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 می‌گیرد 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 می‌گردد.

۳- اختلاط: اختلاط مذاب در دمای مخزن تنظیم می‌شود تا مخلوط ذوب شود. دمای نامناسب باعث اختلال در برش‌ گرانول و پخش‌ پودر می­‌گردد. 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

– مهم‌ترین مرحلۀ تولید مستربچ، اختلاط است و متداول­ ترین روش پخش‌ مناسب افزودنی یا رنگ از طریق ترکیب اجزاء به صورت مذاب حاصل می‌شود. این مرحلۀ تولید با بهره­‌گیری از دستگاه‌­های زیر انجام می­‌گردد:

• 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

مهم‌ترین دستگاه مورد استفاده در فرآیند اختلاط و تولید مستربچ که به طور گسترده در صنعت ایران به کار می­‌رود، اکسترودر است. در این روش پلیمر و افزودنی­‌ها درون دستگاه اکسترودر ذوب و با هم ترکیب شده و سپس از انتهای اکستروژن خارج می­‌شوند. 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 می­‌شود:

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 می­‌دهد:

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 الک‌هایی 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 بهینه‌سازی فرآیند اختلاط در تشخیص تمایز، مکانیسم‌های 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 دست‌یابی به پخش فضایی خوب است. در هر دستگاه اختلاط، این دو مکانیسم به صورت هم زمان یا مرحله به مرحله انجام می‌گردد. شکل ۴ این دو مکانیسم را به طور شماتیک نشان می‌دهد:

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 تنش‌های اعمالی، نقش تعیین کننده‌ای در توزیع اندازۀ قطرات دارد.

پراکندگی و توزیع پیگمنت‌ها در مستربچ‌های پلی اتیلنی در شکل ۵ مشاهده می‌شود:

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 مستربچ‌های پلی اتیلنی

  اختلاط موثر به کمک ترکیبات سازگارکننده

سازگارکننده‌ها 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 اولفین‌ها 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 می‌شوند.

روش عملکرد این سازگارکننده‌ها در شکل ۶ نشان داده شده است:

شکل ۶: روش عملکرد این سازگارکننده‌ها

  مزایای سازگارکننده‌ها در فرآیند تولید مستربچ

با افزودن سازگارکننده‌ها به مستربچ، فرآیندپذیری آنها از طریق بهبود ترشوندگی، یکنواختی و تثبیت، تسهیل می‌گردد که هریک شامل موارد زیر می‌شوند:

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

شکل ۷: نحوۀ عملکرد ترکیبات سازگارکننده در اکسترودر