Optimisation des procédés de collage thermofusible (HMA) grâce à un contrôle avancé de la viscosité

• 1. Introduction
• 2. Vue d'ensemble de l'industrie
• 2.1 Adhésifs thermofusibles HMA
• 2.2 Types de HMA
• 2.3 Procédé de production d'adhésif thermofusible
• 2.4 Paramètres clés de surveillance
• 3. Rheonics Viscosimètre en ligne
• 3.1 Installation d'un viscosimètre SRV pour le processus de production de HMA
• 3.2 Avantages de la surveillance de la viscosité en ligne
• 4. Références

Les adhésifs thermofusibles (HMA) sont des formulations complexes de polymères, de résines, de cires et d'additifs qui leur confèrent leurs propriétés uniques. Les clients comptent sur la constance des performances de ces adhésifs pour leurs applications, comme l'emballage, la reliure, l'assemblage de produits, etc. Il est donc essentiel de contrôler leur composition en ligne pour garantir la qualité. La viscosité est un paramètre clé pour le suivi de la production d'HMA, et ce pour de multiples raisons. Elle influence tous les aspects, de la qualité des matières premières aux performances du produit final, en passant par l'efficacité de la production.

Un adhésif thermofusible (HMA) ou « colle chaude » est un type d'adhésif polymère thermoplastique solide à température ambiante qui s'applique sous forme liquide fondue par chauffage. Ce chauffage est généralement effectué à l'aide de pistolets thermiques ou d'appareils similaires, qui transforment la colle de l'état solide en un état fondu ou liquide, créant ainsi une liaison par refroidissement et solidification. Ce mécanisme de prise par simple perte de chaleur est une caractéristique fondamentale et un avantage majeur des HMA, car il élimine les étapes de séchage ou de durcissement souvent requises par les systèmes adhésifs à base de solvant ou d'eau [1].

Le HMA possède des caractéristiques clés qui en font un adhésif largement utilisé :

• Vitesse de prise rapide : Crée une liaison en quelques secondes après l'application.
• Composition sans solvant : Réduit ou élimine les émissions de composés organiques volatils (COV).
• Polyvalence dans le collage de substrats : substrats poreux (par exemple, papier, bois) et non poreux (par exemple, plastiques, métaux).
• Idéal pour combler les lacunes : Rétrécissement minimal ou nul après refroidissement
• Longue durée de conservation : À l'état solide, les HMA sont faciles à stocker et à transporter avec des exigences minimales pour conserver leurs caractéristiques
• Différentes présentations : Couramment utilisé comme bâtons de colle, mais également disponible sous forme de granulés, de copeaux, d'oreillers, de blocs et de lattes.

Les types d'adhésifs thermofusibles (HMA) sont principalement classés et compris en fonction de leur polymère de base primaire. Cela est dû au fait que le polymère de base constitue la « colonne vertébrale » de l’adhésif et détermine en grande partie ses propriétés fondamentales, telles que résistance, flexibilité, adhérence à différents substrats, stabilité thermique (comportement à haute ou basse température), résistance chimique, viscosité à l'état fondu, coût et temps ouvertAlors que les agents collants, les cires, les plastifiants et autres additifs sont essentiels pour affiner les caractéristiques de performance spécifiques, le polymère de base fournit les capacités inhérentes du HMA.

La production d'HMA peut varier selon le type d'adhésif souhaité. La figure 3 illustre un exemple de procédé de production où le mélange de l'adhésif est effectué dans des cuves, puis le matériau fondu est pompé à travers une extrudeuse monovis et une filière qui lui donne sa forme finale. L'HMA est ensuite refroidi au bain-marie, puis découpé à la longueur souhaitée. Les principales étapes sont ensuite décrites.

Préparation des matières premières

Les matières premières spécifiques sont soigneusement sélectionnées et dosées avec précision en fonction de la formulation souhaitée pour l'adhésif thermofusible. Différents polymères, agents poisseux, cires et additifs, tous à l'état solide, sont choisis en fonction de l'application prévue et des performances requises.

Fusion et mélange

Les matières premières solides sont ensuite transférées dans une cuve de mélange ou un réacteur à double enveloppe pour atteindre la température de fusion requise. Le mélange peut également être effectué dans des extrudeuses bivis qui réaliseront également l'extrusion finale ultérieurement.

Lors du mélange, les matériaux sont chauffés à une température spécifique (généralement comprise entre 100 °C et 235 °C, selon la formulation). Sous l'effet de la chaleur, les forces intermoléculaires qui maintiennent les chaînes polymères ensemble s'affaiblissent, permettant au matériau de s'écouler et d'obtenir un état fluide et fondu, appelé matériau liquéfié. [3] C'est à partir de cet état que les paramètres clés du procédé sont extraits, évalués et caractérisés pour garantir la qualité de la production.

Les agitateurs ou les vis d'une extrudeuse assurent un mélange homogène et complet de tous les composants. Cette étape de fusion et de mélange est essentielle pour obtenir une qualité, une viscosité et une fonctionnalité constantes du produit final.

Important : les adhésifs thermofusibles (HMA) sont uniques en ce sens qu'ils sont 100% solide et n'utilisez pas d'eau ou de solvant comme supportIl s'agit d'un avantage majeur, car cela élimine les étapes de séchage ou de durcissement et réduit les risques environnementaux liés aux composés organiques volatils (COV). Il s'agit d'un polymère thermoplastique, ce qui signifie qu'il devient plastique ou malléable lorsqu'il est chauffé et se solidifie lorsqu'il est refroidi.

Remarque : la plupart des adhésifs thermofusibles sont thermoplastique, ce qui signifie qu'ils deviennent liquides à chaud et se solidifient à froid. Ils sont également réversibles ; s'ils sont suffisamment réchauffés, ils fondront à nouveau et perdront leur résistance interne.

Pour éviter de perdre la force de liaison à des températures élevées (sauf si la réversibilité est souhaitée), les molécules de polymère de l'adhésif doivent être réticulé chimiquement après leur prise. Cette réticulation rend la liaison plus permanente et résistante à la chaleur. Elle est obtenue en ajoutant composants réactifs spécifiques dans la formulation adhésive lors de son mélange. Les thermofusibles qui subissent cette réaction chimique après refroidissement sont appelés adhésifs thermofusibles réactifsLes thermofusibles réactifs au polyuréthane (PUR) sont un exemple de HMA réactifs.

Dégazage

Dans certains cas, notamment pour les applications où la présence de bulles d'air pourrait nuire aux performances, une étape de dégazage est incluse. Cette étape consiste à appliquer un vide au mélange adhésif fondu dans les cuves afin d'éliminer l'air emprisonné ou les composants volatils.

Filtration

L'adhésif fondu peut être filtré. Ce système élimine les impuretés, les particules non dissoutes et les corps étrangers, garantissant ainsi la pureté et la qualité du produit final.

Extrusion et refroidissement

L'adhésif fondu est ensuite extrudé à travers une filière pour obtenir la forme souhaitée, par exemple des granulés, des copeaux, des blocs, des bâtonnets ou des feuilles. Immédiatement après sa mise en forme, l'adhésif thermofusible est refroidi rapidement, souvent à l'aide de tapis de refroidissement ou de bains-marie. Ce refroidissement rapide permet à l'adhésif de se solidifier et de prendre sa forme solide.

Emballage

Une fois que l'adhésif thermofusible a passé tous les contrôles de qualité, il est conditionné dans divers conteneurs adaptés à la distribution et à l'application, tels que des sacs, des fûts, des cartouches ou d'autres formes spécialisées, en fonction des besoins de l'utilisateur final.

Plusieurs propriétés de performance des adhésifs thermofusibles sont essentielles pour garantir des processus de production fluides et efficaces et obtenir la qualité de collage souhaitée. Les paramètres clés de la production sont mesurés à l'état liquide, tandis que d'autres tests sont effectués sur les matières premières solides et l'adhésif final ; ces tests sont appelés critères de sélection [3].

Température:
La température de mélange est cruciale pour garantir la fusion et l'homogénéité de tous les composants. La température de fusion correspond à la température de l'adhésif fondu juste avant l'extrusion ou le conditionnement. Elle influence la viscosité finale et la maniabilité.

Viscosité: Définie comme la résistance à l'écoulement de l'adhésif fondu, la viscosité revêt une importance capitale. Elle détermine la facilité de pompage et d'application de l'adhésif, sa capacité à mouiller la surface du substrat pour une bonne adhérence, et le contrôle de la taille des cordons ou de la forme de pulvérisation. La viscosité dépend fortement de la température ; une augmentation de la température entraîne généralement une diminution de la viscosité. Une viscosité non contrôlée ou hors spécifications pendant le mélange et juste avant l'extrusion est une source majeure de nombreux problèmes sur les lignes de production, allant d'une application irrégulière à une rupture de collage.

Vitesse de mélange/cisaillement : L'intensité du mélange est essentielle à l'homogénéité, elle doit donc être contrôlée pour garantir une dispersion uniforme des composants sans dégrader les polymères sensibles au cisaillement.

Pression: Surveillance dans les extrudeuses ou les cuves de mélange pour garantir un écoulement régulier et éviter les blocages. La pression de vide est importante lorsqu'une mise sous vide est requise.

Avec le produit final, après l'extrusion, des paramètres supplémentaires sont évalués, tels que :

Point de ramollissement : Il s'agit de la température à laquelle l'enrobé à chaud solide commence à ramollir et à s'écouler, ou à devenir plastique. Elle est largement déterminée par le type de polymère de base ainsi que par la quantité et le type de cire dans la formulation. Le point de ramollissement détermine la température minimale d'application et influence la résistance à la chaleur de l'assemblage final collé.

Heure d'ouverture: Il s'agit du délai maximal autorisé après l'application de l'adhésif fondu sur le premier substrat, pendant lequel le second substrat doit être mis en contact pour former une liaison satisfaisante [4]. Le temps ouvert doit être soigneusement adapté à la vitesse et à la mécanique du processus d'assemblage. Un temps trop court entraînera un mauvais mouillage et une liaison faible. Un temps trop long risque de compromettre la vitesse de production ou de déplacer les pièces avant la prise de la liaison.

Réglage de l'heure (réglage de la vitesse) : Il s'agit du temps nécessaire au HMA pour refroidir et se solidifier suffisamment pour former une liaison d'une résistance acceptable, permettant la manutention des pièces assemblées ou leur passage à l'étape suivante de production. Les temps de prise rapides sont l'un des principaux avantages des HMA, contribuant à des cadences de production élevées.

Stabilité de la durée de vie en pot : Cette propriété décrit la capacité de l'enduit à chaud à conserver ses caractéristiques spécifiées (par exemple, viscosité, couleur, absence de carbonisation ou de gélification) lorsqu'il est maintenu à l'état fondu dans le réservoir de l'équipement d'application pendant une durée prolongée. Une durée de vie en pot insuffisante entraîne une dégradation de l'adhésif, ce qui peut entraîner un colmatage des buses, une qualité d'application inégale et une maintenance accrue de l'équipement. Des antioxydants sont généralement inclus dans les formulations d'enduit à chaud pour améliorer la stabilité de la durée de vie en pot.

Rheonics SRV Il s'agit d'un viscosimètre de process en ligne qui mesure une large plage de viscosité et de température en temps réel. Il est adapté à une installation dans des cuves de mélange et de stockage, ainsi que dans des canalisations pour la mesure continue des fluides de process. Rheonics Le SRV est compatible avec les processus de mélange à grande vitesse et n'est pas affecté par la présence de bulles dans le fluide ou de vibrations externes.

Rheonics Les capteurs sont basés sur la technologie brevetée Balanced Torsional Resonator (BTR), qui permet à la sonde d'être compacte et légère, tout en étant robuste pour l'environnement industriel et compatible avec les applications à haute température (jusqu'à 285°C), sous vide et à haute pression. Rheonics SRV n'a pas de pièces mobiles, c'est une sonde hermétiquement scellée proposée en acier inoxydable 316L.

Le capteur SRV est proposé en différentes versions, de longueur et de raccordement process variables, pour une installation aisée pour chaque application. Toutes les sondes SRV utilisent le même élément de détection, ce qui facilite leur évolutivité dans les processus de production.

Comme expliqué précédemment, la viscosité est une paramètre critique pour les HMA, car cela a un impact direct sur leur aptitude à la mise en œuvre, leurs performances d'application et, en fin de compte, sur la résistance finale de l'adhérence. Rheonics Viscosimètre en ligne SRV, la viscosité et la température peuvent être surveillées en ligne, particulièrement recommandé pendant les processus de mélange et d'extrusion, comme illustré dans la figure 3.t.

Installation dans le réservoir

Rheonics Le SRV peut être installé dans les réservoirs par le bas, les parois ou le haut. Cela dépend de la conception du réservoir (taille, interférences entre les parois et les arbres de mélange, etc.) et des préférences de l'utilisateur (accessibilité, facilité d'installation, etc.).

Pour une installation correcte du capteur SRV dans le réservoir pour la surveillance de la production de HMA, la recommandation suivante doit être suivie :

• Assurez-vous que l'élément de détection est en contact avec le matériau fondu. Pour les installations par le haut du réservoir, l'utilisation d'un SRV à insertion longueDans les installations murales et inférieures, évitez les zones mortes qui peuvent conduire à des zones de stagnation affectant la zone de détection – voir Figure 5.
• Assurez-vous que la sonde SRV ne sera pas endommagée par les arbres de mélange à l'intérieur du réservoir.

  

   

Installation en ligne

Les conduites utilisées pour transporter la colle thermofusible du réservoir de mélange aux extrudeuses doivent maintenir une température et une pression élevées afin de garantir des propriétés constantes du fluide. Pour ce faire, les conduites sont chemisées et des pompes volumétriques, telles que des pompes à engrenages ou à piston, sont utilisées. Les pompes à engrenages sont privilégiées pour assurer un débit régulier et continu, tandis que les pompes à piston permettent une pression élevée dans les conduites tout en produisant un débit légèrement pulsé.

Rheonics Le SRV est adapté aux installations en ligne, même à des températures et pressions élevées. Il fonctionne avec des fluides statiques et fluides, et ne présente aucun problème de fonctionnement en cas de débit pulsé. L'installation recommandée du SRV dans les canalisations pour les enrobés chauds est en coude, la sonde étant placée dans le sens inverse du flux du fluide.

Installation en petite ligne ou en by-pass

Il est courant d'utiliser des lignes de petite taille ou de dérivation connectées aux lignes principales dans la production d'adhésifs thermofusibles pour prélever des échantillons et étudier les propriétés rhéologiques du fluide. Dans ces lignes, il est essentiel de maintenir une certaine pression et une certaine température pour le fluide.

Dans ce scénario, Rheonics propose des accessoires tels que :

1. Cellules d'écoulement : Voir toutes les cellules d'écoulement en ligne SRV.
2. Chambre de chauffage : Rheonics STCM-IFP est une chambre en ligne qui permet un contrôle de la température et une bonne isolation thermique, maintenant la température du fluide au fur et à mesure de son arrivée.

   

• Rétroaction et contrôle en temps réel :

  Contrairement aux tests de laboratoire hors ligne qui fournissent des résultats différés, Rheonics Le viscosimètre SRV en ligne donne données instantanées et continuesCela permet aux opérateurs de voir précisément comment la viscosité évolue à mesure que les matières premières sont ajoutées et mélangées. Cela permet ajustements immédiats pour traiter des paramètres tels que la température, la vitesse de mélange ou même les débits d'alimentation en matières premières.

• Intégration facile des données :

  Rheonics SRV utilise une électronique puissante, appelée SMECet appareil relève les mesures de la sonde et transmet la viscosité et la température mesurées. Il exécute également en natif plusieurs protocoles de communication industriels, tels que Modbus, Profinet, Ethernet/IP. HART, etc. pour l'intégration avec les systèmes de surveillance et de contrôle locaux.

• Amélioration de la cohérence et de la qualité des produits :

  En maintenant un contrôle plus strict sur la viscosité pendant la production, les fabricants peuvent considérablement réduire les variations d'un lot à l'autreCela conduit à une qualité de produit plus constante, à moins de lots hors spécifications et, en fin de compte, à des clients plus satisfaits.

• Efficacité de production optimisée :

  La détection précoce des écarts permet de corriger les problèmes avant qu'un lot entier ne soit ruiné, réduire les déchets de matières premières et d’énergie coûteuses.

  Optimisation énergétique : Connaître la viscosité exacte permet d'optimiser l'apport d'énergie de mélange et de chauffage, ce qui peut conduire à des économies d'énergie.

• Compréhension du processus et dépannage :

  Rheonics SRV fournit un dossier historique complet de la viscosité et de la température des HMA. Ces données sont précieuses pour l'optimisation des procédés, l'identification des tendances et le diagnostic rapide de la cause profonde des problèmes de production éventuels.

• Intervention manuelle réduite et sécurité :

  La mesure automatisée en ligne réduit le recours à l'échantillonnage manuel, parfois dangereux compte tenu des températures élevées des HMA fondus. Elle libère également de la main-d'œuvre pour d'autres tâches.

[1]:Propriétés, types et applications des adhésifs thermofusibles

[2]:Adhésifs à chaud

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

[4]: Qu'est-ce qu'un adhésif thermofusible (HMA) ?