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.

De vloei-eigenschappen van afdichtingsmiddelen en lijmen worden traditioneel gemeten met een reometer, een delicaat precisie-instrument in het laboratorium dat een bekwame operator vereist om nauwkeurige en consistente resultaten te leveren. Reometermetingen zijn tijdrovend en beperken hun gebruik tot harscomponenten vóór het mengen, en in het geval van langzaam uithardende systemen kort na het mengen. Tot slot zijn de resultaten van reometrische tests in het laboratorium vaak van beperkt nut voor productiemonitoring, omdat ze inzicht geven in het verleden, in plaats van de huidige toestand van het aangebrachte materiaal.

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]

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 metingen; ze meten een schijnbare viscositeit bij een enkele waarde van de afschuifsnelheid die vaak aanzienlijk hoger is dan de afschuifsnelheden die in roterende instrumenten worden gebruikt. Om deze reden komen metingen aan niet-Newtoniaanse vloeistoffen met resonante viscositeitsmeters meestal niet overeen met die van roterende instrumenten. Ondanks dit verschil in aangegeven viscositeit tussen de twee typen instrumenten, hebben vibrerende viscositeitsmeters hun waarde bewezen voor het bewaken en regelen van de viscositeit van sterk niet-Newtoniaanse vloeistoffen.

Er zijn twee toepassingsgebieden waarin vibrerende viscositeitsmeters dankzij hun gebruiksgemak en robuustheid ideaal zijn voor het monitoren en controleren van lijmen en kitten. De eerste is inline viscositeitsbewaking voor applicators. De tweede is uithardingsbewaking voor batchverwerking, waarbij het cruciaal is om te detecteren wanneer een gemengde batch materiaal het einde van zijn potlife 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 hogesnelheidslamineringspers waarin viscositeitsregeling essentieel is. De operator van de pers heeft roterende viscositeitsmeters geprobeerd voor het bewaken van de lijmviscositeit, maar vervuiling van de roterende onderdelen door opgedroogde lijm maakte het gebruik ervan onpraktisch. Momenteel worden effluxbekers gebruikt voor viscositeitsbewaking, maar deze zijn opvallend onnauwkeurig en vormen geen echte inline-meting. Het gebruik ervan is tijdrovend, waardoor frequente metingen onpraktisch zijn en daardoor grote schommelingen in de viscositeit, en daarmee in de vloei-eigenschappen van de lamineerlijm, mogelijk zijn. Het probleem wordt verergerd in hogesnelheidslamineringsmachines, omdat de applicatierol doorgaans in een open bak met lijm loopt, waaruit het oplosmiddel constant verdampt, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

 

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.

Vibratieviscositeitssensoren hebben resonatoren die doorgaans werken op 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 groot en gelijk aan of hoger dan die van de doseerapparatuur. Om deze reden zijn vibratieviscositeitssensoren nuttig voor het bewaken van de consistentie van de lijm en hoe deze zich gedraagt tijdens het doseerproces.

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

Monitoring van de uithardingsgraad van batchgemengde lijmen

Een ander belangrijk aandachtspunt bij lijmen is het monitoren van de uithardingsgraad van lijmen en harsen. Dit is belangrijk bij lijmtoepassingen om te bepalen of een bepaalde batch materiaal de vereiste mechanische eigenschappen heeft bereikt, in plaats van alleen te vertrouwen op de specificaties van de fabrikant en aanpassingen van procesparameters. Bij spuitgietbewerkingen is het belangrijk om te bepalen wanneer het veilig is om het uitgeharde onderdeel uit de mal te halen, en bij de productie van composieten om te bepalen wanneer een gelamineerd onderdeel volledig is uitgehard.

Er zijn veel methoden gepubliceerd om de uithardingsgraad te monitoren, maar de meeste zijn gebaseerd op indirecte metingen, zoals van elektrische of optische eigenschappen, in plaats van directe meting van mechanische eigenschappen. Experimentele ultrageluidsmethoden zijn beschikbaar, maar deze zijn meestal beperkt tot zeer kleine monsters onder nauwkeurig gecontroleerde omstandigheden, aangezien de demping van ultrageluidsgolven tijdens uithardingsprocessen vrij groot kan zijn [3]. Ultrageluidsmetingen worden bovendien doorgaans uitgevoerd in het bereik van megahertzfrequenties, wat voor niet-Newtoniaanse materialen mogelijk niet hun gedrag weerspiegelt bij reksnelheden die dichter bij die in hun praktijktoepassingen liggen.

Een apparaat, de Rheonics CureTrack™ wordt momenteel getest door Rheonics GmbH. Het voorspelt gelering in partijen voorgemengde lijmen en kitten. Afb. 2 hieronder toont een CureTrack-instrument, gebruikt in een laboratoriumproef.

 

Het CureTrack-apparaat is gebaseerd op een Rheonics SRV-viscositeitssensor met een Luer-conus aan de punt om aansluiting van een conventionele wegwerpbare doseernaald mogelijk te maken om het gevoelige element uit te breiden. Door gebruik te maken van een wegwerpverlengstuk 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

 

 

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 zaken op het gebied van het monitoren van de uitharding van lijm wordt besproken. Hij concludeert dat er weliswaar een aantal methoden beschikbaar zijn voor het monitoren van de gelatietijd, maar dat er zowel een gebrek is aan commerciële instrumenten als aan standaarden, en dus ook 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 dat er monsters moeten worden genomen voor laboratoriumanalyse. Instrumenten zoals de CureTrack kunnen direct in een harsemmer worden geplaatst om de toestand ervan te bewaken tijdens de productie en een waarschuwingsalarm af te geven wanneer er gelering dreigt en eventueel resterend materiaal moet worden afgevoerd voordat het stolt.

Toekomstige ontwikkelingen van de technologie zullen zich ook richten op het monitoren van gelering in daadwerkelijke productiescenario's. Zo kan de punt van de sonde in contact worden gebracht met het oppervlak van een met hars geïnfuseerde lay-up om de toestand van het matrixmateriaal te monitoren. Of de punt van de sonde kan tot een gecontroleerde diepte in een gegoten onderdeel worden ingebracht en worden verwijderd zodra de gelering optreedt.

Omdat temperatuur een essentiële factor is bij het bepalen van de uithardingssnelheid, heeft CureTrack een temperatuursensor ingebouwd die de temperatuur aan de punt van de sonde meet. Deze sensor kan de temperatuur precies meten waar de gelvorming en uitharding plaatsvinden, waardoor zowel de temperatuur van de hars als de warmteproductie tijdens het uithardingsproces kunnen worden bewaakt.

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 uithardingstoestand van thermohardende harsen door middel van echografie 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.