SLIDE THUYẾT TRÌNH CÔNG NGHỆ TRỘN

Yêu cầu gia côngThùng và cánh trộn phải phù hợp với vật liệu Vật liệu phải chuyển động dần vào vùng hoạt động bởi sựchuyển động của thùng trộn hay cánh trộn Các bộ phận hoạt động của máy

CÔNG NGHỆ TRỘN

 Phân loại thiết bị trộn

 Hiệu quả và chất lượng của quá trình trộn phụ

thuộc:

Tác động của cơ và nhiệt đến sự giảm cấp

Thiết bị trộn phân bố và phân tán

 Thiết bị trộn khô

 Thiết bị trộn pát

Cơ chế trộn:

Chuyển động nhỏ: khuếch tánChuyển động lớn: đối lưu và trượt

Các yếu tố ảnh hưởng

 Phân bố kích thước hạt

 Khối lượng riêng biểu kiến

 Khối lượng riêng thực tế

Máy trộn trục ngang

Máy trộn trục đứng

 Thiết bị trộn khô

Máy trộn thùng quay

Máy trộn ruban

Máy trộn vít đứng

Werner & Pfleiderer 1895 - 1910, Universal Misch

 Thiết bị trộn pát

Máy trộn trục đứng cao tốc

Cấp 1: 320 vòng/phút

Cấp 2: 750 vòng/phút

Cấp 3: 1200 vòng/phút

Máy trộn 2 vít

Yếu tố ảnh hưởng đến sự tách pha

Khối lượng riêng của 2 pha

Khả năng phân tán ở thể keo

Chuyển động Brown của các hạt nhỏ

Độ nhớt của pha liên tục

Loại và hàm lượng chất phân tán, chất làm ướt.Nhiệt độ

Yêu cầu gia công

Thùng và cánh trộn phải phù hợp với vật liệu

Vật liệu phải chuyển động dần vào vùng hoạt động bởi sựchuyển động của thùng trộn hay cánh trộn

Các bộ phận hoạt động của máy trộn phải tác động lên vậtliệu sao cho có thể đưa vật liệu vào vùng hoạt động vớicường độ đủ lớn để phân tán

Sản phẩm phải được lấy ra nhanh khỏi thùng trộn và thùngtrộn phải được làm sạch ngay sau khi tháo liệu

Thiết bị trộn nóng chảy dùng để gia công

vật liệu polymer

Máy tán

Máy tán: vật liệu được kéo ra, gấp lại và đẩy xuống kết dính Quá trình này lập lại đến khi có khối vật liệu đồng nhất Đối với máy tán phần trên của vật liệu còn khoảng không và hoạt động trộn là do các cánh trộn và giữa cánh trộn với vách buồng trộn.

Máy trộn kín và máy cán trộn kín

Phần trên của vật liệu được đậy sát bởi xylanh và rotor Tác động trộn xảy ra ở khoảng hở giữa đỉnh rotor và vách buồng trộn Vật liệu được lấy ra khỏi vùng trộn bằng sự thay đổi vận tốc giữa một trong hai rotor.

Giữa 2 trục có tỉ tốc để gia tăng khả năng kéo vật liệu ra khỏi trục còn lại Khi vật liệu trộn được lặp lại nhiều vòng trộn để tăng khả năng phân tán tốt nguyên liệu.

Thiết bị trộn nóng chảy dùng để gia công

Yêu cầu gia công trên máy trộn liên tục

Sản phẩm phải đạt yêu cầu sau khi đi một chu kỳ hoạt động

Phễu nạp liệu phải nạp liệu đồng nhất và sạch vào vùng hoạt động mà không có phần nguyên liệu nào

bị giữ lại

Thể tích vật liệu trộn phải đủ khi vào vùng hoạt động để có được khối pát đồng nhất Điều này thật cần thiết trong trường hợp máy trộn (đùn) có vùng hoạt động tiết diện nhỏ và vật liệu chuyển động theo một hướng.

Máy trộn tán kín (Kneader)

Thiết bị trộn tán nóng chảy

Máy trộn tán kín

Thiết bị trộn nóng chảy

Thiết bị trộn tán nóng chảy

Máy cán trộn 2 trục

Thiết bị cán trộn nóng chảy

Máy đùn

Thiết bị đùn nóng chảy

Máy

trộn kín

2 trục

Thiết bị trộn kín nóng chảy

Cấu hình trục trộn

Mô phỏng buồng trộn

Gđ 1: Nạp liệu Gđ 2: Phân tán

Gđ 3: Chảy đều Gđ 4: Phối trộn

Ảnh hưởng của cấu hình trục trộn

Giản đồ biến thiên giá trị Torque theo thời gianTorque vs thời gian trộn

Giản đồ Torque của mẫu trộn theo thời gian

Giản đồ Torque của nhựa TPU 70A10 trộn bằng máy trộn kín Haake polydrive

0:00:00 0:02:00 0:04:00 0:06:00 0:08:00 0:10:00 0:12:00 0:14:00 0:16:00

Time

0 50 100 150 200

Giản đồ Torque của nhựa HDPE trộn bằng máy trộn kín Haake polydrive

Giản đồ Torque của mẫu trộn theo thời gian

Giản đồ Torque theo thời gian của mẫu hỗn hợp tinh bột và zein ở các thành

phần khác nhau và được hóa dẻo bằng 22, 30 và 40%wt glycerol

Trộn phân bố - Trộn phân tán

Phân tích quá trình phân tán

K1

K2

K3R*

V

K1> K2 > K3

V

Phân tích quá trình phân tán

Yếu tố ảnh hưởng đến sự phân tán

Ứng suất trượt trong khối vật liệu

Sự định hướng ban đầu của tập hợp hạt độnKích thước hạt độn

6

a

R F

 Thao tác nặng nhọc Hiệu quả trộn thấp

 An toàn lao động và vệ sinh công nghiệp thấp

 Đầu tư ít

 Có thể dùng cho nhiều mục đích

Đặc điểm

Trộn trên máy cán trộn 2 trục

Máy cán trộn 2 trục

Sơ đồ chi tiết máy cán trộn 2 trục

Đặc điểm: trục trộn

Tỉ tốc thay đổi theo mục đích sử dụng Máy trộn sơ luyện  Tỉ tốc 1.00 – 1.07 Máy trộn nhiệt luyện  Tỉ tốc 1.22 – 1.27 Máy cán tấm  Tỉ tốc 1.00 – 1.07

Máy cán đập  Tỉ tốc 2.42 – 2.55

Máy cán nghiền  Tỉ tốc 2.55 – 4.00

Cấu tạo và phân loại

1 2

NT

Phương trình tính vận tốc

2 2

f h

a H

h f

V

 3 1 0 . 25 1 0 . 5 1

2 2

1

Phương trình profile vận tốc

Phương trình gradient ap suat

f x

P



R V

f

0 0

1

, 4

R V

f

0 0

1

, 4

1

 

C H

H

R V

f P

0 0

1 max

2

1

3  



Profile vận tốc - Profile áp suất

1 0

1

g H

R V

0

0

2 1

g f

g

f H

RH V

W P

Phương trình tính công tiêu tốn

Phụ gia khó phân tán cho trước, phụ gia dễ phân tán cho sau

Phụ gia rắn cho trước, phụ gia lỏng cho sau

Nguyên tắc chung

Quy trình trộn

Quá trình xâm nhập của phụ gia

Quá trình phân tán của phụ gia

Quá trình xâm nhập của phụ gia

Nơi cho phụ gia

Lớp cao su “chết”

Quá trình xâm nhập của phụ gia

Trường hợp không cắt đảo

Phụ gia xâm nhập vào các nếp gấp giữa khối polymer trênkhe trục và lớp polymer trên bề mặt trục

Trường hợp có cắt đảo

Phụ gia xâm nhập theo cơ chế cuộn và ép Phụ gia bị cuộnvào lớp polymer cắt đảo, bị kéo và ép khi vào khe trục

Quá trình phân tán

Quá trình phân tán do các biến dạng, ứng suất trượt khi khốihỗn hợp đi vào khe trục

Tại khe trục chủ yếu chỉ có dòng chảy dọc chu vi

Mức độ phân tán phụ thuộc ứng suất trượt tại các vùng biếndạng này

Để tăng hiệu quả phân tán cần có sự xáo trộn, thay đổihướng tập hợp độn Sự xáo trộn xảy ra:

* Do dòng chảy ngược

* Do cắt đảo

* Do cán đổi đầu

1 Trường hợp không có cắt đảo thì chỉ có ~ 70% bề dày của lớp

polymer trên khe trục là có phu gia xâm nhập Có một lớp “chết” phụ gia không thâm nhập được do không có dòng chảy bán kính.

2 Khi không có cắt đảo khối lượng polymer trên khe trục có ảnh

hưởng rất nhiều đến quá trình xâm nhập Khối lượng càng lớn, nếp gấp tạo ra càng nhiều và càng lớn  phụ gia bị cuốn vào càng nhiều Tuy nhiên khi khối polymer này quá lớn thì nó sẽ bị tách rời khỏi lớp polymer trên khe trục và mất tác dụng.

Kết luận

3 Khi không có cắt đảo thì tính đồng nhất của hỗn hợp:

* Rất tốt theo hướng chu vi

* Tốt theo hướng dọc trục

* Xấu theo hướng bán kính

3 Khi không có cắt đảo thì tỷ tốc không ảnh hưởng đến

thời gian trộn

4 Khi có cắt đảo –> khối polymer trên khe trục không ảnh

hưởng đến quá trình trộn

Kết luận

Đặc điểm

Là loại thùng trộn + máy trộn rotor

Phụ gia xâm nhập nhờ tác động quay ngược chiều củacác rotor tạo cơ chế cuộn ép

Quá trình phân tán xảy ra chủ yếu ở vùng giữa đỉnh rotor

và vách buồng trộn

Hiệu quả trộn  năng suất cao

An toàn và vệ sinh công nghiệp tốt

Hỗn hợp xuất ra ở dạng khối nên thường trang bị thêmmáy cán 2 trục hay máy đùn để xuất tấm tạo dạng bán

thành phẩm

Trộn trên máy trộn tán kín

Cấu tạo

Cấu tạo rotor

Cấu tạo rotor

Phương trình gradien áp suất

Phương trình vận tốc trong khe hở giữa rotor và vách buồng trộn

* Trộn đến khi nhiệt độ khối vật liệu trong máy đạt đến nhiệt độ xác định

Ngày nay chu kỳ trộn có thể xác định bằng lưu biến kế (Máy brabender, Haake) Tuy nhiên, để có độ chính xác cần có sự đồng dạng giữa máy đo

và máy sản xuất

Sử dụng trực tiếp: hỗn hợp sau khi trộn sẽ được đưa ngay qua

công đoạn tiếp theo Đòi hỏi việc kiểm soát chặt chẽ các thông số gia công.

Sử dụng gián tiếp: hỗn hợp sau khi trộn được xuất tấm để nguội.

Trước khi đưa vào công đoạn tiếp theo sẽ được nhiệt luyện và thêm các phụ gia cần thiết Các trộn này áp dụng khi có các phụ gia gây khó khăn khi trộn trên máy trộn kín Ví dụ lưu huỳnh khi trộn vào cao

su có thể gây tự lưu trong máy trộn kín.

Phân loại theo cách sử dụng hỗn hợp

Các phương pháp trộn

1 Trộn có mastic polymer: cách trộn này giống như cách

trộn trên máy cán trộn 2 trục Polymer được mastic trongmáy trộn đến khi đạt độ dẻo nhất định thì cho các phụ giabột vào Khi phụ gia phân tán hết – ngẫu lực trên lên cựcđại thì cho phụ gia lỏng vào Quá trình trộn kết thúc khi tất

cả đều phân tán thành khối đồng nhất

2 Trộn không có mastic: tất cả polymer và phụ gia được cho

vào một lượt và trộn đến khi tạo thành một khối đồngnhất

3 Ngoài ra khi trộn các hỗn hợp có hàm lượng polymer thấp

có thể có thể dùng một phần hỗn hợp đã trộn để làm mầmcho phụ gia dễ xâm nhập và phân tán

Các thông số gia công

1 Nhiệt độ vách buồng trộn

2 Hệ số làm đầy

3 Vận tốc rotor

Nhiệt độ vỏ

máy

Nhiệt độ cuối cùng

Thời gian trộn (phút)

Vận tốc rotor (RPM)

Năng lượng tiêu hao (KwH)

Mức độ phân tán tương đối

Trộn phân tán nóng chảy trên

máy trộn trục vít

Máy đùn nóng chảy một vít

Schematic of an one-screw extruder Schematic of a ram extruder

Máy đùn nóng chảy một vít

Tỷ lệ đường kính/chiều dài (L/D) của trục

Cấu hình của trục vít đơn

Phân loại cấu hình của trục vít đơn dạng thẳng

Phân loại cấu hình của trục vít đơn

Phân loại cấu hình của trục vít đơn dạng côn

Mày đùn nóng chảy trục vít đơn

Máy đùn nóng chảy hai trục vít

Phân loại máy đùn hai trục vít

Yêu cầu để trộn phân tán tốt

1 Bộ phận trộn phải có vùng ứng suất cao  vật liệu sẽ

chịu tác dụng ứng suất cao

2 Vùng có ứng suất cao được thiết kế sao cho thời gian

biến dạng ngắn để tránh tiêu tốn năng lượng và nhiệt sinh cao Nhưng ứng suất phải đủ lớn  hiệu quả trộn cao

3 Các phần tử của khối hỗn hợp phải chịu cùng ứng

suất và biến dạng như nhau để có quá trình phân tántốt

4 Các phần tử của khối hỗn hợp trộn phải đi qua vùng

biến dạng nhiều lần để đạt hiệu quả độ phân tán cao.

Phân tán do tác động trượt

Phân tán do tác động kéo

Nhiệt độ polymer – Khe hở

Năng lượng tiêu tốn – Khe hở

150 200 250 300 350 400

Cấu hình vít đùn 2 trục

Cấu hình vít đùn 2 trục

Cấu hình vít đùn 2 trục

Phân mảnh trục đẩy tải liệu (Forward conveying screw element)

Phân mảnh trục đẩy nén liệu (Reverse conveying screw element)

Phân mảnh trục trộn phân tán ứng suất cao

(Kneading screw element)

Cấu hình vít đùn 2 trục

Các dạng vít đùn tăng hiệu suất trộn

Vít quay cùng chiều ăn khớp

nhau

Vít quay cùng chiều không

ăn khớp nhau

Vít quay cùng chiều ăn khớp nhau

Loại Vít đơn Vít đôi

Quay cùng chiều Quay ngược chiều Tốc độ thấp Tốc độ cao Cùng tốc độ

Nguyên

tắc

Ma sát giữa xy lanh

và vật liệu giống ma sát giữa vít và vật liệu

Chủ yếu phụ thuộc vào ma sát giữa xy lanh, vít và vật liệu như trường hợp vít đơn

Vận chuyển cưỡng bức như máy bơm

răng khía

Vận tải Thấp Trung bình Trung bình Cao

H/s trộn Thấp Trung bình Trung bình Cao

T/đ trộn Cao Trung bình Cao Thấp

Nhiệt nội Cao Trung bình Cao Thấp

e Thấp Trung bình/Cao Cao

Các thông số kỹ thuật của trục đùn

1/ Tên kỹ thuật của các mắc xích đẩy trục đùn

+ 36/36  mắc xích đẩy dài, khi rơi vào vùng mắc xích này thì nhựa sẽ được đẩy đi nhanh

+ 28/28  mắc xích đẩy ngắn, khi rơi vào vùng mắc xích này thì nhựa sẽ được đẩy chậm và ép lại từ từ trước khi đi vào vùng có mắc xích trộn

2/ Ten ky thuat cua mac xich tron truc dun

Tác động của dòng chảy trong máy 2 trục vít

Đặc tính chảy trong các loại vít

Ổ chịu lực của máy vít đôi bị giới hạn

Lực nén cho phép nhỏKhả năng ăn liệu kémCần có bộ phận tiếp liệu

Một số cấu hình vít đùn tiêu biểu

Compounding of Carbon Nanotube (CNT) suspensions with Polypropylene

Co-rotating twin-screw extruder for elaboration of PE/clay nanocomposite

Một số cấu hình vít đùn tiêu biểu

Bộ phận cấp liệu

Bộ phận gia nhiệt và làm lạnh

Gia nhiệt và làm lạnh trục vít

Bơm bánh răng (gear pump)

Để tạo ra độ ổn định của sản phẩm, bơm bánh răng (gear pump) được gắn thêm vào máy đùn, đặt giữa máy đùn và đầu tạo hình Vật liệu đi vào vùng không gian giữa hai bánh răng

và di chuyển lên phía trước Khi hai bánh răng bắt đầu ăn khớp vào nhau, nhựa nóng chảy bị đẩy ra khỏi bánh răng và đi ra khỏi bơm.

 Đùn với độ chính xác cao, yêu cầu độ ổn định ở đầu ra nhỏ hơn 1%

 Khi máy đùn không tạo ra đủ áp lực

Tấm chắn (Breaker plate)

Example of a mixing breaker plate

Mục đích chính: đỡ các lưới lọc, ngăn cản chuyển động xoáy của nhựa nóng chảy khi ra khỏi trục vít.

Hộp lọc (screen pack)

Ngoài chức năng lọc các tạp chất, hộp lọc còn làm tăng khuấy trộn trong máy đùn Hộp lọc thường gồm: lưới lọc 20 mesh, tiếp đến là 40, 60, 80, lưới 20 mesh được áp sát vào tấm chắn (mesh: số dây kim loại đan lưới trên 1inch - 25mm, mesh càng cao, lỗ lưới càng nhỏ).

Đầu tạo hình (extrusion die)

Đùn hai lớp (co-extrusion die)

Đùn đa lớp (co-extrusion die)

Hệ cấp (feed block system)

Động cơ (extrusion motor drive)

Một vài dây chuyền sản xuất có sử dụng máy đùn

Dây chuyền tạo ống

Một vài dây chuyền sản xuất có sử dụng máy đùn

Dây chuyền tạo màng hay tấm phẳng

Một vài dây chuyền sản xuất có sử dụng

máy đùn

Dây chuyền tạo màng bằng cách đúc (cast film)

Một vài dây chuyền sản xuất có sử dụng máy đùn

Phủ nhựa lên các vật liệu khác

Một vài dây chuyền sản xuất có sử dụng máy đùn

Tạo lớp

Một vài dây chuyền sản xuất có sử dụng

máy đùn

Thổi màng

Một vài dây chuyền sản xuất có sử dụng máy đùn

Trộn bằng máy đùn tạo hạt hoặc tạo màng (tấm)

Một vài dây chuyền sản xuất có sử dụng máy đùn

Dây chuyền đùn profile

Quy trình vận hành máy đùn 2 trục vít

1.Khởi động máy

 Bước 1: Kiểm tra hệ thống cắt khí hoặc cắt qua bể nước đã được kết nối đúng vào hệ thống

 Bước 2: Khởi động nguồn điện bằng cách bật CB đằng sau tủ điều khiển

 Bước 3: Đợi nhiệt độ trong các vùng nhiệt lên đúng theo cài đặt

 Bước 4: Kiểm tra hệ thống nước trong phòng thí nghiệm đã được mở

 Bước 5: Khởi động hệ thống bơm nước của máy bằng nút “Water pump”

trên bảng điều khiển

 Bước 6: Kiểm tra đồng hồ áp suất nước trên thân máy phải nằm ở vùng 0.2 - 0.3 Mpa

 Bước 7: Mở van nước chính dưới chân máy

2 Khởi động trục đùn

 Bước 8: Để khởi động được trục đùn bấm nút “Main motor start”,

trong trường hợp sử dụng hệ thống cắt khí thì phải khởi động hệ

thống cắt “Pelletizer start” trước

 Bước 9: Tăng tốc độ trục đùn lên khoảng 60 - 100 rpm

Quy trình vận hành máy đùn 2 trục vít

3 Khởi động hệ nạp liệu

Bước 10: luôn luôn khởi động hệ thống nạp nhựa trước bằng cách bấm nút “Feeder 2 start” và

tăng tốc độ nạp lên khoảng 1/3 tốc độ đã được cài đặt

Bước 11: Cho hệ thống máy đùn ra và qua hệ thống cắt hạt nhựa (đối với trường hợp cắt qua bể nước thi phải khởi động máy thổi và máy cắt)

Bước 12: Khởi động hệ thống rút chân không bằng cách trước tiên mở một nửa van nước vào

máy bơm chân không (phải bảo đảm là có nước vào máy bơm), bấm nút “Vacuum pump start”

và mở van kết nối giữa hệ thống chân không vào máy đùn (nếu máy chân không bị kêu lớn thì

mở van xả khí trên bình chân không ra và đóng lại)

Bước 13: Khởi động hệ thống nạp tinh bột (bột trấu, bột gỗ…) bằng cách bấm nút “Feeder 1

start” và tăng từ từ tốc độ lên bằng với tốc độ của phễu nạp nhựa

Bước 14: Tăng tốc độ nạp nhựa lên đúng như cài đặt sau đó tăng từ từ tốc độ nạp tinh bột (bột trấu, bột gỗ…) lên đúng với tốc độ đã cài đặt

Bước 15: Bắt đầu thụ sản phẩm dạng hạt ra từ hệ thống cắt

Quy trình vận hành máy đùn 2 trục vít

 Ống ra nằm dưới cùng bên trái chân máy là nơi để xả nước trong bồn chứa nước cất làm nguội máy.

Quy trình vận hành máy đùn 2 trục vít

5 Lưu ý về các thông số gia công vật liệu

For better mixing, there’re three main factors:

 Making the screw configuration stronger (add more kneading elements).

 Increasing the screw rotating speed.

 Increasing the L/D ratio.

5 Lưu ý về các thông số gia công vật liệu

 L/D ratio

• L/D of 25 - 48 is useful for compounding of 2-3 components, L/D > 48 already gets to “exotic” extrusion processes e.g for polymerization reaction (e.g TPU production)

• The longer the L/D in an extruder system:

+ Residence time will go up (good for chemical reactions) + Investment will be higher

+ Number of feed zones can be increased

+ Complex extrusions are possible e.g compounding of nano filler plus fibers feed and degassing

+ Higher degree of filler is possible (e.g feeding filler through two ports) + Easier melting of high temperature polymers