فرآیند پلی‌یورتان‌سازی؛ طراحی راکتور و تکنولوژی هد میکس

پلی‌یورتان (PU) به دلیل تنوع ساختاری، از فوم‌های نرم صندلی تا قطعات سخت عایق، گسترده‌ترین دامنه کاربرد را در بین پلیمرها دارد. اما این گستردگی کاربرد، حاصل یک اصل ساده اما حساس است: واکنش سریع میان دو جزء مایع. در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی، ما با زمان‌های واکنشی روبرو هستیم که گاهی به چند ثانیه می‌رسد و فرصتی برای خطا باقی نمی‌گذارد.

تفاوت میان یک فوم باکیفیت و یک محصول ضایعاتی، در دقت اختلاط مواد اولیه نهفته است. چه در طراحی راکتورهای تولید رزین (System House) و چه در ساخت دستگاه‌های تزریق فوم، چالش اصلی مهندسی، کنترل دقیق دما، فشار و نسبت ترکیب (Ratio) است. ما در این مقاله، تکنولوژی‌های پشت پرده این صنعت، از مکانیزم هد میکس‌های فشار بالا تا شیمی پیچیده تولید پری‌پلیمر را بررسی می‌کنیم تا استانداردهای لازم برای راه‌اندازی یک خط تولید مهندسی را تبیین کنیم.

فرآیند پلی‌یورتان‌سازی چیست؟

برای طراحی ماشین‌آلات تولید، ابتدا باید ماهیت شیمیایی ماده را درک کنیم. برخلاف بسیاری از پلاستیک‌ها که به صورت گرانول آماده ذوب می‌شوند، پلی‌یورتان در لحظه و در محل مصرف (داخل قالب یا روی نوار نقاله) ساخته می‌شود. فرآیند پلی‌یورتان‌سازی در واقع مدیریت یک راکتور شیمیایی سیار است که در آن دو مایع با ویسکوزیته‌های متفاوت مخلوط شده و به یک جامد پلیمری تبدیل می‌شوند. شناخت دقیق این واکنش، اساس تنظیم پارامترهای دستگاه تزریق است.

شیمی واکنش ایزوسیانات و پلی‌ول برای تشکیل ساختار اورتان

هسته مرکزی این صنعت، واکنش افزایشی میان یک گروه ایزوسیانات ($-N=C=O$) و یک گروه هیدروکسیل ($-OH$) است. این واکنش به شدت گرمازا است و پیوند «اورتان» را تشکیل می‌دهد:

$$R-NCO + R’-OH \rightarrow R-NH-CO-O-R’ + Heat$$

نکته مهندسی مهم در پلی‌یورتان‌سازی این است که برخلاف تولید نایلون یا پلی‌کربنات، در اینجا هیچ محصول جانبی (مانند آب یا اسید) تولید نمی‌شود. این ویژگی یعنی تمام مواد تزریق شده باید به بخشی از ساختار نهایی تبدیل شوند. اگر اختلاط ناقص باشد، ایزوسیانات واکنش نداده باقی می‌ماند که هم سمی است و هم خواص فیزیکی قطعه را تخریب می‌کند.

دسته‌بندی محصولات: از فوم‌های انعطاف‌پذیر (Flexible) تا فوم‌های سخت (Rigid) و الاستومر

تنوع محصولات پلی‌یورتان تنها با تغییر نوع مواد اولیه حاصل می‌شود. ما در تنظیم ماشین‌آلات، با سه دسته اصلی سروکار داریم:

• ۱. فوم‌های نرم (Flexible): دارای ساختار سلول باز هستند. در اینجا از پلی‌ول‌های با زنجیره بلند و وزن مولکولی بالا استفاده می‌شود تا انعطاف‌پذیری تامین گردد (مثل فوم صندلی).
• ۲. فوم‌های سخت (Rigid): دارای ساختار سلول بسته و شبکه اتصالات عرضی (Cross-link) متراکم هستند. برای تولید این عایق‌ها، از پلی‌ول‌های با زنجیره کوتاه و تعداد عامل‌های عاملی (Functionality) بالا استفاده می‌کنیم.
• ۳. الاستومرها (CASE): فاقد ساختار سلولی (بدون گاز) هستند و چگالی بالایی دارند. در تولید این قطعات (مانند چرخ‌های صنعتی)، حذف کامل رطوبت برای جلوگیری از ایجاد حباب ناخواسته ضروری است.

اهمیت کنترل نسبت استوکیومتری (NCO/OH) در کیفیت نهایی پلی‌یورتان

در ادبیات فنی پلی‌یورتان‌سازی، به نسبت اختلاط مولی ایزوسیانات به پلی‌ول، «شاخص» یا «ایندکس» (Index) گفته می‌شود. این عدد تعیین‌کننده سختی و خواص نهایی است.

• ایندکس ۱۰۰: یعنی تعداد گروه‌های NCO دقیقاً برابر با OH است (حالت استوکیومتری کامل).
• ایندکس بالا (مثلاً ۱۱۰): ایزوسیانات اضافی باعث ایجاد پیوندهای عرضی بیشتر (آلوفانات) و سخت‌تر شدن فوم می‌شود (رایج در فوم‌های سخت).
• ایندکس پایین (مثلاً ۹۵): کمبود ایزوسیانات باعث نرم‌تر شدن فوم می‌شود، اما اگر خیلی پایین باشد، قطعه چسبناک مانده و پخت کامل نمی‌شود.دستگاه‌های تزریق ما باید قادر باشند این نسبت را با خطای کمتر از ۱ درصد حفظ کنند، زیرا نوسان ایندکس مستقیماً دانسیته و ابعاد فوم را تغییر می‌دهد.

مواد اولیه و شیمی فرآیند در پلی‌یورتان‌سازی

کیفیت محصول خروجی از دستگاه تزریق، به همان اندازه که وابسته به دقت ماشین است، به فرمولاسیون مواد اولیه نیز بستگی دارد. در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی، ما با چهار رکن اصلی شیمیایی روبرو هستیم: ایزوسیانات، پلی‌ول، گازهای دمنده و کاتالیزورها. شناخت رفتار رئولوژیکی و واکنش‌پذیری این مواد برای طراحان ماشین‌آلات و مهندسین تولید الزامی است، زیرا ویسکوزیته و خورندگی این ترکیبات، نوع پمپ‌ها و جنس مخازن را تعیین می‌کند.

تفاوت عملکرد ایزوسیانات‌های آروماتیک (TDI/MDI) و آلیفاتیک در واکنش

ایزوسیانات‌ها بخش سخت (Hard Segment) پلیمر را تشکیل می‌دهند. در صنعت، دو نوع آروماتیک بیشترین کاربرد را دارند:

• ۱. تولوئن دی‌ایزوسیانات (TDI): مایعی با ویسکوزیته بسیار پایین (مشابه آب) است که عمدتاً برای تولید فوم‌های نرم مبلمان و تشک استفاده می‌شود. به دلیل فشار بخار بالا، TDI بسیار فرار و سمی است. بنابراین، ماشین‌آلات تزریق TDI باید مجهز به سیستم‌های تهویه موضعی قوی و آب‌بندی‌های خاص باشند.
• ۲. متیلن دی‌فنیل دی‌ایزوسیانات (MDI): ویسکوزیته بالاتری دارد و فشار بخار آن کمتر است (کم‌خطرتر). MDI پلیمری برای فوم‌های سخت عایق و MDI خالص برای الاستومرها و زیره کفش به کار می‌رود.

در کاربردهایی که ثبات رنگ در برابر نور خورشید (UV) اهمیت دارد (مانند روکش‌ها)، از ایزوسیانات‌های آلیفاتیک (مانند HDI یا IPDI) استفاده می‌کنیم که گران‌تر هستند اما زرد نمی‌شوند.

نقش پلی‌ول‌های پلی‌اتر و پلی‌استر در تعیین خواص مکانیکی فوم

جزء دوم واکنش، رزین یا پلی‌ول است که بخش نرم (Soft Segment) را می‌سازد. انتخاب نوع پلی‌ول، رفتار فیزیکی فوم را در پلی‌یورتان‌سازی مشخص می‌کند:

• پلی‌ول‌های پلی‌اتر (Polyether): این دسته مقاومت بالایی در برابر هیدرولیز (رطوبت) دارند و فوم‌های نرم‌تر و منعطف‌تری تولید می‌کنند. ویسکوزیته آن‌ها معمولاً پایین است و پمپاژ آن‌ها در دستگاه‌های تزریق فشار پایین آسان‌تر است.
• پلی‌ول‌های پلی‌استر (Polyester): این دسته مقاومت کششی و سایشی بالاتری دارند و در برابر روغن و حلال مقاوم‌اند (مناسب برای زیره کفش ایمنی). اما ویسکوزیته بالایی دارند و معمولاً در دمای اتاق جامد یا خمیری هستند؛ لذا مخازن و خطوط انتقال آن‌ها باید حتماً دارای سیستم گرمایش (Heat Tracing) باشند تا مواد روان باقی بمانند.

عملکرد گازهای دمنده (Blowing Agents) و کاتالیزورها در کنترل دانسیته

برای تبدیل پلیمر جامد به فوم سبک، نیاز به ایجاد حباب گاز در حین واکنش داریم. این کار به دو روش انجام می‌شود:

• ۱. دمنده شیمیایی (آب): آب با ایزوسیانات واکنش داده و گاز دی‌اکسید کربن ($CO_2$) آزاد می‌کند.
• ۲. دمنده فیزیکی: مایعات فرار (مانند سیکلوپنتان یا گاز 141b) که بر اثر گرمای واکنش تبخیر می‌شوند.

کنترل سرعت تولید گاز نسبت به سرعت سفت شدن پلیمر (Gelling)، توسط کاتالیزورها تنظیم می‌شود. کاتالیزورهای آمینی (مانند DABCO) سرعت فوم شدن (Blowing) را بالا می‌برند و کاتالیزورهای قلع (Tin) سرعت شبکه‌ای شدن (Gelling) را زیاد می‌کنند. تعادل دقیق بین این دو در فرمولاسیون، ساختار سلولی یکنواخت را در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی تضمین می‌کند و از ریزش فوم (Collapse) جلوگیری می‌نماید.

طراحی راکتورهای تولید رزین و پری‌پلیمر (System House)

بسیاری از تولیدکنندگان فوم، مواد اولیه را به صورت آماده (تزریق مستقیم) خریداری می‌کنند. اما کارخانه‌های بزرگ و واحدهای «سیستم‌هاوس» (System House)، برای کاهش هزینه و کنترل فرمولاسیون، رزین و پری‌پلیمر را خودشان تولید می‌کنند. در این واحدها، تجهیزات اصلی ماشین‌های تزریق نیستند، بلکه «راکتورهای شیمیایی بچ» (Batch Reactors) هستند که وظیفه پخت و آماده‌سازی مواد را بر عهده دارند. ما در این بخش، استانداردهای ساخت این مخازن تحت فشار را بررسی می‌کنیم.

فرآیند پخت پری‌پلیمر (Prepolymer) در راکتورهای استیل دوجداره

پری‌پلیمر، محصول واکنش کنترل‌شده بین پلی‌ول و مقدار اضافی ایزوسیانات است. این فرآیند باعث می‌شود که بخشی از واکنش گرمازا قبل از تزریق نهایی انجام شود و فراریت ایزوسیانات کاهش یابد.

برای انجام این واکنش در مقیاس صنعتی، ما از راکتورهای استنلس استیل (گرید ۳۰۴ یا ۳۱۶) استفاده می‌کنیم. از آنجا که واکنش تشکیل اورتان گرمازا است، طراحی سیستم انتقال حرارت بسیار مهم است. راکتورهای ساخت ما مجهز به «ژاکت‌های حرارتی» یا کویل‌های نیم‌لوله (Half-pipe Coils) روی بدنه هستند. در شروع فرآیند، از روغن داغ یا بخار برای گرم کردن مواد (تا حدود ۸۰ درجه) استفاده می‌شود و پس از شروع واکنش، سیستم بلافاصله به مدار آب خنک‌کننده (Cooling) تغییر وضعیت می‌دهد تا گرمای آزاد شده را دفع کرده و دمای پلی‌یورتان‌سازی را در محدوده ایمن نگه دارد.

سیستم‌های کنترل دما و خلاء برای حذف رطوبت از پلی‌ول در راکتور

پلی‌ول‌ها به شدت رطوبت‌پسند (Hygroscopic) هستند. وجود حتی مقادیر اندک آب در پلی‌ول قبل از واکنش با ایزوسیانات، منجر به تولید گاز $CO_2$ ناخواسته و افزایش فشار داخل راکتور یا کپسول‌ها می‌شود.

بنابراین، قبل از اضافه کردن ایزوسیانات، پلی‌ول باید در راکتور «آبگیری» (Dehydration) شود. این عملیات با اعمال خلاء کامل (Full Vacuum) در دمای ۱۰۰ تا ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۱ تا ۲ ساعت انجام می‌گیرد. راکتورهای پلی‌یورتان‌سازی باید دارای بدنه مقاوم در برابر خلاء باشند تا دچار مچاله شدن (Buckling) نشوند. همچنین استفاده از کندانسورهای قدرتمند در مسیر پمپ خلاء برای به دام انداختن بخار آب خروجی الزامی است.

طراحی بلندرها و میکسرهای صنعتی برای تولید سیستم‌های پلی‌یورتان (Polyol Blending)

در واحدهای سیستم‌هاوس، بخش رزین (Resin Side) شامل مخلوطی از پلی‌ول پایه، کاتالیزورها، مواد دمنده، رنگدانه‌ها و سورفکتانت‌ها است. این مواد باید کاملاً همگن شوند تا فوم نهایی یکنواخت باشد.

برای این منظور، از «بلندرهای عمودی» با پروانه‌های لنگری (Anchor) یا ریبونی استفاده می‌شود. طراحی همزن باید به گونه‌ای باشد که ضمن ایجاد چرخش کامل سیال ویسکوز، از ایجاد گرداب (Vortex) و ورود هوا به داخل مخلوط جلوگیری کند؛ زیرا حباب‌های هوا در محصول نهایی تبدیل به حفرات بزرگ (Pinholes) می‌شوند. سرعت چرخش همزن توسط درایوهای فرکانسی (VFD) کنترل می‌شود تا در مراحل مختلف اختلاط، گشتاور مناسب اعمال گردد.

تکنولوژی هد میکس (Mixhead)؛ گلوگاه فرآیند پلی‌یورتان‌سازی

در مهندسی ماشین‌آلات پلی‌یورتان، پیچیده‌ترین و دقیق‌ترین قطعه مکانیکی، «هد میکس» (Mixhead) است. اگر پمپ‌ها وظیفه انتقال مواد را دارند، هد میکس وظیفه مدیریت واکنش را بر عهده دارد. تمام فرآیند اختلاط و تبدیل دو مایع به یک فوم در حال انبساط، در محفظه‌ای به حجم چند سانتی‌متر مکعب داخل این قطعه رخ می‌دهد. کیفیت اختلاط در هد، مستقیماً ساختار سلولی فوم را تعیین می‌کند.

طراحی هندسی هدهای L-Shape برای ایجاد جریان آرام (Laminar) خروجی

در دستگاه‌های فشار بالا، برخورد شدید جریان‌های ایزوسیانات و پلی‌ول باعث ایجاد تلاطم (Turbulence) شدید می‌شود. اگر مواد با همین تلاطم وارد قالب شوند، باعث پاشش (Splashing) و ایجاد حباب‌های هوای ناخواسته در قطعه نهایی می‌شوند.

راهکار مهندسی ما، استفاده از هدهای «L-شکل» است. در این طراحی، محفظه اختلاط (Mixing Chamber) کوچک است و برخورد در آنجا رخ می‌دهد. سپس، مخلوط وارد یک محفظه دوم (Calming Chamber) می‌شود که با زاویه ۹۰ درجه نسبت به محفظه اول قرار دارد. این تغییر مسیر و افزایش سطح مقطع، جریان متلاطم را آرام کرده و مواد به صورت یک جریان لامینار (Laminar) و نرم، شبیه به جریان روغن، داخل قالب ریخته می‌شوند.

سیستم‌های تمیزکاری خودکار پیستونی در هدهای فشار بالا (Self-cleaning)

یکی از چالش‌های بزرگ در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی، پلیمریزه شدن سریع مواد است. اگر ذره‌ای از مخلوط داخل هد باقی بماند، سفت شده و هد را مسدود می‌کند. در هدهای مدرن فشار بالا، ما از سیستم «تمیزکاری مکانیکی» استفاده می‌کنیم.

این هدها دارای یک پیستون هیدرولیک هستند که دقیقاً هم‌اندازه قطر محفظه اختلاط ماشین‌کاری شده است (با تلورانس میکرونی). در پایان هر شات تزریق، پیستون به سمت جلو حرکت کرده و تمام مواد باقی‌مانده را به بیرون هل می‌دهد. سطح پیستون و سیلندر چنان دقیق صیقل داده شده‌اند که هیچ ماده‌ای بین آن‌ها باقی نمی‌ماند و هد برای تزریق بعدی کاملاً تمیز و آماده است، بدون اینکه قطره‌ای حلال مصرف شود.

اهمیت متالورژی و سخت‌کاری سوزن‌های نازل در برابر سایش

جریان مواد در نازل‌های تزریق سرعت بسیار بالایی دارد (گاهی بیش از ۱۰۰ متر بر ثانیه). علاوه بر این، برخی پلی‌ول‌ها حاوی مواد پرکننده معدنی (Filler) ساینده هستند. این شرایط باعث خوردگی سایشی (Erosion) شدید در سوزن‌ها و اوریفیس‌ها می‌شود.

بنابراین، در ساخت قطعات داخلی هد میکس، از فولادهای آلیاژی مخصوص ابزار استفاده می‌کنیم که تحت عملیات حرارتی سخت‌کاری سطحی (مانند نیتراسیون پلاسما یا پوشش DLC) قرار گرفته‌اند. سختی سطح باید به بالای ۶۰ راکول سی (HRC) برسد. هرگونه تغییر در قطر نازل بر اثر سایش، باعث افت فشار تزریق و بر هم خوردن نسبت اختلاط (Ratio) در دستگاه‌های تزریق فوم می‌شود.

سیستم‌های دوزینگ و پمپاژ دقیق مواد (Metering Systems)

در قلب هر دستگاه پلی‌یورتان، واحد «مترینگ» (Metering) قرار دارد. اگر هد میکس مغز متفکر اختلاط باشد، سیستم دوزینگ، عضله‌ای است که مواد را با دبی و فشار ثابت تامین می‌کند. اهمیت این بخش در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی زمانی مشخص می‌شود که بدانیم تغییر حتی ۱ درصد در نسبت اختلاط (Ratio)، می‌تواند باعث نرم شدن، جمع‌شدگی (Shrinkage) یا ترد شدن فوم نهایی شود. سیستم‌های پمپاژ باید بتوانند بر نوسانات ویسکوزیته ناشی از تغییر دما غلبه کنند و جریانی کاملاً یکنواخت (بدون نوسان یا پالس) به سمت هد بفرستند. در این بخش، تکنولوژی‌های مختلف پمپاژ و کنترل جریان را با جزئیات بررسی می‌کنیم.

پمپ‌های پیستونی محوری (Axial Piston Pumps) برای تزریق فشار بالا

برای دستگاه‌های فشار بالا (High Pressure) که نیاز به تامین فشار کاری بین ۱۵۰ تا ۲۵۰ بار دارند، پمپ‌های معمولی دنده‌ای یا سانترفیوژ کارایی ندارند. استاندارد طلایی در این بخش، استفاده از «پمپ‌های پیستونی محوری» با دبی متغیر است (معمولاً برندهایی نظیر Rexroth یا Rotary Power).

مکانیزم عملکرد این پمپ‌ها بر اساس یک صفحه زاویه‌دار (Swashplate) استوار است. تعدادی پیستون (معمولاً ۷ یا ۹ عدد) درون یک بلوک سیلندر دوار قرار دارند. با چرخش شفت اصلی، پیستون‌ها روی صفحه زاویه‌دار می‌لغزند و حرکت رفت و برگشتی انجام می‌دهند.
نکته مهندسی کلیدی در اینجا، قابلیت تغییر دبی خروجی بدون تغییر سرعت موتور است. با تغییر زاویه صفحه Swashplate (توسط یک فرمان دستی یا سروو موتور)، کورس حرکت پیستون‌ها تغییر کرده و حجم تزریق کم یا زیاد می‌شود.
این پمپ‌ها برای ایزوسیانات که ویسکوزیته پایینی دارد عالی هستند، اما به دلیل لقی‌های بسیار کم (Clearance) بین پیستون و سیلندر، به شدت به ذرات آلودگی و کریستال‌های ایزوسیانات حساس‌اند. وجود هرگونه ذره جامد در ایزوسیانات، باعث ایجاد خط و خش روی پیستون (Scoring) و افت فشار شدید در سیستم پلی‌یورتان‌سازی می‌شود.

پمپ‌های دنده‌ای دقیق برای جابجایی پلی‌ول ویسکوز در فشار پایین

در سمت پلی‌ول، ما اغلب با موادی روبرو هستیم که ویسکوزیته بالایی دارند (گاهی تا ۵۰۰۰ سانتی‌پواز) و ممکن است حاوی ذرات جامد یا پرکننده‌ها (Fillers) باشند. پمپ‌های پیستونی در مکش این مواد غلیظ دچار پدیده کاویتاسیون (Cavitation) می‌شوند.

راهکار مهندسی، استفاده از «پمپ‌های دنده‌ای داخلی» (Internal Gear Pumps) یا خارجی است. در این پمپ‌ها، سیال در فضای بین دندانه‌ها و پوسته حبس شده و به سمت خروجی رانده می‌شود. ویژگی بارز این پمپ‌ها، جریان یکنواخت و بدون پالس (Pulse-free) است که برای تزریق دقیق حیاتی است.
اما چالش اصلی زمانی است که فرمولاسیون پلی‌ول حاوی مواد ساینده (مانند کربنات کلسیم یا الیاف شیشه) باشد. سایش دنده‌ها باعث افزایش لقی داخلی و برگشت مواد (Backflow) می‌شود که دقت دوزینگ را از بین می‌برد. در این موارد خاص، ما از پمپ‌های اسکرو (Screw Pumps) یا پمپ‌های پیستونی با روکش سرامیکی مقاوم در برابر سایش در خطوط تزریق فوم استفاده می‌کنیم.

استفاده از فلومترهای کوریالیس و کنترل حلقه بسته (Closed-loop) در دستگاه تزریق

در ماشین‌آلات قدیمی، سرعت پمپ تنها بر اساس دور موتور تنظیم می‌شد (Open Loop). اما ویسکوزیته پلی‌یورتان با تغییر دما تغییر می‌کند؛ گرم شدن روغن هیدرولیک یا محیط کارگاه باعث می‌شود سیال روان‌تر شده و دبی خروجی پمپ تغییر کند (نشتی داخلی پمپ زیاد می‌شود).

برای حذف این خطا، ما در دستگاه‌های مدرن از سیستم کنترل «حلقه بسته» (Closed-loop Control) استفاده می‌کنیم.
در این سیستم، یک سنسور جریان بسیار دقیق در مسیر خروجی هر پمپ نصب می‌شود:

1. فلومترهای دنده‌ای (Volumetric): برای کاربردهای معمولی، حجم عبوری را اندازه می‌گیرند.
2. فلومترهای کوریالیس (Coriolis Mass Flow Meter): برای کاربردهای فوق دقیق. این سنسورها مستقیماً «جرم» سیال را اندازه می‌گیرند و مستقل از تغییرات دما، فشار و ویسکوزیته هستند.

داده‌های لحظه‌ای از فلومتر به PLC ارسال می‌شود. اگر دبی واقعی با دبی تنظیم شده (Set Point) اختلاف داشته باشد، PLC بلافاصله فرمان تغییر دور را به اینورتر (VFD) موتور ارسال می‌کند. این اصلاح در کسری از ثانیه انجام می‌شود و تضمین می‌کند که نسبت اختلاط در تمام طول شات تزریق، حتی در زمان استارت و توقف، ثابت باقی بماند.

طراحی تانک فارم و مخازن ذخیره پلی‌ول و ایزوسیانات (Tank Farm)

کیفیت نهایی فوم، پیش از آنکه به دستگاه تزریق مربوط باشد، به نحوه نگهداری مواد در مخازن ذخیره (Storage Tanks) بستگی دارد. در کارخانه‌های بزرگ، مواد اولیه (پلی‌ول و ایزوسیانات) نباید مستقیماً از بشکه مصرف شوند، بلکه باید در واحدی به نام «تانک فارم» کاندیشن (Condition) و آماده‌سازی شوند.

طراحی مهندسی مخازن پلی‌ول و ایزوسیانات فراتر از ساخت یک تانکر فلزی است. این مخازن باید بتوانند دما را با دقت بالا کنترل کنند و مواد را از رطوبت هوا ایزوله نمایند. اگر این بخش درست طراحی نشود، نوسان ویسکوزیته باعث خطای دوزینگ شده و ورود رطوبت باعث خرابی پمپ‌های گران‌قیمت می‌شود.

سیستم بلانکتینگ نیتروژن برای جلوگیری از فساد ایزوسیانات در مخزن

حساس‌ترین چالش در نگهداری ایزوسیانات (MDI/TDI)، واکنش‌پذیری بالای آن با رطوبت است. تماس این ماده با هوای مرطوب، منجر به واکنش شیمیایی و تشکیل ذرات جامد اوره (Urea Crystals) می‌شود.

این ذرات جامد ساینده، عامل اصلی خط افتادن سیلندر پمپ‌های پیستونی و گرفتگی نازل‌ها هستند. راهکار فنی استاندارد، اجرای سیستم بلانکتینگ نیتروژن (Nitrogen Blanketing) است. در این سیستم، فضای خالی بالای مخزن با گاز نیتروژن خشک (با نقطه شبنم زیر ۴۰- درجه سانتی‌گراد) پر می‌شود. فشار این گاز باید همواره مثبت (بین ۵۰ تا ۱۰۰ میلی‌بار) تنظیم شود تا از ورود هوای محیط جلوگیری کند. شیرهای کنترلی اتوماتیک، در زمان تخلیه مخزن نیتروژن را تزریق و در زمان پر کردن، گاز مازاد را تخلیه می‌کنند.

کنترل دمای مخازن دوجداره (Jacketed Tanks) جهت تنظیم ویسکوزیته مواد

ویسکوزیته پلی‌یورتان با تغییر دما به شدت تغییر می‌کند. مثلاً ویسکوزیته یک پلی‌ول در ۲۰ درجه ممکن است ۱۰۰۰ واحد باشد و در ۱۵ درجه به ۲۰۰۰ واحد برسد. این تغییر شدید، کالیبراسیون پمپ‌ها را به هم می‌زند. همچنین ایزوسیانات خالص (Pure MDI) در دمای اتاق منجمد می‌شود.

بنابراین، مخازن پلی‌ول و ایزوسیانات در سیستم‌های ما به صورت «دوجداره» یا ژاکت‌دار طراحی می‌شوند. آب گرم یا روغن حرارتی در جداره بیرونی گردش می‌کند تا دمای مواد را با دقت $\pm 1^\circ C$ ثابت نگه دارد.

علاوه بر دما، یکنواختی مخلوط هم مهم است. برای جلوگیری از ته‌نشین شدن مواد افزودنی در پلی‌ول، مخازن مجهز به همزن‌های دور پایین (Agitator) هستند. این همزن‌ها به صورت تایمری کار می‌کنند تا بدون ایجاد حباب هوا، مواد را همگن نگه دارند.

پمپ‌های بارگیری و فیلتراسیون مواد اولیه در ورود به سالن تولید

تخلیه دستی بشکه‌ها ریسک ورود آلودگی و هوا به سیستم را بالا می‌برد. در خطوط مدرن، از سیستم‌های بارگیری اتوماتیک استفاده می‌شود که مواد را از تانکر جاده‌ای یا مخازن IBC به تانک‌های روزانه (Day Tanks) منتقل می‌کنند.

نکته حیاتی در اینجا، فیلتراسیون چندمرحله‌ای است. در مسیر ورودی به مخازن، فیلترهای کیسه‌ای یا کارتریجی با مش‌بندی ۱۰۰ تا ۲۰۰ میکرون نصب می‌شود. این فیلترها وظیفه دارند تکه‌های زنگ‌زدگی بشکه، واشرهای خرد شده یا هر ذره جامد دیگری را قبل از ورود به مخزن اصلی حذف کنند. وجود ذرات جامد در تانک فارم به معنای مرگ زودرس هد میکس و پمپ‌های فشار بالا در انتهای خط است.

تکنیک‌های تولید در پلی‌یورتان‌سازی: روش‌های پیوسته (Continuous) و گسسته (Molded)

انتخاب استراتژی تولید در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی، مستقیماً از سینتیک واکنش شیمیایی (سرعت پخت) و هندسه محصول نهایی تبعیت می‌کند. ما در طراحی کارخانجات، با دو رویکرد مهندسی کاملاً مجزا روبرو هستیم: «تولید قالبی» برای قطعاتی که شکل مشخص دارند و باید تک‌به‌تک تولید شوند، و «تولید پیوسته» برای محصولاتی که ماهیت متری و حجمی دارند. هر یک از این روش‌ها، نیازمند ماشین‌آلات و سیستم‌های کنترلی منحصر‌به‌فردی هستند که در ادامه تشریح می‌کنیم.

مهندسی خطوط تولید کاروسل (Carousel) و مدیریت زمان کیورینگ در تولید قالبی

در تولید قطعاتی که تیراژ بالا دارند، چالش اصلی «زمان توقف» است. زمان پخت (Curing Time) یک قطعه پلی‌یورتان ممکن است بین ۳ تا ۱۰ دقیقه طول بکشد. اگر بخواهیم از ایستگاه‌های ثابت (Stationary) استفاده کنیم، به فضای بسیار زیادی نیاز داریم. راهکار مهندسی ما، استفاده از خطوط تولید کاروسل است.

در این سیستم، ما فرآیند را روی یک مدار بسته متحرک (بیضی یا دایره‌ای) پیاده می‌کنیم. گاری‌های حامل قالب (Mold Carriers) با سرعتی حرکت می‌کنند که دقیقاً برابر با «زمان پخت تقسیم بر تعداد ایستگاه‌ها» باشد.

اجزای فنی این خط عبارتند از:

1. بازوهای رباتیک: برای پاشش واکس جداکننده و هدایت هد میکس. برنامه حرکتی ربات (Trajectory) باید طوری تنظیم شود که مواد در تمام سطح قالب پخش شده و هوا در گوشه‌ها حبس نشود.
2. سیستم باز و بست قالب: مکانیزم‌های پنوماتیک یا هیدرولیک که وظیفه دارند قالب را پس از تزریق قفل (Lock) کرده و پس از پخت باز کنند.
3. مدار گرمایش قالب: قالب‌های پلی‌یورتان باید همواره گرم باشند (۴۵ تا ۵۵ درجه سانتی‌گراد). سیستم آب‌گردش داخل جداره قالب، وظیفه دارد گرمای ناشی از واکنش اگزوترم را جذب کرده و در زمان شروع، قالب را گرم کند.

فرآیند تولید اسلب‌ستاک (Slabstock) و کنترل پروفایل رایزینگ روی کانوایر

پیچیده‌ترین شکل هندسی در ماشین‌آلات پلی‌یورتان‌سازی، مربوط به تولید فوم‌های بلوکی پیوسته (Slabstock) است. در اینجا، راکتور شیمیایی ما یک کانوایر متحرک است که طول آن گاهی به ۶۰ متر می‌رسد.

مکانیزم کلیدی در این دستگاه، سیستم «توزیع مایع» (Liquid Laydown) است. مخلوط واکنش‌دهنده ابتدا وارد یک ناودانی (Trough) شده و سپس روی یک صفحه شیب‌دار (Fall Plate) سرریز می‌شود.

• کنترل پروفایل رایز (Rise Profile): زاویه صفحه Fall Plate باید متناسب با سرعت انبساط فوم تغییر کند. اگر زاویه کم باشد، فوم به سمت عقب برمی‌گردد (Undercut) و اگر زیاد باشد، فوم دچار کشیدگی می‌شود. هدف مهندسی، رسیدن به یک بلوک با سطح مقطع کاملاً مربعی (Rectangular Block) و رویه تخت (Flat Top) است تا ضایعات برش کناره‌ها به حداقل برسد.
• مدیریت فشار گاز: در حین حرکت روی کانوایر، گازهای ناشی از واکنش باعث انبساط تا ۳۰ برابر حجم اولیه می‌شوند. دیواره‌های کناری کانوایر (Side Walls) باید همزمان با رشد فوم حرکت کنند تا اصطکاک باعث ناهمگونی دانسیته نشود.

تکنولوژی RIM (قالب‌گیری تزریقی واکنشی) برای تولید قطعات با دانسیته بالا

برای تولید قطعاتی که نیاز به پوسته سخت و یکپارچه دارند (مانند قطعات خودرویی)، از تکنولوژی RIM (Reaction Injection Molding) استفاده می‌کنیم. تفاوت بنیادی RIM با روش‌های ریزش آزاد (Open Pouring)، در «تزریق پرفشار داخل قالب بسته» است.

در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی به روش RIM:

1. اتصال مستقیم هد: هد میکس مستقیماً روی اسپرو (Spure) قالب نصب می‌شود.
2. فشار کلمپینگ: اگرچه فشار تزریق پلی‌یورتان (۵ تا ۱۰ بار داخل قالب) کمتر از پلاستیک است، اما به دلیل سرعت بسیار بالای واکنش و انبساط ناگهانی، نیروی بازکننده قالب زیاد است. پرس‌های RIM باید تناژ گیره کافی برای مقابله با این نیرو را داشته باشند.
3. سرعت شات: زمان تزریق در RIM بسیار کوتاه است (گاهی زیر ۱ ثانیه). پمپ‌های دستگاه باید بتوانند دبی لحظه‌ای بسیار بالایی (High Output) را تامین کنند تا مواد قبل از شروع ژل شدن، تمام حفره قالب را پر کنند. این سرعت بالا باعث می‌شود لایه بیرونی قطعه فشرده شده و یک پوسته صیقلی (Integral Skin) تشکیل دهد.

فرآیند پلی‌یورتان‌سازی الاستومر (CPU)؛ تکنولوژی کستینگ و گاززدایی

در تولید الاستومرهای صنعتی (مانند چرخ‌های لیفتراک، غلتک‌های چاپ و سرندهای معدنی)، هدف ما در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی، دستیابی به یک ساختار جامد، متراکم و فاقد تخلخل است. برخلاف فوم‌ها که گاز عامل اصلی شکل‌گیری است، در اینجا وجود حتی یک حباب میکروسکوپی به معنای نقطه تمرکز تنش و شکست قطعه است. ماشین‌آلات مورد استفاده در این بخش (Casting Machines)، راکتورهای دقیقی هستند که باید مواد ویسکوز و داغ را بدون ورود هوا فرآوری کنند.

ماشین‌آلات کستینگ داغ (Hot Cast) و کنترل دمای سیرکولاسیون رزین

بسیاری از پیشرفته‌ترین سیستم‌های پلی‌یورتان مهندسی (به‌ویژه پایه NDI و برخی گرید‌های MDI)، در دمای اتاق جامد هستند یا ویسکوزیته‌ای بسیار بالا دارند. برای جاری شدن و واکنش دادن، این مواد باید تا دماهای بالا (بین ۸۰ تا ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد) گرم شوند.

در دستگاه‌های پلی‌یورتان‌سازی مخصوص الاستومر (Hot Cast)، حفظ پیوستگی حرارتی چالش اصلی مهندسی است. تمام مسیر عبور مواد، از مخازن ذخیره، پمپ‌ها، شلنگ‌ها تا نوک نازل، باید توسط سیستم گردش روغن داغ یا المنت‌های الکتریکی دقیق گرم شود.

ما در طراحی این خطوط، از سیستم «سیرکولاسیون دائم» استفاده می‌کنیم. حتی زمانی که دستگاه تزریق نمی‌کند، مواد باید با دبی مشخصی در مدار بچرخند تا دمای آن‌ها همگن بماند. اگر دما در بخشی از مسیر (مثلاً در شلنگ) تنها ۵ درجه افت کند، استوکیومتری واکنش به هم ریخته و محصول نهایی در آن نقطه خواص فیزیکی خود را از دست می‌دهد.

اهمیت خلاء و گاززدایی (Degassing) در مخازن برای جلوگیری از حباب

بزرگترین دشمن کیفیت در الاستومرها، «هوا» است. در حین جابجایی مواد یا میکس شدن، حباب‌های هوا به صورت مکانیکی وارد رزین می‌شوند. اگر این حباب‌ها خارج نشوند، در ساختار نهایی باقی مانده و مقاومت سایشی و کششی قطعه را به شدت کاهش می‌دهند.

برای رفع این چالش، مخازن دستگاه‌های کستینگ به سیستم‌های گاززدایی تحت خلاء (Vacuum Degassing) مجهز هستند. فرآیند استاندارد به این صورت است:

1. اعمال خلاء: پمپ وکیوم فشار مخزن را به نزدیک صفر مطلق (حدود ۱ تا ۵ میلی‌بار) می‌رساند.
2. لایه‌بندی نازک: یک همزن با پره‌های چتری (Umbrella Stirrer)، مواد را به دیواره‌های بالایی مخزن می‌پاشد تا سطح تماس افزایش یابد.
3. خروج گاز: در این شرایط، حباب‌های محبوس شده منبسط شده و می‌ترکند و رطوبت احتمالی نیز تبخیر می‌شود.بدون اجرای دقیق این مرحله در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی، تولید قطعات شفاف و با خواص دینامیکی بالا غیرممکن است.

عملیات پخت ثانویه (Post-Cure) و تکمیل واکنش شیمیایی در کوره

در تولید الاستومر، خروج قطعه از قالب (Demolding) پایان فرآیند تولید نیست. در این لحظه، قطعه تنها به «استحکام سبز» (Green Strength) رسیده و واکنش‌های شیمیایی تنها حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد پیش رفته‌اند.

بنابراین، قطعات بلافاصله پس از خروج از قالب باید وارد کوره پخت ثانویه (Post-Curing Oven) شوند. پروتکل دمایی معمولاً شامل نگهداری قطعات در دمای ۱۰۰ تا ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۱۶ تا ۲۴ ساعت است. این انرژی حرارتی باعث تحرک زنجیره‌های پلیمری شده و اجازه می‌دهد تمام گروه‌های ایزوسیانات باقی‌مانده واکنش دهند و شبکه‌ی اتصالات عرضی کامل شود. اگر این مرحله از فرآیند پلی‌یورتان‌سازی حذف شود، قطعه زیر بار مکانیکی (مثلاً فشار غلتک) دچار تغییر شکل دائمی (Set) و تخریب زودهنگام می‌شود.

تکنولوژی تولید ساندویچ پانل (دبل بلت) و فرآیند اسپری پلی‌یورتان

یکی از بزرگترین بازارهای مصرف در صنعت پلی‌یورتان‌سازی، صنعت عایق‌سازی و ساختمان است. در اینجا فرآیند تولید به دو شکل کاملاً متفاوت انجام می‌شود: یا به صورت کارخانه‌ای و کنترل شده در خطوط تولید پیوسته «ساندویچ پانل» (Sandwich Panel)، و یا به صورت درجا (In-situ) با دستگاه‌های اسپری. هر دو روش نیازمند ماشین‌آلات تخصصی برای کنترل دقیق واکنش شیمیایی فوم‌های سخت (Rigid) هستند.

سیستم‌های دبل بلت (Double Belt) و کنترل فشار در خطوط پیوسته پانل

خط تولید پیوسته ساندویچ پانل، یکی از پیچیده‌ترین ماشین‌آلات در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی است. در این خط، فوم پلی‌یورتان (PUR) یا پلی‌ایزوسیانورات (PIR) بین دو لایه ورق فلزی (یا کاغذ/فویل) تزریق شده و همزمان با حرکت خط، پخته می‌شود.

قلب تپنده مکانیکی این خط، دستگاه «دبل بلت کانوایر» (Double Belt Conveyor) است. این دستگاه شامل دو نوار نقاله فلزی سنگین (صفحات کاترپیلاری) در بالا و پایین است که دقیقاً با فاصله برابر با ضخامت پانل (مثلاً ۱۰ سانتی‌متر) تنظیم شده‌اند.

• عملکرد پرس متحرک: فوم سخت در حین پف کردن، فشار زیادی (حدود ۰.۲ تا ۰.۵ بار) ایجاد می‌کند. دبل بلت مانند یک «پرس متحرک» عمل می‌کند و مانع از دفرمه شدن ورق‌ها می‌شود.
• کنترل حرارتی: صفحات دبل بلت تا دمای ۶۰-۷۰ درجه گرم می‌شوند تا پخت فوم کامل شود. طول این کانوایر (گاهی تا ۳۰ متر) تعیین‌کننده سرعت خط است؛ هرچه کانوایر طولانی‌تر باشد، سرعت تولید بیشتر خواهد بود زیرا فوم زمان کافی برای سخت شدن تحت فشار را دارد.

فرآیند اسپری پلی‌یورتان و تنظیمات گان (Gun) برای اختلاط خارجی

در پروژه‌های عایق‌کاری مخازن یا سقف سوله‌ها، امکان انتقال قطعه به کارخانه وجود ندارد. در اینجا، دستگاه پلی‌یورتان‌سازی باید به محل پروژه منتقل شود. دستگاه‌های اسپری (Spray Foam Machines) در واقع واحدهای پرتابل فشار بالا هستند.

تفاوت کلیدی در این فرآیند، مکانیزم «گان تزریق» (Spray Gun) است:

1. اتمایزیشن (Atomization): برخلاف هد میکس‌های معمولی که جریان آرام (Laminar) ایجاد می‌کنند، گان اسپری باید مواد را پودر کند. این کار با عبور مواد از یک سوراخ بسیار ریز (Orifice) و برخورد هوا (در برخی مدل‌ها) یا صرفاً فشار هیدرولیک بالا انجام می‌شود.
2. گرمایش شلنگ: از آنجا که فاصله دستگاه تا محل پاشش زیاد است (گاهی تا ۹۰ متر شلنگ)، افت دما باعث افزایش ویسکوزیته و خراب شدن الگوی پاشش می‌شود. بنابراین، تمام طول شلنگ‌ها مجهز به المنت‌های حرارتی الکتریکی و سنسور دما هستند تا مواد با دمای دقیق (مثلاً ۵۰ درجه) به نوک گان برسند.
3. سرعت واکنش: فرمولاسیون اسپری بسیار سریع‌العمل است (Cream Time در حد ۲ ثانیه) تا فوم بلافاصله پس از برخورد به سطح عمودی، سفت شده و شره نکند (Sagging).

کنترل کیفیت در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی؛ تست‌های رئولوژی و فیزیکی

در صنعت پلیمر، پلی‌یورتان منحصر‌به‌فرد است زیرا «پلیمریزاسیون» نهایی نه در پتروشیمی، بلکه در کارخانه شما و داخل قالب رخ می‌دهد. بنابراین، کنترل کیفیت (QC) در اینجا به معنی بررسی قطعه نهایی نیست؛ بلکه به معنی پایش مداوم «پروفایل واکنش» است. تغییرات جزئی در دمای محیط یا رطوبت مواد، می‌تواند سینتیک واکنش را تغییر دهد. ما در آزمایشگاه‌های خط تولید، از تست‌های استانداردی استفاده می‌کنیم تا مطمئن شویم دستگاه تزریق با فرمولاسیون هماهنگ است.

آنالیز زمان‌های واکنش (Cream, Gel, Rise Time) با دستگاه فوم‌تستر

برای درک رفتار مواد در داخل قالب، ما باید چهار پارامتر زمانی حیاتی را در یک «تست کاپ» (Cup Test) یا با استفاده از دستگاه‌های فوم‌تستر اولتراسونیک اندازه‌گیری کنیم:

1. زمان کرم‌شدن (Cream Time): لحظه‌ای که مخلوط شفاف شروع به کدر شدن می‌کند و اولین حباب‌ها ظاهر می‌شوند (شروع انبساط). اگر این زمان در دستگاه تزریق فوم خیلی کوتاه باشد، مواد قبل از پر کردن کامل قالب شروع به سفت شدن می‌کنند و «خط جریان» (Flow Marks) روی قطعه ایجاد می‌شود.
2. زمان ژل شدن (Gel/String Time): زمانی که پلیمر از حالت مایع به جامد تبدیل می‌شود. تست سنتی آن با فرو بردن یک میله چوبی در فوم در حال پف کردن انجام می‌شود؛ لحظه‌ای که مواد به صورت «رشته» (String) کش می‌آیند، زمان ژل شدن است.
3. زمان اوج (Rise Time): لحظه‌ای که انبساط فوم متوقف می‌شود و به حداکثر ارتفاع می‌رسد.
4. زمان خشک شدن سطح (Tack-free Time): زمانی که سطح فوم دیگر چسبناک نیست.

دستگاه‌های فوم‌تستر مدرن، این نمودار (ارتفاع در برابر زمان) را با سنسورهای لیزری یا صوتی رسم می‌کنند. هرگونه انحراف از منحنی مرجع، نشان‌دهنده مشکل در نسبت اختلاط (Ratio) یا دمای مواد است.

بررسی دانسیته آزاد (Free Rise) در برابر دانسیته قالبی و فاکتور تراکم (Packing)

یکی از مهم‌ترین محاسبات مهندسی در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی، تعیین میزان مواد تزریقی (Shot Weight) است. برای این کار، ما دو نوع دانسیته را مقایسه می‌کنیم:

• دانسیته آزاد (FRD): چگالی فومی که در یک لیوان و فشار اتمسفر پف کرده است.
• دانسیته قالبی (Molded Density): چگالی واقعی قطعه نهایی.

تفاوت این دو، مفهومی به نام «فاکتور تراکم» یا «اورپکینگ» (Over-packing) را می‌سازد. در تولید مهندسی، ما همیشه مقداری بیشتر از ظرفیت آزاد قالب تزریق می‌کنیم (معمولاً ۵ تا ۱۵ درصد بیشتر برای فوم‌های نرم و تا ۴۰ درصد برای فوم‌های سخت).

$$Packing Factor = \frac{Molded Density}{Free Rise Density}$$

این اضافه وزن باعث می‌شود فشار داخلی قالب بالا رفته و فوم تمام گوشه‌های پیچیده قالب را پر کند و یک پوسته (Skin) قوی تشکیل دهد. اگر فاکتور تراکم کم باشد، قطعه دچار فرورفتگی و حباب می‌شود؛ و اگر بیش از حد زیاد باشد، فشار داخلی ممکن است باعث دفرمه شدن قالب یا باز شدن گیره‌ها (Flash) شود.

نگهداری و عیب‌یابی ماشین‌آلات پلی‌یورتان‌سازی

در صنعت پلی‌یورتان‌سازی، ماشین‌آلات با موادی کار می‌کنند که ذاتا چسبنده هستند و به سرعت سخت می‌شوند. برخلاف دستگاه‌های تزریق پلاستیک که با گرم کردن مجدد سیلندر می‌توان مواد را ذوب کرد، در اینجا اگر مواد داخل هد میکس یا پمپ‌ها پلیمریزه شوند (سفت شوند)، راهی جز دمونتاژ و گاهی تعویض قطعه وجود ندارد. بنابراین، نگهداری پیشگیرانه (PM) در این خطوط، صرفاً یک توصیه نیست، بلکه شرط بقای کارخانه است.

پروتکل‌های شستشوی هد میکس و جلوگیری از گرفتگی نازل‌ها

هد میکس حسا‌س‌ترین نقطه در دستگاه تزریق فوم است. گرفتگی نازل‌ها نه تنها باعث توقف تولید می‌شود، بلکه فشار برگشتی (Back Pressure) را بالا برده و می‌تواند به پمپ‌ها آسیب بزند.

در ماشین‌های فشار پایین (Low Pressure)، محفظه اختلاط باید بلافاصله پس از هر توقف تولید با حلال (مانند متیلن کلراید) و سپس دمش هوا شسته شود. اپراتور باید دقت کند که هیچ حلالی داخل هد باقی نماند، زیرا حلال باقیمانده باعث خراب شدن شات بعدی فوم می‌شود (ایجاد حفره‌های ریز).

در ماشین‌های فشار بالا (High Pressure) که سیستم خودشوینده (Self-cleaning) دارند، تمرکز نگهداری روی «پیستون تمیزکننده» است. این پیستون باید هر هفته بازرسی شود. وجود هرگونه خط و خش میکرونی روی پیستون یا سیلندر، باعث می‌شود لایه نازکی از ایزوسیانات روی بدنه خشک شود و به مرور زمان پیستون جام (Seize) کند. ما توصیه می‌کنیم پیستون‌ها به طور دوره‌ای با روغن‌های مخصوص پلاستی‌سایزر (DOP/DINP) روانکاری شوند تا از چسبیدن مواد جلوگیری گردد.

کالیبراسیون دوره‌ای پمپ‌های دوزینگ برای حفظ دقت نسبت اختلاط

حتی دقیق‌ترین پمپ‌های پیستونی یا دنده‌ای نیز به مرور زمان دچار سایش شده و راندمان حجمی آن‌ها تغییر می‌کند. این تغییر باعث می‌شود نسبت واقعی تزریق (Actual Ratio) با عددی که روی صفحه نمایشگر (HMI) می‌بینید، متفاوت باشد.

برای اطمینان از صحت عملکرد فرآیند پلی‌یورتان‌سازی، تست کالیبراسیون باید به صورت هفتگی انجام شود. روش استاندارد «تست وزن‌کشی» (Catch Test) است:

1. نازل‌ها را از هد میکس جدا می‌کنیم.
2. دستگاه را برای زمان مشخص (مثلاً ۳ ثانیه) روشن می‌کنیم تا ایزوسیانات و پلی‌ول به صورت جداگانه در دو ظرف مجزا ریخته شوند.
3. وزن دقیق هر جزء را با ترازوی دیجیتال اندازه می‌گیریم.
4. نسبت وزنی واقعی (ISO/POLY) را محاسبه کرده و با فرمولاسیون مقایسه می‌کنیم.اگر خطا بیش از ۱ درصد باشد، باید دور موتور پمپ‌ها یا تنظیمات اینورتر (VFD) در نرم‌افزار دستگاه اصلاح شود.

استانداردهای ایمنی و HSE در کارخانجات پلی‌یورتان‌سازی

در مهندسی فرآیند پلی‌یورتان‌سازی، رعایت اصول ایمنی (HSE) صرفاً یک الزام قانونی نیست، بلکه بخش فنی و جدایی‌ناپذیر از طراحی کارخانه است. برخلاف صنایع پلاستیک که ریسک اصلی حرارتی است، در اینجا ما با ریسک‌های شیمیایی و تنفسی سروکار داریم. ایزوسیانات‌ها (MDI و TDI) ترکیباتی با واکنش‌پذیری بالا هستند که در صورت عدم مهار مهندسی، می‌توانند باعث آسیب‌های ریوی شوند. بنابراین، ماشین‌آلات تزریق و مخازن باید مجهز به سیستم‌های کنترلی باشند که سطح آلایندگی را زیر حد مجاز استاندارد (OEL) نگه دارند.

سیستم‌های تهویه موضعی (LEV) و اسکرابر برای خنثی‌سازی بخارات ایزوسیانات

کنترل بخارات سمی باید در «نقطه تولید» انجام شود. اتکا به تهویه عمومی سالن (مانند فن‌های دیواری) در کارخانه پلی‌یورتان از نظر فنی مردود است، زیرا باعث پخش شدن آلودگی در کل فضا می‌شود.

استاندارد مهندسی در اینجا، نصب سیستم‌های «تهویه موضعی» (Local Exhaust Ventilation) است:

1. هودهای مکنده متمرکز: در دستگاه‌های تزریق، بیشترین میزان بخار دقیقاً در لحظه خروج مواد از هد میکس و ورود به قالب ایجاد می‌شود. هودهای صنعتی باید دقیقاً بالای نازل تزریق و روی ایستگاه‌های کاری نصب شوند. سرعت مکش (Capture Velocity) باید به اندازه‌ای باشد که بر جریان‌های هوای محیطی غلبه کند (معمولاً بالای ۰.۵ متر بر ثانیه).
2. واحد اسکرابر (Scrubber): هوای آلوده جمع‌آوری شده نباید مستقیماً به اتمسفر تخلیه شود. این هوا توسط کانال‌های گالوانیزه به یک برج شستشو یا اسکرابر هدایت می‌شود. در داخل برج، نازل‌ها یک محلول خنثی‌کننده قلیایی (ترکیبی از آب و سود سوزآور یا آمونیاک) را پمپاژ می‌کنند. تماس جریان هوا با این محلول، باعث می‌شود ایزوسیانات موجود در هوا واکنش داده و به ذرات جامد و بی‌خطر اوره تبدیل شود. هوای خروجی از بالای برج، تصفیه شده و ایمن است.

مدیریت نشتی و واکنش‌های گرمازای ناخواسته (Runaway Reaction)

در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی، اختلاط نادرست مواد یا نشتی مخازن می‌تواند منجر به «واکنش مهارنشدنی» (Runaway Reaction) شود. این واکنش به شدت گرمازا است و گاز دی‌اکسید کربن ($CO_2$) تولید می‌کند.

• پروتکل فنی مهار نشتی: استفاده از آب برای شستن ایزوسیانات ریخته شده روی زمین، یک خطای خطرناک است. آب سرعت واکنش را بالا می‌برد و باعث تولید سریع گاز و حرارت می‌شود. راهکار صحیح، استفاده از «محلول دکانتمینیشن» (Decontamination Solution) است. فرمول استاندارد صنعتی شامل ۹۰٪ آب، ۸٪ آمونیاک غلیظ (برای تسریع کنترل‌شده واکنش) و ۲٪ مایع شوینده (برای نفوذپذیری) است. این محلول روی نشتی ریخته می‌شود و اجازه داده می‌شود تا واکنش به آرامی انجام شود.
• خطر فشار در ظروف ضایعات: فوم‌های معیوب یا مواد جمع‌آوری شده از نشتی، نباید بلافاصله در بشکه‌های دربسته پلمپ شوند. واکنش شیمیایی در این مواد تا ساعت‌ها ادامه دارد و گاز تولید می‌کند. اگر درب ظرف بسته باشد، افزایش فشار داخلی باعث انفجار بشکه می‌شود. طبق دستورالعمل‌های ایمنی، این ضایعات باید حداقل ۴۸ ساعت در ظروف روباز و در فضای باز نگهداری شوند تا واکنش کاملاً متوقف و دمای آن به دمای محیط برسد.

آینده فرآیند پلی‌یورتان‌سازی؛ بازیافت و مواد اولیه زیستی

با سخت‌گیرانه شدن قوانین زیست‌محیطی و افزایش قیمت مواد نفتی، تکنولوژی ماشین‌آلات پلی‌یورتان‌سازی به سمتی حرکت می‌کند که امکان استفاده از مواد بازیافتی و منابع تجدیدپذیر را فراهم کند. این تغییرات صرفاً شیمیایی نیستند، بلکه نیازمند اصلاحات فنی در سیستم‌های پمپاژ و کنترل فرآیند دستگاه‌های تزریق هستند.

تکنولوژی بازیافت شیمیایی (گلیکولیز) و چالش پمپاژ پلی‌ول بازیافتی

فوم‌های پلی‌یورتان برخلاف پلاستیک‌ها، «گرماسخت» (Thermoset) هستند و با حرارت ذوب نمی‌شوند. بنابراین روش‌های بازیافت مکانیکی معمول، ارزش افزوده پایینی دارند. راهکار نوین صنعتی، «بازیافت شیمیایی» به روش گلیکولیز (Glycolysis) است.

در این فرآیند، ضایعات فوم خرد شده و داخل راکتورهای استیل همزن‌دار ریخته می‌شوند. در دمای حدود ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد و در مجاورت حلال گلیکول، زنجیره‌های پلیمری شکسته شده و مجدداً به فاز مایع تبدیل می‌شوند. محصول خروجی، «پلی‌ول بازیافتی» است.

نکته مهندسی برای ماشین‌آلات این است که پلی‌ول‌های بازیافتی معمولاً ویسکوزیته بسیار بالاتری نسبت به پلی‌ول‌های بکر (Virgin) دارند. برای استفاده از این مواد در دستگاه تزریق فوم، سیستم گرمایش مخازن و قدرت پمپ‌های دوزینگ باید تقویت شود تا بتوانند سیال غلیظ را بدون کاویتاسیون پمپاژ کنند.

کالیبراسیون ماشین‌آلات برای پلی‌ول‌های زیستی (Bio-polyols)

نسل جدید مواد اولیه، بر پایه روغن‌های گیاهی (مانند سویا، کرچک و کلزا) تولید می‌شوند. جایگزینی این مواد در فرآیند پلی‌یورتان‌سازی چالش‌هایی را در تنظیمات دستگاه ایجاد می‌کند.

پلی‌ول‌های گیاهی دارای ساختار مولکولی و عدد هیدروکسیل (OH Value) متفاوتی نسبت به پلی‌ول‌های نفتی هستند. این تفاوت باعث تغییر در «واکنش‌پذیری» (Reactivity) می‌شود. ماشین‌آلات تزریق باید قابلیت تغییر دقیق نسبت اختلاط (Ratio) در PLC را داشته باشند، زیرا استوکیومتری واکنش تغییر می‌کند. همچنین، برخی از این مواد در دماهای پایین حساسیت بیشتری به فاز دویی (Phase Separation) دارند، لذا استفاده از همزن‌های دائم‌کار در مخازن تانک فارم برای این متریال الزامی است.

نتیجه‌گیری

در این مقاله تخصصی، فرآیند پلی‌یورتان‌سازی را از منظر مهندسی مکانیک و شیمی بررسی کردیم. برخلاف تصور عمومی، تولید فوم باکیفیت تنها به فرمولاسیون مربوط نیست، بلکه تابعی از دقت عملکرد ماشین‌آلات در سه بخش اصلی است:

1. مدیریت مواد (Conditioning): حفظ دمای دقیق و جلوگیری از رطوبت در مخازن دوجداره و سیستم‌های بلانکتینگ.
2. دقت دوزینگ (Metering): توانایی پمپ‌های فشار بالا برای تزریق مواد با نسبت استوکیومتری ثابت، مستقل از نوسانات فشار.
3. تکنولوژی اختلاط (Mixing): طراحی هدهای L-Shape و مکانیزم‌های تمیزکاری پیستونی برای ایجاد مخلوطی همگن.

انتخاب صحیح بین سیستم‌های تزریق فشار بالا (High Pressure) و فشار پایین (Low Pressure)، و همچنین انتخاب نوع خط تولید (پیوسته یا قالبی)، باید بر اساس پارامترهای فنی نظیر ویسکوزیته مواد، تیراژ تولید و خواص فیزیکی مورد انتظار از محصول نهایی انجام شود.