Оптимизация процессов нанесения клея-расплава (HMA) с помощью улучшенного контроля вязкости

Содержание

• 1. Введение
• 2. Обзор отрасли
• 2.1 Термоплавкие клеи HMA
• 2.2 Типы HMA
• 2.3 Процесс производства термоклея
• 2.4 Основные параметры мониторинга
• 3. Rheonics Линейный вискозиметр
• 3.1 Установка вискозиметра SRV для процесса производства HMA
• 3.2 Преимущества встроенного мониторинга вязкости
• 4. Рекомендации

Клеи-расплавы (КП) представляют собой сложные составы, состоящие из полимеров, смол, восков и добавок, которые придают им уникальные свойства. Потребители рассчитывают на стабильность работы клея в процессе его применения, например, в упаковке, переплетном деле, сборке продукции и т.д. Поэтому для обеспечения качества принципиально важно контролировать его состав в процессе производства. Вязкость — ключевой параметр для контроля производства КП по множеству причин, влияющий на всё: от качества сырья до характеристик конечного продукта и эффективности производства.

Термоплавкий клей (ТПК) или «горячий клей» — это тип термопластичного полимерного клея, который находится в твёрдом состоянии при комнатной температуре и наносится в виде расплавленной жидкости при нагревании. Нагрев обычно осуществляется с помощью термофенов или аналогичных устройств, которые переводят твёрдое состояние клея в расплавленное или жидкое, что создаёт соединение путём охлаждения и затвердевания. Этот механизм застывания исключительно за счёт потери тепла является фундаментальной характеристикой и главным преимуществом ТПК, поскольку он исключает этапы сушки или отверждения, часто необходимые для клеевых систем на основе растворителей или воды [1].

У HMA есть ключевые характеристики, которые делают его широко используемым клеем:

• Высокая скорость схватывания: Создает соединение в течение нескольких секунд после нанесения.
• Состав без растворителей: Уменьшает или устраняет выбросы летучих органических соединений (ЛОС).
• Универсальность при склеивании подложек: пористые (например, бумага, дерево) и непористые основания (например, пластик, металлы).
• Подходит для заполнения пробелов: Минимальная или нулевая усадка после охлаждения
• Длительный срок хранения: В твердом состоянии HMA легко хранить и транспортировать, предъявляя минимальные требования к сохранению их характеристик.
• Различные презентации: Обычно используется в виде клеевых стержней, но также доступен в виде гранул, крошки, подушечек, блоков и планок.

 

Типы термоплавких клеев (ТПК) в основном классифицируются и изучаются на основе их первичный базовый полимерЭто связано с тем, что базовый полимер образует «скелет» клея и во многом определяет его основные свойства, такие как прочность, гибкость, адгезия к различным основаниям, термостойкость (насколько хорошо работает при высоких или низких температурах), химическая стойкость, вязкость расплава, стоимость и время открытой выдержки. В то время как усилители клейкости, воски, пластификаторы и другие добавки имеют решающее значение для точной настройки конкретных эксплуатационных характеристик, базовый полимер обеспечивает присущие HMA возможности.

Полимерная основа HMA	Ключевые характеристики	Типичный диапазон вязкости расплава (сП при указанной температуре)	Типичный диапазон температур применения (°C/°F)	общие приложения
ЭВА (этиленвинилацетат)	Низкая стоимость, универсальность, хорошая адгезия к целлюлозным материалам, быстрое схватывание, как правило, легко обрабатывается	500–5,000 сП (типично, варьируется в широких пределах)	150-180 ° C / 302-356 ° F	Упаковка, деревообработка, переплетное дело, сборка
ПЭ (полиэтилен)	Подходит для пористых оснований (картона), хорошая термостойкость, слабый запах, влагонепроницаемость	1,000 - 3,000 сП	160-190 ° C / 320-374 ° F	Упаковка (запечатывание картонной коробки)
АПАО (аморфный полиальфаолефин)	Высокая термостойкость, липкий, мягкий, гибкий, хорошая термостойкость, склеивает сложные поверхности	500 - 15,000 XNUMX+ сП	160-190 ° C / 320-374 ° F	Средства гигиены, автомобилестроение, текстиль, сборка изделий (пластик, пенопласт)
mPO (металлоценовый полиолефин)	Точные свойства, сниженный расход материала, хорошая термостойкость, слабый запах, минимальное волокнистость, устойчивость к экстремальным температурам, некоторые сорта содержат возобновляемый материал.	500 - 5,000 сП	150-180 ° C / 302-356 ° F	Упаковка (пищевая, для заморозки и микроволновой печи), сборка, нетканые материалы
ПА (полиамид)	Высокая термостойкость, возможность применения при высоких температурах, устойчивость к маслам и химикатам, хорошая адгезия к металлам и некоторым пластикам, может быть дорогим	2,000–10,000+ сП (часто выше)	185-215°C+ / 365-419°F+	Автомобилестроение, электроника, сложная деревообработка, фильтры
PUR (реактивный полиуретан)	Очень прочные связи, отверждение под воздействием влаги (сшивание), отличная термическая/химическая стойкость, гибкость, более высокая стоимость	2,000 - 60,000 XNUMX+ сП	100-140 ° C / 212-284 ° F	Деревообработка, строительство, автомобилестроение, электроника, переплетное дело, сборка продукции
СБК (стирольный блок-сополимер)	На основе каучука, хорошая гибкость при низких температурах, высокая растяжимость, часто используется для клеев, чувствительных к давлению (PSA)	500 - 50,000 XNUMX+ сП (для PSA)	150-180 ° C / 302-356 ° F	Ленты, этикетки, средства гигиены, эластичные крепления

Производство HMA может варьироваться в зависимости от требуемого типа клея. На рисунке 3 показан пример производственного процесса, где клей смешивается в ёмкостях, затем расплавленный материал прокачивается через одношнековый экструдер и фильеру, придающую клею окончательную форму. Затем HMA охлаждается в водяной бане и нарезается на необходимые отрезки. Далее описываются основные этапы.

Подготовка сырья

Специфическое сырье тщательно подбирается и точно дозируется в соответствии с желаемой рецептурой термоплавкого клея. Различные полимеры, усилители клейкости, воски и добавки, все в твердом состоянии, выбираются в зависимости от предполагаемого применения и требуемых эксплуатационных характеристик.

Плавление и смешивание

Затем твёрдое сырье переносится в смесительный сосуд или реактор с рубашкой для достижения необходимой температуры плавления. В качестве альтернативы, смешивание может осуществляться в двухшнековых экструдерах, которые также выполняют окончательную экструзию.

В процессе смешивания материалы нагреваются до определённой температуры (обычно от 100°C до 235°C, в зависимости от рецептуры). При нагревании межмолекулярные силы, удерживающие полимерные цепи вместе, ослабевают, что позволяет материалу течь, образуя расплавленное, текучее состояние, так называемый разжиженный материал. [3] Именно в этом состоянии материала определяются, оцениваются и характеризуются ключевые параметры процесса для обеспечения качества продукции.

Мешалки или шнеки экструдера обеспечивают тщательное и однородное смешивание всех компонентов. Этот этап плавления и смешивания критически важен для достижения стабильного качества, вязкости и функциональности конечного продукта.

Важно: термоплавкие клеи (HMA) уникальны тем, что они 100% твердый и не используйте воду или растворитель в качестве носителяЭто важное преимущество, поскольку исключает необходимость в этапах сушки и отверждения и снижает экологические проблемы, связанные с летучими органическими соединениями (ЛОС). Это термопластичный полимер, то есть он становится пластичным или ковким при нагревании и затвердевает при охлаждении.

Примечание: большинство термоплавких клеев термопласт, то есть они становятся жидкими при нагревании и затвердевают при охлаждении. Они также обратимы: при достаточном нагревании они снова расплавятся и потеряют внутреннюю прочность.

Чтобы избежать потери прочности соединения при высоких температурах (если не предполагается обратимость), полимерные молекулы клея должны быть химически сшитый После затвердевания. Это сшивание делает соединение более прочным и устойчивым к воздействию тепла. Это достигается добавлением специфические реактивные компоненты В состав клея во время смешивания. Термоклеи, которые вступают в эту химическую реакцию после охлаждения, называются реактивные термоплавкие клеи. Полиуретановые реактивные (PUR) горячие расплавы являются примером реактивных HMA.

дегазация

В некоторых случаях, особенно в случаях, когда наличие пузырьков воздуха может негативно повлиять на эксплуатационные характеристики, применяется этап дегазации. Это включает в себя вакуумирование расплавленной клеевой смеси в емкостях для удаления воздуха и летучих компонентов.

Фильтрация

Расплавленный клей можно пропустить через систему фильтрации. Это удаляет любые примеси, нерастворенные частицы и посторонние вещества, обеспечивая чистоту и качество конечного продукта.

Экструзия и охлаждение

Расплавленный клей затем выдавливается через фильеру в желаемую форму, например, гранулы, чипсы, блоки, стержни или листы. Сразу после формования расплавленный клей быстро охлаждается, часто с помощью охлаждающих лент или водяных бань. Быстрое охлаждение приводит к затвердеванию клея, превращая его в твёрдую массу.

Упаковка

После того как термоплавкий клей проходит все проверки контроля качества, его упаковывают в различные емкости, подходящие для распространения и применения, такие как пакеты, бочки, картриджи или другие специализированные формы, в зависимости от потребностей конечного пользователя.

Некоторые эксплуатационные характеристики термоклеев имеют решающее значение для обеспечения бесперебойного и эффективного производственного процесса и достижения желаемого качества склеивания. Ключевые параметры в процессе производства измеряются в жидком состоянии материала, в то время как другие испытания проводятся с твердыми исходными материалами и готовым клеем. Эти параметры называются параметрами критериев отбора [3].

Температура:
Температура смешивания критически важна для обеспечения однородности расплавления и смешивания всех компонентов. Температура плавления — это температура расплавленного клея непосредственно перед экструзией или упаковкой. Она влияет на конечную вязкость и обрабатываемость.

Вязкость: Вязкость, определяемая как сопротивление расплавленного клея течению, имеет первостепенное значение. Она определяет лёгкость перекачивания и нанесения клея, его способность смачивать поверхность подложки для обеспечения хорошей адгезии и контролировать размер капель и форму распыления. Вязкость сильно зависит от температуры; повышение температуры обычно приводит к её снижению. Неконтролируемая или не соответствующая спецификации вязкость во время смешивания и непосредственно перед экструзией является основной причиной многих проблем на производственной линии: от неравномерного нанесения до разрушения клеевого слоя.

Скорость смешивания/сдвиг: Интенсивность перемешивания имеет решающее значение для однородности, поэтому ее необходимо контролировать, чтобы обеспечить равномерное распределение компонентов без разрушения чувствительных к сдвигу полимеров.

Давление: Контролируется в экструдерах или смесительных емкостях для обеспечения равномерного потока и предотвращения засоров. Вакуумное давление важно, когда требуется вакуум.

У конечного продукта после экструзии оцениваются дополнительные параметры, такие как:

Точка размягчения: Это температура, при которой твердый HMA начинает размягчаться и течь, или становиться пластичным. Она во многом определяется типом базового полимера, а также количеством и типом воска в составе. Температура размягчения определяет минимальную температуру нанесения и влияет на термостойкость готового клеевого соединения.

Время открытия: Это относится к максимально допустимому периоду времени после нанесения расплавленного клея на первую подложку, в течение которого вторая подложка должна быть приведена в контакт с ней для образования удовлетворительного соединения [4]. Время открытой выдержки должно быть тщательно подобрано с учетом скорости и особенностей процесса сборки. Если оно слишком короткое, это приведет к плохому смачиванию и непрочному склеиванию. Если оно слишком длинное, это может негативно сказаться на скорости производства или привести к смещению деталей до затвердевания клея.

Установка времени (установка скорости): Это время, необходимое для охлаждения и затвердевания термопластичного клея (HMA) до образования соединения приемлемой прочности, позволяющего обрабатывать собранные детали или перемещать их на следующий этап производства. Быстрое время затвердевания — одно из главных преимуществ термопластичных клеев, способствующее высокой скорости производства.

Стабильность жизнеспособности: Это свойство характеризует способность HMA сохранять заданные характеристики (например, вязкость, цвет, отсутствие обугливания или гелеобразования) при длительном нахождении в расплавленном состоянии в резервуаре или емкости оборудования для нанесения. Низкая жизнеспособность приводит к деградации клея, что может привести к засорению сопла, нестабильному качеству нанесения и увеличению затрат на техническое обслуживание оборудования. Антиоксиданты обычно включают в состав HMA для повышения стабильности жизнеспособности.

Rheonics SRV Встраиваемый промышленный вискозиметр, измеряющий широкий диапазон вязкости и температуры в режиме реального времени. Подходит для установки в смесительные и складские резервуары, а также в трубопроводы для непрерывного измерения расхода технологических жидкостей. Rheonics SRV совместим с высокоскоростными процессами смешивания и нечувствителен к наличию пузырьков в жидкости или внешним вибрациям.

Rheonics Датчики основаны на запатентованной технологии сбалансированного крутильного резонатора (BTR), которая позволяет сделать зонд компактным и легким, но в то же время надежным для промышленной среды и совместимым с высокотемпературными приложениями (до 285 °C), вакуумными и высокими давлениями. Rheonics SRV не имеет подвижных частей, это герметично закрытый зонд, изготовленный из нержавеющей стали марки 316L, контактирующей со средой.

Датчик SRV предлагается в различных вариантах исполнения, различающихся длиной и типом технологического присоединения, что обеспечивает простоту установки в любом конкретном случае. Все датчики SRV используют один и тот же чувствительный элемент, что обеспечивает лёгкую масштабируемость в рамках производственных процессов.

Как ранее объяснялось, вязкость – это критический параметр для HMA, поскольку это напрямую влияет на их технологичность, эксплуатационные характеристики и, в конечном итоге, на прочность соединения. Rheonics Встроенный вискозиметр SRV позволяет контролировать вязкость и температуру в потоке, что особенно рекомендуется во время процессов смешивания и экструзии, как показано на рисунке 3.t.

Установка в бак

Rheonics SRV может устанавливаться в резервуарах снизу, сверху или сбоку. Это зависит от конструкции резервуара (размера, наличия рубашек, пересечений между валами смесителя и т.д.), а также от предпочтений пользователя (доступность, простота монтажа и т.д.).

Для правильной установки датчика SRV в резервуаре для контроля выработки HMA необходимо соблюдать следующие рекомендации:

• Убедитесь, что чувствительный элемент находится в контакте с расплавленным материалом. При установке сверху резервуара может потребоваться использование длинная вставка SRVПри настенном и напольном монтаже избегайте образования мёртвых зон, которые могут привести к застою, влияющему на область обнаружения – см. рисунок 5.
• Убедитесь, что зонд SRV не будет поврежден смесительными валами внутри бака.

  

   

Установка в линию

Линии, используемые для транспортировки термоклея из смесительного бака к экструдерам, должны поддерживать высокую температуру и давление для обеспечения постоянных свойств текучести. Для этого трубы оснащаются рубашкой и используются насосы объёмного действия, такие как шестерёнчатые или поршневые. Шестерёнчатые насосы предпочтительны для обеспечения плавного и непрерывного потока, в то время как поршневые насосы обеспечивают высокое давление в линиях, но создают слегка пульсирующий поток.

Rheonics SRV подходит для установки в трубопровод даже при высоких температурах и давлениях. SRV работает как со статическими, так и с текучими жидкостями и не имеет проблем с работой в условиях пульсирующего потока. Рекомендуемая установка SRV в трубопроводах для HMA — в колене, с зондом, направленным против направления потока жидкости.

Установка в малую или обводную линию

При производстве клея-расплава для отбора проб и изучения реологических свойств жидкости обычно используются небольшие или обводные линии, подключенные к основным линиям. В этих линиях важно поддерживать определенное давление и температуру жидкости.

В этом случае, Rheonics предлагает такие аксессуары, как:

1. Проточные ячейки: Посмотреть все проточные ячейки SRV.
2. Нагревательная камера: Rheonics STCM-IFP — это встроенная камера, которая обеспечивает контроль температуры и хорошую температурную изоляцию, поддерживая температуру поступающей жидкости.

   

• Обратная связь и контроль в реальном времени:

  В отличие от офлайн-лабораторных тестов, которые дают отсроченные результаты, Rheonics встроенный вискозиметр SRV дает мгновенные, непрерывные данныеЭто позволяет операторам точно видеть, как меняется вязкость по мере добавления и смешивания сырья. Это позволяет немедленные корректировки для таких параметров процесса, как температура, скорость смешивания или даже скорость подачи сырья.

• Простая интеграция данных:

  Rheonics SRV использует мощную электронику, называемую SMEЭто устройство снимает показания с датчика и выводит измеренные значения вязкости и температуры. Оно также поддерживает несколько промышленных протоколов связи, таких как Modbus, Profinet, Ethernet/IP, HARTи т.д. для интеграции с локальными системами мониторинга и управления.

• Улучшение постоянства и качества продукции:

  Поддерживая более жесткий контроль вязкости во время производства, производители могут значительно уменьшить вариации от партии к партииЭто приводит к более стабильному качеству продукции, уменьшению количества партий, не соответствующих техническим требованиям, и, в конечном итоге, к повышению удовлетворенности клиентов.

• Оптимизированная эффективность производства:

  Раннее обнаружение отклонений означает, что проблемы могут быть устранены до того, как вся партия будет испорчена. сокращение отходов дорогостоящего сырья и энергии.

  Оптимизация энергии: Знание точной вязкости позволяет оптимизировать расход энергии на смешивание и нагрев, что потенциально приводит к экономии энергии.

• Понимание процесса и устранение неполадок:

  Rheonics SRV обеспечивает всеобъемлющая историческая запись вязкости и температуры HMA. Эти данные бесценны для оптимизации процесса, выявления тенденций и быстрой диагностики первопричин любых возможных производственных проблем.

• Сокращение ручного вмешательства и безопасность:

  Автоматизированное поточное измерение снижает необходимость ручного отбора проб, который может быть опасен из-за высоких температур расплавленных термопластичных медей. Кроме того, оно освобождает рабочую силу для выполнения других задач.

[1]:Свойства, типы и применение термоплавких клеев

[2]:Термоплавкие клеи

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

[4]: Что такое термоплавкий клей (HMA)?