Linie laboratoryjne z wytłaczarkami do compoundingu oraz granulatorami

Od formulacji do granulatu – kompletne laboratoryjne linie do compoundingu

W compoundingu o właściwościach otrzymanego materiału decyduje nie tylko jego skład. Równie ważne są sposób dozowania składników, miejsce ich wprowadzenia, konfiguracja ślimaków, intensywność mieszania i ścinania, historia termomechaniczna materiału, odgazowanie oraz sposób zakończenia procesu. Dlatego laboratoryjna linia do compoundingu powinna być projektowana jako jeden kontrolowany układ technologiczny – od składników formulacji do gotowego granulatu.

Sercem takich stanowisk SiTech3D jest rodzina laboratoryjnych wytłaczarek dwuślimakowych LE-2CC 2×12, 2×16, 2×20 i 2×24 mm. Cztery kolejne skale zachowują bardzo zbliżoną architekturę i możliwości konfiguracji procesu: segmentowe ślimaki, pracę współbieżną i przeciwbieżną, przełączalną przekładnię, szeroki dostęp do części procesowej, dozowanie główne i boczne, odgazowanie oraz pomiary procesu.

Compounder może współpracować z dozownikami wolumetrycznymi i grawimetrycznymi, side feederami, układami podawania cieczy i gazów, systemami odgazowania oraz różnymi rozwiązaniami chłodzenia i granulacji. Indywidualizacji może podlegać również automatyka i oprogramowanie stanowiska – sterowanie, receptury, synchronizacja urządzeń, wizualizacja, zapis danych i komunikacja z systemami zewnętrznymi.

Tak skonfigurowana linia pozwala nie tylko przygotować partię materiału do dalszych badań. Umożliwia przede wszystkim zrozumienie zależności pomiędzy recepturą, konfiguracją procesu i właściwościami otrzymanego compoundu, ograniczając przy tym zużycie surowca i liczbę kosztownych prób na większych instalacjach.

Jedna platforma – cztery skale laboratoryjnego compoundingu

Rozwój nowego materiału przebiega etapami. Na początku szczególnie ważne może być ograniczenie zużycia kosztownego polimeru, modyfikatora lub napełniacza. Później potrzebne są większe próbki, dłuższe serie badawcze, większy strumień materiału i warunki coraz bardziej reprezentatywne dla dalszego rozwoju technologii.

SiTech3D rozwija spójną rodzinę laboratoryjnych compounderów:

LE-2CC 2×12 mm → LE-2CC 2×16 mm → LE-2CC 2×20 mm → LE-2CC 2×24 mm

Najważniejszą cechą tego typoszeregu nie jest sama liczba dostępnych średnic. Jest nią zachowanie bardzo zbliżonych możliwości konfigurowania procesu w kolejnych skalach. Zmiana wielkości urządzenia nie musi oznaczać rezygnacji z kluczowych narzędzi badawczych ani przechodzenia do całkowicie innej filozofii stanowiska.

Rys. 1. Laboratoryjne wytłaczarki dwuślimakowe SiTech3D 2×12, 2×16, 2×20 i 2×24 mm, które mogą pracować w liniach do compoundingu i granulacji.

W całej rodzinie podstawę konfiguracji procesu stanowią:

• segmentowe układy ślimakowe umożliwiające zmianę funkcji kolejnych stref,
• praca współbieżna i przeciwbieżna z wykorzystaniem przełączalnej przekładni,
• dzielony cylinder zapewniający szeroki dostęp do przestrzeni procesowej,
• możliwość zastosowania dozowania głównego i bocznego,
• odgazowanie atmosferyczne i próżniowe,
• integracja pomiarów, urządzeń pomocniczych i automatyki,
• możliwość dostosowania oprogramowania do konkretnego stanowiska badawczego.

Poszczególne urządzenia różnią się oczywiście skalą, charakterystyką napędu i zakresem pracy. Nie należy też zakładać prostego liniowego kopiowania nastaw pomiędzy średnicami. Wraz ze zmianą skali zmieniają się warunki transportu, ścinania, wymiany ciepła, stopnia wypełnienia i czasu przebywania. Korzyścią jest natomiast możliwość prowadzenia kolejnych etapów rozwoju technologii w ramach spójnej rodziny platform procesowych.

Szczegółowe dane urządzeń: LE-2CC 2×12 mm, LE-2CC 2×16 mm, LE-2CC 2×20 mm oraz LE-2CC 2×24 mm.

Rekonfigurowalna część procesowa – ślimaki, cylinder i kierunek pracy

W stanowisku badawczym możliwość zmiany warunków procesu powinna wykraczać poza temperaturę i prędkość obrotową. Istotne jest również to, gdzie i w jaki sposób materiał jest transportowany, uplastyczniany, mieszany, dozowany i odgazowywany.

Segmentowe ślimaki LE-2CC pozwalają zestawiać elementy realizujące różne operacje jednostkowe: transport materiału stałego i stopionego, uplastycznianie, ugniatanie, mieszanie dystrybucyjne i dyspersyjne, przygotowanie stref odgazowania oraz budowanie ciśnienia przed głowicą.

Rodzina LE-2CC umożliwia również pracę współbieżną i przeciwbieżną. Dzięki przełączalnej przekładni jedna platforma może być przygotowywana do procesów wymagających odmiennego sposobu prowadzenia materiału. Nie oznacza to, że oba tryby są równoważne – przeciwnie, rozszerzają zakres możliwych do badania architektur procesu.

Cylinder jako element konfiguracji procesu

Szczególną cechą platformy jest konstrukcja cylindra. Jest on dzielony wzdłuż osi poziomej, a jego dolna część po otwarciu może być uchylana w dół. Górna część jest dodatkowo podzielona na dwie sekcje otwierane niezależnie i wspomagane siłownikami. Pozwala to uzyskać dostęp do części procesowej bez każdorazowego demontowania dozowników i leja zasypowego.

Powierzchnię roboczą cylindra mogą stanowić wymienne wkładki. W zależności od projektu można zmieniać ich położenie, materiał wykonania i funkcję. Wkładki mogą mieć długość od około 4D do 8D, co daje możliwość rekonfiguracji kolejnych stref bez przebudowy całego cylindra.

Rozwiązanie pozwala między innymi:

• szybciej zmieniać konfigurację stanowiska pomiędzy kolejnymi programami badawczymi,
• stosować wkładki wykonane z materiałów dopasowanych do przetwarzanego medium,
• zmieniać rozmieszczenie wybranych funkcji procesowych,
• ułatwiać inspekcję, czyszczenie i serwis,
• ograniczać koszt regeneracji powierzchni roboczej cylindra.

Wzdłuż cylindra mogą być również rozmieszczane porty procesowe. Odpowiednio skonfigurowana strefa może służyć do podawania materiału, side feedingu, odpowietrzania, odgazowania, wtrysku cieczy lub gazu albo montażu czujników ciśnienia i temperatury.

W efekcie rekonfiguracji może podlegać nie tylko ślimak, ale cała architektura kolejnych operacji jednostkowych.

Więcej o budowie układów ślimakowych: segmenty ślimaków do wytłaczarek dwuślimakowych. Pogłębienie technologii mieszania znajduje się również w artykule o wytłaczaniu dwuślimakowym i mieszaniu.

Dozowanie, side feeding i odgazowanie – kontrola drogi składników

W compoundingu znaczenie ma nie tylko ilość składnika, ale również miejsce i moment jego wprowadzenia do procesu. Dodatek podany do głównego zasypu przechodzi przez inną historię termomechaniczną niż materiał wprowadzony bocznie do już uplastycznionego polimeru.

Linia może współpracować z dozownikami wolumetrycznymi lub grawimetrycznymi dla granulatów, proszków i cieczy. Do późniejszego wprowadzania napełniaczy, włókien, proszków funkcjonalnych lub innych dodatków stosowane są dwuślimakowe podajniki boczne – side feedery.

SiTech3D rozwija podajniki odpowiadające kolejnym skalom laboratoryjnych compounderów. Dzięki temu przy zmianie wielkości wytłaczarki można zachować podobną logikę organizacji dozowania i integracji urządzeń.

Dla materiałów o małej gęstości nasypowej i trudnych właściwościach przepływowych możliwe jest zastosowanie rozwiązań wspomagających stabilne podawanie proszku.

Odgazowanie projektowane razem z procesem

Powietrze wprowadzane wraz z proszkami, wilgoć, rozpuszczalniki, monomery lub produkty uboczne reakcji mogą wymagać usuwania z materiału jeszcze podczas wytłaczania. Dlatego odgazowanie powinno być projektowane razem z układem ślimaków, stopniem wypełnienia i rozmieszczeniem portów.

W zależności od procesu możliwe jest stosowanie odpowietrzania atmosferycznego lub próżniowego w jednej lub kilku strefach. Lokalizacja strefy odgazowania wpływa na stabilność procesu, dlatego nie należy traktować portu próżniowego jako elementu dodawanego niezależnie od reszty konfiguracji.

Rys. 2. Efekt pracy systemu odgazowania – po lewej prawidłowo odgazowany stop, po prawej efekt wytłaczania bez skutecznego odgazowania.

Dozowanie, miejsce podania składnika i odgazowanie są częścią technologii materiału – nie tylko wyposażeniem dodatkowym wytłaczarki.

Pomiar, automatyka i oprogramowanie – od nastawy do danych procesowych

Laboratoryjna linia nie powinna informować wyłącznie o tym, jakie wartości zostały zadane przez operatora. Dla wiarygodnego porównywania formulacji potrzebna jest również wiedza o rzeczywistej odpowiedzi procesu.

W zależności od konfiguracji stanowiska mogą być monitorowane i rejestrowane między innymi:

• temperatury stref cylindra,
• prędkość obrotowa ślimaków,
• moment lub obciążenie napędu,
• siła osiowa działająca na ślimaki,
• ciśnienie i temperatura stopionego materiału,
• parametry dozowników i urządzeń współpracujących.

Pozwala to analizować zależność:

receptura materiałowa → konfiguracja procesu → odpowiedź compoundera → stan stopu → właściwości otrzymanego materiału.

SiTech3D może integrować urządzenia linii we wspólnym systemie sterowania oraz dostosowywać oprogramowanie do sposobu pracy konkretnego laboratorium lub działu R&D. Indywidualizacji mogą podlegać funkcje sterowania, receptury, synchronizacja urządzeń, wizualizacja, zapis danych, alarmy, diagnostyka i komunikacja z systemami zewnętrznymi.

Oznacza to, że dostosowywana może być nie tylko mechanika stanowiska, ale również sposób prowadzenia, obserwowania i dokumentowania procesu.

Compounder jako narzędzie do zaawansowanych badań materiałowych

Wytłaczarka dwuślimakowa może służyć nie tylko do fizycznego mieszania polimeru z dodatkami. Odpowiednio skonfigurowana część procesowa może pełnić funkcję ciągłego reaktora, w którym materiał w postaci stałej, stopionej, ciekłej lub gazowej jest sekwencyjnie podawany, transportowany, mieszany, ogrzewany, chłodzony i odgazowywany.

Takie podejście umożliwia prowadzenie badań nad między innymi:

• wytłaczaniem reaktywnym,
• kompatybilizacją mieszanin polimerowych,
• funkcjonalizacją polimerów i napełniaczy,
• modyfikacją materiałów,
• wybranymi procesami spieniania,
• materiałami o wysokim stopniu napełnienia.

Na poziomie stanowiska kluczowa jest możliwość zaprojektowania właściwej kolejności operacji jednostkowych oraz kontrolowania temperatury, mieszania, czasu przebywania, dozowania i odgazowania. Szczegółowy przebieg reakcji i chemia procesu wynikają już z konkretnego programu badawczego.

Od stopu do granulatu – dobór sposobu chłodzenia i cięcia

Po zakończeniu compoundingu materiał musi zostać doprowadzony do postaci odpowiedniej do dalszych badań, prób aplikacyjnych lub kolejnego procesu przetwórczego. Sposób chłodzenia i granulacji powinien być dlatego dobierany do zachowania konkretnego materiału.

Granulacja po chłodzeniu wodnym

Wytłoczyna jest formowana w żyłkę, chłodzona w wodzie, a następnie kierowana do granulatora. Jest to rozwiązanie dla materiałów, które mogą mieć kontakt z wodą i po schłodzeniu tworzą stabilną żyłkę.

Zobacz linię z chłodzeniem wodnym i granulacją.

Granulacja po chłodzeniu powietrzem

Jeżeli materiał nie powinien mieć kontaktu z wodą, wytłoczyna może zostać schłodzona powietrzem przed cięciem.

Zobacz linię z chłodzeniem powietrznym.

Granulacja przy głowicy

Dla wybranych materiałów możliwe jest cięcie bezpośrednio przy głowicy wytłaczarki, bez klasycznego prowadzenia żyłki do wolnostojącego granulatora.

Film 1. Praca granulatora polimerów przy głowicy wytłaczarki, chłodzonego powietrzem.

Zobacz linię z granulatorem przy głowicy.

Granulacja nie jest oddzielnym procesem dodawanym po compoundingu. Formowanie wytłoczyny, chłodzenie i cięcie są końcowymi operacjami tej samej technologii przygotowania materiału.

Jak dobrać linię i skalę badań?

Dobór linii nie powinien rozpoczynać się od pytania o średnicę ślimaków. Najpierw należy określić materiał, cel badania i operacje, które mają zostać wykonane w procesie.

Do wstępnego doboru stanowiska wystarczą zwykle informacje o:

• polimerze bazowym,
• rodzaju i udziale dodatków lub napełniaczy,
• postaci fizycznej poszczególnych składników,
• dostępnej ilości surowca,
• oczekiwanej wielkości próbki,
• wymaganym sposobie dozowania i odgazowania,
• dalszym zastosowaniu otrzymanego granulatu.

Na tej podstawie można dobrać skalę compoundera, konfigurację ślimaków i stref, systemy dozowania, side feeding, odgazowanie, pomiary, sposób granulacji, automatykę i oprogramowanie.

Orientacyjnie:

• 2×12 mm – gdy priorytetem jest ograniczenie zużycia materiału i przygotowywanie małych partii badawczych,
• 2×16 mm – kolejny poziom skali laboratoryjnej przy zachowaniu kompaktowego stanowiska,
• 2×20 mm – gdy potrzebna jest większa próbka i większa rezerwa procesu,
• 2×24 mm – dla większego strumienia materiału, rozbudowanych badań i procesów wymagających większej zdolności mechanicznej platformy.

Przejście do większego urządzenia nie oznacza prostego kopiowania parametrów. Daje jednak możliwość kontynuowania rozwoju w ramach podobnej architektury technologicznej. Dla kolejnego etapu skali dostępne są również pilotażowe wytłaczarki dwuślimakowe, w tym platforma 2×32 mm.

Co daje rozwój procesu w skali laboratoryjnej?

• mniejsze zużycie kosztownych materiałów na wczesnym etapie,
• szybsze porównywanie kolejnych formulacji,
• wcześniejsze odrzucanie rozwiązań niespełniających wymagań,
• przygotowanie partii materiału do dalszych analiz i prób aplikacyjnych,
• identyfikację parametrów krytycznych przed zwiększeniem skali,
• ograniczenie liczby kosztownych prób na instalacji produkcyjnej.

Celem laboratoryjnej linii do compoundingu nie jest wyłącznie wyprodukowanie niewielkiej partii granulatu. Jej zadaniem jest dostarczenie wiedzy potrzebnej do świadomego rozwoju materiału i procesu jego wytwarzania.

Dobierzmy architekturę procesu do materiału

Klient nie musi rozpoczynać projektu od przygotowania kompletnej specyfikacji maszyny. Wystarczy opis materiału, planowanej formulacji, dostępnej ilości surowca i celu badań. Na tej podstawie możemy wspólnie określić właściwą skalę compoundera i konfigurację całej linii.

Nie dobieramy wyłącznie wytłaczarki i granulatora. Projektujemy drogę materiału – od składników formulacji, przez kontrolowany proces dwuślimakowy, po granulat i dane potrzebne do podjęcia kolejnej decyzji technologicznej.