمی پیدا کند؛
– دوخت آن ضعیف شود.
بنابراین پایان عمر فنی باید بر اساس معیارهای از پیش تعیینشده باشد.
—
59-47 ـ نمونه معیارهای پایان عمر
برای مثال، در مشخصات داخلی میتوان تعریف کرد:
– نشتی قابل قبول = صفر؛
– کاهش عملکرد بیش از حد مشخص = عدم پذیرش؛
– تغییر شکل بیش از حد مشخص = عدم پذیرش؛
– جداشدن دوخت = عدم پذیرش.
مقادیر دقیق باید توسط تولیدکننده تعیین و اعتبارسنجی شوند.
—
59-48 ـ طراحی محصول برای عمر طولانی
برای افزایش احتمال دوام بیشتر:
1. فرمول پایدار انتخاب شود.
2. کیفیت آب کنترل شود.
3. اختلاط یکنواخت باشد.
4. آب آزاد محدود شود.
5. فیلم مناسب انتخاب شود.
6. دوخت بهینه شود.
7. فضای خالی مناسب باشد.
8. گوشهها تنش شدید نداشته باشند.
9. بسته از اجسام تیز دور نگه داشته شود.
10. چرخه واقعی مصرف شبیهسازی شود.
—
59-49 ـ پروتکل کامل توسعه ژلپک چندبارمصرف
مسیر پیشنهادی:
مرحله ۱: تعریف تعداد چرخه هدف.
مرحله ۲: انتخاب فرمول پایه.
مرحله ۳: ساخت نمونه.
مرحله ۴: کنترل جرم و ابعاد.
مرحله ۵: آزمون نشتی.
مرحله ۶: آزمون اولیه انجماد.
مرحله ۷: آزمون ذوب.
مرحله ۸: ثبت ظرفیت سرمایشی.
مرحله ۹: اجرای چرخههای مکرر.
مرحله ۱۰: بررسی فیلم و دوخت.
مرحله ۱۱: بررسی آب آزاد.
مرحله ۱۲: اندازهگیری جرم و ابعاد.
مرحله ۱۳: آزمون مکانیکی.
مرحله ۱۴: تکرار آزمون حرارتی.
مرحله ۱۵: محاسبه درصد حفظ عملکرد.
مرحله ۱۶: تعیین پایان عمر.
مرحله ۱۷: اصلاح فرمول یا بستهبندی.
مرحله ۱۸: تولید نمونه نیمهصنعتی.
مرحله ۱۹: تکرار آزمون با محصول واقعی.
مرحله ۲۰: تثبیت مشخصات تولید.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
59-50 ـ جمعبندی فصل
طراحی ژلپک چندبارمصرف فقط به انتخاب یک ژل مناسب محدود نمیشود.
یک محصول با عمر طولانی باید مجموعهای از ویژگیها را همزمان داشته باشد:
فرمول پایدار + فیلم مقاوم + دوخت مناسب + فضای داخلی مناسب + مقاومت مکانیکی + عملکرد حرارتی پایدار
مهمترین آزمون، چرخه:
انجماد → ذوب → انجماد
است.
در هر مرحله باید موارد زیر بررسی شوند:
– نشتی؛
– جرم؛
– ابعاد؛
– آب آزاد؛
– تغییر شکل؛
– استحکام دوخت؛
– مقاومت فیلم؛
– ظرفیت سرمایشی؛
– منحنی دما ـ زمان.
برای مقایسه عملکرد حرارتی میتوان از رابطه:
[
Retention=\frac{Q_n}{Q_0}\times100
]
استفاده کرد.
اما این شاخص بهتنهایی کافی نیست؛ زیرا ممکن است محصول ظرفیت سرمایشی خود را حفظ کند ولی فیلم یا دوخت آن در آستانه خرابی باشد.
بنابراین عمر واقعی ژلپک باید به صورت چندمعیاره تعریف شود.
برای تولید صنعتی، توصیه میشود یک نمونه مرجع تولید شود و در کنار آن، نمونههای جدید تحت دقیقاً همان چرخهها قرار گیرند. این کار امکان بررسی اثر تغییر فیلم، ضخامت، نسبت آب به پلیمر، روش دوخت و فرآیند تولید را فراهم میکند.
همچنین باید میان «عمر نگهداری در انبار» و «عمر کاری» تفاوت گذاشت. عمر نگهداری به مدت زمانی مربوط است که محصول بدون استفاده قابل ذخیرهسازی است، در حالی که عمر کاری تعداد دفعات استفاده و چرخههای حرارتی قابل تحمل را بیان میکند.
در یک محصول صنعتی، مشخصات نهایی بهتر است شامل این موارد باشد:
– جرم اسمی؛
– ابعاد؛
– نوع فیلم؛
– نوع پلیمر؛
– نسبت آب به پلیمر؛
– شرایط انجماد؛
– شرایط ذوب؛
– تعداد چرخه هدف؛
– معیار نشتی؛
– معیار تغییر شکل؛
– معیار حفظ عملکرد حرارتی.
در نهایت، اگر هدف تولید ژلپک چندبارمصرف اقتصادی باشد، باید به دنبال نقطهای بود که هزینه فیلم و پلیمر، ظرفیت سرمایشی، دوام، قابلیت تولید و تعداد دفعات استفاده در یک طراحی متعادل قرار گیرند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۶۰
طراحی ژلپک اقتصادی برای تولید انبوه؛ بررسی همزمان قیمت پلیآکریلات، مقدار آب، وزن بسته، فیلم، هزینه دوخت، انرژی انجماد، تعداد دفعات استفاده، هزینه هر چرخه و روش محاسبه قیمت تمامشده واقعی ژلپک
۰ دیدگاه