Figuur 1: Extrusiemachine.

Inhoudsopgave

1. Introductie
2. Extrusie-gietproces
3. Uitdagingen bij de extrusie van polymeren en procescontrole
4. Rheonics SRV Inline-procesviscositeitsmeter
   • Gegevens integratie
   • Installatie opties
     • Loodrechte installatie
     • Parallelle installatie in de elleboog geplaatst
     • Parallel ingevoegde inline – Wafercelprocesaanpassing – SRV Stargate

• • Belangrijke overwegingen voor installatie
    • • Gevoelig gebied in contact met vloeistof
      • Hoge temperatuur
      • Hoge druk
      • Procesaansluiting en afdichting van de sonde
      • Sondegrenzen bij loodrechte installatie

Introductie

Extrusievormen is een zeer efficiënt en veelzijdig productieproces in verschillende industrieën dat wordt gebruikt om doorlopende profielen te produceren, zoals buizen, platen, films, enz. Het maakt een hoge productiesnelheid, materiaalefficiëntie en de mogelijkheid om complexe dwarsdoorsnedevormen met consistente kwaliteit te creëren mogelijk. Extrusieproductie speelt een belangrijke rol in de wereldwijde productie van polymeren en kunststoffen. De afgelopen jaren zijn er vorderingen gemaakt in automatisering, realtime procesbewaking enoringen duurzame materialen, evenals de relevantie van recyclingprocessen, hebben de precisie verhoogd en de impact op het milieu verminderd door afval te verminderen.

Realtime procesbewakingoring is de sleutel tot het garanderen van hoogwaardige producten. Er zijn grote vorderingen gemaakt in temperatuur- en drukbewakingoring van extrusieprocessen. Echter, inline viscositeitsmonitoringoring, ondanks dat het een van de kritische factoren is die de smeltstroom en de matrijsvulling beïnvloeden, zelfs belangrijker dan temperatuur en druk, heeft meerdere uitdagingen gekend. Verschillende methoden zijn getest voor viscositeitsmeting met betere of slechtere resultaten met betrekking tot de kosten, kalibratie, herhaalbaarheid, enz., die het vertrouwen van de operator beïnvloeden. Onder deze omstandigheden, Rheonics Met de SRV inline viscositeitsmeter kunnen herhaalbare viscositeitsmetingen worden uitgevoerd onder de zware omstandigheden van extrusiemachines. Hiermee wordt de kloof gedicht voor volledige controle over het polymeerextrusieproces.

Extrusie-gietproces

Extrusie kan worden gedefinieerd als een continu productieproces dat wordt gebruikt om objecten (een extrudaat) te creëren met een consistente doorsnede door een gesmolten materiaal door een matrijs of opening te forceren om een ​​vorm te vormen. Een extruder kan ook worden gebruikt als onderdeel van andere productieprocessen (thermovormen, injectie, blaasvormen, enz.). Extrusie wordt veel gebruikt in de kunststof, metaal en rubber industrieën om producten te produceren zoals buizen, buizen, platen, films en profielen.

De focus van deze case study ligt op polymeerextrusie. In tegenstelling tot metaalextrusie kan polymeerextrusie continu worden uitgevoerd, zolang het materiaal maar naar de extrusiemachine wordt gevoerd. Extrusie wordt vooral gebruikt voor thermoplasten, maar elastomeren en thermoharders kunnen ook worden verwerkt.

Een extrusiemachine bestaat over het algemeen uit de volgende onderdelen. A hopper, waar het polymeermateriaal in wordt gevoerd. Een voedingsschroef is in constante rotatie langs een vatDe schroef wordt aangedreven door een motoraandrijving eenheid en versnellingsbak en dwingt het materiaal om door een sterven. Verwarmingselementen, die zich boven het vat bevinden bij een gecontroleerde temperatuur, verzachten en smelten het polymeermateriaal. Na de matrijs kan een mal met een of meerdere holtes worden gebruikt, waarbij het gesmolten materiaal wordt afgekoeld om de vorm van een gewenst object aan te nemen. Sommige machines gebruiken een tandwielpomp tussen het uiteinde van de cilinder en de matrijs om een ​​goed gedefinieerde constante druk in het uitgaande materiaal te handhaven.

Het vermogen van de schroef- en cilinderconstructie om een ​​bepaald materiaal te extruderen, is afhankelijk van de eigenschappen van het kunststofmateriaal, de eigenschappen of constructie van de schroef en de cilinder en de omstandigheden waaronder het systeem wordt gebruikt.

Figuur 2: Belangrijkste onderdelen van een polymeer-extrusiemachine.

Uitdagingen bij de extrusie van polymeren en procescontrole

Polymeerextrusie is een complex proces dat nauwkeurige controle van meerdere parameters vereist om een ​​hoogwaardige output te garanderen. Ondanks technologische vooruitgang blijven er verschillende uitdagingen bestaan ​​in zowel het extrusieproces als de controlesystemen. Deze uitdagingen kunnen van invloed zijn op de consistentie, efficiëntie en totale productiekosten van het product.

Belangrijke procesparameters zijn schroefrotatiesnelheid, matrijs- en cilindertemperaturen, smeltviscositeit, smelttemperatuur, massastroom, smeltdruk, koelsnelheid, enz. [1]. Temperatuur en druk worden beschouwd als de meest voorkomende in-line bewaakte parameters in het extrusieproces dankzij de beschikbare technologieën. Smeltviscositeit (beschreven als de weerstand van vloeistof tegen stroming) is echter niet eenvoudig te meten of te bewaken in-line, ondanks dat het een van de meest cruciale parameters in het proces is. Viscositeit van de smelt heeft betrekking op meerdere kenmerken, zoals:

• Dikte
• Sterkte
• Constante doorsnede
• Consistentie in de vloeistofsamenstelling – homogene menging van vulstof, vezels, kleurstoffen, enz.
• Energieverbruik
• Thermische degradatie

Hoge viscositeit van de gesmolten vloeistof kan slechte stroming, overmatige druk en verstopping van de matrijs veroorzaken, wat leidt tot defecten zoals oppervlakteruwheid en kromtrekken. Daarentegen kan lage viscositeit leiden tot doorzakken, overmatige krimp of zwakke mechanische eigenschappen. Vervolgens is het doel om de viscositeit zo constant mogelijk te houden tijdens het extrusieproces.

In de meeste gevallen zijn kunststoffen pseudo-plastische materialen, wat betekent dat ze minder viskeus (makkelijker te vloeien) worden als ze sneller worden verplaatst (afgeschoven). Daarom is er geen lineaire relatie tussen druk en stroming, noch tussen schuifspanning (kracht per oppervlakte-eenheid, meestal gemeten in Pa) en schuifsnelheid (snelheid van beweging van parallelle lagen van vloeistof, gemeten in s-1).

Momenteel is er geen geschikte inline-sensor voor monitoren.oring viscositeit in realtime in extrusie-smelts. Capillaire reometers zijn bekende laboratoriuminstrumenten die worden gebruikt om de reologische eigenschappen van polymeren te bestuderen. Ze gebruiken een zuiger om de smelt door een capillaire (zeer fijne) matrijs te persen, die probeert het proces te simuleren dat plaatsvindt in de extrusiemachine. Ondanks dat dit een algemeen geaccepteerd testinstrument is voor viscositeit, geeft het geen realtime in-line gegevens van de smeltvloeistof. De belangrijkste problemen van deze methode zijn:

• Vereist het nemen van monsters
• Niet echt representatief
• Niet continue monitororing
• Heeft aanzienlijk onderhoud en service nodig

Rheonics SRV Inline-procesviscositeitsmeter

SRV is Rheonics Inline-viscositeitsmeter geschikt voor een breed bereik aan viscositeit, temperatuur en druk. Rheonics SRV gebruikt een zeer compacte probe met eenvoudige installatie-instructies en geen onderhouds- of herkalibratievereisten. Vanwege het compacte ontwerp van de SRV is er een veelzijdigheid in de installatietypen die de gebruikers nemen.

Figuur 3: Rheonics Inline SRV Viscometer slank met schroefdraadaansluiting.

Gegevens integratie

Rheonics SRV maakt realtime online visualisatie van belangrijke parameters mogelijk, zoals dynamische viscositeit en temperatuur in extrusiemachines. De sensor is eenvoudig te integreren in lokale monitors.oring en controlesystemen via krachtige elektronica die meerdere industriële protocollen uitvoert. Vind meer informatie in de Elektronica Rheonics Pagina.

Rheonics sensoren slaan ook meet- en sensorstatusgegevens op in een onboard historical. Deze automatische logger is toegankelijk via de Rheonics RCP-software is handig voor een historisch overzicht van de bewaakte parameters.

Installatie opties

Loodrechte installatie

Rheonics De SRV bevindt zich loodrecht op de smeltstroom en is zodanig ondergedompeld dat het sensorelement van de sonde in contact komt met de vloeistof.

Het belangrijkste voordeel van deze installatie is dat het waarschijnlijk de gemakkelijkste installatie is. De SRV kan worden geïnstalleerd in bestaande poorten die worden gebruikt door temperatuur- of druksensoren, met het belangrijkste verschil dat de SRV-sonde in de lijn moet uitsteken, aangezien dit een indringende en invasieve sonde is.

Deze loodrechte installatie heeft echter als belangrijkste nadeel dat de sonde wordt blootgesteld aan een grote buigkracht vanwege de hoge viscositeit en snelheid van de vloeistof. Viskeuze belasting kan een probleem zijn voor de standaard SRV-sonde in loodrechte installatie, door te veel ruis toe te voegen of de sonde te beschadigen. Voor relaties tussen lijngrootte en massa- of volumesnelheidsbeperkingen, zie sectie "Sondelimieten in loodrechte installatie" of het artikel SR-sondes voor zeer viskeuze vloeistoffen en hoge vloeistofsnelheden.

De belangrijkste overwegingen voor deze installatie zijn de leidinggrootte, vloeistofsnelheid of stroomsnelheid en viscositeitsbereiken. De leidinggrootte moet groter zijn dan 50 – 55 mm (2”) zodat het SRV-sonde-sensorelement correct aan de vloeistof kan worden blootgesteld. De vloeistofsnelheid en viscositeitsbereiken worden vergeleken met de tabel in sectie “Sondelimieten bij loodrechte installatie“ om de krachten te verifiëren waaraan de sonde zal worden blootgesteld. Rheonics biedt de SRV-HP aan voor gevallen met hoge druk en hoge buigkrachten.

Figuur 4: Rheonics SRV loodrechte installatie in extrusielijn.

Parallelle installatie in de elleboog geplaatst

Sommige extrusiemachines hebben een elleboog vlak voor de matrijs om meetinstrumenten, zoals temperatuursensoren, axiaal op de stroming te kunnen plaatsen. Dit kan ook worden gebruikt voor Rheonics Inline Viscometer SRV voor parallelle installatie.

Het belangrijkste voordeel is hier de vermindering van de kracht die door de vloeistof op de sonde wordt uitgeoefend, vergeleken met een loodrechte installatie. Een parallelle installatie houdt het sensorelement ook gecentreerd in de lijn, waardoor afzettingen worden vermeden die de metingen kunnen beïnvloeden. De SRV-X6 Slanke sonde kan worden gebruikt voor minimale drukval en is compatibel met leidingen kleiner dan 50-55 mm (2”).

De belangrijkste beperking van deze installatie is het gebruik van een elleboog voor de matrijs. Dit vereist veel ingrepen in de machine en verandert de oriëntatie van het geëxtrudeerde materiaal, waardoor deze installatieoptie alleen geschikt is voor extrudeermachines die al een elleboog in de lijn hebben. Bovendien kan deze installatie last hebben van vervuiling of stagnatie van vloeistof rond de basis van de sensor op de elleboogwand. Dit heeft geen invloed op de metingen, maar is in geen enkele lijn gewenst.

Figuur 5: Rheonics SRV-parallelle installatie in de bocht van de extrusielijn.

Parallel ingevoegde inline – Wafercelprocesaanpassing – SRV Stargate

Rheonics Stargate-SRV-EM, ook wel Stargate Variant genoemd, is ontworpen om de SRV-sonde opgehangen in het midden van de lijn te plaatsen, geïnstalleerd in de procesleidingen, zoals in een waferceladapter. De voordelen van deze oplossing zijn de bestendigheid tegen vloeistoffen met een hoge viscositeit en hoge snelheid, en de vermindering van de kans op afzettingen.

Voor deze installatie is doorgaans een verlenging van de leiding nodig. Voor sommige klanten is deze ingreep niet mogelijk vanwege de kosten, aanpassingen of problemen met thermisch beheer.

Let op dat de achterkant van de sonde naar de vloeistof is gericht, dit is nodig om hoge krachten te weerstaan. Bovendien moet de SRV Stargate-variant in dezelfde maat worden besteld als de extrusielijn, tenzij reductie- en expansieadapters in de lijn kunnen worden gebruikt.

Figuur 6: Rheonics SRV parallelle “wafercel” installatie in extrusielijn.

Belangrijke overwegingen voor installatie

Gevoelig gebied in contact met vloeistof

Rheonics De belangrijkste installatievereiste voor de Inline Viscometer SRV is dat het sensorgebied ondergedompeld is in de vloeistof zonder afzettingen of vloeistofophopingen, aangezien deze de metingen kunnen beïnvloeden. Het SRV-detectiegebied wordt weergegeven in Figuur 7.

Figuur 7: SRV-detectiegebied.

Hoge temperatuur

Extrusieprocessen vereisen normaal gesproken een vloeistoftemperatuur in het bereik van 180 tot 220˚C (360 tot 430˚F). Dit kan variëren afhankelijk van het materiaal, de snelheid en het schroefontwerp. Rheonics SRV Inline Viscometer kan worden geconfigureerd voor temperaturen tot 285 °C (545 °F). De gebruiker moet de juiste temperatuurclassificatie selecteren tijdens de bestelling. De volgende tabel toont de temperatuurclassificaties voor de SRV-sonde. Bij sommige extrusieprocessen kunnen zeer hoge temperaturen worden bereikt, tot wel 350/370 °C (670/700 °F). In dat geval raden wij u aan contact op te nemen met Rheonics Ondersteuningsteam bij te bezoeken voor meer informatie.

Tabel 1: Temperatuurclassificaties van de SRV Inline Viscometer

Opmerking: Sensorkabel en sensor elektronica hebben verschillende temperatuurgrenzen die niet overschreden mogen worden.

Hoge druk

Extrusieprocessen kunnen zeer hoge drukken bereiken, tot wel 10,000 psi, 670 bar of 70 MPa. Nogmaals, Rheonics SRV moet dienovereenkomstig worden geconfigureerd.

Tabel 2: SRV Inline Viscometer Drukclassificaties voor Extrusie

Procesaansluiting en afdichting van de sonde

Voor hogedruktoepassingen moeten zowel de sonde als de procesaansluiting geschikt zijn voor het verwachte drukbereik. Voor loodrechte montage Rheonics biedt normaal gesproken een G1/2” schroefdraadinterface. Terwijl voor parallel in de elleboog een flens- of schroefdraadverbinding kan worden gebruikt. De wafercelinstallatievariant kan worden geïntegreerd via een flensinterface van de klant met behulp van een O-Ring of Metalen zegel. Bestaande installatiepoorten op de machine kunnen worden hergebruikt om de Rheonics sensorsonde.

Contact Rheonics Ondersteuningsteam bij voor een bespreking van geschikte installatieopties in uw extrusiemachines.

Sondegrenzen bij loodrechte installatie

Onder bepaalde omstandigheden kunnen vloeistoffen met een hoge viscositeit de SRV-sonde beïnvloeden wanneer een loodrechte installatie wordt gebruikt. Buigkrachten veroorzaakt door de vloeistofstroom kunnen de sonde beschadigen (Figuur 8). Krachten zijn over het algemeen afhankelijk van de viscositeit en snelheid van de vloeistof. De volgende grafiek toont een relatie tussen de snelheid van een vloeistof in m/s en de dynamische viscositeit in Pa.s. Klanten kunnen de grafiek gebruiken om te bepalen of de procesomstandigheden een standaard SRV-sonde kunnen beschadigen.

Figuur 8: Buigkrachten op de sonde als gevolg van de viscositeit en snelheid van de vloeistof.

Figuur 9: Grafiek met de vloeistofsnelheid op de X-as en de maximaal toegestane dynamische viscositeit op de Y-as voor de SRV.

Over het algemeen wordt een limiet van 12 m/s aanbevolen voor het gebruik van de SRV in loodrechte installaties. Als u deze snelheidslimiet overschrijdt, kan dit te veel ruis veroorzaken bij de metingen of schade aan de sonde. De volgende tabel toont wat deze snelheid betekent voor volumetrische en massastroom voor verschillende lijngroottes.

Leer meer over het type-SR-sondes voor het meten van zeer viskeuze vloeistoffen en hoge vloeistofsnelheden.

Referenties

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2665917422000150

2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141391013004497

3. https://www.dynisco.com/userfiles/files/27429_Legacy_Txt.pdf

4. HK Bruss – Viscositeitsmeting voor de automatische regeling en bewakingoring van de uniformiteit van extrusieprocessen

5. Rheonics - SR-sondes voor zeer viskeuze vloeistoffen en hoge vloeistofsnelheden.