Przezwyciężanie wyzwań związanych z mieszaniem o wysokiej lepkości w przemysłowej skalie.

Luka między sukcesem w laboratorium a porażką w produkcji

Każdy inżynier procesowy zna to uczucie. Formuła doskonale sprawdza się na ławce laboratoryjnej. Mieszanie trwa dwanaście minut, materiał wygląda idealnie, wyniki badań są pozytywne. Następnie następuje skalowanie do produkcji – i wszystko się psuje. Mieszanie trwa czterdzieści pięć minut. Materiał się przegrzewa. Pozostają w nim zamknięte pęcherzyki powietrza. Gotowy produkt nie spełnia specyfikacji.

Mieszanie o wysokiej lepkości to obszar, w którym ta różnica ujawnia się najbardziej drastycznie. Gdy lepkość wzrasta do setek tysięcy lub milionów centypuazów, fizyka mieszania ulega fundamentalnej zmianie. Przepływ staje się powolny. Oddawanie ciepła pogarsza się. Uwzględnienie powietrza staje się praktycznie nieuniknione. Skalowanie procesu od mieszadła laboratoryjnego do urządzeń produkcyjnych bez zrozumienia tych zmian to przepis na marnowanie materiałów i przegapienie terminów.

Rzeczywistym problemem nie jest tylko gęstość

Materiały o wysokiej lepkości stawiają opór przepływowi. To oczywiste. Mniej oczywiste jest jednak, jak ten opór oddziałuje na wszystkie inne aspekty procesu mieszania.

Gdy materiał ma lepkość w zakresie od 100 000 do 1 miliona cP, energia wymagana do jego przemieszczania wzrasta gwałtownie. Ta energia nie znika – przekształca się w ciepło. W mieszalniku laboratoryjnym o korzystnym stosunku powierzchni do objętości ciepło to rozprasza się w sposób wystarczający. W pojemniku przeznaczonym do produkcji ta sama gęstość energii powoduje powstawanie gorących stref, które mogą uszkodzić składniki wrażliwe na temperaturę.

Innym czynnikiem jest rozkład naprężeń ścinających. Ciecze o niskiej lepkości przekazują naprężenia ścinające równomiernie przez całą objętość. Ciecze o wysokiej lepkości tłumią ruch. Materiał znajdujący się w pobliżu mieszadła porusza się, podczas gdy materiał przy ścianach pojemnika ledwo się przesuwa. Powstają strefy martwe. Bezruchomy materiał pozostaje w miejscu i „gotuje się”, podczas gdy aktywna strefa jest nadmiernie obciążana.

W próżni usuwanie pęcherzyków staje się zupełnie inną sprawą

Uwięzanie powietrza to cichy zabójca partii o wysokiej lepkości. Pęcherzyki powstające podczas mieszania nie mają w gęstym materiale żadnego miejsca, gdzie mogłyby się przemieścić. Nie mogą wypłynąć na powierzchnię tak, jak w cieczach o niskiej lepkości. Pozostają zawieszone, tworząc puste przestrzenie, które osłabiają końcowy produkt.

Konwencjonalne mieszalniki często polegają na próżniowym odgazowaniu po zakończeniu mieszania. Materiał jest przenoszony do oddzielnego naczynia, stosuje się próżnię i pęcherzyki są usuwane w czasie. Ta metoda wymaga dodatkowych etapów, zwiększa obsługę materiału i wiąże się z ryzykiem zanieczyszczenia.

Mieszalniki planetarno-centryfugowe z wbudowaną funkcją próżniową wykonują odgazowanie w trakcie mieszania . Środowisko próżniowe generuje ciśnienie ujemne, podczas gdy siła odśrodkowa przesuwa pęcherzyki w kierunku ścianek naczynia, skąd są one ciągle usuwane. Wynikiem jest pozostałość pęcherzyków poniżej 0,3 %, w porównaniu do 2–5 % przy tradycyjnych metodach .

Zarządzanie temperaturą staje się obowiązkowe przy dużych skalach

Generowanie ciepła podczas mieszania substancji o wysokiej lepkości nie jest drobną uciążliwością – jest to zmienna procesowa, którą należy kontrolować. Projekt przeprowadzony w południowochińskim zakładzie produkującym kleje ilustruje wagę tego zagadnienia. Zespół przeskalowywał formulację uszczelki poliuretanowej z próbek laboratoryjnych o objętości 5 litrów do partii produkcyjnych o objętości 200 litrów. W mieszalniku laboratoryjnym maksymalna temperatura nie przekroczyła 45°C. W mieszalniku produkcyjnym bez aktywnego chłodzenia temperatura wzrosła do 72°C w ciągu dwudziestu minut. Uszczelka utwardziła się przedwcześnie w zbiorniku. Cała partia została uznana za niesprawdną.

Rozwiązaniem nie było po prostu dodanie płaszcza chłodzącego. Mieszalnik produkcyjny wymagał aktywnej kontroli temperatury z obiegiem czynnika chłodzącego oraz sprzężenia zwrotnego w czasie rzeczywistym. Po jego zainstalowaniu temperatura utrzymywała się w zakresie ±2°C od wartości zadanej przez cały czas trwania procesu. Formulacja została przeniesiona bez żadnych modyfikacji.

Współczesne mieszalniki planetarne wyposażone w aktywne pętle kontroli temperatury rozwiązują ten problem poprzez cyrkulację cieczy o kontrolowanej temperaturze wokół komory mieszającej niektóre systemy zapewniają chłodzenie i ogrzewanie w tym samym obwodzie, co zapewnia elastyczność przy przetwarzaniu materiałów wymagających określonych temperatur.

Jednorodność ścinania decyduje o jakości końcowego produktu

W układach o wysokiej lepkości nie cały materiał podlega temu samemu historii ścinania. Materiał znajdujący się w pobliżu wirnika podlega wysokiemu ścinaniu, podczas gdy materiał przy ściankach zbiornika podlega niskiemu ścinaniu. Różnica w ekspozycji na ścinanie powoduje odmienności temperatury, jakości dyspersji oraz właściwości końcowych.

Ruch planetarny rozwiązuje ten problem dzięki złożonemu polu przepływu wspomnianemu wcześniej połączenie ruchu obiegu i obrotu tworzy wzór mieszania, który ciągle wymienia materiał między strefami wysokiego i niskiego ścinania. Żadna część partii nie pozostaje nieruchoma przez wystarczająco długi czas, aby wykształcić istotne różnice właściwości.

Ulepszenie jednolitości odzwierciedla się w liczbach. Dla przewodzącej pasty srebrnej o lepkości 800 000 cP mieszanie planetarne skróciło czas przetwarzania z 45 minut do 12 minut, jednocześnie poprawiając jednolitość rozproszenia proszku srebrnego do 99,3% producent ogniw fotowoltaicznych stosujący tę samą metodę zgłosił 25-procentowy wzrost spójności naprężeń w miejscach spawania ogniw słonecznych .

Pułapka skalowania, w którą wpadają większość zespołów

Najczęstszym błędem przy skalowaniu mieszania płynów o wysokiej lepkości jest założenie liniowych zależności: podwójny rozmiar partii oznacza podwójny czas mieszania, potrojona objętość – potrojoną moc. Takie podejście nie działa.

Mieszanie płynów o wysokiej lepkości podlega złożonym zależnościom między geometrią, prędkością i właściwościami materiału. Zużycie mocy rośnie nieliniowo wraz ze średnicą i prędkością wirnika. Generowanie ciepła zależy od wprowadzonej mocy. Wzory przepływu zmieniają się wraz ze spadkiem liczby Reynoldsa do zakresu przepływu laminarnego.

Testy w skali pilotażowej z rzeczywistym materiałem lub dobrze scharakteryzowanym symulantem są obowiązkowe. Pominięcie tego etapu spowoduje drogie niespodzianki w produkcji w skali przemysłowej. Analiza niepowodzeń przy powiększaniu skali procesów przeprowadzona w 2024 r. w branży klejów wykazała, że 68 procent problemów związanych z mieszaniem w produkcji można było zidentyfikować już na etapie badań pilotażowych przy zastosowaniu odpowiednich protokołów testowych.

Kiedy mieszanie wysokowiskozycznych materiałów ma sens – a kiedy nie

Mieszalniki planetarno-centryfugalne doskonale sprawdzają się przy materiałach o lepkości od 100 000 do kilku milionów cP materiały takie jak pasty, uszczelniacze, zawiesiny o wysokiej zawartości stałej oraz polimery z napełniaczami należą do tej kategorii. Połączenie ruchu planetarnego, próżni i kontroli temperatury rozwiązuje trzy najważniejsze problemy – strefy martwe, pęcherzyki powietrza oraz nagrzewanie – w jednym urządzeniu.

W przypadku materiałów o niższej lepkości prostsze i tańsze technologie mieszania mogą być w pełni wystarczające. Szczegółowa ocena właściwości materiału oraz wymagań produkcyjnych pozwala uniknąć nadmiernych inwestycji w możliwości, których nigdy nie wykorzysta się.

Firma SMIDA poświęciła ponad dekadę na rozwój technologii mieszania planetarno-centrifugalnego specjalnie przeznaczonej do systemów o wysokiej lepkości i złożonych wielofazowych . Sprzęt firmy integruje ruch planetarny, pole sił odśrodkowych oraz środowisko próżniowe w trójwymiarowej architekturze technologicznej, umożliwiającej obróbkę materiałów o lepkości od 100 000 do ponad 1 miliona cP. Zastosowania obejmują kleje, kosmetyki, elektronikę, nowe źródła energii oraz materiały do przemysłu lotniczego i kosmicznego; SMIDA wspiera producentów, którzy potrzebują niezawodnego skalowania procesu od laboratorium do produkcji przemysłowej bez utraty jakości mieszania.