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。

シーラーと接着剤の流動特性は、伝統的にレオメーターによって測定されます。レオメーターは、熟練したオペレーターが正確で一貫した結果を出す必要がある繊細な精密実験器具です。 レオメータの測定には時間がかかり、混合前の樹脂成分に使用が制限されます。硬化が遅いシステムの場合は、混合直後​​に使用が制限されます。 そして最後に、実験室でのレオメトリックテストの結果は、適用されている材料の現在の状態ではなく、過去への洞察を与えるため、生産モニタリングでの使用が制限されることがよくあります。

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]

図1.インライン粘度計（左）とインラインアプリケーション用のフローラインアダプターに取り付けられています。

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 測定; 彼らは、回転機器で使用されるせん断速度よりもかなり高いことが多いせん断速度の単一の値で見かけの粘度を読み取ります。 このため、共振粘度計を使用して非ニュートン流体で行われる測定は、通常、回転機器の測定と一致しません。 XNUMX種類の機器間で示された粘度にこの違いがあるにもかかわらず、振動粘度計は、非ニュートン流体の粘度の監視と制御に役立つことが証明されています。

振動粘度計の利便性と堅牢性により、接着剤やシーラントの監視と制御に理想的なXNUMXつの応用分野があります。 XNUMXつ目は、アプリケーターのインライン粘度モニタリングです。 XNUMXつ目は、バッチ操作の硬化監視です。この場合、材料の混合バッチがポットライフの終わりに近づいていることを検出することが重要です。

アプリケーターの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粘度計を試しましたが、乾燥した接着剤による回転部品の汚れは、それらの使用を実用的ではありませんでした。 現在、粘度モニタリングには流出カップが使用されていますが、これらは特に不正確であり、真のインライン測定ではありません。 それらの使用は時間がかかり、頻繁な測定を非現実的にし、したがって、粘度、したがってラミネート接着剤の流動特性の望ましくない変動を可能にする。 次の図に示すように、アプリケーションローラーは通常、接着剤の開いたトラフ内で動作し、そこから溶剤が絶えず蒸発するため、高速ラミネート機械では問題が悪化します。

図2.高速ラミネート機の接着剤リザーバー。

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。

振動粘度センサーには、特定の動作原理に応じて、通常、数百ヘルツから最大数十キロヘルツの周波数で動作する共振器があります。 実際のせん断速度を決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で見られるものと同等かそれを上回っています。 このため、振動粘度センサーは、接着剤の一貫性と、ディスペンス操作中に接着剤がどのように作用するか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の横方向に振動するものと、ねじれ振動するものの2つの一般的なカテゴリに分類されます。 ねじり共振器は、横方向の振動が高粘度の流体によってより強く減衰する傾向があるため、シーラントや接着剤でよく見られる高粘度の測定に特に有利です。 ねじれ共振器はまた、パイプや他の容器の壁への近接性に対する感度が低い傾向があるため、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、フローラインは直径が小さく、他のプロセスアプリケーションと比較して流量が比較的少ないことが多いため、機械的なコンパクトさが有利な場合があります。 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、振動的にバランスの取れたセンサーは、不均衡な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れ平衡型共振器に基づいています。 [XNUMX]

バッチ混合接着剤の硬化度の監視

接着剤のもうXNUMXつの重要な関心領域は、接着剤と樹脂の硬化度の監視です。 これは、メーカーの仕様やプロセスパラメータの調整だけに頼るのではなく、特定のバッチの材料が必要な機械的特性を達成したかどうかを判断するための接着剤アプリケーションで重要です。 成形作業では、硬化した部品をいつ安全に離型できるかを判断することが重要です。また、複合材料の製造では、積層部品が完全に硬化した時期を判断することが重要です。

硬化の程度を監視するための多くの方法が公開されていますが、ほとんどは、機械的特性の直接測定ではなく、電気的または光学的特性などの間接的な測定に依存しています。 実験的な超音波法が利用可能ですが、硬化プロセス中に超音波の減衰が非常に大きくなる可能性があるため、これらは厳密に制御された条件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、メガヘルツ周波数の範囲で実行されます。これは、非ニュートン材料の場合、実際のアプリケーションで見られるひずみ速度に近いひずみ速度での動作を反映していない可能性があります。

デバイス、RheonicsCureTrack™は現在RheonicsGmbHによってテストされています。 事前に混合された接着剤とシーラントのバッチでのゲル化を予測します。 下の図2は、CureTrack機器と、実験室での試験での使用を示しています。

図3.サンプルチューブと針先のクローズアップを備えたCureTrack機器

CureTrackデバイスは、先端にルアーテーパーを備えたRheonics SRV粘度センサーに基づいており、従来の使い捨て投与針を接続して敏感な要素を伸ばすことができます。 使い捨てエクステンションを使用することにより、センサー自体が接着剤にさらされることはありません。 針は、ゲル化または硬化した材料と一緒に簡単に取り外して廃棄することができます。

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。

図4.速硬化性の民生用エポキシ接着剤PacerPt39Z-PoxyのCureTrack硬化曲線。 プロットは、接着剤の液相、ゲル化相、および固体硬化相を使用したCureTrackの減衰と周波数を示しています。

図5.低速硬化エポキシラミネート樹脂Epolam2017樹脂と2018硬化剤を100：30の重量比で使用したCureTrack硬化曲線。 プロットは、樹脂の液相、ゲル化相、および固体硬化相を示しています。

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状態をレビューする優れた記事を公開しました。 彼は、ゲル化時間を監視するための多くの方法が利用可能であるが、市販の機器ベースの欠如と一般的な基準の欠如の両方があり、したがってさまざまな測定方法の間で一致している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、品質管理の目的で、テクノロジーの堅牢性により、実験室での分析のためにサンプルを取得する必要がなく、混合生産バッチの監視を工場のフロアに移動できます。 CureTrackなどの機器は、樹脂バケットに直接挿入して、生産の進行に伴う状態を監視し、ゲル化が差し迫っているときに警告アラームを発行できます。残りの材料は、固化する前に廃棄する必要があります。

技術の将来の開発は、実際の生産シナリオでのゲル化の監視にも焦点を当てます。 たとえば、プローブの先端を樹脂を注入したレイアップの表面に接触させて、マトリックス材料の状態を監視することができます。 または、プローブの先端を、注がれた成形部品の制御された深さまで挿入し、ゲル化が始まるときに取り外すことができます。

温度は硬化速度を決定する上で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含まれています。 ゲル化と硬化が測定されている場所の温度を正確に測定できるため、樹脂の温度の監視と、硬化プロセス中の発熱の追跡の両方が可能になります。

リファレンス

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. マテリアル2013、6、3783-3804; doi：10.3390 / ma6093783材料ISSN1996-1944www.mdpi.com/journal/materialsレビュー超音波フランチェスカリオネットとアルフォンソマッフェッツォーリによる熱硬化性樹脂の硬化状態の監視
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。