چالش های فرآیند هاتچک در تولید فایبر سمنت و راه حل های تخصصی

چالش های فرآیند هاتچک در تولید فایبر سمنت و راه حل های تخصصی

امیر اسماعیل قندهاری

کارشناس ارشد مهندسی شیمی_طراحی فرایند

مقدمه

فرآیند هاتچک (Hatschek) که در اواخر قرن نوزدهم توسط لودویگ هاتچک بر اساس فناوری صنعت کاغذ توسعه یافت، رایج ترین روش تولید صنعتی ورق های فایبر سمنت است. در این فرآیند، دوغاب رقیق حاوی سیمان، الیاف، آب و افزودنی ها (با تا ۹۹٪ آب) روی استوانه های دوار سیمی جمع آوری شده و لایه های نازک متوالی روی نمد منتقل می شوند تا ضخامت مطلوب حاصل شود. با جایگزینی الیاف پنبه نسوز (آزبست) با الیاف سلولزی از دهه ۱۹۷۰، چالش های متعددی در این فرآیند پدیدار شده است.

خلاصه چالش های اصلی

ردیف

چالش

حوزه تخصصی

1

انتخاب و عملکرد نامناسب منعقدکننده

مهندسی شیمی / تحقیق و توسعه

2

تخمین نادرست ترکیب واقعی محصول

تحلیل فرآیند / کنترل کیفیت

3

ترک خوردگی لبه ای در ورق های کنگره ای

مهندسی مکانیک / طراحی

4

جدایش لایه ها (Delamination)

مدیریت تولید / طراحی تجهیزات

5

چقرمگی کم و ناپایداری ابعادی

تحقیق و توسعه

6

تخریب شیمیایی الیاف سلولزی

مهندسی شیمی

7

مدیریت آب و آلاینده های سیستم بسته

مدیریت کارخانه / محیط زیست

8

مشکلات الیاف مصنوعی در فرآیند هاتچک

تحقیق و توسعه

9

هوادهی دشوار و غیرقابل پیش بینی

طراحی تجهیزات / بهینه سازی

10

یکنواختی ضعیف و ناهمسانی خواص مکانیکی

کنترل کیفیت / طراحی تجهیزات

۱. انتخاب و عملکرد نامناسب منعقدکننده (Flocculant)

علت چالش

در فرآیند هاتچک، استفاده از منعقدکننده برای بهبود نگهداشت ذرات ریز معدنی، آب زدایی و تشکیل لایه ضروری است. رایج ترین منعقدکننده های مورد استفاده، پلی آکریل آمیدهای آنیونی (A-PAM) هستند. با این حال، این مواد اثر منفی بر استحکام خمشی ورق های فایبر سمنت دارند. افزایش وزن مولکولی منعقدکننده، استحکام خمشی را به طور معنی داری کاهش می دهد، در حالی که افزایش بار آنیونی، استحکام را افزایش می دهد.

راه حل

- استفاده از منعقدکننده های با بار آنیونی بالا و وزن مولکولی متوسط برای بهینه سازی فرآیند

- اصلاح سطح الیاف با عوامل سایزینگ (sizing agents) مانند کوپلیمرهای استایرن-آکریلات و آلکیل کتون دایمر برای افزایش استحکام خمشی

- پیاده سازی پایش آنلاین فرآیند لخته سازی با استفاده از حسگرهای FBRM (Focused Beam Reflectance Measurement) برای کنترل دوز منعقدکننده در زمان واقعی و کاهش تولید محصولات خارج از مشخصات

- استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی برای انتخاب بهینه منعقدکننده بر اساس ویژگی های دوغاب

۲. تخمین نادرست ترکیب واقعی محصول

علت چالش

سیستم هاتچک یک سیستم بسته است که در آن دسته های مواد اولیه با ترکیب کنترل شده، با آب فرآیندی که حاوی ذرات ریز ناشی از فرآیند فیلتراسیون است، رقیق می شوند. غلظت این ذرات ریز در آب فرآیند در طول زمان متغیر است و مقدار آب افزوده شده نیز توسط سیستم حلقه بسته برای کنترل ضخامت لایه تنظیم می شود. این رقیق سازی، نسبت مواد اولیه را تغییر داده و بر مقدار سیمان بدون آب، توزیع اندازه ذرات و در نتیجه خواص محصول نهایی تاثیر می گذارد.

راه حل

- توسعه مدل های پیش بینی کننده برای تخمین غلظت ذرات ریز در گردش بر اساس داده های عملیاتی

- پیاده سیستم های آنالیز مداوم ترکیب آب فرآیند و تنظیم خودکار فرمولاسیون

- استفاده از سنسورهای پیشرفته برای پایش بلادرنگ ترکیب دوغاب و اصلاح نسبت های مواد اولیه

۳. ترک خوردگی لبه ای (Edge Cracking) در ورق های کنگره ای

علت چالش

جایگزینی الیاف پنبه نسوز با الیاف سلولزی در تولید ورق های کنگره ای فایبر سمنت به روش هاتچک، منجر به ترک خوردگی لبه ای در ورق های انباشته شده می شود. این پدیده به دلیل ماهیت آبدوست الیاف سلولزی است که تمایل به تبادل رطوبت با محیط اطراف را افزایش می دهد. فرآیند خشک شدن ورق های کنگره ای در حالت انباشته، باعث جمع شدگی (shrinkage) و در نتیجه ترک خوردگی لبه ای می شود. مطالعات میدانی بر روی ۱۲۰۰ ورق نشان داد که بالاترین میزان ترک پس از ۹ ماه در معرض شرایط آب وهوایی طبیعی رخ می دهد.

راه حل

- استفاده از الیاف PVA به جای الیاف سلولزی خالص یا در ترکیب با آن ها؛ تحقیقات نشان داده ورق های تقویت شده با الیاف PVAو بدون دوده سیلیسی، کمترین ترک لبه ای را نشان می دهند

- افزایش کائولن در ترکیب فایبر سمنت همراه با کنترل شرایط محیطی؛ کائولن به عنوان مهارکننده داخلی جمع شدگی عمل کرده و ریزساختار ناحیه انتقالی را بهبود می بخشد

- اصلاح سطح الیاف سلولزی برای تبدیل ماهیت آبدوست به آبگریز

- استفاده از وولاستونیت (CaSiO₃) برای کاهش تغییرات ابعادی در محصولات اتوکلاو و غیراتوکلاو

- پیش تنش شیمیایی با اعمال سیلیکات سدیم قلیایی بین لایه های فایبر سمنت که باعث افزایش ۹۵٪ حد تناسب (LOP) و کنترل ترک خوردگی می شود

- کربناتاسیون تسریع شده که جمع شدگی را به نصف کاهش داده و منافذ را با کربنات ها پر می کند

۴. جدایش لایه ها (Delamination)

علت چالش

محصولات هاتچک به دلیل ماهیت لایه ای خود، مستعد جدایش لایه ها هستند. استحکام پیوند بین لایه ها به طور قابل توجهی کمتر از استحکام داخلی هر لایه است. یکی از علل اصلی جدایش لایه ها، آرایش سری استوانه های دوار در ماشین هاتچک است. همچنین، در هنگام تماس پد خلا با ورق سبز برای جداسازی از نوار نقاله، ممکن است جدایش رخ دهد. در معرض رطوبت بیش از حد در طول زمان، این جدایش تشدید می شود.

راه حل

- بهینه سازی آرایش و تعداد استوانه های دوار در ماشین هاتچک برای بهبود پیوند بین لایه ها

- استفاده از لایه های میانی مواد قابل اکستروژن بین لایه های هاتچک که باعث افزایش ۱۰٪ در حد تناسب و مدول گسیختگی می شود

- به کارگیری ترکیبات پخت شونده با پرتو (radiation curable components) در لایه های سطحی برای افزایش مقاومت در برابر جدایش، به ویژه در شرایط یخ زدن و ذوب شدن

- استفاده از پراکندگی همگن الیاف (غیرلایه ای) در مواردی که امکان پذیر باشد، اگرچه این امر نیازمند تغییر اساسی در فرآیند است

- کنترل دقیق وزن و رطوبت ورق سبز پیش از عملیات جداسازی برای جلوگیری از جدایش ناشی از وزن بیش از حد

۵. چقرمگی کم و ناپایداری ابعادی

علت چالش

محصولات فایبر سمنت تولیدشده به روش هاتچک، علی رغم مزایای فراوان، از چقرمگی پایین و ناپایداری حجمی رنج می برند. این مسئله به ویژه در محصولات عمل آوری شده در هوا که تنها با الیاف طبیعی تقویت می شوند، مشهود است و به عملکرد مکانیکی قابل اطمینان در میان مدت و بلندمدت نمی رسند.

راه حل

- کاهش چگالی (افزایش تخلخل) ورق های فایبر سمنت برای افزایش چقرمگی

- جایگزینی جزئی سیمان پرتلند با خاکستر بادی (fly ash) که چقرمگی را افزایش داده و استحکام ماتریس را کاهش می دهد

- استفاده از محصولات اتوکلاو شده** با الیاف سلولزی برای کاربردهای خارجی

- افزایش محتوای الیاف (اگرچه روشی پرهزینه است)

- ترکیب الیاف مصنوعی مقاوم به قلیا مانند PVA و PPبا خمیر چوب سلولزی تصفیه شده

۶. تخریب شیمیایی الیاف سلولزی در محیط قلیایی

علت چالش

الیاف سلولزی در محیط قلیایی سیمان مستعد تجزیه شیمیایی هستند. ترکیبات شیمیایی موجود در الیاف چوب، فرآیند گیرش سیمان را مهار می کنند. این تخریب، عملکرد بلندمدت محصول را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد.

راه حل

- استفاده از خمیر کرافت چوب نرم بدون رنگ بری که به دلیل ویژگی های مقاومتی، در دسترس بودن و قیمت مناسب، بیشترین کاربرد صنعتی را دارد

- تصفیه سطح الیاف برای کاهش تاثیر مهارکنندگی بر گیرش سیمان

- عمل آوری اتوکلاو در دمای حداقل ۱۵۰ درجه سانتی گراد که ضمن حفظ الیاف سلولزی، دوام محصول را افزایش می دهد

- استفاده از الیاف مهندسی شده PP با درجه بلوری بالا، چگالی خطی بالا و مقاومت حرارتی بالا برای بقا در دمای اتوکلاو

۷. مدیریت آب و آلاینده های سیستم بسته

علت چالش

صنعت فایبر سمنت به دلیل فرآیند هاتچک، مصرف بالایی از آب دارد. چالش اساسی، بهینه سازی سیستم بازیابی آب برای امکان استفاده مجدد از آن است. با این حال، آب فرآیند پس از چندین سیکل فیلتراسیون، با مواد آلاینده مختلف غلیظ می شود که تولید محصول را مهار می کنند. کل جامدات محلول (TDS) و نیاز اکسیژن شیمیایی (COD) از مهم ترین عوامل مضر برای استفاده مجدد از آب هستند. آلودگی ناشی از خمیر سلولزی (شامل لیگنین)، سیمان های مدرن، منعقدکننده ها و سایر افزودنی ها، نگرانی اصلی برای بازیافت آب است.

راه حل

- پیاده سازی فناوری های جایگزین تصفیه آب برای کاهش TDS و CODبه سطوح قابل قبول جهت استفاده مجدد

- استفاده از سیستم های فیلتراسیون پیشرفته در نقاط مختلف تولید

- پایش مداوم کیفیت آب و تنظیم فرآیند بر اساس آن

- کاهش مصرف آب از طریق بهینه سازی فرمولاسیون و افزایش درصد جامدات دوغاب

۸. مشکلات الیاف مصنوعی در فرآیند هاتچک

علت چالش

الیاف مصنوعی مانند پلی پروپیلن (PP)، برخلاف الیاف سلولزی، توانایی جذب و نگهداشت ذرات ریز در دوغاب را ندارند تا لایه نازک فایبر سمنت را در طی فرآیند هاتچک تشکیل دهند. همچنین، بیشتر الیاف مصنوعی در دمای بالای اتوکلاو تجزیه می شوند. به همین دلیل، افزودن الیاف مصنوعی به مقدار کافی به عنوان جایگزین الیاف سلولزی در پنل ها و ورق های تولیدشده به روش هاتچک با چالش مواجه است.

راه حل

- استفاده از مخلوط سه گانه (3-mode blends) الیاف مصنوعی و سلولزی با نسبت های مهندسی شده

- به کارگیری الیاف PP با نقطه ذوب بالا، توزیع وزن مولکولی باریک و درجه بلوری بالا برای بقا در دمای اتوکلاو

- انتخاب الیاف PP با طول ۴ تا ۱۵ میلی متر (ترجیحا ۶ تا ۱۰ میلی متر) از نوع تک رشته ای با سطح مقطع دایره ای یا نامنظم

- استفاده از الیاف PP با چگالی خطی حداقل ۲٫۲ ± ۰٫۲۲ دسی تکس

۹. هوادهی دشوار و غیرقابل پیش بینی

علت چالش

هوادهی ورق های فایبر سمنت تولیدشده به روش هاتچک به دلیل ماهیت فرآیند بسیار دشوار است. مراحل متعدد و پرتنش فرآیند هاتچک از جمله هم زدن دوغاب، پمپاژ، فیلتراسیون، تشکیل لایه، جمع آوری لایه ها، خلا بالا، فشار غلتک ها و مرحله پخت اتوکلاو با فشار بالا، همگی باعث ترکیدن حباب های هوا می شوند. همچنین، دوغاب با محتوای جامد پایین، تولید حباب های هوا را با مشکل مواجه می سازد.

راه حل

- توسعه روش های جدید هوادهی متناسب با شرایط خاص فرآیند هاتچک

- استفاده از افزودنی های هوادهی تخصصی که بتوانند در دوغاب با جامد پایین عملکرد مطلوب داشته باشند

- بهینه سازی پارامترهای فرآیند (فشار، دما، زمان) برای کاهش تخریب حباب ها

- ایجاد حباب های بسته (closed cell) با توزیع یکنواخت که حداقل ۵۰٪ حباب ها از نوع بسته باشند

۱۰. یکنواختی ضعیف و ناهمسانی خواص مکانیکی

علت چالش

ورق های تولیدشده به روش هاتچک به طور ذاتی دارای نسبت پایینی بین استحکام مکانیکی در جهت عرضی نسبت به جهت طولی هستند. همچنین، محصولات لایه ای هاتچک در مقایسه با محصولات با پراکندگی همگن الیاف، استحکام پیوند بین لایه ای کمتری دارند. نمونه های آزمایشگاهی تولیدشده با ماشین های مینیاتوری هاتچک نیز به شدت از محصولات صنعتی فاصله دارند و استحکام خمشی آن ها به مراتب کمتر است.

راه حل

- اعمال فشار خارجی بر روی ورق های تازه تشکیل شده برای بهبود عملکرد مکانیکی و دوام در برابر یخ زدن و ذوب شدن

- توسعه مفهوم مواد با درجه بندی عملکردی (FGM) در ماشین های هاتچک برای بهبود عملکرد مکانیکی و کاهش هزینه های تولید

- بهینه سازی فرآیند آب زدایی و کاهش محتوای آب برای افزایش چگالی و یکنواختی

- کنترل دقیق پارامترهای فرآیند با استفاده از سیستم های پایش پیشرفته برای کاهش انحراف از مشخصات محصول

- استفاده از اتصال دهنده های بین لایه ای برای بهبود پیوند و کاهش ناهمسانی

جمع بندی

فرآیند هاتچک با وجود سابقه طولانی و کارایی صنعتی بالا، با چالش های متعددی مواجه است که عمدتا ناشی از جایگزینی الیاف پنبه نسوز با الیاف سلولزی و مصنوعی، ماهیت لایه ای محصولات و پیچیدگی های سیستم بسته آب می باشد. حل این چالش ها نیازمند رویکردی چندرشته ای شامل مهندسی شیمی (بهینه سازی منعقدکننده ها و اصلاح سطح الیاف)، مهندسی مکانیک (بهینه سازی طراحی تجهیزات و اعمال فشار خارجی)، مدیریت تولید (کنترل فرآیند و مدیریت آب) و تحقیق و توسعه (توسعه فرمولاسیون های جدید و الیاف مهندسی شده) است. ترکیب راه حل های فوق با پایش پیشرفته فرآیند و استفاده از فناوری های نوین مانند حسگرهای FBRM و شبکه های عصبی مصنوعی، می تواند به بهبود چشمگیر کیفیت محصولات فایبر سمنت تولیدشده به روش هاتچک منجر شود.