دانشنامه جامع کمپرس یخ40
فصل ۴۰
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش ساخت ژلپک با پلیآکریلات سدیم و حداقل مواد اولیه؛ تعیین نسبت آب به پلیمر، روش اختلاط، جلوگیری از کلوخهشدن، آب آزاد، پرکردن کیسه، دوخت، انجماد و آزمون عملکرد نمونه تولیدی
مقدمه
یکی از سادهترین مسیرهای توسعه ژلپک اقتصادی، استفاده از آب و پلیآکریلات سدیم به عنوان اجزای اصلی ماده داخلی است. این ساختار به دلیل سادگی، امکان آزمایش در مقیاس کوچک، هزینه نسبتاً قابل کنترل و قابلیت تبدیل آب به یک توده ژلی، برای نمونهسازی اولیه جذاب است.
با این حال، یک نکته بسیار مهم وجود دارد:
هدف، استفاده از کمترین مقدار پلیآکریلات نیست؛ هدف، استفاده از کمترین مقدار پلیآکریلاتی است که بتواند مقدار آب موردنیاز را با پایداری و قابلیت تولید مناسب نگه دارد.
اگر پلیمر بیش از حد مصرف شود، هزینه افزایش مییابد و ممکن است ژل بسیار غلیظ شود. اگر پلیمر کمتر از حد لازم باشد، آب آزاد ایجاد میشود و احتمال حرکت مایع و نشت افزایش پیدا میکند.
بنابراین فصل حاضر روش توسعه یک فرمول ساده را از آزمایش اولیه تا ساخت نمونه قابل آزمون بررسی میکند.
—
۴۰-۱ ـ اجزای اصلی فرمول
فرمول پایه میتواند تنها شامل دو ماده باشد:
آب + پلیآکریلات سدیم
فیلم و کیسه نیز جزء سیستم نهایی هستند، اما در محاسبه فرمول داخلی جداگانه بررسی میشوند.
—
۴۰-۲ ـ چرا حداقل مواد اولیه؟
هر ماده اضافی میتواند:
– هزینه را افزایش دهد؛
– فرآیند تولید را پیچیده کند؛
– رفتار انجماد را تغییر دهد؛
– با فیلم سازگار نباشد؛
– یا کنترل کیفیت را دشوارتر کند.
بنابراین در مرحله تحقیق و توسعه بهتر است ابتدا سیستم ساده آزمایش شود.
—
۴۰-۳ ـ نقش آب
آب در ژلپک معمولاً مهمترین جزء از نظر جرم است.
آب:
– ظرفیت گرمایی قابل توجه دارد؛
– قابلیت انجماد دارد؛
– میتواند گرمای نهان ذوب ایجاد کند؛
– و ماده اصلی ایجاد سرمایش در ژلپکهای قابل انجماد است.
—
۴۰-۴ ـ نقش پلیآکریلات سدیم
پلیآکریلات سدیم عمدتاً برای نگهداری آب و ایجاد ساختار ژلی استفاده میشود.
بنابراین نباید تصور کرد که افزایش مقدار پلیمر به صورت مستقیم و متناسب ظرفیت سرمایشی را افزایش میدهد.
—
۴۰-۵ ـ انتخاب گرید پلیمر
پلیآکریلاتهای مختلف از نظر:
– ظرفیت جذب؛
– سرعت جذب؛
– اندازه ذرات؛
– میزان اتصال عرضی؛
– خلوص؛
– و رفتار در آب
متفاوتاند.
برای تولید باید یک گرید مشخص انتخاب و مشخصات آن ثبت شود.
—
۴۰-۶ ـ کیفیت آب
آب مورد استفاده باید از نظر ترکیبات محلول تا حد امکان مشخص باشد.
آب دارای نمک و یونهای مختلف میتواند ظرفیت تورم پلیآکریلات را کاهش دهد.
—
۴۰-۷ ـ آزمایش آب
در مرحله توسعه بهتر است حداقل موارد زیر ثبت شوند:
– نوع آب؛
– pH؛
– هدایت الکتریکی یا EC؛
– دمای آب.
این اطلاعات باعث میشوند نتایج آزمایشها قابل مقایسه باشند.
—
۴۰-۸ ـ نسبت آب به پلیمر
نسبت اصلی فرمول را میتوان به صورت زیر نوشت:
R = جرم آب / جرم پلیمر
برای مثال اگر:
۱۰۰۰ گرم آب
و
۱۰ گرم پلیمر
استفاده شود:
R = 100
یعنی نسبت آب به پلیمر برابر ۱۰۰ به ۱ است.
این فقط یک مثال آزمایشگاهی است و نسبت نهایی باید با آزمایش تعیین شود.
—
۴۰-۹ ـ چرا یک نسبت ثابت وجود ندارد؟
ظرفیت جذب پلیمر به گرید و شرایط آب وابسته است.
بنابراین ممکن است یک پلیمر در آب مشخص ظرفیت بسیار بیشتری داشته باشد و در آب دیگری عملکرد متفاوتی نشان دهد.
—
۴۰-۱۰ ـ آزمایش چند نسبت
به جای انتخاب تصادفی یک فرمول، بهتر است چند نسبت آزمایش شود.
برای مثال:
نمونه| آب| پلیمر| نسبت آب/پلیمر
A| 1000 g| 5 g| 200
B| 1000 g| 10 g| 100
C| 1000 g| 15 g| 66.7
D| 1000 g| 20 g| 50
این اعداد صرفاً نمونه طراحی آزمایش هستند و نباید به عنوان فرمول قطعی تجاری تلقی شوند.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۴۰-۱۱ ـ آمادهسازی اولیه
قبل از شروع آزمایش:
– ظرف تمیز؛
– ترازوی دقیق؛
– آب مشخص؛
– پلیمر خشک؛
– ابزار اختلاط؛
– تایمر
آماده شود.
—
۴۰-۱۲ ـ وزنکردن پلیمر
پلیمر باید با ترازوی مناسب اندازهگیری شود.
خطای چند درصدی در مقدار پلیمر میتواند در آزمایشهای مقایسهای اهمیت داشته باشد.
—
۴۰-۱۳ ـ وزنکردن آب
بهتر است آب نیز با وزن اندازهگیری شود.
برای مثال:
۱۰۰۰ گرم آب
به صورت مستقیم و قابل تکرار اندازهگیری شود.
—
۴۰-۱۴ ـ دمای آب
دمای آب هنگام اختلاط ثبت شود.
آب خیلی گرم یا خیلی سرد میتواند بر سرعت آبگیری و زمان تشکیل ژل اثر بگذارد.
—
۴۰-۱۵ ـ جلوگیری از کلوخهشدن
یکی از مهمترین مشکلات در اختلاط پلیآکریلات، ایجاد کلوخه است.
اگر مقدار زیادی پودر در یک نقطه وارد آب شود، سطح ذرات سریعاً ژلهای میشود و آب به بخش داخلی کلوخه نمیرسد.
—
۴۰-۱۶ ـ روش افزودن پودر
بهتر است پودر به صورت:
آهسته + یکنواخت + پخششده
وارد آب شود.
افزودن ناگهانی حجم زیادی از پودر توصیه نمیشود.
—
۴۰-۱۷ ـ شدت همزدن
همزدن باید به اندازهای باشد که پودر در آب پخش شود.
همزدن بسیار شدید ممکن است هوا وارد ژل کند.
—
۴۰-۱۸ ـ ورود هوا
حبابهای هوا میتوانند:
– حجم ظاهری را افزایش دهند؛
– پرکردن را دشوار کنند؛
– انتقال حرارت را تغییر دهند؛
– وزنسنجی حجمی را دچار خطا کنند.
—
۴۰-۱۹ ـ زمان آبگیری
پس از افزودن پلیمر، باید زمان کافی برای آبگیری اختصاص داده شود.
زمان دقیق به گرید پلیمر، اندازه ذرات، نسبت آب و شرایط اختلاط بستگی دارد.
—
۴۰-۲۰ ـ همزدن پس از آبگیری
بعد از تشکیل ژل، اختلاط شدید همیشه مفید نیست.
هدف اصلی رسیدن به تودهای یکنواخت و بدون کلوخه است.
—
۴۰-۲۱ ـ بررسی ظاهری
ژل باید از نظر:
– یکنواختی؛
– کلوخه؛
– آب آزاد؛
– حباب؛
– تغییر رنگ
بررسی شود.
—
۴۰-۲۲ ـ آزمایش آب آزاد
نمونه را در یک ظرف شفاف قرار دهید.
اگر بعد از زمان مشخص، لایه قابلتوجهی از آب در کف یا سطح مشاهده شود، نسبت آب به پلیمر احتمالاً بالاتر از ظرفیت نگهداری سیستم است.
—
۴۰-۲۳ ـ آباندازی
آباندازی ممکن است بلافاصله مشاهده نشود.
بنابراین بهتر است نمونه در زمانهای مختلف مانند:
۱ ساعت، ۲۴ ساعت و چند روز
بررسی شود.
شرایط آزمون باید برای تمام نمونهها یکسان باشد.
—
۴۰-۲۴ ـ ژل بسیار سفت
اگر ژل بیش از حد سفت باشد، پرکردن کیسه ممکن است دشوار شود.
همچنین ممکن است:
– پمپاژ سخت شود؛
– سرعت تولید کاهش یابد؛
– پرشدن کامل گوشهها دشوار شود.
—
۴۰-۲۵ ـ ژل بسیار شل
اگر ژل بسیار شل باشد، خطر آب آزاد و جابهجایی مایع بیشتر میشود.
این وضعیت باید با آزمون نشتی و فشار بررسی شود.
—
۴۰-۲۶ ـ هدف فرمول اقتصادی
فرمول اقتصادی باید سه ویژگی را همزمان داشته باشد:
پلیمر کم + آب کافی + پایداری مناسب
کمکردن پلیمر به تنهایی هدف مناسبی نیست.
—
۴۰-۲۷ ـ محاسبه هزینه پلیمر
اگر قیمت پلیمر:
P تومان به ازای هر کیلوگرم
و مقدار مصرف:
m کیلوگرم
باشد:
هزینه پلیمر = P × m
—
۴۰-۲۸ ـ محاسبه جرم آب
اگر نسبت آب به پلیمر R باشد:
m آب = R × m پلیمر
مثلاً اگر:
R = 100
و پلیمر:
۱۰ گرم
باشد:
آب = ۱۰۰۰ گرم
—
۴۰-۲۹ ـ جرم کل
جرم ماده داخلی تقریباً برابر است با:
m total = m آب + m پلیمر
در مثال بالا:
۱۰۱۰ گرم
است.
—
۴۰-۳۰ ـ سهم پلیمر از جرم
در مثال بالا:
10 / 1010 × 100 ≈ 0.99٪
جرم ماده داخلی پلیمر است.
این محاسبه نشان میدهد که در برخی فرمولها، حتی مقدار نسبتاً کم پلیمر میتواند مقدار زیادی آب را نگهداری کند؛ البته ظرفیت واقعی باید آزمایش شود.
—
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
۴۰-۳۱ ـ آمادهسازی کیسه
پس از تأیید ژل، کیسه باید آماده شود.
در نمونه آزمایشگاهی میتوان از فیلم مناسب دمای پایین استفاده کرد که امکان دوخت حرارتی مطمئن داشته باشد.
—
۴۰-۳۲ ـ پرکردن کیسه
ژل باید به اندازه مشخص داخل کیسه وارد شود.
وزن هر بسته باید کنترل شود.
مثلاً اگر وزن هدف:
۵۰۰ گرم
باشد، تمام نمونهها باید در محدوده تلرانس تعریفشده تولید شوند.
—
۴۰-۳۳ ـ فضای خالی
پرکردن صددرصدی حجم کیسه توصیه نمیشود.
وجود فضای کافی برای:
– انبساط؛
– تغییر شکل؛
– جابهجایی ژل
باید در طراحی لحاظ شود.
—
۴۰-۳۴ ـ اهمیت شکل بسته
یک بسته تخت معمولاً سطح تماس بیشتری دارد.
این ویژگی میتواند انتقال حرارت را سریعتر کند.
در نتیجه شکل بسته باید با هدف نهایی هماهنگ باشد.
—
۴۰-۳۵ ـ دوخت کیسه
پارامترهای دوخت باید براساس فیلم تعیین شوند:
– دمای دوخت؛
– زمان؛
– فشار.
پس از دوخت باید نمونه از نظر یکنواختی خط دوخت بررسی شود.
—
۴۰-۳۶ ـ آزمون نشتی اولیه
قبل از انجماد، نمونه را از نظر نشتی بررسی کنید.
این آزمون به تنهایی کافی نیست.
—
۴۰-۳۷ ـ آزمون پس از انجماد
کیسه باید پس از انجماد نیز بررسی شود.
زیرا انبساط و تغییر شکل محتویات میتواند فشار بیشتری بر دوخت وارد کند.
—
۴۰-۳۸ ـ آزمون ذوب
پس از انجماد، نمونه در شرایط مشخص قرار گیرد و دما در طول زمان ثبت شود.
این آزمون باید حداقل برای چند نمونه تکرار شود.
—
۴۰-۳۹ ـ ظرفیت سرمایشی نظری
برای بخش محسوس میتوان از:
Q = mCpΔT
استفاده کرد.
اگر بخشی از آب تغییر فاز دهد، انرژی تغییر فاز نیز باید در نظر گرفته شود.
—
۴۰-۴۰ ـ گرمای نهان
برای آب خالص نزدیک نقطه انجماد، مقدار مرجع گرمای نهان حدود:
۳۳۴ kJ/kg
است.
اما در ژل واقعی باید مشخص شود چه مقدار آب واقعاً وارد تغییر فاز مؤثر میشود.
—
۴۰-۴۱ ـ چرا ظرفیت جذب معیار کافی نیست؟
فرض کنیم یک پلیمر بتواند مقدار زیادی آب جذب کند.
این موضوع نشان میدهد که ژل ظرفیت نگهداری آب خوبی دارد، اما به تنهایی ثابت نمیکند که بسته ظرفیت سرمایشی بیشتری دارد.
آزمون حرارتی ضروری است.
—
۴۰-۴۲ ـ آزمون مقایسهای فرمولها
چهار نمونه A تا D را با جرم مساوی تولید کنید.
سپس:
– همه را در شرایط یکسان منجمد کنید؛
– دمای اولیه را ثبت کنید؛
– در محیط یکسان قرار دهید؛
– دمای مرکز را ثبت کنید.
—
۴۰-۴۳ ـ شاخصهای مقایسه
برای هر فرمول ثبت شود:
شاخص| نتیجه
جرم پلیمر| ثبت شود
جرم آب| ثبت شود
آب آزاد| ثبت شود
زمان تشکیل ژل| ثبت شود
زمان انجماد| ثبت شود
حداقل دما| ثبت شود
مدت سرمایش| ثبت شود
نشتی| ثبت شود
هزینه| محاسبه شود
—
۴۰-۴۴ ـ تعیین نقطه اقتصادی
ممکن است فرمول A ارزانتر باشد ولی آب آزاد زیادی ایجاد کند.
فرمول D ممکن است پایدارتر باشد ولی پلیمر بیشتری مصرف کند.
فرمول اقتصادی واقعی، فرمولی است که حداقل هزینه را با حفظ معیارهای فنی موردنیاز فراهم کند.
—
۴۰-۴۵ ـ آزمایش چرخهای
اگر محصول قرار است چندبار استفاده شود، حداقل یک برنامه آزمایشی چرخهای تعریف کنید:
انجماد → ذوب → انجماد → ذوب
بعد از هر چرخه:
– وزن؛
– نشتی؛
– ظاهر؛
– حجم؛
– عملکرد حرارتی
بررسی شود.
—
۴۰-۴۶ ـ ثبت فرمول
بعد از انتخاب فرمول، اطلاعات زیر باید ثبت شود:
– نوع پلیمر؛
– شماره بچ؛
– جرم آب؛
– جرم پلیمر؛
– کیفیت آب؛
– دمای اختلاط؛
– زمان اختلاط؛
– زمان آبگیری؛
– وزن نهایی.
این اطلاعات پایه دستور ساخت هستند.
—
۴۰-۴۷ ـ تبدیل آزمایشگاه به تولید
فرمول آزمایشگاهی را نباید مستقیماً در تولید انبوه اجرا کرد.
در مقیاس بزرگ:
– سرعت اختلاط؛
– انتقال جرم؛
– زمان آبگیری؛
– دمای مخزن؛
– یکنواختی
میتواند تغییر کند.
بنابراین ابتدا باید تولید نیمهصنعتی انجام شود.
—
۴۰-۴۸ ـ حداقل کنترل کیفیت تولید
برای هر بچ میتوان کنترل کرد:
۱. وزن مواد اولیه؛
۲. ظاهر ژل؛
۳. جرم پرشده؛
۴. ابعاد بسته؛
۵. کیفیت دوخت؛
۶. نشتی؛
۷. نمونه انجماد؛
۸. عملکرد حرارتی.
—
۴۰-۴۹ ـ نسخه پیشنهادی برای شروع تحقیق
برای شروع توسعه، بهتر است به جای انتخاب یک فرمول قطعی، یک ماتریس آزمایش ساخته شود.
مثلاً چهار نسبت آب به پلیمر و سه شکل بسته بررسی شود.
از مجموع نتایج میتوان مشخص کرد:
– کدام نسبت آب/پلیمر پایدارتر است؛
– کدام نسبت اقتصادیتر است؛
– کدام ضخامت سریعتر منجمد میشود؛
– کدام طراحی مدت بیشتری سرمایش ایجاد میکند.
—
۴۰-۵۰ ـ جمعبندی فصل
ساخت ژلپک با آب و پلیآکریلات سدیم میتواند یک مسیر ساده برای نمونهسازی و بررسی یک محصول اقتصادی باشد.
اما مهمترین اصل این است که:
کمترین مصرف پلیمر ≠ بهترین فرمول
بلکه هدف باید تعیین کمترین مقدار پلیمر لازم برای نگهداری مقدار آب موردنظر، بدون آب آزاد قابلتوجه و با قابلیت تولید مناسب باشد.
مراحل اصلی توسعه عبارتاند از:
انتخاب پلیمر → انتخاب آب → آزمایش نسبتها → جلوگیری از کلوخه → زمان آبگیری → بررسی آب آزاد → ساخت کیسه → دوخت → انجماد → آزمون ذوب → محاسبه ظرفیت سرمایشی → آزمون چرخهای → انتخاب فرمول → تولید نیمهصنعتی.
در این مسیر، ظرفیت جذب آب فقط یک شاخص اولیه است. معیار نهایی باید عملکرد ژلپک کامل باشد.
بهخصوص برای محصولی که قرار است در بازار عرضه شود، باید فرمول، نوع فیلم، ضخامت، وزن، دوخت، زمان انجماد و عملکرد حرارتی به صورت یک سیستم واحد ارزیابی شوند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
موضوع پیشنهادی فصل ۴۱
روش افزایش ظرفیت سرمایشی ژلپک بدون افزایش محسوس قیمت؛ بررسی بهینهسازی آب و پلیآکریلات، کاهش ضخامت، افزایش سطح مؤثر، انتخاب فیلم، هندسه بسته، عایق و روش محاسبه ظرفیت سرمایشی به ازای هر تومان هزینه
۰ دیدگاه