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 به‌تفصیل بررسی خواهد شد. فرآیند تولید مستربچ در شکل 1 مشاهده می‌شود که شامل چهار مرحله فرمولاسیون، خوراک‌دهی، اختلاط و الک نمودن است.

شکل 1. نمونه‌ای از فرآیند تولید مستربچ

    1- 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 كه این تركیبات با سرعت بالا تركیب شوند تا نتیجه بهتری ارائه دهند.

    2- خوراک‌دهی: میزان تغذیه اجزا، متناسب با خروجی دستگاه تنظیم می‌گردد.

    3- 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 مرحله زیر است:

1. فرآیند خیس‌شوندگی 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. پراکنده‌سازی: پایدار کردن این مخلوط و جلوگیری از کلوخه شدن

    – مهم‌ترین مرحله تولید مستربچ، اختلاط است و متداول­‌ترین روش پخش‌ مناسب افزودنی یا رنگ، از طریق تركیب اجزا به‌صورت مذاب حاصل می‌شود. این مرحله تولید با بهره­‌گیری از دستگاه‌­های زیر انجام می­‌گردد:

• مخلوط‌كن‌های داخلی همانند بنبوری: بهترین انتخاب برای تولید مقدار زیادی از این افزودنی‌ها
• مخلوط‌كن‌های داخلی مداوم
• اكسترودر دو مارپیچ
• ماشین‌های تك مارپیچ مانند Buss Ko-Kneader
• مخلوط‌كن‌های سرعت بالا به‌‌همراه اكسترودر تك مارپیچ

    مهم‌ترین دستگاه مورد استفاده در فرآیند اختلاط و تولید مستربچ که به‌طور گسترده در صنعت ایران به‌کار 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 به‌طور مختصر عبارت است از سیستم تخلیه، سیستم خوراک‌دهی، اکسترودر، سیستم خنک‌کننده، سیستم برش، انبارش و بسته­‌بندی. در شکل 2، فرآیند تولید مستربچ به‌روش اکستروژن مشاهده می­‌شود.

شکل 2. فرآیند تولید مستربچ به‌روش اکستروژن

    – اکسترودر دو پیچه همسوگرد: 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 3، نواحی مختلف اکسترودر دو پیچه همسوگرد را نشان می­‌دهد.

شکل 3. اکسترودر دو پیچه همسوگرد

    4- الک نمودن: مستربچ نهایی باید به اندازه‌ای محكم و با سایز مناسب باشد كه مصرف‌کننده نهایی بتواند در مرحله تولید خود با مشکل خوراک‌دهی 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 اندازه اجزاء چسبنده کوچک در یک سیستم چند فازی است. مکانیسم توزیع، فرآیند پخش ذرات کوچک در سراسر ماتریس به‌منظور دست‌یابی به پخش فضایی خوب است. در هر دستگاه اختلاط، این دو مکانیسم به‌صورت هم‌زمان یا مرحله به مرحله انجام می‌گردد. شکل 4 این دو مکانیسم را به‌طور شماتیک نشان می‌دهد.

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

شکل 4. تصویر شماتیک مکانیسم‌های اختلاط شامل پراکندگی و توزیع

    پراکنش تحت تاثیر موازنه دو عامل نیروهای چسبندگی ایجاد کلوخه و نیروهای هیدرودینامیک تخریب است. هم‌چنین بزرگی تنش‌های اعمالی نقش تعیین‌کننده‌ای در توزیع اندازه قطرات دارد.

    پراکندگی و توزیع پیگمنت‌ها در مستربچ‌های پلی‌اتیلنی در شکل 5 مشاهده می‌شود.

پراکندگی و توزیع ضعیف پیگمنت و تشکیل اگلومره‌ها 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 5. پراکندگی و توزیع پیگمنت‌ها در مستربچ‌های پلی‌اتیلنی

اختلاط مؤثر به‌کمک ترکیبات سازگارکننده

    سازگارکننده‌ها با عنوان علمی ترکیبات آمفی‌فیلیک، دارای یک سر آب‌دوست و یک سر آلی‌دوست هستند و به‌دلیل ماهیت شیمیایی خاصشان، باعث:

• افزایش پایداری حرارتی
• سازگارسازی پلی‌اولفین‌ها و پلیمرهای مهندسی
• تشکیل لایه پایدار بر روی سطح افزودنی، پیگمنت یا پرکننده از طریق کنش متقابل با آنها و ایجاد اتصال آنها به ماتریس پلیمری می‌شوند.

    روش عمل‌کرد این سازگارکننده‌ها در شکل 6 نشان داده شده است.

شکل 6. 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:

نحوه عمل‌کرد ترکیبات سازگارکننده در اکسترودر، به‌صورت شماتیک در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 7. نحوه عمل‌کرد ترکیبات سازگارکننده در اکسترودر