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.

Průtokové charakteristiky tmelů a lepidel se tradičně měří pomocí reometru, jemného přesného laboratorního přístroje, který vyžaduje, aby zkušený operátor podával přesné a konzistentní výsledky. Měření reometru je časově náročné, omezuje se jeho použití na pryskyřičné složky před mícháním a v případě pomalu vytvrzujících systémů brzy po míchání. A konečně, výsledky reometrického testování v laboratoři mají často omezené využití při monitorování výroby, protože dávají nahlédnout spíše do minulosti než do současného stavu nanášeného 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]

Obrázek 1. Inline viskozimetr (vlevo) a nainstalovaný v adaptéru flowline pro inline aplikace.

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; čtou zdánlivou viskozitu při jediné hodnotě smykové rychlosti, která je často podstatně vyšší než smykové rychlosti používané v rotačních nástrojích. Z tohoto důvodu měření prováděná na nenewtonských kapalinách pomocí rezonančních viskozimetrů obvykle nesouhlasí s měřeními z rotačních přístrojů. Navzdory tomuto rozdílu v uvedených viskozitách mezi těmito dvěma typy přístrojů se vibrační viskozimetry ukázaly jako cenné pro monitorování a řízení viskozity vysoce nenewtonských kapalin.

Existují dvě oblasti použití, ve kterých jsou díky pohodlí a robustnosti vibračních viskozimetrů ideální pro monitorování a kontrolu lepidel a tmelů. Prvním je inline monitorování viskozity pro aplikátory. Druhým je sledování vytvrzování pro dávkové operace, ve kterých je důležité detekovat, kdy se směsná dávka materiálu blíží ke konci své doby zpracovatelnosti.

Inline monitorování viskozity pro aplikátory

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.

Společnost Rheonics nainstalovala inline viskozimetry SRV do vysokorychlostního laminovacího lisu, ve kterém je zásadní kontrola viskozity. Provozovatel lisu vyzkoušel rotační viskozimetry pro sledování viskozity lepidla, ale znečištění rotujících částí sušeným lepidlem způsobilo, že jejich použití bylo nepraktické. V současné době se pro monitorování viskozity používají efluxní kelímky, které jsou však zejména nepřesné a nejedná se o skutečně inline měření. Jejich použití je časově náročné, takže časté měření je nepraktické, a proto umožňuje větší než žádoucí výkyvy viskozity, a tedy tokových vlastností laminovacího lepidla. Problém je zesílen ve vysokorychlostním laminovacím stroji, protože nanášecí válec obvykle běží v otevřeném žlábku lepidla, ze kterého se rozpouštědlo neustále odpařuje, jak ukazuje následující obrázek:

Obrázek 2. Zásobník lepidla ve vysokorychlostním laminovacím stroji.

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 typicky pracují na frekvencích od několika set hertzů až po desítky kilohertzů, v závislosti na konkrétním provozním principu. Ačkoli není možné určit skutečnou smykovou rychlost, rozsah smykových rychlostí je vysoký, rovný nebo převyšující ty, které se nacházejí v dávkovacím zařízení. Z tohoto důvodu jsou vibrační senzory viskozity užitečné pro monitorování konzistence lepidla a toho, jak bude působit během výdejní operace.

Vibrační viskozimetry fungují měřením tlumení vibrací indukovaných v mechanickém rezonátoru ponořeném do tekutiny. Rezonátory používané ve vibračních viskozimetrech spadají do dvou obecných kategorií, na ty, které vibrují příčně, jako jsou ladičky a konzolové paprsky, a na ty, které vibrují torzně. Torzní rezonátory jsou zvláště výhodné pro měření vyšších viskozit, s nimiž se často setkáváme u tmelů a lepidel, protože příčné vibrace bývají silněji tlumeny kapalinami s vysokou viskozitou. Torzní rezonátory bývají také méně citlivé na jejich blízkost ke stěnám trubek a jiných nádob, čímž jsou možnosti instalace flexibilnější. Když se mají viskozity měřit inline aplikačním systémem, může být výhodná mechanická kompaktnost, protože průtoková potrubí mají často malý průměr s relativně nízkými průtokovými rychlostmi ve srovnání s jinými procesními aplikacemi. Protože vibrační senzory mají tendenci vytvářet reakční síly v jejich montáži, které mohou ovlivnit jejich citlivost, senzory, které jsou vibračně vyvážené, jsou obzvláště prosté vlivů prostředí, které ovlivňují nevyvážené rezonátory. Inline viskozimetr Rheonics SRV je založen na tomto patentovaném torzně vyváženém rezonátoru. [2]

Monitorování stupně vytvrzení v dávkově míchaných lepidlech

Další důležitou oblastí zájmu o lepidlo je monitorování stupně vytvrzení lepidel a pryskyřic. To je důležité v aplikacích lepidla pro určení, zda konkrétní šarže materiálu dosáhla potřebných mechanických vlastností, spíše než se spoléhat pouze na specifikace výrobců a úpravu parametrů procesu. Při formovacích operacích je důležité určit, kdy je bezpečné odformovat vytvrzenou součást, a při výrobě kompozitů určit, kdy je laminovaná část zcela vytvrzena.

Bylo publikováno mnoho metod pro sledování stupně vytvrzení, ale většina se spoléhá na nepřímá měření, jako jsou elektrické nebo optické charakteristiky, spíše než na přímé měření mechanických vlastností. K dispozici jsou experimentální ultrazvukové metody, ale ty se obvykle omezují na velmi malé vzorky v přísně kontrolovaných podmínkách, protože útlum ultrazvukových vln může být během vytvrzovacích procesů poměrně velký [3]. Ultrazvuková měření se také obvykle provádějí v rozsahu megahertzových frekvencí, což u nenewtonských materiálů nemusí odrážet jejich chování při rychlostech deformace blíže těm, které se nacházejí v jejich aplikacích v reálném světě.

Zařízení Rheonics CureTrack ™ v současné době testuje společnost Rheonics GmbH. Předpovídá gelovatění v dávkách předem namíchaných lepidel a tmelů. Na obr. 2 níže je uveden nástroj CureTrack s použitím v laboratorní studii.

Obrázek 3. Nástroj CureTrack s detailním zkumavkou na vzorky a špičkou jehly

Zařízení CureTrack je založeno na viskozitním senzoru Rheonics SRV s kuželem Luer na špičce, který umožňuje připojení konvenční jednorázové dávkovací jehly k prodloužení jejího citlivého prvku. Použitím jednorázového nástavce není samotný senzor vystaven lepidlu; jehlu lze jednoduše oddělit a zlikvidovat společně s nagelovaným nebo tvrzeným 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

Obrázek 4. Křivky vytvrzování CureTrack rychle vytvrzujícího spotřebního epoxidového lepidla Pacer Pt39 Z-Poxy. Plot ukazuje tlumení a frekvenci CureTrack s tekutými, gelovanými a tuhými fázemi lepidla.

Obrázek 5. Křivky vytvrzování CureTrack pomalu tuhnoucí epoxidové laminovací pryskyřice Epolam 2017 pryskyřice s 2018 tužidlem v hmotnostním poměru 100: 30. Graf ukazuje tekutou, gelovanou a tuhnoucí fázi pryskyřice.

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 [4] publikoval vynikající článek, který zkoumá stav monitorování adhezivního vytvrzování. Dochází k závěru, že ačkoli je k dispozici řada metod pro sledování doby gelace, chybí jak obchodní základna přístrojů, tak obecný nedostatek standardů, a tedy 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 šarží smíšené výroby do výrobního závodu, místo aby bylo nutné odebírat vzorky pro laboratorní analýzu. Nástroje, jako je CureTrack, lze vložit přímo do pryskyřičného kbelíku, aby bylo možné sledovat jeho stav v průběhu výroby a vydat varovný alarm, když se blíží gelovatění, a veškerý zbývající materiál musí být zlikvidován dříve, než ztuhne.

Budoucí vývoj technologie se zaměří také na sledování gelace ve skutečných scénářích výroby. Špička sondy může být například uvedena do kontaktu s povrchem vrstvy s infuzí pryskyřice pro sledování stavu materiálu matrice. Nebo může být hrot sondy zasunut do kontrolované hloubky v nalitém lisovaném komponentu a odstraněn, jak gelovatí.

Protože teplota je zásadním faktorem při určování rychlosti vytvrzování, CureTrack obsahuje teplotní senzor, který měří teplotu na špičce sondy. Může měřit teplotu přesně tam, kde se měří gelování a vytvrzování, což umožňuje jak monitorování teploty pryskyřice, tak sledování produkce 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. Materiály 2013, 6, 3783-3804; doi: 10.3390/ma6093783 materials ISSN 1996-1944 www.mdpi.com/journal/materials Review Monitoring the Cure State of Thermosetting Resins by Ultrasound Francesca Lionetto and 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.