Premagovanje izzivov mešanja viskoznih mešanic pri industrijskem povečanju proizvodnje.

Razlika med uspehom v laboratoriju in neuspehom v proizvodnji

Vsak inženir procesa pozna to občutek. Sestava deluje odlično na laboratorijski mizi. Mešanje traja dvanajst minut, material izgleda popoln, testni rezultati so čisti. Nato se pri povečanju merila procesa v proizvodnji pojavijo težave in vse se sesuje. Mešanje traja petinštirideset minut. Material se pregreva. Ujeti so mehurčki. Končni izdelek ne izpolnjuje specifikacij.

Mešanje viskoznih mešanic je področje, kjer se ta razlika najbolj brutalno pokaže. Ko viskoznost narašča v stotisočice ali milijonice centipoise, se fizika mešanja temeljito spremeni. Tok postane počasen. Odvajanje toplote se poslabša. Ujetje zraka postane skoraj neizogibno. Povečava merila od laboratorijskega mešalnika na proizvodno opremo brez razumevanja teh sprememb je recept za izgubljeno surovino in zamujene roke.

Pravi problem ni le debelina

Viskozne snovi zavirajo tok. To je očitno. Manj očitno pa je, kako ta zaviranje vpliva na vsak drugi vidik procesa mešanja.

Ko ima material viskoznost v razponu od 100.000 do 1 milijona cP, se energija, potrebna za njegovo premikanje, dramatično poveča. Ta energija ne izgine – spremeni se v toploto. V mešalniku za laboratorijsko uporabo z dobrim razmerjem površine in prostornine se ta toplota razprši dovolj učinkovito. V posodi za proizvodnjo pa ista gostota energije ustvari tople točke, ki lahko poslabšajo temperaturno občutljive sestavne dele.

Drugi dejavnik je porazdelitev strižnega napetostnega polja. Tekočine z nizko viskoznostjo enakomerno prenašajo strižno napetost po celotnem prostoru. Tekočine z visoko viskoznostjo dušijo gibanje. Material blizu mešalnika se premika, medtem ko se material ob stenah posode skorajda ne premakne. Obrazujejo se mrtve cone. Nepremičen material ostane na mestu in se segreva, medtem ko se aktivna cona prekomerno obremenjuje.

Vakuum spremeni igro pri odstranjevanju mehurčkov

Zaprt zrak je tiho ubijalca mešanic z viskoznostjo. Mehurčki, ki nastanejo med mešanjem, nimajo kam iti v gosto materialu. Ne morejo se dvigniti na površino na način, kot bi se to zgodilo v tekočini z nizko viskoznostjo. Ostanejo v suspenziji in ustvarjajo praznine, ki oslabijo končni izdelek.

Konvencionalni mešalniki pogosto uporabljajo vakuumsko odzračevanje po mešanju. Material se prenese v ločeno posodo, pri čemer se uporabi vakuum in mehurčki postopoma odstranijo. To poveča število korakov, poveča ročno ravnanje in ogroža kontaminacijo.

Planetarni centrifugalni mešalniki z integrirano vakuumsko funkcijo opravljajo odzračevanje med mešanjem . Vakuumsko okolje ustvari negativni tlak, medtem ko centrifugalna sila mehurčke potiska proti stenam posode, kjer se neprekinjeno odstranjujejo. Rezultat je ostankov mehurčkov manj kot 0,3 odstotka, v primerjavi z 2 do 5 odstotki pri tradicionalnih metodah .

Upravljanje temperature postane nesprejemljivo pri večjih količinah

Nastajanje toplote pri mešanju viskoznih mešanic ni le neprijetna motnja – temu je treba nadzorovati kot procesni spremenljivki. Projekt na lepilni tovarni v južni Kitajski ponazarja pomembnost te dejavnosti. Ekipa je povečala formulacijo poliuretanskega tesnila iz laboratorijskih serij obsega 5 litrov na proizvodne serije obsega 200 litrov. Na laboratorijskem mešalniku je najvišja temperatura ostala pod 45 °C. Na proizvodnem mešalniku brez aktivnega hlajenja se je temperatura znotraj dvajsetih minut povzpel do 72 °C. Tesnilo se je predčasno strdilo v posodi. Serija je bila odpadna.

Rešitev ni bila preprosto namestitev hladilne ovojnice. Proizvodni mešalnik je zahteval aktivno regulacijo temperature z cirkulirajočim hladilnim sredstvom in pravočasno povratno informacijo. Po namestitvi se je temperatura med celotnim mešanjem ohranila znotraj ±2 °C od nastavljene vrednosti. Formulacija se je prenesla brez kakršnih koli spremembe.

Aktivni temperaturni regulacijski zanki v sodobnih planetarnih mešalnikih rešijo ta problem tako, da okoli mešalne komore cirkulirajo temperaturno uravnavano tekočino . Nekateri sistemi ponujajo hlajenje in ogrevanje v istem krožnem toku, kar omogoča prilagodljivost za material, ki zahteva določene obdelovalne temperature.

Enakomernost strižnega napetostnega polja določa končno kakovost izdelka

Pri sistemih z viskoznostjo se ne vsak del materiala izpostavi enaki strižni zgodovini. Material blizu mešalnega impelera doživi visoko strižno obremenitev, medtem ko material blizu sten doživi nizko strižno obremenitev. Razlika v izpostavljenosti strižni obremenitvi povzroča razlike v temperaturi, kakovosti disperzije in končnih lastnostih.

Planetarno gibanje to reši s sestavljenim pretokom, omenjenim prej . Kombinacija revolucije in rotacije ustvari mešalni vzorec, ki neprekinjeno izmenjuje material med območji z visoko in nizko strižno obremenitvijo. Noben del mešanice ne ostane dolgo časa nepremičen, da bi se razvile pomembne razlike v lastnostih.

Izboljšava enotnosti se odraža v številkah. Pri prevodni srebrni masti z viskoznostjo 800.000 cP je planetarno mešanje zmanjšalo čas obdelave z 45 minut na 12 minut, hkrati pa je izboljšalo enotnost razpršitve srebrnega prahu na 99,3 odstotka. proizvajalec fotovoltaičnih modulov, ki je uporabil isti pristop, je poročal o 25-odstotnem povečanju doslednosti natezne trdnosti varjenja sončnih celic. .

Past za povečanje merila, v katero zapade večina ekip.

Najpogostejša napaka pri povečevanju merila mešanja viskoznih tekočin je predpostavka linearnih razmerij. Dvojna količina mešanice pomeni dvojni čas mešanja. Trojna prostornina pomeni trojno moč. Tako ne deluje.

Mešanje viskoznih tekočin je podvrženo zapletenim razmerjem med geometrijo, hitrostjo in lastnostmi materiala. Poraba energije narašča nelinearno z premerom mešalnika in hitrostjo. Ogrevanje narašča skupaj z vhodno močjo. Tokovni vzorci se spreminjajo, ko se število Reynolds-a zniža v laminarno območje.

Pilotna preskusna izvedba z dejanskim materialom ali dobro karakteriziranim simulantom je nujna. Če ta korak izpustite, bodo neprijetne presnove pri proizvodnji na industrijski ravni dragocenje. Analiza neuspehov pri povečevanju obsega proizvodnje iz leta 2024 v industriji lepil je pokazala, da bi se 68 odstotkov problemov, povezanih z mešanjem, dalo zaznati že na pilotni ravni s pravilnimi protokoli za preskušanje.

Kdaj ima viskozno mešanje smisel – in kdaj ga nima

Planetarni centrifugalni mešalniki se izkazujejo izjemno dobro pri materialih z viskoznostjo med 100.000 in več milijoni cP masa, tesnila, suspenzije z visoko vsebino trdnih delcev in polnjene polimere spadajo v to kategorijo. Kombinacija planetarnega gibanja, vakuum in nadzor temperature rešita tri največje težave – mrtve cone, mehurčke in toploto – v enem samem sistemu.

Za materiale z nižjo viskoznostjo so lahko preprostejše in cenejše tehnologije mešanja popolnoma ustrezne. Temeljita ocena lastnosti materiala in proizvodnih zahtev prepreči prekomerno naložbo v sposobnosti, ki jih nikoli ne boste uporabili.

SMIDA je več kot deset let razvijala planetarno centrifugalno mešalno tehnologijo posebej za viskozne in kompleksne večfazne sisteme oprema podjetja integrira planetarno gibanje, centrifugalna silovna polja in vakuumsko okolje v tridimenzionalni tehnološki arhitekturi, ki omogoča obdelavo materialov z viskoznostjo od 100.000 do več kot 1 milijon cP. S področji uporabe, ki segajo od lepil, kozmetike, elektronike, novih energij do materialov za vesoljsko industrijo, SMIDA podpira proizvajalce, ki potrebujejo zanesljivo povečanje zmogljivosti od laboratorijskega do proizvodnega merila brez izgube kakovosti mešanja.