مستربچ چیست و استفاده از آن چه مزایایی دارد؟ (قسمت دوم: روش تولید مستربچ)

در قسمت اول، به معرفی مستربچ و مزایای استفاده از آن پرداختیم. در این قسمت، فرآیند تولید مستربچ و نکات کلیدی جهت بهبود آن به تفصیل بررسی خواهد شد. فرآیند تولید مستربچ در شکل ۱ مشاهده می شود که شامل چهار مرحلۀ فرمولاسیون، خوراک دهی، اختلاط و الک نمودن است:

شکل ۱: نمونه ای از فرآیند تولید مستربچ

۱- فرمولاسیون: اولین و مهم­ترین مرحله، فرمول‌بندی رنگ و میزان افزودنی است. در این مرحله توزین دقیق تمام اجزاء فرمولاسیون انجام می گیرد که در بعضی موارد لازم است که این ترکیبات با سرعت بالا ترکیب شوند تا نتیجه بهتری ارائه دهند.

۲- خوراک دهی: میزان تغذیۀ اجزاء متناسب با خروجی دستگاه تنظیم می گردد.

۳- اختلاط: اختلاط مذاب در دمای مخزن تنظیم می شود تا مخلوط ذوب شود. دمای نامناسب باعث اختلال در برش‌ گرانول و پخش‌ پودر می­ گردد. اختلاط شامل ۴ مرحلۀ زیر است:

1. فرآیند خیس شوندگی پیگمنت، افزودنی و پرکننده
2. اختلاط فیزیکی: اختلاط و پخش پیگمنت و افزودنی در پلیمر پایه
3. توزیع: توزیع پیگمنت، افزودنی و پرکننده در مذاب پلیمری
4. پراکنده سازی پایدار کردن این مخلوط و جلوگیری از کلوخه شدن

– مهم ­ترین مرحلۀ تولید مستربچ، اختلاط است و متداول­ ترین روش پخش‌ مناسب افزودنی یا رنگ از طریق ترکیب اجزاء به صورت مذاب حاصل می­ شود. این مرحلۀ تولید با بهره­ گیری از دستگاه­های زیر انجام می­ گردد:

• مخلوط‌کن‌های داخلی همانند بنبوری: بهترین انتخاب برای تولید مقدار زیادی از این افزودنی‌ها
• مخلوط‌کن‌های داخلی مداوم
• اکسترودر دو مارپیچ
• ماشین‌های تک مارپیچ مانند Buss Ko-Kneader
• مخلوط‌کن‌های سرعت بالا به‌ همراه اکسترودر تک مارپیچ

مهم ترین دستگاه مورد استفاده در فرآیند اختلاط و تولید مستربچ که به طور گسترده در صنعت ایران به کار می­ رود، اکسترودر است. در این روش پلیمر و افزودنی­ ها درون دستگاه اکسترودر ذوب و با هم ترکیب شده و سپس از انتهای اکستروژن خارج می­ شوند. در این روش خط تولید مستربچ به طور مختصر عبارت است از سیستم تخلیه، سیستم خوراک ­دهی، اکسترودر، سیستم خنک کننده، سیستم برش، انبارش و بسته­ بندی. در شکل ۲، فرآیند تولید مستربچ به روش اکستروژن مشاهده می­ شود:

شکل ۲: فرآیند تولید مستربچ به روش اکستروژن

– اکسترودر دو پیچه همسو گرد: این فرآیند شامل وزن کردن، وارد کردن خوراک، انتقال، ذوب کردن، پخش کردن و همگن کردن، خارج کردن گازهای مزاحم، فیلتر کردن و گرانول کردن است. شکل ۳، نواحی مختلف اکسترودر دو پیچه همسو گرد را نشان می­ دهد:

شکل ۳: اکسترودر دو پیچه همسو گرد

۴- الک نمودن: مستربچ نهایی باید به اندازه‌ای محکم و با سایز مناسب باشد که مصرف کننده نهایی بتواند در مرحلۀ تولید خود با مشکل خوراک دهی روبرو نگردد. بنابراین لازم است تا از الک هایی برای اطمینان از اندازه مناسب مستربچ دانه‌ای‌ (گرانول) و نبودن مستربچ‌های خارج از اندازه یا بسیار ریز، استفاده شود.

اختلاط، کلید گم شدۀ تولید مستربچ

کلید بنیادی درک و بهینه سازی فرآیند اختلاط در تشخیص تمایز، مکانیسم های آن شامل پراکندگی و توزیع است. مکانیسم پراکندگی شامل کاهش اندازۀ اجزاء چسبندۀ کوچک در یک سیستم چند فازی است. مکانیسم توزیع، فرآیند پخش ذرات کوچک در سراسر ماتریس به منظور دست یابی به پخش فضایی خوب است. در هر دستگاه اختلاط، این دو مکانیسم به صورت هم زمان یا مرحله به مرحله انجام می گردد. شکل ۴ این دو مکانیسم را به طور شماتیک نشان می دهد:

پراکندگی و توزیع بد	پراکندگی بد و توزیع خوب
پراکندگی خوب و توزیع بد	پراکندگی و توزیع خوب

شکل ۴: تصویر شماتیک مکانیسم های اختلاط شامل پراکندگی و توزیع

پراکنش تحت تاثیر موازنۀ دو عامل نیروهای چسبندگی ایجاد کلوخه و نیروهای هیدرودینامیک تخریب است. همچنین، بزرگی تنش های اعمالی، نقش تعیین کننده ای در توزیع اندازۀ قطرات دارد.

پراکندگی و توزیع پیگمنت ها در مستربچ های پلی اتیلنی در شکل ۵ مشاهده می شود:

پراکندگی و توزیع ضعیف پیگمنت و تشکیل اگلومره ها نیاز به بارگیری زیاد پیگمنت برای ایجاد رنگ دلخواه

پراکندگی و توزیع کامل ذرات پیگمنت بارگیری کمتر پیگمنت برای ایجاد رنگ دلخواه وضوح عالی و کاهش تجمع ذرات

شکل ۵: پراکندگی و توزیع پیگمنت ها در مستربچ های پلی اتیلنی

  اختلاط موثر به کمک ترکیبات سازگارکننده

سازگارکننده ها با عنوان علمی ترکیبات آمفی فیلیک، دارای یک سر آب دوست و یک سر آلی دوست هستند و به دلیل ماهیت شیمیایی خاصشان، باعث:

• افزایش پایداری حرارتی
• سازگارسازی پلی اولفین ها و پلیمرهای مهندسی
• تشکیل لایۀ پایدار بر روی سطح افزودنی، پیگمنت یا پرکننده از طریق کنش متقابل با آن ها و ایجاد اتصال آن ها به ماتریس پلیمری می شوند.

روش عملکرد این سازگارکننده ها در شکل ۶ نشان داده شده است:

شکل ۶: روش عملکرد این سازگارکننده ها

  مزایای سازگارکننده ها در فرآیند تولید مستربچ

با افزودن سازگارکننده ها به مستربچ، فرآیندپذیری آن ها از طریق بهبود ترشوندگی، یکنواختی و تثبیت، تسهیل می گردد که هریک شامل موارد زیر می شوند:

نحوۀ عملکرد ترکیبات سازگارکننده در اکسترودر، به صورت شماتیک در شکل ۷ نشان داده شده است:

شکل ۷: نحوۀ عملکرد ترکیبات سازگارکننده در اکسترودر