인라인 및 생산 애플리케이션을 위한 새로운 기기

실런트 및 열경화성 접착제의 흐름 특성을 올바르게 조정하는 것은 고도로 자동화된 고속 생산 환경에서의 성능에 매우 중요합니다.

예를 들어 자동차 생산에서 실러와 접착제를 자동으로 적용하려면 예측 가능하고 재현 가능한 양이 적용되어야 하며 최종 경화 기간 동안 적절하게 흐르고 제자리에 유지되어야 합니다. 인쇄 산업에서 플라스틱 필름의 라미네이션은 접착 점도를 정밀하게 제어해야 하는 특수 고속 기계에서 수행됩니다. 복합 프리프레그를 만들기 위해 섬유 직물 및 매트에 적용되는 수지는 매트릭스 수지의 정확한 스테이징을 필요로 합니다.

실러와 접착제의 유동 특성은 전통적으로 레오미터를 사용하여 측정합니다. 레오미터는 정밀하고 정밀한 실험실 장비로, 정확하고 일관된 결과를 얻으려면 숙련된 작업자가 필요합니다. 레오미터 측정은 시간이 많이 소요되어 혼합 전 수지 성분에만 사용이 제한되고, 저경화 시스템의 경우 혼합 직후에만 사용이 제한됩니다. 마지막으로, 실험실에서 실시한 레오미터 시험 결과는 적용되는 재료의 현재 상태보다는 과거를 보여주는 통찰력을 제공하기 때문에 생산 모니터링에 제한적으로 사용되는 경우가 많습니다.

진동 요소를 기반으로 하는 점도계는 레오메트릭 측정에 대한 실행 가능한 대안을 제공합니다. 빠르고 일관된 판독값을 제공하며 특히 인라인 설치에 적합합니다. 공진 센서는 실런트, 접착제 또는 기타 유체를 운반하는 공정 라인에 직접 설치할 수 있으며 흐르는 유체의 특성을 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. 희석제 또는 기타 첨가제. 공정 점도의 이러한 피드백 제어는 예를 들어 플렉소 인쇄 및 그라비아 인쇄 공장에서 장기간 고속 실행 중에 색상 정확도를 유지하는 잘 알려져 있고 입증된 방법입니다. [1]

접착제 및 실런트는 비뉴턴 유동 특성이 높기 때문에 점도 측정 및 제어에 추가적인 문제를 제공합니다. 뉴턴 유체는 레오미터 또는 점도계와 같은 회전 기기의 스핀들 속도에 관계없이 동일한 점도를 나타냅니다. 비뉴턴 유체는 전단 속도에 민감합니다. 측정된 점도는 회전 레오미터의 스핀들 속도 또는 기계적 공진기를 기반으로 하는 장치의 진동 특성에 따라 달라집니다.

전단 의존적 거동은 대부분의 접착제 및 실런트에 필수적입니다. 그들은 기질에 적용될 때 자유롭게 흘러야 하지만 조인트에서 처지거나 떨어지지 않고 완전히 고정될 때까지 제자리에 남아 있어야 합니다. 이러한 재료는 전단 속도에 의존할 뿐만 아니라 움직이게 하는 데 어느 정도의 힘이 필요할 수 있습니다. 방해받지 않을 때는 고체처럼 행동하지만, 항복 응력 초과하면 액체처럼 흐릅니다. 그리고 그것들은 시간 의존적이거나 요 변성, 전단된 후 남아 있는 유체 및 특정 복구 시간 후에만 고체 형태로 되돌아갑니다.

레오미터(및 그보다는 덜하지만 회전 점도계)는 실험실 환경에서 복잡한 비뉴턴 유체의 거동을 완전히 특성화할 수 있는 일련의 전체 측정값을 제공할 수 있습니다. 이러한 복잡한 재료의 실제 거동을 예측하기 위해 레오메트릭 데이터를 해석하는 것은 어려운 일이며 종종 산업 공정에 쉽게 적용할 수 없습니다. 반면에 진동 요소에 의존하는 센서는 단일 지점 측정 결과, 이 측정값은 회전식 기기에서 사용되는 전단 속도보다 상당히 높은 단일 전단 속도에서 겉보기 점도를 측정합니다. 이러한 이유로 공진 점도계를 사용하여 비뉴턴 유체를 측정한 결과는 회전식 기기의 결과와 일치하지 않는 경우가 많습니다. 두 기기 간에 표시된 점도의 차이에도 불구하고, 진동 점도계는 고도로 비뉴턴 유체의 점도를 모니터링하고 제어하는 데 유용한 것으로 입증되었습니다.

진동 점도계는 편리성과 견고성을 갖추고 있어 접착제 및 실란트의 모니터링 및 제어에 이상적인 두 가지 응용 분야가 있습니다. 첫 번째는 도포기의 인라인 점도 모니터링입니다. 두 번째는 혼합된 재료의 가사 시간(pot life)이 끝나갈 때를 감지하는 것이 중요한 배치 작업의 경화 모니터링입니다.

도포기를 위한 인라인 점도 모니터링

실런트는 도포 과정에서 자유롭게 흘러야 하지만 도포 후 완전히 경화되기 전에는 흘러내리거나 늘어져서는 안 됩니다. 이를 위해서는 재료의 유효 점도가 전단 의존성이 높아야 하며, 도포기를 제공하는 라인과 도포기 노즐 자체에서 발생하는 높은 전단 속도에서 낮은 점도를 가져야 하며, 분배 후 높은 점도 또는 항복 강도도 있어야 합니다. .

특히 고속 자동 분배 및 적용의 경우 접착제 및 실런트의 흐름 특성의 중요성에도 불구하고 접착제 및 실런트 일관성을 모니터링하거나 제어하기 위해 적용되는 인라인 기기에 대한 정보는 거의 또는 전혀 없습니다.

Rheonics 점도 조절이 필수적인 고속 라미네이팅 프레스에 SRV 인라인 점도계를 설치했습니다. 프레스 작업자는 접착제 점도를 모니터링하기 위해 회전식 점도계를 사용해 보았지만, 건조된 접착제로 인해 회전 부품이 오염되어 사용이 불가능했습니다. 현재 점도 모니터링에는 유출 컵이 사용되고 있지만, 이는 매우 부정확하고 진정한 인라인 측정이 아닙니다. 유출 컵을 사용하면 시간이 많이 소요되어 잦은 측정이 불가능하고, 결과적으로 라미네이팅 접착제의 점도 및 흐름 특성이 예상보다 크게 변동될 수 있습니다. 고속 라미네이팅 기계에서는 이러한 문제가 더욱 악화되는데, 이는 도포 롤러가 일반적으로 접착제의 열린 통 안에서 작동하며, 여기서 용매가 끊임없이 증발하기 때문입니다(아래 그림 참조).

 

플렉소 및 로토그라비어 기계의 인쇄 잉크의 경우와 같이 이 점진적인 증발은 매체의 점도를 점진적으로 증가시키며, 거의 일정한 점도에서 매체를 안정화하기 위해 주기적으로 용매를 투여해야 하며, 길고 고속 실행 동안 적절한 적용을 보장합니다.

진동 점도 센서는 일반적으로 수백 헤르츠에서 최대 수십 킬로헤르츠의 주파수에서 작동하는 공진기를 사용하는데, 이는 특정 작동 원리에 따라 달라집니다. 실제 전단 속도를 측정하는 것은 불가능하지만, 그 범위는 매우 넓어 디스펜싱 장비에서 측정되는 전단 속도와 같거나 더 높습니다. 이러한 이유로 진동 점도 센서는 접착제의 점도와 디스펜싱 작업 중 접착제의 작용을 모니터링하는 데 유용합니다.

진동 점도계는 유체에 담긴 기계적 공진기에서 발생하는 진동 감쇠를 측정하여 작동합니다. 진동 점도계에 사용되는 공진기는 소리굽쇠 및 캔틸레버 빔과 같이 가로로 진동하는 공진기와 비틀림으로 진동하는 공진기의 두 가지 일반적인 범주로 분류됩니다. 비틀림 공진기는 밀봉재와 접착제에서 자주 발생하는 높은 점도를 측정하는 데 특히 유리합니다. 왜냐하면 횡방향 진동은 고점도 유체에 의해 더 강하게 감쇠되는 경향이 있기 때문입니다. 또한 비틀림 공진기는 파이프 및 기타 용기 벽과의 근접성에 덜 민감한 경향이 있어 설치 옵션이 더 유연해집니다. 점도를 적용 시스템과 함께 인라인으로 측정해야 하는 경우, 유동 라인이 다른 공정 적용에 비해 상대적으로 낮은 유량과 작은 직경을 가지기 때문에 기계적 소형화가 유리할 수 있습니다. 진동 센서는 장착 시 민감도에 영향을 줄 수 있는 반력을 생성하는 경향이 있으므로 진동 균형 센서는 특히 불균형 공진기에 영향을 미치는 환경적 영향으로부터 자유롭습니다. Rheonics SRV 인라인 점도계는 특허받은 비틀림 균형 공진기를 기반으로 합니다. [2]

배치 혼합 접착제의 경화 정도 모니터링

접착제 분야에서 또 다른 중요한 관심 분야는 접착제와 수지의 경화 정도 모니터링입니다. 이는 접착제 적용 분야에서 특정 재료 배치가 필요한 기계적 특성을 달성했는지 판단하는 데 중요하며, 단순히 제조업체의 사양이나 공정 매개변수 조정에만 의존하는 것이 아닙니다. 성형 작업에서는 경화된 부품을 언제 안전하게 탈형할 수 있는지 판단하는 데 중요하며, 복합재 제조에서는 적층된 부품이 언제 완전히 경화되었는지 판단하는 데 중요합니다.

경화 정도를 모니터링하기 위한 여러 방법이 발표되었지만, 대부분은 기계적 특성을 직접 측정하기보다는 전기적 또는 광학적 특성과 같은 간접적인 측정에 의존합니다. 실험적 초음파 측정 방법도 있지만, 경화 과정에서 초음파 감쇠가 상당히 클 수 있기 때문에 엄격하게 제어된 조건에서 매우 작은 시료에만 국한되는 경향이 있습니다[3]. 또한 초음파 측정은 일반적으로 메가헤르츠 주파수 범위에서 수행되는데, 비뉴턴 재료의 경우 실제 응용 분야에서 나타나는 변형률 속도에 가까운 변형률 속도에서의 거동을 반영하지 못할 수 있습니다.

장치, Rheonics CureTrack™은 현재 테스트 중입니다. Rheonics GmbH. 미리 혼합된 접착제와 실란트의 배치에서 겔화를 예측합니다. 아래 그림 2는 실험실 시험에서 사용되는 CureTrack 기기를 보여줍니다.

 

CureTrack 장치는 다음을 기반으로 합니다. Rheonics SRV 점도 센서는 팁에 Luer 테이퍼가 있어 기존의 일회용 투여 바늘을 연결하여 민감한 요소를 확장할 수 있습니다. 일회용 연장 장치를 사용하면 센서 자체가 접착제에 노출되지 않습니다. 바늘은 간단히 분리되어 겔화되거나 경화된 물질과 함께 폐기될 수 있습니다.

CureTrack은 댐핑과 기기 공진기의 주파수라는 두 가지 숫자를 출력합니다. 감쇠는 재료의 점도에 따라 달라지며 주파수는 강성에 따라 달라집니다. 따라서 CureTrack의 출력은 겔화 및 경화 과정을 거치는 재료의 점탄성 거동에 대한 스냅샷을 제공합니다.

무화과 3과 4는 CureTrack에 의해 기록된 두 가지 다른 에폭시 시스템의 경화 곡선을 보여줍니다. 첫 번째는 티올 기반 경화제인 Pacer Technology PT39 Z-Poxy 30 Minute Epoxy가 포함된 소비자용 에폭시 접착제입니다. 경화시간 30분으로 명시되어 있으며, 모형제작을 위한 취미샵에서 흔히 판매되는 제품입니다. 두 번째는 Axson Epolam 2017 수지와 Epolam 2018 경화제, 습식 레이업 적층 복합 재료에 사용되는 아민 경화 시스템입니다. 정격 겔화 시간은 6°C에서 100:30의 수지/경화제 중량비에서 23시간이며, 넓은 표면적이 발열 가열 및 경화 공정의 가속을 제한하는 라미네이션 공정

 

 

따라서 임박한 겔화의 주요 지표는 표시된 점도의 급격한 상승에 이어 센서 공진기의 공진 주파수가 증가하는 것입니다.

이 곡선은 두 개의 별개의 프로세스와 세 개의 영역을 보여줍니다.

공정은 겔화 및 경화입니다. 겔화는 댐핑이 증가하고 주파수가 증가하는 특징이 있는 과정으로 수지의 점도와 강성의 증가를 반영합니다. 물질은 액체에서 겔 상태로 이동합니다. 감쇠를 감소시키고 강성을 증가시키는 것이 특징인 경화는 겔화 후의 과정으로, 이는 재료를 점성이 높고 끈적한 덩어리에서 단단한 고체로 변형시킵니다. 이러한 프로세스는 또한 겔화 및 경화 중에 재료가 이동하는 세 가지 상태를 정의합니다.

1. 재료의 강성이 매우 낮은 액체 영역은 CureTrack 공진기의 낮고 비교적 일정한 주파수에 반영됩니다. 이 영역에서 점도도 상대적으로 낮으며 이는 낮은 감쇠 값으로 표시됩니다.
2. 재료의 강성과 감쇠가 모두 급격히 상승하는 겔화 영역. 이 영역의 재료는 끈적끈적합니다. 점도가 최대에 도달하여 응고가 시작되기 전에 겔화 과정의 피크를 나타냅니다. 더 단단해지고 최종 경화 전에 고무 같은 덩어리를 형성합니다.
3. 단단한 지역. 댐핑은 다시 낮고 상대적으로 일정한 값으로 감소했습니다. 이제 공진기는 점성력으로 인한 소산이 거의 없이 주로 재료의 탄성 전단력을 생성합니다.

두 세트의 곡선은 전체 경화 과정을 추적할 수 있는 정량적 데이터를 제공할 뿐만 아니라 겔화 과정의 시작을 감지하는 CureTrack의 능력을 보여줍니다.

심킨 [4] 접착제 경화 모니터링 현황을 검토하는 훌륭한 논문을 발표했습니다. 그는 겔화 시간을 모니터링하는 여러 방법이 있지만, 상용 계측 장비 기반이 부족하고 표준도 전반적으로 부족하여 다양한 측정 방법 간의 합의가 이루어지지 않고 있다고 결론지었습니다.

Shimkin이 논의하는 대부분의 방법은 유전 분석과 같이 기계적 특성과 상관 관계가 있는 수지 시스템의 특성을 측정한다는 점에서 간접적이지만, 수지의 응용에서 기능적으로 중요한 특성은 직접적으로 측정하지 않습니다. 체계. 이러한 의미에서 겔화 및 응고와 같은 특성을 직접 측정하는 모든 측정 기술은 수지 상태에 대한 즉각적이고 직접적인 피드백을 제공합니다.

CureTrack 기술의 응용

수지 시스템의 기계적 특성을 직접 측정하는 것은 실험실과 생산 환경에서 수지가 혼합, 도포 및 경화되는 공장 현장 모두에 적용됩니다.

연구실에서는 CureTrack 기술과 같은 강력한 기계적 분석 도구를 연구 개발과 품질 관리에 모두 사용할 수 있습니다. R&D 연구실에서는 새로운 수지 및 제형의 경화 특성을 분석하는 데 사용할 수 있습니다. 간단하고 저렴한 일회용 감지 요소를 사용하여 값비싼 센서를 손상시키거나 제거하기 어려운 잔류물을 광범위하고 시간이 많이 소요되는 세척의 위험 없이 경제적으로 많은 수의 샘플을 분석할 수 있습니다. 품질 관리를 위해 혼합 수지 샘플은 시간이 많이 소요되는 준비 또는 정리 없이 실험실에서 모니터링할 수 있습니다.

마찬가지로, 품질 관리 목적으로도 이 기술의 견고성 덕분에 실험실 분석을 위해 샘플을 채취하는 대신, 혼합 생산 배치 모니터링을 공장 현장에서 수행할 수 있습니다. CureTrack과 같은 기기를 레진 버킷에 직접 삽입하여 생산 진행 상황을 모니터링하고, 겔화가 임박했을 때 경고 알람을 울리며, 남은 재료는 응고되기 전에 폐기해야 합니다.

이 기술의 향후 개발은 실제 생산 시나리오에서 겔화 모니터링에도 중점을 둘 것입니다. 예를 들어, 프로브 팁을 레진 주입 레이업 표면에 접촉시켜 매트릭스 재료의 상태를 모니터링할 수 있습니다. 또는 프로브 팁을 주입된 성형 부품에 제어된 깊이까지 삽입하고 겔화가 시작되면 제거할 수도 있습니다.

온도는 경화 속도 결정에 필수적인 요소이므로, CureTrack에는 프로브 팁의 온도를 측정하는 온도 센서가 내장되어 있습니다. 겔화 및 경화가 측정되는 지점의 온도를 정확하게 측정하여 수지의 온도를 모니터링하고 경화 과정에서 발생하는 열 발생을 추적할 수 있습니다.

참고자료

1. 인쇄 애플리케이션을 위한 인라인 점도계 사용에 대한 정보에 대한 링크는 다음에서 찾을 수 있습니다. https://rheonics.com/solutions/
2. https://rheonics.com/products/inline-viscometer-srv/
3. 재료 2013, 6, 3783-3804; doi:10.3390/ma6093783 재료 ISSN 1996-1944 www.mdpi.com/journal/materials 초음파를 이용한 열경화성 수지의 경화 상태 모니터링 검토 Francesca Lionetto 및 Alfonso Maffezzoli
4. ISSN 1070-3632, 러시아 일반 화학 저널, 2016, Vol. 86, 6번, 1488-1493쪽. Pleiades Publishing, Ltd., 2016. 러시아어 원본 AA Shimkin, 2014, Rossiiskii Khimicheskii Zhurnal에 게재, 2014, Vol. 58, 3-4번, 55-61쪽.