Door naar hoofdmenu
ASI-lijmenAfdichtmiddelenViscositeit

ASI Magazine: realtime monitoring van lijm- en afdichtingseigenschappen

Realtime monitoring van lijm- en afdichtingseigenschappen

Nieuwe instrumenten voor inline- en productietoepassingen

Een juiste afstelling van de stroomeigenschappen van kitten en thermohardende lijmen is cruciaal voor hun prestaties in sterk geautomatiseerde productieomgevingen met hoge snelheid.

Geautomatiseerde toepassing van sealers en lijmen in bijvoorbeeld de automobielproductie vereist dat voorspelbare, reproduceerbare hoeveelheden worden aangebracht, dat deze goed vloeien en op hun plaats blijven tijdens de laatste uithardingsperiode. In de grafische industrie wordt het lamineren van plastic films gedaan op gespecialiseerde hogesnelheidsmachines die een nauwkeurige controle van de lijmviscositeit vereisen. Harsen die worden aangebracht op vezeltextiel en matten om composiet prepregs te maken, vereisen een exacte fasering van de matrixhars.

Stromingskenmerken van sealers en lijmen worden traditioneel gemeten door middel van een reometer, een delicaat precisielaboratoriuminstrument dat een ervaren operator vereist om nauwkeurige en consistente resultaten te geven. Reometermetingen zijn tijdrovend, waardoor het gebruik ervan wordt beperkt tot harscomponenten vóór het mengen, en in het geval van langzaam uithardende systemen, kort na het mengen. En tot slot zijn de resultaten van reometrische testen in het laboratorium vaak van beperkt nut bij productiemonitoring, omdat ze inzicht geven in het verleden in plaats van in de huidige staat van het materiaal dat wordt toegepast.

Viscosimeters op basis van trillende elementen bieden een levensvatbaar alternatief voor reometrische metingen. Ze geven snelle, consistente metingen en zijn vooral geschikt voor inline-installaties. Resonantiesensoren kunnen direct worden geïnstalleerd in procesleidingen die afdichtmiddelen, lijmen of andere vloeistoffen vervoeren, en kunnen worden gebruikt om de kenmerken van de stromende vloeistof te bewaken, of kunnen worden aangesloten op regelsystemen die de stroomkenmerken van de vloeistof dynamisch aanpassen door toevoeging van verdunningsmiddelen of andere additieven. Een dergelijke feedbackregeling van de procesviscositeit is een bekende en beproefde methode om bijvoorbeeld de kleurnauwkeurigheid te behouden tijdens lange, hogesnelheidsruns in flexografische en diepdrukfabrieken. [1]

Figuur 1. Inline-viscositeitsmeter (links) en geïnstalleerd in een stroomlijnadapter voor inline-toepassingen.Figuur 1. Inline-viscositeitsmeter (links) en geïnstalleerd in een stroomlijnadapter voor inline-toepassingen.

Figuur 1. Inline-viscositeitsmeter (links) en geïnstalleerd in een stroomlijnadapter voor inline-toepassingen.

Lijmen en afdichtingsmiddelen vormen een extra uitdaging voor viscositeitsmeting en -regeling vanwege hun sterk niet-Newtoniaanse vloei-eigenschappen. Een Newtonse vloeistof vertoont dezelfde viscositeit, ongeacht de spilsnelheid van een roterend instrument, zoals een reometer of viscositeitsmeter. Niet-Newtoniaanse vloeistoffen zijn gevoelig voor afschuifsnelheid - hun gemeten viscositeit hangt af van de spilsnelheid van een roterende reometer of van de trillingskenmerken van een apparaat op basis van een mechanische resonator.

Afschuifafhankelijk gedrag is essentieel voor de meeste lijmen en kitten. Ze moeten vrij kunnen vloeien wanneer ze op de ondergrond worden aangebracht, maar moeten op hun plaats blijven totdat ze volledig zijn uitgehard, zonder te verzakken of uit de voeg te druppelen. Dergelijke materialen zijn niet alleen afhankelijk van de afschuifsnelheid, maar kunnen een bepaalde hoeveelheid kracht vereisen om ze in beweging te krijgen. Ze gedragen zich als vaste stoffen wanneer ze ongestoord zijn, maar wanneer een bepaalde vloeispanning wordt overschreden, stromen ze als vloeistoffen. En ze kunnen tijdsafhankelijk zijn, of thixotroop, die vloeibaar blijven nadat ze zijn afgeschoven en pas na een bepaalde hersteltijd terugkeren naar vaste vorm.

Reometers (en in mindere mate roterende viscositeitsmeters) zijn in staat een hele reeks metingen te geven die het gedrag van zelfs complexe niet-Newtoniaanse vloeistoffen in een laboratoriumomgeving volledig kunnen karakteriseren. Interpretatie van reometrische gegevens om het werkelijke gedrag van deze complexe materialen te voorspellen is een uitdaging en vaak niet gemakkelijk toepasbaar op industriële processen. Aan de andere kant genereren sensoren die afhankelijk zijn van trillende elementen: een punt afmetingen; ze lezen een schijnbare viscositeit af bij een enkele waarde van de afschuifsnelheid die vaak aanzienlijk hoger is dan de afschuifsnelheden die worden gebruikt in roterende instrumenten. Om deze reden komen metingen op niet-Newtonse vloeistoffen met resonante viscositeitsmeters meestal niet overeen met die van roterende instrumenten. Ondanks dit verschil in aangegeven viscositeiten tussen de twee soorten instrumenten, zijn vibratieviscositeitsmeters waardevol gebleken voor het bewaken en regelen van de viscositeit van sterk niet-Newtoniaanse vloeistoffen.

Er zijn twee toepassingsgebieden waarin het gemak en de robuustheid van trillingsviscositeitsmeters ze ideaal maken voor het bewaken en regelen van lijmen en kitten. De eerste is inline viscositeitsbewaking voor applicators. De tweede is het bewaken van de uitharding voor batchbewerkingen waarbij het van cruciaal belang is om te detecteren wanneer een gemengde batch materiaal het einde van de verwerkingstijd nadert.

Inline viscositeitsbewaking voor applicators

Afdichtmiddelen moeten vrij kunnen vloeien tijdens het applicatieproces, maar mogen niet uitlopen of uitzakken na het aanbrengen voordat ze volledig zijn uitgehard. Dit vereist dat de effectieve viscositeit van het materiaal in hoge mate afschuifafhankelijk moet zijn, een lage viscositeit moet hebben onder de hoge afschuifsnelheden die optreden in de lijnen die de applicator bedienen en in het applicatormondstuk zelf, en een hoge viscositeit, of zelfs een vloeigrens na het doseren .

Ondanks het belang van de stroomeigenschappen van lijmen en afdichtmiddelen, met name in het geval van automatische dosering en applicatie op hoge snelheid, is er weinig of geen informatie beschikbaar over inline instrumentatie die wordt toegepast om de lijm- en afdichtmiddelconsistentie te bewaken of te controleren.

Rheonics heeft SRV inline-viscositeitsmeters geïnstalleerd in een snelle lamineerpers waarin viscositeitscontrole essentieel is. De bediener van de pers heeft roterende viscositeitsmeters geprobeerd om de viscositeit van de lijm te controleren, maar vervuiling van de roterende delen door gedroogde lijm maakte het gebruik ervan onpraktisch. Momenteel worden effluxcups gebruikt voor viscositeitsbewaking, maar deze zijn opmerkelijk onnauwkeurig en zijn geen echte inline-meting. Het gebruik ervan is tijdrovend, waardoor frequent meten onpraktisch is en daardoor grote dan gewenste fluctuaties in de viscositeit en daarmee de vloei-eigenschappen van de lamineerlijm mogelijk zijn. Het probleem wordt verergerd bij lamineermachines met hoge snelheid, omdat de aanbrengrol meestal in een open trog met lijm loopt, waaruit het oplosmiddel voortdurend verdampt, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

Lijmreservoir in een snelle lamineermachine

Figuur 2. Lijmreservoir in een high-speed lamineermachine.

 

Net als in het geval van drukinkten in flexografische en diepdrukmachines, verhoogt deze geleidelijke verdamping geleidelijk de viscositeit van het medium, waardoor periodieke dosering van oplosmiddel nodig is om het medium te stabiliseren op een bijna constante viscositeit, waardoor een juiste toepassing tijdens lange, hogesnelheidsruns wordt gegarandeerd.

Sensoren voor vibratieviscositeit hebben resonatoren die doorgaans werken bij frequenties van enkele honderden hertz tot tientallen kilohertz, afhankelijk van het specifieke werkingsprincipe. Hoewel het niet mogelijk is om de werkelijke afschuifsnelheid te bepalen, is het bereik van de afschuifsnelheden hoog, gelijk aan of groter dan die in de doseerapparatuur. Om deze reden zijn vibrerende viscositeitssensoren nuttig voor het bewaken van de consistentie van de lijm en hoe deze zal werken tijdens het doseren.

Trillingsviscositeitsmeters werken door de demping te meten van een trilling die wordt opgewekt in een mechanische resonator die in de vloeistof is ondergedompeld. Resonatoren die worden gebruikt in vibrerende viscositeitsmeters vallen in twee algemene categorieën, die welke transversaal trillen, zoals stemvorken en vrijdragende balken, en die welke torsie trillen. Torsieresonatoren zijn bijzonder voordelig voor het meten van de hogere viscositeiten die vaak worden aangetroffen bij afdichtmiddelen en lijmen, omdat dwarstrillingen de neiging hebben sterker te worden gedempt door vloeistoffen met een hoge viscositeit. Torsieresonatoren zijn ook minder gevoelig voor hun nabijheid tot de wanden van pijpen en andere vaten, waardoor installatie-opties flexibeler worden. Wanneer viscositeiten inline met een applicatiesysteem moeten worden gemeten, kan mechanische compactheid voordelig zijn, aangezien de stroomleidingen vaak een kleine diameter hebben met relatief lage stroomsnelheden in vergelijking met andere procestoepassingen. Omdat trillingssensoren de neiging hebben om reactiekrachten in hun montage te produceren die hun gevoeligheid kunnen beïnvloeden, zijn sensoren die trillingsgebalanceerd zijn in het bijzonder vrij van omgevingsinvloeden die ongebalanceerde resonatoren beïnvloeden. Rheonics SRV inline viscometer is gebaseerd op deze gepatenteerde torsiegebalanceerde resonator. [2]

Bewaking van de uithardingsgraad in batchgemengde lijmen

Een ander belangrijk aandachtsgebied bij lijmen is het bewaken van de uithardingsgraad van lijmen en harsen. Dit is belangrijk bij lijmtoepassingen om te bepalen of een bepaalde partij materiaal de noodzakelijke mechanische eigenschappen heeft bereikt, in plaats van alleen te vertrouwen op de specificaties van de fabrikant en de aanpassing van procesparameters. Het is belangrijk bij het gieten om te bepalen wanneer het veilig is om het uitgeharde onderdeel uit de vorm te halen, en bij de fabricage van composieten om te bepalen wanneer een gelamineerd onderdeel volledig is uitgehard.

Er zijn veel methoden gepubliceerd voor het bewaken van de mate van uitharding, maar de meeste zijn gebaseerd op indirecte metingen, zoals elektrische of optische kenmerken, in plaats van directe meting van mechanische eigenschappen. Er zijn experimentele ultrasone methoden beschikbaar, maar deze zijn meestal beperkt tot zeer kleine monsters onder nauwkeurig gecontroleerde omstandigheden, aangezien de verzwakking van ultrasone golven behoorlijk groot kan zijn tijdens uithardingsprocessen [3]. Ook worden ultrasone metingen typisch uitgevoerd in het bereik van megahertz-frequenties, die voor niet-Newtoniaanse materialen hun gedrag mogelijk niet weerspiegelen bij spanningssnelheden die dichter bij die in hun echte toepassingen liggen.

Een apparaat, de Rheonics CureTrack™, wordt momenteel getest door Rheonics GmbH. Het voorspelt gelering in batches van voorgemengde lijmen en kitten. In figuur 2 hieronder is een CureTrack instrument te zien, bij gebruik in een laboratoriumproef.

 

Afbeelding 3. Een apparaat dat momenteel wordt getest, is gebaseerd op een viscositeitssensor met een Luer-conus op de punt om de aansluiting van een conventionele wegwerpdoseernaald mogelijk te maken om het gevoelige element uit te breiden.

Figuur 3. CureTrack-instrument met close-up van monsterbuisje en naaldpunt

Het CureTrack-apparaat is gebaseerd op een Rheonics SRV-viscositeitssensor met een Luer-taps op de punt om het aansluiten van een conventionele wegwerpdoseernaald mogelijk te maken om het gevoelige element uit te breiden. Door een wegwerpverlengstuk te gebruiken, wordt de sensor zelf niet blootgesteld aan de lijm; de naald kan eenvoudig worden losgemaakt en samen met het gegeleerde of uitgeharde materiaal worden weggegooid.

De CureTrack geeft twee getallen weer: de demping en de frequentie van de resonator van het instrument. De demping is afhankelijk van de viscositeit van het materiaal, terwijl de frequentie afhankelijk is van de stijfheid. De output van de CureTrack geeft daarom een ​​momentopname van het visco-elastische gedrag van het materiaal terwijl het door zijn gelerings- en uithardingsprocessen gaat.

Fig. 3 en 4 tonen de uithardingscurves van twee verschillende epoxysystemen, zoals vastgelegd door de CureTrack. De eerste is een consumentenepoxylijm met een op thiol gebaseerde verharder, Pacer Technology PT39 Z-Poxy 30 Minute Epoxy. Dit wordt gespecificeerd als een uithardingstijd van 30 minuten en wordt vaak verkocht in hobbywinkels voor modelbouw. De tweede is Axson Epolam 2017-hars met Epolam 2018-harder, een amine-uithardingssysteem dat wordt gebruikt voor gelamineerde composieten met natte lay-up. De nominale geleringstijd is 6 uur bij een hars/harder gewichtsverhouding van 100:30 bij 23 °C in een lamineerproces, waarbij het grote oppervlak exotherme verhitting en versnelling van het uithardingsproces beperkt

Figuur 4. CureTrack uithardingscurves van een snel uithardende consumentenepoxylijm Pacer Pt39 Z-Poxy. Plot toont de demping en frequentie van de CureTrack met vloeibare, gegeleerde en vaste uitgeharde fasen van de lijm.

Figuur 4. CureTrack uithardingscurves van een snel uithardende consumentenepoxylijm Pacer Pt39 Z-Poxy. Plot toont de demping en frequentie van de CureTrack met vloeibare, gegeleerde en vaste uitgeharde fasen van de lijm.

 

Figuur 5. Uithardingscurves van een langzaam uithardende epoxy lamineerhars met verharder in een gewichtsverhouding van 100:30. De grafiek toont de vloeibare, gegeleerde en vaste uitgeharde fasen van de hars.

Figuur 5. CureTrack uithardingscurves van een langzaam uithardende epoxy lamineerhars Epolam 2017 hars met 2018 verharder in 100:30 gewichtsverhouding. Plot toont de vloeibare, gegeleerde en vaste uitgeharde fasen van de hars.

 

De belangrijkste indicator van dreigende gelering is daarom een ​​snelle stijging van de aangegeven viscositeit, gevolgd door een toename van de resonantiefrequentie van de resonator van de sensor.

Deze curven tonen twee verschillende processen en drie regio's.

De processen zijn gelering en uitharding. Geleren is het proces dat wordt gekenmerkt door stijgende demping en stijgende frequentie, wat een stijging van zowel de viscositeit als de stijfheid van de hars weerspiegelt. Het materiaal gaat van een vloeibare naar een gegeleerde toestand. Uitharden, dat wordt gekenmerkt door afnemende demping en toenemende stijfheid, is het proces dat volgt op gelering, waarbij het materiaal wordt omgezet van een zeer viskeuze, kleverige massa in een stijve vaste stof. Deze processen definiëren ook drie toestanden waar het materiaal doorheen gaat tijdens gelering en uitharding:

  1. Een vloeistofgebied, waarin de stijfheid van het materiaal erg laag is, weerspiegeld in de lage en relatief constante frequentie van de CureTrack's resonator. In dit gebied is de viscositeit ook relatief laag, wat wordt aangegeven door de lage dempingswaarde.
  2. Gegeleerd gebied, waarin zowel de stijfheid als de demping van het materiaal snel toenemen. Het materiaal in dit gebied is plakkerig - het heeft een hoge viscositeit die een maximum bereikt, wat de piek van het geleringsproces aangeeft voordat het stollen begint. Het wordt stijver en vormt een rubberachtige massa voordat het definitief wordt uitgehard.
  3. Solide regio. De demping is weer gedaald tot een lage en relatief constante waarde. De resonator produceert nu voornamelijk elastische afschuiving van het materiaal, met weinig dissipatie als gevolg van viskeuze krachten.

De twee reeksen curven illustreren het vermogen van de CureTrack om het begin van het geleringsproces te detecteren, evenals het geven van kwantitatieve gegevens die het volgen van het hele uithardingsproces mogelijk maken.

Shimkin [4] heeft een uitstekend artikel gepubliceerd waarin de stand van de monitoring van lijmuitharding wordt beoordeeld. Hij concludeert dat er weliswaar een aantal methoden beschikbaar zijn om de geleringstijd te monitoren, maar dat er zowel een gebrek aan een commerciële instrumentenbasis is als aan een algemeen gebrek aan standaarden, en dus aan overeenstemming tussen de verschillende meetmethoden.

De meeste methoden die Shimkin bespreekt zijn indirect, zoals diëlektrische analyse, in die zin dat ze een eigenschap van het harssysteem meten die gecorreleerd is met zijn mechanische eigenschappen, maar niet direct de eigenschappen meten die functioneel belangrijk zijn bij de toepassing van de hars systeem. In die zin biedt elke meettechnologie die eigenschappen zoals gelering en stolling direct meet, onmiddellijke, directe feedback over de toestand van de hars.

Toepassingen van CureTrack-technologie

Directe meting van de mechanische eigenschappen van een harssysteem heeft zowel toepassingen in het laboratorium als op de fabrieksvloer, waar harsen worden gemengd, aangebracht en uitgehard in een productieomgeving.

In het laboratorium kan een robuust mechanisch analyse-instrument zoals de CureTrack-technologie zowel voor onderzoek en ontwikkeling als voor kwaliteitscontrole worden gebruikt. In het R&D-lab kan het worden gebruikt om de uithardingseigenschappen van nieuwe harsen en formuleringen te analyseren. De eenvoud en het gebruik van goedkope en wegwerpbare detectie-elementen maken het mogelijk om grote aantallen monsters economisch te analyseren zonder het risico van beschadiging van dure sensoren of uitgebreide en tijdrovende reiniging van moeilijk te verwijderen resten. Voor kwaliteitscontroledoeleinden kunnen gemengde harsmonsters in het laboratorium worden gecontroleerd zonder tijdrovende voorbereiding of opruiming.

Evenzo kan de robuustheid van de technologie voor kwaliteitscontroledoeleinden de monitoring van gemengde productiebatches naar de fabrieksvloer verplaatsen, in plaats van monsters te hoeven nemen voor laboratoriumanalyse. Instrumenten zoals de CureTrack kunnen direct in een harsemmer worden geplaatst om de staat ervan te bewaken terwijl de productie vordert, en om een ​​waarschuwingsalarm af te geven wanneer gelering dreigt, en al het resterende materiaal moet worden weggegooid voordat het stolt.

Toekomstige ontwikkeling van de technologie zal zich ook richten op het monitoren van gelering in werkelijke productiescenario's. De sondepunt kan bijvoorbeeld in contact worden gebracht met het oppervlak van een met hars doordrenkte lay-up om de toestand van het matrixmateriaal te bewaken. Of de punt van de sonde kan tot een gecontroleerde diepte in een gegoten gegoten onderdeel worden ingebracht en worden verwijderd als de gelering begint.

Omdat temperatuur een essentiële factor is bij het bepalen van de uithardingssnelheid, heeft CureTrack een temperatuursensor opgenomen die de temperatuur bij de sondepunt meet. Het kan de temperatuur precies meten waar gelering en uitharding worden gemeten, waardoor zowel de temperatuur van de hars kan worden gecontroleerd als de warmteproductie tijdens het uithardingsproces kan worden gevolgd.

Referenties

  1. Links naar informatie over het gebruik van inline viscometrie voor printtoepassingen vindt u in: https://rheonics.com/solutions/
  2. https://rheonics.com/products/inline-viscometer-srv/
  3. Materialen 2013, 6, 3783-3804; doi:10.3390/ma6093783 materialen ISSN 1996-1944 www.mdpi.com/journal/materials Review Monitoring van de genezingstoestand van thermohardende harsen door Ultrasound Francesca Lionetto en Alfonso Maffezzoli
  4. ISSN 1070-3632, Russian Journal of General Chemistry, 2016, Vol. 86, nr. 6, blz. 1488-1493. Pleiades Publishing, Ltd., 2016.Originele Russische tekst AA Shimkin, 2014, gepubliceerd in Rossiiskii Khimicheskii Zhurnal, 2014, Vol. 58, nrs. 3-4, blz. 55-61.

auteurs

Dr Joe Goodbread

Dr Joe Goodbread

Dr. Goodbread is de oprichter van het team dat de afgelopen 30 jaar de kerntechnologieën van Rheonics heeft ontwikkeld. Hij richtte en leidde het Experimental Mechanics Laboratory van het Institute for Mechanics. ETH Zürich. Hij heeft aanzienlijke IP ontwikkeld op het gebied van sensoren voor vloeistofeigenschappen met 9 verleende patenten en meer dan 12 in behandeling. Hij heeft een BSE in Aerospace and Mechanical Engineering Science van Princeton University, een MS in Biomechanics van Stanford Universtiy en een Dr. Techn. Sc. van de ETH Zürich in biomechanica. Dr. Goodbread is ook een getrainde psychotherapeut en een oprichter van het Institute of Process Work. Hij heeft verschillende boeken over het onderwerp gepubliceerd. De uitgebreide onderzoeks- en technische vaardigheden van Dr. Goodbread vormen de technische kern van de producten en diensten van Rheonics. Zijn passie voor innovatie en het aanpakken van onmogelijke uitdagingen heeft geleid tot toonaangevende producten

Dokter Sunil Kumar

Dokter Sunil Kumar

Dr. Kumar heeft uitgebreide ervaring in de sensor- en energiesector en heeft in zijn vroege carrière in verschillende rollen in engineering en onderzoek gewerkt. Meest recentelijk leidde hij de wereldwijde engineering voor boorservices voor Baker Hughes. Dr. Kumar richtte bedrijven op in de VS en het VK die met succes innovatieve producten op de markt brachten. Hij heeft een PhD in Electrical Engineering van Imperial College London, een MS in Mechanical Engineering van University of California en een Bachelor in Aerospace Engineering van IIT Kharagpur. Hij ontwikkelde de seismometer die werd gelanceerd als de belangrijkste payload voor de NASA Insight-missie naar Mars in 2018 en ontwikkelde de AFM-chips voor grondmonsters die werden gebruikt voor bodemanalyse op de NASA Phoenix-missie naar Mars in 2006. Hij is een productieve uitvinder met meer dan 30 patenten en meerdere peer-reviewed artikelen. Dr. Kumar's visie op het creëren van sensoren voor het meten van vloeistofeigenschappen die een revolutie teweegbrengt in in-line procesbewaking, controle en optimalisatie, dient als het handvest voor Rheonics.

Overzicht

Adhesives and Sealants branchegericht tijdschrift - ASI publiceert een hoofdartikel over de Rheonics inline viscositeitsmeter SRV en Rheonics CureTrack ™, die momenteel worden getest door Rheonics. Het artikel bespreekt de technologie en werkprincipes met speciale aandacht voor R&D, daadwerkelijke productiescenario's en kwaliteitscontroledoeleinden voor toepassingen in de industrie van kleefstoffen en kitten.

Zoek de link naar de publicatie.

ASI Magazine - Websitefunctie
Download publicatie

Gerelateerde toepassingsnotitie

Afdichtingsmiddelen en lijmen viscositeit en reologie bij formulering, testen en aanbrengen

Afdichtingsmiddelen en lijmen viscositeit en reologie bij formulering, testen en aanbrengen

Lijmen en kitten worden veel gebruikt voor het verbinden, beschermen en afdichten van systemen in de bouw, fabricage en onderhoud. Deze industrie staat voor uitdagingen door de beperkte grondstoffen (oliereserve) en de negatieve impact van synthetische verbindingen op…

Lees verder
Zoeken