Новые инструменты для линейных и производственных приложений

Правильная регулировка характеристик текучести герметиков и термореактивных клеев имеет решающее значение для их работы в высокоавтоматизированных высокоскоростных производственных средах.

Автоматизированное нанесение герметиков и клеев, например, в автомобилестроении, требует, чтобы наносились предсказуемые, воспроизводимые количества, чтобы они текли должным образом и оставались на месте в течение последнего периода схватывания. В полиграфической промышленности ламинирование пластиковых пленок производится на специализированных высокоскоростных машинах, требующих тщательного контроля вязкости клея. Смолы, которые наносятся на текстильные волокна и маты для изготовления композитных препрегов, требуют точной обработки матричной смолы.

Характеристики текучести герметиков и клеев традиционно измеряются с помощью реометра – высокоточного лабораторного прибора, требующего квалификации оператора для получения точных и стабильных результатов. Измерения с помощью реометра требуют много времени, что ограничивает их применение для компонентов смолы до смешивания, а в случае медленно отверждающихся систем – вскоре после смешивания. Наконец, результаты реометрических испытаний в лаборатории часто имеют ограниченное применение для контроля производства, поскольку дают представление о прошлом, а не о текущем состоянии применяемого материала.

Вискозиметры на основе вибрирующих элементов представляют собой жизнеспособную альтернативу реометрическим измерениям. Они дают быстрые и стабильные показания и особенно подходят для поточной установки. Резонансные датчики могут быть установлены непосредственно в технологических линиях, содержащих герметики, клеи или другие жидкости, и могут использоваться либо для контроля характеристик текущей жидкости, либо могут быть подключены к системам управления, которые динамически регулируют характеристики потока жидкости путем добавления разбавители или другие добавки. Такой контроль вязкости с обратной связью является хорошо известным и проверенным методом, например, для поддержания точности цвета во время длительных высокоскоростных тиражей на заводах флексографической и глубокой печати. [1]

Клеи и герметики создают дополнительную проблему для измерения и контроля вязкости из-за их очень неньютоновских характеристик текучести. Ньютоновская жидкость имеет одинаковую вязкость независимо от скорости вращения шпинделя вращающегося инструмента, такого как реометр или вискозиметр. Неньютоновские жидкости чувствительны к скорости сдвига - их измеренная вязкость зависит от скорости вращения шпинделя вращательного реометра или от вибрационных характеристик устройства, основанного на механическом резонаторе.

Поведение, зависящее от сдвига, имеет важное значение для большинства клеев и герметиков. Они должны свободно течь при нанесении на основание, но должны оставаться на месте до полного затвердевания, не провисая и не капая с шва. Такие материалы не только зависят от скорости сдвига, но и могут требовать определенного усилия, чтобы заставить их двигаться. Когда их не трогают, они ведут себя как твердые тела, но когда предел текучести превышено, они текут как жидкости. И они могут зависеть от времени, или тиксотропный, оставшаяся жидкость после резки и переходящая в твердую форму только через определенное время восстановления.

Реометры (и, в меньшей степени, вращающиеся вискозиметры) способны давать целую серию измерений, которые могут полностью охарактеризовать поведение даже сложных неньютоновских жидкостей в лабораторных условиях. Интерпретация реометрических данных для прогнозирования реального поведения этих сложных материалов является сложной задачей и часто не всегда применима к промышленным процессам. С другой стороны, датчики, основанные на вибрирующих элементах, генерируют одноточечный измерения; они измеряют кажущуюся вязкость при одном значении скорости сдвига, которая часто значительно выше скоростей сдвига, используемых в ротационных вискозиметрах. По этой причине измерения неньютоновских жидкостей резонансными вискозиметрами обычно не согласуются с результатами, полученными ротационными вискозиметрами. Несмотря на эту разницу в показаниях вязкости между двумя типами приборов, вибрационные вискозиметры доказали свою эффективность для мониторинга и контроля вязкости сильно неньютоновских жидкостей.

Удобство и надёжность вибровискозиметров делают их идеальными приборами для мониторинга и контроля клеев и герметиков в двух областях применения. Первая — это поточный мониторинг вязкости в аппликаторах. Вторая — мониторинг отверждения в периодических производствах, где критически важно определить, когда срок годности смешанной партии материала подходит к концу.

Встроенный контроль вязкости для аппликаторов

Герметики должны свободно течь в процессе нанесения, но не должны стекать или проседать после нанесения до полного отверждения. Это требует, чтобы эффективная вязкость материала сильно зависела от сдвига, имела низкую вязкость при высоких скоростях сдвига, которые возникают в линиях, обслуживающих аппликатор, и в самом сопле аппликатора, а также высокую вязкость или даже предел текучести после дозирования. .

Несмотря на важность характеристик текучести клеев и герметиков, особенно в случае высокоскоростного автоматического дозирования и нанесения, информации о встроенных контрольно-измерительных приборах, применяемых для мониторинга или контроля консистенции клея и герметика, практически нет.

Rheonics установил вискозиметры SRV в высокоскоростном ламинирующем прессе, где контроль вязкости является важнейшей задачей. Оператор пресса пробовал использовать ротационные вискозиметры для контроля вязкости клея, но загрязнение вращающихся частей высохшим клеем сделало их использование нецелесообразным. В настоящее время для контроля вязкости используются вискозиметры с вытекающим потоком, однако они весьма неточны и не являются по-настоящему поточным измерением. Их использование требует много времени, что делает частые измерения нецелесообразными и, следовательно, допускает большие, чем ожидалось, колебания вязкости и, следовательно, текучести ламинирующего клея. Проблема усугубляется в высокоскоростном ламинирующем оборудовании, поскольку наносящий валик обычно вращается в открытой ванне с клеем, из которой постоянно испаряется растворитель, как показано на следующем рисунке:

 

Как и в случае с печатными красками во флексографских и ротогравюрных машинах, это постепенное испарение постепенно увеличивает вязкость носителя, что требует периодического дозирования растворителя для стабилизации носителя при почти постоянной вязкости, обеспечивая правильное нанесение на протяжении долгих высокоскоростных прогонов.

Вибрационные датчики вязкости оснащены резонаторами, которые обычно работают на частотах от нескольких сотен герц до десятков килогерц, в зависимости от конкретного принципа действия. Хотя определить фактическую скорость сдвига невозможно, диапазон скоростей сдвига широк, равняясь или превышая скорости, используемые в дозирующем оборудовании. Поэтому вибрационные датчики вязкости полезны для контроля консистенции клея и его поведения в процессе дозирования.

Вибрационные вискозиметры работают путем измерения затухания вибрации, возникающей в механическом резонаторе, погруженном в жидкость. Резонаторы, используемые в вибрационных вискозиметрах, делятся на две основные категории: резонаторы с поперечной вибрацией, такие как камертоны и консольные балки, и резонаторы с крутильными колебаниями. Крутильные резонаторы особенно выгодны для измерения жидкостей с более высокой вязкостью, часто встречающихся при использовании герметиков и клеев, поскольку поперечные вибрации имеют тенденцию более сильно гаситься жидкостями с высокой вязкостью. Крутильные резонаторы также менее чувствительны к близости к стенкам труб и других сосудов, что делает варианты установки более гибкими. Когда вязкость необходимо измерять в рамках системы нанесения, механическая компактность может быть преимуществом, поскольку выкидные линии часто имеют малый диаметр с относительно низкими скоростями потока по сравнению с другими технологическими применениями. Поскольку вибрационные датчики имеют тенденцию создавать силы реакции при монтаже, которые могут влиять на их чувствительность, вибробалансированные датчики особенно свободны от влияния окружающей среды, которое влияет на несбалансированные резонаторы. Rheonics Линейный вискозиметр SRV основан на этом запатентованном крутильно-сбалансированном резонаторе. [2]

Контроль степени отверждения клеев периодического смешивания

Ещё одной важной областью интереса в области клеевых материалов является мониторинг степени отверждения клеев и смол. Это важно для определения степени отверждения конкретной партии материала, а не только для определения спецификаций производителя и корректировки параметров процесса. В процессе формования важно определить, когда можно безопасно извлечь отверждённую деталь из формы, а в производстве композитных материалов – определить момент полного отверждения ламинированной детали.

Опубликовано множество методов контроля степени отверждения, но большинство из них основано на косвенных измерениях, таких как электрические или оптические характеристики, а не на прямом измерении механических свойств. Существуют экспериментальные ультразвуковые методы, но они, как правило, ограничены очень малыми образцами в строго контролируемых условиях, поскольку затухание ультразвуковых волн может быть довольно значительным в процессе отверждения[3]. Кроме того, ультразвуковые измерения обычно проводятся в диапазоне мегагерцовых частот, что для неньютоновских материалов может не отражать их поведение при скоростях деформации, близких к тем, которые наблюдаются в реальных условиях.

Устройство, Rheonics CureTrack™ в настоящее время проходит испытания Rheonics ГмбХ. Он прогнозирует гелеобразование в партиях предварительно смешанных клеев и герметиков. На рис. 2 ниже показан прибор CureTrack, использованный в лабораторных испытаниях.

 

Устройство CureTrack основано на Rheonics Датчик вязкости SRV с конусом Люэра на конце, позволяющим подсоединить обычную одноразовую дозирующую иглу для удлинения ее чувствительного элемента. Благодаря использованию одноразового удлинителя сам датчик не подвергается воздействию клея; иглу можно просто отсоединить и выбросить вместе с загущенным или затвердевшим материалом.

CureTrack выводит два числа: затухание и частоту резонатора инструмента. Демпфирование зависит от вязкости материала, а частота зависит от его жесткости. Таким образом, выходные данные CureTrack дают представление о вязкоупругом поведении материала в процессе его гелеобразования и отверждения.

Рис. 3 и 4 показаны кривые отверждения двух различных эпоксидных систем, записанные CureTrack. Первый - это потребительский эпоксидный клей с отвердителем на основе тиола, Pacer Technology PT39 Z-Poxy 30 Minute Epoxy. Время отверждения указано как 30 минут, и его обычно продают в хобби-магазинах для создания моделей. Вторая - это смола Axson Epolam 2017 с отвердителем Epolam 2018, система аминового отверждения, используемая для влажных ламинированных композитов. Расчетное время гелеобразования составляет 6 часов при массовом соотношении смола / отвердитель 100: 30 при 23 ° C в процессе ламинирования, в котором большая площадь поверхности ограничивает экзотермический нагрев и ускорение процесса отверждения.

 

 

Таким образом, основным индикатором приближающегося гелеобразования является быстрое увеличение показываемой вязкости с последующим увеличением резонансной частоты резонатора датчика.

Эти кривые показывают два различных процесса и три области.

Процессы гелеобразования и отверждения. Гелеобразование - это процесс, характеризующийся возрастающим демпфированием и увеличением частоты, отражающим повышение как вязкости, так и жесткости смолы. Материал переходит из жидкого состояния в гелеобразное. Отверждение, которое характеризуется уменьшением демпфирования и увеличением жесткости, представляет собой процесс, следующий за гелеобразованием, который превращает материал из высоковязкой липкой массы в твердое твердое вещество. Эти процессы также определяют три состояния, в которых материал движется во время гелеобразования и отверждения:

1. Жидкая область, в которой жесткость материала очень низкая, отражается на низкой и относительно постоянной частоте резонатора CureTrack. В этой области вязкость также относительно низкая, на что указывает низкое значение демпфирования.
2. Загущенная область, в которой жесткость и демпфирование материала быстро возрастают. Материал в этой области липкий - он имеет высокую вязкость, которая достигает максимума, что указывает на пик процесса гелеобразования до начала затвердевания. Он становится более жестким, образуя эластичную массу перед окончательным отверждением.
3. Твердый регион. Демпфирование снова снизилось до низкого и относительно постоянного значения. Резонатор теперь производит в основном упругий сдвиг материала с небольшим рассеянием из-за сил вязкости.

Два набора кривых демонстрируют способность CureTrack определять начало процесса гелеобразования, а также предоставляют количественные данные, позволяющие отслеживать весь процесс отверждения.

Шимкин [4] опубликовал превосходную статью, посвященную обзору состояния мониторинга отверждения клеев. Он приходит к выводу, что, несмотря на наличие ряда методов контроля времени гелеобразования, наблюдается как нехватка коммерческой приборной базы, так и общий дефицит стандартов, а следовательно, и отсутствие согласованности между различными методами измерения.

Большинство методов, которые обсуждает Шимкин, являются косвенными, например диэлектрический анализ, поскольку они измеряют свойство системы смолы, которое коррелирует с ее механическими свойствами, но не измеряют напрямую свойства, которые функционально важны при применении смолы. система. В этом смысле любая технология измерения, которая напрямую измеряет такие свойства, как гелеобразование и затвердевание, обеспечивает немедленную прямую обратную связь о состоянии смолы.

Применение технологии CureTrack

Прямое измерение механических свойств системы смол применяется как в лаборатории, так и на заводе, где смолы смешиваются, наносятся и отверждаются в производственных условиях.

В лаборатории надежный инструмент механического анализа, такой как технология CureTrack, может использоваться как для исследований и разработок, так и для контроля качества. В научно-исследовательской лаборатории его можно использовать для анализа свойств отверждения новых смол и рецептур. Его простота и использование недорогих одноразовых чувствительных элементов позволяет экономично анализировать большое количество образцов без риска повреждения дорогих датчиков или необходимости обширной и трудоемкой очистки от трудно удаляемых остатков. В целях контроля качества образцы смешанных смол можно контролировать в лаборатории без затрат времени на подготовку или очистку.

Аналогичным образом, для контроля качества, надёжность технологии позволяет перенести мониторинг смешанных партий продукции на завод, избавляя от необходимости отбирать образцы для лабораторного анализа. Такие приборы, как CureTrack, можно поместить непосредственно в контейнер со смолой, чтобы отслеживать её состояние в процессе производства и подавать предупреждающий сигнал, когда приближается гелеобразование, и любой оставшийся материал необходимо утилизировать до его затвердевания.

Дальнейшее развитие технологии будет также направлено на мониторинг гелеобразования в реальных производственных условиях. Например, кончик зонда можно привести в контакт с поверхностью пропитанной смолой выкладки для контроля состояния материала матрицы. Или кончик зонда можно ввести на контролируемую глубину в отлитую деталь и извлечь по мере наступления гелеобразования.

Поскольку температура играет решающую роль в определении скорости отверждения, CureTrack оснащён датчиком температуры, который измеряет температуру на кончике зонда. Он может измерять температуру непосредственно в точке гелеобразования и отверждения, что позволяет контролировать как температуру смолы, так и тепловыделение в процессе отверждения.

Референсы

1. Ссылки на информацию об использовании встроенной вискозиметрии для приложений печати можно найти в 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 Обзор Мониторинг состояния отверждения термореактивных смол с помощью ультразвука Франческа Лионетто и Альфонсо Маффеццоли
4. ISSN 1070-3632, Российский общий химический журнал, 2016, т. 86, № 6, с. 1488–1493. Плеядес Паблишинг, Лтд., 2016 г. Оригинал русского текста А.А. Шимкин, 2014 г., опубликовано в Российском химическом журнале, 2014 г., Т. 58, №№ 3–4, стр. 55–61.