Nowe zastosowania związane z mieszaniem i wytłaczaniem.

Nowe zastosowania wytłaczarek laboratoryjnych związane z mieszaniem i wytłaczaniem.

Wytłaczarki to standardowe narzędzia do mieszania, łączenia i przetwarzania materiałów w wielu obszarach, w tym w polimerach, farmaceutykach i produkcji żywności. SiTech 3D oferuje wytłaczarki laboratoryjne, które dzięki elastyczności mogą pomóc Ci zwiększyć wydajność i efektywność badań. Formuła nowoczesnych związków polimerowych może być złożona i zawierać wiele składników. Jednorodne rozproszenie niektórych z tych dodatków i wypełniaczy w matrycy polimerowej może stanowić wyzwanie. Zaawansowane urządzenia do wytłaczania mogą zoptymalizować mieszanie, ułatwiając produkcję tych złożonych materiałów polimerowych. Takim szczególnym przypadkiem jest zastosowanie wytłaczarki do badań i produkcji akumulatorów litowo-jonowych.

Wyzwania związane z wydajną produkcją akumulatorów

W naszym codziennym życiu potrzebujemy energii elektrycznej, aby pokryć rosnące zapotrzebowanie na komunikację i mobilność. Jednocześnie energia ta musi być produkowana i przechowywana w sposób zrównoważony, aby oszczędzać cenne zasoby naszego ekosystemu. Akumulatory litowo-jonowe są powszechnie stosowane w przenośnej elektronice, pojazdach elektrycznych i magazynowaniu energii w sieci ze względu na wysoką gęstość energii i długi cykl życia. Technologia wytwarzania akumulatorów niesie ze sobą ogromny potencjał do ulepszeń, aby w pełni wykorzystać potencjał dostępnej chemii. Wytłaczanie dwuślimakowe może pomóc zoptymalizować procesy produkcyjne akumulatorów, aby uczynić je bezpieczniejszymi, mocniejszymi, trwalszymi i bardziej opłacalnymi. Odpowiednia charakterystyka reologiczna past i zawiesin akumulatorowych jest niezbędna do zapewnienia wydajnego procesu wytwarzania. Globalna produkcja baterii litowo-jonowych ogromnie wzrośnie wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na elektromobilność i magazynowanie energii elektrycznej. W związku z tym kluczowe znaczenie ma ekologiczna i ekonomicznie efektywna produkcja elektrod do akumulatorów. Konwencjonalne powlekanie folii elektrody wymaga zawiesin o niskiej lepkości zawierających toksyczny rozpuszczalnik, który musi być odzyskiwany i poddawany recyklingowi. Suszenie i odzysk rozpuszczalnika z mokrych zawiesin elektrod po nałożeniu ich na folię kolektora prądu odpowiada za największe zużycie energii w produkcji akumulatorów litowo-jonowych. Suszarki, które mogą mieć kilkadziesiąt metrów długości, zajmują znaczną ilość miejsca.

Zalety ciągłego mieszania mas elektrodowych z zastosowaniem wytłaczania dwuślimakowego.

Biorąc pod uwagę stale rosnące możliwości magazynowania energii, zwłaszcza w związku z rozwojem rynku pojazdów elektrycznych i zastosowaniami stacjonarnymi, jednym z wyzwań związanych z bateriami litowymi są koszty i wpływ ich produkcji na środowisko. Głównym stosowanym procesem jest metoda odlewania rozpuszczalnikiem, oparta na zawiesinie odlewanej na kolektorze prądu. Wadą tej techniki jest użycie toksycznych i kosztownych rozpuszczalników oraz znacznej ilości energii potrzebnej do odparowania i recyklingu rozpuszczalników. Metoda produkcji niezawierająca rozpuszczalników oznaczałaby znaczny postęp w opracowywaniu opłacalnych i przyjaznych dla środowiska akumulatorów litowo-jonowych i litowo-metalowych.

Opracowanie innowacyjnych procesów produkcji elektrod suchych lub o niskiej zawartości rozpuszczalnika z wykorzystaniem ciągłego mieszania dwuślimakowego niesie ze sobą potencjał znacznej redukcji rozpuszczalnika przy zachowaniu wysokiej jakości dyspersji past elektrodowych. Co więcej, adaptowalna i modułowa konstrukcja mieszającej wytłaczarki dwuślimakowej może pomóc zoptymalizować strukturę materiału na elektrody, prowadząc do zwiększenia wydajności.

Każdy proces ciągły ma tę zaletę, że jest bardziej powtarzalny w porównaniu z produkcją seryjną, tzn. nie ma różnic między partiami, ponieważ nie ma partii. Gdy wytłaczarka działa, w sposób ciągły wytwarza zawiesinę bez żadnych zmian. W trybie wsadowym mieszalniki planetarne tracą materiał po każdym mieszaniu, ponieważ jego część pozostaje na elementach zbiornika i mieszadła. Wytłaczarka dwuślimakowa jest samoczyszcząca, w wytłaczarce pozostaje tylko minimalna ilość materiału. Oznacza to, że urządzenia nie trzeba tak często zatrzymywać i czyścić jak mieszalnika wsadowego. Ważną zaletą mieszania dwuślimakowego jest to, że siły ścinające działające na materiał są regulowane i zwykle są znacznie większe w wytłaczarce dwuślimakowej niż w mieszalniku planetarnym. Dzięki temu można go dokładnie wymieszać nawet przy mniejszym dodatku rozpuszczalnika. Jakość dyspersji poprawia się poprzez mieszanie dwuślimakowe, ponieważ siły ścinające działające na materiał są większe niż w mieszankach planetarnych. Węższy rozkład wielkości cząstek prowadzi do mniejszego blokowania dalszego filtra siatkowego. Wymaganych jest znacznie mniej zmian rastra niż w przypadku mieszania planetarnego.
Czas przebywania materiału w wytłaczarce jest rzędu minut, a nie godzin jak w mieszalnikach planetarnych, dzięki czemu zawiesiny wychwytują mniej zanieczyszczeń, zanieczyszczenia powstające w wytłaczarce do produkcji zawiesiny katodowej można zredukować przy zastosowaniu odpowiedniego materiału ślimaka i cylindra. Mieszalniki dwuślimakowe oszczędzają również miejsce, a po uruchomieniu wymagają niewielkiej siły roboczej. Ciągła produkcja nie wymaga przestojów w celu otwarcia i pobrania materiału, a zatem wymaga również mniej pracy związanej z czyszczeniem. Ciągłe przetwarzanie jest również szybsze i bardziej efektywne, ponieważ straty materiału są zminimalizowane. Podczas gdy wymieszanie konwencjonalnej partii zawiesiny za pomocą mieszalnika planetarnego zajmuje od czterech do ośmiu godzin, w przypadku wytłaczarki dwuślimakowej zajmuje to tylko kilka minut.

Mieszanie pasty akumulatorowej o niskiej zawartości rozpuszczalnika

Mieszające wytłaczarki dwuślimakowe osiągają drobną dyspersję składników w pastach o wysokiej lepkości dzięki silnym siłom ścinającym działającym na materiał. Konstrukcja dwuślimakowego układu uplastyczniającego z niewielką odległością między ślimakami wytłaczarki a cylindrem zapewnia wysoki poziom dostarczanej mocy mechanicznej co pozwala na zmniejszenie zawartości rozpuszczalnika w pastach katodowych. Segmentowa konstrukcja ślimaka umożliwia optymalizację procesu mieszania w celu uzyskania optymalnej morfologii i powierzchni, co koreluje ze zwiększoną wydajnością podczas cykli pracy akumulatora. Zasadniczo moment obrotowy wzrasta wraz z liczbą bloków ugniatających. Nie ulega też wątpliwości, że konfiguracja ślimaka wytłaczarki odgrywa ważną rolę w jakości dyspersji i musi być zaprojektowana z dużą starannością. Laboratoryjne wytłaczarki dwuślimakowe mają wspólną cechę konstrukcyjną a mianowicie dzielony cylinder i segmentowe ślimaki, które pozwalają na szybkie czyszczenie i dostosowanie procesu. Dzięki temu idealnie nadają się do opracowywania nowych receptur i oceny wytłaczania w skali laboratoryjnej i pilotażowej jako rozwiązania do produkcji. Zastosowanie do badań wytłaczarki o zwiększonej średnicy ślimaków zwiększa również wydajność wytłaczania materiału elektrody w jednostce czasu. W zależności od składu materiału, pasty elektrodowe mogą być mieszane i wytłaczane z wydajnością do 400 g za pomocą miniaturowej wytłaczarki dwuślimakowej SiTech 3D LE-2CC 2x12 mm ze ślimakiem o średnicy 12 mm. Ten rozmiar instrumentu jest przeznaczony do wczesnych prób, gdy drogie materiały muszą być użyte w mniejszych ilościach lub jeśli wiele różnych receptur musi zostać przetworzonych w krótszym czasie. Wydajność do 30 kg/h można uzyskać na wytłaczarkach dwuślimakowych SiTech 3D o średnicy ślimaka 24 mm oraz z wydajnością do 120 kg/h na pilotażowych wytłaczarkach dwuślimakowych SiTech 3D o średnicy ślimaka 32 mm.

Rys.1  Miniaturowe wytłaczarki dwuślimakowe SiTech 3D LE-2CC 2x12 mm.

Rys.2 Wytłaczarki dwuślimakowe SiTech 3D LE-2CC 2x24 mm.

Wszystkie wytłaczarki są dostępne z modułowymi cylindrami, w których można wymieniać wkładki mające kontakt z przetwarzanym materiałem oraz w segmentowe ślimaki. Elementy cylindrów oraz ślimaków wytłaczarek są dostępne w gatunkach stali nierdzewnej, które są odporne na korozję [np. hartowana stal AISI 440 C], lub w stali azotowanej [np. 38HMJ]. Stale odporne na korozje hartowane mogą pracować w temperaturach do 270oC a azotowane do 400oC. Wkładki do cylindrów naszych wytłaczarek mogą być wykonane w zasadzie z dowolnego materiału, który nadaje się do realizacji zadania badawczego. Wkładki są łatwe do wymiany. Segmentowa konstrukcja ślimaka i poszczególne elementy ślimaka, które określają konfigurację ślimaka, są kluczowymi czynnikami w indywidualnym projekcie procesu w celu optymalizacji właściwości mieszania. Ślimaki są konfigurowane za pomocą pojedynczych elementów śrubowych które są umieszczane na wałach. Taka konstrukcja pozwala na stosowanie naprzemiennych sekcji transportu materiału i mieszania lub(i) ugniatania, wykorzystując elementy transportowe, mieszające i ugniatające.

Rys. 3 Od lewej: element transportowy, blok ugniatający 30°,blok ugniatający 45°,

blok ugniatający 60°,blok ugniatający 90°,blok ugniatający 45° o obniżonym ścinaniu.

Dodatkowo elementy transportowe wprowadzają pewną energię ścinania, ponieważ zwoje mają bardzo mały prześwit od ścianek cylindra. Aby wprowadzić wyższą energię ścinania, niezbędne jest zastosowanie bloków mieszających, składający się z elementów ugniatających. Elementy ugniatające mogą być rozmieszczone z różnymi kątami przesunięcia między poszczególnymi elementami, takimi jak 30°, 60° i 90°. Im większe przesunięcie, tym większa wprowadzona energia ścinania, co umożliwia wysokie mieszanie dyspersyjne. Możliwe też jest zastosowanie bloków ugniatających z transportem wstecznym, które zapewniają bardzo wysokie mieszanie dyspersyjne Możliwość optymalizacji konfiguracji tych bloków mieszających pod względem ich długości, liczby i energii ścinania (poprzez kąt przesunięcia i kierunek transportu) pozwala na znalezienie optymalnego mieszania dystrybucyjnego i dyspersyjnego dla danego materiału.

Optymalizacja obróbki materiałów na elektrody akumulatorów metodą wytłaczania mieszającego.

Wytłaczarka dwuślimakowa łączy i miesza materiał anodowy lub katodowy z minimalnym dodatkiem rozpuszczalnika. Pasty o wysokiej lepkości mogą być przetwarzane na granulki za pomocą granulatora W takim kształcie można je łatwo transportować i przechowywać bez ryzyka sedymentacji. Taka metoda produkcji elektrod akumulatorów jest skalowalna do produkcji masowej i w przyszłości wymaga mniej energii niż produkcja konwencjonalna. Proces wytłaczania jest skalowalny, pod warunkiem utrzymania stałych proporcji geometrycznych ślimaka i cylindra. Wysoki stosunek powierzchni do objętości cylindrów wytłaczarki zapewnia lepszą skalowalność pod względem przenoszenia ciepła przez ścianki niż pojemniki stalowe. Dzięki temu nowatorski proces opracowany na wytłaczarce laboratoryjnej można później przenieść do produkcji.

Wpływ konfiguracji ślimaka wytłaczającego na strukturę i wydajność elektrody akumulatora.

Technologia mieszania, konfiguracja ślimaków i specyficzny pobór mocy zastosowany podczas mieszania materiału na elektrody wpływają na strukturę materiału elektrody. Wraz ze wzrostem ścinania i odpowiednim poborem mocy przez ślimaki wytłaczarki, struktura materiału ulega zmianie co powoduje wzrost powierzchni właściwej. Ścinanie, którego doświadcza materiał, zależy od liczby i konfiguracji bloków ugniatających ślimaków wytłaczarki, a także parametrów przetwarzania, takich jak prędkość ślimaków, czas przebywania i przepustowość materiału.

Wnioski i perspektywy wytłaczania mas na elektrody akumulatorów.

Wytłaczanie dwuślimakowe może stanowić korzystną technologię mieszania materiałów elektrod, która pomaga przezwyciężyć wyzwania obecne w dzisiejszych ścieżkach produkcyjnych przetwarzania na mokro ofrując korzyści jak poniżej.

• Skrócony całkowity czas przetwarzania.
• Zużycie szkodliwych rozpuszczalników można znacznie ograniczyć.
• Energia potrzebna do procesu suszenia i recyklingu jest znacznie zmniejszona.
• Segmentowa konstrukcja cylindra i ślimaków umożliwia dostosowanie procesów mieszania do indywidualnych potrzeb badawczych i produkcyjnych.
• Dostępne jest naukowe podejście oparte na zwiększaniu skali produkcji od laboratorium do produkcji.
• Granulki suchych past elektrod mogą być przechowywane bez separacji faz.

Rys.4 Granulator przy głowicy wytłaczarki chłodzony powietrzem.

Podczas opracowywania procesu najważniejsza jest wszechstronność i łatwa obsługa. W przeciwieństwie do wytłaczarek przeznaczonych na skalę produkcyjną, wytłaczarki laboratoryjne są łatwe w obsłudze przez jedną osobę, wymagają bardzo małych objętości próbek i można je skalować do większych rozmiarów. Funkcje te oszczędzają czas i pieniądze na testowaniu aplikacji, umożliwiają opracowywanie produktów i materiałów testowych na małą skalę oraz zapewniają doświadczenie procesowe i szkolenie operatorów maszyn o większej skali.

Dostarczamy sprzęt do wytłaczania na skalę laboratoryjną i pilotażową. Nasze rozwiązania są opisane w dziale produkty.