インラインおよび生産アプリケーション向けの新しい機器

シーラントと熱硬化性接着剤の流動特性を正しく調整することは、高度に自動化された高速生産環境での性能にとって非常に重要です。

たとえば、自動車生産におけるシーラーと接着剤の自動塗布には、予測可能で再現性のある量を塗布し、それらが適切に流れ、最終硬化期間中も所定の位置に留まる必要があります。 印刷業界では、プラスチックフィルムのラミネートは、接着剤の粘度を厳密に制御する必要がある特殊な高速マシンで行われます。 複合プリプレグを作るために繊維繊維やマットに塗布される樹脂は、マトリックス樹脂の正確なステージングを必要とします。

シーラーや接着剤の流動特性は、従来、レオメーターを用いて測定されてきました。レオメーターは精密な実験装置であり、正確で一貫した結果を得るには熟練したオペレーターが必要です。レオメーターによる測定は時間がかかるため、混合前の樹脂成分、そして硬化が遅いシステムの場合は混合直後の成分に限定されます。さらに、実験室でのレオメーター試験の結果は、塗布される材料の現在の状態ではなく、過去の状態に関する知見しか得られないため、生産モニタリングへの活用は限定的であることが多いのです。

振動要素に基づく粘度計は、レオメトリー測定の実行可能な代替手段を提供します。 それらは高速で一貫した読み取りを提供し、特にインラインインストールに適しています。 共振センサーは、シーラント、接着剤、またはその他の流体を運ぶプロセスラインに直接設置でき、流れる流体の特性を監視するために使用できます。または、希釈剤または他の添加剤。 プロセス粘度のこのようなフィードバック制御は、たとえば、フレキソ印刷およびグラビア印刷プラントでの長時間の高速実行中に色の精度を維持するためのよく知られた実証済みの方法です。 [1]

接着剤とシーラントは、非ニュートン流体特性が非常に高いため、粘度の測定と制御に追加の課題をもたらします。 ニュートン流体は、レオメータや粘度計などの回転機器のスピンドル速度に関係なく、同じ粘度を示します。 非ニュートン流体はせん断速度に敏感です。測定された粘度は、回転レオメーターのスピンドル速度、または機械的共振器に基づくデバイスの振動特性に依存します。

ほとんどの接着剤とシーラントには、せん断に依存する挙動が不可欠です。 それらは基材に塗布されるときに自由に流れる必要がありますが、完全に固まるまで、たるんだり、接合部から滴り落ちたりすることなく、所定の位置に留まらなければなりません。 このような材料は、せん断速度に依存するだけでなく、それらを動かすためにある程度の力を必要とする場合があります。 邪魔されていないときは固体のように振る舞いますが、特定のときは 降伏応力 超えると、液体のように流れます。 そして、それらは時間に依存するかもしれません、または 揺変性、剪断された後に残っている流体であり、特定の回復時間後にのみ固体形態に戻る。

レオメーター（および程度は少ないが回転粘度計）は、実験室環境での複雑な非ニュートン流体の挙動を完全に特徴づけることができる一連の測定値全体を提供することができます。 これらの複雑な材料の実際の挙動を予測するためのレオメトリックデータの解釈は困難であり、多くの場合、工業プロセスに容易に適用することはできません。 一方、振動要素に依存するセンサーは、 一点 振動式粘度計は、せん断速度の単一の値における見かけの粘度を読み取りますが、このせん断速度は、回転式粘度計で使用されるせん断速度よりも大幅に高い場合が多いです。そのため、非ニュートン流体を共振型粘度計で測定した場合、回転式粘度計で測定した値とは通常一致しません。2種類の粘度計の指示粘度にはこのような差があるにもかかわらず、振動式粘度計は、非ニュートン性が高い流体の粘度の監視と制御に有用であることが証明されています。

振動式粘度計の利便性と堅牢性により、接着剤やシーラントのモニタリングと制御に最適な用途が2つあります。1つ目は、塗布装置におけるインライン粘度モニタリングです。2つ目は、バッチ処理における硬化モニタリングです。バッチ処理では、混合された材料のポットライフの終了時期を検知することが非常に重要です。

アプリケーター向けインライン粘度モニタリング

シーラントは、塗布プロセス中に自由に流れる必要がありますが、塗布後に完全に硬化する前に流れたり垂れ下がったりしてはなりません。 これには、材料の有効粘度がせん断依存性が高く、アプリケーターにサービスを提供するラインおよびアプリケーターノズル自体で発生する高せん断速度下で低粘度であり、高粘度、またはディスペンス後の降伏強度が必要です。 。

接着剤とシーラントの流動特性の重要性にもかかわらず、特に高速自動ディスペンスと塗布の場合、接着剤とシーラントの一貫性を監視または制御するために適用されているインライン計装に関する情報はほとんどまたはまったくありません。

Rheonics は、粘度制御が不可欠な高速ラミネートプレスに SRV インライン粘度計を設置しました。プレスのオペレーターは、接着剤の粘度を監視するために回転式粘度計を試しましたが、回転部分が乾燥した接着剤で汚れるため、使用が困難でした。現在、粘度監視には流出カップが使用されていますが、これは明らかに不正確で、真の意味でのインライン測定ではありません。使用には時間がかかり、頻繁な測定が不可能なため、粘度の変動が大きくなり、ラミネート接着剤の流動特性も変化します。この問題は高速ラミネート機械ではさらに深刻です。なぜなら、アプリケーションローラーは通常、接着剤の開いた溝の中を走行し、そこから溶剤が絶えず蒸発しているからです (次の図を参照)。

 

フレキソ印刷機やグラビア印刷機の印刷インキの場合と同様に、この段階的な蒸発により媒体の粘度が徐々に上昇し、媒体をほぼ一定の粘度に安定させるために定期的に溶剤を投与する必要があります。

振動型粘度センサーは、その動作原理に応じて、通常数百ヘルツから数十キロヘルツまでの周波数で動作する共振器を備えています。実際のせん断速度を測定することはできませんが、せん断速度の範囲は広く、ディスペンシング装置のせん断速度と同等かそれ以上です。そのため、振動型粘度センサーは、接着剤の粘度とディスペンシング動作中の挙動を監視するのに役立ちます。

振動粘度計は、流体に浸された機械的共振器に誘発される振動の減衰を測定することによって動作します。 振動粘度計で使用される共振器は、音叉や片持ち梁など横方向に振動するものと、ねじり方向に振動するものの XNUMX つの一般的なカテゴリに分類されます。 横方向の振動は高粘度の流体によってより強く減衰される傾向があるため、ねじり共振器は、シーラントや接着剤で頻繁に発生する高粘度の測定に特に有利です。 また、ねじり共振器はパイプや他の容器の壁への近接性の影響を受けにくい傾向があるため、設置オプションがより柔軟になります。 粘度をアプリケーションシステムとインラインで測定する場合、他のプロセスアプリケーションに比べて流路の直径が小さく、流量が比較的低いことが多いため、機械的にコンパクトであることが有利です。 振動センサーは取り付け時に感度に影響を与える可能性のある反力を生成する傾向があるため、振動バランスが取れているセンサーは、不平衡共振器に影響を与える環境の影響を特に受けません。 Rheonics SRV インライン粘度計は、この特許取得済みのねじりバランス共振器に基づいています。 [2]

バッチ混合接着剤の硬化度の監視

接着剤におけるもう一つの重要な関心領域は、接着剤および樹脂の硬化度のモニタリングです。これは、接着剤用途において、メーカーの仕様やプロセスパラメータの調整に頼るのではなく、特定のバッチの材料が必要な機械的特性を達成しているかどうかを判断する上で重要です。成形工程においては、硬化した部品を安全に型から取り出せるタイミングを判断することが重要であり、複合材製造においては、積層部品が完全に硬化したタイミングを判断することが重要です。

硬化度をモニタリングする方法は数多く発表されていますが、そのほとんどは機械的特性の直接測定ではなく、電気的特性や光学的特性といった間接的な測定に依存しています。実験的な超音波法も利用可能ですが、硬化プロセス中の超音波の減衰が極めて大きいため、厳密に管理された条件下での非常に小さなサンプルに限定される傾向があります[3]。また、超音波測定は通常、メガヘルツ帯の周波数範囲で行われますが、非ニュートン流体材料の場合、実際のアプリケーションで見られるひずみ速度における挙動をより正確に反映しない可能性があります。

デバイス、 Rheonics CureTrack™ は現在、次の機関によってテストされています。 Rheonics GmbH. あらかじめ混合された接着剤とシーラントのバッチにおけるゲル化を予測します。 下の図 2 は、臨床試験で使用されている CureTrack 機器を示しています。

 

CureTrack デバイスは、 Rheonics 先端にルアーテーパーを備えた SRV 粘度センサーで、従来の使い捨て投与針を接続して感応要素を延長できるようにします。 使い捨てエクステンションを使用することで、センサー自体が接着剤にさらされることがなくなります。 針は簡単に取り外して、ゲル化または硬化した材料と一緒に廃棄できます。

CureTrackは、減衰と楽器の共振器の周波数のXNUMXつの数値を出力します。 減衰は材料の粘度に依存し、周波数は材料の剛性に依存します。 したがって、CureTrackの出力は、材料がゲル化および硬化プロセスを通過する際の粘弾性挙動のスナップショットを提供します。

図。 図3および4は、CureTrackによって記録された39つの異なるエポキシシステムの硬化曲線を示しています。 30つ目は、チオールベースの硬化剤であるPacer Technology PT30 Z-Poxy 2017 MinuteEpoxyを使用した消費者向けエポキシ接着剤です。 これは2018分の硬化時間があると指定されており、モデル構築のためにホビーショップで一般的に販売されています。 6つ目は、ウェットレイアップ積層複合材料に使用されるアミン硬化システムであるEpolam100硬化剤を含むAxsonEpolam30樹脂です。 定格ゲル化時間は、ラミネーションプロセスで23°CでXNUMX：XNUMXの樹脂/硬化剤の重量比でXNUMX時間です。このプロセスでは、表面積が大きいため、発熱による加熱と硬化プロセスの加速が制限されます。

 

 

したがって、差し迫ったゲル化の主な指標は、示された粘度の急激な上昇と、それに続くセンサーの共振器の共振周波数の増加です。

これらの曲線は、XNUMXつの異なるプロセスとXNUMXつの領域を示しています。

プロセスはゲル化と硬化です。 ゲル化は、樹脂の粘度と剛性の両方の上昇を反映して、減衰と周波数の上昇を特徴とするプロセスです。 材料は液体からゲル化状態に移行しています。 減衰の減少と剛性の増加を特徴とする硬化は、ゲル化に続くプロセスであり、材料を高粘度の粘着性の塊から剛性のある固体に変換します。 これらのプロセスは、ゲル化および硬化中に材料が移動するXNUMXつの状態も定義します。

1. 材料の剛性が非常に低い液体領域は、CureTrackの共振器の低く比較的一定の周波数に反映されます。 この領域では、粘度も比較的低く、減衰の値が低いことで示されます。
2. 材料の剛性と減衰の両方が急速に上昇しているゲル化領域。 この領域の材料は粘着性があり、粘度が最大に達し、凝固が始まる前にゲル化プロセスのピークを示します。より硬くなり、最終硬化前にゴム状の塊を形成します。
3. ソリッド領域。 ダンピングは再び低く、比較的一定の値に減少しました。 共振器は現在、主に材料の弾性せん断を生成しており、粘性力による散逸はほとんどありません。

XNUMX組の曲線は、CureTrackがゲル化プロセスの開始を感知する能力を示し、硬化プロセス全体の追跡を可能にする定量的データを提供します。

シムキン 【4] 接着剤硬化モニタリングの現状をレビューした優れた論文を発表しました。ゲル化時間をモニタリングする方法は数多く存在するものの、市販の測定機器の不足と一般的な標準規格の欠如により、様々な測定方法の間で一貫性が保たれていないと結論付けています。

シムキンが論じている方法のほとんどは、誘電分析などの間接的な方法であり、その機械的特性と相関する樹脂システムの特性を測定しますが、樹脂の用途で機能的に重要な特性を直接測定することはありません。システム。 この意味で、ゲル化や凝固などの特性を直接測定する測定技術は、樹脂の状態に関する即時の直接的なフィードバックを提供します。

CureTrackテクノロジーのアプリケーション

樹脂システムの機械的特性の直接測定は、実験室と工場フロアの両方でアプリケーションがあり、生産環境で樹脂が混合、塗布、硬化されます。

研究室では、CureTrackテクノロジーなどの堅牢な機械的分析ツールを研究開発と品質管理の両方に使用できます。 研究開発ラボでは、新しい樹脂や配合物の硬化特性を分析するために使用できます。 そのシンプルさと、安価で使い捨ての検知素子の使用により、高価なセンサーを損傷したり、除去が困難な残留物の大規模で時間のかかる洗浄を必要としたりするリスクなしに、多数のサンプルを経済的に分析できます。 品質管理の目的で、混合樹脂サンプルは、時間のかかる準備やクリーンアップなしで実験室で監視できます。

同様に、品質管理の目的においても、この技術の堅牢性により、混合生産バッチのモニタリングを工場の現場で行うことができるため、実験室でサンプルを採取して分析する必要がなくなります。CureTrackなどの機器は、樹脂バケットに直接挿入して製造の進行に合わせて状態を監視し、ゲル化が起こりそうな場合は警告アラームを発し、残留材料が固化する前に廃棄する必要があります。

この技術の今後の開発では、実際の製造現場におけるゲル化のモニタリングにも焦点を当てます。例えば、プローブの先端を樹脂注入型レイアップの表面に接触させ、マトリックス材料の状態をモニタリングすることが可能です。また、プローブの先端を注入成形部品に所定の深さまで挿入し、ゲル化が始まったら取り外すといったことも可能です。

硬化速度を決定する上で温度は重要な要素であるため、CureTrackにはプローブ先端の温度を測定する温度センサーが搭載されています。ゲル化と硬化が測定される場所の温度を正確に測定できるため、樹脂の温度をモニタリングするだけでなく、硬化プロセス中の熱発生を追跡することも可能です。

参考情報

1. 印刷アプリケーションでのインライン粘度計の使用に関する情報へのリンクは、次の場所にあります。 https://rheonics.com/solutions/
2. https://rheonics.com/products/inline-viscometer-srv/
3. Materials 2013, 6, 3783-3804; doi:10.3390/ma6093783 材料 ISSN 1996-1944 www.mdpi.com/journal/materials 超音波による熱硬化性樹脂の硬化状態のモニタリングに関するレビュー フランチェスカ・リオネットとアルフォンソ・マフェッツォーリ
4. ISSN 1070-3632、Russian Journal of General Chemistry、2016年、Vol。 86、No。6、pp。1488–1493。 Pleiades Publishing、Ltd.、2016.Original Russian Text AA Shimkin、2014、published in Rossiiskii Khimicheskii Zhurnal、2014、Vol。 58、Nos。3–4、pp。55–61。