ポリマー押出成形および射出成形におけるリアルタイム溶融粘度モニタリング

押し出しプロセス中のポリマー溶融粘度測定は溶融品質に非常に重要であり、温度や圧力の監視よりもはるかに重要です。

図1: 押出機。

コンテンツの表

イントロダクション
押し出し成形プロセス
ポリマー押出とプロセス制御における課題
Rheonics SRV インラインプロセス粘度計
- データ統合
- インストールオプション

- インストールに関する重要な考慮事項

イントロダクション

押出成形は、パイプ、シート、フィルムなどの連続形状品の製造に広く利用されている、非常に効率的で汎用性の高い製造プロセスです。高い生産速度、材料効率、そして複雑な断面形状を一貫した品質で製造することが可能です。押出成形は、世界のポリマーおよびプラスチック生産において重要な役割を果たしています。近年、自動化、リアルタイムプロセス監視、持続可能な材料の進歩、そしてリサイクルプロセスの関連性により、精度が向上し、廃棄物の削減による環境への影響も軽減されています。

リアルタイムのプロセス監視は、高品質な製品を確保する鍵となります。押出プロセスにおける温度と圧力の監視は、大きな進歩を遂げてきました。しかし、インライン粘度監視は、メルトフローとダイ充填に影響を与える重要な要素の一つであり、温度や圧力よりもさらに重要であるにもかかわらず、多くの課題に直面しています。粘度測定には様々な方法が試されてきましたが、コスト、校正、再現性など、オペレーターの信頼性に影響を与える要素によって、良い結果も悪い結果も出ています。このような状況下で、 Rheonics SRV インライン粘度計は、押出機の過酷な条件下でも粘度の繰り返し測定を可能にし、完全なポリマー押出プロセス制御のギャップを埋めます。

押し出し成形プロセス

押し出しは、物体（押し出し物）を作成するために使用される連続製造プロセスとして定義できます。 一貫した断面 溶融した材料をダイまたはオリフィスに押し込んで形を作ります。押出機は、他の製造プロセス（熱成形、射出成形、ブロー成形など）の一部としても使用できます。押出は、 プラスチック、金属、ゴム 産業が次のような製品を生産する パイプ、チューブ、シート、フィルム、プロファイル.

このケーススタディの主な焦点はポリマー押し出しです。金属押し出しとは対照的に、ポリマー押し出しは材料が押し出し機に供給される限り連続的に行うことができます。押し出しは主に熱可塑性プラスチックに使用されますが、エラストマーや熱硬化性プラスチックも処理できます。

押出機は一般的に以下の部品で構成されています。 ホッパーポリマー材料が投入される場所です。 送りネジ 一定の回転をしており、スクリューは モーター駆動 ユニットとギアボックスを介して材料を流し、死ぬ. 発熱体は、制御された温度でバレルの上に配置され、ポリマー材料を軟化および溶融します。ダイの後、1つまたは複数のキャビティを備えた金型が使用され、溶融材料は冷却されて目的の形状になります。一部の機械では、 ギアポンプ バレルの端とダイの間に圧力をかけ、排出される材料に一定の圧力を維持します。

スクリューとバレルのアセンブリが特定の材料を押し出す能力は、プラスチック材料の特性、スクリューとバレルの特性または構造、およびシステムが動作する条件によって異なります。

図 2: ポリマー押出機の主要部品。

ポリマー押出とプロセス制御における課題

ポリマー押し出しは、高品質の出力を保証するために複数のパラメータを正確に制御する必要がある複雑なプロセスです。技術の進歩にもかかわらず、押し出しプロセスとその制御システムの両方にいくつかの課題が残っています。これらの課題は、製品の一貫性、効率、および全体的な製造コストに影響を与える可能性があります。

主要なプロセスパラメータは、スクリュー回転速度、ダイおよびバレル温度、溶融粘度、溶融温度、質量流量、溶融圧力、冷却速度などです。[1] 温度と圧力は、利用可能な複数の技術のおかげで、押し出しプロセスで最も一般的なインライン監視パラメータと考えられています。ただし、溶融粘度（流体の流れに対する抵抗として説明）は、プロセスで最も重要なパラメータのXNUMXつであるにもかかわらず、インラインで測定または監視するのは簡単ではありません。溶融物の粘度は、次のような複数の特性と関連しています。

厚さ
第３章：濃度
一定の断面積
流体組成の一貫性 - 充填剤、繊維、着色剤などの均一な混合。
エネルギー消費
熱劣化

溶融流体の粘度が高いと、流動性の低下、過剰な圧力、ダイの詰まりを引き起こし、表面の粗さや反りなどの欠陥につながります。対照的に、粘度が低いと、たるみ、過剰な収縮、または機械的特性の弱化につながる可能性があります。したがって、目標は、押し出しプロセス全体にわたって粘度を可能な限り一定に保つことです。

ほとんどの場合、プラスチックは擬似塑性材料です。つまり、プラスチックはより速く動かされる（せん断される）と粘性が低くなり（流れやすくなります）、したがって、圧力と流れの間には線形関係はなく、せん断応力（単位面積あたりの力、主に Pa で測定）とせん断速度（流体の平行層の運動速度、s-1 で測定）の間にも線形関係はありません。

現在、押出成形品の溶融粘度をリアルタイムでモニタリングするのに適したインラインセンサーは存在しません。キャピラリーレオメーターは、ポリマーのレオロジー特性を研究するために使用されるよく知られた実験装置です。ピストンを用いて溶融物を毛細管（非常に細い）ダイに通過させ、押出機内で起こるプロセスをシミュレートします。これは粘度試験装置として広く認められていますが、溶融流体のリアルタイムのインラインデータを提供することはできません。この方法の主な問題点は以下のとおりです。

サンプル採取が必要
本当の意味で代表的ではない
継続的な監視ではない
かなりのメンテナンスとサービスが必要

Rheonics SRV インラインプロセス粘度計

SRVは Rheonics 広範囲の粘度、温度、圧力に適したインライン粘度計。 Rheonics SRVは非常にコンパクトなプローブを採用しており、設置手順も簡単で、メンテナンスや再校正は不要です。SRVのコンパクトな設計により、図3および図4に示すように、ユーザーが選択する設置方法に柔軟性が生まれます。

図3： Rheonics ねじ接続を備えたインライン SRV 粘度計スリムライン。

図4： Rheonics インライン SRV 粘度計スターゲートウェーハセル設計。

データ統合

Rheonics SRVは、押出機における動粘度や温度といった主要パラメータをリアルタイムでオンライン可視化します。このセンサーは、複数の産業用プロトコルに対応する強力な電子機器を介して、ローカル監視・制御システムに容易に統合できます。詳細については、 電子 Rheonics ページへ移動します。.

Rheonics センサーは、計測データとセンサーステータスデータをオンボードヒストリアンに保存します。この自動ロガーは、 Rheonics RCP ソフトウェアは、監視対象パラメータの履歴表示に役立ちます。

インストールオプション

垂直設置

Rheonics SRV は、プローブのセンシング要素が流体と接触するのに十分な浸漬状態で、溶融フローに垂直に配置されます。

この設置の主な利点は、設置が最も簡単である可能性が高いことです。SRV は、温度センサーまたは圧力センサーが使用する既存のポートに取り付けることができますが、主な違いは、SRV プローブがラインから突き出ている必要があることです。これは侵入型で侵襲的なプローブです。

しかし、この垂直設置には、流体の高粘度と高速度によりプローブに大きな曲げ力がかかるという主な欠点があります。標準SRVプローブを垂直に設置すると、粘性負荷が問題となり、ノイズが大きくなりすぎたり、プローブが損傷したりすることがあります。ラインサイズと質量または体積速度の制限の関係については、「垂直設置におけるプローブの制限」のセクションまたは記事を参照してください。 高粘性流体および高速流体用SRプローブ.

この設置で主に考慮すべき点は、ラインサイズ、流体の速度または流量、および粘度の範囲です。SRV プローブの感知要素が流体に正しくさらされるように、ラインサイズは 50 ～ 55 mm (2 インチ) より大きくする必要があります。流体の速度と粘度の範囲は、「垂直設置でのプローブの制限」セクションの表と比較され、プローブがさらされる力を検証します。 Rheonics 高圧および高曲げ力のケース向けに SRV-HP を提供しています。

図5： Rheonics 押出ラインにおけるSRV垂直設置。

エルボに挿入された平行設置

一部の押出機には、ダイの直前にエルボがあり、流れの軸方向に温度センサーなどの測定機器を取り付けます。これは、 Rheonics 並列設置用のインライン粘度計 SRV。

ここでの主な利点は、垂直に設置した場合と比較して、流体によってプローブに及ぼされる力が減少することです。平行に設置すると、感知要素がラインの中央に保たれ、測定値に影響を与える堆積物を防ぐことができます。 SRV-X6 スリムラインプローブ 圧力降下を最小限に抑えることができ、50～55 mm (2 インチ) 未満のラインと互換性があります。

この設置の主な制限は、ダイの前にエルボを使用することです。これにより、機械への多くの介入が必要となり、押し出された材料の方向が変わるため、この設置オプションは、ラインにすでにエルボがある押し出し機にのみ適しています。さらに、この設置では、エルボ壁のセンサーのベース周辺に汚れや液体の停滞が生じる可能性があります。これは読み取り値には影響しませんが、どのラインでも望ましくありません。

図6： Rheonics 押出ラインのエルボにSRVを並列設置。

並列挿入インライン - ウェーハセルプロセス適応 - SRV Stargate

Rheonics Stargate-SRV-EM (別名 Stargate Variant) は、ウェーハセルアダプタのように、プロセスパイプにインラインで設置されたラインの中央に吊り下げられた SRV プローブを配置するように設計されています。このソリューションの利点は、高粘度および高速流体に対する耐性と、堆積の可能性の低減です。

この設置では、通常、ラインの延長セクションが必要になりますが、コスト、やり直し、または熱管理の問題により、一部のクライアントではこの介入が不可能な場合があります。

プローブの背面が流体に面していることに注意してください。これは、高い力に耐えるために必要です。さらに、縮小および拡張アダプタをラインで使用できない限り、SRV Stargate バリアントは押し出しラインと同じサイズで注文する必要があります。

図7： Rheonics 押し出しラインに SRV 並列「ウェーハセル」を設置します。

インストールに関する重要な考慮事項

流体と接触する感知領域

Rheonics インライン粘度計 SRV の主な設置要件は、読み取り値に影響を及ぼす可能性がある沈殿物や液体の蓄積なしに、感知領域を液体に浸すことです。 SRV 検知領域を図 8 に示します。

図8: SRV検知エリア。

高温

押し出しプロセスでは通常、180 ～ 220˚C (360 ～ 430˚F) の範囲の流体温度が必要です。これは、材料、速度、スクリューの設計によって異なります。 Rheonics SRV インライン粘度計は、最高 285°C (545 °F) の温度に設定できます。ユーザーは注文時に正しい温度定格を選択する必要があります。次の表は、SRV プローブの温度定格を示しています。押し出しプロセスによっては、最高350/370°C（670/700°F）の非常に高い温度に達する場合があります。その場合は、 Rheonics サポートチーム。

表1: SRVインライン粘度計の温度定格

SRV 温度コード	温度制限
T1	125 °C (250 °F) までのプロセス流体で動作するように定格設定されたセンサー
T2	150 °C (300 °F) までのプロセス流体で動作するように定格設定されたセンサー
T3	175 °C (350 °F) までのプロセス流体で動作するように定格設定されたセンサー
T4	250 °C (480 °F) を超えるプロセス流体での動作に対応したセンサー
T5	285 °C (545 °F) を超えるプロセス流体での動作に対応したセンサー

注意： センサーケーブル および センサーエレクトロニクス 超えてはならない温度制限が異なります。

高圧

押し出しプロセスでは、最大10,000psi、670バール、または70MPaという非常に高い圧力に達することがあります。 Rheonics SRV はそれに応じて構成する必要があります。

表2: 押出成形におけるSRVインライン粘度計の圧力定格

SRV 圧力コード	圧力限界
P3	プロセス流体圧力最大 200 bar (3000 psi) に対応するセンサー
P4	プロセス流体圧力最大 350 bar (5000 psi) に対応するセンサー
P5	プロセス流体圧力最大 500 bar (7500 psi) に対応するセンサー
P6	プロセス流体圧力最大 750 bar (10000 psi) まで対応可能なセンサー SRV-HP
P7	プロセス流体圧力最大1000 bar (15000 psi) まで対応可能なセンサー、SRV-HP
P8	プロセス流体圧力最大1500 bar (20000 psi) まで対応可能なセンサー、SRV-HP

プローブプロセスの接続とシーリング

高圧アプリケーションの場合、プローブとプロセス接続の両方が予想される圧力範囲に適合している必要があります。垂直設置の場合 Rheonics 通常、G1/2” スレッドインターフェースを提供します。平行エルボの場合は、フランジまたはスレッド接続を使用できます。ウェーハセルの設置バリアントは、顧客のフランジインターフェースを介して統合できます。 O-Ring または金属シール。マシンの既存のインストールポートを再利用して、 Rheonics センサープローブ。

お問い合わせください Rheonics サポートチーム押出機に適した設置オプションについてご相談に応じます。

垂直設置におけるプローブの限界

特定の条件下では、高粘度の流体が垂直設置の SRV プローブに影響を及ぼす可能性があります。流体の流れによって生じる曲げ力により、プローブが損傷する可能性があります (図 9)。力は一般に、流体の粘度と速度に依存します。次のグラフは、流体の速度 (m/s) と動粘度 (Pa.s) の関係を示しています。クライアントはこのグラフを使用して、プロセス条件が標準 SRV プローブに損傷を与える可能性があるかどうかを判断できます。