Monitorování viskozity taveniny v reálném čase při extruzi a vstřikování polymerů

Měření viskozity polymerní taveniny během procesu extruze má pro kvalitu taveniny zásadní význam, mnohem větší než monitorování teploty a tlaku.

Obrázek 1: Vytlačovací stroj.

Obsah

Úvod
Proces vytlačování
Výzvy v oblasti vytlačování polymerů a řízení procesu
Rheonics Procesní viskozimetr SRV Inline
- Integrace dat
- Možnosti instalace

- Klíčová hlediska pro instalaci
  - - Oblast snímání v kontaktu s kapalinou
    - Vysoká teplota
    - Vysoký tlak
    - Procesní připojení a těsnění sondy
    - Limity sondy při kolmé instalaci

Úvod

Extruzní lisování je vysoce efektivní a všestranný výrobní proces v různých odvětvích používaný k výrobě kontinuálních profilů, jako jsou trubky, plechy, fólie atd. Umožňuje vysokou výrobní rychlost, materiálovou efektivitu a schopnost vytvářet složité tvary průřezů s konzistentní kvalitou. Výroba extruzí hraje významnou roli v globální výrobě polymerů a plastů. V posledních letech pokrok v automatizaci, monitorování procesů v reálném čase a udržitelných materiálech, stejně jako význam recyklačních procesů, zvýšily přesnost a snížily dopad na životní prostředí snížením odpadu.

Monitorování procesu v reálném čase je klíčem k zajištění vysoce kvalitních produktů. V monitorování teploty a tlaku v extruzních procesech bylo dosaženo velkého pokroku. Monitorování viskozity inline, přestože je jedním z kritických faktorů ovlivňujících tok taveniny a plnění formy, dokonce významnějším než teplota a tlak, však čelí mnoha výzvám. Byly testovány různé metody měření viskozity s lepšími či horšími výsledky souvisejícími s náklady, kalibrací, opakovatelností atd., které ovlivňují důvěru obsluhy. Za těchto okolností, Rheonics Inline viskozimetr SRV umožňuje opakovatelné měření viskozity v náročných podmínkách vytlačovacích strojů, čímž vyplňuje mezeru pro kompletní řízení procesu vytlačování polymeru.

Proces vytlačování

Vytlačování lze definovat jako nepřetržitý výrobní proces používaný k vytváření objektů (vytlačování) s a konzistentní průřez protlačováním roztaveného materiálu skrz matrici nebo otvor pro vytvoření tvaru. Extrudér lze použít i jako součást jiných výrobních procesů (termoformování, vstřikování, vyfukování atd.). Vytlačování je široce používáno v plast, kov a guma průmysl vyrábět produkty jako trubky, trubky, plechy, fólie a profily.

Hlavním zaměřením této případové studie je extruze polymerů. Na rozdíl od vytlačování kovu lze vytlačování polymeru provádět kontinuálně, dokud je materiál přiváděn do vytlačovacího stroje. Extruze se používá většinou pro termoplasty, ale lze zpracovávat i elastomery a termosety.

Vytlačovací stroj se obecně skládá z následujících částí. A násypka, kam se přivádí polymerní materiál. A podávací šroub je v konstantní rotaci podél a sud. Šroub je poháněn a pohon motoru jednotku a převodovku a nutí materiál protékat a zemřít. Topné články, umístěné nad válcem při kontrolované teplotě, změkčují a taví polymerní materiál. Po matrici lze použít formu s jednou nebo více dutinami, kde se tavenina ochladí, aby získala tvar požadovaného předmětu. Některé stroje používají a zubové čerpadlo mezi koncem hlavně a matricí, aby se udržoval dobře definovaný konstantní tlak ve vystupujícím materiálu.

Schopnost sestavy šneku a válce vytlačovat daný materiál závisí na vlastnostech plastového materiálu, vlastnostech nebo konstrukci šneku a válce a podmínkách, za kterých je systém provozován.

Obrázek 2: Hlavní části stroje na vytlačování polymeru.

Výzvy v oblasti vytlačování polymerů a řízení procesu

Extruze polymeru je komplexní proces, který vyžaduje přesnou kontrolu více parametrů pro zajištění vysoce kvalitního výstupu. Navzdory pokroku v technologii přetrvává několik problémů jak v procesu vytlačování, tak v jeho řídicích systémech. Tyto výzvy mohou ovlivnit konzistenci produktu, efektivitu a celkové výrobní náklady.

Klíčovými parametry procesu jsou rychlost otáčení šneku, teploty matrice a válce, viskozita taveniny, teplota taveniny, hmotnostní průtok, tlak taveniny, rychlost chlazení atd. [1]. Teplota a tlak jsou díky mnoha dostupným technologiím považovány za nejběžnější in-line monitorované parametry v procesu vytlačování. Viskozita taveniny (popisovaná jako odpor tekutiny vůči toku) však není snadné měřit nebo monitorovat na lince, přestože je jedním z nejdůležitějších parametrů v procesu. Viskozita taveniny se vztahuje k mnoha charakteristikám, jako jsou:

Tloušťka
Pevnost
Konstantní průřez
Konzistence v tekutém složení – homogenní promíchání plniva, vláken, barviv atd.
Spotřeba energie
Tepelná degradace

Vysoká viskozita roztavené tekutiny může způsobit špatný tok, nadměrný tlak a ucpání formy, což vede k defektům, jako je drsnost povrchu a deformace. Naproti tomu nízká viskozita může mít za následek prověšení, nadměrné smršťování nebo slabé mechanické vlastnosti. Potom bude cílem udržet viskozitu co nejkonstantnější během procesu vytlačování.

Ve většině případů jsou plasty pseudoplastickými materiály, což znamená, že se stávají méně viskózními (snáze tečou), když se s nimi rychleji pohybuje (stříhá). Proto neexistuje lineární vztah mezi tlakem a průtokem, ani mezi smykovým napětím (síla na jednotku plochy, měřená většinou v Pa) a smykovou rychlostí (rychlost pohybu rovnoběžných vrstev tekutiny, měřená v s-1).

V současné době neexistuje vhodný inline senzor pro monitorování viskozity extrudovaných tavenin v reálném čase. Kapilární reometry jsou známé laboratorní přístroje používané ke studiu reologických vlastností polymerů. Používají píst k protlačování taveniny kapilární (velmi jemnou) matricí, která se snaží simulovat proces probíhající ve vytlačovacím stroji. Přestože se jedná o dobře uznávaný přístroj pro testování viskozity, neposkytuje data o tavenině v reálném čase. Hlavní problémy této metody jsou:

Vyžaduje odběr vzorků
Ne skutečně reprezentativní
Není to nepřetržité monitorování
Vyžaduje významnou údržbu a servis

Rheonics Procesní viskozimetr SRV Inline

SRV je Rheonics Inline viskozimetr vhodný pro široký rozsah viskozity, teploty a tlaku. Rheonics SRV používá velmi kompaktní sondu s jednoduchými instalačními pokyny a bez požadavků na údržbu nebo rekalibraci. Díky kompaktnímu designu SRV existuje široká škála typů instalací, které uživatelé zvolí, jak je znázorněno na obrázku 3 a 4.

Obrázek 3: Rheonics Inline SRV viskozimetr slimline se závitovým připojením.

Obrázek 4: Rheonics Inline viskozimetr SRV s konstrukcí destičkové cely Stargate.

Integrace dat

Rheonics SRV umožňuje online vizualizaci klíčových parametrů, jako je dynamická viskozita a teplota, v extruzních strojích v reálném čase. Senzor lze snadno integrovat do lokálních monitorovacích a řídicích systémů pomocí výkonné elektroniky, která provozuje několik průmyslových protokolů. Více informací naleznete v Elektronika Rheonics Strana.

Rheonics senzory také ukládají údaje o měření a stavu senzoru do palubního historika. Tento automatický záznamník je přístupný přes Rheonics RCP Software a je užitečný pro historický pohled na sledované parametry.

Možnosti instalace

Kolmá instalace

Rheonics SRV je umístěn kolmo k proudu taveniny s dostatečným ponořením, aby byl snímací prvek sondy v kontaktu s kapalinou.

Hlavní výhodou této instalace je, že je pravděpodobně nejjednodušší ze všech pro instalaci. SRV lze instalovat do stávajících portů používaných teplotními nebo tlakovými senzory, s hlavním rozdílem, že SRV sonda musí vyčnívat do vedení, jedná se o intruzivní a invazivní sondu.

Tato kolmá instalace má však hlavní nevýhodu v tom, že je sonda vystavena velké ohybové síle v důsledku vysoké viskozity a rychlosti tekutiny. Viskózní zatížení může být problémem u standardní sondy SRV při kolmé instalaci, protože přidává příliš mnoho hluku nebo poškozuje sondu. Vztahy mezi velikostí vedení a hmotnostními nebo objemovými omezeními viz část „Limity sondy při kolmé instalaci“ nebo článek SR sondy pro vysoce viskózní kapaliny a vysoké rychlosti kapalin.

Hlavními faktory pro tuto instalaci jsou velikost potrubí, rychlost kapaliny nebo průtok a rozsahy viskozity. Velikost vedení by měla být větší než 50 – 55 mm (2”), aby snímací prvek sondy SRV mohl být správně vystaven kapalině. Rozsahy rychlosti a viskozity tekutiny jsou porovnány s tabulkou v části „Mezní hodnoty sondy při kolmé instalaci“, aby se ověřily síly, kterým bude sonda vystavena. Rheonics nabízí SRV-HP pro pouzdra pro vysoký tlak a vysoké ohybové síly.

Obrázek 5: Rheonics Kolmá instalace SRV v lince vytlačování.

Paralelní instalace vložená do kolena

Některé vytlačovací stroje mají koleno přímo před matricí pro umístění měřicích přístrojů, jako jsou teplotní senzory, axiálně k toku. To lze také použít pro Rheonics Inline viskozimetr SRV pro paralelní instalaci.

Zde je hlavní výhodou snížení síly vyvíjené na sondu kapalinou ve srovnání s kolmou instalací. Paralelní instalace také udržuje snímací prvek ve středu vedení, čímž se zabrání usazeninám, které by mohly ovlivnit naměřené hodnoty. The Sonda SRV-X6 Slimline lze použít pro minimální tlakovou ztrátu a je kompatibilní s vedeními menšími než 50-55 mm (2”).

Hlavním omezením této instalace je použití kolena před matricí. To vyžaduje mnoho zásahů do stroje a mění orientaci vytlačovaného materiálu, takže tato možnost instalace je vhodná pouze pro vytlačovací stroje, které mají koleno již v lince. Kromě toho může tato instalace trpět znečištěním nebo stagnací tekutiny kolem základny snímače na stěně kolena. To neovlivňuje hodnoty, ale není to žádoucí v žádném řádku.

Obrázek 6: Rheonics Paralelní instalace SRV do kolena ve vytlačovací lince.

Parallel Inserted Inline – adaptace procesu waferové buňky – SRV Stargate

Rheonics Stargate-SRV-EM, také nazývaná Stargate Variant, je navržena tak, aby umístila sondu SRV zavěšenou do středu linky instalované inline v procesních potrubích, jako v adaptéru wafer cell. Výhodou tohoto řešení je jeho odolnost vůči vysokoviskózním a vysokorychlostním kapalinám a snížení možnosti tvorby usazenin.

Pro tuto instalaci je obecně zapotřebí prodlužovací sekce v lince a tento zásah nemusí být u některých klientů možný kvůli nákladům, přepracování nebo problémům s tepelným managementem.

Všimněte si, že zadní strana sondy směřuje k tekutině, což je potřeba k udržení vysokých sil. Variantu SRV Stargate je navíc nutné objednat ve stejné velikosti jako vytlačovací linka, pokud nelze v řadě použít redukční a rozšiřující adaptéry.

Obrázek 7: Rheonics Paralelní instalace „wafer cell“ SRV do vytlačovací linky.

Klíčová hlediska pro instalaci

Oblast snímání v kontaktu s kapalinou

Rheonics Hlavním požadavkem instalace inline viskozimetru SRV je, aby snímací oblast byla ponořena do kapaliny bez usazenin nebo nahromadění kapaliny, protože ty mohou ovlivnit naměřené hodnoty. Oblast snímání SRV je znázorněna na obrázku 8.

Obrázek 8: Oblast snímání SRV.

Vysoká teplota

Procesy vytlačování normálně vyžadují teplotu tekutiny v rozmezí 180 až 220 °C (360 až 430 °F). To se může lišit v závislosti na materiálu, rychlosti a konstrukci šroubu. Rheonics Viskozimetr SRV Inline lze nakonfigurovat pro teploty až 285 °C (545 °F). Uživatel by měl zvolit správnou teplotní třídu během objednávky. Následující tabulka ukazuje teplotní jmenovité hodnoty pro SRV sondu. Některé procesy vytlačování mohou dosáhnout velmi vysokých teplot, až 350/370 °C (670/700 °F), v takovém případě vám doporučujeme kontaktovat Rheonics Support Team at pro další informace.

Tabulka 1: Hodnoty teploty inline viskozimetru SRV

SRV teplotní kód	Teplotní limit
T1	Senzor určený pro provoz v procesních kapalinách do 125 °C (250 °F)
T2	Senzor určený pro provoz v procesních kapalinách do 150 °C (300 °F)
T3	Senzor určený pro provoz v procesních kapalinách do 175 °C (350 °F)
T4	Senzor určený pro provoz v procesních kapalinách nad 250 °C (480 °F)
T5	Senzor určený pro provoz v procesních kapalinách nad 285 °C (545 °F)

Poznámka: Kabel senzoru si elektronika snímače mají různé teplotní limity, které by neměly být překročeny.

Vysoký tlak

Procesy vytlačování mohou dosahovat velmi vysokých tlaků, až 10,000 670 psi, 70 barů nebo XNUMX MPa. ještě jednou, Rheonics SRV by měl být nakonfigurován odpovídajícím způsobem.

Tabulka 2: Hodnoty tlaku inline viskozimetru SRV pro vytlačování

Kód tlaku SRV	Mezní tlak
P3	Senzor dimenzovaný pro tlak procesních kapalin do 200 bar (3000 psi)
P4	Senzor dimenzovaný pro tlak procesních kapalin do 350 bar (5000 psi)
P5	Senzor dimenzovaný pro tlak procesních kapalin do 500 bar (7500 psi)
P6	Senzor určený pro tlak procesních kapalin až do 750 bar (10000 XNUMX psi) SRV-HP
P7	Senzor dimenzovaný pro tlak procesních kapalin do 1000 bar (15000 psi), SRV-HP
P8	Senzor dimenzovaný pro tlak procesních kapalin do 1500 bar (20000 psi), SRV-HP

Procesní připojení a těsnění sondy

U vysokotlakých aplikací musí být sonda i procesní připojení dimenzovány pro očekávaný tlakový rozsah. Pro kolmou instalaci Rheonics běžně nabízí rozhraní G1/2” Thread. Zatímco pro paralelní v koleni lze použít přírubové nebo závitové spojení. Variantu instalace wafer cell lze integrovat přes zákaznické přírubové rozhraní pomocí an O-Ring nebo Kovové těsnění. Stávající instalační porty na stroji lze znovu použít k montáži Rheonics senzorová sonda.

Kontakt Rheonics Support Team at k diskusi o vhodných možnostech instalace ve vašich vytlačovacích strojích.

Limity sondy při kolmé instalaci

Za určitých podmínek mohou kapaliny s vysokou viskozitou ovlivnit sondu SRV při použití kolmé instalace. Ohybové síly způsobené prouděním kapaliny mohou poškodit sondu (obrázek 9). Síly jsou obecně závislé na viskozitě a rychlosti kapaliny. Další graf ukazuje vztah mezi rychlostí tekutiny v m/s a dynamickou viskozitou v Pa.s. Klienti mohou použít graf k určení, zda podmínky procesu mohou poškodit standardní sondu SRV.

Obrázek 9: Ohybové síly na sondě způsobené viskozitou a rychlostí kapaliny.

Obrázek 10: Graf ukazující rychlost tekutiny na ose X a maximální povolenou dynamickou viskozitu na ose Y pro SRV.

Obecně se pro použití SRV v kolmých instalacích doporučuje limit 12 m/s. Překročení tohoto limitu rychlosti může způsobit příliš mnoho šumu při čtení nebo poškození sondy. Následující tabulka ukazuje, co tato rychlost znamená na objemovém a hmotnostním toku pro různé velikosti vedení.