Laboratoryjne linie do compoundingu i granulacji z wytłaczarkami mieszającymi

Od formulacji do granulatu – kompletne linie do rozwoju materiałów

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

Sercem takich stanowisk SiTech3D są laboratoryjne wytłaczarki dwuślimakowe 2×12, 2×16, 2×20 i 2×24 mm. Tworzą spójny typoszereg, w którym wraz ze zmianą skali zachowywane są bardzo zbliżone możliwości konfiguracji procesu. Platformy mogą pracować w układzie współbieżnym lub przeciwbieżnym, wykorzystują segmentowe ślimaki i zapewniają szeroki dostęp do części procesowej dzięki dzielonej konstrukcji cylindra.

Wytłaczarka może zostać zintegrowana z systemami dozowania, podajnikami bocznymi, odgazowaniem, pomiarami procesowymi, chłodzeniem i granulacją. Indywidualizacji może podlegać również automatyka i oprogramowanie linii – sposób współpracy urządzeń, receptury, wizualizacja, zapis danych i komunikacja z systemami zewnętrznymi.

Dzięki temu SiTech3D może projektować zarówno małe stanowiska do rozwoju kosztownych lub dostępnych w ograniczonej ilości formulacji, jak i bardziej rozbudowane linie R&D przygotowujące technologię do kolejnego etapu skali.

Poniżej można wybrać kompletną linię do compoundingu i granulacji albo rozwiązanie skoncentrowane na samej granulacji materiału.

Wytłaczarka dwuślimakowa jako serce procesu compoundingu

W laboratoryjnym compoundingu wytłaczarka dwuślimakowa jest czymś więcej niż urządzeniem do uplastyczniania polimeru. W jej części procesowej można kształtować kolejne operacje technologiczne: transport materiału, topienie, mieszanie dystrybucyjne i dyspersyjne, wprowadzanie kolejnych składników, odgazowanie oraz budowanie warunków przepływu przed głowicą.

Dlatego o możliwościach compoundera nie decyduje wyłącznie średnica ślimaków. Znaczenie mają również ich konfiguracja, dostępny moment i zakres prędkości, długość części procesowej, rozmieszczenie portów, możliwość dozowania w różnych miejscach oraz dostęp do wnętrza cylindra podczas przebudowy, inspekcji i czyszczenia.

SiTech3D rozwija rodzinę:

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

Jej szczególną wartością jest zachowanie bardzo zbliżonych możliwości konfigurowania procesu przy czterech kolejnych skalach laboratoryjnych. Wszystkie te platformy mogą pracować współbieżnie lub przeciwbieżnie dzięki przełączalnemu układowi przekładniowemu. Segmentowa budowa ślimaków pozwala dostosowywać funkcję kolejnych stref procesu, a dzielony cylinder – z otwieraną częścią górną i opuszczaną dolną – zapewnia szeroki dostęp do ślimaków i przestrzeni procesowej.

W laboratorium ma to znaczenie praktyczne: ułatwia rekonfigurację, kontrolę stanu materiału, czyszczenie po kolejnych formulacjach oraz analizę tego, jak przyjęta architektura procesu wpływa na otrzymany compound.

Zmiana skali urządzenia nie musi oznaczać rezygnacji z kluczowych możliwości badawczych.

Od receptury materiałowej do receptury procesowej

Dwie formulacje o identycznym składzie procentowym nie muszą prowadzić do materiału o identycznych właściwościach, jeżeli zostały przetworzone w innych warunkach. W compoundingu znaczenie ma nie tylko co wprowadzamy do polimeru, lecz również gdzie, kiedy i w jakich warunkach poszczególne składniki trafiają do procesu.

Dlatego linię warto analizować jako ciąg wzajemnie zależnych operacji:

receptura → dozowanie → miejsce wprowadzenia składników → uplastycznianie → mieszanie → odgazowanie → kontrola stopu → chłodzenie → granulacja.

Konfiguracja ślimaków może kształtować intensywność transportu, mieszania i ścinania. Miejsce dozowania może zmieniać czas kontaktu dodatku ze stopionym polimerem. Odgazowanie może usuwać wilgoć lub inne składniki lotne. Każdy z tych etapów może więc stać się zmienną badaną podczas rozwoju formulacji.

Więcej o mechanizmach mieszania, konfiguracji elementów ślimakowych oraz znaczeniu poszczególnych stref procesu opisujemy w artykule o technologii wytłaczania dwuślimakowego i mieszaniu.

Dozowanie i side feeding są częścią technologii materiału

Powtarzalność procesu zaczyna się przed strefą mieszania. Jeżeli rzeczywiste proporcje składników zmieniają się w czasie próby, trudno oddzielić wpływ receptury od wpływu niestabilnego podawania materiału.

W zależności od projektu linia może współpracować z dozowaniem wolumetrycznym lub grawimetrycznym oraz z dwuślimakowymi podajnikami bocznymi – side feederami. SiTech3D rozwija również typoszereg side feederów odpowiadający kolejnym skalom wytłaczarek, co pozwala zachować podobną logikę budowy procesu przy zmianie wielkości compoundera.

Podawanie boczne pozwala wprowadzać wybrane składniki po uplastycznieniu polimeru bazowego. Jest to istotne między innymi przy napełniaczach, włóknach, proszkach, pigmentach i innych komponentach, których miejsce oraz czas przebywania w układzie mogą wpływać na efekt końcowy.

Dozowanie nie powinno więc być traktowane jako wyposażenie pomocnicze stojące obok wytłaczarki. Jest jednym z narzędzi projektowania formulacji i jej historii procesowej.

Odgazowanie, pomiary i kontrola rzeczywistych warunków procesu

Podczas compoundingu do układu mogą być wprowadzane powietrze i wilgoć, a z materiału mogą uwalniać się składniki lotne. Zależnie od formulacji wymagane może być odgazowanie atmosferyczne lub próżniowe, prowadzone w odpowiednim miejscu części procesowej.

Równie ważne jest rozróżnienie pomiędzy nastawami maszyny a rzeczywistą odpowiedzią materiału. Temperatura zadana, prędkość ślimaków czy wydajność dozowania opisują sposób prowadzenia procesu, ale pełniejszy obraz dają dopiero dane takie jak obciążenie lub moment napędu, temperatura i ciśnienie stopionego tworzywa czy parametry urządzeń dozujących.

Dzięki temu można analizować zależność:

skład materiału → konfiguracja procesu → odpowiedź wytłaczarki → stan stopu → właściwości otrzymanego compoundu.

W laboratorium ma to szczególną wartość, ponieważ wynik próby nie powinien ograniczać się do próbki materiału. Powinien również dostarczać informacji pozwalających wyjaśnić, dlaczego dana formulacja zachowała się w określony sposób.

Granulacja jest częścią projektowania całej linii

Po przygotowaniu compoundu materiał trzeba doprowadzić do postaci odpowiedniej do dalszych badań lub kolejnego procesu technologicznego. Sposób chłodzenia i granulacji powinien być dlatego dobierany do właściwości materiału, wydajności oraz celu stanowiska.

SiTech3D projektuje kompletne laboratoryjne linie do compoundingu i granulacji, w których część dwuślimakowa może współpracować z odpowiednio dobranym systemem chłodzenia i cięcia granulatu.

Dostępne rozwiązania pozwalają dobierać sposób prowadzenia materiału do jego zachowania po wyjściu z głowicy – zamiast traktować granulator jako przypadkowy element dodawany na końcu procesu.

Jeżeli potrzebne jest przede wszystkim niezależne urządzenie do rozdrabniania materiału, zobacz także granulator uniwersalny.

Automatyka i oprogramowanie dopasowane do procesu klienta

W rozbudowanej linii do compoundingu jednocześnie pracują wytłaczarka, układy dozujące, side feedery, odgazowanie, urządzenia pomiarowe oraz system granulacji. Ich współpraca ma bezpośredni wpływ na powtarzalność procesu.

SiTech3D może dostosować nie tylko mechaniczną konfigurację stanowiska, lecz również automatykę i oprogramowanie. Zakres projektu może obejmować funkcje sterowania, receptury, sposób prezentowania parametrów, synchronizację urządzeń, zapis wybranych danych oraz komunikację z systemami zewnętrznymi.

Dzięki temu obok receptury materiałowej można budować również recepturę procesową opisującą sposób prowadzenia konkretnej formulacji.

Jest to szczególnie wartościowe w działach R&D i laboratoriach, które posiadają własne procedury, wymagają określonego sposobu dokumentowania prób albo chcą integrować stanowisko z istniejącą infrastrukturą automatyki i danych.

Jedna rodzina urządzeń – kilka etapów rozwoju technologii

Na początku prac nad nową formulacją najważniejsze może być ograniczenie zużycia kosztownego polimeru, dodatku lub napełniacza. W kolejnych etapach potrzebne stają się większe próbki, dłuższe próby i większy strumień materiału.

Typoszereg 2×12, 2×16, 2×20 i 2×24 mm pozwala dobrać wielkość compoundera do aktualnego etapu prac, zachowując bardzo zbliżoną logikę konfiguracji urządzenia i procesu.

Nie oznacza to prostego kopiowania nastaw pomiędzy średnicami. Zmiana skali wpływa na transport materiału, wymianę ciepła, ścinanie, stopień wypełnienia i czas przebywania. Korzyścią jest natomiast możliwość prowadzenia kolejnych etapów rozwoju w ramach spójnej rodziny platform badawczych.

Gdy projekt wymaga już większego strumienia materiału i warunków bliższych późniejszej instalacji przemysłowej, naturalnym kolejnym etapem może być platforma dwuślimakowa 2×32 mm w skali pilotażowej.

Dlaczego rozwijać compound w skali laboratoryjnej?

Laboratoryjny compounding pozwala wykonywać decyzje technologiczne wcześniej – zanim próby zaczną zużywać duże ilości materiału i zajmować czas instalacji produkcyjnej.

Dobrze dobrane stanowisko pozwala między innymi:

• porównywać kolejne formulacje przy ograniczonym zużyciu materiału,
• oceniać różne sposoby i miejsca wprowadzania składników,
• rozwijać konfigurację ślimaków i poszczególnych stref procesu,
• sprawdzać wpływ odgazowania i parametrów przetwarzania,
• przygotowywać granulat do dalszych badań i prób aplikacyjnych,
• identyfikować parametry krytyczne przed przejściem do większej skali.

Celem nie jest wyłącznie otrzymanie niewielkiej partii granulatu. Celem jest zdobycie wiedzy, która pozwala świadomie rozwijać materiał i jego technologię wytwarzania.

Jak porównywać laboratoryjne linie do compoundingu?

Porównanie samej średnicy ślimaków i maksymalnej wydajności nie pokazuje możliwości laboratoryjnego compoundera. O jego wartości decyduje zakres procesu, który można kontrolować, rekonfigurować i powtarzać.

Dobierzmy linię do materiału i celu projektu

Do rozpoczęcia projektu nie jest potrzebna gotowa lista urządzeń. Ważniejsze jest określenie rodzaju polimeru, dodatków i napełniaczy, ich postaci i udziału w formulacji, dostępnej ilości materiału, oczekiwanej wielkości próbki oraz dalszego zastosowania compoundu.

Na tej podstawie można dobrać skalę wytłaczarki, konfigurację części procesowej, dozowanie, side feeding, odgazowanie, pomiary, system granulacji, automatykę i oprogramowanie.

Jeżeli compounding jest tylko jednym z kilku procesów, które ma realizować stanowisko, zobacz również konfigurowalne laboratoryjne linie wytłaczarskie.

Najpierw definiujemy materiał i operacje, które trzeba na nim wykonać. Następnie dobieramy skalę compoundera i architekturę procesu, która pozwoli formulację nie tylko wytworzyć, ale również zrozumieć i rozwijać.