Подолання викликів, пов’язаних із перемішуванням високов’язких речовин у промислових масштабах.

Пропасть між успіхом у лабораторії та провалом у виробництві

Кожен інженер-технолог знає це відчуття. Формула чудово працює на лабораторному столі: змішування триває дванадцять хвилин, матеріал виглядає ідеально, результати випробувань є задовільними. Але під час масштабування до промислового виробництва все руйнується: час змішування зростає до сорока п’яти хвилин, матеріал перегрівається, у ньому захоплюються бульбашки, а кінцевий продукт не відповідає технічним вимогам.

Високов’язке змішування — це той процес, у якому цей розрив проявляється найгостріше. Коли в’язкість зростає до сотень тисяч або мільйонів сантипуаз, фізика змішування принципово змінюється. Потік стає повільним. Відведення тепла погіршується. Захоплення повітря стає майже неминучим. Масштабування від лабораторного змішувача до промислового обладнання без урахування цих змін призводить до втрат матеріалів і пропущених термінів.

Справжня проблема полягає не лише в товщині

Матеріали з високою в’язкістю чинять опір потоку. Це очевидно. Менш очевидним є те, як цей опір взаємодіє з усіма іншими аспектами процесу змішування.

Коли в’язкість матеріалу знаходиться в діапазоні від 100 000 до 1 мільйона сП, енергія, необхідна для його переміщення, різко зростає. Ця енергія не зникає — вона перетворюється на тепло. У лабораторному мішалі зі сприятливим співвідношенням поверхні до об’єму таке тепло розсіюється достатньо ефективно. У промисловому реакторі та сама щільність енергії призводить до утворення «гарячих плям», які можуть пошкодити компоненти, чутливі до температури.

Іншим чинником є розподіл зсувного навантаження. Рідини з низькою в’язкістю передають зсувну дію рівномірно по всьому об’єму. Рідини з високою в’язкістю загасають рух. Матеріал поблизу мішалки рухається, тоді як матеріал біля стінок реактора майже не зміщується. Утворюються «мертві зони». Нерухомий матеріал нагрівається, тоді як активна зона піддається надмірному навантаженню.

Вакуум змінює правила гри щодо видалення бульбашок

Захоплення повітря — це непомітний убивця сумішей з високою в’язкістю. Бульбашки, що утворюються під час змішування, не мають куди дітися в густому матеріалі. Вони не можуть підніматися до поверхні так, як це відбувається в рідинах із низькою в’язкістю. Вони залишаються в завислому стані, утворюючи порожнини, які ослаблюють кінцевий продукт.

Традиційні мішалки часто покладаються на вакуумне дегазування після змішування. Матеріал переносять у окремий посудину, створюють вакуум і поступово видаляють бульбашки. Це додає додаткові етапи, збільшує обсяг ручної роботи та підвищує ризик забруднення.

Планетарні центрифужні мішалки з інтегрованою вакуумною функцією здійснюють дегазування безпосередньо під час змішування . У вакуумному середовищі створюється розріджений тиск, а центрифужна сила спрямовує бульбашки до стінок посудини, де вони постійно видаляються. У результаті залишкова кількість бульбашок становить менше 0,3 % порівняно з 2–5 % при традиційних методах .

Контроль температури стає обов’язковим на промисловому рівні

Утворення тепла під час перемішування високов’язких сумішей — це не незначна незручність, а змінна технологічного процесу, яку необхідно контролювати. Проект на клеєвому заводі в південному Китаї ілюструє ризики, пов’язані з цим. Команда збільшувала масштаб розробленої у лабораторії формули поліуретанового герметика з 5-літрових пробних партій до виробничих партій об’ємом 200 літрів. У лабораторному мішалці максимальна температура залишалася нижче 45 °C. У виробничому мішалці без активного охолодження температура за двадцять хвилин піднялася до 72 °C. Герметик передчасно затвердів у ємності. Партія була відхиленою.

Рішенням було не просто встановити охолоджувальний корпус. Для виробничого мішалки потрібен був активний контроль температури з циркуляцією охолоджувального агента та системою зворотного зв’язку в реальному часі. Після його встановлення температура протягом усього процесу змінювалася всього на 2 °C від заданого значення. Формулу вдалося перенести без жодних змін.

Активні контури контролю температури в сучасних планетарних мішалках вирішують цю проблему шляхом циркуляції термостатованої рідини навколо зони перемішування деякі системи забезпечують охолодження та нагрівання в одному й тому самому контурі, що надає гнучкості для матеріалів, які потребують певних температур обробки.

Однорідність зсуву визначає кінцеву якість продукту

У системах з високою в’язкістю не всі матеріали піддаються однаковому зсувному навантаженню. Матеріал поблизу мішалки піддається високому зсуву, тоді як матеріал поблизу стінок — низькому зсуву. Різниця в експозиції до зсуву призводить до коливань температури, якості розподілу та кінцевих властивостей.

Планетарний рух усуває цю проблему за рахунок складного поля потоку, про яке згадувалося раніше поєднання обертання навколо осі та обертання навколо центру створює режим перемішування, який постійно обмінює матеріал між зонами високого та низького зсуву. Жодна частина партії не залишається нерухомою достатньо довго, щоб виникли значні різниці у властивостях.

Покращення однорідності відображається в цифрах. Для провідної срібної пастки з в’язкістю 800 000 cP планетарне змішування скоротило час обробки з 45 до 12 хвилин, одночасно покращивши рівномірність дисперсії срібного порошку до 99,3 % виробник фотovoltaїчних елементів, який застосував такий самий підхід, повідомив про збільшення стабільності зварювального зусилля сонячних елементів на 25 % .

Пастка масштабування, у яку потрапляють більшість команд

Найпоширенішою помилкою при масштабуванні змішування високов’язких матеріалів є припущення лінійних залежностей: подвоїти обсяг партії — подвоїти час змішування; потроїти об’єм — потроїти потужність. Такий підхід не працює.

Змішування високов’язких рідин регулюється складними залежностями між геометрією, швидкістю та властивостями матеріалу. Споживання потужності змінюється нелінійно з діаметром і швидкістю мішалки. Тепловиділення пропорційне вхідній потужності. Режими потоку змінюються, коли число Рейнольдса знижується до ламінарного режиму.

Пілотне тестування з використанням реального матеріалу або добре характеризованого імітатора є обов’язковим. Пропуск цього етапу призведе до дорогостоячих несподіванок у виробництві. У 2024 році в аналізі невдач під час масштабування в галузі клеїв було встановлено, що 68 відсотків проблем, пов’язаних із перемішуванням на виробничому рівні, могли бути виявлені на пілотному етапі за умови належного виконання протоколів тестування.

Коли доцільно використовувати перемішування високов’язких матеріалів — і коли ні

Планетарні центрифужні мішалки чудово працюють із матеріалами з в’язкістю в діапазоні від 100 000 до кількох мільйонів сП пастоподібні речовини, герметики, суспензії з високим вмістом твердих частинок та наповнені полімери належать до цієї категорії. Поєднання планетарного руху, вакууму та контролю температури одночасно вирішує три основні проблеми — «мертві зони», бульбашки та нагрівання.

Для матеріалів з нижчою в’язкістю простіші й менш витратні технології змішування можуть бути цілком достатніми. Ретельна оцінка властивостей матеріалу та вимог до виробництва запобігає надмірним інвестиціям у можливості, які ніколи не будуть використані.

Компанія SMIDA понад десять років розробляла технологію планетарного центрифужного змішування спеціально для систем із високою в’язкістю та складних багатофазних систем обладнання компанії поєднує планетарний рух, центрифугальні силові поля та вакуумне середовище в тривимірній технологічній архітектурі, що дозволяє обробляти матеріали з в’язкістю від 100 000 до понад 1 мільйона сП. Застосовуючи цю технологію в таких галузях, як клейові матеріали, косметика, електроніка, нові енергетичні технології та аерокосмічні матеріали, SMIDA надає підтримку виробникам, яким потрібне надійне масштабування процесів від лабораторії до промислового виробництва без втрати якості змішування.