Nouveaux instruments pour les applications en ligne et de production

Un réglage correct des caractéristiques d'écoulement des mastics et des adhésifs thermodurcissables est crucial pour leurs performances dans des environnements de production hautement automatisés et à grande vitesse.

L'application automatisée de scellants et d'adhésifs dans, par exemple, la production automobile nécessite que des quantités prévisibles et reproductibles soient appliquées, et qu'elles s'écoulent correctement et restent en place pendant la période de prise finale. Dans l'industrie de l'imprimerie, le laminage des films plastiques est effectué sur des machines spécialisées à grande vitesse qui nécessitent un contrôle étroit de la viscosité de l'adhésif. Les résines qui sont appliquées aux textiles en fibres et aux nattes pour fabriquer des préimprégnés composites nécessitent une mise en scène exacte de la résine de la matrice.

Les caractéristiques d'écoulement des mastics et des adhésifs sont traditionnellement mesurées à l'aide d'un rhéomètre, un instrument de laboratoire de précision et délicat qui nécessite un opérateur qualifié pour obtenir des résultats précis et cohérents. Les mesures au rhéomètre sont chronophages, limitant leur utilisation aux composants de la résine avant mélange et, dans le cas des systèmes à durcissement lent, peu après. Enfin, les résultats des essais rhéométriques en laboratoire sont souvent d'une utilité limitée pour le suivi de la production, car ils donnent un aperçu de l'état passé plutôt que présent du matériau appliqué.

Les viscosimètres basés sur des éléments vibrants offrent une alternative viable aux mesures rhéométriques. Ils donnent des lectures rapides et cohérentes et sont particulièrement adaptés aux installations en ligne. Les capteurs résonants peuvent être installés directement dans les lignes de traitement transportant des produits d'étanchéité, des adhésifs ou d'autres fluides, et peuvent être utilisés pour surveiller les caractéristiques du fluide en écoulement ou peuvent être connectés à des systèmes de contrôle qui ajustent dynamiquement les caractéristiques d'écoulement du fluide par l'ajout de diluants ou autres additifs. Un tel contrôle par rétroaction de la viscosité du processus est une méthode bien connue et éprouvée pour, par exemple, maintenir la précision des couleurs pendant les longs tirages à grande vitesse dans les usines d'impression flexographique et hélio. [1]

Les adhésifs et les mastics représentent un défi supplémentaire pour la mesure et le contrôle de la viscosité en raison de leurs caractéristiques d'écoulement hautement non newtoniennes. Un fluide newtonien affiche la même viscosité quelle que soit la vitesse de rotation d'un instrument rotatif, tel qu'un rhéomètre ou un viscosimètre. Les fluides non newtoniens sont sensibles au cisaillement - leur viscosité mesurée dépend de la vitesse de rotation d'un rhéomètre rotatif ou des caractéristiques vibratoires d'un dispositif basé sur un résonateur mécanique.

Le comportement dépendant du cisaillement est essentiel pour la plupart des adhésifs et mastics. Ils doivent s'écouler librement lorsqu'ils sont appliqués sur le support, mais doivent rester en place jusqu'à ce qu'ils soient complètement pris, sans s'affaisser ni couler du joint. De tels matériaux ne dépendent pas seulement du taux de cisaillement, mais peuvent nécessiter une certaine force pour les faire bouger. Ils se comportent comme des solides lorsqu'ils ne sont pas perturbés, mais lorsqu'un certain contrainte de rendement est dépassé, ils coulent comme des liquides. Et ils peuvent dépendre du temps, ou thixotrope, restant fluides après leur cisaillement et ne revenant à la forme solide qu'après un certain temps de récupération.

Les rhéomètres (et dans une moindre mesure les viscosimètres rotatifs) sont capables de donner toute une série de mesures qui peuvent complètement caractériser le comportement de fluides non newtoniens même complexes dans un environnement de laboratoire. L'interprétation des données rhéométriques pour prédire le comportement réel de ces matériaux complexes est difficile et souvent difficilement applicable aux processus industriels. D'autre part, les capteurs reposant sur des éléments vibrants génèrent point unique Mesures ; ils mesurent une viscosité apparente à une valeur unique de taux de cisaillement, souvent nettement supérieure à celle des instruments rotatifs. Pour cette raison, les mesures effectuées sur des fluides non newtoniens avec des viscosimètres résonants ne concordent généralement pas avec celles des instruments rotatifs. Malgré cette différence de viscosité entre les deux types d'instruments, les viscosimètres vibrationnels se sont révélés précieux pour la surveillance et le contrôle de la viscosité des fluides fortement non newtoniens.

La commodité et la robustesse des viscosimètres vibratoires en font un outil idéal pour la surveillance et le contrôle des adhésifs et des mastics dans deux domaines d'application. Le premier est la surveillance de la viscosité en ligne pour les applicateurs. Le second est la surveillance de la polymérisation pour les opérations par lots, où il est essentiel de détecter lorsqu'un lot mixte de matériaux approche de la fin de sa durée de vie en pot.

Surveillance de la viscosité en ligne pour les applicateurs

Les mastics doivent couler librement pendant le processus d'application, mais ne doivent pas couler ou s'affaisser après l'application avant d'avoir complètement durci. Cela nécessite que la viscosité effective du matériau soit fortement dépendante du cisaillement, ayant une faible viscosité sous les taux de cisaillement élevés qui se produisent dans les lignes desservant l'applicateur et dans la buse de l'applicateur elle-même, et une viscosité élevée, voire une limite d'élasticité après distribution .

Malgré l'importance des caractéristiques d'écoulement des adhésifs et des mastics, en particulier dans le cas de la distribution et de l'application automatiques à grande vitesse, il existe peu ou pas d'informations disponibles sur l'instrumentation en ligne appliquée pour surveiller ou contrôler la consistance de l'adhésif et du mastic.

Rheonics a installé des viscosimètres en ligne SRV sur une presse de laminage à grande vitesse, où le contrôle de la viscosité est essentiel. L'opérateur de la presse a essayé des viscosimètres rotatifs pour surveiller la viscosité de l'adhésif, mais l'encrassement des pièces rotatives par de l'adhésif séché rendait leur utilisation peu pratique. Actuellement, des coupes d'efflux sont utilisées pour surveiller la viscosité, mais elles sont particulièrement imprécises et ne constituent pas une mesure véritablement en ligne. Leur utilisation est chronophage, rendant les mesures fréquentes peu pratiques et entraînant des fluctuations plus importantes que souhaitées de la viscosité, et donc des caractéristiques d'écoulement de l'adhésif de laminage. Ce problème est aggravé sur les machines de laminage à grande vitesse, car le rouleau d'application fonctionne généralement dans une cuve d'adhésif ouverte, d'où le solvant s'évapore en permanence, comme le montre l'illustration suivante :

 

Comme dans le cas des encres d'impression dans les machines flexographiques et hélio, cette évaporation progressive augmente progressivement la viscosité du support, nécessitant un dosage périodique de solvant pour stabiliser le support à une viscosité presque constante, assurant une application correcte tout au long de longs tirages à grande vitesse.

Les capteurs de viscosité vibratoire sont équipés de résonateurs fonctionnant généralement à des fréquences allant de quelques centaines de hertz à plusieurs dizaines de kilohertz, selon le principe de fonctionnement. Bien qu'il soit impossible de déterminer le taux de cisaillement réel, la plage de taux de cisaillement est élevée, égale ou supérieure à celle des équipements de distribution. C'est pourquoi les capteurs de viscosité vibratoire sont utiles pour surveiller la consistance de l'adhésif et son comportement lors de la distribution.

Les viscosimètres vibratoires fonctionnent en mesurant l'amortissement d'une vibration induite dans un résonateur mécanique immergé dans le fluide. Les résonateurs utilisés dans les viscosimètres vibratoires se répartissent en deux catégories générales, ceux qui vibrent transversalement, tels que les diapasons et les poutres en porte-à-faux, et ceux qui vibrent en torsion. Les résonateurs de torsion sont particulièrement avantageux pour mesurer les viscosités plus élevées souvent rencontrées avec les mastics et les adhésifs, car les vibrations transversales ont tendance à être plus fortement amorties par les fluides à haute viscosité. Les résonateurs de torsion ont également tendance à être moins sensibles à leur proximité avec les parois des tuyaux et autres récipients, ce qui rend les options d'installation plus flexibles. Lorsque les viscosités doivent être mesurées en ligne avec un système d'application, la compacité mécanique peut être avantageuse, car les conduites d'écoulement sont souvent de petit diamètre avec des débits relativement faibles par rapport à d'autres applications de procédé. Étant donné que les capteurs vibratoires ont tendance à produire des forces de réaction dans leur montage qui peuvent influencer leur sensibilité, les capteurs vibratoirement équilibrés sont particulièrement exempts des influences environnementales qui affectent les résonateurs déséquilibrés. Rheonics Le viscosimètre en ligne SRV est basé sur ce résonateur breveté équilibré en torsion. [2]

Surveillance du degré de durcissement des adhésifs mélangés par lots

Un autre domaine d'intérêt important dans le domaine des adhésifs est le suivi du degré de polymérisation des adhésifs et des résines. Ce contrôle est essentiel dans les applications adhésives pour déterminer si un lot de matériau a atteint les propriétés mécaniques requises, plutôt que de se fier uniquement aux spécifications des fabricants et à l'ajustement des paramètres de procédé. Lors des opérations de moulage, il est important de déterminer le moment où il est possible de démouler la pièce polymérisée en toute sécurité, et lors de la fabrication de composites, de déterminer le moment où une pièce laminée est complètement polymérisée.

De nombreuses méthodes ont été publiées pour surveiller le degré de durcissement, mais la plupart reposent sur des mesures indirectes, telles que les caractéristiques électriques ou optiques, plutôt que sur des mesures directes des propriétés mécaniques. Des méthodes expérimentales par ultrasons sont disponibles, mais elles sont généralement limitées à de très petits échantillons dans des conditions rigoureusement contrôlées, car l'atténuation des ondes ultrasonores peut être importante pendant le durcissement[3]. De plus, les mesures par ultrasons sont généralement effectuées dans la gamme des fréquences du mégahertz, ce qui, pour les matériaux non newtoniens, peut ne pas refléter leur comportement à des vitesses de déformation plus proches de celles observées dans leurs applications réelles.

Un appareil, le Rheonics CureTrack™, est actuellement testé par Rheonics GmbH. Il prédit la gélification dans des lots d’adhésifs et de mastics prémélangés. La figure 2 ci-dessous montre un instrument CureTrack, avec son utilisation dans un essai en laboratoire.

 

Le dispositif CureTrack est basé sur un Rheonics Capteur de viscosité SRV avec un cône Luer sur sa pointe pour permettre de connecter une aiguille de dosage jetable conventionnelle pour étendre son élément sensible. En utilisant une extension jetable, le capteur lui-même n'est pas exposé à l'adhésif ; l'aiguille peut simplement être détachée et jetée avec le matériau gélifié ou durci.

Le CureTrack sort deux nombres : l'amortissement et la fréquence du résonateur de l'instrument. L'amortissement dépend de la viscosité du matériau, tandis que la fréquence dépend de sa rigidité. La sortie du CureTrack donne donc un instantané du comportement viscoélastique du matériau au cours de ses processus de gélification et de durcissement.

Figues. 3 et 4 montrent les courbes de durcissement de deux systèmes époxy différents, telles qu'enregistrées par le CureTrack. Le premier est un adhésif époxy grand public avec un durcisseur à base de thiol, Pacer Technology PT39 Z-Poxy 30 Minute Epoxy. Ceci est spécifié comme ayant un temps de durcissement de 30 minutes et est généralement vendu dans les magasins de loisirs pour la construction de modèles. La seconde est la résine Axson Epolam 2017 avec durcisseur Epolam 2018, un système de durcissement aux amines utilisé pour les composites stratifiés humides. Le temps de gélification évalué est de 6 heures à un rapport pondéral résine/durcisseur de 100:30 à 23 °C dans un processus de stratification, dans lequel la grande surface limite le chauffage exothermique et l'accélération du processus de durcissement

 

 

Le principal indicateur d'une gélification imminente est donc une augmentation rapide de la viscosité indiquée, suivie d'une augmentation de la fréquence de résonance du résonateur du capteur.

Ces courbes montrent deux processus distincts et trois régions.

Les processus sont la gélification et le durcissement. La gélification est le processus caractérisé par un amortissement croissant et une fréquence croissante, reflétant une augmentation à la fois de la viscosité et de la rigidité de la résine. Le matériau passe d'un état liquide à un état gélifié. Le durcissement, caractérisé par une diminution de l'amortissement et une augmentation de la rigidité, est le processus suivant la gélification, qui transforme le matériau d'une masse collante très visqueuse en un solide rigide. Ces processus définissent également trois états par lesquels le matériau se déplace pendant la gélification et le durcissement :

1. Une région liquide, dans laquelle la rigidité du matériau est très faible, ce qui se reflète dans la fréquence faible et relativement constante du résonateur du CureTrack. Dans cette région, la viscosité est également relativement faible, indiquée par la faible valeur d'amortissement.
2. Région gélifiée, dans laquelle à la fois la rigidité et l'amortissement du matériau augmentent rapidement. Le matériau dans cette région est collant - il a une viscosité élevée qui atteint un maximum, indiquant le pic du processus de gélification avant que la solidification ne s'installe. Il devient plus rigide, formant une masse caoutchouteuse avant le durcissement final.
3. Région solide. L'amortissement a de nouveau diminué à une valeur faible et relativement constante. Le résonateur produit maintenant principalement un cisaillement élastique du matériau, avec peu de dissipation due aux forces visqueuses.

Les deux séries de courbes illustrent la capacité du CureTrack à détecter le début du processus de gélification, ainsi qu'à fournir des données quantitatives permettant de suivre l'ensemble du processus de durcissement.

Shimkin [4] a publié un excellent article faisant le point sur la surveillance du durcissement des adhésifs. Il conclut que, malgré l'existence de plusieurs méthodes de surveillance du temps de gélification, il existe un manque d'instruments commerciaux, ainsi qu'un manque général de normes et, par conséquent, de consensus entre les différentes méthodes de mesure.

La plupart des méthodes discutées par Shimkin sont indirectes, telles que l'analyse diélectrique, en ce sens qu'elles mesurent une propriété du système de résine qui est corrélée à ses propriétés mécaniques, mais ne mesurent pas directement les propriétés qui sont fonctionnellement importantes dans l'application de la résine. système. En ce sens, toute technologie de mesure qui mesure directement des propriétés telles que la gélification et la solidification fournit un retour immédiat et direct sur l'état de la résine.

Applications de la technologie CureTrack

La mesure directe des propriétés mécaniques d'un système de résine a des applications à la fois en laboratoire et en usine, où les résines sont mélangées, appliquées et durcies dans un environnement de production.

En laboratoire, un outil d'analyse mécanique robuste tel que la technologie CureTrack peut être utilisé à la fois pour la recherche et le développement et pour le contrôle qualité. Dans le laboratoire de R&D, il peut être utilisé pour analyser les propriétés de durcissement de nouvelles résines et formulations. Sa simplicité et l'utilisation d'éléments de détection peu coûteux et jetables permettent d'analyser de manière économique un grand nombre d'échantillons sans risquer d'endommager des capteurs coûteux ou de nécessiter un nettoyage approfondi et fastidieux des résidus difficiles à éliminer. À des fins de contrôle qualité, les échantillons de résine mélangée peuvent être surveillés en laboratoire sans préparation ni nettoyage fastidieux.

De même, à des fins de contrôle qualité, la robustesse de la technologie permet de transférer la surveillance des lots de production mixtes en usine, évitant ainsi de prélever des échantillons pour analyse en laboratoire. Des instruments tels que le CureTrack peuvent être insérés directement dans un seau de résine pour surveiller son état au fur et à mesure de la production et émettre une alarme en cas de gélification imminente, indiquant que tout matériau restant doit être éliminé avant sa solidification.

Le développement futur de la technologie se concentrera également sur le suivi de la gélification en production réelle. Par exemple, la pointe de la sonde peut être mise en contact avec la surface d'une couche imprégnée de résine pour surveiller l'état du matériau de la matrice. Elle peut également être insérée à une profondeur contrôlée dans un composant moulé coulé, puis retirée une fois la gélification réalisée.

La température étant un facteur essentiel pour déterminer les taux de polymérisation, CureTrack intègre un capteur de température qui mesure la température à l'extrémité de la sonde. Ce capteur mesure la température exacte à l'endroit précis où la gélification et le polymérisation sont mesurés, permettant ainsi de surveiller la température de la résine et de suivre la production de chaleur pendant le processus de polymérisation.

Références

1. Des liens vers des informations sur l'utilisation de la viscosimétrie en ligne pour les applications d'impression peuvent être trouvés dans https://rheonics.com/solutions/
2. https://rheonics.com/products/inline-viscometer-srv/
3. Matériaux 2013, 6, 3783-3804 ; doi:10.3390/ma6093783 matériaux ISSN 1996-1944 www.mdpi.com/journal/materials Revue Surveillance de l'état de durcissement des résines thermodurcissables par ultrasons Francesca Lionetto et Alfonso Maffezzoli
4. ISSN 1070-3632, Russian Journal of General Chemistry, 2016, Vol. 86, n° 6, p. 1488-1493. Pleiades Publishing, Ltd., 2016. Texte original russe AA Shimkin, 2014, publié dans Rossiiskii Khimicheskii Zhurnal, 2014, Vol. 58, nos 3-4, p. 55-61.