Nạp liệu CaCO3 trực tiếp
Thông thường, PVC và chất phụ gia được gia công trong hệ thống trộn nóng/ nguội để tạo ra hỗn hợp trộn, sau đó được tải liệu bằng khí nén đến silo lưu trữ trung gian. Trong quá trình này, PVC và CaCO3 có thể bị phân tách nếu tầm tải liệu cao. Với phương pháp nạp liệu trực tiếp, CaCO3 có thể thêm vào hỗn hợp bột PVC trước khi vào máy đùn.
CaCO3 – LỢI ÍCH CỦA NẠP LIỆU TRỰC TIẾP
Sử dụng CaCO3 để đùn PVC cứng (u-PVC) đã được thử nghiệm qua hàng thập kỷ. CaCO3 được sử dụng chủ yếu để tăng độ va đập, cải thiện độ cứng và thuộc tính gia công, tối ưu hoá chi phí công thức. Lượng CaCO3 được thêm vào tuỳ theo ứng dụng vào thuộc tính mong đợi, tiêu chuẩn và yêu cầu gia công:
• Thuộc tính của PVC-U thay đổi nhiều vào hàm lượng CaCO3
• Ở Châu Âu, nhiều sản phẩm nhựa được sản xuất theo tiêu chuẩn trong đó quy định rõ nguyên liệu sử dụng.
• Gia công là yếu tố quan trọng. Công thức của hỗn hợp nhựa cần được điều chỉnh để đảm bảo sản xuất ổn định.
Điểm giới hạn
Nếu thuộc tính cũng như tiêu chuẩn công nghiệp không giới hạn lượng CaCO3 có thể thêm vào, câu hỏi được đặt ra điều gì hạn chế khả năng gia công. Từ kinh nghiệm thực tiễn, hai yếu tố chính được biết:
• Sự phân tách PVC và CaCO3 trong quá trình tải liệu bằng khí nén của hỗn hợp bột trộn.• Sự bám cặn trên thành máy trộn nóng.
Như quy luật, cả hai vấn đề trên cần được xem xét ở mức 20-30 phr, hoặc 10-20 phr trong trường hợp trộn “mẻ đôi”.
Nguyên nhân của mỗi trường hợp này là do CaCO3 không thể kết hợp hoàn toàn với phân tử PVC trong quá trình trộn nóng và trong chừng mực nào đó bị phân tách (Hình.1). Trong quá trình trộn, CaCO3 bám trên thành buồng trộn và sau đó rơi xuống hỗn hợp bột một cách không kiểm soát gây ra việc không đồng nhất trong quy trình đùn. Việc phân tách cũng có thể xảy ra trong quá trình tải liệu bằng khí nén hỗn hợp bột từ máy trộn đến silo trung gian vì tỷ trọng khác nhau giữa PVC (1.4 g/cm3) và CaCO3 (2.7g/cm3) cần được xem xét kỹ hơn. Tùy vào vận tốc khí, độ cao và chiều dài tải liệu, CaCO3 có thể bị tách lớp trong quá trình vận chuyển. Điều này dẫn đến quá trình đùn không ổn định, thuộc tính cơ học khác nhau, thậm chí có thể gây khuyết tật trên sản phẩm đùn. Từ đó, lượng CaCO3 có thể giảm cho tới khi các vấn đề như mô tả không xuất hiện nữa.
Nguyên nhân của mỗi trường hợp này là do CaCO3 không thể kết hợp hoàn toàn với phân tử PVC trong quá trình trộn nóng và trong chừng mực nào đó bị phân tách (Hình.1). Trong quá trình trộn, CaCO3 bám trên thành buồng trộn và sau đó rơi xuống hỗn hợp bột một cách không kiểm soát gây ra việc không đồng nhất trong quy trình đùn. Việc phân tách cũng có thể xảy ra trong quá trình tải liệu bằng khí nén hỗn hợp bột từ máy trộn đến silo trung gian vì tỷ trọng khác nhau giữa PVC (1.4 g/cm3) và CaCO3 (2.7g/cm3) cần được xem xét kỹ hơn. Tùy vào vận tốc khí, độ cao và chiều dài tải liệu, CaCO3 có thể bị tách lớp trong quá trình vận chuyển. Điều này dẫn đến quá trình đùn không ổn định, thuộc tính cơ học khác nhau, thậm chí có thể gây khuyết tật trên sản phẩm đùn. Từ đó, lượng CaCO3 có thể giảm cho tới khi các vấn đề như mô tả không xuất hiện nữa.
.png)
Nạp liệu CaCO3 trực tiếp vào máy đùn
Để tránh các vấn đề trên, các thử nghiệm đã được thực hiện bằng cách nạp và trộn CaCO3 với hỗn hợp bột trước khi đi vào máy đùn.
Một máy trộn nguội nhỏ (hình.2) đặt trên máy đùn được sử dụng cho mục đích này. Trước đây, máy trộn nguội chủ yếu được sử dụng để trộn thành phần nhỏ trong công thức như hạt màu, bột nở, chất bôi trơn (0.1-2 phr). Ý tưởng sử dụng công nghệ này để thêm vào một lượng lớn CaCO3 5-50 phr là hoàn toàn mới.
Để tránh các vấn đề trên, các thử nghiệm đã được thực hiện bằng cách nạp và trộn CaCO3 với hỗn hợp bột trước khi đi vào máy đùn.
Một máy trộn nguội nhỏ (hình.2) đặt trên máy đùn được sử dụng cho mục đích này. Trước đây, máy trộn nguội chủ yếu được sử dụng để trộn thành phần nhỏ trong công thức như hạt màu, bột nở, chất bôi trơn (0.1-2 phr). Ý tưởng sử dụng công nghệ này để thêm vào một lượng lớn CaCO3 5-50 phr là hoàn toàn mới.
Thử nghiệm được tiến hành trong điều kiện sản xuất sản phẩm thông thường với dây chuyền đùn T-REX 90-33 từ Rollepaal - Hà Lan cùng thiết bị định lượng và máy trộn nguội nhỏ có bằng sáng chế (hình.3) từ E.M.F. - Hà Lan. Ống thành cứng với đường kính 160mm x 5mm với tốc độ 161m/giờ. Tuỳ theo hàm lượng bột đá, năng suất đạt được trong khoảng 600-670kg/h để bù lại việc tăng tỷ trọng của hỗn hợp với việc tăng hàm lượng CaCO3 (thể tích đùn không đổi.)
Hỗn hợp bột được trộn trong hệ thống trộn nóng/ nguội thông thường với tỷ lệ 10 phr CaCO3 có phủ (loại: OMYALITE 50H từ Omya). Một máy trộn nguội nhỏ đặt trên máy đùn để thêm 21-27 phr CaCO3 vào hỗn hợp bột trước khi đưa vào máy đùn
Hỗn hợp bột được trộn trong hệ thống trộn nóng/ nguội thông thường với tỷ lệ 10 phr CaCO3 có phủ (loại: OMYALITE 50H từ Omya). Một máy trộn nguội nhỏ đặt trên máy đùn để thêm 21-27 phr CaCO3 vào hỗn hợp bột trước khi đưa vào máy đùn
Ba thử nghiệm đã tiến hành:
• A1: 10 phr CaCO3
• A2: 31 phr CaCO3: hỗn hợp bột A1 (10 phr) và 21 phr qua máy trộn nguội.
• A3: 37 phr CaCO3: hỗn hợp bột A1 (10 phr) và 27 phr qua máy trộn nguội
• A1: 10 phr CaCO3
• A2: 31 phr CaCO3: hỗn hợp bột A1 (10 phr) và 21 phr qua máy trộn nguội.
• A3: 37 phr CaCO3: hỗn hợp bột A1 (10 phr) và 27 phr qua máy trộn nguội
Kết quả
Dây chuyền đùn hoạt động mà không gặp vấn đề gì, cũng không cần phải hiệu chỉnh công thức hay thiết kế vít để đạt được 37 phr (A3). Chất lượng phối trộn của hỗn hợp bột và CaCO3 được giám sát qua ống đùn ra bằng đánh giá trực quan, dùng kính hiển vi điện tử quét hình ảnh và thử nghiệm để kiểm tra cơ tính. Về trực quan, ống thực sự hoàn hảo, không tích tụ cặn hay khiếm khuyết xuất hiện trên bề mặt ống (mặt trong, mặt ngoài).
Với hỗ trợ của kính hiển vi điện tử, hình ảnh tiết diện ngang của ống trong thử nghiệm A1-A3 có thể thấy CaCO3 phân tán hoàn hảo (hình.4-6). Các phân tử CaCO3 được ghi nhận trong hình ở các điểm màu sáng. Có thể thấy các phân tử rõ ràng có kích thước nhỏ hơn 10 µm. Xem xét trên khía cạnh CaCO3 được sử dụng có topcut (d98%) 10 µm, nghĩa là 98wt.% phân tử CaCO3 có kích thước nhỏ hơn 10 µm, nghĩa là không có sự kết khối trong các phân tử.
Thuộc tính cơ lý được kiểm tra từ các mẫu thử A1-A3 xác nhận kết quả qua hình ảnh kính hiển vi. Để dễ hiểu hơn việc thay đổi thuộc tính khi tăng lượng CaCO3 trong công thức, giá trị thực nghiệm điển hình của PVC-U khi không sử dụng CaCO3 được xác định với công thức A0. Kết luận: chất lượng phân tán có thể rút ra phần lớn từ độ cứng, thuộc tính này không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng CaCO3 mà còn phụ thuộc vào độ mịn và độ phân tán của chất khoáng. Sự kết khối tạo ra phân tử cứng và có tác động tiêu cực đến độ cứng của sản phẩm. Ngược lại, mô đun đàn hồi bị ảnh hưởng chủ yếu bởi số lượng CaCO3 nạp vào, nhưng chỉ bị ảnh hưởng nhẹ bởi độ mịn của phụ gia. Kinh nghiệm cho thấy mô đun đàn hồi tăng tuyến tính với tỷ lệ tăng của CaCO3 (hình.7).
Khi tăng tỉ lệ phần trăm CaCO3, đầu tiên độ va đập tăng lên đáng kể, sau đó giảm dần ở mức CaCO3 cao hơn (hình.8). Điều kiện tiên quyết đối với việc tăng rõ ràng như vậy là nhờ độ phân tán tối ưu của các phân tử CaCO3 trong hỗn hợp PVC và ở độ mịn phù hợp. Giải thích cho hiện tượng là do sự hình thành vết nứt nhỏ trong hỗn hợp PVC lân cận với các phân tử CaCO3,cũng như quá trình trao đổi các phân tử polymer với bề mặt phân tử khoáng. Phân tử có độ mịn càng nhỏ, khả năng hấp thụ bởi quá trình trao đổi vi phân liên quan đến phân tử polymer cũng như hình thành vết nứt mà không gây ra hỏng mẫu thử cho kết quả càng cao (hình.8). Thậm chí đến 37 phr CaCO3, độ va đập đo được cũng cho giá trị tương đương như khi dùng công thức không hiệu chỉnh (A0). (Lưu ý: độ nhựa hóa khác nhau trong thử nghiệm A1-A3 và thay đổi liên quan đến nhựa hóa của nhựa không được khảo sát.)
Với hỗ trợ của kính hiển vi điện tử, hình ảnh tiết diện ngang của ống trong thử nghiệm A1-A3 có thể thấy CaCO3 phân tán hoàn hảo (hình.4-6). Các phân tử CaCO3 được ghi nhận trong hình ở các điểm màu sáng. Có thể thấy các phân tử rõ ràng có kích thước nhỏ hơn 10 µm. Xem xét trên khía cạnh CaCO3 được sử dụng có topcut (d98%) 10 µm, nghĩa là 98wt.% phân tử CaCO3 có kích thước nhỏ hơn 10 µm, nghĩa là không có sự kết khối trong các phân tử.
Thuộc tính cơ lý được kiểm tra từ các mẫu thử A1-A3 xác nhận kết quả qua hình ảnh kính hiển vi. Để dễ hiểu hơn việc thay đổi thuộc tính khi tăng lượng CaCO3 trong công thức, giá trị thực nghiệm điển hình của PVC-U khi không sử dụng CaCO3 được xác định với công thức A0. Kết luận: chất lượng phân tán có thể rút ra phần lớn từ độ cứng, thuộc tính này không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng CaCO3 mà còn phụ thuộc vào độ mịn và độ phân tán của chất khoáng. Sự kết khối tạo ra phân tử cứng và có tác động tiêu cực đến độ cứng của sản phẩm. Ngược lại, mô đun đàn hồi bị ảnh hưởng chủ yếu bởi số lượng CaCO3 nạp vào, nhưng chỉ bị ảnh hưởng nhẹ bởi độ mịn của phụ gia. Kinh nghiệm cho thấy mô đun đàn hồi tăng tuyến tính với tỷ lệ tăng của CaCO3 (hình.7).
Khi tăng tỉ lệ phần trăm CaCO3, đầu tiên độ va đập tăng lên đáng kể, sau đó giảm dần ở mức CaCO3 cao hơn (hình.8). Điều kiện tiên quyết đối với việc tăng rõ ràng như vậy là nhờ độ phân tán tối ưu của các phân tử CaCO3 trong hỗn hợp PVC và ở độ mịn phù hợp. Giải thích cho hiện tượng là do sự hình thành vết nứt nhỏ trong hỗn hợp PVC lân cận với các phân tử CaCO3,cũng như quá trình trao đổi các phân tử polymer với bề mặt phân tử khoáng. Phân tử có độ mịn càng nhỏ, khả năng hấp thụ bởi quá trình trao đổi vi phân liên quan đến phân tử polymer cũng như hình thành vết nứt mà không gây ra hỏng mẫu thử cho kết quả càng cao (hình.8). Thậm chí đến 37 phr CaCO3, độ va đập đo được cũng cho giá trị tương đương như khi dùng công thức không hiệu chỉnh (A0). (Lưu ý: độ nhựa hóa khác nhau trong thử nghiệm A1-A3 và thay đổi liên quan đến nhựa hóa của nhựa không được khảo sát.)
Giới hạn thử nghiệm ở 37 phr CaCO3
Việc nạp liệu CaCO3 hơn 37 phr là điều không thể vì thử nghiệm tiến hành trong điều kiện không thay đổi công thức cũng như không thay đổi thiết kế vít. CaCO3 làm thay đổi tính lưu biến của dòng nhựa, làm cho độ nhựa hóa trong máy đùn ở tải cao bị chậm lại. Khi thêm hơn 37 phr, độ nhựa hóa không đạt được hoàn toàn do thời gian khử khí chân không trong máy đùn đã đạt ngưỡng, dẫn đến kết thúc thử nghiệm. Độ nhựa hoá có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh lượng chất bôi trơn (giảm bôi trơn ngoại), hoặc thêm vào chất trợ gia công như acrylate hay thay đổi cấu trúc hình học trục vít. Việc sử dụng thiết bị định lượng đặc biệt cũng tác động đến độ nhựa hoá trong chừng mực nào đó.
Có thể rút ra kết luận rằng giới hạn hiệu suất của máy trộn nguội chưa đạt được khi thêm vào 27 phr CaCO3 trong hỗn hợp bột đã có sẵn 10 phr (phương pháp thử A3). Tuy nhiên, giới hạn thực sự cần xác định, có thể cao hơn đáng kể (khi thay đổi công thức gia công, thay đổi thiết kế vít…)
Tóm tắt
Việc lắp đặt thêm máy trộn nguội nhỏ trên máy đùn để sử dụng tỷ lệ chất độn cao mang lại một số lợi ích. Một trong những lợi ích lớn nhất là giới hạn của việc thêm vào bột đá do có sự phân tách trong quá trình tải liệu bằng khí nén của hỗn hợp bột được loại trừ. Khả năng tiết kiệm do sử dụng CaCO3 nhờ vậy được tận dụng nhiều hơn. Tăng tỷ lệ CaCO3 dẫn đến tăng độ cứng đáng kể, do đó có thể giảm độ dày thành ống, hay thậm chí chiều dày thành vẫn duy trì, việc bổ sung CaCO3 góp phần tối ưu chi phí nguyên liệu. Giới hạn sử dụng CaCO3 cuối cùng cần được xác định tùy theo yêu cầu và tính chất vật lý của sản phẩm đùn.
Tương tự, năng lượng và thời gian cũng tiết kiệm đáng kể so với quá trình sản xuất hỗn hợp bột trong hệ thống trộn nóng/nguội truyền thống. Tiết kiệm năng lượng từ thực tế rằng CaCO3 không phải gia nhiệt từ nhiệt độ môi trường lên đến 120°C và sau đó làm nguội lại. Khi đó hệ thống trộn nóng/ nguội có thể sử dụng để gia tăng các thành phần khác (chủ yếu PVC). Điều này nghĩa là tăng công suất hệ thống trộn nóng/nguội.
Một lợi ích nữa là tăng tính linh hoạt cho dây chuyền đùn. Thông thường, công thức chung được điều chỉnh để chạy được trên những máy đùn yếu nhất hoặc cho các ứng dụng khó nhất. Ở đây, việc sử dụng máy trộn nguội nhỏ đem lại lợi ích cho toàn hệ thống. CaCO3, chất bôi trơn cũng như bột màu có thể được nạp liệu trực tiếp tại máy đùn và được phân tán đồng nhất trong hỗn hợp bột.
Nạp liệu trực tiếp CaCO3 tại máy đùn cũng loại bỏ được vấn đề đóng cặn trên thành của máy trộn nóng.
Yếu tố kinh tế
Thật khó để ước tính tổng thể chi phí liên quan đến việc lắp đặt máy trộn nguội nhỏ và những thiết bị cần thiết khác. Nó sẽ khác nhau theo từng nhà máy.
Giả định rằng thiết bị định lượng đã có sẵn trên máy đùn, việc đầu tư sẽ giới hạn ở máy trộn nguội nhỏ, định lượng theo thể tích và vít tải liệu cho CaCO3 (sử dụng vít tải liệu đôi). Chi phí cho 2 thiết bị này khoảng 25.000 EUR.
Thách thức khó khăn nhất khi đó là CaCO3 được định lượng và tải trong điều kiện không bụi. Trước khi lắp đặt hệ thống ống kết nối (thông thường đã sẵn có) từ silo chứa CaCO3 đến máy trộn nguội, khả năng tiết kiệm cần được xem xét tùy theo điều kiện cụ thể của nhà máy. Cũng có thể bắt đầu với trạm bao lớn (big bag) xả trực tiếp vào máy đùn. Các nhà sản xuất hệ thống như vậy thường giới thiệu là hoạt động không bụi.
Khả năng tiết kiệm đáng kể khi trong ứng dụng nào đó, CaCO3có thể gia tăng từ giá trị hiện tại là 25 phr (giới hạn CaCO3 bị phân tách khi tải liệu bằng khí nén) đến 45 phr trong tương lai (ví dụ profile kỹ thuật, ống đặc biệt, …)
Cho một dây chuyền đùn công suất khoảng 600 kg/giờ và thời gian sản xuất 5000 giờ/năm, thời gian hoàn vốn cho đầu tư như vậy là nhỏ hơn một năm.
Triển vọng
Ngoài lợi ích đã trình bày, những điều thú vị khác cũng có thể được hình dung được, tuy nhiên đòi hỏi nghiên cứu sâu thêm.
Khi xây dựng một nhà máy đùn mới, hỗn hợp bột thường được chuẩn bị từ nhà máy chính, sau đó được chuyển đến nhà máy mới bằng xe tải để giảm suất đầu tư cho hệ thống trộn mới.
Có thể thực hiện bằng cách nhà máy chính là nơi chuẩn bị “hỗn hợp bột chính”, sau đó sẽ trộn đồng nhất với PVC và CaCO3 trong máy trộn nguội. Điều này sẽ giảm đáng kể cước vận chuyển.
Để tăng tính kinh tế hơn, có thể thấy rằng 2 hoặc hơn 2 máy đùn sẽ được cung cấp bởi một loại hỗn hợp bột từ hệ thống trộn lớn. Hỗn hợp sau đó được tải liệu tới từng máy đùn bởi vít định lượng đôi.
Khả năng loại bỏ hoàn toàn hệ thống trộn nóng/nguội cũng có thể thực hiện. Khi đó, máy trộn nguội nhỏ được sử dụng có thể hoạt động với 4 trạm định lượng (ví dụ cho PVC, CaCO3, chất bôi trơn, chất ổn định). Có thể mở rộng để bổ sung các chất phụ gia. Cuối cùng, tuỳ theo ứng dụng cụ thể và yêu cầu chất lượng để xem xét có nên chỉ sử dụng máy trộn nguội nhỏ hay không mà thôi.
PNT Plastech
(dịch)
Tin liên quan
- Plastic recycling
- Giải pháp tiết kiệm chi phí trong giai đoạn bất thường của nguyên liệu.
- “Chưa bao giờ hành động lại cấp bách hơn”
- MTI Bây giờ thuộc ZEPPELIN SYSTEMS GMBH
- Silo trữ liệu dạng mô-đun
- ‘’Dây chuyền sản xuất bánh mì lý tưởng’’
- Rollepaal_Nhận diện thương hiệu mới RPflow
- TÁI CHẾ HOÀN TOÀN LỐP XE PHẾ LIỆU
