Optymalizacja procesów klejenia na gorąco (HMA) dzięki zaawansowanej kontroli lepkości

• 1. Wstęp
• 2. Przegląd branży
• 2.1 Kleje topliwe HMA
• 2.2 Rodzaje HMA
• 2.3 Proces produkcji kleju topliwego
• 2.4 Kluczowe parametry monitorowania
• 3. Rheonics Wiskozymetr wbudowany
• 3.1 Instalacja wiskozymetru SRV do procesu produkcji mas HMA
• 3.2 Korzyści z monitorowania lepkości w trybie inline
• 4. Referencje

Kleje topliwe (HMA) to złożone formulacje polimerów, żywic, wosków i dodatków, które nadają im unikalne właściwości. Klienci oczekują od kleju niezmiennej jakości w zastosowaniach takich jak pakowanie, introligatorstwo, montaż produktów itp. Dlatego monitorowanie jego składu w trybie on-line ma fundamentalne znaczenie dla zapewnienia jakości. Lepkość jest kluczowym parametrem do monitorowania produkcji HMA z wielu powodów, wpływając na wszystko, od jakości surowców po parametry produktu końcowego i wydajność produkcji.

Klej topliwy (HMA) lub „klej na gorąco” to rodzaj termoplastycznego kleju polimerowego, który w temperaturze pokojowej ma stan stały i jest nakładany w postaci stopionej cieczy pod wpływem ciepła. Ogrzewanie odbywa się zazwyczaj za pomocą opalarki lub podobnych urządzeń, które przekształcają klej w stan stały w stan stopiony lub ciekły, tworząc wiązanie poprzez chłodzenie i zestalanie. Ten mechanizm wiązania wyłącznie poprzez utratę ciepła jest fundamentalną cechą i główną zaletą klejów HMA, ponieważ eliminuje etapy suszenia lub utwardzania, często wymagane w przypadku systemów klejowych na bazie rozpuszczalników lub wody [1].

Kleje HMA mają kluczowe cechy, dzięki którym są szeroko stosowanymi klejami:

• Szybka prędkość wiązania: Tworzy wiązanie w ciągu kilku sekund od zastosowania.
• Skład bez rozpuszczalników: Zmniejsza lub eliminuje emisję lotnych związków organicznych (LZO).
• Wszechstronność w klejeniu podłoża: podłoża porowate (np. papier, drewno) i nieporowate (np. tworzywa sztuczne, metale).
• Nadaje się do wypełniania luk: Minimalne lub żadne kurczenie się po schłodzeniu
• Długi okres trwałości: W stanie stałym HMA są łatwe do przechowywania i transportu, a ich minimalne wymagania dotyczące zachowania ich właściwości są minimalne
• Różne prezentacje: Najczęściej stosowane jako kleje w sztyfcie, ale dostępne również w postaci granulek, wiórów, poduszek, bloków i listew.

Rodzaje klejów topliwych (HMA) są klasyfikowane i rozumiane głównie na podstawie ich podstawowy polimer bazowyDzieje się tak, ponieważ polimer bazowy stanowi „szkielet” kleju i w dużej mierze decyduje o jego podstawowych właściwościach, takich jak wytrzymałość, elastyczność, przyczepność do różnych podłoży, stabilność termiczna (jak dobrze zachowuje się w wysokich lub niskich temperaturach), odporność chemiczna, lepkość stopu, koszt i czas otwartyPodczas gdy lepiszcza, woski, plastyfikatory i inne dodatki odgrywają kluczową rolę w precyzyjnym dostosowaniu określonych właściwości użytkowych, polimer bazowy zapewnia nieodłączne właściwości HMA.

Produkcja kleju HMA może się różnić w zależności od rodzaju pożądanego kleju. Rysunek 3 przedstawia przykładowy proces produkcyjny, w którym mieszanie kleju odbywa się w zbiornikach, a następnie stopiony materiał jest pompowany przez wytłaczarkę jednoślimakową i matrycę, która nadaje klejowi ostateczny kształt. Klej HMA jest ostatecznie schładzany w kąpieli wodnej i cięty na wymaganą długość. Następnie opisano główne etapy.

Przygotowanie surowca

Konkretne surowce są starannie dobierane i precyzyjnie dozowane, zgodnie z pożądaną recepturą kleju topliwego. Różne polimery, lepiszcza, woski i dodatki, wszystkie w stanie stałym, są dobierane w oparciu o planowane zastosowanie i wymagane właściwości użytkowe.

Topienie i mieszanie

Stałe surowce są następnie przenoszone do zbiornika mieszającego lub reaktora z płaszczem, aby osiągnąć wymaganą temperaturę topnienia. Alternatywnie, mieszanie można przeprowadzić w wytłaczarkach dwuślimakowych, które później przeprowadzą również końcowe wytłaczanie.

Podczas procesu mieszania materiały są podgrzewane do określonej temperatury (zwykle od 100°C do 235°C, w zależności od składu). Po podgrzaniu siły międzycząsteczkowe utrzymujące łańcuchy polimerów słabną, co pozwala materiałowi płynąć, a w rezultacie przechodzi w stan płynny, czyli tzw. materiał upłynniony. [3] To właśnie na podstawie tego stanu materiału mierzone są, oceniane i charakteryzowane kluczowe parametry procesu w celu zapewnienia jakości produkcji.

Mieszadła, czyli ślimaki w wytłaczarce, zapewniają dokładne i jednorodne wymieszanie wszystkich składników. Ten etap topienia i mieszania jest kluczowy dla uzyskania stałej jakości, lepkości i funkcjonalności produktu końcowego.

Ważne: Kleje topliwe (HMA) są wyjątkowe, ponieważ są 100% solid oraz nie używaj wody ani rozpuszczalnika jako nośnikaTo ogromna zaleta, ponieważ eliminuje etapy suszenia i utwardzania oraz zmniejsza obawy dotyczące wpływu na środowisko związane z lotnymi związkami organicznymi (LZO). Jest to polimer termoplastyczny, co oznacza, że po podgrzaniu staje się plastyczny lub ciągliwy, a po schłodzeniu twardnieje.

Uwaga: Większość klejów topliwych jest termoplastyczny, co oznacza, że stają się płynne pod wpływem ciepła i twardnieją po ostygnięciu. Są również odwracalne; oznacza to, że po odpowiednim podgrzaniu ponownie się stopią i stracą swoją wytrzymałość wewnętrzną.

Aby uniknąć utraty wytrzymałości wiązania w wysokich temperaturach (chyba że zamierzona jest odwracalność), cząsteczki polimeru kleju muszą być usieciowany chemicznie po utwardzeniu. To usieciowanie sprawia, że wiązanie jest trwalsze i bardziej odporne na ciepło. Uzyskuje się to poprzez dodanie specyficzne składniki reaktywne do składu kleju podczas jego mieszania. Kleje topliwe, które po ostygnięciu ulegają tej reakcji chemicznej, nazywane są reaktywne kleje topliwePrzykładem reaktywnych polimerów HMA są topliwe kleje poliuretanowe reaktywne (PUR).

Degazowanie

W niektórych przypadkach, szczególnie w zastosowaniach, w których pęcherzyki powietrza mogłyby negatywnie wpłynąć na wydajność, stosuje się etap odgazowania. Polega on na zastosowaniu próżni do stopionej mieszanki klejowej w naczyniach w celu usunięcia uwięzionego powietrza lub lotnych składników.

Sączenie

Stopiony klej może zostać przepuszczony przez system filtracji. Usuwa on wszelkie zanieczyszczenia, nierozpuszczone cząstki i ciała obce, zapewniając czystość i jakość produktu końcowego.

Ekstruzja i chłodzenie

Stopiony klej jest następnie wytłaczany przez matrycę do pożądanej formy, takiej jak granulki, wióry, bloki, sztyfty lub arkusze. Bezpośrednio po uformowaniu, klej topliwy jest szybko schładzany, często za pomocą pasów chłodzących lub kąpieli wodnych. To szybkie schładzanie powoduje, że klej zestala się do postaci stałej.

Pakowanie

Gdy klej topliwy przejdzie wszystkie kontrole jakości, jest pakowany do różnych pojemników nadających się do dystrybucji i stosowania, takich jak worki, beczki, wkłady lub inne specjalistyczne formy, w zależności od potrzeb użytkownika końcowego.

Kilka właściwości użytkowych klejów topliwych ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia płynnych i wydajnych procesów produkcyjnych oraz uzyskania pożądanej jakości połączenia. Kluczowe parametry produkcyjne mierzy się w stanie upłynnionym, podczas gdy inne testy przeprowadza się na stałych surowcach i gotowym kleju. Parametry te nazywane są kryteriami wyboru [3].

Temperatura:
Temperatura mieszania ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia jednorodnego stopienia i połączenia wszystkich składników. Temperatura topnienia to temperatura stopionego kleju tuż przed wytłaczaniem lub pakowaniem, która wpływa na ostateczną lepkość i urabialność.

Lepkość: Lepkość, definiowana jako opór płynięcia stopionego kleju, ma kluczowe znaczenie. Decyduje o tym, jak łatwo można pompować i nakładać klej, jego zdolność do zwilżania powierzchni podłoża, zapewniając dobrą przyczepność, oraz o kontroli wielkości kropli lub wzoru natrysku. Lepkość jest silnie zależna od temperatury; wzrost temperatury zazwyczaj prowadzi do jej spadku. Niekontrolowana lub niezgodna ze specyfikacją lepkość podczas mieszania i tuż przed wytłaczaniem jest głównym źródłem wielu problemów na linii produkcyjnej, od nierównomiernej aplikacji po pękanie spoin.

Prędkość mieszania/ścinanie: Intensywność mieszania ma kluczowe znaczenie dla jednorodności, dlatego należy ją kontrolować, aby zapewnić równomierne rozproszenie składników bez degradacji polimerów wrażliwych na ścinanie.

ciśnienie: Monitorowane w wytłaczarkach lub zbiornikach mieszających, aby zapewnić płynny przepływ i zapobiec zatorom. Podciśnienie ma znaczenie, gdy wymagane jest podciśnienie.

W przypadku produktu finalnego, po wytłaczaniu, ocenia się dodatkowe parametry, takie jak:

Temperatura mięknienia: Jest to temperatura, w której stały HMA zaczyna mięknąć i płynąć lub staje się plastyczny. Jest ona w dużej mierze uzależniona od rodzaju polimeru bazowego oraz ilości i rodzaju wosku w formulacji. Temperatura mięknienia określa minimalną temperaturę aplikacji i wpływa na odporność cieplną finalnego, sklejonego elementu.

Czas otwarcia: Odnosi się to do maksymalnego dopuszczalnego czasu po nałożeniu stopionego kleju na pierwsze podłoże, w którym drugie podłoże musi zetknąć się ze sobą, aby utworzyć zadowalające połączenie [4]. Czas otwarty musi być starannie dobrany do szybkości i mechaniki procesu montażu. Zbyt krótki czas spowoduje słabe zwilżenie i słabe połączenie. Zbyt długi czas może wpłynąć na szybkość produkcji lub przesunięcie się części przed utwardzeniem połączenia.

Ustaw czas (ustaw prędkość): Jest to czas potrzebny na schłodzenie i zestalenie się kleju HMA dostatecznie, aby utworzyć spoinę o akceptowalnej wytrzymałości, umożliwiającą obróbkę zmontowanych elementów lub przeniesienie ich do kolejnego etapu produkcji. Krótki czas wiązania to jedna z głównych zalet klejów HMA, przyczyniająca się do dużej szybkości produkcji.

Stabilność w czasie użytkowania: Ta właściwość opisuje zdolność kleju HMA do zachowania określonych właściwości (np. lepkości, koloru, braku zwęglania lub żelowania) po dłuższym przechowywaniu w stanie stopionym w zbiorniku lub zasobniku urządzenia aplikacyjnego. Niska żywotność prowadzi do degradacji kleju, co może powodować zatykanie dyszy, nierównomierną jakość aplikacji i zwiększoną częstotliwość konserwacji urządzenia. W celu poprawy stabilności kleju HMA w składzie zazwyczaj znajdują się przeciwutleniacze.

Rheonics SRV to liniowy wiskozymetr procesowy, który mierzy szeroki zakres lepkości i temperatury w czasie rzeczywistym. Nadaje się do montażu w zbiornikach mieszających i magazynowych oraz w rurociągach do ciągłego pomiaru cieczy procesowej. Rheonics System SRV jest kompatybilny z procesami mieszania o dużej prędkości i nie jest wrażliwy na obecność pęcherzyków w cieczy ani na wibracje zewnętrzne.

Rheonics Czujniki bazują na opatentowanej technologii Balanced Torsional Resonator (BTR), która umożliwia uzyskanie kompaktowej i lekkiej sondy, a jednocześnie wytrzymałej w warunkach przemysłowych i kompatybilnej z zastosowaniami w wysokich temperaturach (do 285°C), próżni i wysokim ciśnieniu. Rheonics SRV nie posiada żadnych ruchomych części, jest hermetycznie zamkniętą sondą wykonaną ze stali nierdzewnej 316L, mającej kontakt z cieczami.

Czujnik SRV jest oferowany w różnych wariantach sond, różniących się długością i przyłączem procesowym, co zapewnia łatwą instalację w każdym zastosowaniu. Wszystkie sondy SRV wykorzystują ten sam element pomiarowy, co umożliwia łatwą skalowalność w procesach produkcyjnych.

Jak wyjaśniono wcześniej, lepkość jest parametr krytyczny dla HMA, ponieważ ma to bezpośredni wpływ na ich przetwarzalność, wydajność aplikacji i ostatecznie na ostateczną wytrzymałość wiązania. Korzystając z Rheonics W przypadku lepkościomierza SRV inline możliwe jest monitorowanie zarówno lepkości, jak i temperatury, co jest szczególnie zalecane podczas procesów mieszania i wytłaczania, jak pokazano na rysunku 3.t.

Montaż w zbiorniku

Rheonics Zawór SRV można montować w zbiornikach od dołu, od ściany lub od góry. Zależy to od konstrukcji zbiornika, tj. rozmiaru, płaszcza ściennego i przeszkód w obrębie wałów mieszających itp., a także od preferencji użytkownika, takich jak dostępność, łatwość montażu itp.

Aby prawidłowo zamontować czujnik SRV w zbiorniku do monitorowania produkcji HMA, należy zastosować się do poniższych zaleceń:

• Upewnij się, że element czujnikowy ma kontakt ze stopionym materiałem. W przypadku instalacji od góry zbiornika może to wymagać użycia długie wprowadzenie SRVW instalacjach ściennych i dolnych należy unikać stref martwych, które mogą prowadzić do powstania stref stagnacji, mających wpływ na obszar wykrywania – patrz rysunek 5.
• Upewnij się, że sonda SRV nie zostanie uszkodzona przez wały mieszające wewnątrz zbiornika.

  

   

Instalacja w linii

Linie służące do transportu kleju topliwego ze zbiornika mieszającego do wytłaczarek muszą utrzymywać wysoką temperaturę i ciśnienie, aby zapewnić stałe właściwości płynu. Aby to osiągnąć, rury są osłonięte i stosuje się pompy wyporowe, takie jak pompy zębate lub tłokowe. Pompy zębate są preferowane, aby zapewnić płynny i ciągły przepływ, natomiast pompy tłokowe umożliwiają wysokie ciśnienie w liniach, ale wytwarzają przepływ lekko pulsujący.

Rheonics Zawór SRV nadaje się do instalacji liniowych, nawet w wysokich temperaturach i ciśnieniach. Zawór SRV pracuje z cieczami statycznymi i przepływającymi, nie ma problemów z przepływem pulsacyjnym. Zalecany montaż zaworu SRV w rurociągach HMA to kolano, z sondą skierowaną przeciwnie do kierunku przepływu cieczy.

Montaż w linii małej lub obejściowej

W produkcji klejów topliwych często stosuje się małe lub bocznikowe linie, podłączone do głównych linii, w celu pobierania próbek i badania właściwości reologicznych cieczy. W tych liniach kluczowe jest utrzymanie odpowiedniego ciśnienia i temperatury cieczy.

W tym scenariuszu, Rheonics oferuje akcesoria takie jak:

1. Komórki przepływowe: Zobacz wszystkie komory przepływowe SRV.
2. Komora grzewcza: Rheonics STCM-IFP to komora liniowa umożliwiająca kontrolę temperatury i dobrą izolację termiczną, utrzymująca temperaturę płynu w momencie jego napływu.

   

• Informacje zwrotne i kontrola w czasie rzeczywistym:

  W przeciwieństwie do testów laboratoryjnych offline, które dają opóźnione wyniki, Rheonics wiskozymetr SRV w linii zapewnia natychmiastowe, ciągłe dane. Dzięki temu operatorzy mogą dokładnie obserwować, jak zmienia się lepkość w miarę dodawania i mieszania surowców. Umożliwia to natychmiastowe zmiany do przetwarzania parametrów takich jak temperatura, prędkość mieszania, a nawet szybkość podawania surowca.

• Łatwa integracja danych:

  Rheonics SRV wykorzystuje wydajną elektronikę, zwaną SMETo urządzenie odczytuje dane z sondy czujnika i generuje zmierzoną lepkość i temperaturę. Obsługuje również natywnie wiele przemysłowych protokołów komunikacyjnych, takich jak Modbus, Profinet, Ethernet/IP. HARTitp. w celu integracji z lokalnymi systemami monitorowania i sterowania.

• Poprawa spójności i jakości produktu:

  Dzięki zachowaniu ściślejszej kontroli nad lepkością podczas produkcji producenci mogą znacznie zmniejszyć różnice między partiami. Dzięki temu jakość produktu jest bardziej spójna, rzadziej występują partie niezgodne ze specyfikacją, a ostatecznie klienci są bardziej zadowoleni.

• Zoptymalizowana wydajność produkcji:

  Wczesne wykrywanie odchyleń oznacza, że problemy można naprawić, zanim cała partia ulegnie zniszczeniu, zmniejszenie ilości odpadów drogich surowców i energii.

  Optymalizacja energii: Znajomość dokładnej lepkości pozwala na optymalizację energii potrzebnej na mieszanie i ogrzewanie, co potencjalnie prowadzi do oszczędności energii.

• Zrozumienie procesu i rozwiązywanie problemów:

  Rheonics SRV zapewnia kompleksowy zapis historyczny lepkości i temperatury HMA. Dane te są nieocenione dla optymalizacji procesów, identyfikacji trendów i szybkiego diagnozowania przyczyn wszelkich problemów produkcyjnych.

• Zmniejszona interwencja ręczna i bezpieczeństwo:

  Zautomatyzowany pomiar w linii produkcyjnej zmniejsza potrzebę ręcznego pobierania próbek, co może być niebezpieczne ze względu na wysokie temperatury stopionych mas HMA. Pozwala to również na odciążenie pracowników i umożliwienie im wykonywania innych zadań.

[1]:Właściwości, rodzaje i zastosowania klejów termotopliwych

[2]:Kleje topliwe

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

[4]: Czym jest klej termotopliwy (HMA)?