تجهیزات تولید فوم پلی یورتان

به عنوان اولین مطلب، تجهیزات تولید فوم، بسته به فشار مواد شیمیایی که به محفظه یا سر میکسر وارد می­شوند، به دو نوع فشار پایین یا فشار بالا طبقه ­بندی می ­شوند.

فشارهای پایین، معمولاً 50 –200psi (345-1379kPa) هستند و فشارهای بالا، 1000-3500psi (6.9-24.1MPa) در نظر گرفته می­شوند. برخی دستگاه­ ها به ویژه آن هایی که برای تولید فوم slab مورد استفاده قرار می­ گیرند، به صورت هیبریدی هستند و از پمپ­ های فشار پایین روی برخی از جریان ­ها و پمپ­ های فشار بالا روی جریان­ های دیگر بهره می­ گیرند. نوع دستگاه انتخابی، به نوع فوم، حجم فوم و مهارت کارکنان بستگی دارد. دستگاه­ های فشار بالا نیازمند اپراتورها و پرسنل نگهداری با مهارت فنی بالاتر هستند. مستقل از تکنیک مورداستفاده، مولفه ­های متعددی در تولید فوم موثر مورد نیاز است:

• منبع مواد خام
• واحدهای اندازه­گیری
• سرهای میکسر
• سیستم کنترل دما
• سیستم کنترل فرایند

منبع مواد خام

منبع مواد خام، مخازن انتقال تهیه شده از تامین­ کننده مواد شیمیایی، مخازن ذخیره خانگی، مخازن میکسر و مخازن تغذیه یا مخازن روزانه برای ماشین فوم هستند. در برخی موارد، یک مخزن معین می ­تواند دو یا چند منظوره عمل کند. انتقال از تامین­ کننده، با واگن، کامیون مخزنی، کیسه­ های پلاستیکی در تریلر، سطل­ های مستطیلی و استوانه ­ای صورت می­ گیرد.

زمانی که انتقال از طریق مخازن عظیم انجام شود، مواد به مخازن بزرگ خانگی منتقل می­ شوند. مدیریت این مولفه­ ها بستگی به الزامات شیمیایی مانند حفظ دما یا همزنی دارد. ایزوسیانات­ ها در شرایط بدون رطوبت ذخیره می ­شوند تا از واکنش­ های نامطلوب جلوگیری شود. برخی از ایزوسیانات ­ها نیازمند گرمایش هستند تا سولفیدزایی صورت نگیرد.

در دستگاه­ های تولید slab stock، مواد معمولاً به صورت مستقیم از مکان ذخیره ­سازی به پمپ ­های اندازه­ گیری منتقل می ­شوند. در دستگاه­ های دیگر، مواد به مخازن تهویه­ دار واسط یا مخازن روزانه در دستگاه فوم منتقل می­ شوند تا شرایط دمایی و تهویه مواد بهتر باشد. مشخصات مخازن روزانه با توجه به سازنده دستگاه متغیر است و شامل مخازن یک جداره و دو جداره با صفحات یا سیم ­پیچ­ های کنترل دمای داخلی، عایق ­بندی، همزن­ ها و ابزاری برای چرخش مجدد یا بدون این موارد است. مخازن می ­توانند تحت فشار یا بدون فشار باشند. مواد ساخت­ وساز بستگی به مشخصات آن مولفه دارند اما مخازن معمولاً از فولاد کربنی ساخته می ­شوند که اگر ماده خورنده باشد، پوشش داخلی فنولیک یا اپوکسی دارند. مخازن فولاد ضدزنگ در کاربردهای خاص به کار گرفته می­شوند. سیستم­های تمام خودکار معمولاً برای اطمینان از تهویه مناسب اجزاء به کار گرفته می­ شوند.

واحدهای اندازه­ گیری

واحدهای اندازه ­گیری، می­ توانند فشار بالا یا فشار پایین باشند. مستقل از این طبقه ­بندی، واحدها باید انتقال و نگهداری را با دقت بالا در محدوده ±1% انجام دهند. دستگاه­ های فشار پایین می­ توانند هر تعداد مولفه جداگانه که برای فرمولاسیون موردنیاز است را مدیریت کنند در حالی که واحدهای فشار بالا تنها به دو یا سه مولفه محدود می­ شوند مگر اینکه اقدامات خاصی انجام شده باشد.

محدوده ظرفیت خروجی از چند اونس یا میلی­ متر بر ثانیه برای کاربرد هایی مانند واشرهایی که درجا پر می­ شوند تا 1000lb/min (454kg/min) یا بیشتر برای بخش­ های قالب­ گیری بزرگ یا تولید قطعاتslab stock هستند. در دستگاه­ هایی که برای تزریق دوره­ای به کار می ­روند، انتقال دقیق مواد در طول تزریق موردنیاز است. در دستگاه­ های تزریق پیوسته، توانایی چرخش مجدد یک امر ضروری است.

دستگاه ­های فشار پایین

دستگاه ­های فشار پایین معمولاً پمپ­ های دنده­ای دقیقی دارند. اگر پرکننده های خورنده در فرمولاسیون فوم مورد استفاده قرار گیرند، پمپ­ هایی با طراحی دقیق موردنیاز خواهند بود. برای حذف مشکلاتی مانند نشت از درزها و کنترل­ های محیطی، پمپ­ های ایزوسیانات، سیستم­ های جفت­شده محرکه مغناطیسی دارند. محرک­ های پمپ مختلف، واحدهای محرکه مستقیم با موتورهای AC فرکانس متغیر یا DC، موتورهای دنده­ای، محرکه­ های زنجیری با چرخ ­دنده­ های قابل تعویض برای تنظیم خارجی، دنباله­ های چرخ دنده، یا محرکه ­های قرقره­ای قدرت دارند. ماشین­ های پرتوان ممکن است به صورت ترکیبی باشند (با پمپ­های فشار بالا و پایین) تا دقت بهتری در اندازه­ گیری مولفه­ های خاص حاصل شود.

در دستگاه­ های تولید قطعات slab، توانایی ایجاد جریان­ های مختلف وجود دارد اما همه جریان­ ها نباید به صورت همزمان فعال باشند. این سیستم­ ها امکان تغییر فرمولاسیون سریع را به وجود می­ آورند تا زمان تغییر کاهش یابد و زوائد حذف شوند. در دستگاه­ های تزریق، روند کار به صورت کمینه ­سازی جریان و در نتیجه حذف مشکلات مربوط به عملیات­ های روشن و خاموش سازی است.

دستگاه ­های فشار بالا

دستگاه ­های فشار بالا، معمولاً دستگاه ­های قالب­ گیری تزریقی واکنشی، مخلوط ­سازی ضرب ه­ای (RIM)، یا مخلوط­ سازی ضرب ه­ای فشار بالا (HPIM) نامیده می ­شوند. این اصطلاحات که در اوایل دهه 1970 ایجاد شده­ اند به سیستم­ هایی اطلاق می­شوند که مخلوط ­سازی مولفه­ های آنها از طریق برخورد جریان مولفه­ ها با فشار بالا بدون همزن­ های مکانیکی صورت گیرد. عبارت دیگر، مخلوط­ سازی تزریق مایع (LIM) برای یورتان­ ها به کار برده می­شود؛ با این وجود این عبارت توسط جنرال الکتریک برای سیستم ­های لاستیکی سیلیکونی مایع مورد استفاده قرار گرفته است. در حالی که ماشین ­های LIM معمولاً به عنوان دستگاه­ های تزریق شاتی در نظر گرفته می­ شوند، اما برای کاربردهای تزریق پیوسته مانند تولید پانل فوم سخت(ریجید) ورق ه­ای نیز مورد استفاده قرار می­ گیرند.

دو نوع اندازه ­گیری فشار بالا وجود دارد: پمپ و سیلندر.

سیستم­ های اندازه­ گیری پمپی

این نوع سیستم ­ها از پمپ­ های پیستونی درون خطی، شعاعی یا محوری با دقت بالا بهره می­ گیرند و قادر به ایجاد فشارهای موردنیاز هستند. این سیستم ­ها، نسخه ­های اصلاح شده از پمپ­هایی هستند که برای خدمات­ رسانی در سوخت یا روغن هیدرولیک به کار می­ روند، به علت تلورانس نزدیک و نوع مواد ساخت­ وساز، این پمپ­ ها برای مواد ذره­ای خورنده مانند فیبرهای شیشه­ ای یا مواد معدنی مورد استفاده قرار نمی­ گیرند. مواد با ویسکوزیته بسیار بالا را نیز نمی ­توانند به خوبی مدیریت کنند زیرا پمپ­ها اساساً هیچ توانایی مکشی ندارند و روزنه­ های بسیار کوچکی دارند.

حد ویسکوزیته بیشینه اسمی برای این پمپ­ها، 2000 سانتی­پواز (cP) در دمای عملیاتی است. با استفاده از پمپ­های تقویت­کنده می­توان ویسکوزیته­های بالاتر را نیز مدیریت کرد. پمپ­های اندازه­گیری می­توانند از نوع خروجی ثابت یا قابل تنظیم باشند. سیستم­های محرکه مختلف مورد استفاده قرار می­ گیرند و می­توان خروجی را به صورت دستی از طریق موتورهای DC یا AC فرکانس متغیر یا سیستم ­های سروو تغییر داد. شکل 1 شماتیک از یک دستگاه فشار بالا را نشان می­دهد که مخازن روزانه دو جداره برای کنترل دما دارد.

شکل 1: شماتیک دستگاه فشار بالا

واحدهای اندازه گیری سیلندری

دستگاه ­هایRIM تقویت­ شده (RRIM) سیلندرهای نوع پلانگری یا نیزه­ای را به کار می­ گیرند که قادر به مدیریت مواد خورنده و مواد با ویسکوزیته بالا هستند. در سیلندر نیزه­ای که در شکل 2 نشان داده شده است، نیزه متحرک با سطح داخلی سیلندر تماس ندارد؛ این قطعه تنها با درزهای مارپیچی­ تماس دارد به گونه ­ای که فشار ایجاد می ­کند. مواد جابه جا می ­شوند و سیلندر بعد از هر ضربه نیزه به صورت کامل تخلیه نمی ­شود. سیلندرها را می­توان به صورت مستقل یا به کمک سیلندرهای کمکی به حرکت درآورد.

شکل 2: سیلندر نیزه ای

تجهیزات فوم­ سازی

طرحی از یک دستگاه سیلندر نیزه­ای در شکل 3 زیر نشان داده شده است. برای کاهش هزینه، دستگاه تنها یک سیلندر برای اندازه ­گیری مولفه ­های خورنده دارد در حالی که پمپ اندازه­ گیری، مولفه ­های غیرخورنده را مدیریت می­ کند. اگرچه فشارهای عملیاتی برای دستگاه­ های سیلندری معمولاً از همان مرتبه پمپ­ های اندازه­گیری هستند، واحدهای خاص می ­توانند برای سیستم ­هایی که مخلوط ­سازی آنها پیچیده است فشارهای ضرب ه­ای تا 15000psi (103MPa) را ایجاد کنند. در حالی که واحدهای سیلندری معمولاً برای یک توانایی تزریق لحظه ­ای معین ساخته می­ شوند، واحدهای خاص مانند سیلندرهای تاندونی هستند که به دقت کنترل می­ شوند و ضربه­ های هم ­پوشان دارند و دریچه­ های سوئیچ ­کننده دقیقی دارند که خروجی پیوسته را ممکن می ­سازند.

شکل 3: شماتیک سیلندر نیزه ای دستگاه فشار بالا

شرکت Gusmer Admiral یک واحد اندازه­ گیری سیلندری پیوسته به نام سیستم پمپاژ CDC را ارائه می­کند. این سیستم سیلندر دوکاره که در شکل 4 نشان داده شده است، به علت درزگیری پیستون داخلی، یک سیلندر نیزه­ای نیست. واحدهای اندازه­ گیری سیلندری دقیق دیگری برای اهداف خاص مانند افزودن رنگ یا خروجی­ های بسیار کم مورد استفاده قرار می­ گیرند زیرا در این شرایط با پمپ­ های دوار یا چرخشی نمی­توان به دقت دلخواه دست یافت. ملاحظات مربوط به خوردگی درز پیستون سبب می­شوند که به کار گیری این پمپ­ها به مواد غیرخورنده محدود شود. دستگاه­ های اسپری فوم نیز واحدهای اندازه­ گیری سیلندری هستند. این دستگاه ­ها معمولاً به صورت پنوماتیک حرکت می­ کنند و ضربه هر سیلندر معین است تا نسبت مواد ثابت باشد. نسبت­ ها با تغییر سیلندر تغییر می ­کند. واحدهای افشانه ­ای معمولاً خودتمیزشوندگی، مخلوط­ سازی خارجی، تفنگ­های دستی دارند و فشارهای ضربه ­ای در آنها به 3500psi (24MPa) می­رسد.

شکل 4: سیستم پمپاژ CDC

آرایه دریچه­ ها برای اطمینان از جریان پیوسته در این دستگاه ­ها مورد استفاده قرار می­ گیرد. اغلب دستگاه­ های اسپری فوم توانایی بازچرخش ندارند و مولفه ­ها با شلنگ­های گرمایی گرم می ­شوند تا واکنش سریع یکنواخت اسپری فوم تضمین شود؛ این امر سبب ایجاد یک سطح هموار م ی­شوند. یک واحد اسپری پنوماتیکی نوعی در شکل 5 نشان داده شده است. شرکت Linden یک واحد پنوماتیکی برای اسپری یا تزریق ارائه می­کند که مشکلات مربوط به ناسازگاری فشار تغذیه هوای فشرده در آن دیده نمی ­شود.

شکل 5: شماتیک دستگاه اسپری فوم

سرهای میکسر

سرهای میکسر به دو روش دسته ­بندی می ­شوند: چرخشی و غیرچرخشی؛ و فشار بالا و فشار پایین.

در سر چرخشی، مولفه­ ها از مخازن روزانه از طریق پورت ­هایی به سر چرخشی رفته و از آن جا به مخزن برمی­ گردند. اگر پخش فوم به صورت دوره­ای صورت گیرد، نوع چرخشی با کنترل دمایی مناسب برای عملکرد خوب سیستم الزامی است. در زمان چرخش، فشار برگشتی از در سر میکسر کنترل می ­شود. شیرهای قرقره­ای در زمان تزریق لحظه ­ای باز می­ شوند. سرهای میکسر تغذیه پیوسته نیز امکان چرخش دارند؛ با این وجود اغلب آنها غیرچرخشی هستند. در سرهای غیرچرخشی، پمپ ­ها به صورت متوالی آغاز به کار کرده یا دریچه­ ها باز می­ شوند تا اطمینان حاصل شود که شروع کار به صورت هموار است و اتلاف­ ها کمینه شوند. در شروع، جریان ­های کوچک (کاتالیزورها، سورفکتانت­ها و افزودنی­های مایع) ابتدا وارد می­ شوند و سپس پلی ال و ایزوسیانات به کار گرفته می ­شوند.

مقاله تهیه شده در واحد تحقیق و توسعه شرکت ایمن پلیمر شیمی

استفاده از مقالات تنها با ذکر منبع مجاز است.