Quy trình sản xuất vải không dệt PP của phân xưởng gồm các khâu chính là: khâu đùn thổi tạo sợi và khâu thu cuộn vải và khâu cắt vải lưu kho. Về phần quy trình công nghệ sản xuất được thiết lập trên mô hình máy sản xuất vải không dệt thuộc Trung tâm nghiên cứu và ứng dụng vật liệu Polyme-Trường Đại Học Bách Khoa HCM
4.2.1. Quy trình đùn phun tạo sợi
Khi nhận được kế hoạch sản xuất, điều quan trọng đầu tiên là khâu kiểm tra máy móc thiết bị và nguồn nguyên liệu. Nếu thiết bị không đảm bảo thì cần sửa chữa và vệ sinh sạch sẽ, để không xảy ra trường hợp xấu nhất làm gián đoạn dây chuyền sản xuất cũng như đảm bảo an toàn cho người lao động. Kiểm tra nguồn nguyên liệu, để đảm bảo cung cấp đủ nguyên liệu theo đơn pha chế cho quá trình sản xuất.
Sau khi kiểm tra, nguyên liệu PP được đổ vào một thùng nhựa lớn, sau đó được hút lên bồn chứa của máy trộn bằng bộ phận hút chân không. Còn các phụ gia F.T WAX (chất trợ gia công ), phụ gia AnStatic 90 (chất khử tĩnh điện) theo đơn pha chế cho vào 2 bình chứa trên máy trộn buồng đứng. Ở đây máy trộn buồng đứng sẽ tự động nạp nguyên liệu và phụ gia theo đơn phối liệu đã được lập trình từ trước sau đó tiến hành trộn đều trước khi đưa hỗn hợp xuống đầu nạp nguyên liệu.
Tại đầu nạp nguyên liệu vào trục vít có gắn một nam châm để hút các kim loại có lẫn trong nguyên liệu (chủ yếu là sắt).
Tiếp theo, nguyên liệu được đưa xuống vùng nạp liệu (các vùng điện trở được cài nhiệt độ tăng dần từ lớp 1 đến lớp 4 để nhựa trộn, nhựa hóa và nóng chảy đều). Nhiệt độ cài đặt cho xy-lanh của trục vít:
• Nhiệt độ vùng nạp liệu: T1 = 180oC
• Nhiệt độ vùng nén ép : T2 = 200oC
• Nhiệt độ vùng nhựa hóa : T3 = 220oC
• Nhiệt độ vùng định lượng: T4 = 240oC
Trước khi polyme nóng chảy đi vào các khe của đầu khuôn phun sợi, nhựa nóng chảy được đi qua một tấm lưới lọc để lọc lại những hạt nhựa, tạp chất chưa kịp nóng chảy, đồng thời để tăng áp lực đầu khuôn làm tăng lực đẩy nhựa ra khỏi vít xả, tăng trở lực áp suất của máy giúp quá trình nhựa hóa tốt hơn .
Sau khi polyme nóng chảy đi qua tấm lọc thì được phân phối vào đầu khuôn, tính đồng nhất của bề mặt vải phụ thuộc phần lớn vào thiết kế và chế tạo của đầu khuôn. Do đó, việc chế tạo đầu khuôn tạo sợi yêu cầu công nghệ kỹ thuật cơ khí vô cùng chính xác nên rất tốn kém.
Không khí tốc độ cao được tạo ra bằng máy nén khí. Lưu lượng khí dùng để thổi được đưa qua một bộ gia nhiệt như thùng gia nhiệt, để làm nóng không khí đến nhiệt
28 độ mong muốn dể duy trì nhựa PP luôn đạt trạng thái nóng chảy khi ra khỏi đầu khuôn. Khí được thoát ra từ phía trên và phía dưới của khuôn thông qua các khe hở. Ngay khi polyme nóng chảy được đùn ra từ đầu khuôn tạo sợi, các luồng không khí nóng tốc độ cao (thoát ra từ phía trên và phía dưới của đầu khuôn) làm suy yếu các luồng polyme để tạo thành các vi sợi. Khi luồng không khí nóng chứa các vi sợi tiến tới bề mặt của máy cuộn thu vải, nó hút một lượng lớn không khí xung quanh (còn gọi là không khí thứ cấp) làm mát và hóa cứng các sợi. Tại màn chắn hứng sợi của máy cuộn vải. Các sợi PP kích thước µm sau khi được làm cứng sẽ được phân phối ngẫu nhiên, không có tính đính hướng, chồng chất lên nhau, tạo thành một mạng không dệt tự liên kết với nhau. Các sợi thường được sắp xếp ngẫu nhiên thường bị rối cao do sự nhiễu loạn trong luồng không khí. Và khi tiến hành nghiên cứu sự sắp xếp của các sợi PP trong tấm vải không dệt bằng cách chụp ảnh SEM người ta nhận thấy rằng sẽ có 3 cách liên kết sợi trong tấm vải không dệt đó là: Các sợi xếp xen kẽ với nhau, các sợi bị dính lại và các sợi có chung một đầu hay còn gọi là bị phân nhánh [13].
Hình 4.2. Hình ảnh chụp SEM của một mạng polypropylene nóng chảy được thổi ở
nhiệt độ 207OC, khoảng cách giữa đầu thu vải và đầu khuôn là 0,16 m và lưu lượng khí thổi là 10,5 m3/phút. (A) Các sợi bị dính do nhiệt; (B) phân nhánh; (C) xen kẽ
29 Ngoài ra khi thay đổi tốc độ của dòng khí cũng sẽ có sự thay đổi rõ dệt trong cấu trúc của tấm vải không dệt được thể hiện ở hình dưới đây [14]:
Hình 4.3. Hình ảnh chụp SEM của một mạng polypropylene nóng chảy được thổi ở
nhiệt độ 230OC, khoảng cách giữa đầu thu vải và đầu khuôn là 0,3 m và lưu lượng khí thổi được thay đổi: (A) 4,5m3/phút ; (B) 7,4 m3/phút; (C) 10,5 m3/phút. Tốc độ của lồng thu vải và tốc độ hệ thống cuộn vải di chuyển qua lại trên trục có phương vuông góc với hướng thổi sợi có thể thay đổi để tạo ra nhiều loại vải Meltblown với trọng lượng tùy theo yêu cầu sản xuất. Ngoài ra có thể sẽ có một máy hút chân không có thể được đặt vào bên trong bộ thu để hút khí nóng cũng như tăng cường quá trình sắp xếp sợi lại với nhau.
30
4.2.2. Quy trình thu cuộn vải và lưu trữ
Sau khi các vi sợi được liên kết với nhau tạo thành tấm vải không dệt PP, tấm vải này sẽ được kéo qua các trục con lăn quay có tác dụng kéo căng bề mặt tấm vải sang 2 bên cũng như ép các sợi PP trên bề mặt tấm vải lại với nhau và cắt bỏ hai mép ngoài vải. Phần vải bên trong sau khi cắt sẽ được dán lên lõi các tông, cuộn lại tới kích thước 2000m thì được cắt bỏ chuyển sang đóng gói bảo quản bằng ni lông chuyển vào kho lưu trữ 1 đợi cắt.
Hình 4.5. Quá trình cuộn vải Melt Blown
Việc bảo quản sản phẩm trong kho cũng hết sức quan trọng: phải bảo quản nơi khô ráo, thoáng mát, tránh mưa nắng làm biến đổi tính chất của sản phẩm. Các lớp phải được xếp ngay ngắn, gọn gàng để đảm bảo an toàn phòng cháy chữa cháy.
4.2.3. Quy trình cắt vải và lưu kho
Các cuộn vải không dệt sau khi được đưa vào kho lưu trữ sẽ được đưa qua xưởng cắt để cắt vải theo các khổ thông thường trên thị trường hay theo yêu cầu của phía đối tác, khách hàng và đại lí. Các cuộn vải sau khi cắt sẽ được đưa qua kho lưu trữ 2 và đợi xuất hàng khi có lệnh.
31
CHƯƠNG 5. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Cân bằng vật chất nhằm để xác định lượng nguyên liệu PP và phụ gia cần để cung cấp cho dây chuyền sản xuất trong một ca, một ngày, một tháng, một năm. Từ đây, các số liệu trong chương tính toán cân bằng vật chất này sẽ là cơ sở để xác định khối lượng nguyên vật liệu cho cho sản xuất, số nguyên liệu dự trù, tính toán lựa chọn thiết bị để sản xuất sản phẩm theo kế hoạch, tính toán được năng lượng để cung cấp cho quá trình sản xuất.
Tính toán cân bằng vật chất gồm các bước sau:
• Năng suất thiết kế cho từng sản phẩm.
• Định mức tỷ lệ hao hụt.
• Xác định lượng bán thành phẩm cho từng loại sản phẩm.
• Xác định cụ thể từng nguyên liệu, phụ gia sử dụng. Đầu tiên ta tính toán số ngày làm việc trong năm:
NLv = N − ( N1 + N2 + N3) NLv: Số ngày làm việc trong năm (ngày)
N: Số ngày trong năm (ngày)
N1: Số ngày nghỉ hàng tuần trong năm (ngày) N2: Số ngày nghỉ lễ trong năm (ngày)
N3: Số ngày bảo dưỡng thiết bị trong năm (ngày)
Bảng 5.1. Bảng thống kê số ngày nghỉ và làm việc trong năm
STT Đơn vị Giá
trị
1 Số ngày trong một năm Ngày 365
2 Số ngày nghỉ hàng tuần trong năm Ngày 52
3 Số ngày nghỉ lễ trong năm Ngày 10
4 Số ngày bảo trì máy móc Ngày 4
5 Số ngày làm việc trong năm Ngày 299
6 Số giờ làm việc trong một ca Giờ 8
7 Số ca làm việc trong một ngày Ca 3
8 Tổng số giờ làm trong một năm Giờ 7.176
Bố trí làm việc theo 3 ca:
• Ca 1: Từ 6h00 đến 14h00
• Ca 2: Từ 14h00 đến 22h00
32 Một năm sẽ có 2 đợt bảo trì, điều chỉnh máy móc, mỗi đợt cách nhau 6 tháng, rơi vào đầu tháng 2 và đầu tháng 8.
Vậy số ngày nghỉ để bảo trì máy móc mỗi đợt là 2 ngày.
5.1. Tính toán năng suất của nhà máy 5.1.1. Khối lượng cho từng loại sản phẩm
• Tính khối lượng của VKD PP25 cho một cuộn
Diện tích của một cuộn vải:
S một cuộn = Chiều rộng × Chiều dài = 1,6 × 2000 = 3200 (m2)
Định lượng của sản phẩm VKD PP25 là 25 g/m2
Khối lượng của một cuộn VKD PP25 ( tính theo gam) : m một cuộn = S một cuộn× gsm
= 3200 × 25 = 80.000 (g)
Khối lượng của một cuộn VKD PP25 tính theo kg là : 80 kg
• Tính khối lượng của VKD PP40 cho một cuộn
Diện tích của một cuộn vải:
S một cuộn = Chiều rộng × Chiều dài = 1,6 × 2000 = 3200 (m2)
Định lượng của sản phẩm VKD PP40 là 40 g/m2
Khối lượng của một cuộn VKD PP40 (tính theo gam) : m một cuộn = S một cuộn × gsm
= 3200 × 40 = 128.000 (g)
Khối lượng của một cuộn VKD PP25 tính theo kg là : 128 kg
Bảng 5.2. Khối lượng của cuộn VKD PP (tính theo kg)
STT Tên sản phẩm Khối lượng một cuộn vải (kg)
1 VKD PP25 80
2 VKD PP40 128
( Khối lượng trên không bao gồm lõi bìa cát tông hình trụ)
5.1.2. Tính toán năng suất thiết kế của nhà máy
Năng suất thiết kế của nhà máy là 300 tấn/năm trong đó năng suất theo lý thuyết được tính theo năm, theo ngày, theo giờ được tính theo VKD PP25 và VKD PP40 được tính như sau:
33
Bảng 5.3. Năng suất lý thuyết theo khối lượng (đơn vị tấn) STT Tên sản phẩm Năng suất
(tấn/năm) Năng suất (tấn/ngày) Năng suất (tấn/giờ) 1 VKD PP25 150 0,501 0,0209 2 VKD PP40 150 0,501 0,0209
Bảng 5.4. Năng suất lý thuyết theo khối lượng (kg) STT Tên sản phẩm Năng suất
(kg/năm) Năng suất (kg/ngày) Năng suất (kg/giờ) 1 VKD PP25 150.000 501,67 20,90 2 VKD PP40 150.000 501,67 20,90
Bảng 5.5. Năng suất lý thuyết theo mét (mét) STT Tên sản phẩm Năng suất
(m/năm) Năng suất (m/ngày) Năng suất (m/giờ) 1 VKD PP25 3.750.000 12.541,81 522,58 2 VKD PP40 2.343.750 7.838,63 326,61
Bảng 5.6. Năng suất lý thuyết theo cuộn (cuộn) STT Tên sản phẩm Năng suất
(cuộn/năm) Năng suất (cuộn/ngày) Năng suất (cuộn/giờ) 1 VKD PP25 1.875 6,27 0,26 2 VKD PP40 1.171,88 3,92 0,163
34 5.2. Định mức tỉ lệ hao hụt Nhựa PP Phụ gia Cân định lượng Trộn nguyên liệu Máy đùn phun Cuộn vải Lưu trữ Kiểm soát chất lượng Không đạt Tạo màng Đạt Phế Phẩm Cắt vải theo khổ yêu cầu Cuộn vải thành phẩm Lưu kho Đổ vào thùng Cắt mép vải
Hình 5.1. Sơ đồ quy trình sản xuất VKD PP kèm tỉ lệ hao hụt
a = 0,005%
b = 0,13%
c = 0,002%
d = 0,05%
35 Các tỉ lệ hao hụt dự tính trong suốt quy trình sản xuất trong một năm:
• a=0,005% là hao hụt dự kiến khi công nhân tiến hành đổ bao nhựa 25kg vào bồn chứa nguyên liệu sẽ có một lượng nhỏ hạt nhựa còn dính lại trong kẽ bao hay bị đổ ra ngoài.
• b=0,13% là hao hụt dự đoán do 2 lần dừng máy để bảo dưỡng nên cần một lượng nguyên liệu cho vào để súc rửa trục vít, cũng như xy lanh.
• c=0,002% là hao hụt dự kiến do khi phun tạo sợi vào lồng hứng do chuyển động hỗn loạn nên có nhiều vi sợi bị bay vào không gian.
• d=0,05% là hao hụt dự kiến do sau mỗi ngày nghỉ khi cho thiết bị hoạt động lại thì lượng sản phẩm sợi đầu tiên ra bị lỗi.
• e=1,9% là hao hụt do khi vải tạo thành tấm trên lồng cuộn thì ở 2 bên mép vải sắp xếp không đồng nhất nên tiến hành cắt bỏ đi phần đó.
Hao hụt tính theo khối lượng của quy trình sản xuất trong một năm:
Gọi: mf là khối lượng nguyên liệu cần để sản xuất 300 tấn sản phẩm khi chưa có hao hụt, chính bằng khối lượng sản phẩm là 300 tấn.
H% là hiệu suất của cả quá trình sản xuất.
Do quá trình sản xuất là liên tục, hao hụt nguyên liệu của giai đoạn trước ảnh hưởng trực tiếp đến giai đoạn sau, nên hiệu suất của cả quá trình sản xuất bằng tích của hiệu suất trong từng giai đoạn sản xuất [6].
H% = [(100-a)% × (100-b)% × (100-c)% × (100-d)% × (100-e) %] × 100 = 97,92
Trong từng giai đoạn sản xuất luôn xảy ra hao hụt về nguyên liệu, vì vậy để đảm bảo đến giai đoạn cuối cùng ta thu đủ năng suất đặt ra là 300 tấn/năm ta cần phải cung cấp một lượng nguyên liệu đầu vào lớn hơn, gọi khối lượng nguyên liệu đầu vào là mo, mo sẽ được xác định dựa trên mf và H%.
mf = mo × H% → mo = 𝑚𝑓
H% = 300
97,92% = 306,38 (tấn/năm)
Việc tính toán cân bằng vật chất phải tuân theo nguyên tắc cơ bản sau:
∑ vật chất đầu vào = ∑vật chất đầu ra + ∑tổn thất
Bảng 5.7. Khối lượng nguyên liệu theo đơn pha chế cho 1 năm sản xuất STT Nguyên liệu Phr Khối lượng nguyên liệu (tấn)
1 Nhựa PP 100 300,26
2 F.T WAX 1,53 4,59
3 AnStatic 90 0,51 1,53
36
5.3. Khối lượng nguyên vật liệu và phụ gia sử dụng
Trong một năm sản xuất, khối lượng từng nguyên liệu thực tế theo đơn pha chế cho sản phẩm VKD PP25 và VKD PP40 là:
Bảng 5.8. Tổng kết nguyên vật liệu trong 1 ngày cho VKD 25 và VKD 40 Nguyên liệu Một ngày (Tấn) Một ca (kg) Một giờ (kg)
Nhựa PP 1,00421 334,74 41,84
F.T WAX 0,01536 5,12 0,6402
AnStatic 90 0,00512 1,71 0,2133
37
CHƯƠNG 6. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
6.1. Nguyên tắc lựa chọn thiết bị
Sau khi đã tính toán xong lượng nguyên vật liệu ta tiến hành lựa chọn thiết bị, máy móc cho quá trình sản xuất và phải đạt được các yêu cầu sau:
• Hiệu quả sử dụng cao, ít tiêu hao năng lượng, phạm vi sử dụng rộng.
• Có khả năng làm việc liên tục hoặc gián đoạn tùy theo yêu cầu quy trình sản xuất của nhà máy.
• Thao tác vận hành, bảo trì cũng như sửa chữa thay thế dễ dàng không quá phức tạp và máy phải có độ an toàn cao.
• Chi phí thiết bị, máy móc phù hợp với vốn đầu tư.
6.2. Thiết bị chính
6.2.1. Máy trộn nguyên liệu
Máy trộn buồng đứng dùng để trộn các nguyên liệu nhựa dạng hạt, masterbatch hoặc bột lại với nhau, máy trộn là công cụ hỗ trợ có vai trò lớn cho dây chuyền sản xuất VKD bởi vừa tiết kiệm được sức lao động mà hiệu quả lại cao. Nguyên liệu sẽ được cho vào máng thùng chứa, máy sẽ hút nguyên liệu, còn phụ gia được bỏ trực tiếp vào các thùng chứa trên máy trộn và định lượng theo khối lượng như mong muốn, sau đó nguyên liệu đi xuống buồng trộn để trộn chúng đều với nhau, sau đó nguyên liệu sau khi trộn sẽ xả vào phễu nhập liệu của máy đùn.
Chọn máy trộn buồng đứng Pre-mixer type KK của công ty Koch Technik, Đức.
38
Bảng 6.1. Thông số kỹ thuật máy trộn và định lượng Pre-mixer type KK
Model Pre-mixer type KK
Năng suất (kg/giờ) 25
Kích thước (dài×rộng×cao) (m) 0,880 × 0,7 × 0,85
Công suất (kW) 0,1
Số cửa nạp vật liệu vào buồng 3
Dựa vào bảng tính toán tổng số nguyên liệu và phụ gia dùng cho một năm, một ngày và một giờ để đạt được năng suất theo lý thuyết đã ở chương 5. Thì ta có khối lượng nguyên liệu và phụ gia cần sử dụng để sản xuất trong 1 giờ là 41,84 kg.
Với việc ta sử dụng máy trộn Pre-mixer type KK với công suất 25kg/giờ thì: Số máy trộn = 41,84
25 = 1,67 máy
→ Vậy ta cần phải sử dụng số máy trộn là: 2 máy. Hiệu suất sử dụng máy là: H = 1,67
2 ×100 % = 83,5%
6.2.2. Máy đùn
Dựa vào năng suất thiết kế ta phải hiểu các thông số dòng máy đùn có trên thị trường từ đó chọn máy đùn phù hợp với năng suất cũng như phù hợp với khả năng