Optimalisatie van hotmeltlijmprocessen (HMA) met geavanceerde viscositeitscontrole

• 1. Inleiding
• 2. Industrie overzicht
• 2.1 Smeltlijmen HMA
• 2.2 Soorten HMA
• 2.3 Productieproces van smeltlijm
• 2.4 Belangrijkste monitoringparameters
• 3. Rheonics Inline-viscometer
• 3.1 SRV-viscositeitsmeterinstallatie voor het productieproces van HMA's
• 3.2 Voordelen van inline viscositeitsbewaking
• 4. Referenties

Smeltlijmen (HMA) zijn complexe samenstellingen van polymeren, harsen, wassen en additieven die ze hun unieke eigenschappen geven. Klanten vertrouwen erop dat de lijm consistent presteert in hun toepassing, zoals verpakking, boekbinden, productassemblage, enz. Een manier om de samenstelling ervan inline te monitoren is daarom essentieel voor kwaliteitsborging. Viscositeit is een belangrijke parameter voor het monitoren van de HMA-productie om diverse redenen en heeft invloed op alles, van de kwaliteit van de grondstof tot de prestaties van het eindproduct en de productie-efficiëntie.

Een hotmeltlijm (HMA) of "hete lijm" is een type thermoplastische polymeerlijm die bij kamertemperatuur een vaste toestand heeft en door verhitting als een gesmolten vloeistof wordt aangebracht. Verwarmen gebeurt normaal gesproken met hittepistolen of soortgelijke apparaten. Deze transformeren de vaste toestand van de lijm naar een gesmolten of vloeibare toestand die door afkoeling en stolling een verbinding creëert. Dit mechanisme van uitharding puur door warmteverlies is een fundamenteel kenmerk en een belangrijk voordeel van HMA's, omdat het de droog- of uithardingsstappen elimineert die vaak nodig zijn bij lijmsystemen op basis van oplosmiddelen of water [1].

HMA heeft een aantal belangrijke eigenschappen die het tot een veelgebruikte lijmsoort maken:

• Snelle uithardingssnelheid: Creëert binnen enkele seconden na het aanbrengen een verbinding.
• Oplosmiddelvrije samenstelling: Vermindert of elimineert de uitstoot van vluchtige organische stoffen (VOS).
• Veelzijdigheid bij substraatverlijming: poreuze (bijv. papier, hout) en niet-poreuze substraten (bijv. kunststoffen, metalen).
• Geschikt voor het opvullen van gaten: Minimale of geen krimp na afkoeling
• Lange houdbaarheidstermijn: In hun vaste toestand zijn HMA's eenvoudig op te slaan en te transporteren, met minimale vereisten om hun eigenschappen te behouden
• Verschillende presentaties: Vaak gebruikt als lijmstaven, maar ook verkrijgbaar als pellets, chips, kussens, blokken en latten.

De soorten smeltlijmen (HMA's) worden voornamelijk geclassificeerd en begrepen op basis van hun primaire basispolymeerDit komt doordat het basispolymeer de ‘ruggengraat’ van de lijm vormt en grotendeels de fundamentele eigenschappen ervan bepaalt, zoals sterkte, flexibiliteit, hechting aan verschillende substraten, thermische stabiliteit (hoe goed het presteert bij hoge of lage temperaturen), chemische bestendigheid, smeltviscositeit, kosten en open tijdHoewel kleefmiddelen, wassen, weekmakers en andere additieven cruciaal zijn voor het verfijnen van specifieke prestatie-eigenschappen, biedt het basispolymeer de inherente mogelijkheden van de HMA.

De productie van HMA kan variëren afhankelijk van het gewenste type lijm. Figuur 3 toont een voorbeeld van een productieproces waarbij de lijm in tanks wordt gemengd, waarna het gesmolten materiaal door een enkelschroefextruder en een matrijs wordt gepompt die de lijm zijn uiteindelijke vorm geeft. De HMA wordt tot slot afgekoeld met behulp van een waterbad en op de gewenste lengte gesneden. Hierna worden de belangrijkste stappen beschreven.

Voorbereiding van grondstoffen

De specifieke grondstoffen worden zorgvuldig geselecteerd en nauwkeurig afgemeten volgens de gewenste samenstelling van de smeltlijm. Verschillende polymeren, kleefmiddelen, wassen en additieven, allemaal in vaste toestand, worden gekozen op basis van de beoogde toepassing en de vereiste prestatiekenmerken.

Smelten en mengen

De vaste grondstoffen worden vervolgens overgebracht naar een mengvat of een reactor met een ommantelde ketel om de gewenste smelttemperatuur te bereiken. Het mengen kan ook plaatsvinden in dubbelschroefextruders die later ook de uiteindelijke extrusie uitvoeren.

Tijdens het mengproces worden materialen verhit tot een specifieke temperatuur (meestal tussen 100 °C en 235 °C, afhankelijk van de formulering). Bij verhitting verzwakken de intermoleculaire krachten die de polymeerketens bijeenhouden, waardoor het materiaal kan vloeien, wat resulteert in een gesmolten, vloeibare toestand, het zogenaamde vloeibare materiaal. [3] Vanuit deze materiële toestand worden belangrijke procesparameters bepaald, geëvalueerd en gekarakteriseerd om de productiekwaliteit te waarborgen.

Roerwerken of de schroeven in een extruder zorgen voor een grondige en homogene menging van alle componenten. Deze smelt- en mengstap is cruciaal voor het bereiken van een consistente kwaliteit, viscositeit en functionaliteit van het eindproduct.

Belangrijk: smeltlijmen (HMA's) zijn uniek omdat ze 100% vast en gebruik geen water of oplosmiddel als dragerDit is een groot voordeel, omdat het droog- of uithardingsstappen overbodig maakt en de milieuproblemen met vluchtige organische stoffen (VOS) vermindert. Dit is een thermoplastisch polymeer, wat betekent dat het plastisch of vervormbaar wordt bij verhitting en stolt bij afkoeling.

Let op: de meeste smeltlijmen zijn thermoplastisch, wat betekent dat ze vloeibaar worden als ze warm zijn en stollen als ze afkoelen. Ze zijn ook omkeerbaar; dat wil zeggen dat ze bij voldoende verhitting weer smelten en hun interne sterkte verliezen.

Om te voorkomen dat de hechtsterkte bij hoge temperaturen verloren gaat (tenzij omkeerbaarheid is beoogd), moeten de polymeermoleculen van de lijm chemisch vernet nadat ze zijn uitgehard. Deze vernetting maakt de verbinding permanenter en hittebestendiger. Dit wordt bereikt door toevoeging van specifieke reactieve componenten in de lijmformule tijdens het mengen. Hotmelts die deze chemische reactie ondergaan na afkoeling, worden reactieve smeltlijmenPolyurethaanreactieve (PUR) smeltlijmen zijn een voorbeeld van reactieve HMA's.

ontgassen

In sommige gevallen, met name bij toepassingen waar luchtbellen de prestaties negatief kunnen beïnvloeden, wordt een ontgassingsstap toegepast. Dit houdt in dat het gesmolten lijmmengsel in de vaten onder vacuüm wordt gebracht om ingesloten lucht of vluchtige componenten te verwijderen.

Filtratie

De gesmolten lijm kan door een filtersysteem worden geleid. Dit verwijdert alle onzuiverheden, onopgeloste deeltjes en vreemde stoffen, waardoor de zuiverheid en kwaliteit van het eindproduct worden gewaarborgd.

Extrusie en koeling

De gesmolten lijm wordt vervolgens door een matrijs geëxtrudeerd tot de gewenste vorm, zoals pellets, chips, blokken, staafjes of platen. Direct na het vormen wordt de smeltlijm snel afgekoeld, vaak met behulp van koelbanden of waterbaden. Door deze snelle afkoeling stolt de lijm tot zijn vaste vorm.

Verpakken

Nadat de smeltlijm alle kwaliteitscontroles heeft doorstaan, wordt deze verpakt in verschillende verpakkingen die geschikt zijn voor distributie en toepassing. Denk hierbij aan zakken, vaten, patronen of andere speciale vormen, afhankelijk van de behoeften van de eindgebruiker.

Verschillende prestatie-eigenschappen van smeltlijmen zijn cruciaal voor een soepel en efficiënt productieproces en het bereiken van de gewenste verbindingskwaliteit. Belangrijke parameters tijdens de productie worden gemeten in de vloeibare toestand van het materiaal, terwijl andere tests worden uitgevoerd met de vaste grondstoffen en de uiteindelijke lijm. Deze worden selectiecriteria genoemd [3].

Temperatuur:
De mengtemperatuur is cruciaal om ervoor te zorgen dat alle componenten smelten en homogeen mengen. De smelttemperatuur is de temperatuur van de gesmolten lijm vlak voor extrusie of verpakking. Dit heeft invloed op de uiteindelijke viscositeit en verwerkbaarheid.

viscositeit: Viscositeit, gedefinieerd als de vloeiweerstand van de gesmolten lijm, is van cruciaal belang. Het bepaalt hoe gemakkelijk de lijm kan worden gepompt en aangebracht, hoe goed de lijm het substraatoppervlak kan bevochtigen voor een goede hechting, en de controle over de grootte van de lijmrups of het spuitpatroon. Viscositeit is sterk afhankelijk van de temperatuur; een temperatuurstijging leidt doorgaans tot een afname van de viscositeit. Ongecontroleerde of afwijkende viscositeit tijdens het mengen en vlak voor extrusie is een belangrijke bron van veel problemen in de productielijn, van inconsistente applicatie tot het falen van de verbinding.

Mengsnelheid/afschuiving: De intensiteit van het mengen is van cruciaal belang voor homogeniteit en moet daarom worden gecontroleerd om een gelijkmatige verspreiding van de componenten te garanderen, zonder dat de schuifgevoelige polymeren worden aangetast.

druk: Bewaakt in extruders of mengvaten om een soepele doorstroming te garanderen en verstoppingen te voorkomen. Vacuümdruk is relevant wanneer vacuüm vereist is.

Bij het eindproduct, na extrusie, worden aanvullende parameters geëvalueerd, zoals:

Verwekingspunt: Dit is de temperatuur waarbij het vaste HMA begint te verzachten en te vloeien, oftewel plastisch wordt. Dit wordt grotendeels bepaald door het type basispolymeer en de hoeveelheid en het type was in de formulering. Het verwekingspunt bepaalt de minimale aanbrengtemperatuur en beïnvloedt de hittebestendigheid van de uiteindelijke verlijmde constructie.

Openingsuren: Dit verwijst naar de maximaal toegestane periode nadat de gesmolten lijm op het eerste substraat is aangebracht, waarbinnen het tweede substraat in contact moet worden gebracht om een bevredigende verbinding te vormen [4]. De open tijd moet zorgvuldig worden afgestemd op de snelheid en mechanica van het assemblageproces. Als deze te kort is, resulteert dit in slechte bevochtiging en een zwakke verbinding. Als de open tijd te lang is, kan de productiesnelheid in gevaar komen of kunnen onderdelen verschuiven voordat de verbinding hard wordt.

Insteltijd (instelsnelheid): Dit is de tijd die de HMA nodig heeft om voldoende af te koelen en te stollen om een verbinding met acceptabele sterkte te vormen, zodat de geassembleerde onderdelen kunnen worden verwerkt of naar de volgende productiefase kunnen worden verplaatst. Snelle uithardingstijden zijn een van de belangrijkste voordelen van HMA's en dragen bij aan hoge productiesnelheden.

Potlife stabiliteit: Deze eigenschap beschrijft het vermogen van het HMA om de gespecificeerde eigenschappen (bijv. viscositeit, kleur, afwezigheid van verkoling of gelvorming) te behouden wanneer het gedurende langere tijd in gesmolten toestand in de tank of het reservoir van de applicatieapparatuur wordt gehouden. Een korte potlife leidt tot degradatie van de lijm, wat kan leiden tot verstopping van de spuitmonden, inconsistente applicatiekwaliteit en meer onderhoud aan de apparatuur. Antioxidanten worden doorgaans aan HMA-formuleringen toegevoegd om de potlifestabiliteit te verbeteren.

Rheonics SRV Is een inline procesviscositeitsmeter die een breed scala aan viscositeit en temperatuur in realtime meet. Hij is geschikt voor installatie in meng- en opslagtanks en in pijpleidingen voor continue meting van procesvloeistoffen. Rheonics SRV is geschikt voor snelle mengprocessen en wordt niet beïnvloed door de aanwezigheid van bellen in de vloeistof of externe trillingen.

Rheonics sensoren zijn gebaseerd op de gepatenteerde Balanced Torsional Resonator (BTR)-technologie, waardoor de sonde compact en licht is, maar toch robuust voor de industriële omgeving en compatibel met toepassingen bij hoge temperaturen (tot 285 °C), vacuüm en hoge druk. Rheonics SRV heeft geen bewegende onderdelen. Het is een hermetisch afgesloten sonde, vervaardigd uit bevochtigd materiaal van roestvrij staal 316L.

De SRV-sensor is verkrijgbaar in verschillende probevarianten, variërend in lengte en procesaansluiting, wat zorgt voor een eenvoudige installatie voor elke toepassing. Alle SRV-probes gebruiken hetzelfde sensorelement, wat eenvoudige schaalbaarheid in productieprocessen mogelijk maakt.

Zoals eerder uitgelegd is viscositeit een kritische parameter voor HMA's, omdat het direct van invloed is op hun verwerkbaarheid, applicatieprestaties en uiteindelijk de uiteindelijke verbindingssterkte. Door gebruik te maken van Rheonics SRV inline viscositeitsmeter, zowel viscositeit als temperatuur kunnen inline worden bewaakt, vooral aanbevolen tijdens meng- en extrusie-processen, zoals weergegeven in Afbeelding 3.t.

Installatie in tank

Rheonics SRV's kunnen in tanks worden geïnstalleerd vanaf de bodem, wand of bovenkant. Dit hangt af van het ontwerp van de tank, d.w.z. de grootte, de mantelwanden en eventuele mengassen, en de voorkeuren van de gebruiker, zoals toegankelijkheid, installatiegemak, enz.

Voor een correcte installatie van de SRV-sensor in een tank voor HMA-productiebewaking, dient u de volgende aanbeveling op te volgen:

• Zorg ervoor dat het sensorelement in contact is met het gesmolten materiaal. Voor installatie vanaf de bovenkant van de tank kan het gebruik van een lange insertie SRVVermijd bij wand- en bodeminstallaties dode zones die kunnen leiden tot stagnatiezones die het detectiegebied beïnvloeden (zie afbeelding 5).
• Zorg ervoor dat de SRV-sonde niet beschadigd raakt door de mengassen in de tank.

  

   

Installatie in lijn

De leidingen die de smeltlijm van de mengtank naar de extruders transporteren, moeten een hoge temperatuur en druk handhaven om constante vloeistofeigenschappen te garanderen. Om dit te bereiken, worden leidingen ommanteld en worden verdringerpompen gebruikt, zoals tandwiel- of zuigerpompen. Tandwielpompen hebben de voorkeur voor een soepele, continue doorstroming, terwijl zuigerpompen hoge druk in de leidingen mogelijk maken, maar een licht pulserende doorstroming produceren.

Rheonics SRV's zijn geschikt voor inline-installaties, zelfs bij hoge temperaturen en drukken. SRV's werken met statische en stromende vloeistoffen en hebben geen problemen met pulserende stroming. De aanbevolen installatie van SRV's in pijpleidingen voor HMA's is in een elleboog, met de sonde tegen de vloeistofstroomrichting in.

Installatie in kleine of bypass-leiding

Bij de productie van hotmeltlijm worden vaak kleine of bypassleidingen gebruikt die zijn aangesloten op de hoofdleidingen om monsters te nemen en de reologische eigenschappen van de vloeistof te bestuderen. In deze leidingen is het essentieel om een bepaalde druk en temperatuur van de vloeistof te handhaven.

In dit scenario, Rheonics biedt accessoires zoals:

1. Stroomcellen: Bekijk alle SRV inline flowcellen.
2. Verwarmingskamer: Rheonics STCM-IFP is een inline-kamer die temperatuurregeling en goede temperatuurisolatie mogelijk maakt, waardoor de temperatuur van de vloeistof op peil blijft terwijl deze binnenkomt.

   

• Realtime feedback en controle:

  In tegenstelling tot offline laboratoriumtests die pas na verloop van tijd resultaten opleveren, Rheonics inline SRV-viscositeitsmeter geeft onmiddellijke, continue gegevensHierdoor kunnen operators precies zien hoe de viscositeit zich ontwikkelt naarmate grondstoffen worden toegevoegd en gemengd. onmiddellijke aanpassingen om parameters zoals temperatuur, mengsnelheid of zelfs grondstoftoevoersnelheden te verwerken.

• Eenvoudige gegevensintegratie:

  Rheonics SRV maakt gebruik van krachtige elektronica, genaamd SMEDit apparaat neemt metingen van de sensorsonde en geeft de gemeten viscositeit en temperatuur door. Het ondersteunt ook standaard meerdere industriële communicatieprotocollen, zoals Modbus, Profinet, Ethernet/IP, HART, enz. voor integratie met lokale monitoring- en controlesystemen.

• Verbeterde productconsistentie en -kwaliteit:

  Door tijdens de productie een strengere controle over de viscositeit te behouden, kunnen fabrikanten aanzienlijk verminder variaties van batch tot batchDit leidt tot een consistentere productkwaliteit, minder batches die niet aan de specificaties voldoen en uiteindelijk tot tevreden klanten.

• Geoptimaliseerde productie-efficiëntie:

  Door afwijkingen vroegtijdig te detecteren, kunnen problemen worden verholpen voordat een hele partij is verpest. afval verminderen van dure grondstoffen en energie.

  Energieoptimalisatie: Als u de exacte viscositeit kent, kunt u de energietoevoer bij het mengen en het verwarmen optimaliseren, wat mogelijk tot energiebesparing leidt.

• Procesinzicht en probleemoplossing:

  Rheonics SRV biedt een uitgebreid historisch verslag van de viscositeit en temperatuur van HMA's. Deze gegevens zijn van onschatbare waarde voor procesoptimalisatie, het identificeren van trends en het snel diagnosticeren van de hoofdoorzaak van eventuele productieproblemen.

• Minder handmatige interventie en veiligheid:

  Geautomatiseerde inline-meting vermindert de noodzaak van handmatige monstername, wat gevaarlijk kan zijn gezien de hoge temperaturen van gesmolten HMA's. Het maakt ook arbeidskrachten vrij voor andere taken.

[1]:Eigenschappen, soorten en toepassingen van smeltlijmen

[2]:Hot Smelt Adhesives

[3]: https://www.klebstoffe.com/wp-content/uploads/2020/04/TKH_4_englisch.pdf

[4]: Wat is een smeltlijm (HMA)?