Nové nástroje pro inline a výrobní aplikace

Správné nastavení průtokových charakteristik tmelů a termosetových lepidel je klíčové pro jejich výkon ve vysoce automatizovaných a vysokorychlostních produkčních prostředích.

Automatická aplikace tmelů a lepidel například v automobilové výrobě vyžaduje, aby byla aplikována předvídatelná a reprodukovatelná množství a aby správně proudila a zůstala na svém místě během konečného období tuhnutí. V polygrafickém průmyslu se laminace plastových fólií provádí na specializovaných vysokorychlostních strojích, které vyžadují přísnou kontrolu viskozity lepidla. Pryskyřice, které jsou aplikovány na vláknité textilie a rohože pro výrobu kompozitních prepregů, vyžadují přesné stanovení matrice pryskyřice.

Tokové charakteristiky tmelů a lepidel se tradičně měří pomocí reometru, jemného přesného laboratorního přístroje, který pro dosažení přesných a konzistentních výsledků vyžaduje zkušeného operátora. Měření reometrem jsou časově náročná, což omezuje jejich použití na pryskyřičné složky před smícháním a v případě pomalu tuhnoucí systémů krátce po smíchání. A konečně, výsledky reometrických testů v laboratoři mají často omezené využití při monitorování výroby, protože poskytují spíše vhled do minulosti než do současného stavu aplikovaného materiálu.

Viskozimetry založené na vibračních prvcích nabízejí schůdnou alternativu k reometrickým měřením. Poskytují rychlé a konzistentní hodnoty a jsou zvláště vhodné pro vložené instalace. Rezonanční senzory mohou být instalovány přímo do procesních linek nesoucích tmely, lepidla nebo jiné kapaliny a mohou být použity buď ke sledování charakteristik proudící tekutiny, nebo mohou být připojeny k řídicím systémům, které dynamicky upravují charakteristiky toku tekutiny přidáním ředidla nebo jiná aditiva. Taková zpětná kontrola viskozity procesu je dobře známá a osvědčená metoda, například pro udržení přesnosti barev během dlouhých, vysokorychlostních běhů ve flexografických a hlubotiskových závodech. [1]

Lepidla a tmely nabízejí další výzvu k měření a kontrole viskozity, protože mají vysoce nenewtonské charakteristiky proudění. Newtonovská tekutina vykazuje stejnou viskozitu bez ohledu na rychlost vřetena rotujícího nástroje, například reometru nebo viskozimetru. Nenewtonské kapaliny jsou citlivé na střih-jejich naměřená viskozita závisí na rychlosti vřetena rotačního reometru nebo na vibračních charakteristikách zařízení založeného na mechanickém rezonátoru.

Chování závislé na střihu je zásadní pro většinu lepidel a tmelů. Při nanášení na substrát musí volně proudit, ale musí zůstat na svém místě, dokud nejsou zcela zatuhlé, bez prověšení nebo odkapávání ze spáry. Takové materiály jsou nejen závislé na střihové rychlosti, ale mohou vyžadovat určité množství síly, aby se uvedly do pohybu. Nerušeně se chovají jako pevné látky, ale když jsou jisté výnosový stres jsou překročeny, proudí jako kapaliny. A mohou být časově závislí, popř tixotropní, zbývající tekutina po jejich stříhání a po určité době zotavení se vrátí zpět do pevné formy.

Reometry (a v menší míře rotující viskozimetry) jsou schopné poskytnout celou řadu měření, která mohou zcela charakterizovat chování i složitých nenewtonských tekutin v laboratorním prostředí. Interpretace reometrických dat k předpovědi chování těchto složitých materiálů v reálném světě je náročná a často není snadno použitelná v průmyslových procesech. Na druhou stranu generují senzory spoléhající se na vibrující prvky jediný bod měření; odečítají zdánlivou viskozitu při jediné hodnotě smykové rychlosti, která je často podstatně vyšší než smykové rychlosti používané v rotačních přístrojích. Z tohoto důvodu se měření prováděná na nenewtonovských kapalinách pomocí rezonančních viskozimetrů obvykle neshodují s měřeními z rotačních přístrojů. Navzdory tomuto rozdílu v indikovaných viskozitách mezi těmito dvěma typy přístrojů se vibrační viskozimetry ukázaly jako cenné pro monitorování a řízení viskozity vysoce nenewtonovských kapalin.

Existují dvě oblasti použití, ve kterých je pohodlí a robustnost vibračních viskozimetrů ideální pro monitorování a kontrolu lepidel a tmelů. První je monitorování viskozity přímo v aplikátoru. Druhou je monitorování vytvrzování pro dávkové operace, u kterých je zásadní detekovat, kdy se smíšená šarže materiálu blíží konci své doby zpracovatelnosti.

Monitorování viskozity přímo v aplikátorech

Těsnicí materiály musí během procesu aplikace volně proudit, ale nesmí po aplikaci zcela stékat ani se prohýbat, dokud nejsou zcela vytvrzeny. To vyžaduje, aby účinná viskozita materiálu byla vysoce závislá na smyku, aby měla nízkou viskozitu při vysokých smykových rychlostech, které se vyskytují v linkách obsluhujících aplikátor a v samotné trysce aplikátoru, a vysokou viskozitu nebo dokonce mez kluzu po dávkování .

Navzdory důležitosti tokových charakteristik lepidel a tmelů, zejména v případě vysokorychlostního automatického dávkování a nanášení, je k dispozici jen málo nebo žádné informace o inline instrumentaci, která by byla aplikována na monitorování nebo řízení konzistence lepidla a tmelu.

Rheonics Společnost nainstalovala inline viskozimetry SRV do vysokorychlostního laminovacího lisu, u kterého je regulace viskozity nezbytná. Obsluha lisu vyzkoušela rotační viskozimetry pro monitorování viskozity lepidla, ale znečištění rotujících částí zaschlým lepidlem znemožnilo jejich použití. V současné době se pro monitorování viskozity používají výtokové kelímky, které jsou však značně nepřesné a nepředstavují skutečné inline měření. Jejich použití je časově náročné, což znemožňuje časté měření a umožňuje tak větší než požadované výkyvy viskozity, a tím i tokových charakteristik laminovacího lepidla. Problém se u vysokorychlostních laminovacích strojů zhoršuje, protože nanášecí válec obvykle běží v otevřeném žlabu s lepidlem, ze kterého se rozpouštědlo neustále odpařuje, jak je znázorněno na následujícím obrázku:

 

Stejně jako v případě tiskových barev ve flexografických a hlubotiskových strojích toto postupné odpařování postupně zvyšuje viskozitu média, což vyžaduje periodické dávkování rozpouštědla ke stabilizaci média na téměř konstantní viskozitě, což zajišťuje správnou aplikaci během dlouhých, vysokorychlostních běhů.

Vibrační senzory viskozity mají rezonátory, které obvykle pracují na frekvencích od několika stovek hertzů až po desítky kilohertzů, v závislosti na konkrétním principu fungování. Ačkoli není možné určit skutečnou smykovou rychlost, rozsah smykových rychlostí je vysoký a odpovídá nebo překračuje rychlosti zjištěné v dávkovacím zařízení. Z tohoto důvodu jsou vibrační senzory viskozity užitečné pro monitorování konzistence lepidla a jeho chování během dávkování.

Vibrační viskozimetry pracují na principu měření tlumení vibrací indukovaných v mechanickém rezonátoru ponořeném do kapaliny. Rezonátory používané ve vibračních viskozimetrech spadají do dvou obecných kategorií, na ty, které vibrují příčně, jako jsou ladičky a konzolové nosníky, a na ty, které vibrují torzně. Torzní rezonátory jsou zvláště výhodné pro měření vyšších viskozit, se kterými se často setkáváme u tmelů a lepidel, protože příčné vibrace mají tendenci být silněji tlumeny kapalinami s vysokou viskozitou. Torzní rezonátory také bývají méně citlivé na svou blízkost ke stěnám potrubí a jiných nádob, díky čemuž jsou možnosti instalace flexibilnější. Když mají být viskozity měřeny inline s aplikačním systémem, může být výhodná mechanická kompaktnost, protože průtoková potrubí mají často malý průměr s relativně nízkými průtoky ve srovnání s jinými procesními aplikacemi. Vzhledem k tomu, že vibrační senzory mají tendenci produkovat reakční síly ve své montáži, které mohou ovlivnit jejich citlivost, senzory, které jsou vibračně vyvážené, jsou zvláště bez vlivů prostředí, které ovlivňují nevyvážené rezonátory. Rheonics Řadový viskozimetr SRV je založen na tomto patentovaném torzně vyváženém rezonátoru. [2]

Monitorování stupně vytvrzení u dávkově míchaných lepidel

Další důležitou oblastí zájmu v oblasti lepidel je sledování stupně vytvrzení lepidel a pryskyřic. To je v aplikacích lepidel důležité pro určení, zda konkrétní šarže materiálu dosáhla potřebných mechanických vlastností, spíše než aby se spoléhalo pouze na specifikace výrobce a úpravu procesních parametrů. Při lisování je důležité určit, kdy je bezpečné vyjmout vytvrzený díl z formy, a při výrobě kompozitů určit, kdy je laminovaný díl plně vytvrzen.

Bylo publikováno mnoho metod pro monitorování stupně vytvrzení, ale většina z nich se spoléhá na nepřímá měření, jako jsou elektrické nebo optické vlastnosti, spíše než na přímé měření mechanických vlastností. Experimentální ultrazvukové metody jsou k dispozici, ale ty bývají omezeny na velmi malé vzorky za přísně kontrolovaných podmínek, protože útlum ultrazvukových vln může být během procesů vytvrzování poměrně velký[3]. Ultrazvuková měření se také obvykle provádějí v rozsahu megahertzových frekvencí, které u nenewtonovských materiálů nemusí odrážet jejich chování při rychlostech deformace bližších těm, které se vyskytují v jejich reálných aplikacích.

Zařízení, Rheonics CureTrack™, je v současné době testován Rheonics GmbH. Předpovídá gelovatění v šaržích předem namíchaných lepidel a tmelů. Obr. 2 níže ukazuje přístroj CureTrack s jeho použitím v laboratorním testu.

 

Zařízení CureTrack je založeno na a Rheonics Snímač viskozity SRV s Luerovým kuželem na špičce umožňující připojení konvenční jednorázové dávkovací jehly k prodloužení jejího citlivého prvku. Při použití jednorázového nástavce není samotný senzor vystaven lepidlu; jehlu lze jednoduše oddělit a zlikvidovat spolu s gelovým nebo ztvrdlým materiálem.

CureTrack vydává dvě čísla: tlumení a frekvenci rezonátoru nástroje. Tlumení je závislé na viskozitě materiálu, zatímco frekvence závisí na jeho tuhosti. Výstup CureTrack proto poskytuje přehled viskoelastického chování materiálu při jeho procesech gelace a vytvrzování.

Obr. 3 a 4 ukazují vytvrzovací křivky dvou různých epoxidových systémů, jak je zaznamenal CureTrack. Prvním je spotřební epoxidové lepidlo s tiolovým tužidlem, Pacer Technology PT39 Z-Poxy 30 Minute Epoxy. Udává se, že doba vytvrzování je 30 minut, a běžně se prodává v hobby obchodech pro stavbu modelů. Druhým je pryskyřice Axson Epolam 2017 s tužidlem Epolam 2018, systém vytvrzující aminy používaný pro laminované kompozity za mokra. Jmenovitá doba gelace je 6 hodin při hmotnostním poměru pryskyřice/tvrdidla 100: 30 při 23 ° C v procesu laminace, při kterém velká plocha povrchu omezuje exotermické zahřívání a zrychlení procesu vytvrzování

 

 

Principiálním indikátorem blížící se gelace je proto rychlý vzestup uvedené viskozity, následovaný zvýšením rezonanční frekvence rezonátoru senzoru.

Tyto křivky ukazují dva odlišné procesy a tři oblasti.

Procesy jsou gelovatění a vytvrzování. Gelovatění je proces charakterizovaný stoupajícím tlumením a stoupající frekvencí, což odráží vzestup viskozity i tuhosti pryskyřice. Materiál se pohybuje z kapalného do gelového stavu. Vytvrzování, které se vyznačuje snižováním tlumení a zvyšováním tuhosti, je proces následující po gelovatění, které transformuje materiál z vysoce viskózní lepkavé hmoty na tuhou pevnou látku. Tyto procesy také definují tři stavy, kterými se materiál pohybuje během gelování a vytvrzování:

1. Kapalná oblast, ve které je tuhost materiálu velmi nízká, se odráží v nízké a relativně konstantní frekvenci rezonátoru CureTrack. V této oblasti je také viskozita relativně nízká, což je indikováno nízkou hodnotou tlumení.
2. Gelová oblast, ve které rychle stoupá jak tuhost, tak tlumení materiálu. Materiál v této oblasti je lepkavý - má vysokou viskozitu, která dosahuje maxima, což ukazuje na vrchol gelovacího procesu, než začne tuhnout. Stává se tuhší a před konečným vytvrzováním vytváří kaučukovou hmotu.
3. Pevná oblast. Tlumení se opět snížilo na nízkou a relativně konstantní hodnotu. Rezonátor nyní produkuje primárně elastické střih materiálu s malým rozptylem v důsledku viskózních sil.

Tyto dvě sady křivek ilustrují schopnost CureTrack vycítit začátek gelovacího procesu a také poskytnout kvantitativní data, která umožňují sledování celého procesu vytvrzování.

Shimkin publikoval vynikající článek, který shrnuje stav monitorování doby vytvrzování lepidel. Dochází k závěru, že ačkoli je k dispozici řada metod pro monitorování doby gelace, chybí jak komerční přístrojová základna, tak i obecný nedostatek standardů, a tedy i shoda mezi různými metodami měření.

Většina metod, o nichž Shimkin pojednává, je nepřímých, jako je dielektrická analýza, v tom, že měří vlastnost systému pryskyřice, která je v korelaci s jeho mechanickými vlastnostmi, ale neměřují přímo vlastnosti, které jsou funkčně důležité při aplikaci pryskyřice Systém. V tomto smyslu poskytuje jakákoli měřicí technologie, která přímo měří vlastnosti, jako je gelování a tuhnutí, okamžitou přímou zpětnou vazbu o stavu pryskyřice.

Aplikace technologie CureTrack

Přímé měření mechanických vlastností pryskyřičného systému má aplikace jak v laboratoři, tak v továrně, kde se pryskyřice mísí, nanášejí a vytvrzují ve výrobním prostředí.

V laboratoři lze použít robustní nástroj pro mechanickou analýzu, jako je technologie CureTrack, jak pro výzkum a vývoj, tak pro kontrolu kvality. V laboratoři výzkumu a vývoje lze použít k analýze vytvrzovacích vlastností nových pryskyřic a formulací. Jeho jednoduchost a použití levných a jednorázových snímacích prvků umožňuje ekonomickou analýzu velkého počtu vzorků bez rizika poškození drahých senzorů nebo vyžadování rozsáhlého a časově náročného čištění obtížně odstranitelných zbytků. Pro účely kontroly kvality mohou být vzorky smíšené pryskyřice monitorovány v laboratoři bez časově náročné přípravy nebo čištění.

Podobně, pro účely kontroly kvality, může robustnost technologie přesunout monitorování smíšených výrobních šarží do továrny, namísto nutnosti odebírat vzorky pro laboratorní analýzu. Přístroje, jako je CureTrack, lze vložit přímo do kbelíku s pryskyřicí, aby se monitoroval její stav v průběhu výroby a aby se spustil varovný alarm, když hrozí gelace, a veškerý zbývající materiál musí být zlikvidován před jeho ztuhnutím.

Budoucí vývoj technologie se zaměří také na monitorování gelace v reálných výrobních scénářích. Například hrot sondy může být přiveden do kontaktu s povrchem pryskyřicí napuštěné vrstvy pro monitorování stavu matricového materiálu. Nebo může být hrot sondy zasunut do kontrolované hloubky do odlité součásti a vyjmut, jakmile dojde k gelaci.

Protože teplota je zásadním faktorem pro určení rychlosti vytvrzování, CureTrack zahrnul teplotní senzor, který měří teplotu na hrotu sondy. Dokáže měřit teplotu přesně tam, kde probíhá gelace a vytvrzování, což umožňuje monitorovat teplotu pryskyřice a sledovat produkci tepla během procesu vytvrzování.

Reference

1. Odkazy na informace o použití vložené viskozimetrie pro tiskové aplikace najdete v https://rheonics.com/solutions/
2. https://rheonics.com/products/inline-viscometer-srv/
3. Materials 2013, 6, 3783-3804; doi:10.3390/ma6093783 materials ISSN 1996-1944 www.mdpi.com/journal/materials Přehled Monitorování stavu vytvrzení termosetových pryskyřic ultrazvukem Francesca Lionetto a Alfonso Maffezzoli
4. ISSN 1070-3632, Russian Journal of General Chemistry, 2016, roč. 86, č. 6, s. 1488–1493. Pleiades Publishing, Ltd., 2016. Originální ruský text AA Shimkin, 2014, publikováno v Rossiiskii Khimicheskii Zhurnal, 2014, roč. 58, č. 3–4, s. 55–61.