فرآیند اختلاط

اختلاط لاستیک بیشتر یک هنر تلقی می شود تا یک علم و دانش اختلاط ، بیشتر حاصل مطالعات تجربی علت و معلولی است تا به کارگیری مفاهیم بنیادی علمی.

هدف از اختلاط ، تولید آمیزه ای است که اجزایش در حد کفایت در هم فرو روند و بطورکامل پاشیده شوند ، به طوری که در آمیزه  حاصل شده ، عملیات های بعدی شکل دهی به راحتی امکان پذیر و به صورت موثری فرآیند پخت صورت گرفته ، خواص و ویژگی های پدید آمده در تمام قسمت های آمیزه یکسان باشد . چند خاصیتی که پس از عملیات اختلاط هایز اهمیت می باشد عبارتند از : گرانروی آمیزه ، پراکنش و توزیع اجزا مقاومت در برابر برشتگی ( زمان ایمنی فرآیند ) و سرعت یا آهنگ پخت .

۱- تجهیزات اختلاط :

۱-۱- مخلوط کن های داخلی پیمانه ای :

این تجهیز توانایی اعمال یک تنش برشی متمرکز شده به موادی که باید مخلوط شوند را دارا می باشد و به راحتی توزیع و عملیات همگن سازی اجزای  آمیزه را صورت می دهد .

اصولاً  دو طرح کلی برای چرخانه ( rotor) مخلوط کن های داخلی وجود دارد :

۱- طرح غیر در هم فرو رونده مثل : بنبوری ، مخلوط کن بولینگ

۲- طرح در هم فرو رونده مانند : اینترمیکس و نوع ورنرفلایدر

از ویژگی ها تفاوت های این چرخانه ها می توان به انتقال گرمای بهتر و در نتیجه اختلاط مناسب تر و بدتر در آمیزه های حساس به گرما و با دوره های طولانی اختلاط با چرخانه های در هم فرو رونده اشاره کرد.

الف) مخلوط کن بنبوری: اصولاً  مخلوط کن بنبوری شامل یک اتاقک اختلاط کاملاً  محصور شده  است که دو چرخانه ی مارپیچی شکل در آن دوران می کنند. یک قیف در قسمت بالایی که مواد و اجزای آمیزه را برای اختلاط دریافت می کند و یک دریچه قسمت پایینی که عملیات تخلیه آمیزه از آن صورت می گیرد واعمال فشار در حین اختلاط توسط یک کوبه (ram ) انجام می پذیرد .

چرخانه ها با چرخشی عکس جهت یکدیگر و اندک اختلاف سرعتی ،آمیزه را تحت مقدار برشی معین قرار می دهند.

عمده عملیات برشی چرخانه ها و دیواره اتاقک صورت می پذیرد .

مخلوط کن بولینگ :

در یک مخلوط کن نوع بولینگ هنگامی که کوبه با فشار به سمت پایین و به طرف محفظه ی اختلاط رانده می شود ، اجزای آمیزه بین چرخانه های شیار دار حلزونی شکل فشرده می شوند همانند بنبوری در اینجا نیز عمده عملیات برشی بین چرخانه و دیواره ی اتاقک مخلوط کن های جدید GK-E ساخت ورنر فلایدر عمل اختلاطی مشابه با این مخلوط کن ها دارند .

نوردهای اختلاط :

نوردهای اختلاط دو استوانه ای رو باز، شامل دو استوانه موازی و افقی اند که در جهت عکس یکدیگر چرخش می کنند و معمولاً نسبت سرعت چرخش دو غلتک در حدود   ۱: ۱/۲۵ تنظیم می گردد. غلتک ها به منظور گرمایش و سرمایش بهتر سوراخ کاری می شوند و فاصله ی بین دو غلتک نسبت به هم قابل تنظیم می باشد . غلتک عقبی معمولاً از غلتک جلویی به نسبتی که نسبت اصطکاک می نامند تندتر می چرخد .

در هنگام اختلاط عمده ی کار روی غلتک جلویی که با سرعت کمتری در حرکت است انجام می گیرد.

به منظور کنترل دمای اختلاط همانطور که پیش تر اشاره شد ممکن است درون غلتک ها آب سرد ، بخارو یا روغن داغ عبور داده شود.

در این نوع اختلاط ، معمولاً نسبت به اختلاط در مخلوط کن های داخلی زمان و انرژی اتلافی بیشتر بوده ، لیکن پراکنش اجزای آمیزه مخلوط کن های داخلی زمان و انرژی اتلافی بیشتر بوده ، لیکن پراکنش اجزای آمیزه بهتر صورت می پذیرد . از نقطه نظر توزیع اجزای آمیزه مخلوط کن های داخلی بسیار مطلوب تر عمل می کنند و این ضعف در اختلاط بر روی نورده ها می بایست توسط اپراتور و به وسیله ی عملیات چاقوزنی و جابه جا نمودن اجزای آمیزه روی غلتک ها جبران گردد.

فرآیند اختلاط :

عمل اختلاط شامل سه فرآیند همزمان است که عبارتند از : اختلاط ساده ، اختلاط لایه ای ، اختلاط پراکنشی .

اهمیت هر یک از فرآیندها به فرمول بندی خاص آمیزه یعنی نیروی جاذبه ی بین ذرات جامد ، مواد افزودنی و خواص سیلان الاستومر ، به شکل هندسی مخلوط کن و همچنین شرایط عملیات بستگی دارد.

اختلاط ساده یا همگن سازی حرکت یک ذره از نقطه ای به نقطه ی دیگر است بدون آنکه تغییر شکل فیزیکی در آن رخ دهد . این ازدیاد بی نظمی یا افزایش آنتروپی را همچنین اختلاط گسترنده نیز می نامند . اگر نیروهای برشی به اندازه کافی زیاد باشند ، ذرات مواد ممکن است شکسته شده ( پراکنش ) و الاستومرها (بسپار) نیز ممکن است حالت سیلان پیدا کنند (اختلاط لایه ای ) .

از نظر اجزای تشکیل دهنده ی یک آمیزه طی دوره ی اختلاط چهار تغییر فیزیکی صورت می پذیرد:

۱– در هم فرو رفتگی مواد:

در شروع دوره ی اختلاط ، الاستومرها به سمت ناحیه واقع در بین چرخانه ها و همچنین محفظه ی بین چرخانه ها و دیواره ی اتاقک کشیده یا فشرده می شود و از این رهگذر شکل اولیه ی الاستومرها از بین می رود. مرحله ی در هم فرو رفتگی مواد هنگامی است که مواد اولیه آزاد به الاستومرها می چسبند. این مرحله به عنوان مرحله ی تر سازی نیز شناخته می شود و دو مکانیسم عمل دارد . ابتدا الاستومرها تحت یک تغییر شکل زیاد قرار می گیرد و سطح آن برای پذیرش کلوخه های پرکننده افزایش می یابد و سپس آنها را در داخل خود محصور می کند.

در مرحله بعدی به تکه های کوچکی تبدیل و بار دیگر پرکننده را داخل خود محصور می گرداند. مکانیزم اول را به راحتی می توان بر روی یک نورد رو باز مشاهده کرد ، ولی مکانیسم بعدی به دلیل این که مراحل خورد شدگی الاستومر و محصور شوندگی پرکننده در یک مقیاس خرد اتفاق می افتد لزوماً‌ قابل مشاهده نیست .

۲- پراکنش :

در این مرحله کلوخه های پرکننده ها تحت تاثیر نیروهای برشی تدریجاً شکسته شده و درون الاستومرپخش می گردند وسپس پراکنش می یابند ( یعنی تا حد ممکن شکسته می شوند) و بدین ترتیب اختلاط خوبی حاصل می گردد.

این حالت ویژه در مورد دوده مهم است زیرا در این مرحله تماس نزدیکی بین سطح دوده و الاستومر ایجاد می شود. هم شکستن کلوخ های پرکننده و هم فشردن الاستومر بر سطح پرکننده نیاز به تنش برشی بالایی دارد. لازم به توضیح است هرچه اندازه ذرات دوده ریز تر باشد تنش برشی بیشتری جهت شکستن کلوخه هایش مورد نیاز است .

۳- توزیع:

این فرآیند که نتیجه آن افزایش همگنی مخلوط است طی کل دوره ی اختلاط اتفاق می افتد .

۴- نرم سازی :

در این مرحله از اختلاط، خواص رئولوژیکی مخلوط (آمیزه) برای تطبیق با عملیات بعدی تغییر می کند. ( کاهش ویسکوزیته) این موضوع حائز اهمیت است که از اختلاط بیش از حد می بایست اجتناب شود، زیرا این عمل وقت و انرژی ماشین را تلف می کند و می تواند یک عمل مفید را به عملی غیر مفید تبدیل کند ، به علاوه این که قرار دادن آمیزه در معرض تنش های برشی با دماهای بالا می تواند به بالا رفتن گرانروی آمیزه ، تخریب الاستومر منجر گردد.

روش اختلاط :

سه روش اصلی برای اختلاط یک آمیزه لاستیکی در یک مخلوط کن داخلی وجود دارد که عبارتند از : روش سنتی و متداول ، روش افزایش سریع روغن ، روش اختلاط معکوس یا وارونه.

الف-  روش سنتی اختلاط :

این روش در حقیقت جهت اختلاط آمیزه هایی با بیس الاستومری NR ( کائوچوی طبیعی ) ابداع گردیده و شامل افزایش الاستومر در ابتدای فرآیند و سپس افزودن مواد جامد و بالاخره افزایش اجزای مایع بعد از پراکنش مواد جامد ( فیلرها ) در الاستومر است . با استفاده از این روش می توان یک پراکنش یکنواخت و همگن از تمام اجزا ، از جمله پرکننده ها با ذرات خیلی ریز ، به دست آورد.البته زمان مورد نیاز اختلاط معمولاً طولانی است ، زیرا در هم شدن مواد مایع بعد از پراکنش مواد جامد و خشک به مراتب مشکلتر خواهد بود.

ب – روش افزایش سریع روغن:

این روش شامل افزایش الاستومر در شروع دوره و افزودن هر چه سریعتر مواد و اجزای خشک بعد از آن است . در حدود ۱ تا ۲ دقیقه بعد از شروع اختلاط کلیه مایعات با هم اضافه می شوند . زمان مناسب و دقیق برای این افزایش باید به طور مشخص تعیین شود . اگر افزودن مایعات کمی به تاخیر افتد گرچه زمان اختلاط طولانی می شود ولی معمولاً باعث بهبود پراکنش خواهد شد.استفاده از این روش به شرط آنکه مایعات در زمان مناسب اضافه شوند ، می تواند پراکنش بسیار  مطلوبی را به دست دهد.

این روش اغلب برای آمیزه هایی که محتوی حجم بسیار زیادی از نرم ساز های مایع هستند استفاده می شود ، هرچند که این روش به دلیل اثر لیزابگی بین لاستیک و قسمت های فلزی مخلوط کن می تواند باعث طولانی شدن دوره ی اختلاط شود.

ج – روش اختلاط معکوس :

این روش سریعترین و ساده ترین روش اختلاط است و خصوصاَ برای آمیزه هایی که محتوی حجم زیادی از نرم کننده های مایع و پر کننده های مایع و پر کننده هایی با ذرات بزرگ اند موثر و مفید می باشد.

این روش شامل افزایش تمام مواد به مخلوط کن قبل از پایین آوردن کوبه (ram) و آغاز اختلاط می باشد . کلیه مواد خشک در ابتدا و سپس تمام مایعات و بالاخره در آخر تمام الاستومرها به مخلوط کن می باشد .