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ASI Magazine: 접착제 및 실런트 속성의 실시간 모니터링

접착제 및 실런트 특성의 실시간 모니터링

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 흐름 특성은 전통적으로 정확하고 일관된 결과를 제공하기 위해 숙련된 작업자가 필요한 섬세한 정밀 실험실 기기인 레오미터를 사용하여 측정됩니다. 레오미터 측정은 시간이 많이 걸리므로 혼합 전에 수지 성분으로 사용을 제한하고 느린 경화 시스템의 경우 혼합 직후에 사용합니다. 마지막으로 실험실에서의 레오메트릭 테스트 결과는 적용되는 재료의 현재 상태보다는 과거에 대한 통찰력을 제공하기 때문에 생산 모니터링에서 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]

그림 1. 인라인 점도계(왼쪽) 및 인라인 애플리케이션용 플로우라인 어댑터에 설치된 그림 1. 인라인 점도계(왼쪽) 및 인라인 애플리케이션용 플로우라인 어댑터에 설치된 모습.

그림 1. 인라인 점도계(왼쪽) 및 인라인 애플리케이션용 플로우라인 어댑터에 설치됨.

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; 그들은 회전 기구에 사용되는 전단 속도보다 종종 상당히 높은 단일 전단 속도 값에서 겉보기 점도를 읽습니다. 이러한 이유로 공진 점도계가 있는 비뉴턴 유체에 대한 측정은 일반적으로 회전 기기의 측정과 일치하지 않습니다. 두 유형의 기기 사이에 표시된 점도의 이러한 차이에도 불구하고 진동 점도계는 고도로 비뉴턴 유체의 점도를 모니터링하고 제어하는 ​​데 유용한 것으로 입증되었습니다.

진동 점도계의 편리성과 견고성으로 인해 접착제 및 실런트의 모니터링 및 제어에 이상적인 두 가지 응용 분야가 있습니다. 첫 번째는 애플리케이터에 대한 인라인 점도 모니터링입니다. 두 번째는 혼합 재료 배치가 가사 시간의 끝에 가까워지는 시점을 감지하는 것이 중요한 배치 작업에 대한 경화 모니터링입니다.

어플리케이터용 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.

Rheonics는 점도 조절이 필수적인 고속 라미네이팅 프레스에 SRV 인라인 점도계를 설치했습니다. 인쇄기의 운영자는 접착제 점도를 모니터링하기 위해 회전 점도계를 시도했지만 건조된 접착제에 의한 회전 부품의 오염으로 인해 사용이 불가능했습니다. 현재 efflux cup은 점도 모니터링에 사용되지만 이는 현저하게 부정확하며 진정한 인라인 측정이 아닙니다. 그것들을 사용하는 것은 시간이 많이 걸리고, 빈번한 측정을 비실용적으로 만들고, 따라서 점도의 큰 변동을 허용하고, 따라서 라미네이팅 접착제의 흐름 특성을 허용합니다. 고속 라미네이팅 기계에서는 응용 롤러가 일반적으로 다음 그림과 같이 용매가 지속적으로 증발하는 접착제의 열린 홈통에서 작동하기 때문에 문제가 더 복잡합니다.

고속 라미네이팅 기계의 접착제 저장소

그림 2. 고속 라미네이팅 기계의 접착제 저장소.

 

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 센서에는 특정 작동 원리에 따라 일반적으로 수백 헤르츠에서 최대 수십 킬로헤르츠의 주파수에서 작동하는 공진기가 있습니다. 실제 전단 속도를 결정할 수는 없지만 전단 속도의 범위는 디스펜싱 장비에서 볼 수 있는 것과 같거나 초과하여 높습니다. 이러한 이유로 진동 점도 센서는 접착제의 일관성과 디스펜싱 작업 중 접착제의 작용을 모니터링하는 데 유용합니다.

진동 점도계는 유체에 잠긴 기계적 공진기에서 유도된 진동의 감쇠를 측정하여 작동합니다. 진동 점도계에 사용되는 공진기는 소리굽쇠 및 캔틸레버 빔과 같이 가로로 진동하는 공진기와 비틀림으로 진동하는 공진기의 두 가지 일반적인 범주로 나뉩니다. 비틀림 공진기는 횡방향 진동이 고점도 유체에 의해 더 강하게 감쇠되는 경향이 있기 때문에 밀봉제 및 접착제에서 흔히 발생하는 더 높은 점도를 측정하는 데 특히 유리합니다. 비틀림 공진기는 파이프 및 기타 용기의 벽에 대한 근접성에 덜 민감한 경향이 있어 설치 옵션을 보다 유연하게 만듭니다. 점도가 응용 시스템과 함께 인라인으로 측정되어야 하는 경우 흐름 라인이 다른 프로세스 응용 프로그램에 비해 상대적으로 낮은 유속으로 종종 작은 직경을 가지기 때문에 기계적 소형화가 유리할 수 있습니다. 진동 센서는 장착 시 감도에 영향을 줄 수 있는 반력을 생성하는 경향이 있기 때문에 진동 균형을 이루는 센서는 특히 불균형 공진기에 영향을 미치는 환경 영향이 없습니다. Rheonics SRV 인라인 점도계는 특허 받은 비틀림 균형 공진기를 기반으로 합니다. [2]

배치 혼합 접착제의 경화 정도 모니터링

접착제의 또 다른 중요한 관심 영역은 접착제와 수지의 경화 정도를 모니터링하는 것입니다. 이는 특정 배치의 재료가 필요한 기계적 특성을 달성했는지 여부를 결정하기 위한 접착제 응용 분야에서 중요합니다. 이는 제조업체의 사양 및 공정 매개변수 조정에만 의존하기 보다는 중요합니다. 성형 작업에서는 언제 경화된 부품을 탈형하는 것이 안전한지 결정하는 것이 중요하고 복합재 제조에서는 적층 부품이 완전히 경화되는 시기를 결정하는 것이 중요합니다.

경화 정도를 모니터링하기 위한 많은 방법이 발표되었지만 대부분 기계적 특성의 직접적인 측정보다는 전기적 또는 광학적 특성과 같은 간접적인 측정에 의존합니다. 실험적인 초음파 방법을 사용할 수 있지만 경화 과정에서 초음파의 감쇠가 상당히 클 수 있기 때문에 밀접하게 제어된 조건에서 매우 작은 샘플로 제한되는 경향이 있습니다[3]. 또한 초음파 측정은 일반적으로 메가헤르츠 주파수 범위에서 수행되며, 이는 비뉴턴 재료의 경우 실제 응용 분야에서 볼 수 있는 것과 유사한 변형률 속도로 거동을 반영하지 않을 수 있습니다.

장치인 Rheonics CureTrack™은 현재 Rheonics GmbH에서 테스트 중입니다. 사전 혼합된 접착제 및 실런트 배치에서 겔화를 예측합니다. 아래 그림 2는 실험실 시험에서 사용되는 CureTrack 기기를 보여줍니다.

 

그림 3. 현재 테스트 중인 장치는 팁에 Luer 테이퍼가 있는 점도 센서를 기반으로 하여 기존의 일회용 투여 바늘을 연결하여 민감한 요소를 확장할 수 있습니다.

그림 3. 샘플 튜브와 니들 팁을 클로즈업한 CureTrack 기기

CureTrack 장치는 팁에 Luer 테이퍼가 있는 Rheonics SRV 점도 센서를 기반으로 하여 기존의 일회용 투여 바늘을 연결하여 민감한 요소를 확장할 수 있습니다. 일회용 연장을 사용하면 센서 자체가 접착제에 노출되지 않습니다. 바늘은 겔화되거나 경화된 물질과 함께 간단히 분리되어 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

그림 4. 빠르게 경화되는 소비자용 에폭시 접착제 Pacer Pt39 Z-Poxy의 CureTrack 경화 곡선. 플롯은 접착제의 액체, 겔화 및 고체 경화 단계가 있는 CureTrack의 감쇠 및 빈도를 보여줍니다.

그림 4. 빠르게 경화되는 소비자용 에폭시 접착제 Pacer Pt39 Z-Poxy의 CureTrack 경화 곡선. 플롯은 접착제의 액체, 겔화 및 고체 경화 단계가 있는 CureTrack의 감쇠 및 빈도를 보여줍니다.

 

그림 5. 100:30 중량비의 경화제를 사용한 느린 경화형 에폭시 라미네이팅 수지의 경화 곡선. 플롯은 수지의 액체, 겔화 및 고체 경화 단계를 보여줍니다.

그림 5. 2017:2018 중량비의 100 경화제가 포함된 느린 경화 에폭시 라미네이팅 수지 Epolam 30 수지의 CureTrack 경화 곡선. 플롯은 수지의 액체, 겔화 및 고체 경화 단계를 보여줍니다.

 

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 모니터링의 상태를 검토하는 우수한 기사를 발표했습니다. 그는 겔화 시간을 모니터링하기 위한 여러 방법을 사용할 수 있지만 상용 기기 기반이 부족하고 표준이 일반적으로 부족하므로 다양한 측정 방법 간의 일치가 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 관리를 위해 이 기술의 견고성은 실험실 분석을 위해 샘플을 수집할 필요 없이 혼합 생산 배치의 모니터링을 공장 현장으로 옮길 수 있습니다. CureTrack과 같은 기기를 수지 버킷에 직접 삽입하여 생산이 진행되는 동안 상태를 모니터링하고 겔화가 임박한 경우 경고 경보를 발령할 수 있으며 남아 있는 물질은 응고되기 전에 처리해야 합니다.

기술의 향후 개발은 실제 생산 시나리오에서 겔화를 모니터링하는 데 중점을 둘 것입니다. 예를 들어, 프로브 팁을 수지 주입 레이업의 표면과 접촉시켜 매트릭스 재료의 상태를 모니터링할 수 있습니다. 또는 탐침의 끝 부분을 주입된 성형 부품에 제어된 깊이로 삽입하고 겔화가 시작되면 제거할 수 있습니다.

온도는 경화 속도를 결정하는 데 필수적인 요소이므로 CureTrack에는 프로브 팁의 온도를 측정하는 온도 센서가 포함되어 있습니다. 겔화 및 경화가 측정되는 온도를 정확히 측정할 수 있어 수지의 온도를 모니터링하고 경화 과정 중 열 생성을 추적할 수 있습니다.

참조

  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. 자료 2013, 6, 3783-3804; doi:10.3390/ma6093783 재료 ISSN 1996-1944 www.mdpi.com/journal/materials 검토 초음파 Francesca Lionetto 및 Alfonso Maffezzoli에 의한 열경화성 수지의 경화 상태 모니터링
  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.

작성자

Joe Goodbread 박사

Joe Goodbread 박사

Goodbread 박사는 지난 30년 동안 Rheonics의 핵심 기술을 개발한 팀의 창립 멤버입니다. 그는 역학 연구소에 실험 역학 연구소를 설립하고 지휘했습니다. ETH 취리히. 그는 9개의 특허를 부여하고 12개 이상의 특허를 출원 중인 유체 특성 센서 분야에서 상당한 IP를 개발했습니다. 그는 Princeton University에서 항공우주 및 기계 공학 과학 학사 학위를, Stanford Universtiy에서 생체 역학 석사 및 Dr. Techn. Sc. Biomechanics의 ETH Zurich에서. Goodbread 박사는 또한 훈련된 심리 치료사이자 Institute of Process Work의 설립자입니다. 그는 주제에 대해 여러 권의 책을 출판했습니다. Goodbread 박사의 광범위한 연구 및 엔지니어링 기술은 Rheonics 제품 및 서비스의 기술 핵심을 형성합니다. 혁신과 불가능한 도전에 대한 그의 열정은 업계 최고의 제품을 만들었습니다.

Sunil Kumar 박사

Sunil Kumar 박사

Kumar 박사는 초기 경력에서 엔지니어링 및 연구 분야에서 다양한 역할을 수행하면서 센서 및 에너지 분야에서 광범위한 경험을 보유하고 있습니다. 가장 최근에는 Baker Hughes의 드릴링 서비스에 대한 글로벌 엔지니어링을 이끌었습니다. Kumar 박사는 혁신적인 제품을 성공적으로 상용화한 미국과 영국에 회사를 설립했습니다. 그는 Imperial College London에서 전기 공학 박사 학위를, University of California에서 기계 공학 석사를, IIT Kharagpur에서 항공 우주 공학 학사를 취득했습니다. 그는 2018년 NASA Insight 화성 탐사 임무의 주요 페이로드로 출시된 지진계를 개발했으며 2006년 NASA 피닉스 화성 탐사에서 토양 분석에 사용된 AFM 토양 샘플링 칩을 개발했습니다. 그는 30개 이상의 특허와 여러 동료 검토 논문을 보유한 다작의 발명가입니다. 인라인 프로세스 모니터링, 제어 및 최적화를 혁신하는 유체 특성 측정용 센서를 만드는 Kumar 박사의 비전은 Rheonics의 헌장 역할을 합니다.

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접착제 및 실란트 산업 중심 잡지 – ASI는 현재 Rheonics에서 테스트중인 Rheonics 인라인 점도계 SRV 및 Rheonics CureTrack ™을 다루는 특집 기사를 게시합니다. 이 기사에서는 접착제 및 실란트 산업 응용 분야를위한 R & D, 실제 생산 시나리오 및 품질 관리 목적에 특별히 초점을 맞춘 기술 및 작동 원리에 대해 설명합니다.

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