مستربچ چیست و استفاده از آن چه مزایایی دارد؟ (قسمت دوم: فرآیند 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 1 مشاهده می شود که شامل چهار مرحلۀ فرمولاسیون، خوراک دهی، اختلاط و الک نمودن است:

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

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

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

اختلاط شامل ۴ مرحلۀ زیر است:

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

مهم­ترین مرحلۀ تولید مستربچ، اختلاط است و متداول­ترین روش پخش‌ مناسب افزودنی یا رنگ از طریق تركیب اجزاء به صورت مذاب حاصل می­شود. این مرحلۀ 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 به‌ همراه اكسترودر تك 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 می­ شوند.

در این روش خط تولید مستربچ به طور مختصر عبارت است از سیستم تخلیه، سیستم خوراک­دهی، اکسترودر، سیستم خنک کننده، سسیستم برش، انبارش و بسته­بندی. در شکل 2، فرآیند تولید مستربچ به روش اکستروژن مشاهده می­ شود:

اکسترودر دو پیچه همسو گرد: این فرایند 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 همسو گرد را نشان می­ دهد:

4. الک نمودن: مستربچ نهایی باید به اندازه‌ای محكم و با سایز مناسب باشد كه مصرف کننده نهایی بتواند در مرحله 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 4 این دو مکانیسم را به طور شماتیک نشان می دهد.

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 5 مشاهده می شود:

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 6 نشان داده شده است:

مزایای سازگارکننده ها در فرآیند تولید مستربچ

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

  • ترشوندگی سریع
  • امکان افزایش سرعت فرآورش
  • امکان افزایش بارگیری
  • بهبود یکنواختی
  • کلوخه ها و تجمع ذرات کمتر
  • افزایش استحکام رنگ
  • تثبیت عالی
  • پیشگیری از کلوخه سازی مجدد
  • رقیق سازی آسان و بهبود سازگاری مستربچ در کاربرد نهایی
  • تطابق رنگ دقیق

نحوۀ عملکرد ترکیبات سازگارکننده در اکسترودر، به صورت شماتیک در شکل 7 نشان داده شده است: