آسیاب کرایوژنیک
چکیده
این مقاله فرایند های آسیاب مواد الاستیک مانند لاستیک ها،پلاستیک ها،کمپوزیت ها،فلزات، واکس ها و … را مورد بررسی قرار میدهد. امروزه مقدار زیادی دور ریز از این متریال در محیط پیدا میشود که برخی از آن ها مانند مانند پلاستیک،لاستیک مصنوعی و کومپوزیت ها میتوانند مخاطرات زیست محیطی زیادی را در پی داشته باشند.ترمو پلاستیک ها را نمیتوان در دمای عادی محیط (Ambient temperature) به اندازه ها ریز (میکرون) تبدیل کرد چرا که در این حالت بصورت توده در می آیند و باعث گرفتگی منافذ می شوند. در خردایش کرایوژنیک وقتی ترموپلاستیک ها در اثر مواد برودتی مانند نیتروژن مایع،یخ خشک و دی اسکید کربن مایع بصورت شکننده در می آیند،میتوان براحتی آن ها را به ذرات ریزتر تا حد سوپر فاین تبدیل کرد. این مواد را میتوان بعد از خردایش و ریز شدن اندازه ذرات در پاشش های الکتور استاتیک (Electro static spraying ) و سایر فرایند های پودری مورد استفاده قرار داد. از جمله مزایای این روش خردایش افزایش بهره وری با بهبود اندازه ذرات،جلوگیری از ایجاد رسوبات ، کیک شدن محصول درون آسیاب و کاهش مخاطراتی نظیر آتش گرفتن محصول و اکسیده شده بر اثر خردایش می باشد.
معرفی
واژه ‘Cryogenics’ یک واژه یونانی به معنی تولید و خلق با استفاده از سرما می باشد. در واقع مطالعه تولید و رفتار مواد در دماهای بسیار پائین است. البته شرایط دمای خاصی برای کرایوژنیک در نظر گرفته نشده است اما دانشمندان معتقدند که این شرایط از دمای -۱۵۰ درجه تا -۲۳۸ درجه می باشد. بیشترین عناصری که برای رساندن مواد به این حالت استفاده می شود نیروژن مایع می باشد. دلیل این مطلب خنثی بودن این ماده در طبیعت است. این قبیل مواد را در تانک های استوانه ای نگهداری می کنند. هدف ما از انتشار این مطلب استفاده از این تغییرات (کرایوژنیک کردن مواد) در رفتار مواد و خردایش آن ها به ذرات سوپر فاین می باشد. خردایش به روش کرایوژنیک میتواند سخترین مواد را آسیاب کند و مواد با ترکیبات چندگانه را قابل بازیافت نماید. همچنین مشکلات رایج در آسیاب مواد الاستیک که از جمله آن ها میتوان به ایجاد کشش و استرس در مواد،کاهش عمر آسیاب،افزایش دما و کاهش گرید مواد مانند اکسیداسیون مواد و … را برطرف می کند.
خردایش کرایوژنیک به فرایندی گفته میشود که طی آن دمای مواد تا حدی پائین می آید که مواد بسیار شکننده می شوند و سپس با استفاده از آسیاب های معمول پودر می شوند. در این روش مواد قبل یا در حین آسیاب شدن با استفاده از مایعات برودتی سرد می شوند. این روش تمام مشکلات مربوط به آسیاب مواد الاستیک مانند پلی اتلین ها،واکس هل،لاستیک ها و … را برطرف می کند.
خردایش برودتی یا Cryogenic grinding که با نام های خردایش در حالت انجماد،کرایو میلینگ نیز شناخته میشود به حالتی از آسیاب مواد گفته می شود که طی آن مواد منجمد و سپس ذرات آن ها به اندازه های کوچکتر تبدیل می شوند. بعنوان مثال ترموپلاستیک ها را نمیتوان در دمای معمولی محیط آسیاب به حالت میکرونیزه شده یا پودر در آورد چراکه در حین آسیاب بجای ریزتر شدن بهم چسبیده و بصورت توده در میایند. اما وقتی با استفاده از عناصری مانند نیتروژن مایع،یخ خشک و دی اکسید کربن مایع دمای آن ها را کاهش دهیم و شکننده کنیم،میتوان آن ها را با استفاده از آسیاب هایی که برای مواد معدنی استفاده می شوند، بصورت پودر فاین درآوریم و در بحث اسپری الکترواستاتیک و یا سایر فرایند های فراوری پودر از ترموپلاستیک ها از آن استفاده کنیم. این نوع روش آسیاب توسط زیست شناسان میکروبی برای خردایش گیاهان و بافت حیوانات نیز استفاده می شود. برای نمونه هایی که در دمای عادی محیط بصورت انعطاف پذیر می شوند، خردایش کرایوژنیک میتواند تنها راه حل برای تولید پودر میکرونیزه از این نمونه ها باشد.
آسیاب انجمادی
آسیاب انجمادی یک نوع از آسیاب های کرایوژنیک می باشد که در آن از یک محفظه استوانه شکل استفاده میشود. در این روش ماده مورد نظر درون یک محفظه استوانه ای شکل قرار گرفته و سپس تکان هایی در ۲ جهت عقب و جلو به آن داده می شود. درون محفظه نیز گلوله های خردایش ریخته می شود و مایع خنک کننده درون استوانه بصورت یکنواخت تزریق می شود. با توجه به دمای فوق پایین و حساسیت های پیشبینی شده برای قطعات در این دمای کاری، از کمترین قطعلات متحرک در این آسیاب استفاده می شود که باعث افزایش ثبات و دوام دستگاه می شود.
نحوه کار آسیاب ها کرایوژنیک
مواد مورد نظر در هاپر ریخته شده و سپس با استفاده از روتاری ولو بصورت یکواخت وارد ورودی اسکرو کانوایر می شود. در اینجا نیتروژن مایع روی مواد اسپری می شود . میزان در معرض قرار گیری مواد در برابر نیتروژن مایع را میتوان با تنظیم دور اسکرو متغیر ساخت. مواد بعد از تماس با نیتروژن مایع و رسیدن به دمای خردایش مورد نظر وارد آسیاب شده و پودر می شوند. در قسمت زیر آسیاب نیز یک عدد مکنده سانترفیوژی گاز نیتروژن را به چرخه بر میگرداند.
پلیمرها و ترموپلاستیک های گوناگون در آسیاب های معمول بر اثر حرارت خردایش ذوب می شوند و پودر فاین بدست نمی آید، در صورتی که گاز های کرایوژنیک با خنک سازی اسکرو کانوایر که نقش انتقال مواد به داخل محفظه خردایش را دارد ، مواد را شکننده و از این اتفاق جلوگیری میکنند.
کرایومیل آزمایشگاهی
در این آسیاب از یک محفظه کوچک از جنس استیل ضد زنگ با بهرتین گرید (۳۲۰) استفاده می شود، محفظه بصورت یک استوانه می باشد. درون آن یک توپ فولادی یا سرامیکی قرار داده میشود و مقداری مشخصی نیتروژن مایع نیز بدرون آن تزریق می شود. میزان نیتروژن مایع به میزانی است که دمای داخل استوانه را همیشه ۱۹۶- درجه سانتیگراد نگه میدارد. با تکاندن استوان توسط بازو مکانیکی توپ داخل استوانه در برخورد با مواد باعث پودر شدن آن ها می شود.
مزایای خردایش کرایوژنیک
- افزایش بهره وری با تولید اندازه ذرات بهینه و افزایش میزان حجم تولید.
- حذف لایه سازی مواد درون آسیاب
- کاهش اصطکاک قطعات آسیاب
- جداسازی متریال مرکب درون آسیاب
- کاهش مصرف انرژی
- اندازه ذرات سوپر فاین
- توزیع اندازه ذرات یکپارچه تر
- کاهش هزینه های خردایش
- افزایش خواص مواد به دلیل پودر سوپر فاین تولید شده
- کاهش آلاینده های میکروبی
- کاربردهای خردایش کرایوژنیک
- خردایش کرایوژنیک فولاد
- ترموپلاستیک ها و ترموست ها
- چسب ها و واکس ها
- خردایش مواد منفجره (برای خردایش مواد منفجره زیر دمای اشتعال پذیری آن ها)
- کاربرد های دیگر
- دانه بندی سوپر فاین ترموپلاستیک ها و الاستمورها
- متریال حساس به اکسیداسیون
- کاربرد در بازیافت مواد زائد همراه با جداسازی مواد از هم
- کاربرد در میکرو بایولوژی که طی آن گیاهان و یا گوشت حیوانات پودر می شوند.
چشم انداز
هزینه متریال خام و انرژی روز به روز در حال افزایش است، به همین خاطر استفاده از میزان بهینه و همزمان رسیدن به کیفیت مورد نیاز ضروری می باشد. با استفاده از تکنیک های خردایش کرایوژنیک میتوان به این مورد دست پیدا کرد. با استفاده از این تکنیک ها همچنان میتوان مواد سخت و کمپوزیت ها را بازیافت نمود. با وجود مزایای زیاد این نوع آسیاب ها در مقابل آسیاب های معمول، میتوان ارزش افزوده بیشتری را ایجاد کرد. با توجه به اینکه این تکنیک مشکلات مربوط به خردایش مواد نرم و الاستیک را حل میکند، میتوان به بازیافت بهتر مواد غیر قابل تجزیه امیدوارتر بود.
نتیجه گیری
از این مطلب میشود نتیجه گرفت که این روش خردایش بهتری را در پی دارد،کمترین و یا هیچ گرمایی تولید نمی شود که خود باعث حفظ کیفیت و جلوگیری از کاهش گرید متریال ها می شود. همچنین دستیابی به اندازه ذرات سوپر فاین با ضریب توضیع اندازه ذرات یکپارچه نیز با این روش آسیاب ممکن می باشد. همچنین به دلیل اینکه خردایش در فضای بی اثر انجام می شود، متریال از اکسیداسیون و خشکی در امان هستند. همچنین هزینه های خردایش و مصرف انرژی نیز کمتر شده است. ضریب تولید نیز افزایش یافته است.
