روان کننده دوغاب کاشی و سرامیک

مقدمه

روان کننده دوغاب کاشی و سرامیک بر پایه رزین اکریلیک نوعی افزودنی شیمیایی است که برای بهبود خصوصیات رئولوژیکی (جریان شناختی) دوغاب های سرامیکی به کار می رود. این روان کننده ها با پراکنده سازی ذرات و جلوگیری از تجمع و لخته شدن آن ها در محیط دوغاب، به کاهش ویسکوزیته و تسهیل حرکت سیال کمک می کنند. نتیجه این فرایند، بهبود جریان دوغاب در خطوط تولید کاشی و افزایش کارایی عملیات شکل دهی و تولید است. در سال های اخیر پلیمرهای محلول در آب بر پایه رزین اکریلیک به عنوان موثرترین روان سازهای دوغاب در صنعت کاشی و سرامیک شناخته شده اند. این پلیمرهای آلی (پلی الکترولیت ها) با فراهم کردن قدرت روان کنندگی بالا، پایداری، خاصیت ضد رسوبی و خواص رئولوژیکی دوغاب را بهبود می بخشند.

اهمیت روان کننده های پایه اکریلیک در صنعت سرامیک

در فرایند تولید سرامیک، تهیه دوغاب با درصد جامد بالا و ویسکوزیته کنترل شده از اهمیت بسیاری برخوردار است. روان کننده های سنتی مانند سیلیکات سدیم (آب شیشه) یا پلی فسفات ها سال ها برای پراکندن ذرات در دوغاب به کار می رفتند. هرچند این مواد با افزایش شدید pH و تشکیل بار منفی روی ذرات موجب روان شدن دوغاب می شوند، اما استفاده از آن ها همواره با چالش هایی نظیر حساسیت به ناخالصی ها، کنترل دشوار غلظت بهینه و روند افزایشی ویسکوزیته و ایجاد دوده در صورت دوز بیش از حد همراه بوده است. ظهور روان کننده های پایه رزین اکریلیک تحولی در این زمینه ایجاد کرده است. پژوهش ها نشان داده اند که نمک های پلی آکریلات (مانند پلی آکریلات سدیم یا آمونیوم) می توانند به عنوان دی فلوکولانت های (پراکند سازهای) بسیار موثر برای کنترل پایداری و سیالیت دوغاب های سرامیکی عمل کنند. این پلیمرهای اکریلیکی در مقایسه با روان کننده های غیرآلی قدیمی، با غلظت های بسیار کمتر اثر مشابه یا بهتری برجای می گذارند و تنظیم شرایط شیمیایی دوغاب (مانند pH) با آن ها آسان تر است. به بیان دیگر، با مقدار کمی افزودنی اکریلیک می توان به همان میزان روان سازی یا حتی بیشتر دست یافت که قبلاً با ترکیب مقادیر قابل توجهی سیلیکات و کربنات سدیم حاصل می شد.

از مزایای کلیدی روان کننده های اکریلیک توانایی آن ها در دستیابی به درصدهای جامد بالاتر در دوغاب و همچنین تخلیه راحت تر مواد جامد آسیاب شده از دستگاه بالمیل (آسیاب گلوله ای) است. با حضور این افزودنی ها ذرات به خوبی پراکنده شده و فواصل بین آن ها بهینه می شود؛ در نتیجه دوغاب های حاوی درصد بالاتری پودر (جامد) همچنان رفتاری روان و سیال از خود نشان می دهند. این امر علاوه بر بهبود جریان دوغاب در خطوط تولید سرامیک، موجب کاهش نیاز به آب اختلاط و در نتیجه صرفه جویی در انرژی خشک کن (اسپری درایر) می شود. کاهش آب در دوغاب به معنای زمان خشک شدن کوتاه تر، کاهش عیوبی مانند ترک خوردن در اثر خشک شدن و افزایش سرعت تولید است. همچنین، پایداری بالاتر دوغاب از لحاظ ته نشینی ذرات از دیگر مزایای این پلیمرها است که امکان نگهداری و حمل ونقل آسان دوغاب را در فرآیندهای پیوسته فراهم می کند.

ساختار و مکانیسم عملکرد روان کننده های اکریلیک

روان کننده های پایه اکریلیک عموماً پلیمرهای آنیونی محلول در آب هستند که با نام هایی چون پلی آکریلات سدیم یا پلی آکریلات آمونیوم شناخته می شوند. ساختار شیمیایی پایه آن ها شامل زنجیره ای از واحدهای مونومری اسید اکریلیک است که به صورت نمک (مثلاً سدیم) خنثی شده اند (فرمول شیمیایی کلی: -]_n CH₂-CH(COONa) [-). وزن مولکولی این پلیمرها معمولاً در محدوده ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰ گرم بر مول است. حضور گروه های کربوکسیلات (COO–) روی زنجیره پلی آکریلات، عامل اصلی عملکرد روان کنندگی این مواد است. این گروه ها روی سطح ذرات جامد معلق در دوغاب جذب شده و به آن ها بار منفی قابل توجهی می بخشند. در نتیجه، ذرات هم نام یکدیگر را دفع الکتروستاتیکی می کنند و از تجمع مجدد آنها (فلوکولاسیون) جلوگیری می شود. به بیان علمی، پلی آکریلات ها با افزایش پتانسیل زتای ذرات، نیروهای دافعه بین ذره ای را تقویت کرده و تعادل نیروهای کلوئیدی را به سمت پایداری بیشتر دوغاب سوق می دهند. افزایش فاصله بین ذرات و جلوگیری از ایجاد پل های ضعیف بین آن ها باعث می شود دوغاب رفتار روان تر (شبه پلاستیک یا نیوتنی نزدیک تر) پیدا کند و ویسکوزیته آن به میزان چشمگیری کاهش یابد.

برخی از روان کننده های اکریلیک پیشرفته تر دارای ساختار شانه ای (چندشاخه) هستند. به عنوان مثال اترهای پلی کربوکسیلات (PCE) نوعی پلی آکریلات اصلاح شده محسوب می شوند که علاوه بر زنجیره اصلی پلی آکریلاتی، شاخه های جانبی اتری (پلی اکسید اتیلن) بر روی آن ها متصل است. حضور این زنجیره های جانبی غیر یونی روی پلیمر، علاوه بر دافعه الکتروستاتیکی، یک مانع فضایی (دافعه استریک) بین ذرات ایجاد می کند. بدین ترتیب پلیمرهای شانه ای دو مکانیزم همزمان الکتروستاتیکی و استریک را برای پراکندگی ذرات به کار می گیرند. نتیجه این ترکیب، افزایش چشمگیر کارایی روان کننده است به طوری که حتی در غلظت های بسیار کم می تواند دوغاب هایی با درصد جامد بسیار بالا را پایدار و سیال نگه دارد. پژوهش ها نشان داده اند که پلی کربوکسیلات های چندشاخه می توانند ضمن حفظ پراکندگی یکنواخت ذرات، ویسکوزیته دوغاب های غلیظ را به مراتب بیش از پلی آکریلات های خطی کاهش دهند و پایداری طولانی مدت تری فراهم کنند.

تأثیر بر رئولوژی دوغاب و بهبود جریان در خطوط تولید

افزودن روان کننده های اکریلیک به دوغاب کاشی و سرامیک تأثیر مستقیمی بر رفتار رئولوژیکی آن دارد. بلافاصله پس از اضافه شدن پلی آکریلات به دوغاب، ویسکوزیته ظاهری سیستم کاهش می یابد و دوغاب روان تر می شود. این کاهش ویسکوزیته به ویژه در نرخ های برشی پایین (مانند شرایط استراحت یا جریان آهسته در لوله های انتقال) حائز اهمیت است و باعث می شود دوغاب در حالت سکون نیز رفتار سیال تری داشته باشد و پمپ پذیری آن آسان تر گردد. بهبود روانی دوغاب به کمک این افزودنی ها موجب بهبود جریان دوغاب در خطوط تولید کاشی می شود و جریان یکنواخت تری در لوله ها، نازل های اسپری درایر و تجهیزات شکل دهی فراهم می آورد. در نتیجه، مشکلاتی مانند انسداد لوله ها، نوسان در دبی جریان یا ته نشینی موضعی ذرات به حداقل می رسد.

یکی دیگر از تأثیرات مهم روان کننده های اکریلیک، کاهش تمایل به ته نشینی و جدایش فازی در دوغاب های سرامیکی است. با پراکندگی پایدار ذرات و ایجاد پوشش یونی اطراف آن ها، رسوبات جامد در کف مخازن تشکیل نشده و دوغاب برای مدت طولانی یکنواخت می ماند. این ویژگی به ویژه برای فرآیندهایی که دوغاب باید مدتی را در مخازن نگهداری شود یا در مسیرهای طولانی جریان یابد اهمیت دارد. افزایش پایداری سوسپانسیون به معنای حفظ ویژگی های دوغاب از ابتدا تا انتهای خط تولید و کاهش دورریز مواد است.

از دیدگاه عملی، استفاده از روان کننده های اکریلیک مزایای اقتصادی و فنی متعددی به همراه دارد. به عنوان نمونه، با کاربرد این افزودنی ها در بالمیل تر و آماده سازی دوغاب، بازده آسیاب بهبود می یابد؛ زیرا کاهش ویسکوزیته دوغاب مانع از تجمع خمیره گلی روی گلوله ها و جداره آسیاب شده و سایش و خردایش ذرات به شکل موثرتری انجام می شود. همچنین همان طور که پیش تر اشاره شد، توانایی دستیابی به جامد بالاتر در دوغاب، زمان و هزینه خشک کردن را در مرحله اسپری درایینگ به شدت کاهش می دهد. در مجموع، حضور روان کننده های پایه اکریلیک در فرمولاسیون دوغاب کاشی موجب یکنواختی بیشتر فرآیند تولید، کاهش مصرف انرژی و بهبود کیفیت محصول نهایی (به دلیل کاهش عیوب مرتبط با توزیع غیر یکنواخت ذرات یا حباب های هوا) می گردد.

مقایسه انواع روان کننده های اکریلیک و عملکرد آن ها

برای روشن تر شدن جایگاه روان کننده های اکریلیک، مقایسه ای بین انواع متداول این افزودنی ها ارائه می شود. جدول زیر دو نوع اصلی روان کننده اکریلیکی مورد استفاده در دوغاب های سرامیکی را به همراه مکانیزم اثر و مزایای هر کدام نشان می دهد:

همان طور که مشاهده می شود، هر دو گروه پلیمرهای اکریلیکی با مکانیسم های نسبتاً مشابه (دفع بار الکتروستاتیکی و در مورد پلیمرهای شانه ای علاوه بر آن ممانعت فضایی) عمل روان سازی را انجام می دهند. با این حال، ساختار مولکولی متفاوت آن ها بر کارایی نهایی تاثیر می گذارد؛ به طوری که پلی آکریلات های شانه ای نسل جدید قادرند عملکرد بهتری در پراکندگی ذرات ریز و سیستم های با غلظت جامد بالا ارائه دهند. انتخاب نوع روان کننده بستگی به کاربرد مورد نظر، نوع خاک و ذرات موجود در دوغاب و ملاحظات اقتصادی دارد. به عنوان مثال، در دوغاب های رس و کائولن که حاوی ذرات صفحه ای با نسبت سطح به حجم بالا هستند، استفاده از روان کننده های شانه ای ممکن است نتایج بهتری در پایدارسازی سوسپانسیون و دستیابی به حداقل ویسکوزیته داشته باشد.

نتیجه گیری

روان کننده های دوغاب کاشی و سرامیک بر پایه رزین اکریلیک به دلیل ساختار پلیمرهای آکریلاتی خود توانسته اند تحول مهمی در صنعت کاشی و سرامیک ایجاد کنند. این افزودنی ها با مکانیسم موثر پراکنده سازی ذرات (از طریق دافعه الکتروستاتیکی و ممانعت فضایی) موجب کاهش ویسکوزیته، بهبود جریان، جلوگیری از بروز ناخالصی و افزایش پایداری دوغاب در فرآیندهای مختلف تولید کاشی می شوند. بهره گیری از این روان کننده ها امکان افزایش بار جامد دوغاب، کاهش مصرف آب و انرژی، و بهبود کیفیت محصول نهایی را فراهم می کند. شواهد علمی متعددی کارایی برتر پلی آکریلات های رزینی را نسبت به روان کننده های معدنی نشان داده اند و پژوهش ها برای توسعه انواع جدیدتر و کارآمدتر (مانند کوپلیمرها یا پلیمرهای اصلاح شده) ادامه دارد. با توجه به مزایای یاد شده، استفاده از روان کننده های پایه اکریلیک به عنوان یکی از بهترین راهکارهای بهبود جریان دوغاب در خطوط تولید کاشی و ارتقای بهره وری فرآیندهای شکل دهی سرامیک توصیه می شود.

منابع

منبع 1

منبع 2

منبع 3